การนำทาง การควบคุม และการบังคับทิศทาง ( ย่อว่าGNC , GN&CหรือG &C ) เป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบระบบเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งรถยนต์เรือเครื่องบินและยานอวกาศในหลายกรณี หน้าที่เหล่านี้สามารถทำได้โดยมนุษย์ที่ได้รับการฝึกฝนมาแล้ว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเร็วของการเคลื่อนที่ เช่น จรวด เวลาตอบสนองของมนุษย์จึงช้าเกินไปที่จะควบคุมการเคลื่อนที่นี้ได้ ดังนั้น ระบบต่างๆ ซึ่งปัจจุบันเกือบทั้งหมดเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล จึงถูกนำมาใช้ในการควบคุมดังกล่าว แม้ในกรณีที่มนุษย์สามารถปฏิบัติหน้าที่เหล่านี้ได้ ระบบ GNC ก็มักจะให้ประโยชน์ เช่น ลดภาระงานของผู้ควบคุม ลดความปั่นป่วน ประหยัดเชื้อเพลิง เป็นต้น นอกจากนี้ การประยุกต์ใช้ GNC ที่ซับซ้อนยังช่วยให้สามารถ ควบคุม อัตโนมัติหรือควบคุมจากระยะไกล ได้

• การนำทางหมายถึงการกำหนดเส้นทางการเดินทางที่ต้องการ ("วิถี ") จากตำแหน่งปัจจุบันของยานพาหนะไปยังเป้าหมายที่กำหนด รวมถึงการเปลี่ยนแปลงความเร็ว การหมุน และความเร่งที่ต้องการสำหรับการติดตามเส้นทางนั้น ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

• การนำทางหมายถึงการกำหนดตำแหน่งและความเร็ว ("เวกเตอร์สถานะ") รวมถึงทิศทางของยานพาหนะ ณเวลาใดเวลาหนึ่ง
• การควบคุมหมายถึง การจัดการแรงต่างๆ โดยผ่านทางระบบควบคุมทิศทาง เครื่องยนต์ขับดัน ฯลฯ ที่จำเป็นต่อการดำเนินการตามคำสั่งนำทาง ในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพ ของยานพาหนะ ไว้

ระบบนำทาง การควบคุม และการกำหนดทิศทางประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วน ได้แก่การนำทางซึ่งติดตามตำแหน่งปัจจุบันการกำหนดทิศทางซึ่งใช้ข้อมูลการนำทางและข้อมูลเป้าหมายเพื่อสั่งการควบคุมการบิน "ว่าจะไปที่ใด" และการควบคุมซึ่งรับคำสั่งนำทางเพื่อเปลี่ยนแปลงการควบคุมทางอากาศพลศาสตร์และ/หรือเครื่องยนต์

การนำทาง

การนำทางคือศิลปะแห่งการกำหนดตำแหน่งของคุณ ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากในปี 1711 จากรางวัลลองจิจูด เครื่องมือช่วยนำทางจะวัดตำแหน่งจาก จุดอ้างอิงคงที่ (เช่น สถานที่สำคัญ ดาวเหนือ สัญญาณ LORAN) ตำแหน่ง สัมพัทธ์กับเป้าหมาย (เช่น เรดาร์ อินฟราเรด ...) หรือติดตามการเคลื่อนที่จากตำแหน่ง/จุดเริ่มต้นที่ทราบ (เช่น IMU) ระบบที่ซับซ้อนในปัจจุบันใช้วิธีการหลายวิธีในการกำหนดตำแหน่งปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น ระบบนำทางที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบันถูกนำมาใช้ในขีปนาวุธต่อต้านขีปนาวุธ RIM -161 Standard Missile 3ซึ่งใช้ข้อมูลจาก GPS, IMU และส่วนภาคพื้นดินในระยะการเร่งความเร็ว และข้อมูลตำแหน่งสัมพัทธ์สำหรับการกำหนดเป้าหมายการสกัดกั้น ระบบที่ซับซ้อนมักมีการสำรองข้อมูลหลายส่วนเพื่อแก้ไขปัญหาการคลาดเคลื่อน ปรับปรุงความแม่นยำ (เช่น เทียบกับเป้าหมาย) และแก้ไขปัญหาความล้มเหลวของระบบบางส่วน ดังนั้น ระบบนำทางจึงรับข้อมูลเข้าจากเซ็นเซอร์หลายตัว ทั้งภายในระบบและ/หรือภายนอก (เช่น การอัปเดตจากภาคพื้นดิน) ตัวกรอง Kalmanเป็นวิธีการที่พบได้บ่อยที่สุดในการรวมข้อมูลการนำทาง (จากเซ็นเซอร์หลายตัว) เพื่อแก้ไขตำแหน่งปัจจุบัน

