مقدمه
بشر از گذشته های دور برای گم نکردن مسیر خود در سفرها به دنبال علامت و نشانه‌هایی از قبیل خورشید و ستاره ها و غیره بوده است.
که با رشد تکنولوژی، با اختراع هواپیماها و کشتی های اقیانوس پیما و موشکهای برد کوتاه و برد بلند و سایر ادوات دیگر وسایل قدیمی حتی قطب نما نیز دیگر برای این کار مناسب نبود. از این رو یکی از راههای تعیین مسیر و موقعیت مکانی استفاده از داده های ماهواره های GPS می باشد. این سیستم در تمام طول شبانه روز و تحت تمام شرایط آب وهوایی در خدمت کاربران واقع در تمام نقاط سطح کره زمین می باشد. از آنجا که گیرنده های GPS به صورت پسیو کار می کنند هیچ محدودیتی از نظر تعداد کاربران ندارند. GPS در هر نقطه جهان و در هر زمان به سه پرسش زمان- مکان و سرعت پاسخ دقیق و ارزان می دهد. برای انجام این عمل ماهواره ها همواره مشغول ارسال سیگنالهایی شامل کدهای فاصله سنجی و نیز پیام ناوبری برای کاربران هستند. کدهای فاصله سنجی گیرنده‌های GPS را قادر می سازد تا زمان انتشار سیگنال را اندازه بگیرد و بدین وسیله با توجه به معلوم بودن سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی فاصله بین کاربر تا ماهواره ها معلوم می شود. پیام داده های ناوبری گیرنده را قادر می سازد تا مکان هر کدام از ماهواره‌ها را در لحظه ارسال سیگنال محاسبه کند. سپس گیرنده با استفاده از این اطلاعات موقعیت خود را بدست می آورد.
فصل دوم
سیستم های 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.