XÂY DỰNG LUẬN cứ KHOA học đối với dữ LIỆU TRỌNG TRƯỜNG và dữ LIỆU TRẮC địa đảm bảo ĐỊNH vị dẫn ĐƯỜNG CHO tên lửa đạn đạo TRONG PHẠM VI LÃNH THỔ VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG MINH NGỌC XÂY DỰNG LUẬN CỨ KHOA HỌC ĐỐI VỚI DỮ LIỆU TRỌNG TRƯỜNG VÀ DỮ LIỆU TRẮC ĐỊA ĐẢM BẢO ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG CHO TÊN LỬA ĐẠN ĐẠO TRONG PHẠM VI LÃNH THỔ VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ Mã số : 62.52.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 Cơng trình hồn thành tại: Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Phạm Hoàng Lân Hội Trắc địa, Bản đồ, Viễn Thám Việt Nam PGS.TS Dương Vân Phong Trường Đại học Mỏ - Địa chất Phản biện 1: PGS.TS Trần Đình Tơ Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Phản biện 2: TS Phan Văn Chương Viện Tên lửa - Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 3: TS Dương Chí Cơng Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Việt Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi… giờ, ngày… tháng… năm 201 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội; Thư viện Quốc Gia, Hà Nội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tên lửa đạn đạo (còn gọi tên lửa đường đạn) vũ khí chiến lược, đóng vai trị định chiến tranh đại Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo có ý nghĩa quan trọng công tác định vị, dẫn đường tên lửa; có yếu tố: trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis, yếu tố trắc địa thông số ban đầu quỹ đạo bay tự (tại điểm cắt lực đẩy) Trên giới việc nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố nêu để đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo tiến hành với phát triển kỹ thuật tên lửa, chủ yếu quốc gia có cơng nghệ chế tạo tên lửa cao như: Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Trung Quốc, Nhưng phần lớn kết nghiên cứu không công bố công bố không đầy đủ, thiếu tính liên kết, vấn đề liên quan đến bí mật quân Ở Việt Nam, từ trước đến nay, việc nghiên cứu định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo sử dụng liệu chương trình điều khiển nước ngồi cung cấp Bài tốn nghiên cứu sở khoa học, phương pháp luận thực tiễn ảnh hưởng liệu trọng trường trắc địa để đảm bảo định vị dẫn đường cho tên lửa đạn đạo chưa đặt xem xét Vì vậy, việc xây dựng luận khoa học liệu trọng trường liệu trắc địa đảm bảo định vị dẫn đường cho tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam nhiệm vụ có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn, có tính cấp thiết mang tính thời cao Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát: Xây dựng luận khoa học liệu trọng trường, yếu tố trắc địa thông số ban đầu quỹ đạo bay tự đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam 2.2 Mục tiêu cụ thể: 1) Đánh giá ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự Từ xây dựng yêu cầu liệu trọng trường tính toán hiệu chỉnh ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis nhằm đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam; 2) Đánh giá ảnh hưởng yếu tố trắc địa, thông số ban đầu quỹ đạo bay tự quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Từ xây dựng yêu cầu yếu tố trắc địa để đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1) Đối tượng nghiên cứu: Dữ liệu trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis; yếu tố trắc địa thông số ban đầu quỹ đạo bay tự đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo; 2) Phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi lãnh thổ Việt Nam Nội dung nghiên cứu - Quỹ đạo chuyển động, phương trình chuyển động tên lửa nói chung tên lửa đạn đạo nói riêng Các phương pháp dẫn đường sai số định vị, dẫn đường tên lửa đạn đạo; - Ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự do; - Ảnh hưởng yếu tố trắc địa thông số ban đầu quỹ đạo bay tự quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo; - Tính tốn thực nghiệm ảnh hưởng yếu tố nêu quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam; - Xây dựng yêu