INS ในระบบนำทางกองทัพเรือและเรือดำน้ำ

การนําทางที่แม่นยําเป็นกระดูกสันหลังของการดําเนินการทางเรือและเรือดําน้ําที่มีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน, ศัตรู, หรือถูกปฏิเสธ GPSไม่เหมือนกับเรือชั้นบนหรือเครื่องบิน ที่มักจะพึ่งพาสัญญาณดาวเทียม, เรือดําน้ําทํางานใต้น้ําลึก ที่สัญญาณของระบบตั้งตําแหน่งโลก (GPS) ไม่สามารถเจาะเข้าไป ทําให้การนําทางทางดาวเทียมแบบดั้งเดิมไร้ประโยชน์นี่คือจุดที่ระบบการนําทางแบบอินเนอร์เซียล (INS) เข้ามาใช้: ในฐานะเป็นฮีโร่ที่ไม่เป็นที่รู้จักของการเดินเรือทางเรือ INS ส่งการตั้งตําแหน่งที่น่าเชื่อถือและต่อเนื่องโดยไม่พึ่งพากับสัญญาณภายนอกเราจะแยกแยกว่าทําไม INS จึงจําเป็นสําหรับภารกิจเรือและเรือดําน้ํา, วิธีการทํางาน, ประเภท, การใช้งาน, ปัญหา, และแนวโน้มในอนาคต

ระบบ ทะเลทางดาวเทียม ทั่วโลก (GNSS) รวมถึง GPS, GLONASS และ Galileo ใช้การสื่อสารทางสายตากับดาวเทียมเพื่อกําหนดตําแหน่งน้ําทะเลเป็นตัวนําสัญญาณวิทยุที่ไม่ดีปัญหาไม่สิ้นสุดที่นั่น:

• เรือดําน้ําไม่สามารถพึ่งพา GPS ได้เลย ในระหว่างการปฏิบัติงานใต้น้ํา ซึ่งอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน
• เรือทัพเรือพื้นดินมักต้องเผชิญกับการขัดแย้งสัญญาณ GPS ในบริเวณการต่อสู้ ที่กลยุทธ์สงครามอิเล็กทรอนิกส์ (EW) เป้าหมายการสื่อสารดาวเทียม
• การรบกวน GPS และการหลอกลวง ผลกระทบโดยเจตนาเพื่อบิดเบือนหรือยับยั้งสัญญาณ เป็นภัยคุกคามทั่วไปในขัดแย้งทางทหารที่ทันสมัย ทําให้การนําทางทางดาวเทียมไม่น่าเชื่อถือสําหรับภารกิจสําคัญ

INS แก้ไขช่องว่างที่ GPS ทําให้มีประโยชน์พิเศษ ที่ตรงกับความต้องการที่เข้มงวดของการดําเนินงานทางเรือและเรือดําน้ํา:

INS ทํางานโดยอิสระโดยสิ้นเชิงจากสัญญาณภายนอก โดยใช้เพียงเซ็นเซอร์บนเครื่อง เพื่อคํานวณตําแหน่ง ความเร็ว และทิศทางนั่นหมายความว่าเรือดําน้ําสามารถเคลื่อนไหวใต้น้ําได้เป็นเวลานาน โดยไม่ต้องขึ้นน้ําเพื่ออัพเดท GPS.

เรือทหารเรือและเรือดําน้ําทํางานในสภาพที่รุนแรง: ความดันในทะเลลึก, ความอากาศเปลี่ยนแปลงอย่างมาก, การเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง, และเผชิญกับการกระแทกและการสั่นสะเทือนระบบ INS ถูกออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงการประกันผลงานที่คงที่ แม้แต่ในกรณีที่ท้าทายที่สุด

เรือดําน้ําพึ่งพาการลับ เพื่อหลีกเลี่ยงการตรวจจับ ไม่เหมือนกับ GPS หรือระบบอื่นที่พึ่งพากับสัญญาณ INS ไม่ปล่อยสัญญาณวิทยุใดๆเช่น การเฝ้าดูการสํารวจ หรือการกวาดล้ากลยุทธ์

เนื่องจาก INS ไม่พึ่งพาการแสดงสัญญาณภายนอก มันจึงมีความคุ้มกันต่อการยับยั้ง GPS และการปลอมแปลงที่การรักษาความสมบูรณ์แบบทางเดินเรือสามารถหมายถึงความแตกต่างระหว่างความสําเร็จและความล้มเหลวของภารกิจ.

