Например, Бобцов

МЕЖСАМОЛЕТНАЯ НАВИГАЦИЯ ГРУППЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

12 Л. В. Андреев, С. В. Богословский, Б. В. Видин и др.
УДК 681.5.01

Л. В. АНДРЕЕВ, С. В. БОГОСЛОВСКИЙ, Б. В. ВИДИН, И. О. ЖАРИНОВ, О. О. ЖАРИНОВ, П. П. ПАРАМОНОВ, Р. А. ШЕК-ИОВСЕПЯНЦ
МЕЖСАМОЛЕТНАЯ НАВИГАЦИЯ ГРУППЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Рассмотрены принципы полета группы летательных аппаратов, получены формулы, характеризующие их относительное движение.

Ключевые слова: группа летательных аппаратов, навигация, относительное ускорение.

Введение. Для решения задачи управления беспилотными летательными аппаратами

(ЛА), в том числе сведéния их в группу и управления полетом группы ЛА, актуально иссле-

дование алгоритмов обработки измерительной информации с целью получения оценок пара-

метров движения и определения по этим оценкам управляющих воздействий, прежде всего

следует решить задачу их идентификации и оценки.

Наиболее простой вариант организации строя ЛА — деление на звенья, где один аппа-

рат является ведущим, а другой — ведомым. В этом случае достаточно определить местопо-

ложение ведущего ЛА в выбранной системе координат и положение ведомого относительно

ведущего.

Постановка задачи. Математическое представление движения двух ЛА относительно

друг друга представляет собой разность двух абсолютных движений и характеризуется тремя

степенями свободы. Воздействие на полет среды, в которой происходит движение, считается

неконтролируемым и предполагается, что оно проявляется в реализующемся в предшествую-

щий текущему моменту времени t момент векторе состояния (рис. 1). Здесь OgYgXgZg — геоцентрическая система координат (СК), в которой происходит движение ЛА, OYXZ — декартова

СК, находящаяся в центре масс ведомого ЛА относительно ведущего, связанных вектором

состояний, ϕ — угол визирования, χ — угол азимута.

Yg Y
r Og

D O
Z

ϕ χ X

Уравнения относительного движения двух

ЛА в группе определяются известными положе-

ниями теоретической механики [см. лит.], в ко-

торых приняты следующие обозначения:

1) r — вектор положения, проведенный из

начала выбранной системы координат в точку

Xg

мгновенного местоположения летательного аппарата. Вектор r и скорость его изменения r

Zg Рис. 1

записываются в проекциях на оси выбранной (декартовой или геоцентрической) системы координат. В первом случае вектор положения

r определяется тремя его проекциями на ось декартовой СК, во втором — двумя углами

и расстоянием r от начала геоцентрической СК до центра масс ЛА;

2) D — линия визирования — прямая, соединяющая центры масс ведомого и ведущего ЛА;

3) D — вектор относительной дальности, который направлен от ведомого ЛА к веду-

щему вдоль линии визирования и по величине равен расстоянию между центрами масс этих

ЛА (относительная дальность);

4) V — скорость ведомого ЛА относительно ведущего, определяется относительной ско-

ростью: V = D ;

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11

Межсамолетная навигация группы летательных аппаратов

13

5) Плоскость относительного движения двух ЛА — горизонтальная, в которой лежат векторы относительной дальности и относительной скорости в данный момент времени.
6) Углами пеленга в работе считаются два угла (для конкретности назовем их углами места (визирования) и азимута, см. рис. 1), которые определяют ориентацию линии визирования в связанных с ведомым ЛА декартовых СК, вращающихся с угловой скоростью ϖ относительно инерциального базиса.
С использованием принятых обозначений положение летательных аппаратов можно оп-
ределить в каждый момент времени векторами r1 (t ) и r2 (t ) (индекс „1“ относится к ведуще-
му ЛА, а „2“ — к ведомому) в геоцентрической СК (рис. 2).

Yg

r2 D

r1

Xg

Zg
Рис. 2
Следовательно, векторы дальности и относительной скорости можно представить сле-

дующим образом:

D(t ) = r1 (t )−r2 (t ),

(1)

V = D(t ) = r1 (t )−r2 (t ) .

