Dead reckoningدر ناوبری

نویسنده : محمد فرهانی فر 

مقدمه :

ناوبری به معنی هدایت یک وسیله نقلیه از نقطه ای (مبدا) به نقطه دیگری (مقصد) میباشد که ا مروزه این دانش اهمیت زیادی درصنعت هوانوردی و دریانوردی دارد.

در صنعت هوایی این علم به قدری اهمیت دارد که نحوه ردیابی درست مسیر، تعیین موقعیت دقیق هواپیما ، اندازه گیری سرعت و فاصله ، برنامه ریزی برای فرود ایمن و... همه اینها با استفاده از دانش ناوبری توست. ناوبر یا خلبان فراهم میشود تا یک هواپیما با امنیت کامل سفر کند.

ناوبری هوایی از سه روش امکانپذیر میباشد:

 1-Pilotage Dead Reckoning-2 Radio Navigation-3

در این مقاله میخواهیم بدانیم روش Dead Reckoning چیست و چگونه میتوانیم با آن مسیر هواپیما را پیدا کنیم

Dead Reckoning  چیست؟

Dead Reckoning یا ناوبری کور، روشی هست که خلبان با نقطه گذاری روی نقشه و رنگ بندی این نقاط ، در نظر گرفتن جهت و سرعت هواپیما و عوامل تاثیرگذاری مانند باد ، جزر و مد و جریان میتواند موقعیت اولیه را سنجیده و با استفاده از آن مسیر و سرعتی که یک سوژه در طول زمان طی کرده است را متوجه شود.

این روش شاید ساده به نظر برسد اما محاسبات پیچیده ای را شامل میشود به ویژه در هنگام محاسبه متغیرهایی مانند باد ، جریان یا تغییر در سرعت پس نتیجه میگیریم نیازمند دقت و تمرکز زیادی دارد زیرا خطا های ریز و اشتباهات کوچک در محاسبات سرعت ، جهت و یا حتی سرعت باد میتواند منجرب به حادثه ناگواری شود

تاریخ dead reckoning:

اولین بار در دهه 1600 میلادی، دریانوردان کشتی ها اصطلاح Dead Reckoning را برای توصیف تکنیک تخمین مسیر و مسافت در موقعیت هایی که هیچ نقطه عطفی یا ستاره ای قابل مشاهده برای راهنمایی نبود ارایه کردند از این رو نگاهی جذاب از تاریخ ناوبری ارایه میدهد و ریشه های آن را از تلاش های دریایی باستانی تا نقش ضروری آن در سیستم های ناوبری مدرن را نشان میدهد. ناوبری کور یک تکنیک اساسی است که قرن ها مورد استفاده قرار گرفته است و به طور قابل توجهی تکامل یافته است و با فناوری پیشرفته یکپارچه شده است تا از دقت و ایمنی در حوزه های مختلف، از خودرو گرفته تا هوانوردی اطمینان حاصل کند و مهم است که از آن در کنار روش های دیگر برای جلوگیری از خطا استفاده کرد به ویژه در شرایطی که سایر ابزار های ناوبری در دسترس نیستند

فناوری های پیشرفته در ناوبری Dead Reckoning :

در قلمرو پویای فن‌آوری‌های ناوبری، ناوبری کور سنگ بنای باقی مانده است که به طور قابل توجهی توسط الگوریتم‌های پیشرفته بهبود یافته است. این تکنیک‌های پیشرفته ،دقت آن را در کاربردهای مختلف که موقعیت‌یابی دقیق ضروری است، تضمین می‌کند. این الگوریتم قدرتمند در هسته سیستم های پیچیده ناوبری قرار دارد و به دقت داده های حسگرهای مختلف را برای تخمین دقیق موقعیت یک وسیله نقلیه یا دستگاه پردازش می کند. این به طرز ماهرانه ای داده های پر سر و صدا را از چندین منبع ادغام می کند و در سناریوهایی که سیگنال های GPS به خطر می افتد ضروری است. پالایش مداوم داده‌ها توسط فیلتر کالمن تضمین می‌کند که ناوبری کور دقیق و قابل اعتماد باقی می‌ماند، به خصوص در محیط‌های فاقد GPS. این قابلیت نه تنها درک ما را گسترش می دهد، بلکه راه را برای برنامه های کاربردی نوآورانه در زمینه های مختلف فناوری مانند وسایل نقلیه خودران و سیستم های ناوبری سیار پیچیده هموار می کند. درک و اجرای این ادغام برای پیشبرد کارایی و قابلیت اطمینان سیستم های ناوبری بسیار مهم است.

