محققان استرالیایی از قدرت ستارگان برای مقابله با قطع سیگنال GPS در پهپادها استفاده می‌کنند
محققان یک سیستم ناوبری مبتنی بر دید توسعه داده‌اند که از داده‌های بصری ستارگان استفاده می‌کند.
سیستمی که توسط مهندسان دانشگاه استرالیای جنوبی (UniSA) توسعه یافته، جایگزین قابل اعتمادی برای ناوبری شبانه در مناطقی ارائه می‌دهد که سیگنال‌های GPS غیرقابل دسترس یا غیرقابل اعتماد هستند.
این سیستم از یک الگوریتم استفاده می‌کند که داده‌های بصری مبتنی بر ستاره‌ها را از طریق سیستم‌های خلبان اتوماتیک استاندارد تحلیل می‌کند. آزمایش بر روی یک پهپاد بال ثابت، موقعیت‌یابی دقیقی در محدوده ۲.۴ مایل (۴ کیلومتر) به دست آورد که با توجه به سادگی و مقرون‌به‌صرفه بودن آن، نتایج قابل توجهی را نشان می‌دهد.
تیم مدعی است که سیستم ناوبری سماوی سبک و مقرون‌به‌صرفه به طور یکپارچه در پهپادهای استاندارد ادغام می‌شود و یک پشتیبان قابل اعتماد و دقیق ارائه می‌دهد.
ساموئل تیگا، محقق در UniSA، در بیانیه‌ای گفت: «بر خلاف سیستم‌های ناوبری مبتنی بر ستارگان سنتی که اغلب پیچیده، سنگین و هزینه‌بر هستند، سیستم ما ساده‌تر، سبک‌تر و نیازی به سخت‌افزار پایدار کننده ندارد، که آن را برای پهپادهای کوچکتر مناسب می‌سازد».
موقعیت‌یابی مقاوم مبتنی بر ستارگان
ناوبری سماوی، یکی از قدیمی‌ترین روش‌های ناوبری هوانوردی، از موقعیت ستاره‌ها برای تعیین مکان استفاده می‌کند. با اینکه پیشرفت‌های GPS کاربرد آن را به سایه برده است، ناوبری سماوی همچنان برای سناریوهای بدون GPS ارزشمند است و مقاومت در برابر قطع کارکرد را ارائه می‌دهد.
سیستم‌های اولیه، مانند آن‌ها در هواپیمای SR-71، برای موقعیت‌یابی دقیق به تلسکوپ‌های پایدار و حسگرهای اینرسی متکی بودند. با این حال، اندازه و پیچیدگی آن‌ها باعث شد برای پهپادهای سبک و مدرن غیر عملی باشند.
تحقیقات اخیر بر روی سیستم‌های سماوی بدون بند تمرکز دارد، که سخت‌افزار پایدار کننده مکانیکی را حذف می‌کند و آن‌ها را سبک و مقرون‌به‌صرفه می‌کند. این سیستم‌ها از دوربین‌ها برای ردیابی ستاره‌ها استفاده می‌کنند، با الگوریتم‌هایی که موقعیت را بر اساس ارتفاع ستاره و داده‌های جهت گیری تخمین می‌زنند.
به گفته محققان، محدودیت اصلی دقت است، زیرا خطاهای جهت گیری در خلبان‌های اتوماتیک کم هزینه می‌تواند به نا دقت‌های موقعیتی قابل توجهی منجر شود. در حالی که روش‌های انکسار اتمسفری نویدبخش هستند، آن‌ها به سکوهای بسیار پایدار نیاز دارند.
پیشرفت‌های اخیر در دید کامپیوتری به چالش‌های محاسباتی پاسخ می‌دهد و ناوبری سماوی را در پهپادها امکان پذیر می‌سازد. مطالعه جدید قابلیت آن را به نمایش می‌گذارد و بین سادگی، هزینه و دقت برای کاربردهای عملی تعادل برقرار می‌کند.
تیگا در یک بیانیه گفت: «این نوع ناوبری برای عملیات بر روی اقیانوس‌ها یا در مناطق جنگی که قطع کارکرد GPS خطری است، ایده‌آل است. علاوه بر این، می‌تواند برای نظارت محیطی بسیار مفید باشد».
سیستم ناوبری مستقل
محققان در UniSA روشی برای افزایش دقت ناوبری سماوی با استفاده از حرکت مداری توسعه دادند. با انجام یک گردش کامل آزیموتال، هر ناهماهنگی در دوربین بخشی از خطا را در عرض و طول به دنبال دارد.
متوسط‌گیری این نتایج تخمین‌های موقعیتی را پالایش می‌کند، حتی زمانی که دوربین با سیستم مرجع جهت‌گیری و سربرگ ناهماهنگ باشد. این روش در طول یک پرواز واقعی آزمایش شد و دقت مکانی را در محدوده ۲.۵ مایل (۴ کیلومتر) با استفاده از مدارها در ارتفاع و سرعت ثابت به دست آوردند.
تخمین‌های مکانی پس از هر گردش متوسط گرفته شدند و الگوریتم جهت‌یابی دوربین را برای تقارب نزدیک به مکان واقعی بازتنظیم کرد. این فرآیند اثبات شده که مستحکم است و نیاز به هیچ شناختی از موقعیت قبلی ندارد و اجازه می‌دهد دوربین با دقت در نیم‌کره همسو شود.
بنا به گفته تیم، بر خلاف سیستم‌های سنتی که اندازه‌گیری‌های سماوی و اینرسی را از طریق فیلترهای پیچیده مانند فیلترهای کالمان توسعه یافته (EKF) ادغام می‌کنند، این سیستم بند نشسته مستقل عمل می‌کند. این سیستم اندازه‌گیری‌های جهانی کلی را که تحت تأثیر شرایط اولیه یا خطاهای ادغام قرار نمی‌گیرند، ارائه می‌دهد.
محققان برجسته می‌کنند که با زمان‌بندی دقیق، تکنیک مذکور در طول زمان نیز پایدار باقی می‌ماند و به چالش‌های کلیدی در پیاده‌سازی ناوبری سماوی برای کاربردهای عملی پهپاد پرداخته می‌شود.
یک محدودیت اساسی این روش وابستگی به دید آسمان است. با اینکه دوربین‌های مادون قرمز موج کوتاه یک جایگزین برای روز ارائه می‌دهند، اما دارای نسبت سیگنال به نویز پایین‌تری هستند که به خطاهای بیشتری منجر می‌شوند. تحقیقات آینده می‌تواند بررسی کند که آیا روش پیشنهادی می‌تواند این خطاهای افزوده را کاهش دهد یا خیر.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله پهپادها منتشر شده است.