cầu liệu trọng trường, yếu tố trắc địa để đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo Phương pháp nghiên cứu xử lý số liệu: 1) Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu; 2) Phương pháp tổng hợp, phân tích, so sánh; 3) Phương pháp tính tốn thực nghiệm; 4) Phương pháp mơ hình hóa; 5) Phương pháp chun gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 6.1 Ý nghĩa khoa học: - Xác định ảnh hưởng liệu trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis mối tương quan chúng quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam; - Xác định ảnh hưởng yếu tố trắc địa thông số ban đầu quỹ đạo bay tự đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo 6.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Chỉ yêu cầu thực tiễn đảm bảo sở liệu trọng trường, yếu tố trắc địa, đồng thời tính toán hiệu chỉnh ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis định vị, dẫn đường tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam; - Các kết nghiên cứu cịn có ý nghĩa việc tính tốn quỹ đạo bay trình điều khiển tên lửa đạn đạo Bên cạnh đó, nghiên cứu kỹ tính kỹ thuật quỹ đạo chuyển động định vị, dẫn đường loại tên lửa để có phương án phòng tránh đánh trả hợp lý nhằm giảm thiểu thiệt hại chúng gây Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Giai đoạn bay tự cấu thành nên phần lớn quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Do đó, việc xem xét nghiên cứu, phân tích, đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động giai đoạn đánh giá độ xác tiếp cận mục tiêu tên lửa; - Luận điểm 2: Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo; đó: trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis yếu tố ảnh hưởng rõ nét cần phải quan tâm xem xét thỏa đáng; - Luận điểm 3: Một nội dung quan trọng định vị, dẫn đường điều khiển tên lửa đạn đạo xác định ảnh hưởng yếu tố trắc địa thông số ban đầu quỹ đạo bay tự (tại điểm cắt lực đẩy) đến quỹ đạo chuyển động tên lửa Các yếu tố gây sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số xuống tầm) theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo (sai số chéo tầm), dẫn đến sai số tiếp cận mục tiêu Trái đất tên lửa đạn đạo Những điểm luận án - Khẳng định liệu từ mơ hình trọng trường Trái đất khai triển theo hàm điều hòa đến bậc 50 đủ để đánh giá ảnh hưởng trọng trường Trái đất đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam; - Đề xuất yêu cầu cụ thể liệu trọng trường, yếu tố trắc địa để đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam; - Thiết lập giải hệ phương trình chuyển động tên lửa phương pháp tích phân số để đánh giá ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự Cơ sở tài liệu luận án: Các sách, báo nước viết lĩnh vực nghiên cứu đề tài; liệu mơ hình số trọng trường Trái đất EGM96, EGM2008, GOCE04S; liệu tọa độ điểm đầu cuối quỹ đạo bay tự do; tài liệu mạng Internet 10.Cấu trúc luận án: Cấu trúc luận án gồm phần mở đầu, chương, phần kết luận, 06 phụ lục, trình bày 138 trang với 35 hình vẽ sơ đồ, 23 bảng biểu Chương TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DỮ LIỆU TRỌNG TRƯỜNG VÀ DỮ LIỆU TRẮC ĐỊA ĐỐI VỚI CÔNG TÁC ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG TÊN LỬA ĐẠN ĐẠO 1.1 Vai trò tên lửa chiến tranh đại Chiến tranh đại với vũ khí cơng nghệ cao trở lên ngày nguy hiểm, tên lửa tầm xa sử dụng phương tiện chiến tranh chủ yếu Những quốc gia sở hữu cơng nghệ sản xuất tên lửa tầm xa có sức mạnh quân 1.2 Tình hình nghiên cứu giới Nghiên cứu phân chia theo ba giai đoạn chuyển động tên lửa đạn đạo cơng bố nhiều cơng trình [13, 16 ÷ 18, 21 ÷ 25, 27, 28, 35 ÷ 39, 42 ÷ 44, 46, 52 ÷ 54] Các nghiên cứu khẳng định, ảnh hưởng yếu tố trọng trường trắc địa giai đoạn phóng nhỏ so với ảnh hưởng sai số hệ thống dẫn đường bù trừ hệ thống điều khiển, nên khơng cần khảo sát phân tích độ xác hoạt động tên lửa Giai đoạn bay tự cấu thành nên phần lớn quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo nên ảnh hưởng liệu trọng trường liệu trắc địa giai đoạn