หลักของระบบนิเวจิชั่นแบบอัตโนมัติ ใช้เซ็นเซอร์บนเครื่อง เพื่อวัดการเคลื่อนไหว และคํานวณตําแหน่ง ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า "การคํานวณที่ตาย"INS เริ่มต้นจากตําแหน่งเริ่มต้นที่รู้จัก และปรับปรุงตําแหน่งนั้นโดยการวัดการเคลื่อนที่ของเรือตามเวลา.

ระบบ INS ทุกระบบสําหรับการใช้ในทัพเรือ ประกอบด้วยองค์ประกอบสําคัญสามส่วน ซึ่งแต่ละองค์ประกอบทํางานร่วมกันเพื่อส่งข้อมูลการนําทางที่แม่นยํา

1. เครื่องจิโรสโกป: วัดความเร็วมุม (การหมุน) ของเรือ, ติดตามการเปลี่ยนแปลงในทิศทาง ( pitch, roll, yaw)
2. เครื่องวัดความเร่ง: วัดความเร่งเชิงเส้น (การเปลี่ยนแปลงความเร็ว) ในสามมิติ (x, y, z) โดยติดตามความเร็วของเรือที่เคลื่อนไหวในทิศทางใด ๆ
3. คอมพิวเตอร์นําทาง: จัดการข้อมูลจากเครื่อง gyroscope และเครื่องวัดความเร่ง รวมมันไปกับเวลา และคํานวณตําแหน่ง, ความเร็ว และทิศทางของเรือในขณะนี้

กระบวนการบูรณาการเป็นสิ่งสําคัญ: คอมพิวเตอร์การนําทางนํามาวัดการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง รวมมันเข้ากับตําแหน่งเริ่มต้น และอัพเดทตําแหน่งของเรือในเวลาจริงซึ่งทําให้เรือดําน้ําสามารถเดินเรือได้หลายสัปดาห์ โดยไม่ต้องใช้ข้อมูลจากภายนอก แม้ความแม่นยําจะลดลงตามเวลา (จะพูดถึงเรื่องนี้ในตอนหลัง).

ระบบ INS ทั้งหมดไม่เหมือนกัน การใช้งานทางทัพเรือใช้ INS ประเภทต่าง ๆ ที่ปรับปรุงขึ้นตามแพลตฟอร์ม (เรือดําน้ํา, เรือพื้นดิน, UUV) และความต้องการภารกิจนี่คือชนิดที่ใช้กันทั่วไปที่สุด ในกองทัพเรือที่ทันสมัย:

ระบบ INS ที่ใช้ FOG เป็นระบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในเรือและเรือดําน้ํายุคใหม่ เนื่องจากความแม่นยํา ความน่าเชื่อถือ และความทนทาน

• ความแม่นยําในการวางตําแหน่งสูง มีการเคลื่อนไหวที่ต่ําสุดในระยะเวลาสั้นและกลาง
• อัตราการลอยที่ต่ํา (ความผิดพลาดสะสมช้า ๆ) ทําให้มันเหมาะสําหรับภารกิจใต้น้ําที่ยาวนาน
• ความมั่นคงระยะยาว แม้กระทั่งในสภาพแวดล้อมทะเลที่รุนแรง

INS ที่ใช้ RLG ให้ความแม่นยําสูงสุดในระบบ INS ของกองทัพเรือ ทําให้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสําหรับภารกิจที่สําคัญและมีความเสี่ยงสูง

