ما هو نظام الملاحة بالقصور الذاتي المدعوم بنظام GNSS MEMS وكيف يعمل؟

النقاط الرئيسية

• • المنتج: I3500 GNSS-Aided MEMS INS

    الميزات الرئيسية:

    • المكونات: وحدة قياس القصور الذاتي MEMS ذات التكلفة المنخفضة، ووحدة تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية ذات الهوائي المزدوج، ومقاييس المغناطيسية، ومقياس الضغط الجوي.
    • الوظيفة: توفير بيانات ملاحة عالية الدقة، والحفاظ على الأداء أثناء انقطاعات نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS).
    • التطبيقات: مناسبة للطائرات بدون طيار، والملاحة الذاتية، والمسح، وتحليل الحركة.
    • الملاحة بالقصور الذاتي: تجمع بين القياسات بالقصور الذاتي لحساب الموقع والسرعة والاتجاه.

    الخلاصة: يجسد جهاز I3500 التكامل بين أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي MEMS وأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية GNSS، مما يعزز موثوقية ودقة الملاحة في مختلف القطاعات.

     

يشير نظام الملاحة المتكامل MINS/GNSS إلى دمج المعلومات من كلٍّ من نظام الملاحة بالقصور الذاتي MINS (نظام الملاحة بالقصور الذاتي MEMS) ونظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية GNSS (نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية). يجمع هذا التكامل بين نقاط قوة النظامين ليكمل كل منهما الآخر ويحقق نتائج دقيقة في تحديد الموقع والسرعة والاتجاه (PVA).

تصنيف أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكية الدقيقة

بعد أكثر من 30 عامًا من التطوير، شهدت تقنية القياس بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) تقدمًا سريعًا وانتشارًا واسعًا. وقد ظهرت العديد من أجهزة القياس بالقصور الذاتي وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية MEMS العملية، والتي وجدت استخدامًا مكثفًا في مجالات مثل صناعات الطيران والفضاء، والبحرية، والسيارات. وقد مثّلت الجيروسكوبات التكتيكية بتقنية MEMS (بثبات انحراف يتراوح بين 0.1 درجة/ساعة و10 درجات/ساعة، 1σ) ومقاييس التسارع عالية الدقة بتقنية MEMS (بثبات انحراف يتراوح بين 10⁻⁵g و10⁻⁶g، 1σ) بداية دخول أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية MEMS التكتيكية إلى مرحلة التطبيقات العملية.

بشكل عام، يمكن تصنيف أنظمة MEMS بالقصور الذاتي إلى ثلاثة مستويات: مجموعة أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي (ISA)، ووحدة قياس القصور الذاتي (IMU)، ونظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: ثلاثة مستويات من MEMS Ins (2)

• MEMS ISA: يتكون فقط من ثلاثة جيروسكوبات MEMS وثلاثة مقاييس تسارع MEMS، ويفتقر إلى القدرة على العمل بشكل مستقل.
• وحدة القياس بالقصور الذاتي MEMS: تعتمد على MEMS ISA عن طريق إضافة محولات A/D، ورقائق المعالجة الرياضية، وبرامج محددة، مما يتيح لها جمع ومعالجة المعلومات بالقصور الذاتي بشكل مستقل.
• نظام الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS INS): يطور هذا النظام تقنية وحدة القياس بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS IMU) من خلال دمج تحويل الإحداثيات وعمليات الترشيح والوحدات المساعدة، والتي تشمل عادةً أجهزة قياس المغناطيسية ولوحات استقبال نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS). وتُعد أجهزة الاستشعار المساعدة، مثل أجهزة قياس المغناطيسية، ذات أهمية بالغة في تسهيل محاذاة نظام الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS INS) وتحسين أدائه.

تُعد نماذج MEMS INS (نظام الملاحة بالقصور الذاتي للأنظمة الميكانيكية من شركة Micro-Magic Inc) الثلاثة التي تم إطلاقها حديثًا من قبل شركة Ericco، والموضحة في الصورة أدناه، مناسبة للتطبيقات في الطائرات بدون طيار، ومسجلات الرحلات، والمركبات الذكية غير المأهولة، وتحديد مواقع واتجاهات الطرق، واكتشاف القنوات، والمركبات السطحية غير المأهولة، والمركبات تحت الماء.

