Güdüm sistemi

Güdüm sistemi, bir füze, uydu, roket, uçak, helikopter, gemi veya benzeri aracın, iki veya üç boyutlu ortamdaki bir konumdan ayrılarak varmaya programlandığı bir başka konuma ulaşabilmesini sağlayan elektromekanik aygıt veya aygıtlara verilen genel isimdir. Özellikle askeri terminolojide bu söylem, herhangi bir insan kontrolü olmaksızın otonom seyir yeteneğine sahip araçlar için kullanılır. Operasyonunda yüksek oranda beşeri katkıya ihtiyaç duyan benzeri sistemlere ise navigasyon veya seyrüsefer sistemleri denir ve bunlar güdüm sistemlerinden farklı bir kategoride değerlendirilirler.

Tarihçe

Güdüm sistemleri askeri alanda ilk olarak II. Dünya Savaşı'nda Almanların geliştirdiği V-1 füzesinde kullanılmıştır. Bu füzede kullanılan güdüm sistemi uçuş yönünü sabit tutmak için takılan basit bir jiroskop, uçuş süresi ve dolayısıyla hedefe mesafeyi belirlemek için kullanılan bir hız sensörü, yüksekliği belirlemek için kullanılan bir altimetre ve tüm bu güdüm elemanlarından gelen veriyi birleştirip işlemek suretiyle uçuş kontrol yüzeylerine aktararak füzeyi hedefe yönlendiren alt sistemlerden oluşmuştur.

Çalışma şekli

Bir güdüm sistemi üç ana görev grubundan oluşur: Girdi grubu, işlem grubu ve çıktı grubu. Girdi grubu çeşitli anten, mikrofon, alıcı, kamera, sensör ve diğer ham veri giriş modüllerinden oluşabilir. İşlem grubu bir veya daha fazla merkezi işlem birimi (CPU) ile elektronik regülasyon, manipülasyon ve destek ünitelerinden meydana gelir ve işlevi girdi grubu aygıtlarından gelen ham veriyi belirli algoritmalara göre derlemek, gerekirse önceden oluşturulmuş veri tabanlarındaki değerleri ile karşılaştırmak ve otonom olarak yönetilen aracın yön, belirli bir referans noktası ya da hedefe göre konum, hız, ivme, vb sayısal değerlerinin değiştirilip değiştirilmemesi veya örneğin araç üzerindeki bir harp başlığının aktive edilme zamanının gelip gelmediğine karar vermektir. Verilen kararlar sürekli olarak çıktı grubu aygıtlarına aktarılır. Bunlar arasında motorlar, servo ve aktüatörler, pompalar, türbinler, elektromekanik aygıtlar, fünyeler, verici antenler, kanat ve kanatçıklar olabilir. Bu sistem elemanları, işlem grubundan gelen komutlara göre ve gerçek zamanlı olarak güdümlenen aracın görevin gerektirdiği hareketleri yüksek doğrulukla yerine getirmesini sağlar.

Açıklama

Güdüm sistemleri 3 temel bölümden oluşur: mevcut konumu izleyen navigasyon, navigasyon verilerini ve hedef bilgilerini doğrudan uçuş kontrolüne "nereye gideceğini" kontrol etmek için kullanan güdüm ve aerodinamik ve/veya motor kontrollerinde değişiklik yapmak için rehberlik komutlarını kabul eden kontrol.

