بخشی از مقاله
چکیده -ناوبری اینرسی در پروازهای هواپیماهای مختلف خصوصاً هواپیماهای شکاری، موشکها و سایر پرندهها نقش عمدهای داشته و تاثیر بسزایی در بالا بردن دقت موشکها و پرندهها دارد. آگاهی دقیق پرنده از موقعیت فعلی خود بدون دریافت اطلاعات از دنیای بیرون اهمیت این نوع ناوبری را بشدت افزایش میدهد. در این مقاله به جزییات طراحی و ساخت یک سامانهی ناوبری اینرسی با بهرهگیری از سنسورهای لیزری پرداخته شده است.
-1 مقدمه
مطالعه و تجزیه و تحلیل مدارک موجود در روند جنگ اخیر آمریکا در عراق نشانگر یک واقعیت است که موفقیت و برتری نظامی نیروهای مهاجم در انهدام دقیق و بدون خطای اهداف از پیش تعیین شده مرهون پیشرفت علم ناوبری اینرسی و استفاده بهینه از آن بوده است. هدفگیری دقیق موشکهای دور برد، پروازهای طولانی و نقطهیابی صحیح هواپیماها حتی در زمانهایی که موقعیتیابهای ماهوارهای مختل شدند، جز با داشتن یک سیستم ناوبری اینرسی عملاً ممکن نبوده است.
اهمیت سیستم ناوبری اینرسی در ماموریتهای برون مرزی هواپیماهای نظامی به حدی است که در تحریمهای اعمال شده از سوی کشورهای سازنده این سیستم، از آن به عنوان یک حربه مؤثر علیه کشورمان استفاده نمودند. دلایل ذکر شده انگیزه خوبی را برای ساخت چنین سیستمی با امکانات داخل کشور بوجود آورد. لذا طرح ساخت این سیستم با استفاده از سنسورهای تولید داخل مطرح گردید و پس از بررسی و مطالعه انواع سیستمهای ناوبری اینرسی، سیستم ناوبری اینرسی لیزری که هم اکنون پیشرفتهترین آن روی هواپیماهای مختلف اعم از تجاری و نظامی مشغول به کار میباشد مورد توجه قرار گرفت. قطعات مورد نیاز از سازمانهای دولتی از قبیل صنایع الکترونیک شیراز، صنایع فجر و سایر قطعات کم اهمیتتر که شامل تحریمها نمیشوند از داخل و یا برخی کشورهای خارج تهیه گردیدند.
-2 تعریف INS
ناوبری هنر هدایت وسیله نقلیه از یک نقطه به نقطه ای دیگر است که ابتدا توسط ملوانان قدیمی ابداع شد و به مرور زمان پیشرفت کرد. از طرفی دیگر علم ناوبری کاربرد ریاضیات در تعیین موقعیت یک وسیله نقلیه و هدایت آن به سوی یک هدف معین می باشد. یکی از انواع سیستمهای ناوبری، سیستم ناوبری اینرسی است. این سیستم از دقیقترین و امنترین سیستمهای ناوبری است که امروزه در هواپیما، موشک، سفینههای فضایی، زیردریاییها و کشتیها کاربرد دارد.
سیستم ناوبری اینرسی بدون ارسال یا دریافت هیچگونه سیگنالی از خارج با اندازهگیری نیروهای وارد بر جسم، سرعت جسم، موقعیت و وضعیت وسیله را در هر لحظه از زمان تعیین میکند. ناوبری اینرسی از کامپیوترهای دقیق، ژیروسکوپها و شتابسنجهای حساس بهره گرفته است. در یک سیستم ناوبری اینرسی، شتاب یا در واقع همان تغییرات جزئی سرعت توسط شتابسنجها اندازهگیری شده و کامپیوتر سرعت، جهت و سایر اطلاعات را از دادههای شتاب بدست میآورد. سیستم ناوبری اینرسی خلبان را قادر میسازد که در هر نوع شرایط جوی مانند باد و تاریکی شب بدون هیچگونه تماسی با ایستگاههای زمینی، هواپیما را به بهترین نحو ممکن به سوی هدف هدایت کند.
-3 انواع سیستمهای INS
سیستمهای تعیین موقعیت اینرسی را میتوان به دو دسته کلی با صفحه پایدار و بدون صفحه پایدار تقسیم بندی نمود.
-1-3 سیستم های تعیین موقعیت با صفحه پایدار
در سیستمهای تعیین موقعیت با صفحه پایدار از ژیروسکوپ برای پایدار نمودن صفحهای که بر روی آن شتابسنجهایی در امتداد محورهای متعامد نصب شدهاند استفاده میشود. پایدار نمودن به این معناست است که سرعت زاویهای صفحه نسبت به یک دستگاه مختصات مبنا - به طور مثال دستگاه مختصات اینرسی یا جغرافیایی - به دقت کنترل شده و برابر صفر نگاه داشته میشود. برای نیل به این هدف لازم است که حرکت دورانی صفحه پایدار توسط گیمبالهای مناسبی از حرکت سیستم حامل صفحه پایدار ایزوله شود. البته عمل ایزوله کردن ایده آل صفحه پایدار از سیستم حامل غیر ممکن بوده و در صورت استفاده از گیمبال حرکتهای سیستم حامل به خاطر اصطکاک موجود در سیستم تعلیق صفحه پایدار به صفحه منتقل شده و سبب دوران هر چند ناچیز آن خواهد شد.
