ملاحظات به کارگیری سیستم های تله متری و موقعیت یاب جهانی در راکت های کاوش

مقدمه

سیستم های تله متری و موقعیت یاب جهانی از مهم ترین سیستم های به کار رفته در انواع راکت های کاوش هستند. سیستم های ردیابی بر مبنای جی پی اس برای تمام انواع وسایل، و ب هخصوص وسایل فضایی، در سال های اخیر به سرعت اهمیت پیدا کرده است. علاوه بر کاربردهای تجاری برای توسعه جی پی اس، تقاضا برای استفاده از این
وسیله در سیستم های دینامیکی نیز رو به افزایش است. در حالی که امروزه تعداد زیادی جی پی اس برای کاربردهای غیرنظامی با قیمت های کم در سراسر دنیا قابل خرید هستند، سیستم های مورد نیاز برای محیط های دینامیکی هنوز کمیاب و گران هستند. تقریباً تمام این سیستم ها در ایالات متحده تولید می شوند که دسترسی به آنها دارای محدودیت های زیادی است. استفاده از جی پی اس های غیرنظامی در وسایل پرتابی از سال ۱۹۴۴ آغاز شد که با استفاده از
تکنولوژی ناسا، تعدادی از گیرنده های جی پی اس در راکت های کاوش آزمایش شدند. همچنین در سال ۲۰۰۱ در سه پرواز راکت کاوش در سوئد، موفقیت این سیستم به اثبات رسیده است. در این تحقیق یک گیرنده جی پی اس نظیر شکل ۱ برای ردگیری سیستم دینامیکی راکت کاوش استفاده شده است که قبلاً قابلیت های آن برای چنین منظوری مورد بررسی موفقیت آمیز قرار گرفته است. این سیستم با به کارگیری تمهیداتی حتی می تواند در ماهواره های مدار پایین نیز به منظور ناوبری، زمان بندی و تعیین ، مدار مورد استفاده قرار گیرد . سیستم تله متری وظیفه انتقال داده های راکت کاوش به سمت ایستگاه زمینی از طریق لینک رادیویی را بر عهده دارد. بیشتر داده هایی که در حین پرواز یک راکت حاصل می شوند لحظه ای بوده و باید در زمان خود ثبت و ضبط شوند. داده کسب شده را می توان جمع آوری و به زمین مخابره و بر روی رایانه زمینی ذخیره کرد. برای این کار استفاده از سیستم تله متری داده در راکت های کاوش مرسوم است. داده های ارسالی توسط این سیستم، توسط گیرنده زمینی دریافت و بر روی رایانه ذخیره میشود.
برای طراحی یک سیستم مخابراتی مناسب جهت ایجاد ارتباط بین ایستگاه زمینی ثابت و محموله متحرک راکت کاوش، نیاز است که مجموعه مشخصات مخابراتی و مکانیکی به عنوان فرضیات مسئله در نظر گرفته شود و پس از تثبیت این پارامترها طراحی دقیق مجموعه مخابراتی صورت گرفته و مشخصات فنی لازم جهت بهره برداری سازنده ارائه شود. مقاله ارائه شده با ملاحظات فوق و برخی فرضیات مناسب الکتریکی و مکانیکی سیستم تله متری یک راکت کاوش و همچنین امکا نپذیری تهیه و ساخت سیستم های مورد نیاز در داخل کشور، ابتدا مراحل طراحی سیستم مناسب برای کاربرد مورد نظر را ارائه می دهد سپس به آزمایش های عملکردی و محیطی انجام شده بر روی این سیستم می پردازد

سیستم موقعیت یاب جهانی

این سیستم باید اطلاعات موقعیت را از چند ماهواره دریافت کند. برای تعیین موقعیت صحیح، تعداد حداقل ۴ ماهواره باید در بازه دید آنتن گیرنده باشد. با افزایش تعداد ماهواره ها دقت داده های دریافتی افزایش می یابد. تعیین موقعیت با این روش نسبتاً ارزان است اما ایراد کار وابستگی آن به ماهواره ها و ضمناً مسئله دید دائم و پوشش مناسب و ارتباط گیرنده با ماهواره هاست. در صورتی که گیرنده نتواند حداقل تعداد ماهواره ها را ببیند، میزان دقت سیستم پایین می آید، تا آنجا که امکان یافتن موقعیت صحیح از بین می رود. مسائل دیگر از جمله چند مسیره شدن سیگنال و افت توان سیگنال در مقابل نویز از دیگر مشکلاتی است که در این روش وجود دارند و به نوعی باید با آنها به مقابله پرداخت. شکل ۲ شماتیک تجهیزات یک سیستم موقعیت یاب جهانی را نشان می دهد.