• เรือดําน้ํายุทธศาสตร์ (เรือดําน้ํากระสุนบอลิสติก) ที่การตั้งตําแหน่งที่แม่นยําเป็นสิ่งสําคัญสําหรับความแม่นยําในการปล่อยกระสุน
• เครื่องบินทหารและระบบนิเวจิเกชั่นป้องกันระดับสูง

ระบบ RLG ใช้รังสีเลเซอร์ในการวัดความเร็วมุม ส่งผลให้มีความแม่นยําสูงสุด แต่มีค่าใช้จ่ายสูงกว่าระบบ FOG

ระบบไมโครไฟฟ้า-เครื่องกล (MEMS) INS เป็นตัวเลือกที่คอมพัคต์และมีประหยัดที่ออกแบบให้กับแพลตฟอร์มเรือขนาดเล็ก ลักษณะสําคัญประกอบด้วย:

• ขนาดเล็กและน้ําหนักเบา ทําให้มันเหมาะสําหรับยานดําน้ําไร้คนขับ (UUV) เครื่องบินขนาดเล็กและระบบป้องกันพกพา
• ประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่าย ทําให้สามารถใช้งานได้อย่างกว้างขวาง ผ่านหลายแพลตฟอร์ม
• ความแม่นยําที่เพียงพอสําหรับภารกิจที่ไม่ยุทธศาสตร์ เช่น การเฝ้าระวัง UUV หรือการลาดตระเวนชายฝั่ง

INS เป็นเทคโนโลยีที่สามารถใช้งานได้หลายแบบ มีการนําไปใช้งานในทุกแพลตฟอร์มทางเรือหลัก ความสามารถในการทํางานเป็นอิสระจากสัญญาณภายนอกทําให้มันจําเป็นสําหรับภารกิจที่หลากหลาย:

สําหรับเรือดําน้ํา INS เป็นระบบนําทางหลักในระหว่างการดําน้ํา

• ภารกิจใต้น้ําที่ยาวนาน (หลายสัปดาห์หรือหลายเดือน) โดยไม่ขึ้นน้ําเพื่ออัพเดท GPS
• การทํางานแบบเงียบๆ โดยไม่ปล่อยสัญญาณ
• การตั้งตําแหน่งที่แม่นยํา ในสภาพแวดล้อมทะเลลึก ที่ GPS ไม่สามารถใช้ได้เลย

เรือพื้นที่ใช้ INS เป็นระบบสํารองและเสริมเสริมกับ GPS โดยให้:

• การนําทางอย่างต่อเนื่องในระหว่างการหยุดใช้ GPS (เช่น เนื่องจากการยับยั้งหรือปิดสัญญาณ)
• การสนับสนุนระบบการต่อสู้ ที่พึ่งพาการตั้งตําแหน่งที่แม่นยํา เพื่อโจมตีเป้าหมาย
• การเพิ่มจํานวนในระบบการนําทาง เพื่อให้การดําเนินงานได้ต่อเนื่อง แม้ว่าระบบหนึ่งจะล้มเหลว

เครื่องยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์ยนต์

• การนําทางในน้ําลึก ที่ GPS ไม่สามารถใช้ได้
• การควบคุมการเคลื่อนไหวอย่างแม่นยํา ทําให้ UUV สามารถเดินตามเส้นทางที่วางโปรแกรมไว้ก่อน หรือตอบสนองคําสั่งในเวลาจริง
• การบูรณาการกับโซนาร์และเซ็นเซอร์อื่นๆ เพื่อให้ UUV สามารถนําทางได้ขณะที่รวบรวมข้อมูล

เรือทัพเรือที่อํานวยระบบกระสุน (เช่น เรือทําลาย เรือเรือน เรือเรือน เรือดําน้ํากระสุนบอลิสติก) มั่นใจใน INS เพื่อ:

• ให้การตั้งตําแหน่งการเปิดตัวที่แม่นยํา ซึ่งเป็นสิ่งสําคัญสําหรับการนําร่องยานและความสามารถในการโจมตีที่แม่นยํา
• สนับสนุนระบบตั้งเป้า เพื่อให้แน่ใจว่า ธนูชนเป้าหมายที่ตั้งใจด้วยความผิดพลาดอย่างน้อย
• รักษาความสมบูรณ์แบบของการนําทางระหว่างการปล่อยกระสุน แม้แต่ในสภาพแวดล้อมที่ปฏิเสธ GPS

ขณะที่ INS เป็นเทคโนโลยีที่สําคัญสําหรับการนําทางทางทัพเรือ แต่มันไม่ได้ไม่มีข้อจํากัด การเข้าใจความท้าทายเหล่านี้เป็นกุญแจในการปรับปรุงผลงานของมันในภารกิจในโลกจริง:

ข้อจํากัดที่ใหญ่ที่สุดของ INS คือ ความผิดพลาดเล็ก ๆ ในการวัดของเซ็นเซอร์ที่สะสมขึ้นตามเวลา จิโรสโกปและเครื่องวัดความเร็วไม่สมบูรณ์แบบแม้แต่ความไม่แม่นยําเล็ก ๆ น้อย ๆ ในการวัดความเร็วมุมหรือความเร่งสามารถนําไปสู่ความผิดพลาดตําแหน่งที่สําคัญหลังจากการทํางานหลายวันหรือหลายสัปดาห์ตัวอย่างเช่น อัตราการลื่นของเพียง 0.1 องศาต่อชั่วโมง สามารถส่งผลให้ความผิดพลาดตําแหน่งหลายกิโลเมตรหลังจากการดําเนินงานใต้น้ําหนึ่งเดือน

ไม่เหมือนกับ GPS ที่สามารถแก้ไขความผิดพลาด โดยใช้สัญญาณดาวเทียม INS ไม่มีกลไกในการแก้ไขการเคลื่อนไหวโดยไม่ต้องมีอ้างอิงภายนอกความแม่นยําของตําแหน่งลดลง เว้นแต่ระบบจะอัพเดทด้วยข้อมูลภายนอก (eเช่น จีพีเอสเมื่ออยู่บนพื้นผิว หรือเครื่องช่วยการนําทางอื่นๆ)

เพื่อแก้ไขข้อจํากัดของ INS เอง ระบบทหารเรือที่ทันสมัยใช้วิธีการนําทางแบบไฮบริด ผสม INS กับเทคโนโลยีอื่น ๆ เพื่อลดการลื่นและรักษาความแม่นยําระยะยาวนี่คือทางแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพที่สุด:

นี่คือแนวทางแบบไฮบริดที่พบได้ทั่วไปสําหรับเรือทหารเรือ เมื่อเรือดําน้ําขึ้นพื้นผิว (หรือเรือบนพื้นผิวมีสายตาต่อดาวเทียม) GPS อัพเดท INS ด้วยข้อมูลตําแหน่งที่แม่นยําการตั้งค่าความผิดพลาดการลื่นในขณะที่ดําน้ํา INS ให้บริการการนําทางต่อเนื่อง รับรองว่าเรือจะอยู่บนเส้นทางระหว่างการอัพเดท GPS

DVL วัดความเร็วของเรือเทียบกับพื้นทะเล (หรือคอลัมน์น้ํา) โดยให้มาตรฐานอิสระสําหรับความเร็ว โดยการบูรณาการข้อมูล DVL กับ INSระบบทางเรือสามารถลดความผิดพลาดการล่องเรือได้อย่างมาก โดยเฉพาะในทะเลที่ลึกน้อยถึงกลาง.

