در نسل فعلی هواپیماها، سیستم‌های زیادی وجود دارند که نیازمند تبادل اطلاعات با دیگر تجهیزات هواپیما هستند. به عنوان مثال یک هواپیما می‌تواند شامل بیش از 20 هزار حسگر باشد. این سیستم‌های ارتباطی رایج نیاز به سیم‌کشی الکترونیکی پیچیده و کنترل در نحوه ساخت دارند. برای کاهش خطر ناشی از قطع یا سیم‌کشی معیوب لازم است افزونگی آن دو تا سه برابر بیشتر شود. این به نوبه خود باعث افزایش وزن و در نتیجه مصرف سوخت هواپیما می‌شود. همچنین به دلیل ارتباطات فیزیکی گسترده و پیچیدگی آن، عملیات‌های تست سلامت و تعمیر و نگهداری تا حد زیادی مشکل است. از سوی دیگر کابل و سیم‌کشی هزینه‌های قابل توجهی را به سازندگان و کاربران هواپیما تحمیل می‌کند. این هزینه‌ها علاوه بر بار مالی خرید سیم و کابل، شامل هزینه طراحی ساختار مهار و نصب سیم‌ به بدنه هواپیما، تعمیر و نگهداری، کانکتور و البته هزینه‌های عملیاتی مرتبط با افزایش وزن هواپیما (حدود 5/2 درصد) نیز می‌شود.

طراحی ساختار مهاربندی سیم‌ها یکی از فاکتورهای تاثیرگذار در زمان مورد نیاز برای طراحی یک هواپیمای جدید است. طراحان باید با توجه به محدودیت‌هایی مانند فضا و تعادل وزن هواپیما مسیر سیم‌کشی‌ها را تعیین نمایند. علاوه بر این، طراحی باید به گونه‌ای باشد که بروز یک آسیب نقطه‌ای در بخشی از هواپیما تنها روی یک مسیر از انتقال اطلاعات تاثیر داشته و سایر مسیرهایی که به عنوان افزونگی طراحی شده‌اند از آسیب وارده ایمن باشند. محصولاتی با فناوری بی‌سیم راهکارهایی ارائه می‌دهند که موجب کاهش چشمگیر زمان و هزینه‌های طراحی و ساخت هواپیما می‌شوند. از سوی دیگر سیم‌کشی‌ها منبع بیش از 50 درصد از تداخلات الکترومغناطیسی داخل هواپیما هستند. از اینرو فناوری بی‌سیم می‌تواند جایگزین مناسبی برای اینگونه ارتباطات سیمی فعلی باشد.

ورود فناوری ارتباطات بی‌سیم به داخل هواپیما

سیستم‌های مبتنی بر فناوری مخابرات داخلی بی‌سیم اویونیک[1] ارتباطات داخلی هواپیما را به صورت بی‌سیم فراهم می‌کنند. این نوع از ارتباطات بی‌سیم با هدف عملکرد بهینه، قابل اعتماد و ایمن سیستم‌های موجود در هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها از ارتباطات صوتی، تصویری و داده‌ای بین سیستم‌های هواپیما پشتیبانی می‌کنند. نظارت بر نقاط مختلف هواپیما و برقراری ارتباط با خدمه پرواز از جمله کاربردهای فناوری WAIC است. ارائه اطلاعات جمع‌آوری شده توسط حسگرها برای سیستم‌های نظارتی داخل هواپیما از مثال‌های کاربرد این فناوری است. این حسگرها در سراسر بخش‌های هواپیما نصب شده تا بتوان از طریق اطلاعات آن‌ها عملیات نظارت بر سلامت ساختار هواپیما و سیستم‌های بحرانی را انجام داد.

برای یک عملکرد ایمن و قابل اعتماد در هواپیما نیاز به یک شبکه خاص است که ارتباطات بخشی از آن خواهد بود. سیستم‌های WAIC تنها ارتباطات داخلی هواپیما را پشتیبانی می‌کند و برای ارتباطات هوا-زمین و هوا-هوا یا هر گونه ارتباط خارج از هواپیما و همچنین ارائه خدمات بی‌سیم به مسافران در نظر گرفته نمی‌شود. حوزه فعالیت WAIC محدود به برنامه‌های کاربردی می‌شود که در چارچوب مشخصات ایکائو برای ایمنی، قابلیت اطمینان و کارایی هواپیما قرار می‌گیرند. این سیستم یک نوآوری از پژوهشکده سیستم‌های هوافضا[2] (AVSI) واقع در دانشگاه تگزاس ایالات متحده است. این موسسه همراه با همکاری چند شرکت بزرگ در کنفرانس جهانی ارتباطات رادیویی 2015 موفق به اختصاص یک طیف فرکانس رادیویی (4200 تا 4400 مگا هرتز) برای ارتباطات بی‌سیم در صنعت اویونیک شدند.

مزایای استفاده از ارتباطات بی‌سیم در داخل هواپیما

  • کاهش پیچیدگی در سیم‌کشی الکترونیکی
  • صرفه‌جویی در وزن و بهره‌وری بالا از سوخت
  • حذف خطرات ناشی از سیم‌کشی مانند خوردگی، قطع سیم، سایش یا اتصال باز
  • امکان اضافه کردن آسان سیستم‌های جدید به هواپیما بدون نیاز به صرف هزینه‌های اصلاح سیم‌کشی
  • پیکره‌بندی مجدد ساده سیستم‌ها
  • نظارت دقیق و بلادرنگ از پارامترهای بخش‌های متحرک و چرخان
  • بهبود قابلیت اطمینان از سیستم‌های هواپیما با کاهش خطاهای معمول از طریق تفکیک مسیر انتقال اطلاعات و لینک‌های رادیویی اضافه

