معرفی و بررسی سیستم ناوبری هواپیما INS

سیستم ناوبری هواپیما INS چیست؟

سیستم ناوبری هواپیما به صورت کلی شامل حرکت هواپیما از نقطه‌ای مشخص به نقطه‌ی مشخص دیگر توسط روش‌های مسیریابی و جهت‌یابی می‌باشد. سیستم ناوبری هواپیما INS مخفف سیستم ناوبری اینرسی است که نوعی سیستم ناوبری مستقل است. این سیستم شامل مجموعه ای از حسگرها از جمله شتابسنج‌ها و ژیروسکوپها برای تعیین موقعیت، سرعت و جهت هواپیما بدون نیاز به منابع خارجی مانند سیگنالهای رادیویی یا اجرام آسمانی استفاده میکند.

اگر علاقه‌مند به صنعت هوانوردی هستید دوره‌‌های آموزش هوانوردی اویواسکای را مشاهده نمایید.  

در هواپیماهای امروزی وابستگی جهت ناوبری به زمین از بین رفته است و حتی سیستم‌های ناوبری وابسته به ماهواره‌ها در بیرون زمین قرار دارند. سیستم‌های جدید ناوبری مستقل در هواپیما بدون نیاز به حتی ارتباط با زمین یک هواپیما را چندین هزار کیلومتر جابه‌جا می‌کنند.

INS با محاسبه موقعیت هواپیما کار می‌کند. روش کار آن به این صورت است که با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی و ادغام شتاب‌های حس‌شده توسط شتابسنج‌ها و چرخش‌های حس‌شده توسط ژیروسکوپ موقعیت هواپیما را تعیین می‌کند. مزیت اصلی INS توانایی آن در ارائه داده‌های ناوبری مداوم و دقیق بدون نیاز به سیگنال‌های خارجی مانند GPS است.

آموزشگاه هوانوردی اویواسکای اولین آکادمی آنلاین آموزش خلبانی ایران 

تاریخچه سیستم ناوبری هواپیما INS:

تاریخچه سیستم ناوبری اینرسی INS به اوایل قرن بیستم باز می‌گردد. در دهه‌های ۱۹۲۰و ۱۹۳۰، سیستم INS مکانیکی و الکترومکانیکی برای کاربردهای نظامی در طول جنگ جهانی دوم توسعه یافت. با این حال، با ظهور ریزپردازنده در دهه ۱۹۶۰ بود که INS به طور قابل توجهی دقیق و دقیق‌تر شد. در دهه‌های بعد، پیشرفت‌های ناوبری در مواد، محاسبات و حسگرهای ناوبری منجر به توسعه سریع INS برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله هوانوردی نظامی، اکتشاف فضایی و هوانوردی تجاری شده است.

مطلب پیشنهادی: رشته هوانوردی چیست؟

در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، توسعه سیستم ناوبری INS با معرفی ژیروسکوپ‌های لیزری حلقه‌ای که در برابر رانش‌های مکانیکی دقیق‌تر و ایمن‌تر بودند و سنسورهای شتاب سیستم‌های میکروالکترومکانیکی MEMS  که کوچکتر، سبک‌تر و مقرون به صرفه‌تر بودند، به پیشرفت خود ادامه داد. این پیشرفت‌ها منجر به توسعه INS مینیاتوری و میکرو برای استفاده در پهپادها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین UAV شد. در سال‌های اخیر، سیستم‌های INS با ادغام داده‌های سیستم موقعیت یابی جهانی GPS و سایر حسگرهای ناوبری بهبود یافته اند.

اصول عملکرد سیستم ناوبری هواپیما INS

اصول عملکرد INS بر ادغام شتاب‌ها و چرخش‌ها استوار است. این کار با استفاده از شتاب سنج‌ها انجام می‌شود که شتاب خطی را در سه جهت X,Y,Z اندازه‌گیری می‌کنند و ژیروسکوپ‌ها که چرخش را حول سه محور (pitch,roll,and yaw) اندازه‌گیری می‌کنند. این حسگرها داده‌های خام را با استفاده از اصول مکانیک نیوتنی والگوریتم‌های ریاضی مانند قانون ذوزنقه ای(Trapezodial Rule) برای تعیین موقعیت،سرعت و جهت‌گیری هواپیما در فضا ادغام و سپس ارایه می‌کنند.

این فرآیند به طور مداوم تکرار می‌شود و خطاهای انباشته شده با استفاده از روش های مختلف مانند محاسبه مرده (dead reckoning) و داده‌های سیستم موقعیت یاب جهانی GPS تصحیح می‌شوند. سپس سیگنال های یکپارچه به خلبان ها در کاکپیت نمایش داده می شوند.

مطالب مرتبط: دوره دیسپچری هواپیما چیست؟

انواع مدل‌های سیستم ناوبری هواپیما INS

• SDINS) strapdown INS):

در این نوع سیستم ناوبری، شتاب سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها بر روی یک پلتفرم صلب نصب می‌شوند و خروجی‌های آنها در زمان واقعی با استفاده از مدل‌های ریاضی پردازش می‌شوند تا موقعیت، سرعت و جهت هواپیما بدست آید. SDINS به طور گسترده در هوانوردی نظامی و تجاری استفاده می شود.

