معرفی سیستم ناوبری هواپیما IRS

سیستم ناوبری هواپیما IRS

سیستم ناوبری هواپیما (IRS (Inertial Reference System مخفف سیستم مرجع اینرسی که یک نوعی از سیستم ناوبری است که در هواپیما استفاده می‌شود و اطلاعات دقیقی در مورد موقعیت، وضعیت و سرعت هواپیما ارایه می دهد. IRS از شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها استفاده می‌کند که برای اندازه‌گیری شتاب هواپیما و جهت و سپس ترکیب این اطلاعات با یک مدل اینرسی حرکت هواپیما جهت محاسبه موقعیت و سرعت هواپیما.

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

چگونگی پیدایش سیستم ناوبری

با افزایش ذوق انسان برای یافتن مکان‌های جدید برای زندگی سفرهای خشکی انسان نیز گسترده تر شد و شجاعت زندگی در مناطق ناشناخته در دل انسان جان تازه‌ای گرفت. با پیشرفت تکنولوژی و اختراع هواپیما باب جدیدی از نیاز به ناوبری و جهت‌یابی به روی انسان باز شد. علم و تجربه‌های فراوان سفرهای دریایی زمینه خوبی برای پیشرفت سریع‌تر تکنولوژی های ناوبری هوایی را فراهم ساخت تا بشر با اختراع هواپیما ماجراجویی‌های خود را در آسمان نیز آغاز کند.

ناوبری در آسمان نیز همانند ناوبری و جهت‌یابی بر روی دریا چالش برانگیز بود. به همین منظور خلبانان برای پرواز همچنان وابسته به زمین بودند و عوارض زمینی مشخص و یا شهرها دریاچه‌ها و یا حتی بعضی از کارخانه‌ها را به عنوان نقطه نشان برای ناوبری و جهت‌یابی استفاده می‌کردند.

در کنار این نشانگرهای زمینی در داخل هواپیما نیز تجهیزات ناوبری در حال پیشرفت بود و باعث شد راه و روش‌های ناوبری به دو تقسیم شوند. روش اول که وابسته به زمین بود و خلبان با نگاه کردن به زمین مسیر خود را پیدا می‌کرد. روش دوم روشی است که خلبان تنها با استفاده از تجهیزات داخل هواپیمای خود ناوبری و جهت یابی می کرد.

با گذشت زمان و افزایش نیاز به پرواز، لازم شد تا خلبانان در شب هم اقدام به انجام پرواز کنند. پرواز در شب در ابتدا برای خلبانان بسیار چالش برانگیز بود. چرا که هنوز سیستم‌های ناوبری مستقل در داخل هواپیما به اندازه‌ای پیشرفت نکرده بودند که نیاز خلبانان از نگاه کردن به زمین زیر پایشان را به صفر برساند.

از این رو در مسیر پرواز آنها بر روی خانه‌ها بشکه‌های بزرگی را از آتش ترتیب روشن می‌کردند تا خلبانان بتوانند مسیر خود را در شب پیدا کنند. با پیشرفت علم و تکنولوژی نیاز به ناوبری از طریق دنبال کردن نشانه‌ها بر روی زمین کاهش یافت تا در هواپیما های مدرن امروزی به صفر رسید.

آموزشگاه هوانوردی اویواسکای اولین آکادمی آنلاین آموزش خلبانی ایران 

تعریف سیستم ناوبری

ناوبری به صورت کلی عبارت است از حرکت از نقطه‌ای مشخص به نقطه‌ی مشخص دیگر توسط مسیریابی و جهت‌یابی. در هواپیماهای امروزی وابستگی جهت ناوبری به زمین از بین رفت. حتی سیستم‌های ناوبری وابسته به ماهواره‌ها در بیرون زمین شدند. سیستم‌های جدید ناوبری مستقل در هواپیما بدون نیاز به حتی ارتباط با زمین، یک هواپیما را چندین هزار کیلومتر جا به جا کنند.

پیشرفت‌های امروز سیستم‌های ناوبری مدیون تلاش‌ها و تجارب مهندسین، ملوانان و خلبانانی است که روزها و شب‌های خود را در میان دریاها و آسمان‌ها، در روزها و شب‌های تاریک طی کردند تا مسافران و خدمه خود را به سلامت به مقصد برسانند.

در ادامه به ترتیب در مقالات مختلف به صورت تخصصی برای علاقه مندان به این گونه مباحث، ناوبری را از صفر تا صد آن بررسی خواهیم کرد. در این مقالات به بررسی سیستم ناوبری IRS، روند پیشرفت آن و کاربردهای هریک از تجهیزات ناوبری خواهیم پرداخت.

