ガイダンスシステム

誘導システムとは、船舶、航空機、ミサイル、ロケット、衛星、その他の移動物体の動きを制御する仮想または物理的な装置、あるいは装置のグループである。誘導とは、物体の運動状態に関する情報に基づいて、特定の軌道や高度プロファイルに従うために必要な移動物体の位置、速度、高度、回転速度の変化を計算するプロセスである。^{[1] [2] [3]}

誘導システムは通常、誘導、航法および制御システムの一部であり、航法とは、コンパス、GPS受信機、ロランC、スタートラッカー、慣性測定装置、高度計などのセンサーデータに基づいて現在の位置と方向を計算するために必要なシステムを指します。航法システムの出力である航法ソリューションは、環境条件（風、水、温度など）や車両の特性（質量、制御システムの可用性、ベクトル変更に対する制御システムの相関など）などの誘導システムの入力です。一般に、誘導システムは、物体のアクチュエータ（スラスタ、リアクションホイール、ボディフラップなど）で構成される制御システムへの指示を計算します。制御システムは、人間が直接または継続的に制御することなく、物体の経路と方向を操作できます。

真の誘導システムの最も初期の例の 1 つは、第二次世界大戦中にドイツのV-1で使用されたものです。ナビゲーション システムは、単純なジャイロスコープ、対気速度センサー、および高度計で構成されていました。誘導指示は、目標高度、目標速度、巡航時間、およびエンジン停止時間でした。

誘導システムには、入力、処理、出力という 3 つの主要なサブセクションがあります。入力セクションには、センサー、コースデータ、無線および衛星リンク、およびその他の情報ソースが含まれます。1 つ以上のCPUで構成される処理セクションは、このデータを統合し、適切な方向を維持または達成するために必要なアクションを決定します。次に、このデータは出力に送られ、システムのコースに直接影響を与えます。出力は、タービンや燃料ポンプなどのデバイスと相互作用して速度を制御したり、エルロン、ラダー、またはその他のデバイス を作動させてより直接的にコースを変更したりします。

慣性誘導システムは、もともとロケット用に開発されました。アメリカのロケットの先駆者であるロバート・ゴダードは、基本的なジャイロスコープシステムを実験しました。ゴダード博士のシステムは、ヴェルナー・フォン・ブラウンを含む当時のドイツの先駆者たちにとって大きな関心事でした。このシステムは、宇宙船、誘導ミサイル、民間航空機の出現とともに、より広く使用されるようになりました。

米国の誘導の歴史は、2つの異なるコミュニティを中心に展開している。1つはカリフォルニア工科大学とNASA ジェット推進研究所から追い出されたもので、もう1つは初期のV2ロケット誘導を開発したドイツの科学者とMITから追い出されたものである。V2のGN&Cシステムは多くの革新をもたらし、自己完結型閉ループ誘導を使用する1942年当時最も洗練された軍用兵器であった。初期のV2は、2つのジャイロスコープと横方向加速度計を単純なアナログコンピュータで利用して、飛行中のロケットの方位を調整した。アナログコンピュータ信号は、飛行制御のために尾翼の4つの外部舵を駆動するために使用された。フォン・ブラウンは、500人の一流ロケット科学者を設計図や試験車両とともに米国に引き渡すよう画策した。彼らは1945年にテキサス州フォートブリスに到着し、その後1950年にアラバマ州ハンツビル（別名レッドストーン兵器廠）に移された。^{[4] [5]}フォン・ブラウンの情熱は惑星間宇宙飛行でした。しかし、彼の素晴らしいリーダーシップスキルとV-2計画での経験は、彼を米国軍にとってかけがえのない存在にしました。^[6] 1955年、レッドストーンチームはアメリカ初の衛星を軌道に乗せるために選ばれ、このグループは軍事と商業の両方の宇宙の中心にいました。

ジェット推進研究所の歴史は、カリフォルニア工科大学の教授セオドア・フォン・カルマンがロケット推進の先駆的な研究を行った1930年代に遡ります。1942年に陸軍兵器部の資金提供を受けたJPLの初期の取り組みは、最終的に空気力学や推進剤化学の枠を超えた技術を扱うようになりました。陸軍兵器部の取り組みの結果、ドイツのV-2ミサイルに対するJPLの回答であるMGM-5コーポラルが誕生し、1947年5月に初めて打ち上げられました。アメリカ航空宇宙局（NASA）が議会によって設立されてから2か月後の1958年12月3日、JPLは陸軍の管轄からこの新しい民間宇宙機関の管轄に移管されました。この移行は、ドイツのV2チームから派生した軍事に重点を置いたグループが設立されたためでした。そのため、1958年以降、NASA JPLとカリフォルニア工科大学のクルーは主に無人飛行に重点を置くようになり、いくつかの例外を除いて軍事用途から遠ざかっていきました。 JPLを取り巻くコミュニティは、通信、惑星間探査、地球監視などの分野で驚異的な革新を推進しました。^[7]

1950 年代初頭、米国政府は軍事用途でドイツ チームに過度に依存することを避けたいと考えていました。国内で「開発された」分野の中には、ミサイル誘導がありました。1950 年代初頭、MIT 計装研究所(後にCharles Stark Draper Laboratory 、Inc.となる) は、空軍西部開発部門によって、サンディエゴの Convair 社に新型アトラス大陸間弾道ミサイル用の自己完結型誘導システムのバックアップを提供するよう選ばれました。MIT の作業の技術監視員は、後に NASA 長官を務めたジム フレッチャーという若いエンジニアでした。アトラス誘導システムは、機内自律システムと地上ベースの追跡およびコマンド システムの組み合わせになる予定でした。これが哲学的論争の始まりであり、一部の分野では未解決のままです。自己完結型システムは、明らかな理由により、最終的に弾道ミサイル用途で採用されました。宇宙探査では、この 2 つの混合システムが残っています。

