بخشی از مقاله
چکیده :
بالا بردن امنیت پرواز و اتوماسیون، در هدایت و ناوبری پرنده های هدایت پذیر از راه دور، پهپاد ؛ UAV، در مسیرهای پروازی طولانی، مستلزم تعیین موقعیت مطلق پهپاد در چارچوب مختصاتی جهانی و در هر لحظه پرواز می باشد. بدین منظور استفاده از گیرنده های GPS در تعیین موقعیت مطلق پهپاد امری متداول و ضروری است. اما با توجه به اینکه گیرنده های GPS، ممکن است تحت تأثیر عواملی مانند سیگنالهای مزاحم، پدیده های اتمسفری، و نیز جنگ الکترونیک و یا خرابی خود گیرنده دچار اختلال و از کار افتادگی شوند، وجود سیستمی جایگزین که بتواند در مواقع اختلال GPS، موقعیت مطلق پهپاد را تعیین کند ضروری است.
از جمله روشهای جایگزین مورد استفاده برای تعیین موقعیت مطلق می توان به روش تناظریابی بین اطلاعات ارتفاعی اخذ شده از مسیر در حین پرواز و اطلاعات ارتفاعی موجود مانند DEM، استفاده از اطلاعات تصویری اخذ شده از مسیر پرواز و تناظریابی بین این تصاویر و تصاویر زمین مرجع موجود از مسیر پرواز و روشهای نجومی تعیین موقعیت مطلق، مبتنی بر تصویر برداری از ستاره ها، اشاره کرد. روش استفاده از اطلاعات ارتفاعی در مناطق دارای تغییرات ارتفاعی نتایج بهتری ارائه می دهد و بسته به روش اخذ اطلاعات ارتفاعی، می تواند در تمام شبانه روز انجام شود. روش استفاده از اطلاعات تصویری در هنگام روز قابل انجام می باشد.
روش نجومی نیز در شب هنگام و در هوای بدون ابر امکانپذیر است. در این مقاله روشهای تعیین موقعیت مطلق مبتنی بر تصاویر اخذ شده از مسیر پرواز بررسیس شده و مزایا و معایب هر روش بیان و مشکل کلی موجود در همه این روشها نیز که کارآیی این روشها را محدود می نماید مورد بحث قرار گرفته است. با توجه به معایب و مزایای هر روش، استفاده از روشهای ترکیبی برای غلبه بر محدودیتهای هر روش پیشنهاد می گردد.
-1 مقدمه
امروزه با توجه به پیشرفت تکنولوژی، استفاده از پهپادها - تجهیزات پرنده بدون سرنشین و هدایت پذیر از راه دور - ، UAV1 ها، در بخش غیر نظامی رو به گسترش بوده و از این تجهیزات برای مقاصد مختلف مانند پایش و تهیه نقشه استفاده می شود. هدایت و ناوبری این پرنده ها بصورت کنترل از راه دور و توسط یک خلبان انسانی از روی زمین و یا بصورت خودکار و توسط کامپیوترهای مستقر بر روی پهپاد و با استفاده از سنسورهای مختلف ناوبری مانند [1] GPS2/INS3 و میکرو پروسسورها و امکانات هوش مصنوعی مستقر بر روی پهپاد انجام می شود .
[2] منظور از ناوبری فرآیند نظارت و کنترل حرکت یک وسیله متحرک و تعیین مسیر حرکت مناسب و ایمن بین دو نقطه شروع و پایان حرکت از طریق تعیین سه مؤلفه موقعیت و سه مؤلفه سرعت متحرک می باشد 3]، .[4 سه مؤلفه موقعیت و سه مؤلفه سرعت متحرک که با هم یک بردار شش مؤلفه ای به نام بردار وضعیت4 را ایجاد می کنند که اندازه گیری آن مستلزم تعریف یک چارچوب مختصاتی ناوبری می باشد .[5] همچنین موقعیت، سرعت و وضعیت - زوایای دوران - نیز بردار وضعیت ناوبری نامیده می شوند .