• PINS) Platform INS):

در این نوع سیستم ناوبری، از یک پلتفرم تصبیت شده برای جداسازی شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها از حرکات هواپیما استفاده می‌شود و اندازه گیری دقیق‌تری را ارایه می کند اما با هزینه و پیچیدگی بالاتر.

• Fiber optic/Ring Laser INS:

در این نوع سیستم ناوبری، از لیزرهای فیبرنوری یا حلقه‌ای به عنوان حسگرهای ژیروسکوپی استفاده می‌کنند که در مقایسه با ژیروسکوپ‌های سنتی دقیق‌تر و مصون‌تر از رانش های مکانیکی هستند.

• Micro-electro-mechanical system(MEMS)INS:

درنوع سیستم میکروالکترومکانیکی، از شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌هایی با اندازه میکرو استفاده می‌کنند که در ماژول‌های کوچک ادغام شده‌اند و آن‌ها را برای استفاده در وسایل نقلیه بدون سر‌نشین (پهپاد)، گلایدرهای بدون سرنشین و سایر کاربردها مناسب می سازد.

• Hybrid INS:

در این نوع، سیستم ناوبری INS را با سایر حسگرهای ناوبری مانند GPS ترکیب می‌کنند که به بهبود دقت کمک می‌کند.

انواع خطاهای سیستم ناوبری INS

INS می تواند در طول زمان به دلیل عوامل مختلفی مانند نویز حسگر، رانش ژیروسکوپی و بایاس شتاب سنج ،خطا داشته باشد.

1. Initial Alignment errorخطای تراز اولیه: این خطا زمانی رخ می‌دهد که INS برای اولین بار روشن می‌شود، زیرا موقعیت و سرعت اولیه هواپیما مشخص نیست.
2. خطای Drift: این خطا در طول زمان در نتیجه انباشته شدن خطاهای اندازه گیری در INS رخ می‌دهد.
3. خطای تصادفی: این خطاها به دلیل اختلال در حسگرهای INS یا به دلیل عوامل خارجی مانند تداخل الکترومغناطیسی (EMI) یا دمای بالا رخ می‌دهد.

روش های تصحیح خطاهای سیستم ناوبری هواپیما INS:

برای تصحیح این خطاها ،سیستم ناوبری INS معمولا از چندین روش استفاده می کند از جمله :

Dead Reckoning(DR) یا محاسبه مرده: در ناوبری، محاسبه مرده فرآیند محاسبه موقعیت فعلی یک جسم متحرک با استفاده از یک موقعیت ثابت از قبل تعیین شده و ترکیب تخمینهایی از سرعت ،جهت یا مسیر و زمان سپری شده است.این تکنیک فرض می کند که سرعت و جهت هواپیما در طی مسیر ثابت است و تخمین INS را براساس سرعت و جهت تخمینی هواپیما تصحیح می کند.

Kalman filtering: الگوریتمی است که از یک سری اندازه‌گیری‌های مشاهده شده در طول زمان، از جمله نویز آماری و سایر نواقص سیستم دینامیکی، استفاده می‌کند و تخمین‌هایی از متغیرهای ناشناخته را تولید می‌کند،این تکنیک از یک مدل آماری برای تخمین وضعیت و خطای INS استفاده می‌کند و به طور مداوم برآورد را بر اساس داده‌ها و اندازه‌گیری‌های جدید حسگر به روز می‌کند تا دقیق‌ترین تخمین را از وضعیت واقعی هواپیما ارایه دهد.

INS :External fixes می تواند از اطلاعات و منابع خارجی مانند داده‌های GPS برای تصحیح خطاها یا اصلاح تخمین‌های زده شده استفاده کند. این کار می‌تواند در ناوبری‌های طولانی مدت با کاهش خطاهای انباشته شده عملکرد INS را بهبود بخشد.

مطلب پیشنهادی: سیستم فرود ابزاری هواپیما ILS

محدودیت های سیستم ناوبری هواپیما INS:

در حالی که INS یک سیستم ناوبری بسیار دقیق و منظم است، در مقایسه با سایر سیستم‌های ناوبری مانند GPS وDoppler Navigation و celestial navigation دارای محدودیت‌ها و معایبی است، برخی از محدودیت‌های اصلی عبارتند از:

دقت اندازه‌گیری محدود در بلند مدت به دلیل انباشته شدن خطاها در طول زمان، حساسیت نشان دادن زیاد در صورت خرابی سنسور و اختلالات خارجی، توانایی محدود برای ارایه ناوبری در شرایط جوی نامساعد مانند مناطق با دید محدود یا زمانی که سیگنال GPS در دسترس نیست. در آینده پتانسیل زیادی برای توسعه و بهبود بیشتر INS وجود دارد.
برخی از زمینه های کلیدی که INS به طور فعال در حال تحقیق و توسعه است در زمینه افزایش دقت است که با ورود حسگرهای جدید وشتاب سنج‌هایی با حساسیت بالاتر و سطوح نویز کمتر ارتقا می‌یابد.
ادغام با سیستم‌های ناوبری جدید و قابلیت اطمینان و استحکام بهبود یافته به ویژه در محیط‌های سخت که حسگرهای سنتی ممکن است مشکلاتی را داشته باشند ادامه دارد.