آشنایی با اصول و مفاهیم كنترل، هدايت و ناوبری

فصل اول: تاريخچه و مفاهيم اوليه كنترل، هدايت و ناوبری........................................ 23

1ـ1. مقدمه .................................................................................................... 23

1ـ2. تاريخچه ................................................................................................ 24

1ـ3. طبقه‌بندی موشک‌های زمین به زمین............................................................. 26

1ـ3ـ1. برد..................................................................................................... 27

1ـ3ـ2. اجزای اصلی موشک.............................................................................. 28

1ـ4. هدايت، كنترل و ناوبری.............................................................................. 36

1ـ4ـ1. مفهوم هدايت...................................................................................... 36

1ـ4ـ2. مفهوم كنترل.......................................................................................... 7

1ـ4ـ3. مفهوم ناوبري...................................................................................... 38

1ـ4ـ4. سيستم هدايت...................................................................................... 39

1ـ5. سيستمهاي كنترلي مدار باز و حلقه بسته........................................................ 44

1ـ6. مراحل پروازی موشک................................................................................ 45

1ـ6ـ1. فاز پرتاب............................................................................................ 46

1ـ6ـ2. فاز مياني............................................................................................. 46

1ـ6ـ3. فاز نهايي............................................................................................ 47

1ـ7. خط سير هدايت........................................................................................ 48

1ـ7ـ1. مسير پرواز ايده آل................................................................................ 48

1ـ7ـ2. خط سير مستقيم................................................................................... 49

1ـ7ـ3. خط سير بالستيك.................................................................................. 49

1ـ7ـ4. خط سير كروز....................................................................................... 52

1ـ7ـ5. خط سير در خط ديد............................................................................... 53

1ـ7ـ6. خط سير تناسبي.................................................................................... 53

1ـ8. علامت اختصاری مورد استفاده در حوزه ناوبری............................................... 55

منابع و مراجع فصل 1........................................................................................ 63

فصل دوم: سيستم كنترل........................................................................................................... 65

2ـ1. مقدمه..................................................................................................... 65

2ـ2. اجزای اصلی سیستم کنترل.......................................................................... 66

2ـ3. کنترل آیرودینامیکی................................................................................... 67

2ـ3ـ1. کنترل دم............................................................................................. 70

2ـ3ـ2. کنترل کانارد......................................................................................... 71

2ـ3ـ3. کنترل بال............................................................................................ 72

2ـ4. مانورهای آیرودینامیکی.............................................................................. 72

2ـ4ـ1. گردش با لغزش (STT)........................................................................... 73

2ـ4ـ2. گردش با غلتش (BTT).......................................................................... 74

2ـ4ـ3. غلتش مداوم (RA)................................................................................ 76

2ـ5. کنترل بردار پیشرانه(TVC).......................................................................... 78

2ـ5ـ1. روش های منحرف کردن بردار پیشرانه ..................................................... 80

2ـ6. اصول تئوری کنترل و روش های کنترلی......................................................... 82

2ـ6ـ1.انواع سیستم های کنترل از نظر ساختار....................................................... 83

2ـ6ـ2. تقسیم بندی سیستم های کنترلی از نظر ورودی-خروجی............................... 85

2ـ7. سيستم اتوپايلوت.................................................................................... 101

2ـ7ـ1. طراحی سيستم اتوپايلوت..................................................................... 102

2ـ7ـ2. اجزاء حلقه هاي كنترلي......................................................................... 103

2ـ8. الگوريتم‌هاي فيلترينگ و تخمين وضعيت..................................................... 106

2ـ8ـ1. اصطلاحات رايج در فيلترها.................................................................... 106

2ـ8ـ2. فيلترهاي خطي................................................................................... 107

2ـ8ـ3. فيلتر باترورث..................................................................................... 108

2ـ8ـ4. فيلتر چبيشف...................................................................................... 109

2ـ8ـ5. فيلتر بيضوي...................................................................................... 110

2ـ8ـ6. فيلتر بسل.......................................................................................... 111