یکی از کاربردهای مهم سیستم جی پی اس رهگیری اجسام متحرک است. انجام رهگیری با این سیستم معادل انجام این دو مهم است.
بهترین تقریب، انجام این دو کار با حداقل پردازش است. سیگنال دریافتی ماهواره توسط این سیستم، تغییر فرکانس یافته و به زمین ارسال می گردد. حلقه رهگیری و پردازش اطلاعات دریافتی همگی در ایستگاه زمینی انجام می گیرد. با وجود تمامی موارد کاربردی، برخی ویژگی های سیستم ماهواره ای برای برخی کاربردها نامناسب است. شاید بعضی اوقات نتوان از دست دادن اطلاعات موقعیت را، که گاهی به دلیل بلوکه شدن ۱ ماهواره ها رخ می دهد، تحمل کرد و یا نیاز به روزآمد کردن ۲ اطلاعات خیلی بیشتر از حدی باشد که با تکنولوژی گیرنده های اخیر میسر است. در اکثر این حالات م یتوان از یک سیستم کمکی مانند سیستم اینرسی بهره جست.
با توجه به خصوصیات سیستم اینرسی این مسئله مطرح می گردد که آیا سیستم اینرسی راه حل بهتری نسبت به جی پی اس برای تعیین موقعیت و جهت نیست؟ استفاده از سیستم اینرسی برای تعیین موقعیت و جهت دارای چند مزیت، به ویژه برای وسایل متحرک است. از جمله اینکه بدون توجه به حرکت وسیله، از دقت بالایی برخوردار است و نیز خوداتکاست. با وجود این، سیستم اینرسی نیاز به تثبیت موقعیت خارجی ۳ در آغاز و انتهای حرکت وسیله دارد تا یک چارچوب مرجع جغرافیایی برای مشاهدات سیستم ایجاد کند. همچنین خطاهای این سیستم با گذر زمان زیاد می شوند و نیاز است بعد از گذشت زمانی محدود داده ها را به روز کرد. این
موضوع منجر می شود به اینکه سیستم اینرسی تنها برای مشاهدات کوتاه مدت مناسب باشد. به طور خلاصه
سیستم جی پی اس:
− موقعیت و سرعت را با دقت زیاد اندازه میگیرد.
− دقت جهت آن متوسط است.
− پهنای باند کمی نیاز دارد.
− تحت تأثیر بلوکه شدن ماهوار ههاست.
− تحت تأثیر مستقیم اطلاعات ارسالی از ماهواره هاست (از جهت امکان خطا یا فریب به وسیله سیگنال ارسالی).
سیستم اینرسی:
− در محدوده زمانی کوتاه، دارای دقت دینامیکی بالایی است.
− پهنای باند زیادی دارد.
− مشکل بلوکه شدن سیگنال را ندارد.
− خطاها با گذشت زمان افزایش م ییابد.
− غیرقابل فریب است.
