logo

logo

logo

logo

logo

تحديد الاتجاه (معدات-)

تحديد اتجاه (معدات)

Direction-Finding equipments -

تحديد الاتجاه (معدات-)

عمّار أسعد

مبدأ التثليث

تقنيات تحديد الاتجاه

منظومات تحديد الاتجاه

الهوائيات

تطبيقات معدات تحديد الاتجاه 

 

معدات تحديد الاتجاه direction-finding equipment، وتسمى أيضاً محددات الاتجاه direction finders أو محددات الاتجاه الراديوية radio direction finders، هي معدات يستعان بها في تحديد الاتجاه الذي تصدر عنه إشارة مستقبَلة. تستخدم معدات تحديد الاتجاه الراديوي (بالاعتماد على إشارات راديوية) في العديد من التطبيقات منها: الملاحة الخاصة بالسفن والطائرات، وتحديد موقع أجهزة إرسال الطوارئ للبحث والإنقاذ، وتتبع الحياة البرية، وتحديد موقع أجهزة الإرسال غير القانونية.

يهدف تحديد الاتجاه إلى معرفة موقع الجهاز المرسل للإشارة بالنسبة إلى جملة مرجعية معروفة، وبُعد ذلك الجهاز عن الجهاز المستقبل، أو تحديد زاوية الاتجاه الخاصة به والتي تسمى السمت azimuth. يتحدد الاتجاه بالجمع بين معلومات الاتجاه المحصلة من جهازيّ استقبال أو أكثر متمركزة بشكل مناسب (أو من جهاز استقبال واحد نقال). يُقصد بأن يكون الجهاز متمركزاً بشكل مناسب أن تكون المسافة بين أجهزة الاستقبال مناسبة ومعروفة، ومن ثمَّ يمكن تحديد موقع مصدر الإرسال بتطبيق عملية التثليث triangulation كما هو مبيّن في الشكل (1) عملية التثليث باستخدام جهازي استقبال.(1).

الشكل (1) عملية التثليث باستخدام جهازي استقبال.

يظهر في الشكل (1) جهازيّ الاستقبال A و B على مسافة مناسبة بينهما، وكذلك الجهاز المرسل C، وأن الجملة المرجعية مرتبطة بالجهاز المستقبل A، في حين يشير الاتجاه N إلى اتجاه الشمال North.

مبدأ التثليث

يعتمد تحديد الاتجاه الراديوي على عملية التثليث باستخدام عدة محددات اتجاه راديوية Radio Direction Finders (RDF) كما هو مبيّن في الشكل (2).

الشكل (2) التثليث في حالة عدة أجهزة استقبال.

يقيس كل جهاز استقبال الزاوية الخاصة به بالنسبة إلى جملة مرجعية. يشكل الشعاع بين كل جهاز استقبال والمرسل الراديوي مساراً. ويفترض نظرياً أن تلتقي المسارات عند منبع الترددات الراديوية (الجهاز المرسل) source Radio Frequency (RF) إذا كانت جميع شروط العمل مثالية وفي حالة عدم وجود ضجيج. أما في الواقع العملي فإن تقاطع الأشعة الثلاثة يشكل مثلثاً مركزه نظرياً هو الجهاز المرسل. بعد تحديد مركز المثلث بوساطة الزوايا وبمعرفة مواقع أجهزة الاستقبال يمكن تحديد موقع الجهاز المرسل بدقة معينة -مع إمكان وجود أخطاء- ومن ثمَّ تحديد الاتجاه الخاص بالمرسل والمسافة التي تفصله عن جملة مرجعية.

يمكن تطبيق مبدأ التثليث من وجهة نظر أخرى، وهي استخدام الدوائر، حيث تتوضع دائرة حول كل جهاز مستقبل، ويوضح الشكل (3) مبدأ التثليث باستخدام الدوائر. إذ يقوم كل جهاز مستقبل بتقدير الزمن الذي استغرقته الإشارة للوصول إليه. وكلما ازداد عدد أجهزة الاستقبال زادت دقة حساب الموقع في الجهاز المستقبل، كما ينجم عن زيادة دقة قياس الجهاز المستقبل زيادة دقة حساب الموقع.

الشكل (3) تحديد الاتجاه بالتثليث و باستعمال الدوائر.

