فصل دوم
سیستمهای ناوبری
2-1- تعریف ناوبری (Navigation)
به طور خلاصه می توان گفت هدف از ناوبری یک هواپیمای بدون سرنشین هدایت هواپیما از یک نقطه مبدا به یک نقطه مقصد است به منظور هدایت هواپیما، خلبان در ایستگاه زمینی نیاز به اطلاعات مختلفی دارد، از جمله جهت هواپیما نسبت به شمال جغرافیایی، فاصله تا مقصد، طول و عرض جغرافیایی و زمان رسیدن به مقصد.
به منظور دستیابی به این اطلاعات با کمترین خطا چاره ای جز طراحی یک Link رادیویی وجود ندارد.
در قسمت بعد انواع سیستمهای رادیویی از حدوداً جنگ جهانی دوم تا این اواخر که بشر آنها را طراحی کرده آورده شده است.
2-2- انواع سیستم های ناوبری رادیویی
2-2-1- OMEGA
این سیستم ناوبری با برد بلند می باشد که از تکنیکی موسوم به هیپربولیک (Hyperbolic) جهت تعیین مختصات هواپیما استفاده می شود.
این سیستم براساس اندازه گیری تغییرات فاز روی فرکانس کار می کند فرکانس کار این سیستم
10-14KHZ می باشد و بعد از جنگ جهانی دوم هم پدید آمده است.
به خاطر این که روی فرکانس پایین کار می کند تمام نقاط کور یا چاله های زمینی را پوشش می دهد.
و دارای هشت ایستگاه فرستنده بر روی زمین می باشد ابتدا مصرف نظامی داشته و سپس مصارف تجاری آن نیز شروع شده است.
آخرین اطلاعات حاکی از آن است که امروزه نیز این سیستم ناوبری بصورت تمام وقت کار خود را ادامه می دهد.
اطلاعاتی که این سیستم برای خلبان فراهم می آورد عبارتند از:
1- تعیین موقعیت هواپیما به صورت مختصات طول و عرض جغرافیایی.
2- زاویه و مسافت هواپیما تا ده مقصد مختلف (Way Point)
3- مسیر واقعی پرواز (Cross Track)
4- زمان رسیدن به مقصد و سرعت هواپیما نسبت به زمین
5- اطلاعات مربوط به سمت و سرعت باد در پرواز.
2-2-2- DECGA
این سیستم نیز از تکنیک هیپربولیک (Hyperbolic) جهت تعیین مختصات هواپیما یا کشتی استفاده می کند.
ایستگاههای DECGA روی فرکانس 12-70 KHZ به صورت دائم کار می کنند ایستگاههای فرستنده زنجیروار آراسته شده اند که مرز زنجیر از یک ایستگاه اصلی (Master) با قابلیت عملکرد کنترلی و سه ایستگاه Slave که سیگنالهایشان با ایستگاه اصلی قفل فاز شده اند تشکیل شده است.
این سیستم انگلیسی است و طی جنگ جهانی دوم به وجود آمده است.
ابتدا جهت استفاده در کشتی ها و ناوهای جنگی طراحی و ساخته شده بود و بعدها مصارف هوایی نیز پیدا کرد.
اطلاعاتی که این سیستم در اختیار خلبان قرار می دهد عبارتند از:
1- تعیین موقعیت هواپیما به صورت مختصات طول و عرض جغرافیایی.
2- زاویه و مسافت هواپیما تا مقصد.
3- زمان رسیدن به مقصد و سرعت هواپیما نسبت به زمین.
2-2-3- LORAN : ( Lony ranye Navigation )
این سیستم دارای ایستگاههای اصلی ( Mastr ) و ثانویه ( Secondary )
است که پالسهایی با دوره تکرار 25 یا 30 در ثانیه ارسال می کنند که طول این پالسها 40 میکر ثانیه است گیرنده با دریافت این پالسها از دو ایستگاه ، موقعیت مکانی خود را به دست می آورد.