الشكل 2: نماذج MEMS Ins الثلاثة التي أطلقتها شركة Ericco حديثًا

كيف يعمل نظام الملاحة بالقصور الذاتي المدعوم بنظام GNSS MEMS

يوفر نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) للمستخدمين معلومات دقيقة للغاية عن الموقع والوقت المطلقين في جميع الأحوال الجوية، بينما توفر أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS) دقة عالية على المدى القصير واستقلالية قوية. تعزز خصائصهما المتكاملة الأداء العام: إذ يمكن لنظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS) الاستفادة من دقته العالية على المدى القصير لتزويد نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بمعلومات ملاحة أكثر استمرارية وشمولية، بينما يساعد نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) في تقدير معلمات خطأ نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS) مثل الانحياز، مما يؤدي إلى الحصول على قياسات أكثر دقة وتقليل انحراف نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS).

الشكل 3: ثلاثة مستويات من أنظمة MEMS

يستخدم نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) إشارات من الأقمار الصناعية في مداراتها لحساب الموقع والوقت والسرعة. وطالما أن الهوائي متصل بخط رؤية مباشر مع أربعة أقمار صناعية على الأقل، يحقق نظام الملاحة GNSS دقة فائقة. أما عندما تحجب عوائق مثل الأشجار أو المباني رؤية الأقمار الصناعية، يصبح الملاحة غير موثوقة أو مستحيلة.

يحسب نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS) تغيرات الموقع النسبي بمرور الوقت باستخدام معلومات معدل الدوران والتسارع من وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU). تتكون وحدة القياس بالقصور الذاتي من ستة مستشعرات متكاملة مرتبة على ثلاثة محاور متعامدة. يحتوي كل محور على مقياس تسارع وجيروسكوب. يقيس مقياس التسارع التسارع الخطي، بينما يقيس الجيروسكوب معدل الدوران. بفضل هذه المستشعرات، تستطيع وحدة القياس بالقصور الذاتي قياس حركتها النسبية بدقة في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

يستخدم نظام الملاحة بالقصور الذاتي هذه القياسات لحساب الموقع والسرعة. ومن مزايا قياسات وحدة القياس بالقصور الذاتي أنها توفر حلولًا زاوية حول المحاور الثلاثة. يقوم نظام الملاحة بالقصور الذاتي بتحويل هذه الحلول الزاوية إلى اتجاهات محلية (الدوران، والميل، والانعراج)، موفرًا هذه البيانات إلى جانب الموقع والسرعة.

الشكل 4: نظام إحداثيات جسم وحدة القياس بالقصور الذاتي

تُعدّ تقنية تحديد المواقع الحركية في الوقت الحقيقي (RTK) خوارزمية متطورة وعالية الدقة لتحديد المواقع ضمن أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، قادرة على تحقيق دقة تصل إلى مستوى السنتيمتر في البيئات المفتوحة. مع ذلك، في البيئات الحضرية المعقدة، تُقلّل عوائق الإشارة والتداخلات من معدل تحديد المواقع بدقة، مما يؤدي إلى انخفاض قدرة تحديد المواقع. لذا، يُعدّ البحث في أنظمة تحديد المواقع المتكاملة بين خوارزمية RTK وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS) أمرًا بالغ الأهمية في مجالات مثل الملاحة الذاتية، والمسح ورسم الخرائط، وتحليل الحركة.

أطلقت شركة مايكرو-ماجيك مؤخرًا طائرة I3500، وهي نظام ملاحة بالقصور الذاتي (INS) يعمل بتقنية MEMS، يتميز بانخفاض تكلفته، ومزود بوحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU) عالية الموثوقية، ووحدة تحديد المواقع والاتجاه عبر الأقمار الصناعية ثنائية الهوائي. كما يشتمل على مقياس مغناطيسي ومقياس ضغط جوي، مما يُمكّن الطائرة من حساب زاوية الميل، وبالتالي توجيهها إلى الارتفاع المطلوب.

خاتمة

يُحسّن دمج أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية MEMS مع تقنية GNSS دقة الملاحة بشكل ملحوظ من خلال الجمع بين مزايا كل منهما. وبفضل تطورها السريع، تُستخدم أنظمة MEMS INS على نطاق واسع في صناعات الطيران والفضاء، والنقل البحري، والسيارات. توفر تقنية GNSS تحديدًا دقيقًا للموقع، بينما تضمن أنظمة MEMS INS استمرارية الملاحة حتى في حالات انقطاع إشارة GNSS.

يجسد جهاز I3500 من شركة Micro-Magic Inc هذا التكامل، حيث يقدم بيانات ملاحة عالية الدقة، وهو مثالي للملاحة الذاتية والمسح وتحليل الحركة.

باختصار، يُحدث دمج نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) ونظام الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكي (MEMS INS) ثورة في الملاحة من خلال تحسين الدقة والموثوقية والتنوع في مختلف التطبيقات.