Актуальность темы
К числу важных требований, предъявляемых к управлению движением летательных аппаратов (J1A) различного назначения, относится обеспечение требуемой точности полета. В свою очередь это связано с необходимостью получения и использования в алгоритмах и, соответственно, в управлении движением высокоточной навигационной информации, которая как известно, обычно подразделяется на первичную, начальную и исходную. Первичная и начальная навигационная информация непосредственно связанна с процессом измерения параметров движения центра масс JIA и параметров его углового движения при стабилизации и ориентации аппарата относительно векторных базовых направлений. Исходная информация непосредственно не связана с движением конкретного ЛА в конкретном полете и она не изменяется в пределах навигационного цикла. К этой информации относятся используемая априорная модель динамики движения JIA, сведения о физических полях, учитываемых в алгоритмах навигационных определений, либо в алгоритмах наведения, алгоритмы пересчета обобщенных координат JIA в его навигационные координаты и др.
Получение достоверной информации указанных типов представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу. Не останавливаясь на известных методах её решения отметим, что какие бы подходы при этом не использовались, всегда остаются неконтролируемые факторы, влияющие на точность движения. Эти неконтролируемые факторы иначе можно трактовать, как априори неустранимую неопределенность в навигационном определении параметров, оказывающую влияние на конечную точность движения. Данное обстоятельство справедливо как в отношении измерительной информации, характеризуемой не поддающейся компенсации случайной составляющей измерителей, так и в отношении используемой исходной информации, не оЛАдающей абсолютной адекватности по отношению к реальным физическим процессам. 7.
В зависимости от принятых допущений при анализе влияния неконтролируемых (или неопределенных) факторов обычно используется либо стохастическая постановка задачи, предполагающая возможность задания (или предварительного определения) некоторой совокупности априорных статистических сведений, либо детерминированная гарантирующая, при которой задаются лишь допустимые пределы изменения самих неконтролируемых факторов. В настоящей работе используются оба подхода.
Анализ влияния на точность движения JIA априори неустранимой неопределенности в навигационном определении параметров, может быть осуществлен только при конкретизации исследуемого класса ЛА и реализуемых методов управления.
В диссертации рассматривается достаточно широкий класс ЛА, имеющих наряду с активным управляемым участком еще и пассивный неуправляемый участок траектории. Активных и пассивных участков движения, в принципе, может быть несколько и они могут чередоваться друг с другом. Управляемое движение центра масс ЛА такого типа, в результате которого обеспечивается решение поставленной задачи, обычно трактуется, как задача наведения. К числу таких задач могут быть отнесены задачи управления движением ракет-носителей космических аппаратов (КА), задачи управления движением КА в интересах достижения встречи и др.
В качестве реализуемого на борту ЛА метода наведения, в работе рассматривается разработанный в США и впервые предложенный Р. Бэттином и Дж. Лэнингом для решения задач астродинамики «метод Q-наведения».
Анализ точностных возможностей ЛА с системами управления (СУ), реализующими «метод Q-наведения», с учетом неконтролируемых факторов навигационного обеспечения, является весьма актуальной задачей, как обеспечивающий получение экспертных оценок одной из определяющих характеристик эффективности ЛА рассматриваемого класса. 8.
Цель и задачи исследования
Основной целью диссертации является выполнение всестороннего анализа природы и характера неконтролируемых факторов навигационного обеспечения полета JIA, реализующих «метод Q-наведения», разработка методик анализа влияния этих факторов на точность движения и поиск путей уменьшения соответствующего влияния за счет использования принципов адаптации.
Методы исследования. В диссертации используются методы теории обыкновенных дифференциальных уравнений, линейной алгебры, теории матриц, математической статистики, а также теоретические основы динамик полета, аэродинамики и навигации JIA.
Научная новизна. В настоящей диссертации впервые осуществлен комплексный подход к решению задач анализа влияния неконтролируемых факторов навигационного обеспечения полета ЛА, реализующих «метод Q-наведения». Получены оригинальные методики исследования, оттестированные на примере анализа точности полета гипотетического ЛА. Рассмотрен достаточно широкий круг проблем уменьшения влияния неопределенности за счет применения принципа адаптации.
Практическая ценность. Практическое значение полученных результатов заключается в методическом и программном обеспечении экспертного анализа ожидаемых точностных характеристик ЛА, реализующих «метод Q-наведения» с учетом использования некоторых возможных путей уменьшения влияния априори неустранимой неопределенности в навигационном определении параметров их движения.