2ـ8ـ7. فيلترگاوسي........................................................................................ 111

2ـ8ـ8. فيلترهاي آنالوگ و ديجيتال.................................................................... 111

2ـ9. مدل موشک........................................................................................... 120

2ـ9ـ1. ساختار سیستم کنترل........................................................................... 121

2ـ9ـ2. طراحی اجزاء حلقه کنترل...................................................................... 122

2ـ9ـ3. ملاحظات تحقق عملی کنترل کننده......................................................... 123

منابع و مراجع فصل 2...................................................................................... 124

فصل سوم: آشنايي با سيستمهاي هدايتی......................................................................... 125

3ـ1. مقدمه................................................................................................... 125

3ـ2. اجزای اصلی سیستم هدايت و اجزای آن...................................................... 126

3ـ2ـ1. قانون هدايت (الگوريتم)....................................................................... 128

3ـ3. انواع سیستمهای هدایت........................................................................... 129

3ـ3ـ1. هدایت پیش‌تنظیم............................................................................... 131

3ـ3ـ2. روش هدایتی دلتا................................................................................ 132

3ـ3ـ3. هدایت Q........................................................................................... 134

3ـ3ـ4. هدایت Pitch Program.......................................................................... 138

3ـ3ـ5. هدایت هدف‌بین................................................................................. 140

3ـ3ـ6. هدایت دو نقطه ای.............................................................................. 141

3ـ3ـ7. هدایت سه نقطه ای............................................................................. 146

3ـ3ـ8. سيستم هدايت اينرسي (Inertial  NavigationSystem)................................. 152

3ـ3ـ9. سيستم هدايت آشيانه ياب (Homing  Guidance)........................................ 154

3ـ3ـ10. هدايت برنامه ريزي شده (با تنظيم اوليه) Preset Guidance))...................... 157

3ـ3ـ11. هدايت تناسبی................................................................................. 159

منابع و مراجع فصل 3...................................................................................... 163

فصل چهارم: سيستم ناوبري.................................................................................................. 165

4ـ1. مقدمه................................................................................................... 165

4ـ2. ناوبری.................................................................................................. 166

4ـ2ـ1. ناوبری اینرسی................................................................................... 166

4ـ2ـ2. ناوبری رادیویی.................................................................................. 175

4ـ2ـ3. ناوبری تصویری................................................................................. 176

4ـ2ـ4. سيستم ناوبری تطبیق با عوارض زمینی (TERCOM )................................. 177

4ـ2ـ5. سيستم ناوبري اينرسي مبتني بر عوارض زمين......................................... 182

4ـ2ـ6. ناوبری سماوی................................................................................... 184

4ـ2ـ7. ناوبری مغناطیسی............................................................................... 186

4ـ2ـ8. سيستم هدايت G.P.S  (GlobalSatellite  Positioning  System)......................... 187

4ـ2ـ9. مقايسه سیستم‌های ناوبری................................................................... 192

4ـ2ـ10. سیستم‌های ناوبری ترکیبي................................................................. 192

4ـ2ـ11. ترکیب سیستم‌های ناوبری اينرسي و راديويي......................................... 193

4ـ3. میدان جاذبه زمین................................................................................... 193

4ـ4. ناوبری در دستگاه زمینی........................................................................... 195

4ـ5. ناوبری در دستگاه جغرافیایی..................................................................... 198

منابع و مراجع فصل 4...................................................................................... 202

فصل پنجم: اندازه‌گيري اينرسي........................................................................................... 203

5ـ1. مقدمه................................................................................................... 203

5ـ2. جايروسكوپ.......................................................................................... 204

5ـ2ـ1. تعريف جايروسكوپ............................................................................ 205

5ـ2ـ2. خواص جايروسكوپي........................................................................... 207

5ـ2ـ3. ساختمان جايروسكوپ......................................................................... 209

5ـ2ـ4. تقسيم بندي جايروسكوپ..................................................................... 214

