كارشناس آزمایشگاه تست جاده‌ای مركز تحقیقات و نوآوری صنایع خودروی ایران سایپا

معرفی سیستم ناوبری

سیستم‌های ناوبری با به كارگیری تكنولوژی تعیین موقعیت، امكان هدایت و كنترل مؤثرتر وسایل نقلیه را فراهم می‌آورند. استفاده از این سیستم‌ها در صنایع دریانوردی و هوانوردی به علت مجازی بودن مسیر حركت و نیاز به تعیین موقعیت وسیله بر روی نقشه، از دیرباز متداول بوده؛ به گونه‌ای كه امروزه برای بسیاری به كار بردن عبارت «سیستم ناوبری» تنها در كنار عباراتی همچون هوانوردی و دریانوردی متصور است.

در سال‌های اخیر، ظهور تكنولوژی‌های جدید تعیین موقعیت ماهواره‌ای ((GNSS[1] همراه با توسعه فزاینده شبكه راه‌های ارتباط زمینی و ترافیك بالای تردد خودرو در آنها موجب حضور مؤثرتر سیستم‌های ناوبری در صنعت خودرو شده است. این گونه سیستم‌ها با نام سیستم‌های ناوبری in-car یا LVNS[2] شناخته می‌شوند.

با وجود گذشت مدت زمان نسبتاً كوتاهی از توسعه به كارگیری سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای در خودروها، آمارهای جالبی در خصوص میزان تأثیر LVNS در كاهش هزینه‌ها و افزایش ایمنی خودروها منتشر شده است. توسعه كاربرد LVNS به حدی بوده است كه می‌توان نمونه‌های آن را در خودروهای سواری، كامیون، ماشین‌های معدنی و حتی كشاورزی یافت. بعضی از تولیدكنندگان به نصب سیستم‌های ناوبری در خودروهای تولیدی‌شان اقدام كرده‌اند كه نه تنها یك سیستم جنبی نیست بلكه بخش اصلی سیستم‌های ارتباط راه دور خودرو به حساب می‌آید كه امكان ارسال اطلاعات دسته‌بندی شده را به راننده برای رانندگی ایمن، راحت و لذت بخش فراهم می‌آورد. از نمونه این اقدامات می‌توان به سیستم‌های ناوبری هوندا، سیستم teleaid مرسدس و onstar جنرال موتورز اشاره كرد. همچنین جذابیت موجود در استفاده از LVNS برای مشتریان، به ارائه نمونه‌های تجاری متنوعی برای نصب و استفاده در خودروهای فاقد این سیستم در بازارهای اروپا، ژاپن و امریكای شمالی منجر شده است.

كاربرد سیستم ناوبری

استفاده از سیستم‌های LVNS به دو صورت است. 1) به عنوان وسیله‌ای برای تعیین موقعیت یك خودروی خاص (مكان‌یابی) 2) به عنوان وسیله‌ای برای ردیابی خودروها در یك ناوگان خاص (ردیابی).

الف) مكان‌یابی

در حوزه مكان‌یابی، سیستم ناوبری به كمك راننده می‌آید تا كوتاهترین مسیر منتهی به مقصد را بیابد. این كار به صورت ارسال دستورهایی است كه مسیر صحیح را پس از هر گردش گوشزد می‌كند.

مشهودترین مزیت این سیستم از دید شخصی، كاهش اتلاف وقت و انرژی است؛ ضمن این كه باعث كاهش فشارهای عصبی ناشی از انتخاب مسیر اشتباه در پیمودن جاده‌های پرترافیك می‌شود. از دید اجتماعی نیز این سیستم به كاهش مدت زمان حضور خودرو در جاده و افزایش میزان استفاده بهینه از شبكه جاده‌های موجود می‌انجامد كه اولین اثرش كاهش ترافیك است.