В работе автор защищает: 1) Разработанную полную математическую модель движения ЛА с применением «метода Q-наведения» и комплексную моделирующую программу для проведения численных исследований рассматриваемого процесса навигационного обеспечения полета- 9.
2) Комплекс методик оценки влияния неконтролируемых факторов на точность движения JTA, реализующего «метод Q-наведения» (методики учета влияния неконтролируемых внешних факторов, в том числе ветрового воздействия);
3) Методический подход к решению краевой задачи определения требуемой скорости JIA на основе задач Эйлера-Ламберта при определении ошибок навигационного обеспечения «метода Q-наведения», гарантирующего повышение скорости сходимости итерационной процедуры;
4) Новый подход к решению задачи синтеза адаптивных систем стабилизации JIA, обеспечивающий повышение точности полета в условиях действия априори неустранимых неопределенностей в навигационном определении параметров движения;
5) Результаты численного моделирования решаемых задач.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием в работе строгих математических методов исследования и совпадением результатов численного моделирования с отдельными ранее полученными результатами других авторов.
Содержание работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, всего на 160 стр. Машинописного текста.
Первая глава посвящена общим вопросам анализа основных причин возникновения методических погрешностей при решении задач автономной навигации с акцентом на JIA, реализующие «метод Qнаведения». В ней приводится разработанная математическая модель движения J1A при управлении по «методу Q-наведения», а также рассматриваются вопросы создания программного обеспечения для исследования движения аппарата на активном участке траектории.
В второй главе излагаются результаты анализа возмущающих факторов, действующих на атмосферном участке полета, влияющих на методическую ошибку навигационного обеспечения систем, обеспечивающих управление J1A по «методу Q-наведения».
В третей главе приводится описания методики учета методических и инструментальных ошибок управления и определения их численных значений, а также характеристики рассеивания, вызываемого ими, для некоторого гипотетического типа JIA.
Четвертая глава посвящена обсуждению возможностей применения принципа адаптации для уменьшения влияния априори неустранимой неопределенности в действии внешних возмущающих факторов, а также методических и инструментальных ошибок управления на точность движения JIA.
В заключении подводятся итоги выполненного исследования и формулируются основные выводы.
В приложение приведены листинг некоторых моделирующих программ, а также исходные данные гипотетического JIA, на основе которых осуществлено тестирование разработанного программного продукта.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на XXII, XXIII и XXIV Гагаринских чтениях, на чтениях К. Э. Циолковского в 1998 г. Они обсуждались на научных семинарах кафедры СМ-3 МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ [15−19]. В заключение автор считает необходимым выразить свою благодарность научному руководителю проф. Лысенко JI.H. за консультации и помощь, оказанные при выполнении и написании диссертации.
147 Заключение.
В соответствии с поставленной целью исследования, в работе выполнен анализ характера неконтролируемых факторов навигационного обеспечения полета ЛА, реализующих «метод Q-наведения» и разработан комплекс методик анализа влияния этих факторов на точность движения, в том числе, и при использовании для уменьшения соответствующего влияния принципов адаптации.
Таким образом, работа в основном носит методический характер, подкрепленный разработанным программным продуктом, обеспечивающим проведение экспертного анализа ожидаемых точностных характеристик JIA, реализующих «метод Q-наведения».
Вместе с тем, в рамках проведенных диссертационных исследований получен ряд частных результатов, представляющих самостоятельный интерес: -разработана полная математическая модель движения JIA с применением «метод Q-наведения» при различных вариантах записи исходных уравнения относительно различных систем координат;
— проведен наиболее полный анализ комплекса действующих возмущающих и неконтролируемых факторов, испытываемых управляемым ЛА в полете, разработаны оригинальные методики их оценивания и сделаны выводы об их численных характеристиках;
— предложен новый методический подход к решению краевой задачи определения требуемой скорости ЛА на основе задачи Эйлера-Ламберта при определении ошибки навигационного обеспечения «метода Q-наведения», гарантирующий повышения скорости сходимости итерационной процедуры — -показаны пути разделения инструментальных и методических ошибок, влияющих на точность движения ЛА с БИНС, реализующей «метод Q-наведения»;
— разработан неизвестной ранее алгоритм синтеза адаптивных систем стабилизации ЛА и оценки возможности их применения для повышения.
148 точности полета в условиях априори неустранимых неопределенностей в навигационном определении параметров движения.
— результаты численного моделирования исследуемых процессов позволили оттестировать предложенные методики и доказать их работоспособность.