سیستم ناوبری هواپیما IRS چیست؟

سیستم ناوبری هواپیما IRS برای ارایه ناوبری دقیق حتی در غیاب مراجع خارجی مانند GPS طراحی شده است که آن را تبدیل به بخشی ضروری از سیستم مدیریت پرواز هواپیما می کند. IRS معمولا از سه محور شتاب‌سنج و سه محور ژیروسکوپ تشکیل شده است که با هم کار می کنند.
سیستم مرجع اینرسی از اجزای ضروری هواپیماهای مدرن است که اطلاعات ناوبری دقیق (precise & accurate) زمانی که وسایل کمک ناوبری سنتی مانند ابزارهای هواشناسی در دسترس نیستند ارایه می دهد.

IRS یک نقش حیاتی در جنبه‌های مختلف کنترل پرواز و ناوبری، شامل تعیین وضعیت هواپیما، به عنوان مرجع heading و pitch ،کنترل headingو راهنمای اتوفلایت دارد. در هواپبماهای نظامی مدرن مانند F35 و همچنین هواپیماهای تجاری مدرن مانند ۷۸۷ دریم لاینر در طول پرواز معمولی و سناریوهای غیرمعمول مانند انحراف یا موقعیت‌های ارتباطی از دست رفته مانند نقص در سیستم ارتباطی هواپیما یا اختلال در کانال ارتباطی بین کنترل ترافیک هوایی و هواپیما رخ می دهد.

مثلا هواپیماهایی که در مناطق دور افتاده پرواز می‌کنند که پوشش ارتباطی محدود است یا وجود ندارد یا مشکلات فنی در سیستم ارتباطی که باعث آفلاین شدن سیستم یا تداخل می شود یا اختلال به دلیل شرایط آب و هوایی بد یا تداخل الکترومغناطیسی می‌تواند به عنوان یک سیستم پشتیبان عمل کند.

تاریخچه سیستم ناوبری IRS

تاریخچه IRS به نیمه‌های قرن بیستم در طول دوران توسعه سیستم‌های اتوپایلوت برای هواپیما باز می‌گردد. IRS در ابتدا به عنوان جایگزینی برای سیستم های جایروسکوپی مرسوم توسعه یافت. اولین کاربرد آن در دهه‌های ۱۹۶۰ و۱۹۷۰ میلادی در هواپیماهای تجاری بزرگ مثل بویینگ ۷۰۷ و ۷۴۷بود.

این سیستم‌های اولیه IRS مبتنی بر strap down بودند که از شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌های نصب شده بر روی یک پلتفرم ثابت برای اندازه‌گیری استفاده می‌کردند. با این حال توسعه IRS به دلیل محدودیت‌های فناوری و مسایل مربوط به قابلیت اطمینان با مشکل مواجه شد. در دهه های ۱۹۸۰ و ۹۰ میلادی، با پیشرفت در میکروالکترونیک و توسعه سیستم های ناوبری شاهد تجدید حیات بود.

در دهه‌های اخیر تکنولوژی سنسورها و شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها پیشرفت‌های زیادی کرده و به لحاظ دقت و پایداری بهتر شده است. روش‌های رفع خطاها بهتر شده و سیستم‌ها با هم ادغام شده اند. از نظر روند بازار تقاضای فزاینده‌ای برای سیستم‌های IRS در صنعت هوانوردی به دلیل توانایی آن در ارایه اطلاعات ناوبری دقیق و بهبود مدیریت ترافیک هوایی وجود دارد.

اصول عملکرد سیستم ناوبری هواپیما IRS

اصول عملکرد IRS حول اندازه‌گیری حرکت خطی و چرخشی هواپیما به ترتیب با استفاده از شتاب‌سنج و ژیروسکوپ استوار است. داده‌های شتاب در سه محور متعامد اندازه‌گیری شده و با استفاده از اصول فیزیک نیوتنی برای تخمین سرعت و موقعیت هواپیما یکپارچه شده‌اند.
داده های ژیروسکوپی برای اندازه‌گیری جهت و زاویه حمله هواپیما درسه محور متعامد استفاده می‌شود، که سپس برای تخمین وضعیت فعلی و جهت هواپیما یکپارچه می شود. IRS این داده‌ها را با یک مدل ریاضی داخلی از سینماتیک هواپیما ترکیب می‌کند تا موقعیت، سرعت و وضعیت آن را در زمان واقعی محاسبه کند.
بررسی عملکرد یک IRS معمولا با شاخص‌هایی مثل دقت، قابلیت اطمینان و استحکام آن بررسی می شود. از آنجایی که IRS به اندازه‌گیری‌های داخلی متکی است. در برابر اختلالات خارجی مانند پارازیت یا تداخل مصون است. دقت IRS منوط به تجمع خطا است که می‌تواند منجر به تغییر در تخمین موقعیت و وضعیت در طول زمان شود.
با این حال، سیستم‌های IRS مدرن از چندین تکنیک تصحیح خطا مانند فیلترهای کالمن استفاده می‌کنند تا این رانش را به حداقل برسانند. محدودیت‌های IRS عمدتا به اتکای آن به اندازه‌گیری داخلی و طول عمر محدود قطعاتی مانند شتاب‌سنج و ژیروسکوپ مربوط می‌شود.

