التوجيه والملاحة والتحكم

الموسوعة الحرة

نظام التوجيه والملاحة والتحكم في أبولو

التوجيه والملاحة والتحكم (يُختصر إلى GNC أو GN&C أو G&C ) هو فرع من فروع الهندسة يُعنى بتصميم أنظمة التحكم في حركة المركبات، وخاصة السيارات والسفن والطائرات والمركبات الفضائية . في كثير من الحالات ، يُمكن للبشر المدربين أداء هذه الوظائف. مع ذلك، ونظرًا لسرعة ديناميكيات الصواريخ، على سبيل المثال، فإن زمن رد فعل الإنسان بطيء جدًا للتحكم في هذه الحركة. لذلك، تُستخدم الأنظمة - الإلكترونية الرقمية بشكل شبه حصري - لهذا الغرض. حتى في الحالات التي يُمكن فيها للبشر أداء هذه الوظائف، غالبًا ما تُوفر أنظمة التوجيه والملاحة والتحكم مزايا عديدة، مثل تخفيف عبء العمل على المشغل، وتقليل الاضطرابات الجوية، وتوفير الوقود، وغيرها. إضافةً إلى ذلك، تُتيح التطبيقات المتطورة لأنظمة التوجيه والملاحة والتحكم التحكم الآلي أو عن بُعد .

  • يشير التوجيه إلى تحديد مسار السفر المطلوب (" المسار ") من الموقع الحالي للمركبة إلى هدف محدد، بالإضافة إلى التغييرات المطلوبة في السرعة والدوران والتسارع لاتباع هذا المسار. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

أجزاء

تتكون أنظمة التوجيه والملاحة والتحكم من 3 أجزاء أساسية: الملاحة التي تتعقب الموقع الحالي، والتوجيه الذي يستفيد من بيانات الملاحة ومعلومات الهدف لتوجيه التحكم في الطيران "إلى أين يذهب"، والتحكم الذي يقبل أوامر التوجيه لإحداث تغيير في التحكم الديناميكي الهوائي و/أو التحكم في المحرك.

ملاحة
الملاحة هي فن تحديد الموقع، وهو علم حظي باهتمام كبير منذ عام 1711 مع جائزة خط الطول . تقيس وسائل الملاحة الموقع إما من نقطة مرجعية ثابتة (مثل معلم بارز، نجم الشمال، منارة لوران)، أو الموقع النسبي لهدف (مثل الرادار، الأشعة تحت الحمراء، إلخ)، أو تتبع الحركة من موقع/نقطة بداية معروفة (مثل وحدة القياس بالقصور الذاتي). تستخدم الأنظمة المعقدة الحديثة مناهج متعددة لتحديد الموقع الحالي. على سبيل المثال، تتجسد أحدث أنظمة الملاحة في صاروخ RIM-161 المضاد للصواريخ الباليستية ، حيث يستفيد الصاروخ من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ووحدة القياس بالقصور الذاتي وبيانات المحطة الأرضية في مرحلة الإطلاق، بالإضافة إلى بيانات الموقع النسبي لتحديد الهدف. تتميز الأنظمة المعقدة عادةً بتكرار متعدد لمعالجة الانحراف، وتحسين الدقة (مثل الموقع النسبي لهدف)، ومعالجة أعطال النظام المعزولة. لذلك، تستقبل أنظمة الملاحة مدخلات متعددة من العديد من أجهزة الاستشعار المختلفة، سواء الداخلية للنظام أو الخارجية (مثل التحديثات الأرضية). يوفر مرشح كالمان النهج الأكثر شيوعًا لدمج بيانات الملاحة (من أجهزة استشعار متعددة) لتحديد الموقع الحالي.
إرشاد
يُعدّ نظام التوجيه بمثابة "سائق" المركبة. فهو يستقبل البيانات من نظام الملاحة (موقعي الحالي) ويستخدم معلومات التوجيه (وجهتي المقصودة) لإرسال إشارات إلى نظام التحكم في الطيران، مما يسمح للمركبة بالوصول إلى وجهتها (ضمن حدود تشغيلها). وتتمثل "أهداف" أنظمة التوجيه في متجه حالة واحد أو أكثر (الموقع والسرعة)، وقد تكون هذه المتجهات قصورية أو نسبية. وأثناء الطيران، يقوم نظام التوجيه بحساب اتجاهات التوجيه باستمرار للتحكم في الطيران. فعلى سبيل المثال، يستهدف مكوك الفضاء الارتفاع، ومتجه السرعة، ومعامل غاما لإيقاف تشغيل المحرك الرئيسي. وبالمثل، يستهدف الصاروخ الباليستي العابر للقارات متجهًا محددًا. وتُحدد متجهات الهدف لتحقيق المهمة، ويمكن تخطيطها مسبقًا أو إنشاؤها ديناميكيًا.
يتحكم
يتم التحكم في الطيران إما ديناميكيًا هوائيًا أو عبر أنظمة تحكم تعمل بالطاقة مثل المحركات. يرسل نظام التوجيه إشارات إلى نظام التحكم في الطيران. يُعدّ الطيار الآلي الرقمي (DAP) حلقة الوصل بين نظام التوجيه والتحكم. يتولى كل من نظام التوجيه والطيار الآلي الرقمي مسؤولية حساب التعليمات الدقيقة لكل عنصر من عناصر التحكم في الطيران. كما يُزوّد ​​الطيار الآلي الرقمي نظام التوجيه بمعلومات حول حالة عناصر التحكم في الطيران.