nhiều tác giả nghiên cứu Tuy nhiên, kết nghiên cứu (đã công bố rộng rãi) chưa có liên kết thành hệ thống để đưa yêu cầu đảm bảo liệu trọng trường liệu trắc địa công tác định vị, dẫn đường tên lửa đạn đạo Các đánh giá chưa xem xét dựa mơ hình trọng trường (EGM96, EGM2008, GOCE) với hệ số điều hòa Giai đoạn trở lại mục tiêu diễn nhanh tên lửa gần chuyển động theo phương thẳng đứng nên việc nghiên cứu ảnh hưởng liệu trọng trường trắc địa không xem xét nhiều 1.3 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Hệ thống dẫn đường tên lửa nghiên cứu từ tên lửa đưa vào Việt Nam, việc bảo đảm trắc địa, địa hình cho tổ hợp tên lửa chủ yếu theo chương trình điều khiển nhà sản xuất cung cấp Việc sâu vào nghiên cứu sở khoa học, lý luận, thuật toán chưa thực Hiện tại, chưa thu thập kết nghiên cứu nước ảnh hưởng liệu trọng trường liệu trắc địa đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo [5, 10] 1.4 Các vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu Nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng liệu trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự Với phát triển khoa học công nghệ nay, sử dụng liệu trọng trường tính tốn theo mơ hình EGM96, EGM 2008 GOCE04S với hệ số điều hòa phù hợp; Nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng thơng số ban đầu điểm cắt lực đẩy đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự 1.5 Kết luận chương Để đảm bảo liệu trọng trường liệu trắc địa công tác định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam cần: 1) Khảo sát ảnh hưởng liệu trọng trường đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự dựa mơ hình trọng trường EGM96, EGM2008 GOCE04S với bậc hệ số điều hòa; 2) Khảo sát ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự do; 3) Khảo sát ảnh hưởng thông số ban đầu điểm cắt lực đẩy (vận tốc, góc đường bay, độ cao ) đến sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số xuống tầm); 4) Khảo sát ảnh hưởng sai số vị trí, sai số vận tốc theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo đến sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số chéo tầm) Chương QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG VÀ ĐỊNH VỊ, DẪN ĐƯỜNG TÊN LỬA ĐẠN ĐẠO 2.1 Các hệ thống tọa độ định vị, dẫn đường tên lửa Trình bày về: 1) Hệ tọa độ qn tính; 2) Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm; 3) Hệ toạ độ trắc địa; 4) Hệ toạ độ địa lý; 5) Hệ tọa độ địa diện chân trời; 6) Hệ tọa độ gắn với tên lửa; phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ 2.2 Phương trình tổng quát chuyển động tên lửa Các thành phần vận tốc (dXe/dt, dYe/dt, dZe/dt) tọa độ (Xe, Ye, Ze) tên lửa hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm: dX e  (cos  cos  )u  (cos  sin  sin   sin  cos )v dt  (cos  cos  sin   sin  sin  ) w, dYe  (cos  sin  )u  (sin  sin  sin   cos  cos )v  dt  (sin  cos  sin   cos  sin  ) w, dZ e  (sin  )u  (sin  cos  )v  (cos  cos ) w, dt t  dX  X e  X e,0    e dt ,  dt  t  dY  Ye  Ye,0    e dt ,  dt  t  dZ  Z e  Ye,0    e dt ,  dt  (2.19) (2.20) với (u, v, w) - thành phần vận tốc góc dọc theo trục hệ tọa độ gắn với tên lửa; (ψ, Φ, θ) - góc quay Euler hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm hệ tọa độ gắn với tên lửa; Xe,0, Ye,0, Ze,0 – tọa độ tên lửa hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm thời điểm t = 2.3 Chuyển động tên lửa đạn đạo 2.3.1 Quỹ đạo chung tên lửa đạn đạo γ Điểm trở lại MT Mục tiêu Bề mặt Trái đất Hình cầu tham chiếu Г=Góc tầm bay phóng ϕ= Góc tầm bay tự Ω= Góc tầm trở lại TĐ vb b Ω ϕ ϕ r o Г Điểm cắt lực đẩy Điểm phóng b Hình 2.8 Quĩ đạo hình học chung tên lửa đạn đạo Quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo gồm ba giai đoạn [51]: 1) Giai đoạn phóng: Tên lửa khởi động, bay qua bầu khí đến vị trí cắt lực đẩy đạt tham số (vị trí, vận tốc, góc đường bay, góc phương vị…) phù hợp với thiết kế; 2) Giai đoạn bay tự do: Tên lửa bay tự do, tuân theo định luật vật lý; 3) Giai đoạn trở lại mục tiêu: Tên lửa thâm nhập bầu khí