تقنيات تحديد الاتجاه

- تقنية دوبلر المُفْتَرَضة: تقنية دوبلر المفترضة pseudo-Doppler هي طريقة تحديد اتجاه اعتمادا على الطور phase، لتقدير اتجاه الإشارة المستقبلة بقياس انزياح دوبلر Doppler shift الذي خضعت له الإشارة؛ وذلك بأخذ عينات عند عناصر صفيفة array دائرية الشكل. وقد استخدمت الطريقة الأصلية هوائياً وحيداً يتحرك فيزيائياً على دائرة؛ إلا أن الطريقة الحديثة تستخدم صفيفة دائرية ذات هوائيات متعددة، ويجري أخذ العينات عند كل هوائي على التعاقب succession.

الشكل (4) صفيفة دائرية ذات هوائيات متعددة.

- تقنية واطسون-واط: تستخدم تقنية واطسون-واط Watson-Watt زوجين من هوائيات أدكوك Adcock antenna لإجراء مقارنة مطالية على الإشارة الواردة. وزوج الهوائي أدكوك عبارة عن زوج من الهوائيات أحادية القطب أو ثنائية القطب تأخذ الفرق الشعاعي للإشارة المستقبلة عند كل هوائي، بحيث يكون ثمة مخرج وحيد من كل زوج هوائيات. ويكون زوجان من هذه الأزواج في الموقع نفسه co-located، إنما موجهان بصورة متعامدة، لإنتاج ما يمكن أن يسمى إشارة شمال-جنوب، ويرمز إليها بالرمز N-S، وإشارة شرق-غرب ويرمز إليها بالرمز E-W؛ والتي يجري تمريرها إلى المستقبل. ويمكن لجهاز المستقبل حينذاك حساب زاوية الاتجاه bearing angle بأخذ قوس الظل لنسبة إشارة شمال-جنوب إلى إشارة شرق-غرب، كما هو مبيّن في العلاقة (1).

- المقياس التداخلي الترابطي: يعتمد المبدأ الرئيسي في المقياس التداخلي الترابطي correlative interferometer على مقارنة فروقات الطور المقاسة بفروقات الطور الناتجة من منظومة هوائي تحديد اتجاه لتشكيلة معروفة عند زاوية موجة معروفة (مجموعة المعطيات المرجعية). تنفذ المقارنة من أجل قيم سمت مختلفة لمجموعة المعطيات المرجعية، ويجري الحصول على زاوية الاتجاه من المعطيات التي يكون من أجلها معامل الترابط correlation coefficient أعظمياً. فإذا كان لعناصر هوائي تحديد الاتجاه مخطط إشعاع هوائي اتجاهي، عندها يمكن إدراج المطال في المقارنة.

منظومات تحديد الاتجاه

- معدات التحديد المؤتمت للاتجاه: يعدّ التحديد المؤتمت للاتجاه Automatic Direction Finding (ADF) أداة إلكترونية مساعدة للملاحة، تسمح بتحديد اتجاه الطائرة نسبياً اعتماداً على منارة راديوية ترسل إشارات في مجال الترددات المنخفضة Low Frequency (LF) ومجال الترددات المتوسطة Medium Frequency (MF). تتكون معدات التحديد المؤتمت للاتجاه أساساً من هوائي حلقي يدور فيزيائياً أو إلكترونياً ويكشف اتجاه الإشارة المستقبلة من المنارة المرتبطة بالطائرة؛ ويمكن استخدام هذه المعلومات مباشرة. كما يجري استخدام معطيات البوصلة الخاصة بالطائرة لزيادة دقة اتجاه الطائرة الشكل (5).

الشكل (5) مؤشر راديوي مغنطيسي مع محدد اتجاه.

يعمل هوائي التحديد المؤتمت للاتجاه، الذي يُدل عليه بالرمز ADFA1 (الشكل 6)، ضمن المجال 200 MHz- 2.7 GHz لتحديد اتجاه الإشارات. ويستخدم في المستقبلات التي تعمل بالزمن الحقيقي؛ إذ يستغرق أقل من 1.5 ميلي ثانية لإيجاد الاتجاه. ويمتاز هذا الهوائي بأنه غير حساس للانعكاسات المألوفة في البيئات الحضرية. ويزن هذا الهوائي 5.6 كغ، ويبلغ قطره 480 ملم.