أمثلة

توجد أنظمة التوجيه والتحكم والملاحة في جميع الأنظمة المستقلة أو شبه المستقلة تقريبًا. وتشمل هذه الأنظمة ما يلي:

ومن الأمثلة ذات الصلة ما يلي:

  • الملاحة السماوية هي تقنية لتحديد المواقع، صُممت لمساعدة البحارة على عبور المحيطات الشاسعة دون الحاجة إلى الاعتماد على التقدير الملاحي للوصول إلى اليابسة. تعتمد الملاحة السماوية على قياسات الزوايا (المشاهدات) بين الأفق وجرم سماوي محدد، وغالبًا ما تُقاس الشمس. يستطيع الملاحون الماهرون استخدام القمر أو الكواكب أو أحد النجوم الملاحية البالغ عددها 57 نجمًا، والتي تُسجل إحداثياتها في التقاويم البحرية. تشمل الأدوات التاريخية السدس والساعة وبيانات التقويم الفلكي. تستخدم معظم المركبات الفضائية بين الكواكب اليوم أنظمة بصرية لمعايرة أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، مثل نظام محاذاة الطاقم البصري (COAS) [ 4 ] وجهاز تتبع النجوم [ 5 ] .
  • وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) هي النظام الأساسي لتحديد الموقع الحالي (الملاحة) والاتجاه في الصواريخ والطائرات. وهي عبارة عن أجهزة معقدة مزودة بجيروسكوب واحد أو أكثر يدور بحرية في ثلاث درجات من الحركة ضمن نظام جيمبال معقد . يتم تشغيل وحدات القياس بالقصور الذاتي ومعايرتها قبل الإطلاق. يوجد ما لا يقل عن ثلاث وحدات قياس بالقصور الذاتي منفصلة في معظم الأنظمة المعقدة. بالإضافة إلى تحديد الموقع النسبي، تحتوي وحدات القياس بالقصور الذاتي على مقاييس تسارع قادرة على قياس التسارع على جميع المحاور. توفر بيانات الموقع، بالإضافة إلى بيانات التسارع، المدخلات اللازمة لتتبع حركة المركبة. تميل وحدات القياس بالقصور الذاتي إلى الانحراف، نتيجة للاحتكاك وقلة الدقة. يمكن تصحيح هذا الانحراف عبر وصلة أرضية ، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، والرادار ، والملاحة الفلكية البصرية، وغيرها من وسائل الملاحة. عند استهداف مركبة أخرى (متحركة)، تصبح المتجهات النسبية بالغة الأهمية. في هذه الحالة، تصبح وسائل الملاحة التي توفر تحديثات للموقع بالنسبة للهدف أكثر أهمية. بالإضافة إلى الموقع الحالي، تقوم أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي عادةً بتقدير موقع متوقع لدورات الحوسبة المستقبلية. انظر أيضًا: نظام الملاحة بالقصور الذاتي .
  • التوجيه الفلكي بالقصور الذاتي هو دمج للمستشعرات / دمج للمعلومات بين التوجيه بالقصور الذاتي والملاحة السماوية.
  • نظام الملاحة بعيد المدى (لوران)  : كان هذا النظام سلفًا لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وكان يُستخدم (ولا يزال يُستخدم إلى حد ما) بشكل أساسي في النقل البحري التجاري. ويعمل النظام عن طريق تحديد موقع السفينة من خلال التثليث بناءً على مرجع اتجاهي لأجهزة إرسال معروفة .
  • نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)  : صُمم نظام GPS من قِبل الجيش الأمريكي بهدف أساسي هو معالجة "الانحراف" في الملاحة بالقصور الذاتي للصواريخ الباليستية التي تُطلق من الغواصات (SLBMs) ​​قبل إطلاقها. يُرسل نظام GPS نوعين من الإشارات: عسكرية وتجارية. دقة الإشارة العسكرية سرية، ولكن يُفترض أنها أقل بكثير من 0.5 متر. يتكون الجزء الفضائي من نظام GPS من 24 إلى 32 قمرًا صناعيًا في مدار أرضي متوسط ​​على ارتفاع حوالي 20,200  كيلومتر (12,600  ميل). تدور الأقمار الصناعية في ستة مدارات محددة، وتُرسل معلومات دقيقة للغاية عن الوقت وموقع القمر الصناعي، والتي يمكن استخدامها لحساب المسافات وتحديد المواقع. [ 6 ]

