مقدمه ای بر ناوبری در پرنده های بی سر نشین ( UAV )

[misalu2001 361]

[b]مقدمه ای بر ناوبری در پرنده های بی سر نشین ( UAV )[/b]

بر آن شدم به حد توان در مورد ناوبری در پرندههای بی سرنشین خدمت اساتیدم درس پس دهم. مبحث ناوبری یکی از گلوگاهای مهم در پهپاد ها ست و این مهم در پنج شش سال اخیر شدیدا رشد کرده که دلایل این رشد را در ادامه خواهید دید. ابتدا مرور مختصری بر طرق معمول در ناوبری داشته باشیم تا در ادامه در خصوص خود پرنده های بدون سرنشین به صورت خاص بحث ادامه پیدا کند:[list=1]
[*]ناوبری اینرسیایی
[*]ناوبری ماهواره ای
[*]ناوبری بر اساس شناسایی عوارض زمین
[*]ناوبری بر اساس صور فلکی و ستارگان
[*]ناوبری بر اساس beam riding یا پرتو سواری
[*]روشهای دیگر
[/list]
1.ناوبری اینرسیایی یکی از ارکان ناوبری است و بر این اساس بنا شده که با اندازه گیری شتاب و ممان و کلا نیروهای وارد بر جسم ما مطابق با قوانین نیوتون میتوانیم موقعیت جسم را با حل معادله دیفرانسیل معروف شتاب-مکان به دست آوریم. پس این نوع ناوبری یک مزیت خارق العاده دارد و آن غیر قابل اختلال بودن آن است چون وابسته به هیچ عامل خارجی نیست و قوانین نیوتون هم غیر قابل تغییر است. وسایل مربوط به اندازه گیری شتاب و حرکت زاویه ای را به اختصار IMU می گویند (inertial measurement unit) و شامل شتاب سنج و ژیروسکوپ می شود. معمولا یک عضو دیگر هم دارد که از نظر تعریف اینرسیایی نیست ولی به علت سابقه تاریخی حضورش در کنار این مجموعه، رسم شده که قطب نما هم جزو این مجموعه قرار بگیرد. این سه عضو تقریبا در همه ناوبری ها در کنار هم هستند به جز ناوبری زیر دریا و ناوبری زیر زمین و ناوبری خارج جو.ایراد اصلی این ناوبری در حل معادله دیفرانسیل نیوتون است که منجر به انتگرال گیری از شتاب و ... برای رسیدن به موقعیت میشود. این انتگرال گیری یعنی اگر خطایی در لحظه ای در اندازه گیری شتاب و... به وجود آید ، در تمام لحظات آینده هم درون انتگرال موجود خواهد بود. از آنجا که دقیقترین ابزار دقیق هم خطایی در اندازه گیری دارند در دراز مدت این خطا ها تل انبار شده و دقت کلی ناوبری اینرسیایی را بدتر و بدتر می کنند. به این روش استفاده صرف از ناوبری اینرسیایی (dead reconing) می گویند. این روش در کوتاه مدت می تواند خیلی دقیق هم باشد و مورد استفاده زیادی در موشکهای زمین به زمین تاکتیکی دارد.

2.ناوبری ماهواره ای با استفاده از موقعیت یاب ماهواره ای صورت می گیرد. مانند جی پی اس و گلوناس و گالیله. در این روش چندین ماهواره باید در خط دید گیرنده باشند (حد اقل 4 ) و روش معمول این است که این ماهواره ها با ساعتهای فوق دقیقی که دارند یک سیگنال رمز شده (در حالت نظامی) یا رمز نشده ای (در کاربری عمومی) را در همگامی دقیق با هم منتشر می کنند. این سیگنالها بنا به فاصله گیرنده با فرستنده با تاخیر متفاوت به گیرنده می رسد. گیرنده از اختلاف زمانی رسیدن سیگنال استفاده کرده فاصله خود را با این ماهواره ها بدست می آورد و با یک محاسبه هندسی به موقعیت خود نسبت دست پیدا می کند. در این روش چون هیچ انتگرالی در کار نیست دقت با زمان تغییر نمی کند و یک واریانس مشخصی خواهد داشت. در کاربرد عمومی دقت به عمد کمتر از حد اکثر دقت قابل حصول شده. این عمل با دقیقا همگام نفرستادن سیگنال انجام شده. در مورد نظامی سیگنالها دقیقا همگام فرستاده شده ولی رمز گشایی لازم دارد. (این رمز یک رمز خیلی حساس برای آمریکا محسوب می شود چون در هنگام حمله به جایی، سیگنال نظامی را قطع نمی کند و در صورتی که دشمن از این رمز مطلع باشد عملا از جی پی اس دقیق خود آمریکا بر علیه نیرو هایش می تواند استفاده کند)
این ناوبری در کنار دقت عالی، یک ایراد اساسی دارد و آن متکی بودن به سیگنال از خارج است که این باعث می شود بتوان آن را دچار اختلال کرد. با این وجود به دلیل ارزانی گیرنده و دقت خوب در تقریبا تمام کشتی ها و هواپیماها چه با سرنشین چه بی سرنشین موجود می باشد.