نحوه عملکرد Dead Reckoning در ناوبری :

اثربخشی ناوبری کور به سه عنصر محوری بستگی دارد: نقطه شروع، سرعت، و جهت (یا مسیر). هر جزء در تعیین دقت آن در اشکال مختلف ناوبری بسیار مهم است.

نقطه شروع

دقت ناوبری کور با یک مکان شروع دقیق شروع می شود. هر گونه خطا در نقطه شروع می تواند در طول مسافت باعث مشکلی بزرگ شود.

سرعت

 برای اطمینان از قابلیت اطمینان محاسبه ناوبری کور، سرعت باید به طور مداوم نظارت و اندازه گیری شود.

 جهت یا هدینگ

 ناوبر باید مسیر دقیق سفر را بداند. حتی انحرافات جزئی می تواند منجر به خطاهای قابل توجهی در فواصل طولانی شود.

روش محاسبات Dead Reckoning :

فرمول های اساسی مورد استفاده در ناوبری کور برای محاسبه موقعیت فعلی نسبتاً ساده هستند. آنها شامل محاسبات ساده بر اساس سرعت، زمان و جهت هستند. در اینجا فرمول های کلیدی وجود دارد:

 مسافت طی شده (D) برابر سرعت (S) در زمان (T) محاسبه می شود. D=S×T

 در اینجا، 'D' مسافت طی شده، 'S' سرعت حرکت جسم و 'T' زمانی است که جسم در آن حرکت کرده است. سرعت باید در یک واحد ثابت و مرتبط با نحوه حمل و نقل باشد (مثلاً گره برای کشتی ها، مایل در ساعت یا کیلومتر در ساعت برای وسایل نقلیه)، و زمان باید بر حسب ساعت باشد.

 محاسبه موقعیت جدید: موقعیت جدید با به روز رسانی موقعیت قبلی بر اساس مسافت طی شده در یک جهت خاص (هدینگ) محاسبه می شود.

 اگر در یک خط مستقیم به سمت شمال یا جنوب حرکت کنید، به سادگی مسافت طی شده را از عرض جغرافیایی اولیه اضافه یا کم می کنید.

 با این حال، اگر جهت دقیقاً در امتداد نقاط اصلی نباشد، از مثلثات برای محاسبه موقعیت جدید استفاده کنید.

 ΔLat=D×cos(θ)

 ΔLong=D×sin(θ)

 کجا:

 ΔLat تغییر در عرض جغرافیایی است،

 ΔLong تغییر در طول جغرافیایی است،

 D مسافت طی شده است،

 θ سمت (جهت) بر حسب درجه از شمال است (0 درجه به دلیل شمال، 90 درجه به دلیل شرق و غیره).

 برای بدست آوردن طول یا عرض جغرافیایی جدید، این تغییرات را به ترتیب، بسته به جهت، از طول یا عرض جغرافیایی اولیه اضافه یا کم کنید:

 عرض جغرافیایی جدید = عرض جغرافیایی اصلی +  ΔLat

 طول جغرافیایی جدید = طول جغرافیایی اصلی ΔLong +

 علائم به جهت سفر بستگی دارد. شما می توانید حرکات به سمت شمال یا شرق را مثبت و حرکات به سمت جنوب یا غرب را منفی در نظر بگیرید. به یاد داشته باشید، این محاسبات ساده شده اند و زمین مسطح را فرض می کنند که برای فواصل کوچک قابل قبول است. برای فواصل بزرگ‌تر، به‌ویژه در عرض‌های جغرافیایی نزدیک‌تر به قطب‌ها، اصلاح انحنای زمین ممکن است ضروری باشد و محاسبات پیچیده‌تر شوند.