vào khu vực mục tiêu, quỹ đạo dần chuyển động ngang lao xuống mục tiêu theo chiều thẳng đứng 2.3.2 Phương trình động học tên lửa giai đoạn phóng Phương trình động học tên lửa hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm có dạng sau [51, 59]: t V  V0   (aT  g)dt, (2.29) t0 t R  R0   V dt, (2.30) t0 với aT - gia tốc lực đẩy động cơ; g - gia tốc trọng trường Trái đất; V, R - vận tốc vị trí tên lửa; t - thời điểm tính tốn; t0, R0, V0 = t, R, V thời điểm đánh lửa giai đoạn phóng 11 Gia tốc chuyển động tên lửa hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm ảnh hưởng trọng trường Trái đất có dạng [64]: r  gradW , (3.5) g triển khai tính tốn theo thuật toán đệ qui Cunningham 3.2 Ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự Tọa độ điểm trở lại mục tiêu hệ tọa độ quán tính biến thiên theo thời gian chuyển động quay Trái đất Ảnh hưởng yếu tố đến quỹ đạo chuyển động tên lửa xem xét theo phương án sau: Từ vị trí thông số ban đầu điểm cắt lực đẩy hệ tọa độ không gian địa tâm, xác định tọa độ thành phần vận tốc hệ tọa độ quán tính; Thiết lập quỹ đạo chuyển động tên lửa hệ tọa độ quán tính Tại thời điểm tức thời, tính chuyển tọa độ tên lửa tọa độ vng góc khơng gian địa tâm để xác định vị trí tên lửa độ cao tên lửa tiến đến độ cao điểm trở lại mục tiêu 3.3 Ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự Hiệu ứng Coriolis xảy hệ qui chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính, làm lệch quĩ đạo vật thể chuyển động hệ qui chiếu Gia tốc hiệu ứng Coriolis hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm xác định [5, 40]:  xCoriolis  2VY  e ,   yCoriolis  2VX  e , z  Coriolis  (3.13) với xCoriolis , yCoriolis ,zCoriolis - thành phần gia tốc ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis; VX, VY – thành phần vận tốc chuyển động tên lửa hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm theo trục tọa độ X, Y; e  7,292115 10 5 rad s - tốc độ quay Trái đất 12 3.4 Thiết lập quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự ảnh hưởng yếu tố gây nhiễu 3.4.1 Phương trình chuyển động Phương trình chuyển động tên lửa ảnh hưởng trọng trường hiệu ứng Coriolis có dạng sau [62, 64]: d 2r (3.14)  rg  rCoriolis , dt đó: rg , rCoriolis - véc tơ gia tốc ảnh hưởng trọng trường hiệu ứng Coriolis Khi tính ảnh hưởng yếu tố phải loại bỏ yếu tố lại Ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất tính thơng qua việc xét chuyển động tên lửa hệ tọa độ quán tính 3.4.2 Giải hệ phương trình chuyển động thuật tốn tích phân số Runge-Kutta Phương trình chuyển động tích phân lặp lặp lại phương pháp tích phân số Runge-Kutta bậc (phiên phát triển Fehlberg) để xác định vị trí tên lửa sau khoảng thời gian Δt, tên lửa tiếp cận điểm trở lại mục tiêu 3.4.3 Xác định tầm xa độ cao tên lửa Tùy thuộc vào mặt quy chiếu lựa chọn Trái đất cầu hay mặt ellipsoid mà có phương án xác định tầm xa độ cao sau: 3.4.3.1 Xác định mặt cầu Tầm xa độ cao tên lửa xác định theo công thức [51]: (3.27) Ri  Rei , hi  ri  R e , (3.29) đó: Re - bán kính trung bình Trái đất; θi, ri - góc tầm khoảng cách từ tâm Trái đất tới vị trí tên lửa thời điểm t 3.4.3.2 Xác định mặt ellipsoid Tầm xa tên lửa xác định khoảng cách điểm bề mặt ellipsoid theo thuật toán Vincenty [56] Độ cao tên lửa thời điểm t tính độ cao trắc địa thời điểm 13 3.5 Tính tốn thực nghiệm phân tích, đánh giá kết 3.5.1 Mô tả khu vực thực nghiệm liệu sử dụng Để đánh giá ảnh hưởng yếu tố trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis, tiến hành tính tốn thực nghiệm với: điểm cắt lực đẩy Cam Ranh 05 trường hợp điểm trở lại mục tiêu: Móng Cái, Hồng Sa, Biển Đơng, Gạc Ma, Vịnh Thái Lan (hình 3.6) Bước tích phân số Δt = 1s với khoảng cách tên lửa tiếp cận điểm trở lại mục tiêu lớn 10.000 m (tương ứng với khoảng thời gian bay ≈ 3÷5 giây) Δt = 0,001s khoảng cách tên lửa tiếp cận điểm trở lại mục tiêu nhỏ 10.000 m Hình 3.6 Vị trí điểm cắt lực đẩy điểm trở lại mục tiêu 3.5.2 Đánh giá ảnh hưởng trọng trường tới quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Thực nghiệm tính tốn cho trường hợp tên lửa khơng chịu ảnh hưởng trọng trường (Trái đất cầu, bậc hệ số điều hịa n=0) có ảnh hưởng trọng trường theo mơ hình EGM96, EGM2008 GOCE04S với bậc hệ số điều hịa từ đến 70 Thuật tốn trình bày hình 3.7 lập trình ngơn ngữ Visual C++ Kết nhận mơ hình quỹ đạo, tầm xa tên lửa R độ lệch tầm 02 trường hợp cho 05 điểm trở lại mục tiêu Trên hình 3.8 thể độ lệch điểm trở lại mục tiêu Móng Cái 14 Bắt đầu X0, Y0, Z0, V0X, V0Y, V0Z(*) thời điểm t = t0 Tính gia tốc ảnh hưởng trọng trường Tích phân theo phương pháp Runge-kutta với bước thời gian Δt X, Y, Z, VX, VY, VZ thời điểm t’ = t + Δt Tính tầm xa R độ cao H(t’), H(t) H(t’) < H(t) H(t’) < hmt Đúng Thoát Sai Gán t0 = t’, X0=X, Y0=Y, Z0=Z, V0X=VX, V0Y=VY, V0Z=VZ (*) – X, Y, Z, VX, VY, VZ thành phần tọa độ tốc độ dịch chuyển tên lửa Hệ toạ độ khơng gian địa tâm Hình 3.7 Sơ đồ khối thuật tốn tính ảnh hưởng trọng trường Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ lệch tầm bậc hệ số điều hòa xét với điểm trở lại mục tiêu Móng Cái Để đánh giá cụ thể độ xác liệu trọng trường, tính độ lệch trung phương giá trị trọng lực nhận theo mơ hình với hệ số điều hòa bậc 50 giá trị trọng lực đo đạc trực tiếp 57 điểm mốc trọng lực Kết thể bảng 3.3 15 Bảng 3.3 Độ lệch trung phương giá trị trọng lực theo mơ hình (hệ số điều hịa bậc 50) giá trị đo 57 điểm trọng lực Mô hình trọng trường Độ lệch trung phương(mgal) EGM96 20,33 EGM2008 20,01 GOCE04S 20,33 3.5.3 Đánh giá ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Để đánh giá ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất giai đoạn bay tự do, lập trình tính tốn mơi trường Visual C++ theo thuật tốn hình 3.14 Kết nhận quỹ đạo chuyển động tên lửa hai trường hợp: có tính khơng tính đến ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất Mơ hình quỹ đạo thể hình 3.15 Độ lệch tầm xa tên lửa tính mặt cầu mặt ellipsoid trình bày bảng 3.4 bảng 3.5 Bắt đầu (X0, Y0, Z0, V0X, V0Y, V0Z)ECEF(*) thời điểm t = t0 X0, Y0, Z0, V0X, V0Y, V0Z(*) thời điểm t = t0 Tính gia tốc chuyển động lực hấp dẫn Trái đất cầu Tích phân theo phương pháp Runge-kutta với bước thời gian Δt X, Y, Z, VX, VY, VZ (tên lửa) thời điểm t’ = t + Δt (X, Y, Z, VX, VY, VZ)ECEF (tên lửa) thời điểm t’ = t + Δt Tọa độ tức thời điểm trở lại mục tiêu Hệ toạ độ vng góc KGĐT Đúng Tính tầm xa R độ cao H(t), H(t') H(t’) < H(t) H(t’) < hmt Sai Thoát Gán t0 = t’, X0=X, Y0=Y, Z0=Z, V0X=VX, V0Y=VY, V0Z=VZ (*) – (X, Y, Z, VX, VY, VZ)ECEF, (X, Y, Z, VX, VY, VZ) - thành phần tọa độ vận tốc tên lửa Hệ toạ độ không gian địa tâm Hệ toạ độ qn tính Hình 3.14 Sơ đồ khối thuật tốn tính ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất 16 Bảng 3.4 Tầm xa tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất (tính mặt cầu) STT Điểm trở lại mục tiêu Móng Cái Hồng Sa Biển Đơng Gạc Ma Vịnh Thái Lan βb 358°39' 31°52' 89°51' 113°14' 270°07' Tầm xa(km) Không hiệu ứng Trái đất quay 1064,110 1066,204 625,257 633,027 856,608 878,677 602,110 614,400 843,536 828,442 Độ lệch 2,093 7,771 22,069 12,290 -15,094 Bảng 3.5 Tầm xa tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất (tính mặt ellipsoid) STT Tầm xa(km) Điểm trở lại βb mục tiêu Khơng hiệu ứng Trái đất quay Móng Cái 358°39' 1063,829 1065,921 Hoàng Sa 31°52' 625,135 632,903 Biển Đông 89°51' 856,489 878,555 Gạc Ma 113°14' 602,030 614,318 Vịnh Thái Lan 270°07' 843,419 828,327 Độ lệch 2,092 7,769 22,067 12,288 -15,092 Hình 3.15 Mơ hình quỹ đạo tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất 3.5.4 Đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis tới quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Để đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis tới quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo, tiến hành lập trình tính tốn mơi trường Visual C++ theo thuật toán dạng sơ đồ khối tương tự hình 3.14, bổ sung tính thêm gia tốc hiệu ứng Coriolis Do hiệu ứng Coriolis hệ chuyển động quay 17 Trái đất, nên ảnh hưởng riêng