مراقبة سلامة جهاز الاستقبال بشكل مستقل

توفر تقنية مراقبة سلامة نظام الاستقبال الذاتي (RAIM) مراقبة سلامة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتطبيقات الطيران والملاحة البحرية. ولكي يتمكن جهاز استقبال GPS من أداء وظيفة RAIM أو كشف الأعطال (FD)، يجب أن يكون مرئيًا له خمسة أقمار صناعية على الأقل ذات هندسة مناسبة. تتعدد تطبيقات RAIM، ومنها ما يقوم بإجراء فحوصات التوافق بين جميع حلول الموقع التي تم الحصول عليها باستخدام مجموعات فرعية مختلفة من الأقمار الصناعية المرئية. ويُصدر جهاز الاستقبال تنبيهًا للطيار في حال فشل فحوصات التوافق.

يُعد توفر نظام RAIM مسألة مهمة عند استخدام هذا النوع من الخوارزميات في التطبيقات الحساسة للسلامة (مثل التطبيقات المتعلقة بالطيران)؛ في الواقع، بسبب الهندسة وصيانة خدمة الأقمار الصناعية، فإن نظام RAIM ليس متاحًا دائمًا على الإطلاق، مما يعني أن هوائي جهاز الاستقبال قد يكون لديه في بعض الأحيان أقل من خمسة أقمار صناعية في مجال الرؤية.

يُعدّ التوافر مؤشرًا لأداء خوارزمية RAIM. وهو دالة لهندسة المجموعة النجمية المرئية، بالإضافة إلى الظروف البيئية الأخرى. وبالنظر إلى التوافر من هذا المنظور، يتضح أنه ليس خاصية تشغيل/إيقاف، بمعنى أن الخوارزمية قد تكون متاحة، ولكن ليس بالأداء المطلوب لاكتشاف الأعطال عند حدوثها. لذا، يُعدّ التوافر عاملًا أساسيًا في أداء الخوارزمية، ويُميّز كل نوع من أنواع خوارزميات ومنهجيات RAIM المختلفة.

تعتمد إحصائية الاختبار المستخدمة على الفرق بين القياس المتوقع والقياس المرصود (الفرق بين القياس المتوقع والقياس المرصود) ومستوى التكرار. تُقارن إحصائية الاختبار بقيمة عتبة تُحدد بناءً على متطلبات احتمال الإنذار الكاذب (Pfa) ومستوى الضوضاء المتوقع في القياس. في أنظمة الطيران، يُحدد احتمال الإنذار الكاذب عند 1/15000.

حد السلامة الأفقي (HIL) أو مستوى الحماية الأفقي (HPL) هو قيمة تمثل نصف قطر دائرة مركزها نقطة تحديد موقع GPS، وتضمن احتواء الموقع الحقيقي لجهاز الاستقبال ضمن مواصفات نظام RAIM (أي التي تستوفي معايير Pfa وPmd). يُحسب مستوى الحماية الأفقي (HPL) كدالة لعتبة RAIM وهندسة القمر الصناعي وقت القياسات. ويُقارن مستوى الحماية الأفقي (HPL) بحد الإنذار الأفقي (HAL) لتحديد مدى توفر نظام RAIM.

في مجال الطيران، يمكن "تجهيز" أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لوضع الاقتراب من مطار الوجهة، بحيث عندما تكون الطائرة على بُعد 30 ميلًا بحريًا (56 كم؛ 35 ميلًا) ، يتغير عتبة حساسية جهاز الاستقبال (HAL) تلقائيًا من وضع المسار (±5 ميلًا بحريًا) ووضع RAIM (±2 ميلًا بحريًا) إلى وضع المطار (±1 ميلًا بحريًا)، ثم يتغير مرة أخرى إلى ±0.3 ميلًا بحريًا عند 2 ميلًا بحريًا (3.7 كم؛ 2.3 ميلًا) قبل الوصول إلى نقطة الاقتراب النهائية. ^{[ 2 ]}          