در طول دهه گذشته سیستم‌های ناوبری پیشرفت‌های فنی مؤثری را تجربه كرده‌اند؛ به طوری كه وظایفی به مراتب فراتر از راهنمایی صرف برای انتخاب مسیر كوتاه را برعهده دارند. همزمانی توسعه تكنولوژی‌های ارتباطی با به كارگیری سیستم‌های ماهواره‌ای برای ناوبری، موجب ایجاد یك بازار تجاری جدید با عنوان «سرویس‌های برپایه موقعیت» (LBS[3]) شده است. سیستم‌های مدرن ناوبری امكان دستیابی به LBS را فراهم می‌كنند و با استفاده از معلوم بودن جای خودرو، سرویس‌های باارزشی در اختیار مشتریان قرار می‌دهند. به عنوان مثال، آنها را به مكان‌های مورد نظر (فروشگاه‌ها، بانك‌ها، رستوران‌ها) هدایت می‌كنند و یا آخرین تغییرات آب و هوایی و وضعیت ترافیكی را براساس موقعیت خودرو در اختیارشان می‌گذارند. برای نمونه می‌توان از سیستم ناوبری شركت نیسان در مدل‌های جدید محصولاتش (به طور عمده در ژاپن) با قابلیت دریافت آخرین اخبار ترافیك از طریق امواج رادیویی نام برد.

شركت‌های هوندا و جنرال موتورز سیستم‌های مشابهی را در امریكای شمالی ارائه كرده‌اند. با استفاده از همین قابلیت نه تنها بروز حوادث ترافیكی در مسیری خاص به اطلاع رانندگان می‌رسد بلكه مناسبترین مسیر جایگزین نیز پیشنهاد می‌شود. این اطلاعات براساس میزان فاصله خودرو تا محل ترافیك، دیگر مسیرهای قابل دسترسی و مقصد نهایی خودرو برای سیستم‌های ناوبری ارسال می‌شود. به طور طبیعی ارائه به موقع چنین اطلاعات مناسبی، تأثیر فوق‌العاده‌ای در تحقق رویای حذف مشكلات حاد ترافیكی خواهد داشت.

یك LVNS همچنین برای افزایش ایمنی خودرو و سرنشینان آن به كار می‌رود. با تحلیل اطلاعات مربوط به ناوبری خودرو، سیستم قادر به تشخیص رفتارهای غیرطبیعی راننده (ناشی از خستگی و ...) است و می‌تواند هشدارهایی بدهد به علاوه در موقعیت‌های اضطراری نظیر تصادفات، سیستم می‌تواند به صورت اتوماتیك موقعیت خود را برای افراد یا گروهای ذی‌صلاح مخابره كند. یك LVNS می‌تواند به عنوان هسته تجهیزات افزایش ایمنی خودرو بستر مناسبی را برای نوآوری‌های آینده فراهم آورد. این سیستم با محاسبه سرعت، جهت و موقعیت خودرو همچنین پیش‌بینی مسیر آن می‌تواند سیستم‌های ایمنی نظیر سیستم ضد برخورد (CAS[4]) را فعال و هشدار لازم را به راننده اعلام كند.

ب) ردیابی

در حوزه ردیابی، صاحبان و مدیران ناوگان‌های خودرویی، با كمك سیستم‌های ناوبری خودرو، قادر به ردیابی و پایش دائمی خودرو بر روی نقشه دیجیتالی منطقه تردد، از طریق دریافت موقعیت لحظه‌ای خودرو به صورت پیغام دیجیتالی هستند. امكان پایش مستمر ناوگان نتایج مثبتی خواهد داشت، از جمله امكان كنترل دائمی (سواری و كامیون)، امكان یافتن نزدیك‌ترین خودرو برای ارائه سرویس به مشتری مورد نظر در كوتاه‌ترین مدت (آمبولانس، ماشین پلیس، ماشین آتش‌نشانی، تاكسی) و همچنین ارائه اطلاعات بهتر در موارد درخواست مشتری (خودروهای ترانزیت، خودروی حمل بار و نامه). از مزایای چنین سیستمی، افزایش بهره‌وری و صرفه‌جویی در زمان و هزینه است. وجود چنین اطلاعاتی سهم قابل ملاحظه‌ای در یاری مدیران برای اتخاذ تصمیم‌های تجاری برتر دارد.

تكنولوژی‌های مدرن تعیین موقعیت

تكنولوژی‌های مدرن تعیین موقعیت حول یك نام می‌گردند و آن GPS[5] است. مجموعه GPS یك سیستم ناوبری ماهواره‌ای است كه امكان تعیین فاصله تا ایستگاه‌های مشخص ارسال سیگنال (ماهواره‌ها) را با استفاده از مدت زمان دریافت سیگنال فراهم می‌كند.