hiệu ứng đánh giá thơng qua việc so sánh kết tính hiệu ứng Trái đất quay tính đồng thời ảnh hưởng Trái đất quay hiệu ứng Coriolis Từ khảo sát, nhận độ lệch tầm xa tên lửa tính mặt cầu mặt ellipsoid bảng 3.6, bảng 3.7 mơ hình quỹ đạo chuyển động tên lửa hình 3.17 Bảng 3.6 Tầm xa tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis (tính mặt cầu) STT Tầm xa(km) Điểm trở lại βb mục tiêu Không hiệu ứng Trái đất quay Độ lệch Móng Cái 358°39' 1066,204 1065,238 -0,965 Hoàng Sa 31°52' 633,027 638,959 5,932 Biển Đông 89°51' 878,677 897,439 18,761 Gạc Ma 113°14' 614,400 624,170 9,771 Vịnh Thái Lan 270°07' 828,442 810,464 -17,978 Bảng 3.7 Tầm xa tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis (tính mặt ellipsoid) STT Điểm trở lại mục tiêu Móng Cái Hồng Sa Biển Đông Gạc Ma Vịnh Thái Lan βb 358°39' 31°52' 89°51' 113°14' 270°07' Tầm xa(km) Không hiệu ứng Trái đất quay Độ lệch 1065,921 1064,956 -0,965 632,903 638,833 5,930 878,555 897,315 18,759 614,318 624,088 9,770 828,327 810,351 -17,976 Hình 3.17 Mơ hình quỹ đạo tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis 18 3.5.5 Đánh giá tổng hợp ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Để đánh giá tổng hợp ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo, tiến hành lập trình tính tốn mơi trường Visual C++ theo thuật toán dạng sơ đồ khối tương tự hình 3.14, bổ sung tính thêm gia tốc lực trọng trường hiệu ứng Coriolis Từ khảo sát, nhận độ lệch tầm xa tên lửa tính mặt cầu mặt ellipsoid trường hợp có tính khơng tính đến ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis bảng 3.8, bảng 3.9 mơ hình quỹ đạo chuyển động tên lửa hình 3.19 Bảng 3.8 Tầm xa tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis (tính mặt cầu) Tầm xa (km) Điểm trở lại STT mục tiêu Không hiệu ứng Có hiệu ứng Độ lệch Móng Cái 1064,110 1062,955 -1,155 Hoàng Sa 625,257 637,662 12,406 Biển Đông 856,608 896,172 39,564 Gạc Ma 602,110 623,454 21,344 Vịnh Thái Lan 843,536 809,360 -34,176 Bảng 3.9 Tầm xa tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis (tính mặt ellipsoid) Tầm xa (km) Điểm trở lại STT mục tiêu Khơng hiệu ứng Có hiệu ứng Độ lệch Móng Cái 1063,829 1062,674 -1,154 Hồng Sa 625,135 637,537 12,402 Biển Đông 856,489 896,048 39,560 Gạc Ma 602,030 623,372 21,342 Vịnh Thái Lan 843,419 809,247 -34,172 19 Hình 3.19 Mơ hình quỹ đạo tên lửa trường hợp có tính đến khơng tính đến ảnh hưởng trọng trường, chuyển động quay Trái đất, hiệu ứng Coriolis 3.6 Kết luận chương Trọng trường Trái đất có ảnh hưởng đáng kể đến quỹ đạo bay tự tên lửa đạn đạo gây sai số xuống tầm hướng gần tỷ lệ thuận với khoảng cách từ điểm cắt lực đẩy đến điểm trở lại mục tiêu Ảnh hưởng lớn điểm trở lại mục tiêu có độ vĩ cao thay đổi phụ thuộc vào hướng bắn Ảnh hưởng trọng trường từ mơ hình EGM96, EGM2008, GOCE04S với bậc hệ số điều hòa Khi sử dụng hệ số điều hòa trọng trường đến bậc 50 độ hội tụ tầm xa tên lửa khơng q 1m Do vậy, q trình tính tốn cần sử dụng hệ số điều hòa đến bậc 50 đủ đáp ứng yêu cầu phạm vi lãnh thổ Việt Nam Chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis có ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Khi quỹ đạo có hướng lệch lớn so với hướng Bắc - Nam ảnh hưởng lớn Khoảng cách tầm tính mặt cầu mặt ellipsoid hướng có sai lệch lớn (hàng trăm mét) so sánh độ lệch tầm hai trường hợp phạm vi lãnh thổ Việt Nam sai lệch không đáng kể (cỡ m) 20 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ TRẮC ĐỊA VÀ CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU TẠI ĐIỂM CẮT LỰC ĐẨY ĐẾN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA ĐẠN ĐẠO TRONG GIAI ĐOẠN BAY TỰ DO 4.1 Lý thuyết chung ảnh hưởng yếu tố trắc địa thông số ban đầu điểm cắt lực đẩy đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Các sai số δVb, δγ, δhb vận tốc, góc đường bay độ cao tên lửa điểm cắt lực đẩy ảnh hưởng đến vận tốc vị trí tên lửa quỹ đạo bay tự đó, ảnh hưởng đến độ xác mục tiêu Các lỗi hệ số gây sai số chuyển động tên lửa mặt phẳng quỹ đạo (sai số xuống