يُعرف الإصدار المُحسّن من تقنية RAIM المُستخدم في بعض أجهزة الاستقبال باسم كشف الأعطال واستبعادها (FDE). يجب أن يكون قمر صناعي واحد على الأقل، بالإضافة إلى الأقمار الصناعية اللازمة للملاحة، مرئيًا لجهاز الاستقبال لكي يؤدي وظيفة RAIM؛ وبالتالي، تتطلب RAIM خمسة أقمار صناعية على الأقل مرئية، أو أربعة أقمار صناعية ومقياس ارتفاع بارومتري (المساعدة البارومترية، وهي طريقة لتعزيز دقة نظام تحديد المواقع العالمي GPS باستخدام مصدر إدخال غير فضائي) لكشف أي خلل في دقة النظام. بالنسبة لأجهزة الاستقبال القادرة على تنفيذ FDE، تتطلب RAIM ستة أقمار صناعية مرئية (أو خمسة أقمار صناعية مع المساعدة البارومترية) لعزل إشارة القمر الصناعي المعطوبة وإزالتها من نظام الملاحة. ^{[ 3 ]}

عند اكتشاف العطل، يقوم نظام استبعاد الأعطال بتحديد مصدر العطل واستبعاده (دون تحديد المصدر المحدد الذي تسبب في المشكلة بالضرورة)، مما يسمح لنظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بمواصلة العمل دون انقطاع. ثم يتم إجراء عملية RAIM على الإشارات المتبقية.

سيكون توافر نظامي RAIM وFDE أقل قليلاً في المناطق ذات خطوط العرض المتوسطة، وأعلى قليلاً في المناطق الاستوائية وذات خطوط العرض العالية، وذلك بسبب طبيعة المدارات. ويمكن تحسين توافر نظامي RAIM وFDE باستخدام أقمار صناعية من عدة كوكبات GNSS أو أقمار SBAS كمصادر إضافية لتحديد المدى.

لتمكين الطيارين من تحديد ما إذا كان نظام مراقبة حالة الطيران (RAIM) متاحًا على مستوى الرحلة أو الاقتراب بسرعة، أنشأت إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) ومنظمة مراقبة حالة الطيران الأوروبية (EUROCONTROL) مواقع ويب "على مستوى الإرسال" تتنبأ بحالة نظام مراقبة حالة الطيران (RAIM) لتلبية متطلبات الفحص قبل الرحلة.

• يغطي موقع التنبؤ بـ RAIM التابع لإدارة الطيران الفيدرالية "AC 90–100" الأراضي الأمريكية بتنسيق خريطة بيانية (يظهر اللون الأخضر لـ RAIM المتاح واللون الأحمر لـ RAIM غير المتاح).
• يوفر نظام EUROCONTROL تغطية دولية لمعظم نقاط الطريق في قاعدة بيانات نقاط الطريق للطيران العالمية ويعرض النتائج في شريط "الجدول الزمني" الذي يوضح التوقعات بشأن ما إذا كان نظام RAIM المدعوم بالضغط الجوي أو غير المدعوم به سيكون متاحًا.
  • تضع منظمة يوروكنترول إخلاء مسؤولية على بياناتها (موضحة أن بيانات خفر السواحل الأمريكي لها الأولوية)، بينما تصادق إدارة الطيران الفيدرالية على موقعها الإلكتروني باعتباره يفي بالمتطلبات التنظيمية.
  • اعتبارًا من 1 يوليو 2012، اقتصرت تغطية نظام AUGUR على المجال الجوي ECAC فقط.
• منذ عام 2006، تُقدّم خدمة التنبؤ N-RAIM، التي تستضيفها NAVBLUE، تغطية عالمية لجميع تطبيقات الملاحة القائمة على الأداء (PBN) ، بما في ذلك RNP 10 وRNAV 5 وRNAV 2 وRNAV 1 وRNP 4 وRNP Approach و RNP AR Approach، وصولاً إلى دقة 0.1 ميل بحري. تُعدّ هذه الأداة الإلكترونية بديلاً للخدمة الآلية المُدمجة مباشرةً في برامج تخطيط الرحلات . ويتم تحديثها باستمرار بما يتماشى مع الإصدارات الجديدة من دليل الملاحة القائمة على الأداء الصادر عن منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) وأي لوائح عالمية مُحدّدة.
• يوفر نظام SPACEKEYS للتنبؤ بمخاطر الاصطدام وتجنبها، الذي طورته وتستضيفه شركة FLIGHTKEYS، تغطية عالمية لجميع أنواع التنبؤات المتعلقة بمخاطر الاصطدام، ويشمل جميع مستويات السلامة بدءًا من RNP10 (أثناء الرحلة) وصولًا إلى RNP Approach وRNP AR Approach (بدقة تصل إلى 0.1 ميل بحري). تتيح الأداة الإلكترونية التنبؤ بمخاطر الاصطدام للمواقع والمسارات الكاملة، بالإضافة إلى التنبؤات القائمة على المناطق. كما تتوفر واجهات برمجة تطبيقات REST و SOAP لدمجها مع أنظمة أخرى.

