СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАНЕВРОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ НА КОНЕЧНОМ УЧАСТКЕ ТРАЕКТОРИИ ПЛАНИРУЮЩЕГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК G05D1/00 G08G5/00 

Изобретение относится к области управления полетами планирующих беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и может быть использовано при планировании их маршрутов и соответствующих траекторий.

Наиболее близким к данному изобретению является «Способ формирования спиралевидного движения планирующего летательного аппарата относительно опорной траектории» [2] (патент RU, 2306593 RU №2005134997/28), который базируется на следующих основных положениях:

1. Маневр планирующего летательного аппарата (ЛА) формируется непосредственно в полете по остаточному принципу после анализа имеющегося на текущий момент (располагаемого) ресурса управления поперечным движением ЛА и выделения из него ресурса, требуемого на наведение на конечную точку опорной траектории.

2. Бортовые алгоритмы формирования маневра - три разных алгоритма - являются дополнительными к бортовому алгоритму наведения ЛА по требуемому ускорению.

3. Конфигурация маневра - гармонические колебания центра масс ЛА относительно опорной траектории с амплитудами в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Недостатки данного способа:

1. Маневр в виде гармонических колебаний ЛА относительно опорной траектории, формируемый по остаточному принципу и по амплитудам, не всегда может удовлетворить требованиям, предъявляемым к маневрам ЛА, а в ряде случаев, например при больших вариациях плотности атмосферы, на формирование маневра вообще может не хватить ресурса управления поперечным движением ЛА. Из-за возможной нехватки ресурса на формирование маневра тактическая задача ЛА может оказаться невыполненной.

2. Бортовой алгоритм формирования маневра ЛА достаточно громоздок, поскольку включает в себя решения комплекса задач: 1) анализ текущего ресурса управления поперечным движением ЛА; 2) выделение из него ресурса на наведение ЛА по опорной траектории и определение величины остатка на формирование маневра; 3) обеспечение входа в спиралевидное движение ЛА; 4) поддержание режима спиралевидного движения; 5) обеспечение выхода из него на опорную траекторию.

Задачей предлагаемого изобретения является формирование гарантированно осуществимого в реальном полете маневра планирующего БЛА произвольной конфигурации с минимальными изменениями или дополнениями бортовых алгоритмов управления полетом.

Требуемый технический результат достигается заблаговременным расчетом маневренных траекторий БЛА во вспомогательной системе координат, определением необходимого числа и расположения опорных точек рассчитанной маневренной траектории, включением в состав данных полетного задания БЛА координат некоторой совокупности опорных точек и использованием их в полете БЛА в качестве промежуточных точек наведения по методу требуемых ускорений.

Сущность изобретения поясняется приведенным ниже описанием и рисунками Фиг.1 и Фиг.2.

Маневры БЛА по предлагаемому способу формируются первоначально еще на этапе исследования маневренных возможностей БЛА с учетом различных факторов методом математического моделирования его движения с анализом эффективности задаваемых маневренных траекторий и фиксацией допустимых вариантов маневра. Расчеты параметров траекторий БЛА проводятся во вспомогательной системе координат O_вLHZ (Фиг.1), начало которой задается в некоторой точке О_в земной поверхности в заданном регионе Земли. Ее ось О_вН - ось отсчета высот точек траектории - вертикальна, ось дальностей O_вL ориентирована на север, а ось O_вZ дополняет систему координат до правой. Расчетные траектории, удовлетворяющие всем тактическим и техническим ограничениям, признаются пригодными для использования в качестве опорных траекторий при планировании использования БЛА в реальных условиях, а координаты отдельных их точек - точек перегиба - фиксируются в соответствующей базе данных (БД), в качестве координат опорных точек опорных траекторий S_ij(L_ij,H_ij,Z_ij) (i - номер варианта маневра, j - номер опорной точки).