ระบบโซนาร์สามารถให้ข้อมูลสภาพแวดล้อม (ตัวอย่างเช่น ทอปโเกราฟีใต้ทะเล สถานที่สําคัญใต้น้ํา) ที่ INS สามารถใช้ในการแก้ไขความผิดทางตําแหน่งนี้เป็นประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในน้ําชายฝั่งหรือพื้นที่ที่มีลักษณะพื้นทะเลที่แตกต่างกัน, ที่โซนาร์สามารถทําหน้าที่เป็น "GPS ภายใต้น้ํา" สําหรับการแก้ไข INS

ขณะที่ การดําเนินการ ทาง ทัพเรือ กลาย เป็น ที่ ซับซ้อน มาก ขึ้น และ เป็น ที่ มี อัตโนมัติ และ ไม่ มี การ ใช้ จี พี เอส การ ค้นหา ระบบ INS ที่ มี ความ พัฒนาการ กําลัง เพิ่ม ขึ้น

• เซ็นเซอร์ความแม่นยําสูงกว่า: จิโรสโคปรุ่นใหม่ (เช่น FOG ที่ทันสมัย จิโรสโคปควอนตัม) และเครื่องวัดความเร่งกําลังถูกพัฒนาเพื่อลดอัตราการเคลื่อนไหวทําให้สามารถดําเนินภารกิจใต้น้ําที่อิสระได้นานขึ้น ด้วยความผิดพลาดอย่างน้อย.
• การใช้งานแบบอิสระนานกว่า: ระบบนําทางแบบไฮบริด (INS + DVL + โซนาร์ + AI) กําลังถูกปรับปรุงให้ดีที่สุด เพื่อให้เรือดําน้ําและ UUV สามารถทํางานได้อย่างอิสระเป็นเวลาหลายเดือน โดยไม่ต้องมีการอัพเดทภายนอก
• การบูรณาการกับ AI และระบบอิสระ: อุปัญญาประดิษฐ์ (AI) กําลังถูกใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูล INS ในเวลาจริง การตรวจพบความผิดพลาดการเคลื่อนย้าย และการปรับปรุงการตัดสินใจในการนําทางการบูรณาการนี้จะมีความสําคัญสําหรับแพลตฟอร์มเรืออิสระ (eเช่น เรือพื้นดินที่ไม่มีคนขับ (UUV) ที่ต้องการการเดินเรือที่แก้ไขตัวเอง
• การลดขนาดสําหรับแพลตฟอร์มที่ไม่มีคนขับ: ความก้าวหน้าในเทคโนโลยี MEMS ทําให้ระบบ INS น้อยลง น้อยลง และประหยัดพลังงานมากขึ้น

ระบบการนําทางโดยอัตโนมัติ (Inertial Navigation Systems) (INS) เป็นก้อนมุมของการนําทางทางทางเรือและเรือดําน้ําที่ทันสมัย โดยไม่มีระบบ INS เรือดําน้ําไม่สามารถดําเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพใต้น้ําและเรือทัพเรือบนพื้นผิวจะเปราะบางต่อการบกพร่องของ GPS และการบกพร่องสัญญาณโดยการให้ความสามารถในการนําทางที่อิสระ, น่าเชื่อถือและลับ INS ทําให้แพลตฟอร์มทัพเรือสามารถเจริญเจริญเจริญในสภาพแวดล้อมที่ GPS ไม่สามารถใช้ได้หรือเสี่ยง

เมื่อการดําเนินงานทางเรือพัฒนาขึ้น โดยมีความสนใจเพิ่มขึ้นในเรื่องของอิสระภาพ การหลบลวง และภารกิจที่ปฏิเสธ GPSอนาคตของการนําทางทางทางเรืออยู่ที่ระบบไฮบริด ที่รวม INS กับเซ็นเซอร์ที่ทันสมัย, AI, และข้อมูลสิ่งแวดล้อม, รับรองว่าเรือและเรือดําน้ําทัพเรือสามารถนําทางได้อย่างแม่นยํา, น่าเชื่อถือ, และเงียบ ไม่ว่าจะเป็นความท้าทาย.