سیستم تله متری
تله متری وظیفه انتقال داده های راکت کاوش به سمت ایستگاه زمینی از طریق لینک رادیویی را بر عهده دارد. بیشتر داده هایی که در حین پرواز یک راکت حاصل می شوند لحظه ای بوده و باید در زمان خود ثبت و ضبط شوند. این داده ها به دو صورت ذخیره می شود. یک راه ضبط آن بر روی رایانه ای در داخل محموله راکت است، تا پس از بازیابی داده در دسترس قرار گیرد. اما برای اطمینان بیشتر، داده کسب شده را می توان جمع آوری و به زمین مخابره و بر روی رایانه زمینی ذخیره کرد. برای این کار استفاده از سیستم تله متری داده در راکتهای کاوش مرسوم است. داده های ارسالی توسط این سیستم، توسط گیرنده زمینی دریافت و بر روی رایانه ذخیره می شود. در وهله اول، این داده ها خام هستند که پس از ذخیره، باید تحلیل شوند تا نهایتاً نتایج مورد نظر به دست آید. یک سیستم تله متری معمولاً شامل بخش های مختلفی از جمله منبع تغذیه، واحد ورودی، فرستنده و مدولاتور، تقویت کننده، تقسیم کننده و آنتن است.
پس از بررسی و مطالعات فراوان در مورد طراحی یک سیستم تله متری داده در راکت کاوش، مشخص شد که مهم ترین مسئله در این زمینه محاسبات لینک بین محموله ثابت و ایستگاه زمینی است که خود شامل پارامترهای ذیل است:
باند فرکانس، بهره آنتن ها، حداکثر فاصله بین محموله و ایستگاه زمینی، نوع مدولاسیون، انتقال فرکانس داپلر و نرخ بیت
ارسال داده. با معین شدن این پارامترها، محاسبات با فرض یک

توان ارسالی معین شروع می شود و در پایان محاسبات، مقدار توان لازم برای دستیابی به یک لینک مورد اطمینان تصحیح خواهد شد .

آزمایش های لازم برای سنجش قابلیت سیستم طراحی شده
هر سیستمی پس از طراحی و ساخت، مورد انجام آزمایش هایی قرار می گیرد تا عملکرد آن برای شرایط پروازی راکت بررسی شده و تأیید گردد. این آزمایش ها برای سیست مهای یک راکت کاوش به دو دسته عملکردی و محیطی تقسیم می گردند.
آزمایش های عملکردی

در این بخش آزمایش های عملکردی که بر روی هر دو سیستم موقعیت یاب جهانی و تله متری باید انجام شود، ذکر می گردد.
۱٫ سیستم موقعیت یاب جهانی
به منظور بررسی نحوه عملکرد سیستم، آزمایش های متعددی انجام می گیرد. منظور از این آزمایش ها بررسی توانایی ها و محدودیت های سیستم به تنهایی و نیز هنگام سوار شدن در محموله راکت به همراه سایر سیستم هاست.
– آزمایش وضعیت قرار گرفتن آنتن بر روی پوسته راکت کاوش در این آزمایش، تأثیر پوسته بر میزان گیرندگی آنتن های جی پی اس مورد بررسی قرار می گیرد. برای این منظور آنتن ها در محل در نظر گرفته شده برای آنها و کاملاً در داخل پوسته محموله نصب شده و سیستم راه اندازی می گردد. دریافت اطلاعات در ایستگاه زمینی در این حالت نشان می دهد که پوسته تأثیر چندانی بر گیرندگی بورد یا آنتن های سیستم جی پی اس مورد استفاده ندارد.
– آزمایش میزان تداخل گیرندگی ج یپ یاس با فرستنده های دیگر در این آزمایش نحوه تأثیرگذاری سیستم های مخابراتی روی گیرندگی جی پی اس مورد بررسی قرار می گیرد. برای این کار توان سیستم های تله متری روی حداکثر مقدار تنظیم می شود. پس از آنکه فرستنده ها از طریق آنتن های نصب شده روی پوسته سیگنال های خود را با حداکثر توان ارسال کردند، خروجی جی پی اس روی صفحه مانیتور چک می شود.
در این آزمایش مختصات ارائه شده توسط گیرنده جی پی اس محموله با مختصات محل آزمایش که با یک ج یپی اس دیگر مقایسه می شود، باید هماهنگی داشته باشد.

تست ارتباطات لینک انتقال با جی پی اس از آنجا که اطلاعات ج یپی اس به زمین منتقل می شود، ضروری است که ارتباط بین ج یپی اس و زمین آزمایش شود. این آزمایش عبارت است از روشن کردن سیستم و دریافت اطلاعات آن به صورت مستقیم روی لپ تاپ و در نهایت دریافت اطلاعات روی رایانه ایستگاه زمینی. همسانی اطلاعات دریافت شده در این دو مرحله، نشا ندهنده موفقیت آزمایش است.