При подготовке полета БЛА в его полетное задание из БД вносятся координаты опорных точек S_ij(L_ij,H_ij,Z_ij) выбранного варианта маневра, а по существу - варианта конфигурации конечного участка траектории движения БЛА, а также в ПЗ вносятся геодезические координаты конечной точки полета БЛА - точки Ц - В_Ц, L_Ц, Н_Ц и азимут оси O_вL - $$A_{O_{в}L}$$ , определяющий ориентацию системы координат O_вLHZ в горизонтальной плоскости при совмещении точки О_в с точкой Ц и оси О_вН с вертикальной осью Цу_N нордовой системы координат Цх_Ny_Nz_N (см. Фиг.1).

Координаты опорных точек планируемой траектории БЛА S_j(L_j, H_j, Z_j), (j=1,…,n) (здесь и далее номер варианта маневра i опущен), геодезические координаты точки Ц - В_Ц, L_Ц, Н_Ц - и азимут оси O_вL $$A_{O_{в}L}=A_{ЦL}$$ , предназначенный для привязки системы координат O_вLHZ к нордовой с началом в точке Ц, являются необходимыми и достаточными данными для формирования в полете маневра БЛА заданной конфигурации.

Необходимость этих данных очевидна (см. Фиг.1), а достаточность вытекает из нижеследующих посылок и выкладок.

Последовательное наведение БЛА на опорные точки S_j осуществляется с использованием метода наведения «по требуемому ускорению» [1], алгоритм которого представляет собой решение в каждом цикле наведения краевой баллистической задачи (КБЗ) с определением требуемого кажущегося ускорения, переводящего БЛА из текущего фазового состояния в требуемое конечное.

Краевые условия КБЗ обычно задаются в так называемой целевой прямоугольной системе координат с началом в точке цели, а в нашем случае - в промежуточной целевой системе координат S_jx_ну_нz_н с началом в очередной опорной точке траектории БЛА S_j, осью S_jx_н, ориентированной в пространстве в направлении требуемого движения в точке S_j, осью S_jу_н, лежащей в вертикальной плоскости, содержащей ось S_jx_н, и осью S_jz_н, дополняющей систему координат S_jx_ну_нz_н до правой.

В общем случае краевые условия КБЗ включают фазовые параметры движения БЛА в текущей точке траектории - x_н, y_н, z_н, $$V_{x_{н}}$$ , $$V_{y_{н}}$$ , $$V_{z_{н}}$$ и в конечной точке: координаты x_нк=0, y_нк=0, z_нк=0 и составляющие скорости $$V_{x_{н}к}$$ , $$V_{y_{н}к}$$ , $$V_{z_{н}к}$$ . Для определения требуемых управляющих параметров, обеспечивающих асимптотическое сближение траектории БЛА с осью S_jx_н системы координат S_jx_нy_нz_н (Фиг.2)., краевые условия в конечной точке траектории задаются в виде: x_нк=0, у_нк=0, z_нк=0, $$V_{x_{н}к}$$ - любое, $$V_{y_{н}к}=0$$ , $$V_{z_{н}к}=0$$ .

Для обеспечения плавного изгиба траектории БЛА при пролете каждой очередной опорной точки S_j и начале движения к следующей опорной точке. S_j+1 промежуточная целевая система координат S_jx_нy_нz_н ориентируется в пространстве определенным образом (см. Фиг.2), для чего достаточно задать ориентацию орта $$x_{н}^{\circ }$$ ее оси S_jx_н в системе координат ЦLHZ по следующему алгоритму:

где е₁, е₂, e₃ - составляющие орта $${\overrightarrow{x}}_{н}^{\circ }$$ по осям системы координат ЦLHZ;

e_j-1,j и e_j,j+1 - единичные векторы звеньев S_j-1S_j и S_j, S_j+1 ломаной линии с вершинами в точках S_j-1, S_j, S_j+1.