این سیستم روی فرکانس 10-14 KHZ کار می کند و تقریبا پوشش جهانی دارد.
2-2-4- ANF ( Automatic Diretion Finder )
در این روش ایستگاههای رادیویی وجود دارند که فرکانس امواج آنها 200 تا 2000 کیلو هرتز می باشد.
گیرنده با گرفتن این امواج جهت آن را ؟
می دهد و انسان را به سمت آن ایستگاه هدایت می کند.
2-2-5- VOR ( VHF Omni Ranye Beo Con )
فرستنده این سیستم روی فرکانس 112 تا 9/117 مگاهرتز کار می کند.
و دقت این سیستم از ADF بیشتر است.
گیرنده VOR جهت خود را تا فرستنده نسبت به شمال مغناطیسی پیدا می کند.
2-2-6-GPS ( Positioniog System Global )
سیستم GPS یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ایی است که اطلاعات دقیق پیوسته و جهانی و سه بعدی از موقعیت و سرعت را در اختیار کاربرانی که گیرنده GPS مناسبی در اختیار داشته باشند قرار می دهد.
بخش فضایی GPS شامل 24 ماهواره است که در 6 صفحه موازی با 4 ماهواره در هر مدار قرار گرفته اند.
در فصل چهارم این سمینار راجع به سیستم GPS و مبحث خطاها مفصل پرداخته خواهد شد.
2-3- محاسن ناوبری GPS به سیستمهای دیگر.
سیستم GPS به دلیل داشتن محاسن فوق العاده ای از قبیل دقت زیاد در مکان یابی و پوشش جهانی و قابلیت تعیین سرعت در سه محور و داشتن مینیمم خطای ممکن و غیره ، باعث گشته تا انتخاب اول برای هواپیماهای با سرنشین و بدون سرنشین و یا موشکهای دور برد باشد و حتی با گسترش امکانات این سیستم برای کاربران بسیاری از سیستم های ناوبری رادیویی که توضیح داده شد عملا از رده خارج شوند.
2-4- نگاهی به کاربردهای GPS : 2-4-1- کاربرد GPS/INS در هدایت هواپیماها: در طول پرواز به خاطر عوامل و یا عوامل مختلف دیگر ممکن است ارتباط گیرنده GPS با ماهواره ها قطع گردد و یا در کار سیستم GPS اختلال ایجاد شود در این صورت لازم است جهت جلوگیری از بروز حادثه و خارج شدن هواپیما از کنترل ، سیستم ناوبری کمکی وجود داشته باشد تا هدایت هواپیما را به عهده بگیرد و این کار تا جایی صورت گیرد که هواپیما بدون مشکلی به مبدأ بازگردد .
این سیستم ناوبری کمکی می تواند INS ( Intertial Navigation System ) باشد که در این سیستم از سنسورهای و جایروها و شتاب سنجهای داخلی جهت ناوبری اتوماتیک استفاده می کنند.
پس از تشخیص عدم عملکرد صحیح GPS توسط واحد کنترلی، ناوبری از طریق قطب نما انجام می گیرد و واحد کنترلی مسیر پروازی را از روی اطلاعات دریافتی از قطب نما پیدا می کند.
این کار بدین صورت انجام می کیرد که در لحظه ای که GPS قطع شد نرم افزار آخرین اطلاعات و ریتکال جایرو سایر سنسورها را دارد و با توجه به اینکه آخرین اطلاعات موقعیت هواپیما در لحظه قطع GPS در حافظه قرار دارد و اطلاعات موقعیت Way Point نیز در حافظه قرار داده شده و سرعت هواپیما نیز موجود می باشد زمان لازم جهت رسیدن به اولین Way Point بدست می آید.