عوامل موثر بر ناوبری Dead Reckoning :

دقت ناوبری کور را می توان تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار داد، که ممکن است خطاهایی را در محاسبات در طول ناوبری ایجاد کند.این موارد عبارتند از:

 خطاهای اندازه گیری سرعت

 تجهیزات خراب یا تغییرات نامشخص در سرعت به دلیل شرایط محیطی مانند باد یا جریان آب می تواند باعث عدم دقت در تخمین مسافت طی شده شود.

 خطاهای جهت

 عدم دقت در تعیین عنوان واقعی، به دلیل خطاهای قطب نما مانند انحراف و تغییرات، می تواند به طور قابل توجهی بر دقت موقعیت تأثیر بگذارد.

 رانش (drift)

 نیروهای خارجی، مانند باد یا جریان های اقیانوسی، می توانند ناخودآگاه مسیر وسیله نقلیه یا کشتی را تغییر دهند و منجر به انحراف از مسیر مورد نظر شوند.

خطاهای نقطه شروع

 یک موقعیت اولیه نادرست می تواند منجر به خطاهای تدریجی بزرگتر در موقعیت های بعدی شود

 خطاهای زمان سنجی

 عدم دقت در ردیابی زمان می تواند منجر به اشتباه در محاسبه مسافت شود، زیرا محاسبه به زمان سپری شده بستگی دارد.

 زمین و عوامل محیطی

 در ناوبری زمینی، تغییرات زمین می تواند بر سرعت و مسافت طی شده تأثیر بگذارد، در حالی که در ناوبری دریایی، عواملی مانند عمق آب و شرایط بستر دریا می توانند بر پویایی کشتی تأثیر بگذارند.

 محدودیت های فنی

 مفروضات انجام شده در محاسبات ناوبری کور می تواند خطاهایی را ایجاد کند، به خصوص در فواصل طولانی یا نزدیک قطب ها.

 خطای انسانی

 اشتباهات در ضبط داده ها، تخمین سرعت، یا محاسبه موقعیت می تواند به طور قابل توجهی بر دقت ناوبری کور تأثیر بگذارد.

 برای دقت بیشتر، ناوبرها آن را با روش‌های دیگری مانند GPS یا ناوبری آسمانی برای تأیید و تصحیح متقاطع ترکیب می‌کنند.

انحنای زمین

 اصلاحات شکل کروی زمین برای ناوبری دقیق در مسافت های طولانی، به ویژه در زمینه های هوانوردی یا دریایی ضروری است.

 اثر کوریولیس

 در حالی که برای ناوبری سطحی جزئی است، این اثر می تواند بر مسیرهای مسافت طولانی، به ویژه در سرعت ها یا عرض های جغرافیایی بالا تأثیر بگذارد.

 ارتفاع

 در هوانوردی، ارتفاع بر سرعت هوا و عملکرد هواپیما تأثیر می گذارد و برای ناوبری دقیق نیاز به تنظیمات دارد.

جزر و مد و مجموعه جریان

 این پدیده های طبیعی می توانند به طور قابل توجهی بر ناوبری دریایی تأثیر بگذارند و مسیر کشتی را تغییر دهند.

 لغزش و اثر زمین

 در خشکی، لغزش وسیله نقلیه در زمین های مختلف می تواند منجر به اختلاف شود، در حالی که در هوانوردی، اثر زمین نزدیک به سطح می تواند بر عملکرد هواپیما تأثیر بگذارد.

کالیبراسیون تجهیزات

 ناوبری دقیق به کالیبراسیون و نگهداری مناسب تجهیزاتی مانند سرعت سنج، قطب نما و زمان سنج بستگی دارد.

 شرایط جوی

 شرایط آب و هوایی می تواند بر سرعت و جهت سفر در حالت های مختلف ناوبری تأثیر بگذارد.

 رسیدگی به این خطاها مستلزم استفاده از ابزارهای پیچیده، انجام اصلاحات برای مسائل شناخته شده و به روز رسانی موقعیت های تخمینی با مشاهدات واقعی است.