В проекциях на оси системы координат ЦLHZ: они находятся по следующим формулам:

Необходимая для преобразования параметров движения БЛА матрица связи промежуточной целевой системы координат S_jx_нy_нz_н с системой координат ЦLHZ представлена в виде:

Обычно текущие параметры движения БЛА r(t), V(t) определяются в какой-либо системе координат, связанной с Землей. Например, в нордовой системе координат Цх_Ny_Nz_N: [х_N, y_N, z_N]^T, [ $$V_{x_{н}}$$ , $$V_{y_{н}}$$ , $$V_{z_{н}}$$ ]^T. Тогда преобразование r(t), V(t) в каждую из промежуточных целевых систем координат S_jx_нy_нz_н для решения КБЗ производится по алгоритму:

где матрица $$M_{x_{н}\leftarrow L}$$ определяется выражением (4),

матрица $$M_{L\leftarrow x_N}$$ , связывающая систему координат ЦLHZ с нордовой системой Цх_Ny_Nz_N, определяется выражением

а матрица $$M_{x_{н}\leftarrow L}=M_{L\leftarrow x_N}^T$$ .

При наведении БЛА на очередную опорную точку в каждом цикле наведения определяется требуемое кажущееся ускорение $${\dot{W}}_n^{mp}\left(t\right)$$ в поперечном направлении и соответствующий ему требуемый пространственный угол атаки $${\alpha }_n^{mp}\left(t\right)$$ , которые сравниваются по величине с максимально допустимыми на данный момент времени значениями поперечного ускорения $${\dot{W}}_n^{\max }\left(t\right)$$ и угла атаки $${\alpha }_n^{\max }\left(t\right)$$ и, в случае выполнения условий

для управления движением БЛА используется значение $${\alpha }_n^{mp}\left(t\right)$$ , в противном случае используется значение $${\alpha }_n^{\max }\left(t\right)$$ .

При достижении БЛА опорной точки траектории S_j текущие фазовые параметры движения r(t), V(t) пересчитываются в следующую промежуточную целевую систему координат S_j+1x_нy_нz_н, задаваемую по тому же правилу, что и система S_jx_нy_нz_н, и начинается наведение на следующую точку S_j+1, затем на следующую и так далее до конечной точки Ц.

Из приведенных выкладок следует, что при предлагаемом способе формирования маневра БЛА весь располагаемый текущий ресурс управления поперечным движением БЛА используется на формирование траектории движения к очередной опорной точке наведения с последующим разворотом на следующую опорную точку по плавно изгибающейся траектории, затем на следующую и т.д., т.е. весь располагаемый текущий ресурс управления используется на формирование маневренной траектории БЛА с конечной опорной точкой Ц, наведение на которую ничем не отличается от наведения на промежуточные опорные точки траектории.

Предлагаемым способом могут быть сформированы траектории планирующих БЛА как с известными типами маневров, такими как «спираль», «горизонтальная змейка», «вертикальная змейка» с различными амплитудами, так и маневры с асимметричными отклонениями от прямолинейной или баллистической траектории. Амплитуды маневров гармонического типа, сформированных по данному способу, определяются только расстояниями между соседними опорными точками маневренной траектории,.

Примеры задания траекторий планирующего БЛА с маневрами на конечном участке траектории приведены в таблице 1.

Таблица 1 Варианты
маневра
опорные точки «Спираль» (1 период).
Вариант №1 Горизонтальная «змейка» (3/2 периода).
Вариант №2 «Спираль» (3/2 периода).
Вариант №3 L (км) Z (км) Н (км) L (км) Z (км) Н (км) L (км) Z (км) Н (км) S1 260 0 35 260 0 35 260 0 35 S₂ 205 37 45 180 -10 34 180 -10 45 S₃ 130 2 33 124 9 33 123 9 33 S₄ 80 -22 35 82 -10 30 84 -9 35 S₅ 30 -22 25 30 13 25 30 13 25 S₆ 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Пример реализации маневра, запланированного шестью опорными точками S_j(L_j, H_j, Z_j), включая точку Ц(0, 0, 0) (см. таблицу 1, вариант №1), полученный моделированием на ЭВМ траектории БЛА при ограничениях на управляющий параметр α_n 16 градусами (см. параметр АЛЬФА (t) в таблице 3), приведен в таблицах 2 и 3. В таблице 2 параметры движения БЛА в опорных точках траектории выделены жирным шрифтом.

