كارشناس آزمايشگاه تست جاده‌اي مركز تحقيقات و نوآوري صنايع خودروي ايران سايپا

معرفي سيستم ناوبري

سيستم‌هاي ناوبري با به كارگيري تكنولوژي تعيين موقعيت، امكان هدايت و كنترل مؤثرتر وسايل نقليه را فراهم مي‌آورند. استفاده از اين سيستم‌ها در صنايع دريانوردي و هوانوردي به علت مجازي بودن مسير حركت و نياز به تعيين موقعيت وسيله بر روي نقشه، از ديرباز متداول بوده؛ به گونه‌اي كه امروزه براي بسياري به كار بردن عبارت «سيستم ناوبري» تنها در كنار عباراتي همچون هوانوردي و دريانوردي متصور است.

در سال‌هاي اخير، ظهور تكنولوژي‌هاي جديد تعيين موقعيت ماهواره‌اي ((GNSS[1] همراه با توسعه فزاينده شبكه راه‌هاي ارتباط زميني و ترافيك بالاي تردد خودرو در آنها موجب حضور مؤثرتر سيستم‌هاي ناوبري در صنعت خودرو شده است. اين گونه سيستم‌ها با نام سيستم‌هاي ناوبري in-car يا LVNS[2] شناخته مي‌شوند.

با وجود گذشت مدت زمان نسبتاً كوتاهي از توسعه به كارگيري سيستم‌هاي ناوبري ماهواره‌اي در خودروها، آمارهاي جالبي در خصوص ميزان تأثير LVNS در كاهش هزينه‌ها و افزايش ايمني خودروها منتشر شده است. توسعه كاربرد LVNS به حدي بوده است كه مي‌توان نمونه‌هاي آن را در خودروهاي سواري، كاميون، ماشين‌هاي معدني و حتي كشاورزي يافت. بعضي از توليدكنندگان به نصب سيستم‌هاي ناوبري در خودروهاي توليدي‌شان اقدام كرده‌اند كه نه تنها يك سيستم جنبي نيست بلكه بخش اصلي سيستم‌هاي ارتباط راه دور خودرو به حساب مي‌آيد كه امكان ارسال اطلاعات دسته‌بندي شده را به راننده براي رانندگي ايمن، راحت و لذت بخش فراهم مي‌آورد. از نمونه اين اقدامات مي‌توان به سيستم‌هاي ناوبري هوندا، سيستم teleaid مرسدس و onstar جنرال موتورز اشاره كرد. همچنين جذابيت موجود در استفاده از LVNS براي مشتريان، به ارائه نمونه‌هاي تجاري متنوعي براي نصب و استفاده در خودروهاي فاقد اين سيستم در بازارهاي اروپا، ژاپن و امريكاي شمالي منجر شده است.

كاربرد سيستم ناوبري

استفاده از سيستم‌هاي LVNS به دو صورت است. 1) به عنوان وسيله‌اي براي تعيين موقعيت يك خودروي خاص (مكان‌يابي) 2) به عنوان وسيله‌اي براي رديابي خودروها در يك ناوگان خاص (رديابي).

الف) مكان‌يابي

در حوزه مكان‌يابي، سيستم ناوبري به كمك راننده مي‌آيد تا كوتاهترين مسير منتهي به مقصد را بيابد. اين كار به صورت ارسال دستورهايي است كه مسير صحيح را پس از هر گردش گوشزد مي‌كند.

مشهودترين مزيت اين سيستم از ديد شخصي، كاهش اتلاف وقت و انرژي است؛ ضمن اين كه باعث كاهش فشارهاي عصبي ناشي از انتخاب مسير اشتباه در پيمودن جاده‌هاي پرترافيك مي‌شود. از ديد اجتماعي نيز اين سيستم به كاهش مدت زمان حضور خودرو در جاده و افزايش ميزان استفاده بهينه از شبكه جاده‌هاي موجود مي‌انجامد كه اولين اثرش كاهش ترافيك است.