گیرنده‌های GPS این اطلاعات را دریافت و با استفاده از trilateration (تشكیل سه معادله و حل آن براساس سه مجهول طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی) محل كاربر را محاسبه می‌كنند. هم اكنون 29 ماهواره GPS فعال در مدار مستقر هستند. این ماهواره‌ها سیگنال‌های رادیویی را روی دو فركانس حامل منتشر می‌كنند كه عبارتند از (MHz 42/1575) L1 و (MHz 60/1227) L2 كه سیگنال L1 برای مصارف غیرنظامی است.

برخلاف اهداف صرفاً نظامی اولیه در طراحی، امروزه GPS به یكی از ابزارهای كاربردی زندگی شهری تبدیل شده است كه چندین میلیون كاربر دارد و این میزان در حال رشد است. از زمانی كه محدودیت استفاده از GPS مرتفع شد(می 2000 میلادی)دقت سیگنال دریافتی بالاتر رفت و موقعیت‏های محاسبه شده توسط گیرنده‏های شهری دقیق‌تر شد؛ به حدی كه دقت لازم برای به كارگیری در سیستم ناوبری خودرو را یافت. این مزایا به همراه كاهش قیمت تمام شده گیرنده‌های GPS باعث شد GPS به عنوان گزینه‌ای جذاب با صرفه اقتصادی بالا برای طراحی LVNS مطرح شود.

با وجود مزایای فوق‌العاده مذكور، عملكرد GPS در شرایط محیطی خاص چندان مطلوب نیست. سیگنال GPS یك سیگنال توان پایین dBW[6]) 160) و فركانس بالاست كه ممكن است توسط ساختمان‌های بلند، تونل‌ها، زیرگذرها و درختان، ضعیف‌تر و یا به كلی قطع ‌شود. این موضوع باعث كاهش قدرت گیرنده در دریافت سیگنال حداقل چهار ماهواره می‌شود كه برای تعیین موقعیت لازم است، لذا در چنین محیط‌هایی شاهد عدم پیوستگی كاركرد دستگاه گیرنده در اعلام موقعیت خواهیم بود. این مشكل و مشكل دریافت سیگنال چند مسیره كه ناشی از انعكاس نور بر اثر برخورد با نماهای خاص ساختمانی است، باعث كاهش میزان دقت، پیوستگی عملكرد و قابلیت اطمینان GPS به منظور استفاده در LVNS می‌شود لذا یك گیرنده GPS نمی‌تواند به تنهایی برای ناوبری به ویژه در محیط‌های شهری با شرایط خاص مذكور به كار رود.

INS و تركیب آن با GPS

سیستم ناوبری اینرسی یا INS[7] می‌تواند به عنوان مكمل مناسبی در كنار GPS، نتایج مطلوبی را برای استفاده در LVNS به دست دهد. یك INS از سه ژیروسكوپ و سه شتاب سنج تشكیل شده است كه روی سه صفحه عمود بر هم نصب شده‌اند. اساس كار در ناوبری اینرسی، بر قانون دوم نیوتن استوار است كه می‌گوید یك شیء وضعیت سكون یا حركت یكنواخت خود را حفظ می‌كند، مگر این كه یك نیروی خارجی به آن وارد شود، اعمال نیروی خارجی تولید شتاب می‌كند كه توسط شتاب سنج‌ها اندازه‌گیری می‌شود.

با دو بار انتگرال گیری از شتاب مذكور، مسافت طی شده قابل اندازه‌گیری خواهد بود. این مسافت در تركیب با تغییر جهت اندازه‌گیری شده توسط ژیروسكوپ‌ها می‌تواند نشان دهنده موقعیت فعلی خودرو در صورت مشخص بودن وضعیت قبل از اعمال نیروی خارجی باشد. از زمان جنگ جهانی دوم INS به یكی از اجزای حساس و مهم در هواپیما، كشتی و زیردریایی‌ها تبدیل شد. ویژگی خاص INS كه آن را مكمل GPS كرده، كاركرد مناسب آن در همه محیط‌هاست. ضعف عمده چنین سیستمی نیز رشد خطای نتیجه با گذشت زمان و افزایش فواصل است. با وجود این، INS از دقت فوق‌العاده‌ای در صورت به كارگیری در زمان‌های كوتاه برخوردار است.