در این زمان نرم افزار هواپیما را آنقدر اصلاح می کند تا هدینگ هواپیما در راستای مناسب قرار بگیرد و به اندازه زمان محاسبه شده در همین جهت ادامه مسیر دهد تا به اولین Way Point تا زمانی که GPS مجددا شروع به کار نماید انجام می گیرد و اگر در این مدت GPS شروع به کار نمود اطلاعات جدید دریافت شده و انحرافات بوجود آمده تا مسیر پروازی تصحیح می شود تا هواپیما بتواند مأموریت خود را انجام دهد در صورتی که هواپیما به اولین W ay Point برسدو GPS همچنان از عملکرد صحیح بازمانده باشد.
هواپیما عمل Homming را انجام می دهد و این بدین معنی است که هواپیما در همان ارتفاع و به وسیله قطب نما به سمت مبدأ تغییر مسیر داده و به ایستگاه کنترل زمینی باز می گردد.
لازم به توضیح است اگر در طی پرواز Homming ، GPS شروع به کار نماید هواپیما از حالت Homming خارج نشده و به پرواز در مسیر خود برای رسیدن به مبدأ ادامه می دهد.
از آنجاییکه INS بر اساس سنجش شتاب در سه راستای مختصاتی و سپس انتگرال گیری مجدد برای محاسبه موقعیت کار می کند.
به دلیل این انتگرال گیری ها خطای INS جمع شونده و افزایش یابنده است.
تنها می توان با به کار بردن جایروها و شتاب سنج های دقیق تر از نرخ این افزایش کاست ولی مسلما این روش به هزینه زیادمنجر می شود.
این در حالی است که خطای GPS تا حد زیادی اتفاقی است.
بنابراین ب ترکیب مناسب این دوسیستم می توان معایب هر دو را تا حد زیادی کاهش داد.
امروزه ناوبری هواپیماها با ترکیبی از INS و GPS انجام می شود و بدین صورت مقدارهای ثابت انتگرال گیری INS به طور ادواری به کمک نتایج GPS تصحیح می شود.
بنابراین با هر بار تصحیح ، خطای جمع شده INS تا آن لحظه صفر می شود .
به دلیل نرخ بالای تصحیح ( نوعا ) هیچ نیازی به INS های دقیق و گران نیست و بنابراین می توان از یک INS معمولی و ارزان برای ترکیب با GPS استفاده کرد.
این نوع ناوبری مخصوصا برای پروازهای طولانی که در آنها قسمت اعظم مسیر خارج از پوشش را دارهای زمینی انجام می شود که کارایی عالی دارد.
به طور مثال استفاده از GPS در ناوبری هواپیماهای اقیانوس پیما تا 10 % از هزینه سوخت آنها می کاهد.
2-4-2 ) کاربرد GPS در هدایت دریایی: در کشتی ها به دلیل سرعت نسبتا پایین حساسیتی نسبت به پیوسته نبودن نتایج GPS در محور زمان وجود ندارد.
علاوه براین به دلیل فقدان سوانح ؟
، مشکلات چند مسیر شدن سینگنال ماهواره و نیز ماسک شدن آن وجود ندارد.
پس GPS می تواند به تنهایی ناوبری کشتی ها را انجام دهد.
در این صورت باز هم در مسیرهای طولانی و اقیانوسی کشتی قادر خواهد بود مسیر خود را به دقت بپیماند و در زمان مسافرت و سوخت صرفه جویی کند.
2-4- 3- کاربرد GPS در تعیین زوایای وضعیتی وسایل نقلیه: با قراردادن چند گیرنده GPS در نقاط مختلف یک وسیله نقلیه مثل کشتی ، می‌توان در هر لحظه زوایه های بین محل این گیرنده ها را حساب کرد.
2- 4- 4- تعیین موقعیت ماهواره های کوچک با ارتفاع پایین دیگر برای مکان یابی این ماهواره ها نیازی به روشهای گران و پردردسر ردیابی و تعقیب زمینی نیست .