(2)

Векторное уравнение динамики относительного движения представляется в виде

V = D(t ) = a1 (t )−a2 (t ) ,

(3)

где а1, а2 — векторы ускорений ведущего и ведомого БЛА соответственно. Таким образом, относительное движение БЛА в пространстве представляется как дви-

жение двух материальных точек, совпадающих с центрами масс двух БЛА — ведущего и ве-

домого.

Определение ориентации относительного движения ЛА в соответствующих систе-

мах координат. Относительное движение ЛА в связанной СК ОXYZ ведомого ЛА, переме-

щающейся относительно инерциальной СК, приводится ниже. В этом случае переход от аб-

солютных производных векторов к локальным осуществляется следующим образом:

dr dt

=

r

+[ωr]

,

(4)

d 2r dt 2

=

r

+

2

[ωr

]+

⎡⎣ω

[ωr]⎤⎦

+[ωr

]

.

(5)

Точками обозначены производные векторов по времени t в связанной СК, вращающей-

ся относительно инерциальной с угловой скоростью ϖ . Абсолютная скорость движения ведущего ЛА в связанной СК ведомого ЛА определяется выражениями:

V1 = V2 +D+[ωD] ,

(6)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11

14 Л. В. Андреев, С. В. Богословский, Б. В. Видин и др.

a1 = a2 +D+ ⎡⎣ω[ωD]⎤⎦+[dD]+ ⎢⎣2ωD⎥⎦ ,
где ε = ω — вектор углового ускорения ведомого ЛА. Предполагается, что характер действующих на объект сил известен, т.е. известны зако-
ны изменения векторов скорости и ускорения каждого ЛА. Необходимо найти динамические и кинематические соотношения, определяющие изменение во времени параметров относительного движения.
Кинематические и динамические векторные уравнения относительного движения двух ЛА в связанной СК получены из выражений (6):

D = V1 −V2 −[ωD],

⎪⎫

D =a1 −a2 −⎡⎣ω[ωD]⎤⎦+[εD]+ ⎢⎣2ωD⎥⎦ .⎭⎬⎪

(7)

В горизонтированной СК рассматриваются выражения (2) и (3) через проекции векторов.

Введем следующие обозначения:

∆aX ∆aY ∆aZ

= aX1 −aX2 = aY1 −aY2 , = aZ1 −aZ2 .

,⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎭⎪

(8)

С учетом выражения (7) динамические уравнения относительного движения двух ЛА в

геоцентрической СК, соответствующей горизонтированной, представим следующим образом:



D = ∆aX cos ϕ cos χ+∆aY sin ϕ−∆aZ cos ϕsin χ+ D cos2 ϕ(χ+ψ)2 + D (ϕ)2 , ϕ = ⎣⎢⎢−∆aX sin ϕ cos χ+∆aY cos ϕ+∆aZ sin ϕsin χ− D cos ϕsin ϕ(χ+ψ)2 −2Dϕ⎥⎦⎥

1 D

⎪ ⎪ ,⎪⎬ ⎪

( )χ = ⎡⎣−∆aX sin χ−∆aZ cos χ−2(ψ+χ)⎦⎤

D cos ϕ− D sin ϕ

D

1 cos

ϕ

−ψ.

⎪ ⎪⎭

(9)

Здесь составляющие относительного ускорения ∆aX , ∆aY , ∆aZ рассчитываются в го-

ризонтированной СК. Введем обозначения:

∆VX ∆V =
∆V =

=VX1 −VX VY1 −VY2 , VZ1 −VZ2 .

2

,⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪⎭

(10)

Из первого выражения системы (7) получим кинематические уравнения относительного

движения двух ЛА

D = ∆VX cos ϕ cos χ
ϕ = (−∆VX sin ϕcos

+∆VY sin ϕ−∆VZ cos ϕsin χ, χ+ ∆VY cos ϕ+∆VZ sin ϕsin χ

)

1 D

⎫ ⎪ ,⎪⎪ ⎬

χ = (−∆VX

sin

χ − ∆VZ

cos

χ)

D

1 cos ϕ

−ψ.