با لحاظ نقاط قوت و ضعف دو سیستم، می‌توان هر كدام را دارای ویژگی‌هایی دانست كه برطرف كننده ضعف دیگری است. تركیب دو سیستم یا به عبارتی GPS/INS، تركیبی ایده‌آل برای LVNS را به دست می‌دهد. گیرنده GPS می‌تواند در تركیب با INS مانع رشد خطای آن شود. در عین حال INS می‌تواند ناپیوستگی‌های عملكرد در GPS را بپوشاند. ضمن این كه مقایسه نتایج دو سیستم می‌تواند مانع از اعلام نتایج خارج از محدوده و افزایش قابلیت اطمینان آنها شود.

مانع اصلی در استفاده فراگیر از تركیب GPS/INS قیمت نسبتاً بالای INS است. البته طی سال‌های اخیر نمونه‌های ارزان قیمتی از سنسورهای اینرسی به بازار معرفی شده كه در آنها میكروسنسورهای الكترومكانیكال (MEMS[8]) به كار رفته است. علاوه بر قیمت مناسب، به علت عدم استفاده از قطعات متحرك، MEMSها عمر طولانی دارند. مصرف پایین و قابلیت اطمینان بالا از دیگر ویژگی آنهاست. اما از جمله معایب آنها می‌توان به دقت كمترشان نسبت به سایر تكنولوژی‌های به كار رفته در سنسورهای اینرسی و همچنین حساسیت شدید به تغییرات دمایی اشاره كرد.

نتیجه‌گیری

سیستم ناوبری در خودروها سیستمی ویژه است كه امكان كنترل و تأمین ایمنی بیشتر را فراهم می‌آورد. عملكرد صحیح یك سیستم ناوبری برپایه تكنولوژی تعیین موقعیت به كار گرفته شده در آن است كه در تركیب با نقشه دیجیتالی منطقه تردد، امكان تعیین موقعیت خودرو در شبكه راه‌های موجود را فراهم می‌آورد. تكنولوژی‌های متفاوتی برای تعیین موقعیت وجود دارد. یك راه‌حل عملی برای داشتن سیستمی با عملكرد پیوسته، دقیق و مطمئن، به كارگیری همزمان دو تكنولوژی GPS و INS است. در آینده به علت توسعه GNSSهای جدید و همچنین توسعه تولید MEMSها گزینه‌های تكنیكی متعددی در طراحی سیستم‌های ناوبری در اختیار طراحان خواهد بود.

دسترسی به سیستم‌های مختلف تعیین موقعیت امكان استفاده بهینه از مناسبترین تركیب و در نتیجه كاهش هزینه سیستم و افزایش دقت عملكرد را برای طراحان فراهم می‌آورد. در ایران نیز همچون سایر نقاط دنیا با استفاده از یك گیرنده GPS می‌توان سیگنال ارسالی ماهواره‌ها را برای تعیین موقعیت، دریافت و استفاده كرد. سازمان نقشه‌برداری نیز با تهیه نقشه‌های مناسب با جزئیات كافی راه را برای سیستم‌های ناوبری هموار كرده است. در حوزه مكان‌یابی تمامی زیرساخت‌های لازم فراهم است. البته واضح است كه هنوز راهی طولانی (به عنوان مثال برای دستیابی به یك نقشه با جزئیات كامل و ...) پیش روست ولی به علت محدودیت‌هایی كه برای بخش خصوصی در به كارگیری تجهیزات مخابراتی وجود دارد، هنوز برای این بخش استفاده از این تكنولوژی در حوزه ردیابی امكان پذیر نیست. این در حالی است كه در برنامه‌های بلندمدت بیشتر نهادهای دولتی استفاده از GPS به منظور ردیابی لحاظ شده است. طی چند سال آینده به تبع آنچه در سایر نقاط دنیا اتفاق می‌افتد، شاهد تقاضای مشتریان ایرانی برای استفاده از سیستم‌های ناوبری در خودروهایشان خواهیم بود. به منظور پاسخگویی به این نیاز می‌بایست از سیستم‌های ناوبری موجود در بازار استفاده كرد. از طرفی با توجه به این كه عملكرد سیستم مذكور تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر تصمیم‌گیری مشتریان خواهد داشت، شایسته است با توجه به موضوعاتی چون تركیب GPS و INS آمادگی لازم را برای به كارگیری مؤثرتر این تكنولوژی 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