5ـ3. شتاب سنج خطي.................................................................................... 225

5ـ4. خطاي حس‌كننده‌ها.................................................................................. 228

5ـ4ـ1. خطای اثر چرخش زمين....................................................................... 228

5ـ4ـ2. خطاهای شتاب سنج............................................................................. 231

منابع و مراجع فصل 5...................................................................................... 232

فصل ششم: سطوح کنترلی و سرو مكانيزم..................................................................... 233

6ـ1. مقدمه................................................................................................... 233

6ـ2. سطوح كنترلي........................................................................................ 234

6ـ2ـ1. سکان‌های عمودی و افقی موشک........................................................... 235

6ـ2ـ2. بدنه و سطوح کنترلی........................................................................... 236

6ـ3. انواع سيستم سرومكانيزم......................................................................... 250

6ـ3ـ1. سرومكانيزم هيدروليكي....................................................................... 250

منابع و مراجع فصل 6...................................................................................... 256

فصل هفتم: سینماتیک و دینامیک موشک........................................................................... 257

7ـ1. مقدمه................................................................................................... 257

7ـ2. نمادگذاري............................................................................................. 257

7ـ2ـ1. نمایش كميت‌هاي اسكالر...................................................................... 258

7ـ2ـ2. نمایش كميت‌هاي برداري..................................................................... 258

7ـ2ـ3. ماتريس‌ها......................................................................................... 258

7ـ2ـ4. دستگاه‌هاي مختصات........................................................................... 259

7ـ3. تعاریف اولیه در سينماتيک (حرکت اجسام)................................................... 259

7ـ3ـ1. سکون و حرکت.................................................................................. 260

7ـ3ـ2. مسير................................................................................................ 261

7ـ3ـ3. تغيير مکان (جابه‌جايي)........................................................................ 261

7ـ3ـ4. مسافت و جابجايي.............................................................................. 262

7ـ3ـ5. اندازه حرکت خطي.............................................................................. 263

7ـ3ـ6. گشتاور.............................................................................................. 266

7ـ4. معادلات سينماتيک (حرکت اجسام)............................................................ 267

7ـ4ـ1. معادله سينماتيک (حرکت اجسام) در يک بعد........................................... 267

7ـ4ـ2. معادله سينماتيک موشک در دو بعد......................................................... 268

7ـ4ـ3. معادلات سرعت و شتاب متوسط............................................................ 268

7ـ4ـ4. معادلات سرعت و شتاب متوسط در حرکت دايره‌اي.................................... 270

7ـ4ـ5. حرکت دايره‌اي يکنواخت...................................................................... 271

7ـ4ـ6. ديناميک حرکت دايره‌اي يکنواخت.......................................................... 273

7ـ4ـ7. سينماتيک ذره در دستگاه دکارتي........................................................... 273

7ـ4ـ8. سينماتيک ذره در دستگاه قطبي............................................................. 274

7ـ5. سينتيک موشک...................................................................................... 275

7ـ5ـ1. قوانين حرکت نيوتون........................................................................... 276

7ـ6. اثر یا نیروی کوریولیس............................................................................ 279

7ـ6ـ1. عوامل موثر بر نیروی کوریولیس............................................................ 279

7ـ6ـ2. دلایل ایجاد کریولیس.......................................................................... 282

7ـ6ـ3. اثر کوریولیس بر روی موشک‌های بالستیک............................................. 283

7ـ6ـ4. واحد نیروی کریولیس.......................................................................... 283

7ـ6ـ5. اثر ائوتووس...................................................................................... 284

7ـ7. نیروها و گشتاورهای آیرودینامیکی.............................................................. 284

7ـ7ـ1. توزیع تنش برشی (τ) بر روی سطح موشک............................................ 284

7ـ7ـ2. توزیع فشار (P) بر روی سطح موشک..................................................... 285

7ـ7ـ3. مرکز فشار......................................................................................... 285

7ـ7ـ4. مرکز آیرودینامیکی.............................................................................. 286

