Fagstoff

TPS – Baneberegningssystemet på ASC

Publisert: 07.10.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Baneberegningssystemet som er i bruk ved ASC kalles Trajectory and Position System (TPS). Systemet er basert på skråavstandsmåling ("slant range"), pekevinkler fra ASC’ 10 og 20 fots antenner samt radar. Hensikten med systemet er å kunne presentere rakettbaner i sann tid. Spesielt er dette viktig i forbindelse med berging av instrumentlaster.

Dette systemet tar inn data fra alle tilgjengelige følgesystemer. Vi har ett sett med målinger: R (avstand), α (elevasjon), β (asimut) og t (tiden målt fra start). Disse går gjennom følgende prosess: Hver individuell måling omregnes til horisontalavstand, X, Y og høyde Z. Vi benytter så lineær regresjon for X og Y og kvadratisk regresjon for Z. Regresjonen, eller utjevning som vi også kan kalle det, går over et bestemt antall målinger. For hvert slikt sett av målinger får vi da ut midlede verdier X, Y og Z, og også de tidsderiverte av disse størrelsene. Dette gjøres for hvert av følgeinstrumentene og de endelige verdier tilsvarer et veid middel av verdiene fra hvert av instrumentene.

Vi har nå en tilstandsvektor for rakettbanen ved en bestemt tid som er valgt som midtpunktet av regresjonsintervallet. Dersom dette er en tid etter siste brennfase, kan vi bruke denne utjevnede tilstandsvektoren til å forutsi den videre bane. Den videre banen beregnes ut fra forutsetning om at raketten vil følge en ellipsebane med ett av brennpunktene i jordens massesenter. For å oppnå større nøyaktighet kunne vi brukt numerisk integrasjon, noe som gir større nøyaktighet. Med dagens raske prosessorer er dette mulig og vil bli benyttet i neste version av TPS. En slik prediksjon av banen, fremover i tid, ut fra tilstandsvektoren i øyeblikket, kalles gjerne IIP, Instant Impact Prediction. Dette er viktig i forbindelse med berging av instrumentlasten.

 

Plott av rakettbane i sanntid. Plott av rakettbane
Opphavsmann: Narom

TPS systemet presenterer den aktuelle banen på en skjerm i kontrollsenteret, hvor operasjonsledelse og sikkerhetspersonell befinner seg. Her vises høyde mot tid og breddegrad mot lengdegrad på forskjellige plot. Figuren til venstre viser data slik de blir presentert i sann tid.TPS nøyer seg ikke med å forutsi nedslagspunkt. TPS beregner også aktuelle pekevinkler for aktuelle observasjonsposter. Det kan gjelde f.eks. radar, lidar, kamera eller andre mulige følgestasjoner. Mister operatøren målet av en eller annen grunn, kan han benytte prediksjonene fra TPS til å finne det igjen.

Etterbehandling av data

For å finne den mest sannsynlige banen, kreves etterbehandling av følgedataene. Dersom vi ikke har svært gode følgedata, er det best å benytte en modell for banen og tilpasse parametre i denne banen slik at de observerte følgedata blir gjengitt best mulig. Kravet til denne modellen må da være at den er i stand til å representere banen med en nøyaktighet som er lik eller bedre enn feilen som skyldes støyen fra målingene.

Ideell rakettbaneIdeell rakettbane
Opphavsmann: Narom

Alle rakettbaner kan representeres ved en elliptisk bane som følger Keplers lover. Ellipsens ene brennpunkt befinner seg i jordens sentrum. En komplikasjon er at nær jordoverflaten må en ta hensyn til luftmotstanden. Ved etterbehandling av data lages modeller som i større eller mindre grad tar hensyn til dette.


Det kan anvendes to forskjellige koordinatsystemer
  • Et system hvor alle koordinater er fiksert relativt til en fast ikke roterende jord.
  • Et system hvor alle parametre relateres til en jord som roterer under banen.

Bruken av det ene eller det annet system er avhengig av krav til nøyaktighet og rakettbanens topphøyde over jorden.

Modellene er som følger:

  • Banen representeres ved en kasteparabel. Her kan feilen være stor, 10–20 km.
  • Banen representeres ved en ellipse. Modellen blir unøyaktig på grunn av Jordens flattrykking og luftmotstanden. Feilen kan bli 1–5 km.
  • Banen representeres ved numerisk integrasjon der tyngdekraft og luftmotstand er inkludert, samt en modell for feil ved at mottakerantennen ikke står plassert eksakt i forhold til utskytningsrampen.

For å få en komplett bane brukes den siste modellen ved ASC. Følgende fremgangsmåte benyttes

  1. Velg et tidspunkt t1, like etter at øvre rakettrinn er utbrent.
  2. Anta en tilstandsvektor ved denne tiden x, y, z, dx/dt, dy, dt, dz/dt i et kjent koordinatsystem. Denne tilstandsvektoren kan hentes fra nominell bane eller fra sanntidsbanen.
  3. Beregn en bane med denne tilstandsvektoren som startbetingelse. Teoretiske verdier som tilsvarer målte verdier av R (skråavstand), α (elevasjon) og β (asimut) beregnes for alle observasjonstider.

For tiden brukes full integrasjon av alle parametre fra start til nedslag. Ved sammenligning av observerte og beregnede verdier finnes et nytt estimat for tilstandsvektoren ved tiden t1. Ved å gjenta denne prosessen noen ganger oppnås tilstrekkelig samsvar mellom beregnede og målte verdier.

I tillegg til å bestemme tilstandsvektoren ved tiden t1 eller for et annet tilsvarende parametersett, kan modellen også avsløre og korrigere for feilinnstilling av de forskjellige antenner, og også finne eventuelt avvik mellom referansefrekvens og frekvens for oscillatoren ombord i nyttelasten. Komplett bestemmelse av alle disse feilene kan bare gjøres ved å benytte mer enn en følgestasjon, helst tre. Likevel kan banebestemmelsen være akseptabel med bruk av bare en enkel telemetristasjon som referanse. Dette gjelder i alle fall når det gjelder raketter med lav topphøyde, dvs. under ~150 km.

Etter at den "best mulige banen" er bestemt, lages en presentasjonsmodul i form av enkle tidspolynomer, som tilpasses høyde, geografisk lengde og geografisk bredde. Disse distribueres til brukerne som kan benytte dem i forbindelse med egen programvare. Et PC-basert presentasjonsprogram følger gjerne også med.

Relatert innhold

Generelt