در طول دهه گذشته سيستم‌هاي ناوبري پيشرفت‌هاي فني مؤثري را تجربه كرده‌اند؛ به طوري كه وظايفي به مراتب فراتر از راهنمايي صرف براي انتخاب مسير كوتاه را برعهده دارند. همزماني توسعه تكنولوژي‌هاي ارتباطي با به كارگيري سيستم‌هاي ماهواره‌اي براي ناوبري، موجب ايجاد يك بازار تجاري جديد با عنوان «سرويس‌هاي برپايه موقعيت» (LBS[3]) شده است. سيستم‌هاي مدرن ناوبري امكان دستيابي به LBS را فراهم مي‌كنند و با استفاده از معلوم بودن جاي خودرو، سرويس‌هاي باارزشي در اختيار مشتريان قرار مي‌دهند. به عنوان مثال، آنها را به مكان‌هاي مورد نظر (فروشگاه‌ها، بانك‌ها، رستوران‌ها) هدايت مي‌كنند و يا آخرين تغييرات آب و هوايي و وضعيت ترافيكي را براساس موقعيت خودرو در اختيارشان مي‌گذارند. براي نمونه مي‌توان از سيستم ناوبري شركت نيسان در مدل‌هاي جديد محصولاتش (به طور عمده در ژاپن) با قابليت دريافت آخرين اخبار ترافيك از طريق امواج راديويي نام برد.

شركت‌هاي هوندا و جنرال موتورز سيستم‌هاي مشابهي را در امريكاي شمالي ارائه كرده‌اند. با استفاده از همين قابليت نه تنها بروز حوادث ترافيكي در مسيري خاص به اطلاع رانندگان مي‌رسد بلكه مناسبترين مسير جايگزين نيز پيشنهاد مي‌شود. اين اطلاعات براساس ميزان فاصله خودرو تا محل ترافيك، ديگر مسيرهاي قابل دسترسي و مقصد نهايي خودرو براي سيستم‌هاي ناوبري ارسال مي‌شود. به طور طبيعي ارائه به موقع چنين اطلاعات مناسبي، تأثير فوق‌العاده‌اي در تحقق روياي حذف مشكلات حاد ترافيكي خواهد داشت.

يك LVNS همچنين براي افزايش ايمني خودرو و سرنشينان آن به كار مي‌رود. با تحليل اطلاعات مربوط به ناوبري خودرو، سيستم قادر به تشخيص رفتارهاي غيرطبيعي راننده (ناشي از خستگي و ...) است و مي‌تواند هشدارهايي بدهد به علاوه در موقعيت‌هاي اضطراري نظير تصادفات، سيستم مي‌تواند به صورت اتوماتيك موقعيت خود را براي افراد يا گروهاي ذي‌صلاح مخابره كند. يك LVNS مي‌تواند به عنوان هسته تجهيزات افزايش ايمني خودرو بستر مناسبي را براي نوآوري‌هاي آينده فراهم آورد. اين سيستم با محاسبه سرعت، جهت و موقعيت خودرو همچنين پيش‌بيني مسير آن مي‌تواند سيستم‌هاي ايمني نظير سيستم ضد برخورد (CAS[4]) را فعال و هشدار لازم را به راننده اعلام كند.

ب) رديابي

در حوزه رديابي، صاحبان و مديران ناوگان‌هاي خودرويي، با كمك سيستم‌هاي ناوبري خودرو، قادر به رديابي و پايش دائمي خودرو بر روي نقشه ديجيتالي منطقه تردد، از طريق دريافت موقعيت لحظه‌اي خودرو به صورت پيغام ديجيتالي هستند. امكان پايش مستمر ناوگان نتايج مثبتي خواهد داشت، از جمله امكان كنترل دائمي (سواري و كاميون)، امكان يافتن نزديك‌ترين خودرو براي ارائه سرويس به مشتري مورد نظر در كوتاه‌ترين مدت (آمبولانس، ماشين پليس، ماشين آتش‌نشاني، تاكسي) و همچنين ارائه اطلاعات بهتر در موارد درخواست مشتري (خودروهاي ترانزيت، خودروي حمل بار و نامه). از مزاياي چنين سيستمي، افزايش بهره‌وري و صرفه‌جويي در زمان و هزينه است. وجود چنين اطلاعاتي سهم قابل ملاحظه‌اي در ياري مديران براي اتخاذ تصميم‌هاي تجاري برتر دارد.

تكنولوژي‌هاي مدرن تعيين موقعيت

تكنولوژي‌هاي مدرن تعيين موقعيت حول يك نام مي‌گردند و آن GPS[5] است. مجموعه GPS يك سيستم ناوبري ماهواره‌اي است كه امكان تعيين فاصله تا ايستگاه‌هاي مشخص ارسال سيگنال (ماهواره‌ها) را با استفاده از مدت زمان دريافت سيگنال فراهم مي‌كند.