الشكل (6) الهوائي ADFA 1

- معدات تحديد الاتجاه في مجالي الترددات العالية جداً وفوق العالية: هذه المعدات مصممة للتشغيل في مجالين تردديين مختلفين هما الترددات العالية جداً Very High Frequency (VHF) والترددات فوق العالية Ultra High Frequency (UHF). ومن الأمثلة على هذه المعدات الجهاز RT-300 وهو منظومة تحديد اتجاه ثنائية المجال متعددة الأغراض، وتمتاز بمعايير عالية من حيث الدقة وحساسية الاستقبال.

ومن الأمثلة أيضاً الجهاز RT-300 VS، من صنع شركة روثيتا RHOTHETA، الرائدة في مجال معدات تحديد الاتجاه، وهو نموذج قياسي يجمع بين وظائف منظومة تحديد اتجاه اتصالاتية عاملة على مجال الترددات العالية جداً المخصصة للتطبيقات البحرية marine من جهة ووظائف مُحدّد اتجاه نقال mobile DF من جهة أخرى (الشكل 7).

الشكل (7) الجهاز RT300

أما الجهاز RT-300 VU فهو منظومة تحديد اتجاه تعمل على مجالي الترددات العالية جداً وفوق العالية لغايات البحث والإنقاذ Search and Rescue (SAR) تستخدم في التطبيقات المدنية والعسكرية. وهناك أيضاً منظومات تحديد اتجاه عديدة أخرى تطرحها شركة روثيتا مثل منظومة RT-600، وهي منظومة تحديد اتجاه متعددة المجالات من أجل البحث والإنقاذ المحمول جواً airborne، وRT-500-M وهي منظومة تحديد اتجاه لغايات البحث والإنقاذ في البحر. كما أن هناك منظومات تحديد اتجاه كثيرة أخرى من صنع شركات أخرى مثل كولينز أيروسبيس Collins Aerospace وكوبهام Cobham وبولاريس أر دي إف Polaris RDF الشكل (8).

الشكل (8) منظومة تحديد اتجاه متعددة المجالات من أجل البحث والإنقاذ RT-500-M.

- معدات تحديد الاتجاه المِكروية: تشمل منظومة تحديد الاتجاه المِكروية على زوجين من الهوائيات ولكل هوائي 6 منافذ. يوضع الزوج الأول أفقياً ضمن الإحداثيات الديكارتية، ويوضع الزوج الثاني عمودياً. ويجري توصيل مخارج زوجيّ الهوائيات إلى مضخمات تفاضلية للحصول على إشارات تعبر عن طور الإشارة ومطالها، والتي يجري تحويلها إلى قيم رقمية وإدخالها إلى معالج، والذي يقوم بحساب فرق الطور للإشارات المستقبلة في كل زوج من الهوائيات. يستخدم المعالج الفرق بين زوايا الطور لحساب كل من السمت والارتفاع للإشارات المستقبلة؛ ومن ثمَّ توصيف إحداثيات مصدر الإشارة. وتعمل هذه المنظومات في نطاق الأمواج المِكروية.

- المنظومات الشخصية لتحديد الموضع: ويطلق عليها أيضاً اسم مرشدة لاسلكية شخصية لتحديد الموضع Personal Locator Beacon (PLB)، وتتكون من مرسل راديوي مزود ببطارية يستخدم لتحديد موضع الأشخاص ممن يحتاجون إلى إنقاذ فوري براً أو بحراً. ففي حال سقوط الأشخاص في الماء بفعل تحطم طائرة أو غرق سفينة على سبيل المثال تتفعل المرشدة اللاسلكية آلياً عند الملامسة مع الماء .... أو عند حدوث إشباع في كمية الماء في الملابس، كما يمكن تفعيلها يدوياً. وقد يضاف مجيب صوتي إلى الجهاز من أجل عمليات الاختبار. تتميز منظومات تحديد المكان الشخصية بمزايا عديدة من أهمها: العمل في الظروف الصعبة، وخفة الوزن، واستخدام تقانة مضخمات مِكروية عالية الجودة، وتحمّل ضغط الماء حتى عمق 50 متراً، وإدارة آلية لاستهلاك الطاقة لضمان العمل لساعات طويلة.