tầm) hay lệch khỏi mặt phẳng quỹ đạo (sai số chéo tầm) 4.2 Sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số xuống tầm) Phương trình quỹ đạo chuyển động tên lửa với mơ hình Trái đất cầu có dạng[51]: rb  cos sin       , (4.3) rt k sin  sin  đó: rb, rt khoảng cách từ tâm Trái đất tới tên lửa thời điểm cắt lực đẩy thời điểm tiếp cận điểm trở lại mục tiêu; θ góc tầm; γ – góc đường bay tên lửa vị trí cắt lực đẩy; k hệ số: k  rbVb2  , (4.4) đó:   398601,2km3 / s số hấp dẫn địa tâm; Vb – vận tốc tên lửa vị trí cắt lực đẩy Phát triển phương trình (4.3) nhận mối quan hệ sai số tầm xa δR sai số vận tốc, góc đường bay độ cao tên lửa vị trí cắt lực đẩy:  R 2rt  1  cos  tan   sin   , (4.12)  Vb Vb   sin   2   R  2rt 1  ,  sin 2   sin     R  2tg   hb sin  (4.13) (4.15) 21 4.3 Sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số chéo tầm) Nhiễu theo hướng vng góc với mặt phẳng quỹ đạo điểm cắt lực đẩy gây sai số vị trí điểm cuối quỹ đạo  L [51]  L    L   L     n     Vn  nˆ; (4.26)  Vn nˆ  n nˆ  Dựa vào phân tích hình học phép biến đổi giải tích, nhận mối quan hệ sai số chéo tầm sai số vị trí vận tốc theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo sau: r1 sin   1  0    L  r1 sin 1  0   L  ,      rb sin  Vb sin   n nˆ  V nˆ (4.27) 4.4 Tính tốn thực nghiệm phân tích, đánh giá kết 4.4.1 Đánh giá sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số xuống tầm) Để phân tích mối quan hệ thông số tên lửa vị trí cắt lực đẩy độ lệch tầm, xây dựng mô-đun MathCad tiến hành khảo sát cho 05 điểm trở lại mục tiêu với độ lệch tầm từ 25÷1000 m Kết thể bảng 4.1 ÷ bảng 4.3 Bảng 4.1 Sự phụ thuộc sai số xuống tầm sai số vận tốc điểm cắt lực đẩy δR (m) 25 50 100 200 500 1000 Móng Cái 0,03 0,07 0,13 0,26 0,65 1,30 Hoàng Sa 0,05 0,09 0,18 0,36 0,90 1,80 δVb (m/s) Biển Đông 0,04 0,07 0,15 0,30 0,75 1,49 Gạc Ma 0,05 0,09 0,18 0,37 0,92 1,84 Vịnh Thái Lan 0,04 0,08 0,15 0,30 0,75 1,51 Bảng 4.2 Sự phụ thuộc sai số xuống tầm sai số góc đường bay điểm cắt lực đẩy δR (m) 25 50 100 200 500 1000 Móng Cái -0,020 -0,041 -0,082 -0,164 -0,410 -0,820 Hoàng Sa -0,045 -0,089 -0,179 -0,358 -0,894 -1,788 δγb ( ° ) Biển Đông -0,029 -0,058 -0,117 -0,234 -0,584 -1,169 Gạc Ma -0,051 -0,103 -0,206 -0,411 -1,029 -2,057 Vịnh Thái Lan -0,030 -0,060 -0,119 -0,238 -0,596 -1,192 22 Bảng 4.3 Sự phụ thuộc sai số xuống tầm sai số độ cao tên lửa điểm cắt lực đẩy δR (m) 25 50 100 200 500 1000 Móng Cái 18 36 71 142 355 710 Hoàng Sa 20 40 80 160 400 800 δhb(m) Biển Đông 19 38 75 150 376 751 Gạc Ma 20 40 81 162 404 808 Vịnh Thái Lan 19 38 75 151 377 754 4.4.2 Đánh giá sai số mặt phẳng quỹ đạo (sai số chéo tầm) Đánh giá thực tương tự trường hợp phân tích sai số xuống tầm với kết thể bảng 4.4 Bảng 4.4 Sự phụ thuộc sai số chéo tầm sai số vị trí, sai số vận tốc theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo điểm cắt lực đẩy Gạc Ma Vịnh Thái Lan δn (m) δVn (m/s) δn (m) δVn (m/s) δn (m) δVn (m/s) δn (m) δVn (m/s) 25 30 50 60 100 120 200 240 500 600 1000 1199 28 55 111 222 554 1109 0,07 0,14 0,28 0,56 1,39 2,78 29 58 115 231 577 1155 0,06 0,12 0,24 0,47 1,19 2,37 28 55 110 221 552 1104 0,07 0,14 0,28 0,57 1,42 2,83 29 58 115 230 576 1152 0,06 0,12 0,24 0,48 1,20 2,39 (m/s) 0,05 0,11 0,21 0,43 1,07 2,13 Hồng Sa Biển Đơng Móng Cái δL (m) δn (m) δVn 4.5 Kết luận chương Các thông số quỹ đạo ban đầu điểm cắt lực đẩy (vận tốc, góc đường bay, độ cao) có ảnh hưởng quan trọng đến quỹ đạo chuyển động bay tự tên lửa đạn đạo, gây sai số xuống tầm sai số chéo tầm vị trí điểm trở lại mục tiêu, từ ảnh hưởng đến việc tiếp cận mục tiêu Trái đất tên lửa Sai số thông số ban đầu điểm cắt lực đẩy gần tỷ lệ thuận với sai số xuống tầm, sai số chéo tầm tỷ lệ nghịch với khoảng cách tầm Sai số vị trí điểm cắt lực đẩy theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo gây sai số chéo tầm điểm trở lại mục tiêu không lớn 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 1.1 Dữ liệu trọng trường Trái đất có ảnh hưởng đáng kể đến quỹ đạo bay tự tên lửa đạn đạo gây