1952 年の夏、リチャード バッティン博士^[8]とJ. ハルコム (「ハル」) ラニング ジュニア博士は、コンピューティングがアナログ アプローチから脱却し始めたため、誘導に対する計算ベースのソリューションを研究しました。当時のコンピューターは非常に低速 (ミサイルは非常に高速) であったため、非常に効率的なプログラムを開発することが極めて重要でした。J. ハルコム ラニング博士は、フィル ハンキンスとチャーリー ワーナーの協力を得て、IBM 650用の代数プログラミング言語である MAC の開発を開始し、1958 年の春先に完成しました。MAC は MIT ラボの主力言語となりました。MAC は、3 行形式、ベクトル マトリックス表記、ニーモニックおよびインデックス付き添え字を備えた、非常に読みやすい言語です。 HAL の主任設計者はジム・ミラーであり、彼はハル・レーニングとともにMAC システムに関する報告書を共同執筆したため、スペース シャトル言語はジムの古い指導者にちなんで名付けられたと考えるのが妥当であり、一部の人が示唆しているように、アーサー・クラークの映画「2001 年宇宙の旅」の電子工学界のスーパースターにちなんで名付けられたのではない。(リチャード・バティン、AIAA 82–4075、1982 年 4 月)

ハル・レーニングとリチャード・バッティンは、1954 年にアトラス慣性誘導装置に関する最初の分析作業に着手しました。コンベア社の他の主要人物には、主任エンジニアのチャーリー・ボッサートと誘導グループ責任者のウォルター・シュヴァイデツキーがいました。ウォルターは第二次世界大戦中にペーネミュンデでヴェルナー・フォン・ブラウンとともに働いていました。

初期の「デルタ」誘導システムは、基準軌道からの位置の差を評価しました。現在の軌道を修正するために、VGO (速度) の計算が行われ、VGO をゼロにすることが目標となります。このアプローチの数学は基本的に有効でしたが、正確な慣性航法 (IMU の精度など) とアナログ計算能力の課題のため、廃止されました。「デルタ」の取り組みが直面した課題は、誘導の「Q システム」によって克服されました。「Q」システムの革命は、ミサイル誘導 (および関連する運動方程式) の課題を行列 Q にまとめたことです。Q 行列は、位置ベクトルに対する速度の偏導関数を表します。このアプローチの重要な特徴は、ベクトル クロス積 (v、xdv、/dt) の成分を基本的な自動操縦速度信号として使用できるようにすることです。この手法は「クロス積ステアリング」として知られるようになりました。 Qシステムは、 1956 年 6 月 21 日と 22 日にロサンゼルスの Ramo-Wooldridge Corporation で開催された第 1 回弾道ミサイル技術シンポジウムで発表されました。「Q システム」は 1960 年代を通じて機密情報でした。このガイダンスの派生は、今日の軍用ミサイルに使用されています。CSDL チームは、軍事ガイダンスのリーダーであり続け、米国軍のほとんどの部門のプロジェクトに関与しています。

1961年8月10日、NASAはMITとアポロ計画の誘導および航法システムの予備設計研究の契約を結びました。^[9]（アポロ搭載誘導、航法、および制御システム、デイブ・ホッグ、国際宇宙殿堂入館会議、ニューメキシコ州アラモゴード、1976年10月を参照^[10]）。今日のスペースシャトルの誘導は、PEG4（Powered Explicit Guidance）と呼ばれています。これは、Qシステムと、オリジナルの「デルタ」システム（PEGガイダンス）の予測子修正子の属性の両方を考慮に入れています。過去30年間でシャトルの航法システムに多くの更新が行われてきましたが（例：OI-22ビルドのGPS）、今日のシャトルGN&Cシステムの誘導コアはほとんど進化していません。有人システムでは、誘導システムにヒューマンインターフェイスが必要です。宇宙飛行士はシステムの顧客であるため、GN&Cは宇宙船を「飛ばす」ための主要インターフェースであるため、GN&Cを扱う多くの新しいチームが結成されています。^[11]アポロとSTS（シャトルシステム）の場合、CSDLがガイダンスを「設計」し、マクドネル・ダグラスが要件を書き、IBMが要件をプログラムしました。

有人システム内のシステムの複雑さの多くは、「冗長性管理」と、乗組員の安全を確保するための複数の「中止」シナリオのサポートによってもたらされます。米国の有人月面および惑星間誘導システムは、1950 年代に開発された同じ誘導技術 (上記) の多くを活用しています。そのため、誘導の核となる数学的構成はほぼ一定のままですが、GN&C を取り巻く施設は、新しい車両、新しいミッション、新しいハードウェアをサポートするために進化し続けています。有人誘導の卓越した研究拠点は、MIT (CSDL) と旧マクドネル ダグラス スペース システム (ヒューストン) に残っています。

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• 天体力学の数学と方法入門、改訂版（AIAA 教育シリーズ）リチャード バティン、1991 年 5 月
• 宇宙ガイダンスの進化 - 個人的な物語、リチャード・バティン、AIAA 82–4075、1982 年 4 月