گيرنده‌هاي GPS اين اطلاعات را دريافت و با استفاده از trilateration (تشكيل سه معادله و حل آن براساس سه مجهول طول، عرض و ارتفاع جغرافيايي) محل كاربر را محاسبه مي‌كنند. هم اكنون 29 ماهواره GPS فعال در مدار مستقر هستند. اين ماهواره‌ها سيگنال‌هاي راديويي را روي دو فركانس حامل منتشر مي‌كنند كه عبارتند از (MHz 42/1575) L1 و (MHz 60/1227) L2 كه سيگنال L1 براي مصارف غيرنظامي است.

برخلاف اهداف صرفاً نظامي اوليه در طراحي، امروزه GPS به يكي از ابزارهاي كاربردي زندگي شهري تبديل شده است كه چندين ميليون كاربر دارد و اين ميزان در حال رشد است. از زماني كه محدوديت استفاده از GPS مرتفع شد(مي 2000 ميلادي)دقت سيگنال دريافتي بالاتر رفت و موقعيت‏هاي محاسبه شده توسط گيرنده‏هاي شهري دقيق‌تر شد؛ به حدي كه دقت لازم براي به كارگيري در سيستم ناوبري خودرو را يافت. اين مزايا به همراه كاهش قيمت تمام شده گيرنده‌هاي GPS باعث شد GPS به عنوان گزينه‌اي جذاب با صرفه اقتصادي بالا براي طراحي LVNS مطرح شود.

با وجود مزاياي فوق‌العاده مذكور، عملكرد GPS در شرايط محيطي خاص چندان مطلوب نيست. سيگنال GPS يك سيگنال توان پايين dBW[6]) 160) و فركانس بالاست كه ممكن است توسط ساختمان‌هاي بلند، تونل‌ها، زيرگذرها و درختان، ضعيف‌تر و يا به كلي قطع ‌شود. اين موضوع باعث كاهش قدرت گيرنده در دريافت سيگنال حداقل چهار ماهواره مي‌شود كه براي تعيين موقعيت لازم است، لذا در چنين محيط‌هايي شاهد عدم پيوستگي كاركرد دستگاه گيرنده در اعلام موقعيت خواهيم بود. اين مشكل و مشكل دريافت سيگنال چند مسيره كه ناشي از انعكاس نور بر اثر برخورد با نماهاي خاص ساختماني است، باعث كاهش ميزان دقت، پيوستگي عملكرد و قابليت اطمينان GPS به منظور استفاده در LVNS مي‌شود لذا يك گيرنده GPS نمي‌تواند به تنهايي براي ناوبري به ويژه در محيط‌هاي شهري با شرايط خاص مذكور به كار رود.

INS و تركيب آن با GPS

سيستم ناوبري اينرسي يا INS[7] مي‌تواند به عنوان مكمل مناسبي در كنار GPS، نتايج مطلوبي را براي استفاده در LVNS به دست دهد. يك INS از سه ژيروسكوپ و سه شتاب سنج تشكيل شده است كه روي سه صفحه عمود بر هم نصب شده‌اند. اساس كار در ناوبري اينرسي، بر قانون دوم نيوتن استوار است كه مي‌گويد يك شيء وضعيت سكون يا حركت يكنواخت خود را حفظ مي‌كند، مگر اين كه يك نيروي خارجي به آن وارد شود، اعمال نيروي خارجي توليد شتاب مي‌كند كه توسط شتاب سنج‌ها اندازه‌گيري مي‌شود.

با دو بار انتگرال گيري از شتاب مذكور، مسافت طي شده قابل اندازه‌گيري خواهد بود. اين مسافت در تركيب با تغيير جهت اندازه‌گيري شده توسط ژيروسكوپ‌ها مي‌تواند نشان دهنده موقعيت فعلي خودرو در صورت مشخص بودن وضعيت قبل از اعمال نيروي خارجي باشد. از زمان جنگ جهاني دوم INS به يكي از اجزاي حساس و مهم در هواپيما، كشتي و زيردريايي‌ها تبديل شد. ويژگي خاص INS كه آن را مكمل GPS كرده، كاركرد مناسب آن در همه محيط‌هاست. ضعف عمده چنين سيستمي نيز رشد خطاي نتيجه با گذشت زمان و افزايش فواصل است. با وجود اين، INS از دقت فوق‌العاده‌اي در صورت به كارگيري در زمان‌هاي كوتاه برخوردار است.

با لحاظ نقاط قوت و ضعف دو سيستم، مي‌توان هر كدام را داراي ويژگي‌هايي دانست كه برطرف كننده ضعف ديگري است. تركيب دو سيستم يا به عبارتي GPS/INS، تركيبي ايده‌آل براي LVNS را به دست مي‌دهد. گيرنده GPS مي‌تواند در تركيب با INS مانع رشد خطاي آن شود. در عين حال INS مي‌تواند ناپيوستگي‌هاي عملكرد در GPS را بپوشاند. ضمن اين كه مقايسه نتايج دو سيستم مي‌تواند مانع از اعلام نتايج خارج از محدوده و افزايش قابليت اطمينان آنها شود.