sai số xuống tầm hướng gần tỷ lệ thuận với khoảng cách từ điểm cắt lực đẩy đến điểm trở lại mục tiêu Ảnh hưởng lớn điểm trở lại mục tiêu có độ vĩ cao thay đổi phụ thuộc vào hướng bắn Ảnh hưởng trọng trường từ mô hình EGM96, EGM2008, GOCE04S với bậc hệ số điều hòa Khi sử dụng hệ số điều hịa trọng trường đến bậc 50 độ hội tụ tầm xa tên lửa không 1m Trong tính tốn cần sử dụng hệ số điều hòa đến bậc 50 đáp ứng yêu cầu phạm vi lãnh thổ Việt Nam 1.2.Chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis có ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo Khi quỹ đạo có hướng lệch lớn so với hướng Bắc - Nam ảnh hưởng lớn 1.3 Các thông số quỹ đạo ban đầu điểm cắt lực đẩy (vận tốc, góc đường bay, độ cao) có ảnh hưởng quan trọng đến quỹ đạo bay tự tên lửa, gây sai số xuống tầm sai số chéo tầm vị trí điểm trở lại mục tiêu, từ ảnh hưởng đến việc tiếp cận mục tiêu Trái đất tên lửa Sai số thông số ban đầu điểm cắt lực đẩy gần tỷ lệ thuận với sai số xuống tầm, sai số chéo tầm tỷ lệ nghịch với khoảng cách tầm 1.4 Sai số vị trí điểm cắt lực đẩy theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo gây sai số chéo tầm điểm cuối quỹ đạo bay tự đại lượng khơng lớn Khoảng cách tầm tính mặt cầu mặt ellipsoid hướng có sai lệch lớn (hàng trăm mét) so sánh độ lệch tầm hai trường hợp phạm vi lãnh thổ Việt Nam sai lệch không đáng kể (cỡ m) 24 1.5 Yêu cầu liệu trọng trường yếu tố trắc địa đảm bảo định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo phạm vi lãnh thổ Việt Nam sau: 1) Về liệu trọng trường: Chỉ cần sử dụng mơ hình trọng trường EGM96, EGM2008 GOCE04S với hệ số điều hòa đến bậc 50 đủ đáp ứng yêu cầu; 2) Về yếu tố trắc địa: Việc tính tốn yếu tố trắc địa đảm bảo cho toán định vị, dẫn đường tên lửa đạn đạo hồn tồn thực Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm với mơ hình Trái đất cầu Sai số vị trí điểm cắt lực đẩy theo phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo cần phải đảm bảo không lớn bán kính vịng trịn sai số xác suất điểm cuối quỹ đạo bay tự (điểm trở lại mục tiêu) Do vậy, để nâng cao độ xác mục tiêu tên lửa đạn đạo cần sử dụng hệ thống định vị quán tính INS hệ thống tích hợp INS/GNSS để dẫn đường cho tên lửa đạn đạo; 3) Ngồi ra, q trình định vị dẫn đường cho tên lửa đạn đạo thiết phải tính tốn hiệu chỉnh yếu tố ảnh hưởng chuyển động quay Trái đất hiệu ứng Coriolis đến quỹ đạo chuyển động Kiến nghị Trên sở kết đạt được, kiến nghị vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu sau: 2.1 Nghiên cứu yếu tố khác ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo như: sức cản khơng khí, áp suất khí động học, lực điện từ, gió,… để đảm bảo cho việc dự đốn, phân tích quỹ đạo chuyển động tên lửa chuẩn xác hơn, phù hợp với ý đồ tác chiến tương lai; 2.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn phóng giai đoạn trở lại mục tiêu để nâng cao độ xác định vị, dẫn đường cho tên lửa đạn đạo 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN Hoàng Minh Ngọc, (2002), "Ảnh hưởng góc xoay Euler đến kết tính hiệu độ cao trắc địa từ trị đo GPS khoảng cạnh dài", Tạp chí Trắc địa Bản đồ/Hội Trắc địa -Bản đồ Viễn Thám Việt Nam (số 2), tr 30-34 Phạm Hoàng Lân, Hoàng Minh Ngọc, (2004), "Đánh giá độ xác hiệu độ cao geoid theo hệ số triển khai điều hòa trọng trường Trái đất", Tạp chí Các khoa học Trái đất/ Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam (số 3), tr 82 - 85 Hoàng Minh Ngọc, (2013), "Hệ thống dẫn đường quán tính điều khiển quỹ đạo vật thể bay", Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ Địa chất/Trường Đại học Mỏ - Địa chất (số 41), tr 80- 84 Hoàng Minh Ngọc, (2015), "Quỹ đạo chuyển động sai số định vị dẫn đường tên lửa đạn đao", Tạp chí Khoa học Quân sự/ Trung tâm Thơng tin khoa học qn sự/ Bộ Quốc phịng (số 06), tr 46 - 51 Hoàng Minh Ngọc, (2015), "Ảnh hưởng liệu trọng trường Trái đất đến quỹ đạo chuyển động tên lửa đạn đạo giai đoạn bay tự do", Tạp chí Khoa học Quân sự/ Trung tâm Thông tin khoa học quân sự/ Bộ Quốc phòng (số 10), tr 63-67