این ماهواره ها می توانند ماهواره های جاسوسی، هواشناسی یا نقشه برداری باشند که نتایج آنها بدون معلوم بودن مکان ماهواره ها در لحظه تهیه اطلاعات ارزش چندانی ندارد.
و تفسیر صحیح نتایج آنها ، منوط به تطبیق آنها برنقشه های جغرافیایی مسطح زمین است.
این ماهواره های می توانند از GPS برای تعیین و ثبت محل دقیق گرفتن هر کدام از عکس ها استفاده کنند.
2-4-5- کاربرد در نقشه برداری: یکی از کاربردهای مهم غیر نظامی GPS استفاده از آن در نقشه برداری است.
در سد سازی در معدن کاوی و راه سازی و غیره GPS می تواند هزینه های اجرایی طرح را تا حد زیادی کاهش دهد.
GPS با ایفای نقش در تهیه نقشه های بسیار دقیق برای سیستم های اطلاعات جغرافیایی ، سهم مهمی در مینیمم شدن طول جاده ها و مسیرها و تعیین دقیق محل معدن ها و غیره دارد.
علت استقبال از GPS در نقشه برداری این است که GPS بر خلاف سیستم های قبلی برای مکان یابی به جای روش داپلر سنجی از روش تداخل ؟
که بسیار دقیق تر است استفاده می کند.
GPS در تهیه نقشه های هوایی و جایابی دقیق عکس های هوایی نقش مهمی را ایفا می کند.
2- 4-6- کاربرد در مصارف نظامی: بیشترین کاربرد GPS در مصارف نظامی است .
به کمک GPS دیگر هیچ دسته نظامی در هیچ محیط جغرافیایی ناآشنا گم نمی شود.
در برخی از گیرنده های GPS ، می توان مسیر عملیاتی یک واحد را از قبل در حافظه دستگاه وارد کرده و حداکثر انحراف مجاز از مسیر را نیز مشخص کرد.
در این صورت خروج از دالان مجاز، هشدار می دهد.
با این روش می توان محل میدان های مین شناسایی شده را از قبل در حافظه دستگاه وارد کرد تا از هر گونه اشتباه مرگبار جلوگیری شود.
علاوه بر واحدهای زمینی، از موشکهای بالستیک گرفته تا هواپیماهای بدون سرنشین و تا بمبهای هوشمند، اهداف خود را با GPS سریع تر ، دقیق تر و ارزان تر پیدا می کنند.
2-4-7- کاربرد در مدیریت و کنترل ناوگانها : این ناوگان می تواند گشتی های اقیانوس پیمای یک شرکت حمل و نقل بین المللی، کامیونهای یک شرکت باربری زمینی، قطارها ، شبکه تاکسیرانی شهری، خودروهای گشت پلیس ، آمبولانس ها یا خودروهای آتش نشانی باشد.
کافی است واحد متحرک را به یک گیرنده GPS و یک کامپیوتر که در صفحه نمایش خود، مجموعه راههای ممکن را نشان می دهد مجهز کرد و سپس تمام واحدها را با یک شبکه داده به مرکز کنترل وصل کرد.
در این صورت مرکز کنترل همواره شمایی که کامل از وضعیت و موقعیت و آرایش کلیه واحدها خواهد داشت.
پیش بینی می شود در آینده نزدیک حتی خودروهای سواری هم به این تجهیزات مجهز شوند و بتوانند با هدایت صحیح توسط مرکزکنترل ترافیک، بهترین مسیر را در هر شرایطی انتخاب کنند.
و یا با دزدیده شدن خودرو توسط این سیتم مکان اختفای آن را کشف کرد.
2-4-8- کاربرد های زیست محیطی: به عنوان نمونه با بستن یک قلاده مجهز به GPS و یک فرستنده مناسب می توان مسیر مهاجرت دسته های پرندگان و سایر حیوانات را دقیقا و لحظه به لحظه پیگیری کرد.
همچنین در