7ـ7ـ5. مرکز گرانش...................................................................................... 286

7ـ7ـ6. عدد ماخ............................................................................................ 287

7ـ7ـ7. فشار دینامیکی................................................................................... 287

7ـ7ـ8. سرعت جریان آزاد.............................................................................. 287

7ـ7ـ9. مولفه‌های نیروی آیرودینامیکی............................................................... 287

7ـ7ـ10. گشتاورهای آیرودینامیکی................................................................... 289

7ـ7ـ11. ضرایب آیرودینامیکی........................................................................ 290

7ـ8. اتمسفر (جوّي) كرة زمين.......................................................................... 292

7ـ8ـ1. ماهیت فیزیکی جو............................................................................... 292

7ـ8ـ2. لایه‌هاي اتمسفر................................................................................. 293

7ـ8ـ3. ساختار جوّ زمين................................................................................. 295

7ـ8ـ4. برخي ويژگي‌هاي مهم جوّ زمين............................................................. 300

منابع و مراجع فصل 7...................................................................................... 301

فصل هشتم: ديناميک دوران و عملگر انتقال..................................................................... 303

8ـ1. مقدمه................................................................................................... 303

8ـ2. مباني ديناميک دوران............................................................................... 303

8ـ2ـ1. توصيف مکان، جهت‌گيري و چارچوب...................................................... 304

8ـ2ـ2. عملگر دوران / تبدیل مختصات.............................................................. 310

8ـ3. ماتريس دوران چارچوب/ دستگاه مختصات.................................................. 312

8ـ3ـ1. خصوصيات ماتريس دوران................................................................... 317

8ـ3ـ2. معکوس يک ماتريس دوران................................................................. 318

8ـ4. توصيف چارچوب‌هاي دوران يافته............................................................... 318

8ـ4ـ1. توصيف انتقال و دوران چارچوب‌ها در حالت کلي........................................ 320

8ـ5. دوران حول يک محور مختصات (بردار)....................................................... 321

8ـ5ـ1. برخي از خواص عملگر دوران حول يک محور مختصات (بردار).................... 322

8ـ6. ماتريس دوران حول يکي از محورهاي مختصات........................................... 323

8ـ7. ماتريس دوران حول يکي از محورهاي دستگاه مختصات ثابت......................... 324

8ـ8. ماتريس دوران متوالي حول محورهاي يک دستگاه مختصات ثابت.................... 327

8ـ9. دوران با استفاده از زواياي اويلر................................................................. 330

8ـ10. دوران با استفاده از کواترنین‌ها................................................................ 335

8ـ11. روابط ميان دوران ثابت با دوران اويلر....................................................... 338

8ـ12. جمع‌بندي خلاصه روش‌هاي بيان عددي دوران............................................ 338

منابع و مراجع فصل 8...................................................................................... 339

فصل نهم: تبديل دستگاه‌هاي مختصات............................................................................... 341

9ـ1. مقدمه................................................................................................... 341

9ـ2. مبانی تبدیل دستگاههای مختصات............................................................. 341

9ـ2ـ1. بردار................................................................................................ 341

9ـ2ـ2. ماتریس دوران................................................................................... 344

9ـ3. معرفي دستگاه‌هاي مختصات..................................................................... 347

9ـ3ـ1. دستگاه مختصات اينرسي (دستگاه i)....................................................... 347

9ـ3ـ2. دستگاه مختصات زمين (دستگاه e)......................................................... 348

9ـ3ـ3. دستگاه مختصات جغرافیایی.................................................................. 349

9ـ3ـ4. دستگاه مختصات بدنه (دستگاه b).......................................................... 350

9ـ3ـ5. دستگاه مختصات پرتاب (دستگاه l)......................................................... 351

9ـ3ـ6. دستگاه مختصات مرجع بدنه (دستگاه b')................................................ 351

9ـ3ـ7. دستگاه مختصات پرتاب شمال (دستگاه l')............................................... 352

9ـ3ـ8. دستگاه مختصات رهگيري (دستگاه n)..................................................... 352