[6] لیست کامل پارامترهای بردار وضعیت، دوازده پارامتر شامل سه پارامتر موقعیت، سه پارامتر سرعت خطی، سه پارامتر زاویه ای وضعیت5 و سه پارامتر سرعتهای زاویه ای پهپاد می باشد که بایستی با نرخ مناسب و به صورت آنی محاسبه شوند 7]، .[8 در صورتی که محاسبات در روی خود وسیله متحرک انجام شود به این عملیات ناوبری گفته می شود و در صورتی که محاسبات خارج از وسیله متحرک صورت گیرد این فرآیند، پایش و مراقبت 6 یا تعیین موقعیت نامیده می شود [5] که در این مقاله منظور از ناوبری همان تعیین بردار وضعیت ناوبری در روی متحرک می باشد.
سیستمهای تعیین موقعیت به دو دسته تعیین موقعیت مطلق - Fixing - و تعیین موقعیت نسبی یا مسیری - Dead 7 Reckoning - تقسیم می شوند که وجود هر دو آنها برای ناوبری پهپادها ضروری است .[9] در سیستمهای تعیین موقعیت مطلق، بردار وضعیت متحرک به صورت مستقل از مسیر حرکت متحرک و به صورت نقطه ای اندازه گیری می شود. این سیستمها به سه دسته سیستمهای تعیین موقعیت رادیویی8، سماوی9 و نقشه ای10 تقسیم می شوند .
[5] سیستمهای تعیین موقعیت رادیویی شامل یک شبکه از ایستگاههای ارسال امواج رادیویی مستقر بر روی زمین، ماهواره ها - مانند - GPS و یا سایر تجهیزات می باشد. در ناوبری هوایی این امواج توسط سنسورهای تعیین موقعیت دریافت شده و با معلوم بودن موقعیت ایستگاههای ارسال در یک چارچوب مختصاتی ناوبری، موقعیت هواپیما محاسبه می شود. سرعت هواپیما از شیفت داپلر سیگنالهای ارسالی و یا از دنباله مختصاتهای اندازه گیری شده محاسبه می گردد. در سیستمهای تعیین موقعیت سماوی موقعیت هواپیما از طریق اندازه گیری زاویه ارتفاعی و آزیموت اجرام سماوی نسبت به چارچوب مختصاتی ناوبری در زمانهای دقیق و معلوم محاسبه می شود. در سیستمهای تعیین موقعیت نقشه ای نیز بردار وضعیت از طریق تصویر برداری از سطح زمین و یا اندازه گیریهای پروفیل ارتفاعی محاسبه می شود .[5]
در سیستمهای تعیین موقعیت نسبی، مانند INS، بردار وضعیت متحرک از یک سری اندازه گیریهای پیوسته نسبت به یک موقعیت اولیه تعیین می شود .[5] این سیستمها از اندازه گیری زوایای وضعیت11 متحرک و بردار سرعت یا شتاب متحرک برای اندازه گیری جابجائیهای نسبی متحرک استفاده می کنند. در ادامه ما این دو نوع ناوبری را با عناوین مطلق و نسبی بیان خواهیم کرد. در روباتهای زمینی که بیشتر در محیطهای کوچک و یا سرپوشیده12 مورد استفاده قرار می گیرند ناوبری اغلب به صورت نسبی و نسبت به اولین نقطه حرکت - مبداء سیستم مختصات - و در یک چارچوب دکارتی دلخواه انجام می شود و روبات برای حرکت در محیط، بیشتر نیاز به دانستن موقعیت نسبی خود در یک سیستم مختصات محلی و نسبت به عوارض موجود در محیط دارد .