Navigasyon, 1711'de Boylam ödülü ile odak noktası olmuş bir bilim ve nerede olduğunuzu belirleme sanatıdır. Navigasyon yardımcıları ya "sabit" bir referans noktasından (ör. yer işareti, kuzey yıldızı, LORAN İşareti) hedefe "göreceli" konumu (ör. radar, kızıl ötesi, ...) ölçer veya bilinen bir konumdan/başlangıç noktasından (örn. IMU) “hareket”i izler. Günümüzün karmaşık sistemleri, mevcut konumu belirlemek için pek çok çözüm kullanır. Örneğin, günümüzün en gelişmiş navigasyon sistemleri Anti-balistik füze içindedir; RIM-161 Standart Füze 3, hızlandırma aşamasında GPS, IMU ve yer segmenti verilerini ve engelleme hedeflemesi için göreceli konum verilerini kullanır. Karmaşık sistemlerin genellikle sapmayı düzeltmek, doğruluğu artırmak (örn. hedefe göreceli olarak) ve sistem arızasını gidermek için birçok yedeklemesi vardır. Navigasyon sistemleri bu nedenle hem sistemin içinde hem de veya harici (ör. yer esaslı güncelleme) birçok farklı sensörden girdileri alır. Kalman filtresi, mevcut konumu çözmek için navigasyon verilerini (birden çok sensörden) birleştirmeye yönelik en yaygın çözümü verir. Örnek navigasyon yaklaşımları şunlardır:

• Göksel navigasyon, denizcilerin karaya ulaşmalarını sağlamak için ölü hesaplara güvenmek zorunda kalmadan sıradan okyanusları geçmelerine yardımcı olmak için tasarlanmış bir konum sabitleme tekniğidir. Göksel navigasyon, ufuk ile ortak bir gök cismi arasındaki açısal ölçümleri kullanır. Çoğunlukla Güneş ölçülür. Usta denizciler Ay'ı, gezegenleri veya koordinatları deniz almanaklarında çizelgelenen 57 seyir yıldızından birini kullanabilir. Tarihsel araçlar sekstant, saat ve efemeris verilerini içerir. Günümüzün uzay mekiği ve çoğu gezegenler arası uzay aracı, atalet navigasyon sistemlerini kalibre etmek için optik sistemleri kullanır: Mürettebat Optik Hizalama Görüşü (ing: Crewman Optical Alignment Sight (COAS)), Star Tracker.
• Atalet Ölçüm Birimleri (IMU'lar), füzelerde ve uçaklarda mevcut konumu (navigasyon) ve oryantasyonu korumak için birincil atalet sistemidir. Karmaşık bir dengeleme halka sistemi içinde 3 derece hareketle serbestçe dönebilen bir veya daha çok dönen Jiroskopa sahip karmaşık makinelerdir. IMU'lar "döndürülür" ve piyasaya sürülmeden önce kalibre edilir. Çoğu karmaşık sistemde en az 3 ayrı IMU mevcuttur. IMU'lar, bağıl konuma ek olarak, tüm eksenlerde ivmeyi ölçebilen ivmeölçerler içerir. Hızlanma verileriyle birlikte konum verileri, bir aracın hareketini "izlemek" için gerekli girdileri sağlar. IMU'ların sürtünme ve doğruluk nedeniyle "sapma" eğilimi vardır. Bu sapmayı gidermek için hata düzeltmesi, yer bağlantısı telemetri, GPS, radar, optik göksel navigasyon ve diğer navigasyon yardımcıları aracılığıyla sağlanabilir. Başka (hareket eden) bir aracı hedeflerken, göreceli vektörler çok önemli hale gelir. Bu durumda “hedefe göre” konum güncellemeleri sağlayan seyir yardımcıları daha önemlidir. Mevcut konuma ek olarak, ataletsel navigasyon sistemleri ayrıca tipik olarak gelecekteki hesaplama döngüleri için tahmin edilen bir konumu da tahmin eder. Ayrıca bkz. Atalet navigasyon sistemi.
• Astro-atalet güdümü, Atalet güdümü ve Göksel navigasyonun sensör birleşimi/enformasyon birleşimi'dir.
• Uzun Menzilli Navigasyon (LORAN) : Bu, GPS'in öncülüydü ve esas olarak ticari deniz taşımacılığında kullanılıyordu (ve bir ölçüde hala da kullanılıyor). Sistem, bilinen vericilere yönelik yön referansına dayalı olarak geminin konumu nirengi ile çalışır.
• Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) : GPS, ABD ordusu tarafından, fırlatılmadan önce Denizaltından fırlatılan balistik füze(SLBM'ler) atalet navigasyonu içindeki "sürüklenmeyi" ele almak amacıyla tasarlandı. GPS 2 sinyal türü iletir: askeri ve ticari. Askeri sinyalin doğruluğu sınıflandırılmıştır ancak 0.5 metrenin oldukça altında olduğu varsayılabilir. GPS sistemi uzay bölümü, yaklaşık 20,200 km (12,600 mi) yükseklikte orta Dünya yörüngesinde bulunan 24 ila 32 uydudan oluşur. Uydular altı belirli yörüngededir ve mesafeleri türetmek ve konumu nirengilemek için kullanılabilecek son derece doğru zaman ve uydu konum bilgilerini iletir.
• Radar/Kızılötesi/Lazer: Bu navigasyon şekli “bilinen bir hedefe göre” güdüm için bilgi sağlar, hem sivil (eski randevu) hem de askeri uygulamaları vardır.
  • aktif radar hedef tespiti (hedefi aydınlatmak için kendi radarını kullanır),
  • pasif (hedefin radar emisyonlarını algılar),
  • yarı aktif radar hedef tespiti,
  • Kızılötesi güdüm : Bu güdüm biçimi, özellikle askeri mühimmat, özellikle havadan havaya ve karadan havaya füzeler için kullanılır. Füzenin arayıcı kafası, hedefin motorlarından gelen kızılötesi (ısı) işaretine (dolayısıyla "ısı arayan füze" terimi) yönelir,
  • Ultraviyole hedef arama, FIM-92 Stinger'da kullanılır - karşı önlemlere IR hedef arama sisteminden daha dirençlidir
  • Lazer güdümü : Bir lazer tanımlayıcı cihazı, işaretlenen hedefe göreceli konumu hesaplar. Çoğu, Lazer güdümlü bomba teknolojisinin askeri kullanımlarına aşinadır. Uzay mekiği ekibi, bilgileri randevu planlamasına aktarmak için elde tutulan bir cihazdan yararlanır. Bu cihazdaki birincil sınırlama, hedef ve tanımlayıcı arasında bir görüş hattı gerektirmesidir.
  • Arazi şekli eşleştirme (TERCOM). Mevcut konumu sabitlemek için topoğrafyayı dijital harita verileriyle "eşleştirmek" için bir yer tarama radarı kullanır. Tomahawk gibi seyir füzeleri tarafından kullanılır.