⎪ ⎪ ⎭⎪

(11)

Чтобы замкнуть систему уравнений относительного движения ЛА, к динамическим и

кинематическим соотношениям необходимо добавить уравнения, определяющие значения

относительного ускорения и относительной скорости в соответствующих СК.

Заключение. При рассмотрении относительного движения ведущего и ведомого ЛА в

горизонтированной СК ведомого ЛА соотношения для ∆VX , ∆VY , ∆VZ , ∆aX , ∆aY , ∆aZ

примут вид:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11

Межсамолетная навигация группы летательных аппаратов

15

( )∆VX = VX1 cos υ1 −VY1 sin υ1 cos γ1 +VZ1 sin γ1 sin υ1 cos (ψ1 −ψ2 )+
( )+ VY1 sin γ1 +VZ1 cos γ1 sin (ψ1 −ψ2 )−VX2 cos υ2 −VY2 sin υ2 ×
×cos γ2 −VZ2 sin γ2 sin υ2 , ∆VY =VX1 sin υ1 +VY1 cos υ1 cos γ1 −VZ1 sin γ1 cos υ1 −VX2 sin υ2 −
−VY2 cos υ2 cos γ2 +VZ2 sin γ2 cos υ2 ,
( )∆VZ = − VX1 cos υ1 −VY1 sin υ1 cos γ1 +VZ1 sin γ1 sin υ1 sin (ψ1 −ψ2 )+
( )+ VY1 sin γ1 +VZ1 cos γ1 cos (ψ1 −ψ2 )−VY2 sin γ2 −VZ2 cos γ2 ,
( )∆aX = aX1 cos υ1 −a Y1 sin υ1 cos γ1 +aZ1 sin γ1 sin υ1 cos (ψ1 −ψ2 )+
( )+ aY1 sin γ1 +aZ1 cos γ1 sin (ψ1 −ψ2 )−aX2 cos υ2 −aY2 sin υ2 ×
×cos γ2 −aZ2 sin γ2 sin υ2 , ∆aY = aX1 sin υ1 + aY1 cos υ1 cos γ1 −aZ1 sin γ1 cos υ1 −aX2 sin υ2 −
−aY2 cos υ2 cos γ2 + aZ2 sin γ2 cos υ2 ,
( )∆aZ = − aX1 cos υ1 −aY1 sin υ1 cos γ1 +aZ1 sin γ1 cos υ1 sin (ψ1 −ψ2 )+
( )+ aY1 sin γ1 + aZ1 cos γ1 cos (ψ1 −ψ2 )−aY2 sin γ2 −aZ2 cos γ2 ,
Таким образом, в результате анализа были получены соотношения, связывающие составляющие относительного ускорения и относительной скорости ведомого ЛА и ведущего в выбранной системе координат.

ЛИТЕРАТУРА

Боднер В. А. Система управления летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. 532 с.

Леонид Владимирович Андреев Сергей Владимирович Богословский
Борис Викторович Видин Игорь Олегович Жаринов Олег Олегович Жаринов
Павел Павлович Парамонов Рубен Ашотович Шек-Иовсепянц

Сведения об авторах — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет аэ-
рокосмического приборостроения; кафедра стабилизации, навигации и управления; E-mail: Lio8300@mail.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра стабилизации, навигации и управления; E-mail: postmaster@elavt.spb.ru — канд. техн. наук, профессор; ОКБ „Электроавтоматика“ им. П. А. Ефимова, Санкт-Петербург; E-mail: postmaster@elavt.spb.ru — канд. техн. наук, доцент; ОКБ „Электроавтоматика“ им. П. А. Ефимова, Санкт-Петербург; E-mail: igor_rabota@pisem.net — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра моделирования вычислительных и электронных систем; E-mail: zharinov@hotbox.ru — д-р техн. наук, профессор; ОКБ „Электроавтоматика“ им. П. А. Ефимова, Санкт-Петербург; E-mail: postmaster@elavt.spb.ru — д-р техн. наук, профессор; ОКБ „Электроавтоматика“ им. П. А. Ефимова, Санкт-Петербург; E-mail: postmaster@elavt.spb.ru

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики

Поступила в редакцию 01.07.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11