۲٫ سیستم تله متری
آزمایش های عملکردی سیستم تل همتری شامل موارد زیر است:
– آزمایش فرستنده داده تله متری جهت آزمایش فرستنده داده تل همتری با استفاده از چیدمانی مطابق شکل ۳، باید فرکانس کاری، انحراف فرکانسی و پهنای باند هر فرستنده با استفاده از اسیلوسکوپ و تحلیل گر طیف فرکانسی ۱اندازه گیری و با مقدار طراحی مقایسه شود. در صورتی که مقادیر فوق در محدوده مجاز طراحی باقی بماند، فرستنده داده از عملکرد مناسبی برخوردار است.
– آزمایش فرستنده، واحد ورودی و گیرنده ابتدا ورود یهای واحد ورودی تک تک به رایانه پرواز متصل می گردند و خروجی واحد ورودی به فرستنده رفته، مدوله شده پس از تضعیف لازم در گیرنده دمدوله می شود. خروجی گیرنده در رایانه ذخیره می شود و سپس عمل بازیابی فریم ها بر روی آن انجام می گیرد. در طول تست، داده دریافتی بر روی اسیلوسکوپ مشاهده می شود.
– تست الگوی تشعشعی آنتن در اتاق آنتن در این تست دو فاکتور مهم آنت نهای فرستنده اندازه گیری می شوند:
– میزان افت بازگشتی در یک محدوده وسیع فرکانسی که در اصل نشان دهنده میزان عدم انطباق امپدانسی ورودی آنتن با کابل ارتباطی است که خود پارامتری است وابسته فرکانس.

الگوی تشعشعی آنتن در زوایای مختلف در فرکانسی مشخص
این تست در اتاق آنتن انجام می گیرد. این اتاق، اتاقی کاملاً بسته و پوشیده از زائده هایی اسفنجی برای جلوگیری از انعکاس سیگنال تشعشعی آنتن مرجع از دیوارها، کف و سقف اتاق است. بدین ترتیب تنها سیگنالی که دریافت می شود سیگنالی است که مستقیماً از آنتن مرجع ساطع میشود.
– نحوه تست
مطابق شکل ۴، یک تولیدکننده سیگنال به کابل ارتباطی متصل وصل directional coupler شده، سر دیگر کابل به ورودی یک به directional coupler می شود. یکی از دو سر خروجی و سر دیگر به پورت ورودی آنتن وصل spectrum analyzer spectrum می شود. میزان افت سیگنال بازگشتی ورودی آنتن در خوانده شده، رسم می شود. Analyzer یک آنتن مرجع و استاندارد (و مربوط به عرض باند مورد نظر)، که به فرستنده ای متصل است، سیگنالی را در جهتی ثابت در فرکانس مورد نظر ارسال می کند. آنتن های فرستنده مجموعه (که در اینجا به عنوان گیرنده استفاده می شود) بر روی پوسته نصب شده که در ) splitter متصل می شوند. در ورودی) splitter که اینجا نقش خروجی را دارد( سیگنال دریافتی توسط این مجموعه آنتن اندازه گرفته می شود. این مجموعه بر روی پایه ای چرخان قرار می گیرد. بدین ترتیب توان دریافتی توسط مجموعه را می توان در زوایای مختلف اندازه گرفت و سپس به صورت یک نمودار قطبی رسم کرد.
(VSWR) – تست نرخ موج ایستای ولتاژ
نسبت ولتاژ انتقال یافته به ولتاژ بازگشتی و به بیان دیگر VSWR اندازه کمی تطابق امپدانس خط با فرستنده یا گیرنده در یک سر و آنتن در سر دیگر است. این مقدار، قابلیت خط را برای کاری که قرار ،RF یا دریافت یک سیگنال RF است انجام دهد مانند انتقال توان نشان می دهد.