3.ناوبری بر اساس شناسایی عوارض زمین به دو صورت انجام می شود. یکی تصویر برداری راداری است که در همه شرایط آب و هوایی ممکن است ولی موقعیت پرنده را لو می دهد و یکی تصویر برداری معمولی است که فقط در روز و در شرایط مطلوب آب و هوایی مقدور است. نوع اول معمولا در فاز ترمینال موشکهای بالستیک دقیق مثل پرشینگ استفاده می شود . نوع دوم معمولا در موشکهای کروز و پهپاد مورد استفاده است. این نوع ناوبری دقت متوسط دارد و به تنهایی در مناطقی که عوارض طبیعی کم داند مناسب نیست. اما به علت غیر قابل تداخل بودن محبوبیت دارد.


4.ناوبری بر اساس ستارگان بیشتر در زمان جنگ سرد خیلی طرفدار داشت و مانند ناخدایان باستان با اندازه گیری زوایای ستارگان موقعیت تقریبی را به دست می آورد. علت محبوبیت او این بود که دو ابر قدرت می خواستند صلاحی داشته باشند که اگر دیگری دنیا را کاملا نابود کرد و هیچ چیز هم باقی نگذاشت باز کارایی داشته باشد و به آنها امکان انتقام! بدهد. بنابر این زیر دریایی های اتمی ساختند که در اعماق نا مشخص اقیانوسها ساکت و مودب منتظر پایان دنیا بود تا وقتی جهان نابود شد (حد اقل نصف خوبش به عقیده آنها) روی آب آمده موشک خود را شلیک کنند. به همین دلیل از این نوع ناوبری برای موشکهای اتمی این زیر دریایی ها استفاده می شد تا مثلا حوالی مسکو که رسید منفجر شود و خیلی دقت در این ناوبری نیست ولی اگر منتظر بمانی تا هوا مهتابی شود (اگر موشک بالستیک باشد که نیاز به صبر هم ندارد و هر لحظه می شود شلیک کرد. موشکهای کروز به دلیل ارتفاع پایین پرواز نیاز به هوای صاف دارند) تقریبا هیچ راهی برای جم کردنش موجود نیست.


5.ناوبری بر اساس پرتو سواری در جنگ دوم جهانی به اوج خود رسید به این صورت که مثلا آلمانی ها دو باریکه راداری را میفرستادند تا رود لندن تلاقی کندو بمب افکنها خود را بین این دو باریکه نگه می داشتند و وقتی به هم می رسید بمب را می انداختند. یا مثلا یک باریکه لیزر را به هدف خود می تاباندند و موشک روی این پرتو هادی می رفت تا بخورد به هدف و ... این ناوبری به دلیل امکان تداخل و شناسایی شدن منبع امروزه صرفا در موشکهای برد کوتاه دقیق استفاده می شود.

6.روشهای دیگری هم هست که مثلا بر پایه فانوس دریایی و ... است که دیگر خیلی استفاده نمی شود. گرچه فانوس دریایی فکر کنم هنوز استفاده بشود.

