Способ формирования маневров произвольной конфигурации на конечном участке траектории планирующего беспилотного летательного аппарата

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.

 

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.

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.