بهبود قابلیت اطمینان

سیم‌کشی منبع بزرگی برای بروز نقص و هزینه‌های تعمیر و نگهداری در هواپیما است. تشخیص محل بروز نقص در میان حجم انبوهی از سیم، رابط و سوکت‌ها که متراکم هستند کار بسیار دشواری است. علاوه بر این تعداد زیاد قطعات و خطاهای بالقوه انسانی به بروز نقص در مجموعه کمک می‌کند. یک سیستم مبتنی بر ارتباطات بی‌سیم می‌تواند بطور قابل ملاحظه‌ای رابط‌های الکتریکی را کاهش داده و موجب بهبود قابلیت اطمینان شود. فناوری در نظر گرفته شده در WAIC از طریق پروتکل‌های خاص و ایمن موجب افزایش قابلیت اطمینان خواهد شد. یک هواپیما با سیم‌کشی کمتر نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری داشته و احتمال بروز حادثه بر اثر آتش‌سوزی سیم‌هایی با عمر بالا در آن کاهش پیدا می‌کند. همچنین به دلیل محدودیت در تعداد سیم‌کشی‌ها امکان نصب حسگرهای دما در اطراف بسیاری از اجزای هواپیما وجود نداشته و از آن‌ها صرف نظر می‌شود؛ اما از طریق فناوری ارتباطات بی‌سیم می‌توان با محدودیت کمتری از چنین حسگرهایی استفاده کرد.

سیستم‌های حیاتی هواپیما مانند سیستم کنترل پرواز و ارتباطات آن‌ها باید در برابر خطا مقاوم باشند. از اینرو طراحان معمولا از یک یا چند نسخه درگیر به عنوان افزونگی سیستم استفاده می‌کنند. این افزونگی برای ارتباطات بین سیستم‌ها نیز وجود دارد. اما استفاده از فناوری یکسان برای ایجاد تحمل‌پذیری خطا (مانند سیم‌کشی تکراری)، می‌تواند طراحی را به خطاهای حالت مشترک[3] مانند آتش‌سوزی حساس کند. استفاده از ارتباطات بی‌سیم به عنوان یک پشتیبان می‌تواند موجب افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم شود. به این گونه طراحی، افزونگی با ابزار غیرمشابه گفته می‌شود.

ساختار فناوری WAIC

طبق تعاریف صورت گرفته، سیستم‌های WAIC را می‌توان در دو بخش نرخ انتقال اطلاعات بالا و کم دسته‌بندی کرد. همچنین این سیستم‌ها با توجه به محل نصبشان در داخل یا خارج از بدنه هواپیما نیز قابل تفکیک هستند. با توجه به این دسته‌بندی‌ها پژوهشگران اقدام به بررسی نحوه قرار‌گیری هر یک از آنتن‌های این سیستم در هواپیما و میزان تداخلات آن‌ها با یکدیگر کرده‌اند. به منظور کاهش تداخلات الکترومغناطیسی، آنتن‌های درنظر گرفته‌ شده برای این سیستم از نوع جهتی بوده و بنابراین حجم انتشار سیگنال تنها در سمت تعیین شده زیاد خواهد بود.

سیگنال‌های جمع‌آوری شده از بخش‌های مختلف هواپیما از طریق ارتباط بی‌سیم و توسط گره‌های پایانی (End Node) به گره‌های گذرگاه (Gateway) و سپس از طریق اتصالات سیمی به مقصد انتقال داده می‌شوند. گره‌های پایانی از طریق آنتن‌هایی با بیم بسیار باریک اطلاعات را در اختیار گره‌های گذرگاه که اغلب در بخش مرکزی بدنه هواپیما نصب شده‌اند، ارسال می‌کنند. گره‌های گذرگاه با بیم پهن‌تر می‌توانند اطلاعات چند حسگر با موقعیت مکانی متفاوت را دریافت کنند.

فناوری مخابرات داخلی بی‌سیم اویونیک

پژوهشگران با چنین مدلی اقدام به بررسی میزان تداخلات ایجاد شده از سیستم مذکور روی سایر تجهیزات داخل هواپیما و هواپیماهای مجاور کرده‌اند. نتایج مقدماتی این تحقیقات توسط اتحادیه ارتباطات رادیویی بین‌المللی در سند شماره M.2283 منتشر شده است. همچنین اسناد دیگری در مورد سازگاری این سیستم با تجهیزات موجود در نسل فعلی هواپیماها، امکان‌سنجی استفاده از باند فرکانسی اختصاص داده شده در سیستم‌های هوایی و ملاحظات ایمنی سیستم ارائه شده است.

فناوری مخابرات داخلی بی‌سیم اویونیک

نتیجه‌گیری

بر اساس آنچه انتظار می‌رود، فناوری WAIC فرصت‌های زیادی را برای بهبود ایمنی پرواز و بهره‌وری عملیاتی پیش‌روی طراحان هواپیما و کاربران آن قرار می‌دهد. این‌ در حالی است که در کنار این فرصت‌ها، استفاده از فناوری مذکور باعث کاهش چشمگیر هزینه‌های ناشی از ساخت و تعمیر و نگهداری هواپیما خواهد شد. از آن‌جا که در حال حاضر شرکت‌های بزرگی مانند بوئینگ، ایرباس، راکول‌کالینز و هانی‌ول و همچنین نهادهای دولتی همچون ناسا و اداره هوانوردی فدرال حامی اجرای این پروژه هستند، می‌توان انتظار داشت تا چند سال آینده شاهد بکارگیری آن در صنعت هوایی باشیم.

منابع:

http://waic.avsi.aero

www.telecomabc.com

واژه نامه:

[1] Wireless Avionics Intra-Communications (WAIC)

[2]  Aerospace Vehicle Systems Institute

[3] common mode failures