صُممت أنظمة مراقبة المخاطر في الطيران المدني عمومًا للكشف عن مصدر شاذ واحد واستبعاده (بعد احتمالية حدوث خلل في النظام) باستخدام فصل الحلول. ومع ذلك، فقد صُممت أنظمة مراقبة مخاطر معممة قادرة على الكشف عن عدة مصادر شاذة واستبعادها. ^{[ 4 ]}

يُعتبر نظام مراقبة سلامة الطائرات (RAIM) فئةً من أنظمة تعزيز سلامة الطائرات (ABAS)، وهو نوع من أنظمة تعزيز نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS ) التي تُحسّن سلامة الطائرة من خلال تغيير عملية اتخاذ القرار فيها. تشمل أنظمة ABAS نظام RAIM ونظام مراقبة سلامة الطائرات المستقل (AAIM)، حيث يجمع الأخير بين أجهزة الاستشعار الموجودة على متن الطائرة وغيرها من القياسات مع نظام GNSS. تُستخدم تقنيات تعزيز نظام GNSS الأخرى، مثل SBAS وGBAS، بشكل شائع لتوفير كلٍ من السلامة والدقة. ^{[ 5 ]}

يصف برنامج إدارة المخاطر المتقدمة (ARAIM) خطةً وُضعت عام 2010 لضمان أداء نظام الملاحة الجوية العمودية LPV-200 عالميًا بحلول عام 2030. ويتطلب ذلك تطبيق نظام إدارة المخاطر على التوجيه العمودي، بالإضافة إلى استخدامه الحالي للتوجيه الجانبي ( LNAV )، مع مستويات حماية وحدود إنذار مماثلة للمكون العمودي. ^{[ 6 ]} يُوصى بأن يتضمن برنامج إدارة المخاطر المتقدمة أجهزة استقبال ثنائية التردد (L1/L5)، ومجموعات أقمار صناعية متعددة، واستخدام رسالة دعم السلامة (ISM) المُستلمة من الهيئة التنظيمية المُعتمدة، والتي تُقدم معلومات حول موثوقية مجموعات الأقمار الصناعية. ومن المعروف أن مجموعة مشتركة من 24 قمرًا صناعيًا من نظام غاليليو و21 قمرًا صناعيًا من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) كافية لبرنامج إدارة المخاطر المتقدمة. ^{[ 6 ]}

يستخدم برنامج ARAIM خوارزمية فصل الحلول. ويعتمد هذا البرنامج على استخدام قيم البواقي الزائفة للمدى، والتي يتم في هذه الحالة قياسها وفقًا لمجال الموقع. وينبغي مراعاة وجود أعطال متعددة في الحالة الرأسية. ^{[ 6 ]}

لا يتطلب الإصدار الأفقي فقط من نظام ARAIM (H-ARAIM) بيانات ISM، إذ يمكنه ببساطة استخدام التزامات الأداء من كوكبات GNSS (ويُصنف فقدانه ضمن فئة "الخطورة الكبرى"). أما الإصدار الرأسي V-ARAIM فيتطلب بيانات ISM لأن فقدانه سيكون ضمن فئة "الخطورة الجسيمة": إذ يتطلب الأمر وجود مصدر معلومات آخر لتحديد ما إذا كانت هناك حدود أكثر صرامة مُتبعة. ولا يزال المحتوى الدقيق لبيانات ISM وفترة تحديثها قيد الدراسة حتى عام 2022. ^{[ 7 ]}

تصف موسوعة نافيبيديا التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية خوارزميات RAIM بالتفصيل. بالإضافة إلى خوارزميات نهج رفض القياس (MRA) المستخدمة في الطيران، يوجد أيضًا نهج توصيف الخطأ (ECA) الذي يوفر توافرًا أعلى على الأرض وتكلفة حسابية أقل على حساب تقديرات PL المبالغ فيها. ^{[ 8 ]}