الهوائيات:

يصمم عادة لكل منظومة هوائياتها لتناسب ترددات (تواترات) عمل المنظومة وسهولة معالجة الإشارات في المنظومة لاستخلاص أكبر قدر من المعلومات وبأقصر مدة. وقد تحتوي المنظومة بضعة هوائيات ومضخمات وكواشف لها؛ ومنها:

- الهوائيات الدوّارة: إن الهوائي الدوّار من أفضل معدات تحديد الاتجاه. وهو مزيج من هوائيات اتجاهية متقاطعة (مثل الهوائيات الحلقية) مع مقياس زوايا متحرك لتحديد الاتجاه؛ وقد جرى استخدامه لأول مرة في الحرب العالمية الأولى. ويبيّن الشكل (9) هوائياً دوّاراً حديثاً. يدار الهوائي من قبل الجهاز المرسل حتى التقاط الإشارة المرسلة من أحد الهوائيات الاتجاهية المتقاطعة؛ حينذاك يقوم الهوائي الدوّار بعملية مسح لكشف الإشارات المستقبلة جميعها، ومن ثمَّ تحديد اتجاه كل منها.

الشكل (9) هوائي دوّار حديث

- معدات الهواة: وتعرّف باسم تحديد الاتجاه الراديوي للهواة Amateur Radio Direction Finding (ARDF)، وتعرف أيضا بالهوائيات المحمولة (باليد). وعلى سبيل المثال ثمة ملابس خاصة مزودة بمعدات إرسال واستقبال خاصة من أجل لعبة صيد المرسل transmitter hunting؛ يعمل الجهاز المرسل ضمن نطاق إرسال حتى 100 متر وبتردد معين بحدود 100 MHz وباستطاعة منخفضة. يجري الإرسال باستخدام رِماز مورس Morse code، ويزوَد جهاز الاستقبال بمضخمات تفاضلية، ويستخدم بعضها هوائياً اتجاهياً إضافةً إلى جهاز إنذار صوتي يصدر صفيراً تزداد استطاعته طرداً كلما اقترب اللاعب من موقع الجهاز المرسل. ويوضح الشكل (10) نمطاً من الاستقبال والإرسال في هذا المجال.

 

الشكل (10) معدات إرسال واستقبال لتحديد الاتجاه الراديوي للهواة

تطبيقات معدات تحديد الاتجاه

تُستَخدم محدّدات الاتجاه في تطبيقات متنوعة. إذ يمكن استخدامها لأغراض الملاحة بهدف تحديد وجهة مركبة نسبةً إلى مرسل في موضع معلوم، وتحديد موضع المركبة عندما يكون المدى عن المرسل معروفاً، كما هي الحال في أجهزة قياس المدى غير الموجه بالترددات العالية جداً VHF Omnidirectional Range (VOR) المزودة بمعدات قياس المسافة Distance Measuring Equipment (DME). كما يمكن استخدام محدّدات الاتجاه لتحديد اتجاه مركبة من أجل توجيهها على طريق محدد نحو وجهة محددة.

كذلك تشمل استخدامات محدّدات الاتجاه في المراقبة اكتشاف المرسلات المخفية المستخدمة في أغراض التجسس وتحديد مواقعها، وتحديد موضع المرسل في مهمات البحث والإنقاذ، وتتبع الأجسام ذاتية القيادة في المهمات العلمية. ويمكن استخدام محدّد الاتجاه إما لمحطة أرضية لملاحقة منبع متحرك أو على مركبة متحركة. ويمكن تمرير معلومات الاتجاه المحصَّلة من قبل محطة أرضية إلى مركبة متحركة مزودة بمرسل يمكن ملاحقته من قبل المحطة الأرضية. ويمكن أن تكون المركبة المتحركة طائرة أو سفينة أو سيارة.

ومن التطبيقات الأخرى عمليات الإنقاذ في حالات انهيار المباني، ودراسة حركة الحيوانات بتثبيت معدات خاصة عليها، وعمليات الاستطلاع، وتطبيقات الهواة، وضمان سلامة الأشخاص كتتبع الرياضيين في السباحة لمسافات طويلة أو سباقات الرالي في الصحراء وغيرها.

مراجع للاستزادة

- S. E. Lipsky, Microwave Passive Direction Finding, SciTech Publishing, 2004.

- J. R. Sklar, Modern HF Signal Detection and Direction Finding, MIT Press, 2018.

 -A.M.Rembovsky.et al., Radio Monitoring: Automated Systems and Their Components, Springer, 2018.


التصنيف : كهرباء وحاسوب
النوع : كهرباء وحاسوب
المجلد: المجلد السادس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1132
الكل : 45282754
اليوم : 64629