Обозначения в табл.2: t, Н, V, L, Z - определены выше, teta - угол наклона траектории к горизонту, psi - угол курса относительно оси дальностей ЦL.

Таблица 2 Параметры траектории БЛА с маневром «спираль», заданным опорными точками S₁, …, S₆ варианта №1 t (c) Н (м) V (м/с) L (км) Z (км) teta (град.) psi (град.) 0.00 35000 2527 261.791 0.000 8.4 -53.4 4.00 36365 2508 255.898 6.691 8.2 -46.2 8.00 37683 2492 249.156 13.905 7.9 -44.5 12.00 38940 2478 242.323 20.962 7.4 -47.5 16.00 40149 2465 235.028 27.465 7.3 -53.1 20.00 41403 2453 226.995 32.916 8.0 -62.4 24.00 42844 2442 218.086 36.516 9.4 -75.0 28.00 44484 2431 208.615 37.521 9.2 -80.7 29.40 44999 2428 208.6 37.5 8.1 -81.9 32.00 45686 2423 199.034 37.509 5.1 -82.4 36.00 45987 2418 189.503 36.002 -0.2 -75.5 40.00 45450 2417 180.294 33.097 -5.0 -66.8 44.00 44178 2418 171.600 29.006 -9.0 -58.9 48.00 42317 2421 163.481 24.003 -12.1 -52.7 52.00 40078 2424 155.837 18.408 -13.6 -49.1 56.00 37782 2424 148.375 12.582 -12.9 -49.6 60.00 35708 2421 140.666 7.024 -11.1 -53.8 64.00 34084 2412 132.399 2.238 -7.8 -61.6 67.69 33000 2400 132.4 2.2 -7.2 -63.4 67.99 32912 2398 123.709 -1.699 -6.3 -63.5 71.99 32164 2380 115.305 -6.202 -1.7 -58.8 75.99 32244 2357 107.251 -11.179 3.6 -57.4 79.99 33027 2333 99.187 -15.879 5.9 -61.3 83.99 33930 2311 90.796 -19.714 5.3 -67.7 87.99 34636 2292 82.028 -22.353 3.5 -77.4 91.46 35000 2277 82.0 -22.4 2.3 -79.7 91.96 35035 2275 73.099 -23.820 1.7 -80.5 95.96 34683 2263 64.127 -25.113 -5.4 -81.1 99.96 33305 2252 55.236 -25.942 -11.4 -78.1 103.96 31146 2240 46.504 -25.988 -15.6 -74.1 107.96 28589 2220 38.029 -24.810 -16.8 -68.9 111.96 26257 2186 29.963 -22.111 -12.7 -64.1 114.84 25000 2150 30.0 -22.1 -11.1 -65.7 116.04 24374 2133 22.031 -18.735 -16.3 -58.9

t (c) Н (м) V (м/с) L (км) Z (км) teta (град.) psi (град.) 120.04 21345 2062 15.416 -14.545 -24.6 -46.6 124.04 17544 1939 9.990 -10.012 -32.1 -38.8 128.04 13148 1715 5.737 -5.941 -41.9 -31.8 132.04 8605 1349 2.816 -2.979 -53.6 -24.4 136.04 4730 905 1.199 -1.294 -64.4 -17.3 140.04 2127 513 0.476 -0.524 -71.2 -12.6 144.04 630 326 0.153 -0.170 -72.0 -11.9 146.20 0 298 0.000 0.000 -69.4 -13.7

Параметры движения БЛА с маневром варианта №1 в проекциях на оси промежуточных целевых систем координат S_jxuz представлены в таблице 3.