اجزای سیستم ناوبری هواپیما IRS

اجزای سیستم مرجع اینرسی( IRS) معمولا عبارتند از:

1. شتاب‌سنج‌ها: شتاب خطی هواپیما را در سه محور متعامد اندازه‌گیری می‌کنند.
2. ژیروسکوپ‌ها: این ژیروسکوپ‌ها حرکت چرخشی هواپیما را در سه محور متعامد اندازه‌گیری می‌کنند.
3. کامپیوتر: موقعیت، سرعت و وضعیت هواپیما را محاسبه می‌کند.
4. سنسورها: سنسورهای دیگری مانند مغناطیس سنج‌ها و سنسورهای فشار نیز ممکن است برای ارایه اطلاعات اضافی گنجانده شوند. از نظر معماری، IRS معمولا از یک مبدل شتاب به دیجیتال (ADC) و یک واحد پردازش دیجیتال (DPU) تشکیل شده است.

کاربردهای سیستم ناوبری هواپیما IRS

IRS کاربرد های متعددی در مراحل مختلف پرواز هواپیما دارد:

1. Take off & Landing: IRS برای ارایه اطلاعات در مورد وضعیت، سرعت و ارتفاع هواپیما در هنگام برخاستن و فرود استفاده می‌شود که برای عملیات ایمن و کارآمد بسیار مهم است.
2. Enroute Flight: IRS اطلاعات بی‌درنگ درباره موقعیت، سرعت و وضعیت هواپیما ارایه می‌کند و به خلبانان اجازه می‌دهد تا پیشرفت پرواز را هدایت و نظارت کنند.
3. Approach & Descent: IRS با ارایه اطلاعات دقیق وضعیت و فرمان به سیستم خلبان خودکار به مراحل نزدیک شدن و فرود دقیق کمک می‌کند.

مقررات و استانداردهای IRS

مقررات و استانداردهای متعددی در رابطه با استفاده از IRS در هوانوردی وجود دارد. برخی از استانداردهای کلیدی عبارتند از:

1. FAA FAR PART25: این مقررات استانداردهای اولیه برای هوانوردی غیرنظامی است و برای هواپیماهای تجاری و مسافری اعمال می‌شود و الزامات عملکرد سیستم‌های حیاتی ایمنی، از جمله IRS را تعریف می‌کند.
2. RTCA DO-178B/C: این‌ها مجموعه‌ای از استانداردهای نرم افزاری برای سیستم‌های هوانوردی است و الزامات صدور گواهینامه را برای سیستم‌های مدیریت پرواز (FMS) و IRS تعریف می‌کند.
3. EUROCAE ED-155: این استاندارد الزامات عملکرد را برای IRS مورد استفاده در هوانوردی تجاری تعریف می‌کند.

تفاوت سیستم ناوبری هواپیما IRS و INS

تفاوت اصلی بین سیستم ناوبری هواپیما INS و IRS تعداد و نوع سنسورهایی است که استفاده می‌کنند. سیستم‌های INS معمولا از شتاب‌سنج‌ها، ژیروسکوپ‌های سرعت و سایر حسگرها برای اندازه گیری داده های شتاب، نرخ زاویه ای و میدان مغناطیسی تشکیل شده اند.

از سوی دیگر، IRS از تمام سنسورهای مورد استفاده در INS استفاده می کند، اما ممکن است شامل سنسورهای اضافی مانند مغناطیس سنج ، سنسور فشار و گیرنده GPS نیز باشد تا دقت و قابلیت اطمینان را با اصلاح خطاها بهبود بخشد. سیستم های IRS همچنین ممکن است داده ها را از منابع خارجی، مانند سیستم های کمک ناوبری زمینی، یکپارچه کنند تا اطلاعات موقعیت و ناوبری دقیق تری را ارایه دهند.