คำแนะนำ

ระบบนำทางเปรียบเสมือน "คนขับ" ของยานพาหนะ มันรับข้อมูลจากระบบนำทาง (ฉันอยู่ที่ไหน) และใช้ข้อมูลเป้าหมาย (ฉันต้องการไปที่ไหน) เพื่อส่งสัญญาณไปยังระบบควบคุมการบินที่จะช่วยให้ยานพาหนะไปถึงจุดหมายปลายทาง (ภายในข้อจำกัดในการปฏิบัติงานของยานพาหนะ) "เป้าหมาย" สำหรับระบบนำทางคือเวกเตอร์สถานะหนึ่งตัวหรือมากกว่า (ตำแหน่งและความเร็ว) และอาจเป็นแบบเฉื่อยหรือแบบสัมพัทธ์ ในระหว่างการบินด้วยกำลังขับเคลื่อน ระบบนำทางจะคำนวณทิศทางการบังคับเลี้ยวอย่างต่อเนื่องเพื่อควบคุมการบิน ตัวอย่างเช่นกระสวยอวกาศกำหนดเป้าหมายความสูง เวกเตอร์ความเร็ว และแกมมาเพื่อขับเคลื่อนให้เครื่องยนต์หลักดับลง ในทำนองเดียวกันขีปนาวุธข้ามทวีปก็กำหนดเป้าหมายเป็นเวกเตอร์เช่นกัน เวกเตอร์เป้าหมายถูกพัฒนาขึ้นเพื่อบรรลุภารกิจและสามารถวางแผนล่วงหน้าหรือสร้างขึ้นแบบไดนามิกได้

ควบคุม

การควบคุมการบินสามารถทำได้ทั้งทางอากาศพลศาสตร์หรือโดยการควบคุมด้วยพลังงาน เช่น เครื่องยนต์ ระบบนำทางจะส่งสัญญาณไปยังระบบควบคุมการบิน ระบบนักบินอัตโนมัติดิจิทัล (DAP) เป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างระบบนำทางและระบบควบคุมการบิน ระบบนำทางและ DAP มีหน้าที่คำนวณคำสั่งที่แม่นยำสำหรับแต่ละการควบคุมการบิน DAP จะให้ข้อมูลย้อนกลับแก่ระบบนำทางเกี่ยวกับสถานะของการควบคุมการบิน

ระบบควบคุมและนำทาง (GNC) พบได้ในระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติหรือกึ่งอัตโนมัติเกือบทุกระบบ ซึ่งรวมถึง:

• ระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ
• รถยนต์ไร้คนขับเช่นรถสำรวจดาวอังคารหรือรถที่เข้าร่วมการแข่งขัน DARPA Grand Challenge
• ขีปนาวุธนำวิถี
• ระบบส่งของทางอากาศแบบนำทางที่มีความแม่นยำสูง
• ระบบควบคุมปฏิกิริยาสำหรับยานอวกาศ
• ยานปล่อยยานอวกาศ
• ยานบินไร้คนขับ
• รถแทรกเตอร์บังคับเลี้ยวอัตโนมัติ
• ยานใต้น้ำอัตโนมัติ

ตัวอย่างที่เกี่ยวข้องได้แก่:

• การนำทางโดยใช้ดวงดาวเป็นเทคนิคการกำหนดตำแหน่งที่คิดค้นขึ้นเพื่อช่วยให้นักเดินเรือข้ามมหาสมุทรที่ไม่มีจุดสังเกตโดยไม่ต้องอาศัยการคำนวณตำแหน่งโดยประมาณเพื่อนำทางไปยังฝั่ง การนำทางโดยใช้ดวงดาวใช้การวัดเชิงมุม (การเล็ง) ระหว่างเส้นขอบฟ้าและวัตถุบนท้องฟ้าทั่วไป โดยส่วนใหญ่จะใช้ดวงอาทิตย์ นักเดินเรือที่มีทักษะสามารถใช้ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ หรือดาวนำทาง 57 ดวง ซึ่งมีพิกัดบันทึกไว้ในปฏิทินเดินเรือ เครื่องมือในอดีตได้แก่เซ็กซ์แทนต์นาฬิกาและข้อมูลปฏิทินดาราศาสตร์ ยานอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้ระบบออปติคอลเพื่อปรับเทียบระบบนำทางเฉื่อย: Crewman Optical Alignment Sight (COAS) ^{[ 4 ]} Star Tracker ^{[ 5 ]}
• หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) เป็นระบบความเฉื่อยหลักที่ใช้ในการรักษาระตำแหน่งปัจจุบัน (การนำทาง) และทิศทางในขีปนาวุธและอากาศยาน IMU เป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อน ประกอบด้วยไจโรสโคปแบบหมุนได้หนึ่งตัวหรือมากกว่า ซึ่งสามารถหมุนได้อย่างอิสระใน 3 องศาภายใน ระบบ กิมบอล ที่ซับซ้อน IMU จะถูก "ปรับตั้งค่า" และสอบเทียบก่อนการปล่อย ระบบที่ซับซ้อนส่วนใหญ่จะมี IMU อย่างน้อย 3 ตัว นอกเหนือจากตำแหน่งสัมพัทธ์แล้ว IMU ยังมีมาตรวัดความเร่งซึ่งสามารถวัดความเร่งในทุกแกนได้ ข้อมูลตำแหน่งรวมกับข้อมูลความเร่งจะให้ข้อมูลป้อนเข้าที่จำเป็นในการ "ติดตาม" การเคลื่อนที่ของยานพาหนะ IMU มีแนวโน้มที่จะ "คลาดเคลื่อน" เนื่องมาจากแรงเสียดทานและความแม่นยำ การแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อแก้ไขการคลาดเคลื่อนนี้สามารถทำได้ผ่านการส่งข้อมูล ทางไกลจากภาคพื้นดิน GPS เรดาร์ การนำ ทาง ด้วยดวงดาวแบบออปติคอ ลและอุปกรณ์ช่วยนำทางอื่นๆ เมื่อกำหนดเป้าหมายไปยังยานพาหนะอื่น (ที่กำลังเคลื่อนที่) เวกเตอร์สัมพัทธ์จะมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในสถานการณ์นี้ อุปกรณ์ช่วยนำทางที่ให้ข้อมูลอัปเดตตำแหน่งสัมพัทธ์กับเป้าหมายจะมีความสำคัญมากกว่า นอกจากตำแหน่งปัจจุบันแล้ว ระบบ นำทางด้วยแรงเฉื่อยโดยทั่วไปยังประมาณตำแหน่งที่คาดการณ์ไว้สำหรับรอบการคำนวณในอนาคตด้วย ดูเพิ่มเติมที่ระบบนำทางด้วยแรงเฉื่อย
• ระบบนำทางด้วยแรงเฉื่อยและแรงต้าน (Astro-inertial navigation ) คือ การหลอม รวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ต่างๆ ทั้ง ระบบนำทางด้วยแรงเฉื่อยและระบบนำทางด้วยดวงดาว
• ระบบนำทางระยะไกล (LORAN)  : ระบบนี้เป็นต้นแบบของ GPS และถูกใช้ (และยังคงใช้ในระดับหนึ่ง) ในการขนส่งทางทะเลเชิงพาณิชย์เป็นหลัก ระบบนี้ทำงานโดยการคำนวณตำแหน่งของเรือโดยอาศัยทิศทางอ้างอิงจากเครื่องส่งสัญญาณ ที่ทราบ ตำแหน่ง
• ระบบระบุตำแหน่งทั่วโลก (GPS)  : GPS ถูกออกแบบโดยกองทัพสหรัฐฯ โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อแก้ไข "การเบี่ยงเบน" ภายในระบบนำทางเฉื่อยของขีปนาวุธนำวิถีที่ยิงจากเรือดำน้ำ (SLBM) ก่อนการยิง GPS ส่งสัญญาณ 2 ประเภท ได้แก่ สัญญาณทางทหารและสัญญาณเชิงพาณิชย์ ความแม่นยำของสัญญาณทางทหารเป็นความลับ แต่สามารถสันนิษฐานได้ว่าต่ำกว่า 0.5 เมตร ระบบ GPS ประกอบด้วยดาวเทียม 24 ถึง 32 ดวง โคจรรอบโลกในวงโคจรระดับกลางที่ระดับความสูงประมาณ 20,200  กม. (12,600  ไมล์) ดาวเทียมเหล่านี้อยู่ในวงโคจรเฉพาะ 6 วงโคจร และส่งข้อมูลเวลาและตำแหน่งดาวเทียมที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการคำนวณระยะทางและตำแหน่งได้^{[ 6 ]}