مانع اصلي در استفاده فراگير از تركيب GPS/INS قيمت نسبتاً بالاي INS است. البته طي سال‌هاي اخير نمونه‌هاي ارزان قيمتي از سنسورهاي اينرسي به بازار معرفي شده كه در آنها ميكروسنسورهاي الكترومكانيكال (MEMS[8]) به كار رفته است. علاوه بر قيمت مناسب، به علت عدم استفاده از قطعات متحرك، MEMSها عمر طولاني دارند. مصرف پايين و قابليت اطمينان بالا از ديگر ويژگي آنهاست. اما از جمله معايب آنها مي‌توان به دقت كمترشان نسبت به ساير تكنولوژي‌هاي به كار رفته در سنسورهاي اينرسي و همچنين حساسيت شديد به تغييرات دمايي اشاره كرد.

نتيجه‌گيري

سيستم ناوبري در خودروها سيستمي ويژه است كه امكان كنترل و تأمين ايمني بيشتر را فراهم مي‌آورد. عملكرد صحيح يك سيستم ناوبري برپايه تكنولوژي تعيين موقعيت به كار گرفته شده در آن است كه در تركيب با نقشه ديجيتالي منطقه تردد، امكان تعيين موقعيت خودرو در شبكه راه‌هاي موجود را فراهم مي‌آورد. تكنولوژي‌هاي متفاوتي براي تعيين موقعيت وجود دارد. يك راه‌حل عملي براي داشتن سيستمي با عملكرد پيوسته، دقيق و مطمئن، به كارگيري همزمان دو تكنولوژي GPS و INS است. در آينده به علت توسعه GNSSهاي جديد و همچنين توسعه توليد MEMSها گزينه‌هاي تكنيكي متعددي در طراحي سيستم‌هاي ناوبري در اختيار طراحان خواهد بود.

دسترسي به سيستم‌هاي مختلف تعيين موقعيت امكان استفاده بهينه از مناسبترين تركيب و در نتيجه كاهش هزينه سيستم و افزايش دقت عملكرد را براي طراحان فراهم مي‌آورد. در ايران نيز همچون ساير نقاط دنيا با استفاده از يك گيرنده GPS مي‌توان سيگنال ارسالي ماهواره‌ها را براي تعيين موقعيت، دريافت و استفاده كرد. سازمان نقشه‌برداري نيز با تهيه نقشه‌هاي مناسب با جزئيات كافي راه را براي سيستم‌هاي ناوبري هموار كرده است. در حوزه مكان‌يابي تمامي زيرساخت‌هاي لازم فراهم است. البته واضح است كه هنوز راهي طولاني (به عنوان مثال براي دستيابي به يك نقشه با جزئيات كامل و ...) پيش روست ولي به علت محدوديت‌هايي كه براي بخش خصوصي در به كارگيري تجهيزات مخابراتي وجود دارد، هنوز براي اين بخش استفاده از اين تكنولوژي در حوزه رديابي امكان پذير نيست. اين در حالي است كه در برنامه‌هاي بلندمدت بيشتر نهادهاي دولتي استفاده از GPS به منظور رديابي لحاظ شده است. طي چند سال آينده به تبع آنچه در ساير نقاط دنيا اتفاق مي‌افتد، شاهد تقاضاي مشتريان ايراني براي استفاده از سيستم‌هاي ناوبري در خودروهايشان خواهيم بود. به منظور پاسخگويي به اين نياز مي‌بايست از سيستم‌هاي ناوبري موجود در بازار استفاده كرد. از طرفي با توجه به اين كه عملكرد سيستم مذكور تأثير قابل ملاحظه‌اي بر تصميم‌گيري مشتريان خواهد داشت، شايسته است با توجه به موضوعاتي چون تركيب GPS و INS آمادگي لازم را براي به كارگيري مؤثرتر اين تكنولوژي كسب كرد.

--------------------------------------------------------------------------------

[1] - Global Navigation Satellite System

[2] - Land Vehicle Navigation System

[3] - Location Based Services

[4] - Collision Avoidance System

[5] - Global Positioning System

[6] - Decibel-Watt (dBW) is a unit of power.

[7] - Inertial Navigation System

[8] - Micro Electro Mechanical System