[10] اما در مورد سیستمهای پهپاد به لحاظ تامین امنیت پرواز، هر دو نوع ناوبری و تعیین موقعیت مطلق و نسبی مطرح می باشد .[9] البته در مورد سیستمهایی پهپادی که در یک محدوده کوچک مورد استفاده قرار می گیرند ناوبری نسبی جوابگو خواهد بود اما در مورد پهپادهایی که مسیر پروازی آنها طولانی می باشد و یا برای پرواز در مناطق با وسعت زیاد مورد استفاده قرار می گیرند علاوه بر تعیین موقعیت نسبی، ناوبری و تعیین موقعیت مطلق پهپاد در یک چارچوب مختصاتی جهانی از اهمیت خاصی برخوردار است. در حال حاضر برای تعیین موقعیت مطلق پهپاد در یک سیستم مختصات جهانی از GPS استفاده می شود که یک سیستم رادیو ناوبری ماهواره ای آنی است و امکان استفاده از آن در هر نقطه از سطح روی زمین و فضای بالای سطح آن و به صورت شبانه روزی و با دقتی در حدود چند متر و نرخ یک ثانیه فراهم می باشد .
[9] سیستم INS نیز در اصل یک سیستم تعیین موقعیت نسبی است که دارای سنسورهای شتاب سنج و ژیروسکوپ بوده و بر اساس اندازه گیری و انتگرالگیری شتاب ثقل زمین در مسیر حرکت و با تعیین پارامترهای جابجایی نسبی و تغییر وضعیت نسبی، امکان تعیین موقعیت نسبی با نرخ بالا - بیش از 100 هرتز - را فراهم می کند - مرجع - . در این میان سنسور GPS دارای دقت و صحت تعیین موقعیت مطلق نسبتا پایدار ولی با نرخ پایین می باشد - مرجع - و سنسور INS نیز دارای نرخ بالای تعیین موقعیت نسبی ولی با دقت و صحت ناپایدار و نزولی بدلیل وجود خطای تجمعی در تعیین موقعیت می باشد - مرجع - . برای رفع معایب این دو سیستم از تلفیق داده های سنسور GPS با داده های سنسور INS بوسیله فیلتر کالمن - مرجع - استفاده می شود که باعث می شود نرخ تعیین موقعیت GPS افزایش یافته و خطای تجمعی INS نیز کنترل شود - مرجع - .
بنابراین سیستم تلفیقی GPS/INS در اکثر مواقع یک سیستم ایده آل برای تعیین موقعیت تجهیزات پرنده با سرنشین و بدون سرنشین محسوب می شود ولی با این وجود سیستم GPS/INS نیز با مشکلاتی همراه می باشد. سیستم GPS ممکن است به علت طوفانهای خورشیدی، میدانهای مغناطیسی شدید، تأثیر پدیده های اتمسفری، عوامل منعکس کننده سیگنال و سازه های بلند بخصوص در مناطق شهری، وجود نویز و جنگ الکترونیک و یا خرابی خود گیرنده و در اثر نوسانات الکتریکی دچار اختلال شده و غیر قابل استفاده گردد .[11] پس از قطع سیگنالهای GPS و یا خرابی آن، موقعیت مطلق پهپاد از دست خواهد رفت و سیستم INS نیز به علت خطای دریفت زیاد و تجمعی ایجاد شده در پارامترهای ناوبری بدست آمده از آن، پس از یک مدت زمان کوتاه در حد چند ثانیه تا چند ده ثانیه کارآیی خود را به سرعت از دست داده و دقت تعیین موقعیت نسبی و مطلق با INS نیز به سرعت کاهش خواهد یافت .
[14-11] بنابراین برای امکان هدایت و ناوبری امن و مستمر در سیستمهای پهپاد، در زمانهایی که سیستم GPS دچار اختلال شده و یا برای حالتهایی که امکان استفاده از سیستم GPS وجود ندارد، بایستی سیستمهای جایگزین GPS برای ناوبری مورد استفاده قرار گیرد. در حالت کلی یک سیستم ایده آل و جایگزین GPS برای ناوبری پهپاد بایستی بتواند با ترکیب با دیگر سنسورهای مستقر بر روی پهپاد مانند INS، ارتفاع سنج، و دوربین تصویر برداری و یا فیلمبرداری بتواند پارامترهای کامل ناوبری شامل سه پارامتر موقعیت، سه پارامتر سرعت خطی، سه پارامتر وضعیت و سه پارامتر سرعتهای زاویه ای پهپاد را با نرخ مناسب و به صورت آنی بدست آورد .[7]