کاربرد های Dead Reckoning در ناوبری :

خودرو

 در حوزه ناوبری خودرو، ناوبری کور به طور قابل توجهی دقت را افزایش می دهد، به ویژه در محیط هایی که سیگنال های GPS یا GNSS ضعیف هستند یا وجود ندارند. اهمیت ناوبری کور در دره‌های شهری، تونل‌ها و سایر محیط‌های چالش‌برانگیز برجسته‌تر است. دره‌های شهری، تونل‌ها و سایر محیط‌های چالش‌برانگیز، جایی هستند که ارزش ناوبری کور در آن‌ها برجسته‌تر است و اطلاعات ناوبری پیوسته را با پر کردن شکاف‌ها هنگامی که سیگنال‌های ماهواره‌ای از کار می‌افتند، فراهم می‌کنند. ناوبری کور تضمین می کند که رانندگان اطلاعات موقعیتی قابل اعتمادی دارند حتی زمانی که سیگنال های ماهواره ای سنتی مسدود می شوند.

ناوبری دریایی

 در دریاهای آزاد، ناوبری کور به عنوان یک افزونگی حیاتی برای سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS) عمل می کند. ماهیت غیر قابل پیش بینی محیط دریایی، با پتانسیل آن برای تداخل الکترونیکی و انسداد سیگنال، ناوبری کور را به یک پشتیبان ضروری تبدیل می کند. ناوبری کور با فراهم کردن وسیله ای برای ناوبری حتی زمانی که ناوبری ماهواره ای به خطر افتاده است، ایمنی کشتی ها را تضمین می کند. این افزونگی برای حفظ مسیر و موقعیت دقیق در غیاب داده های ماهواره ای قابل اعتماد حیاتی است.

 هوانوردی

 صنعت هوانوردی با افزایش ایمنی و کارایی ترافیک هوایی، از ناوبری کور سود می برد. در شرایطی که سیگنال‌های GNSS غیرقابل اعتماد هستند یا سیستم‌های ناوبری از کار می‌افتند، ناوبری کور یک روش جایگزین برای تخمین موقعیت هواپیما فراهم می‌کند. کاربردهای ناوبری کور به فناوری‌ها و بخش‌های در حال ظهور، از جمله وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) و اکتشاف فضایی گسترش می‌یابد. در این مناطق، ناوبری کور یک مکانیسم ایمن در سیستم های ناوبری پیچیده ارائه می دهد که داده های موقعیتی مداوم و دقیق را حتی در محیط های چالش برانگیز تضمین می کند.

ادغام Dead Reckoning با GNSS در بهبود ناوبری :

ادغام ناوبری Dead Reckoning با GNSS یک راه حل هم افزایی ارائه می دهد که به طور قابل توجهی دقت و قابلیت اطمینان سیستم های ناوبری را افزایش می دهد. این ترکیب به ویژه در وسایل نقلیه متصل و ناوبری دریایی بسیار حیاتی است، جایی که تجربه یک سفر یکپارچه را تضمین می کند. با استفاده از نقاط قوت ناوبری Dead Reckoning و GNSS، این رویکرد یکپارچه به طور موثر محدودیت های فردی آنها را جبران می کند. در نتیجه، سیستم ترکیبی یک راه‌حل ناوبری قوی ارائه می‌کند که دقت بی‌نظیری را ارائه می‌کند، حتی در شرایط محیطی چالش برانگیز که سیستم‌های منفرد ممکن است عملکرد ضعیفی داشته باشند.

پیشرفت در فناوری ناوبری Dead Reckoning :

آینده فناوری ناوبری کور امیدوارکننده است، با پیشرفت‌های پیش‌بینی‌شده برای تغییر ناوبری خودروهای خودمختار و سایر برنامه‌های کاربردی پیشرفته. نوآوری های نوظهور در فناوری حسگر، همراه با پیشرفت در هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML)، آماده است تا دقت و کارایی سیستم های ناوبری کور را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. این پیشرفت‌ها نوید آن را می‌دهد که ناوبری کور دقیق‌تر و قابل‌اطمینان‌تر را در حالت‌های مختلف حمل‌ونقل امکان‌پذیر می‌کند و آن را به یک فناوری سنگ بنای آینده خودروهای خودمختار و نیمه‌خودران تبدیل می‌کند. این چشم انداز در حال تحول بر اهمیت رو به رشد ناوبری کور در دستیابی به اتوماسیون سطح بالا و ایمنی عملیاتی پیشرفته در راه حل های حمل و نقل نسل بعدی تأکید می کند.