Таблица 3 Количество опорных точек = 6 Максимальное значение угла атаки - 16.0 град. Наведение на 2-ю опорную точку: Дальность = 70163 м; Требуемый азимут в опорной точке №2 = 28.660 град. Требуемый наклон к горизонту в точке №2 = 8.50 град. t (c) Н (м) V (м/с) x (м) y (м) z (м) АЛЬФА (гр.) перегр. 0.00 35000 2527 -61658 -1272 33458 0.0 0.0 4 36365 2508 -53700 -982 27306 -1.4 1.3 8 37683 2492 -46298 -673 20590 1.8 1.7 12 38940 2478 -38831 -452 14038 16.0 7.7 16 40149 2465 -30957 -355 8069 16.0 14.8 20 41403 2453 -22422 -324 3202 16.0 23.5 24 42844 2442 -13117 -231 244 16.0 31.7 28 44484 2431 -3403 -14 -85 16.0 1.7 29.40 44999 2428 0 -1 6 16.0 3.9 Отклонение по высоте -1.2 м Отклонение по дальности -0.2 м Отклонение по боку 6.1 м Наведение на 3-ю опорную точку: Дальность =90387.4 м; Требуемый азимут в опорной точке №3 =256.217 град. Требуемый наклон к горизонту в точке №3 =- 7.23 град. t (c) Н (м) V (M/c) x (м) y (м) z (м) АЛЬФА (гр.) перегр. 29.40 44999 2428 -90363 2 -1982 16.0 3.9 32 45686 2423 -84751 1484 -4436 16.0 21.6 36 45987 2418 -75573 3065 -7032 16.0 19.8 40 45450 2417 -66018 3839 -8216 16.0 17.5

44 44178 2418 -56356 3873 -8100 16.0 14.2 48 42317 2421 -46774 3289 -6911 16.0 9.3 52 40078 2424 -37331 2292 -4982 15.4 2.4 56 37782 2424 -27951 1215 -2769 15.0 4.7 60 35708 2421 -18481 359 -902 16.0 13.1 64 34084 2412 -8873 -38 27 16.0 17.0 67.69 33000 2400 0 0 0 -3.3 1.1 Отклонение по высоте 0.0 м Отклонение по дальности 0.0 м Отклонение по боку 0.0 м Наведение на 4-ю опорную точку: Дальность = 54915.6 м; Требуемый азимут в опорной точке №4 = 240.593 град. Требуемый наклон к горизонту в точке №4 = 2.33 град. t (c) Н (м) V (м/с) x (м) y (м) z (м) АЛЬФА (гр.) перегр. 67.69 33000 2400 -53204 -70 -13603 -3.3 1.1 68 32912 2398 -52519 -180 -13413 16.0 5.4 72 32164 2380 -43527 -1221 -10362 15.8 1.3 76 32244 2357 -34758 -1440 -6790 6.2 4.8 80 33027 2333 -25991 -970 -3497 9.8 6.3 84 33930 2311 -17039 -399 -1113 16.0 11.0 88 34636 2292 -7925 -47 32 16.0 14.5 91.46 35000 2277 0 0 -1 -1.0 1.2 Отклонение по высоте -0.2 м Отклонение по дальности 0.0 м Отклонение по боку -0.6 м Наведение на 5-ю опорную точку: Дальность = 50980.5 м; Требуемый азимут в опорной точке №5 = 208.844 град. Требуемый наклон к горизонту в точке №5 = -11.09 град. t (c) Н (м) V (м/с) x (м) y (м) z (м) АЛЬФА (гр.) перегр. 91.46 35000 2277 -48735 440 -14957 -1.0 1.2 92 35035 2275 -47788 670 -14368 16.0 5.1 96 34683 2263 -40030 1894 -9836 16.0 5.2 100 33305 2252 -31981 2116 -5763 16.0 6.4 104 31146 2240 -23643 1588 -2475 16.0 11.3 108 28589 2220 -15016 697 -418 16.0 17.3 112 26257 2186 -6248 54 73 0.4 5.2 114.84 25000 2150 0 0 0 -6.5 0.4 Отклонение по высоте 0.0 м Отклонение по дальности 0.0 м Отклонение по боку 0.0 м Наведение на 6-ю опорную точку: Дальность = 40030.8 м; Требуемый азимут в опорной точке №6 = 182.751 град. Требуемый наклон к горизонту в точке №6 = -70.00 град. t (c) Н (м) V (м/с) x (м) y (м) z (м) АЛЬФА (гр) перегр. 114.84 25000 2150 -34011 -20574 -4737 -6.5 0.4 116 24374 2133 -32651 -18633 -3746 7.5 15.6 120 21345 2062 -27251 -12567 -1657 -1.9 8.5 124 17544 1939 -21303 -7280 -681 -4.2 8.3 128 13148 1715 -15173 -3262 -262 -5.0 9.1 132 8605 1349 -9487 -909 -87 -5.5 6.1 136 4730 905 -5048 -40 -19 -6.0 0.8 140 2127 513 -2240 62 0 -6.7 3.0 144 630 326 -670 0 1 -5.0 1.9 146.20 0 298 0 0 0 -2.8 1.2 БЛА достиг поверхности Земли Отклонение по дальности 0.1 м Отклонение по боку -0.1 м