برای از بین بردن این حرکتهای ناچیز، حرکت دورانی صفحه پایدار با استفاده از ژیروسکوپهایی که بر روی آن نصب میشوند اندازهگیری شده و با اعمال فیدبک مناسب به تولیدکنندههای گشتاوری که بر روی گیمبالها نصب شده است، از حرکت دورانی صفحه پایدار جلوگیری میشود. با توجه به این توضیحات، در صورت انجام موفقیتآمیز عمل پایدارسازی، حرکت دورانی وسیله متحرکی که حامل سیستم تعیین موقعیت میباشد به صفحه پایدار منتقل نشده و محور حساس شتابسنجها همواره در امتداد محورهای مبنای مشخص قرار خواهند گرفت. در این صورت با انتگرالگیری از خروجی شتابسنجها سرعت و موقعیت جسم در دستگاه مختصات مبنا قابل محاسبه خواهد بود.
-2-3 سیستمهای تعیین موقعیت بدون صفحه پایدار
در سیستمهای تعیین موقعیت بدون صفحه پایدار، ژیروسکوپها و شتابسنجها مستقیماً به بدنه سیستم تعیین موقعیت که بر روی بدنه جسم متحرک نصب میشود، متصل میباشند. در نتیجه خروجی ژیروسکوپها در این حالت مؤلفههای سرعت زاویهای جسم متحرک نسبت به دستگاه مختصات اینرسی در دستگاه بدنه خواهند بود. حال با انتگرالگیری از خروجی ژیروسکوپها موقعیت دورانی جسم متحرک در هر لحظه محاسبه میشود، یا به عبارت دیگر ماتریس دوران جسم متحرک نسبت به یک دستگاه مختصات مبنا محاسبه میشود. در این مقاله درباره ساخت یک سیستم تعیین موقعیت بدون صفحه پایدار با استفاده از ژیروسکوپهای لیزری و شتابسنجهای Forced Balanced توضیحاتی ارائه خواهیم کرد و در ادامه بحث به توضیح مختصری راجع به اجزای سیستم INS لیزری می-پردازیم.
-4 الگوریتم عملکرد سیستم
پردازشهایی که در سیستمهای بدون صفحه پایدار انجام میپذیرد به شکل گستردهای متغیر هستند. الگوریتمهای بکار گرفته شده در این سیستم در حقیقت فرآیندهای محاسباتی هستند که توسط یک کامپیوتر دیجیتال پیاده میگردند. این الگوریتمها، خروجیهای شتابسنجها و ژیروسکوپها، که به بدنه بسته شده و ثابت گردیدهاند را به کمییتهای مناسب برای ناوبری جسم پرنده تبدیل میکنند. این کمییتها عبارتند از: وضعیت، سرعت و موقعیت جسم حامل در یک سیستم مختصاتی ناوبری. گستردگی این پردازشها به دلیل نیازهایی است که از سیستم انتظار می رود.
تنوع کاربرد به گونهای است که از یک سیستم تعیین وضعیت ساده تا یک سیستم ناوبری بسیار دقیق میتوانند توسط سیستمهای فوق پیاده گردند. مهمترین آنها، تولید ماتریس انتقال کسینوسها است، که وضعیت جسم پرنده را نسبت به یک چهارچوب مختصاتی خاص که ارتباط آن با چهارچوب مختصاتی اینرسی دقیقاً معلوم است، مرتبط میکند. در حقیقت بحرانیترین پردازش در کامپیوتر، الگوریتمی است که ماتریس انتقال را از تغییرات کوچک زاویه که توسط ژیروسکوپها احساس میشود، جدا میکند.
-5 اجزاء تشکیل دهنده سیستم
Ring Laser Gyroscope -1-5
بر مبنای یک اصل که ترکیبی از اصول جداگانه فیزیک بوده و به اثرSagnac معروف است هرگاه دو باریکه نور در یک حلقه بسته در دو جهت مخالف هم گسیل شوند با چرخش مجموعه شامل منشأ نور و مسیر گسیل آن در حول محور عمود به سطح مسیر عبور نور تغییراتی در خواص دو نور نسبت به هم از دید ناظر یا سنسور خارج از مجموعه به وجود میآید که این تغییرات با نرخ سرعت زاویهای سیستم متناسب میباشد این اصل اساس جایروهای لیزری را تشکیل میدهد.
ژیروسکوپ لیزری دستگاهی است جهت اندازهگیری نرخ و سمت تغییرات سرعت زاویهای وسیلهای که ژیروسکوپ روی آن نصب گردیده است. در این قطعه با توجه به آنچه که در مورد اثر Sagnac گفته شد، با گسیل نور لیزر در یک محفظه بسته و اندازه-گیری تغییرات ایجاد شده بر روی این نور به هنگام چرخش حول یک محور که همان محور حساسیت آن میباشد، و تبدیل آن به سیگنالهای الکتریکی، اطلاعاتی فراهم میشود که با پردازش آنها نرخ تغییرات سرعت زاویهای و سمت چرخش آن وسیله بدست میآید. نور لیزر اساس کار این نوع ژیروسکوپها بوده و در هواپیماها، کشتیها و در سیستمهای دو محوری و سه محوری برای جهت-یابی و پایداری بکار گرفته میشوند.
-2-5 شتاب سنج
شتابسنج وسیلهایست که مقادیر و یا تغییرات سرعت را در راستای محور حساسیت خود اندازهگیری میکند. شتابسنج مورد استفاده در این طرح از نوع پاندولی با حلقه بسته است. شتاب وارده در راستای ورودی با حرکت دادن جرم - mass - داخل وسیله ایجاد شدت جریان در pick off اپتیکی مینماید. پالسهای بدست آمده از این سیگنال علاوه بر تولید ولتاژ خروجی شتابسنج موجب برگشت mass به حالت اولیه از طریق حلقه بسته میگردد.