در پرنده های بی سرنشین از مجموعه ای از اینها استفاده می شود که بنا بر اندازه و کاربرد فرق می کند. روشهای اصلی برای ناوبری پهپاد روش 1و2و3 هستند که در مورد چگونگی ترکیب شدن و جزییات فنی وچالشها درزیر در توضیحاتی عرض می شود واین سوالات، ستون بحث خواهند بود:[list=1]
[*]متد اینرسیایی دقیقا چه مکانیزمی دارد؟
[*]چرا از چند متد در کنار هم استفاده می شود؟
[*]چطور از چند متد در کنار هم استفاده می شود؟
[*]تاثیر اخلال کردن در هدایت ماهواره ای چیست؟
[*]ایران به ناوبری با ماهواره های کشور های دیگر اعتماد نداشته باشد، چکار می تواند بکند؟
[/list]
یک: متد اینرسیایی برپایه اندازه گیری این موارد در پرنده های بی سرنشین انجام می شود:
اندازه گیری شتاب سنج توسط شتابسنج های میکرونی الکترو مکانیکی (MEMS)
اندازه گیری سرعت زاویه ای توسط ژیروسکوپهای میکرونی الکترو مکانیکی (MEMS)
اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین و جهت آن توسط گوس متر یا مگنتومتر
اندازه گیری ارتفاع توسط سنسورهای فشار استاتیکی (بارومتر استاتیک)
اندازخ گیری سرعت نسبت به هوا توسط سنسورهای فشار دینامیکی (بارومتر پیتد)

همان طور که می دانید یک جسم صلب در فضا 6 درجه آزادی دارد. ما در اینجا 3 اندازه گیری برای هر محور در شتاب سنج و ژیزوسکوپ و گوس متر داشتیم که شد 9 تا و 2 تا هم توسط بارومترها داشتیم که شد روی هم 11 تا. پس این اندازه گیری ها همان طور که مشخص هم هست از هم مستقل نیستند. چرا چیزهایی که از هم مستقل نیستند را باز اندازه گیری کنیم؟ علت در کاهش خطا نهفته است. با این روش ما می توانیم با یک روشهایی که آماری هست و به تخمین پروسه های تصادفی بر می گرده، واریانس خطای تخمینمون رو از واریانس تک تک اندازه گیری ها کمتر کنیم اما اگر تنها متغیر های مستقل را اندازه می گرفتیم لاجرم واریانس داده ما همان واریانس ابزار می شد چون از روی هیچ کدام به دلیل مستقل بودنشان دیگری قابل تصحیح نمی بود. بحث تخمین و الگوریتمهای مختلف تخمین در این قسمت بسیار سنگین و در عین حال "با حال" است. پروفسور کالمن در این زمینه تحقیقات اساسی کرد و یکی از دلایل کشف فیلتر کالمن همین مساله ناوبری اینرسیایی بود و خوب است بدانید این فیلتر گره گشای بسیاری از مسایل صنعتی و نظامی شد. تحقیقات پروفسور کالمن روی این مبحث شروع شد که چطور سفینه روی ماه فرود بیاوریم (یعنی ناوبری را چطور تا مقصد با دقت لازم انجام دهیم). ایشان تخمین گری را ارایه کرد و اثبات کرد بهترین تخمین گر است. به این تخمین گر باز هم می رسیم و آنجا عرض خواهم کرد متد تخمین چگونه است.

دو: از چند متد به همان دلیل استفاده می شود که در مورد ناوبری اینرسیایی از چند متغیر وابسته استفاده شد. برای کاهش واریانس خطا. اگر اندازه گیری های ماهواره ای که خطایی دارند را در کنار اندازه گیری اینرسیایی که خطایی دارد قرار دهیم می شود تخمینی زد که از هردو دقیقتر باشد و این تخمین گر همان تخمین گر کالمن خواهد بود اگر بخواهیم به بهترین تخمین برسیم (البته شرط و شروط ریاضی از جمله استیشنری بودن نویز و گوسی بودن طیف توان نویز هم باید باشد که حالا ایشالا هست!)