Таким образом, предварительный расчет траекторий БЛА с различными маневрами, с фиксацией в БД вариантов расположения во вспомогательной системе координат O_вLHZ опорных точек этих траекторий, последующий выбор из БД и включение в ПЗ требуемого варианта маневра БЛА и соответствующих координат опорных точек S_j(L_j,H_j,Z_j), а также задание азимута оси O_вL - $$A_{O_{в}L}$$ и геодезических координат конечной точки траектории Ц - В_Ц, L_Ц, Н_Ц гарантированно обеспечивают формирование траектории планирующего БЛА с маневром требуемой конфигурации при последовательном наведении БЛА на опорные точки траектории по методу требуемого ускорения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Горченко Л.Д. Метод терминального наведения по требуемому ускорению аэродинамически управляемых летательных аппаратов. Журнал «Полет» №6, М.: Машиностроение, 1999, с 21-24.

2. Патент RU №2306593, 2005.

Изобретение относится к области управления полетами планирующих беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и может быть использовано при планировании их маршрутов и соответствующих траекторий. Техническим результатом является повышение эффективности управления планирующим беспилотным летательным аппаратом. Сущность способа заключается в заблаговременном расчете маневренных траекторий беспилотного летательного аппарата, фиксации координат их опорных точек во вспомогательной системе координат, которые затем задают в полетном задании вместе с данными для привязки вспомогательной системы координат к Земле в точке цели и используют в полете в качестве промежуточных точек наведения по методу требуемых ускорений. 2 ил., 3 табл.

Способ формирования маневров произвольной конфигурации на конечном участке траектории планирующего беспилотного летательного аппарата, включающий задание опорной траектории, применение силовых воздействий на летательный аппарат в вертикальной и горизонтальной плоскостях, использование метода наведения по требуемому ускорению и отличающийся тем, что опорные точки опорной траектории заблаговременно задают во вспомогательной прямоугольной системе координат в произвольном зигзагообразном порядке по высоте и в плане, их координаты вносят в базу данных, а перед полетом летательного аппарата из базы данных выбирают и включают в состав данных полетного задания вместе с азимутом оси дальностей вспомогательной системы координат и геодезическими координатами конечной точки, преобразуют в систему координат, привязанную к Земле в конечной точке планируемой траектории и используют в полете в качестве промежуточных точек наведения летательного аппарата.