وابسته به فرکانس است. بنابراین VSWR پاسخ آزمون آزمایش در یک طیف فرکانس متناظر با ملزومات عملیاتی نصب آنتن انجام می گیرد و نتایج آن به صورت نموداری از افت سیگنال برحسب فرکانس جاروشده VSWR یا (dB بازگشتی (برحسب برای سنجش توانایی آنتن ها در VSWR است. بنابراین آزمایش محموله راکت کاوش به شرح زیر انجام میگیرد:
برای انجام تست ابتدا سطح سیگنال تولیدشده توسط directional سیگنال ژنراتور پس از عبور از تضعیف کننده مناسب و
خوانده می شود. پس از spectrum analyzer بر روی couplerانجام کالیبراسیون، مطابق شکل ۵ تست انجام می شود. سیگنالی جهت تست در عرض باندی بیش از عرض باند مورد استفاده در محموله تولید و پس از تضعیف کافی به یک کوپلر جهت دار وارد شد. این سیگنال با عبور از کوپلر و اندکی تضعیف به ورودی آنتن رفته و بسته به فرکانس آن به دلیل عدم تطبیق کامل )حتی در فرکانس مرکزی که آنتن برای آن طراحی شده است ( درصدی از توان سیگنال ورودی از آنتن بازم یگردد و از طریق کوپلر جهتدار رفته سطح سیگنال بازگشتی روی آن spectrum analyzer به دیده می شود. با توجه به کالیبراسیون انجا مشده در ابتدای کار، می توان افت توان بازگشتی را از روی اختلاف سطح سیگنال دریافتی با محل کالیبراسیون اولیه محاسبه کرد. به این صورت را در یک محدوده فرکانسی به دست آورد.

آزمایش های محیطی
علاوه بر آزمایش های عملکردی، عملکرد سیستم تحت شرایط واقعی پروازی نیز باید از طریق آزمایش های محیطی مورد بررسی قرار گیرد . آزمایش های ارتعاش، شوک، شتاب و دما از جمله تست های محیطی مهمی هستند که بر روی سیستم های یک راکت
کاوش انجام می شوند. در تمام این آزمایش ها سیستم در حالت عملیاتی مورد آزمایش قرار م یگیرد، بنابراین تجهیزات خاصی برای انجام این آزمای شها طراحی و ساخته م یشود. آزمایش های محیطی هر سیستم بر مبنای شرایط پرواز و طبق استانداردهای مورد استفاده ، در چنین کاربردهایی تعریف میشوند
۱٫ سیستم موقعیت یاب جهانی
در این بخش آزمایش های محیطی که باید بر روی سیستم موقعیت یاب جهانی انجام شود، ذکر می گردد.
– آزمایش ارتعاش سیستم جی پی اس در این آزمایش نحوه تأثیر فرکانس های ارتعاشی بر عملکرد سیستم جی پی اس مورد بررسی قرار می گیرد. اطلاعات ارسالی از ماهواره توسط آنتن های جی پی اس دریافت شده و دستگاه جی پی اس این
اطلاعات را به رایانه آزمایش ارسال می کند. پس از روشن کردن سیستم و اطمینان از کارکرد آن، ارتعاشات لازم به صورت سینوسی و تا حداکثر ۲ کیلوهرتز، طبق برنامه پیش بینی شده به جی پی اس اعمال می گردد.
در این آزمایش باید ارسال آخرین اطلاعات توسط چک شود و z و y ،x جی پی اس در طول انجام آزمایش در ۳ محور کیفیت دریافت اطلاعات خروجی در طول این ارتباط دچار نقصان نگردد تا مشخص گردد که سیستم انتخاب شده قادر است در برابر ارتعاشات ناشی از کار کردن موتور و جدایش هایی که در طول مسیر آن رخ میدهد به خوبی مقاومت کند.