  • الرادار/الأشعة تحت الحمراء/الليزر  : يوفر هذا النوع من الملاحة معلومات للتوجيه بالنسبة لهدف معروف ، وله تطبيقات مدنية (مثل الالتقاء) وعسكرية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ غريوال، موهيندر س.؛ ويل، لورانس ر.؛ أندروز، أنغوس ب. (2007). أنظمة تحديد المواقع العالمية، والملاحة بالقصور الذاتي، والتكامل (الطبعة الثانية  ). هوبوكين، نيو جيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: وايلي-إنترساينس، جون وايلي وأولاده. ص  21. ISBN 978-0-470-04190-1.
  2. ↑ فاريل، جاي أ. (2008). الملاحة المُساعدة: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مع أجهزة استشعار عالية الدقة . الولايات المتحدة الأمريكية: ماكجرو هيل. الصفحات 5 وما يليها. ISBN  978-0-07-164266-8.
  3. ^ دريبر، CS؛ ريجلي، دبليو. هوج، G.؛ باتين، ر. ميلر، إي. كوسو، أ.؛ هوبكنز، AL. فاندر فيلدي، نحن (يونيو 1965). أبولو التوجيه والملاحة (PDF) (أبلغ عن). ماساتشوستس: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مختبر الأجهزة. ص. I-3 وما يليها . تم الاسترجاع 12 أكتوبر 2014 . 
  4. ↑ "دليل مرجعي لمكوك الفضاء HSF - إلكترونيات الطيران - أنظمة التوجيه والملاحة والتحكم" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 فبراير 2025 .
  5. ↑ "دليل مرجعي لمكوك الفضاء HSF - إلكترونيات الطيران للمكوك - جهاز المحاذاة البصرية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 فبراير 2025 .
  6. ↑ "قطاع الفضاء لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)" . GPS.gov . 28 يونيو 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 فبراير 2025 .