9ـ3ـ9. دستگاه  زاويه واندر (دستگاه w)............................................................. 353

9ـ3ـ10. بردار دوران..................................................................................... 353

9ـ4. دوران بين دستگاه‌هاي مختصات معرفي شده................................................ 355

9ـ4ـ1. تبديل دستگاه مختصات ناوبري به دستگاه مختصات زمين........................... 355

9ـ4ـ2. تبديل دستگاه مختصات اينرشيال به دستگاه مختصات زمين........................ 356

9ـ4ـ3. تبديل دستگاه مختصات رهگيري به دستگاه مختصات اينرشيال.................... 358

9ـ4ـ4. تبديل دستگاه مختصات بدنه به دستگاه مختصات رهگيري.......................... 358

9ـ4ـ5. تبديل دستگاه مختصات زمين به دستگاه مختصات پرتاب............................ 359

9ـ5. استخراج معادلات ديناميكي ناوبري در دستگاه‌های مختلف دوران...................... 360

9ـ5ـ1. استخراج معادلات ديناميکی ناوبری در دستگاه مختصات اينرسيال................ 360

9ـ5ـ2. استخراج معادلات ديناميکی ناوبری در دستگاه مختصات زمين..................... 361

9ـ5ـ3. استخراج معادلات ديناميکی ناوبری در دستگاه مختصات پرتاب.................... 364

9ـ5ـ4. استخراج معادلات ديناميکی ناوبری در دستگاه رهگيری.............................. 365

منابع و مراجع فصل 9...................................................................................... 368

فصل دهم: مدل‌سازي سينماتيک............................................................................................ 369

10ـ1. مقدمه................................................................................................ 369

10ـ2. مدل‌سازي سيستم‌هاي مکانيکي............................................................... 370

10ـ3. مفاهیم کاربردی عملگر مشتق در مدل‌سازي سيستم‌هاي مکانيکي................... 371

10ـ3ـ1. مدل سازی حرکت نسبي دو چارچوب / محور مختصات را نسبت به يکديگر. 372

10ـ4. سينماتيک خطي................................................................................... 373

10ـ4ـ1. نکات پارامترهاي حرکتي..................................................................... 373

10ـ4ـ2. روند استخراج معادلات سينماتيک خطي................................................ 374

10ـ5. بيان وضعيت........................................................................................ 378

10ـ5ـ1. بيان وضعيت به روش ماتريس دوران................................................... 378

10ـ5ـ2. بيان وضعيت به روش زواياي اويلر....................................................... 379

10ـ5ـ3. محاسبه ماتريس دوران از روي زواياي اويلر.......................................... 379

10ـ5ـ4. محاسبه زواياي اويلر از روي ماتريس دوران.......................................... 381

10ـ5ـ5. ارتباط ماتريس دوران و زواياي اويلر خيلي کوچک.................................. 381

10ـ5ـ6. تعبير هندسي زواياي اويلر.................................................................. 381

10ـ5ـ7. چند نکته درباره دوران اويلر................................................................ 382

10ـ5ـ8. زواياي اويلر توصيف کننده يک بردار.................................................... 382

10ـ6. بيان وضعيت به روش كواترنيون (پارامترهاي اويلر)..................................... 383

10ـ6ـ1. وارون كواترنيون............................................................................... 383

10ـ6ـ2. اندازه کواترنيون (پارامترهاي اويلر)...................................................... 383

10ـ7. سينماتيک دوراني................................................................................. 384

10ـ7ـ1. روابط ديفرانسيلي در سينماتيک دوراني................................................. 384

10ـ7ـ2. ديناميك دوران................................................................................. 385

10ـ7ـ3. ديناميك ماتريس كسينوس‌ها............................................................. 385

10ـ7ـ4. ديناميك زواياي اويلر......................................................................... 386

10ـ7ـ5. ديناميك كواترنيون........................................................................... 386

منابع و مراجع فصل 10.................................................................................... 387