Güdüm bir aracın "sürücüsü"dür. Navigasyon sisteminden (neredeyim) girdi alır ve aracın hedefine ulaşmasını sağlayacak (aracın çalışma kısıtlamaları dahilinde) uçuş kontrol sistemine sinyaller göndermek için hedef bilgilerini (nereye gitmek istiyorum) kullanır. Güdüm sistemleri için "hedefler" bir veya daha çok durum vektörüdür (konum ve hız) ve atalet veya göreceli olabilir. Motorlu uçuşda güdüm, uçuş kontrolü için sürekli olarak gidilen yönleri hesaplar. Örneğin, Uzay Mekiği, ana motoru devre dışı bırakmak için belirli bir rakımı, hız vektörünü ve gamayı hedefler. Benzer şekilde, bir Kıtalararası balistik füze de bir vektörü hedefler. Hedef vektörler, görevi yerine getirmek için geliştirilir ve önceden planlanabilir veya dinamik olarak oluşturulabilir.

Kontrol. Uçuş kontrolü ya aerodinamik olarak ya da motorlar gibi güçlü kontroller aracılığıyla yapılır. Güdüm, uçuş kontrolüne sinyaller gönderir. Dijital Otopilot (DAP), güdüm ve kontrol arasındaki arayüzdür. Güdüm ve DAP, her uçuş kontrolü için kesin talimatın hesaplanmasından sorumludur. DAP, uçuş kontrollerin durumu hakkında güdüme geri bildirim sağlar.

Ayrıca bakınız

• GPS
• Radar
• Elektromanyetik tayf
• Elektronik savaş
• Jiroskop

Konuyla ilgili yayınlar

• An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, Revised Edition (AIAA Education Series) Richard Battin, May 1991
• Space Guidance Evolution-A Personal Narrative, Richard Battin, AIAA 82–4075, April 1982