– آزمایش شوک سیستم جی پی اس
تست شوک به منظور اعتبارسنجی سیستم جی پی اس، برای مقاومت در برابر ضربه های ناشی از جدایش ها و روشن شدن موتور انجام می شود. در این آزمایش ارسال اطلاعات توسط جی پی اس در طول انجام آزمایش و قطع نشدن ارتباط بین جی پی اس در حال آزمایش و کامپیوتر زمینی نشان دهنده مقاومت سیستم و مدارهای طراحی شده آن در برابر ضربات ناشی از پرتاب است.
– آزمایش دمای سیستم جی پی اس
در این آزمایش عملکرد بورد گیرنده ج یپی اس به همراه دو آنتن آن در دمای محیط و دماهای حداقل و حداکثر شرایط پروازی، بررسی می شود. در این آزمایش ابتدا سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای در دمای محیط راه اندازی می شود تا اطلاعات آن منطقه توسط جی پی اس ثبت شده و با اطلاعات گرفت هشده در دماهای مختلف مقایسه گردد. سپس به ترتیب ابتدا تا دمای حداکثر گرم و سپس تا دمای حداقل سرد می شود و این در حالی است که در اکسترمم ها، مدت معینی نگهداری میشود. در صورتی که در تمام مدت سیکل حرارتی فوق، سیستم عملکرد صحیحی داشته باشد و دچار مشکلی نشود، این آزمایش با موفقیت انجام شده است.
۲٫ سیستم تله متری
در این بخش آزمایش های محیطی که باید بر روی سیستم تله متری انجام شود، ذکر می شود.
– آزمایش دمای سیستم تله متری
در این تست، سیستم تحت آزمایش مشابه به صورت “سیستم روشن” در محفظه دما از دمای محیط به دمای پایین مورد
نظر، که در شرایط پروازی به راکت اعمال میگردد، می رسد. برای مدت معینی در آن دما می ماند. سپس به دمای بالایی که مطابق با شرایط پروازی راکت است، می رسد و مدتی نیز در این دما عملکرد آن بررسی می شود.
در صورتی که در تمام مدت سیکل حرارتی فوق، سیستم عملکرد صحیحی داشته باشد و دچار مشکلی نگردد، این آزمایش با موفقیت انجام شده است.
– آزمایش ارتعاش و شوک سیستم تله متری
در این آزمایش سیستم مورد نظر روی میز ارتعاش قرار می گیرد.سپس براساس شرایط واقعی پرواز راکت، ارتعاش و شوک مورد نظر به سیستم و قطعات یک راکت اعمال می گردد و در تمام مدت آزمایش، عملکرد این سیستم بررسی می شود.
نتیجه گیری
در این مقاله، ابتدا دو سیستم موقعیت یاب جهانی و تله متری که در راکت های کاوش مورد استفاده قرار می گیرند، معرفی شده، سپس مراحل تهیه و طراحی هریک از این سیستم ها به طور خلاصه شرح داده شد.
پس از انتخاب و خرید سیستم موقعیت یاب جهانی و طراحی یک سیستم تله متری، آزمایش های مختلفی نیز صورت می گیرد تا عملکرد هر سیستم هم به تنهایی و هم به همراه سیستم هایی که احتمال دارد روی عملکرد آن تأثیر بگذارند مورد بررسی قرار گیرد. انجام این آزمایش ها جهت اطمینان از صحت نتایج تئوری و محاسباتی در عمل، ضروری است. به همین منظور بخش های مختلف این دو سیستم تحت آزمایش های عملکردی به ترتیبی که ارائه شد، قرار گرفتند.
پس از تأیید سیستم از لحاظ طراحی، آزمایش های محیطی به منظور بررسی قابلیت های سیستم تحت شرایط واقعی کاری
انجام می شود که عبارتند از: آزمایش های ارتعاش، حرارت و برودت و شوک که عملکرد موفق این دو سیستم در این آزمایش ها، در نتیجه انجام متناوب تست ها و در صورت لزوم اصلاحاتی نظیر استفاده از واشرها و رزین های مناسب حاصل شده است. بنابراین به طور خلاصه تمام مراحل پیش از پرتاب برای دستیابی به سیستم هایی موفق برای بازیابی محموله راکت و نیز مخابره داده های محموله در زمان پرواز و اطمینان از کارکرد مناسب آن انجام گرفته است.