• เรดาร์/อินฟราเรด/เลเซอร์ : ระบบนำทางรูปแบบนี้ให้ข้อมูลเพื่อนำทางโดยอ้างอิงจากเป้าหมายที่ทราบแล้วมีการใช้งานทั้งในด้านพลเรือน (เช่น การนัดพบ) และด้านการทหาร
  • ทำงานอยู่ (ใช้เรดาร์ของตนเองเพื่อส่องสว่างเป้าหมาย )
  • แบบพาสซีฟ (ตรวจจับการปล่อยคลื่นเรดาร์ของเป้าหมาย)
  • ระบบนำทางด้วยเรดาร์กึ่งแอคทีฟ
  • ระบบนำวิถีด้วยอินฟราเรด  : ระบบนำวิถีรูปแบบนี้ใช้เฉพาะกับอาวุธยุทโธปกรณ์ทางทหาร โดยเฉพาะ ขีปนาวุธ จากอากาศสู่อากาศและจากพื้นสู่อากาศหัวค้นหาของขีปนาวุธจะติดตาม สัญญาณ อินฟราเรด (ความร้อน) จากเครื่องยนต์ของเป้าหมาย (จึงเป็นที่มาของคำว่า "ขีปนาวุธนำวิถีด้วยความร้อน")
  • ระบบนำทางด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตที่ใช้ในขีปนาวุธFIM-92 Stingerมีความทนทานต่อมาตรการต่อต้านมากกว่าระบบนำทางด้วยรังสีอินฟราเรด
  • ระบบนำทางด้วยเลเซอร์  : อุปกรณ์ กำหนดเป้าหมายด้วยเลเซอร์จะคำนวณตำแหน่งสัมพัทธ์กับเป้าหมายที่ไฮไลต์ไว้ หลายคนคุ้นเคยกับการใช้งานเทคโนโลยีนี้ในด้านการทหาร เช่นระเบิดนำวิถีด้วยเลเซอร์ลูกเรือกระสวยอวกาศใช้อุปกรณ์พกพาเพื่อป้อนข้อมูลในการวางแผนการนัดพบ ข้อจำกัดหลักของอุปกรณ์นี้คือ ต้องมีเส้นสายตาที่เชื่อมต่อระหว่างเป้าหมายและอุปกรณ์กำหนดเป้าหมาย
  • การจับคู่เส้นชั้นความสูงของภูมิประเทศ ( TERCOM ) ใช้เรดาร์สแกนพื้นดินเพื่อ "จับคู่" ลักษณะภูมิประเทศกับข้อมูลแผนที่ดิจิทัลเพื่อกำหนดตำแหน่งปัจจุบัน ใช้โดยขีปนาวุธร่อน เช่นโทมาฮอว์ก (ตระกูลขีปนาวุธ )

• การประชุม AIAA GNC (ประจำปี)
• โลกแห่งวิชาการ: วิศวกรรมระบบอากาศยาน: บรรยายครั้งที่ 16 GNC โดย ฟิล แฮตติส – MIT
• จอร์เจียเทค: GNC: ทฤษฎีและการประยุกต์ใช้
• เทคโนโลยีกระสวยอวกาศของ NASA: GNC เก็บถาวรเมื่อวันที่ 24 กันยายน 2016 ที่Wayback Machine
• โบอิ้ง: กระทรวงกลาโหม อวกาศ และความมั่นคง: สถานีอวกาศนานาชาติ: GNC
• ระบบดาวเทียมพรินซ์ตัน: ระบบควบคุมและนำทาง (GNC) ของเรือเหาะระดับสูง โจเซฟ มุลเลอร์เก็บถาวรเมื่อวันที่ 11 มิถุนายน 2014 ที่Wayback Machine
• CEAS: การประชุม EuroGNC