سه: تخمین بهینه کالمن برای ترکیب تخمینها مورد استفاده قرار می گیرد. این ترکیب به شکل اعجاب برنگیزی قابل فهم است و تعبیر شهودی دارد! این فیلتر می گوید توان نویز در هر تخمینی بیشتر باشد، باید به آن کمتر وزن داد! به همین سادگی. برای هر مجموعه فرایند های تصادفی یک ماتریس کو واریانس قابل بیان است. این ماتریس یک تعریف ریاضی هم دارد اما من اینجا تعریف شهودیش رو عرض می کنم : در هر درایه ماتریس مقداری که دو پروسه با هم شباهت دارند قرار داده می شود. در واقع کو واریانس نشان دهنده شبیه بودن دو پروسه است. از روی این ماتریس کو واریانس یک ماتریس وزن به بدبختی به دست می آید که بهینه است. حال ما در هر بار تخمین، ملاک را تخمین قبلی قرار داده و تخمیت قبلی را با وزنهایی که به دست آمد با هر کدام از اندازه گیری ها آپدیت می کنیم. این میشه همان فیوژن فیوژنی که می گویند.

چهار: اگر اخلال در ناوبری ماهواره ای بکنیم، واریانس خطایش زیاد می شود و فیلتر کالمن تاثیر اندازه گیری آن را در آپدیت تخمین متناسبا کم می کند. یعنی هوا پیما عملا دیگر فقط بر ناوبری اینرسیایی تکیه خواهد داشت. بعضی دوستان فکر می کنند در این صورت دیگر هوا پیما هیچ نمی تواند ناوبری کند اما آنها از وجود تخمین گر بی اطلاعند. این تخمین گر الکی اینقدر معروف و پر کاربرد نیست. خلاصه در صورت اختلال ناوبری ماهواره ای این هوا پیما با تکیه بر ناوبری اینرسایی جلو خواهد رفت که این موجب می شود رفته رفته خطای تل انبار شده اصلاح نشود و به مرور ناوبری خطا دار تر و خطا دار تر می شود. حالا چقدر طول می کشد تا این خطا اینقدر زیاد شود که عملا مشکل ایجاد کند بر می گردد به دقت سنسورهای اینرسیایی. ممکن است 10 دقیقه ممکن است 10 ساعت! علت رشد پهپادهای کوچک هم همین بهتر شدن ادوات (MEMS) در چند سال گذشته است که ناوبری اینرسیایی را از ادوات مکانیکی صرف ربوده و اجازه داده پهپادها اینقدر شکوفا شوند و به راستی طی این چند سال تحول اساسی را تجربه کنند.

پنج: حالا ایران با آمریکا که رسما دشمنه، به روسیه هم خیلی اعتماد نیست. ایران به چه وسیله می تواند این خطای ناوبری اینرسیایی را در پهپادهایش کم کند؟ در این مورد راه حل کاملا خودکاری وجود ندارد و اگر یک پهپاد در یک بیابان صاف بدون هدایت ماهواره ای باشد دیر یا زود جای خود را در نقشه متفاوت با واقعیت تخمین خواهد زد و این تخمین رفته رفته بدتر هم می شود و هیچ راه تمام خودکاری هم ندارد. اما ایران از دو راه می تواند نتایج خوب (نه کاملا ایده آل، خوب) بگیرد و آن دو راه یکی استفاده از شناسایی عوارض طبیعی در هنگام وجود است و دیگری استفاده از اسگنالهای غیر ماهواره ای! یعنی چی؟ مثلا فرستنده تلویزیون یا رادیو با موبایل یا حتی برج مراقبت ناو، نشان دهنده مکان نسبی پرنده تا آن منبع است. اگر پرنده مختصات آنها را داشته باشد، دیگر گم نمی شود. وسط کویری که هیچ گونه منبع رادیویی وجود نداشته باشد هم ایران یک کلکی خواهد زد ولی با این روشها که ذکر شد پرنده گم می شود.



کلیه حقوق مال من است و سایت میلیتاری. کپی کردن با ذکر نام misalu یا میسالو و میلیتاری مجاز است.

[DeathStalker 3,165]

خیلی جالب بود بود! ممنون!

مخصوصا قسمت هدایت ستارگانش

انگار نابود کردن دنیا توی جنگ هسته ای براشون کافی نبوده که برای بعدش هم موشک مخصوص میساختن!!

[ronin313 2,000]

[right]عالي بود[/right]

[ronin313 2,000]

[right]در ضمن روشي كه ايران به كار ميگيره يه روش مبتني برا مكان يابي منطقه ايه و يه روش هم پراكسي بيسه...يعني پرنده موقعيتش رو نسبت به پرنده ديگري ميسنجه...داستانش جالبه[/right]