سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS
GPS سیستم تعیین موقعیت جهانی است که به عنوان جایگزین تمام سیستم های تعیین موقعیت قبل از قبیل سیستم های دوربین بالستیک ، دامپر ، لورن و امگا شده است .
در دهه 60 میلادی ارتش ایالت متحده آمریکا تصمیم به ایجاد سیستم های ناوبری با دقت بالا کرد و سیستم ترانزیت را به عنوان اولین نوع از این سیستم ها راه اندازی کرد .
بعد ها در پی بهبود سازی این سیستم ها از جهات مختلف نمود . ودر طی یک پروا¾ا¾ژه تحقیقاتی نظامی در دهه 70 میلادی سیستمی با دقت و سرعت بالا طراحی کردند و اولین ماهواره از این سیستم را در سال 1973 میلادی به فضا پرتاب کردند .
گرچه هدف اولیه از طراحی این سیستم اهداف نظامی بود ولی با توجه به نیاز های جامعه جهانی به سرعت این سیستم جنبه عمومی نیز به خود گرفت و به عنوان یک سیستم تعیین موقعیت جهانی کاربرد های خود را در اختیار کاربران عام و خاص خود قرار داد .
در یک تعریف کلی از این سیستم میتوان بیان نمود که GPS یک سیستم نظامی قابل دسترس برای ناوبری و تعیین موقعیت ژئودتیک می باشد .
بخش فضایی ماهواره های GPS
از زمان راه اندازی ماهواره های این سیستم تا کنون تکنولوژی این ماهواره ها ارتقاء یافته و به طور کلی نوع ماهواره های این سیستم از ابتدا تا کنون را به چها بلوک زیر تقسیم بندی کرد :
Block 1 -I
, Block 2Q - II Block 2
Block 2R -II
Block 2F -IV
ماهواره های Block 1 :
این ماهواره ها دارای 800 کیلو گرم وزن بودند . این نسل از ماهواره ها به دلیل این که تا آن زمان هنوز تکنولوژی و امکان قرار گیری ساعت اتمی وجود نداشت فاقد ساعت اتمی بودند . طول عمری که برای این ماهواره ها در نظر گرفته شده بود 5 سال بود ولی بعضی از آنها سال ها بیش از زمان در نظر گرفته شده در مدار قرار گرفتند و به اجام ماموریت پرداختند .
ماهواره های نسل دوم Block 2Q و Block 2
در اواخر دهه 70 میلادی کشور ایالت متحده به تکنولوژی نصب ساعت های اتمی در ماهواره های ارسالی به فضا دست یافت ، که این ساعت ها جایگزین ساعت های کوارتزی قبلی شدند و دارای دقت در حدود 10-13 ثانیه بودند .
ماهواره های نسل سوم Block 2R و Block 2F
در داخل سیستم های این نسل از ماهواره ها از ساعت های هیدروژن میسر استفاده گردید و از لحاظ زمانی دارای دقتی در حدود 10-16 ثانیه بود .
تعداد این ماهواره ها هم اکنون 26 عدد در 6مدار با زاویه مداری 63 درجه نسبت به صفحه استوا می باشد .
تا اواخر سال 1989 تعداد 7 ماهواره از بلوک I در دوصفحه مداری با زاویه میل 63 درجه قرار داشتند و اولین ماهواره پرتابی از نوع بلوک II در فوریه 1989 میلادی از پایگاه کیپ کارناوال نیروی هوایی آمریکا در ایالت فلوریدا به مدار از پیش تعیین شده خود ارسال شد .
با افزایش تعداد ماهواره ها در طی سالیان اخیر امکان انجام مشاهدات در تمامی 24 ساعت شبانه روز تحقق پذیرفته و شکاف های gap) ( در مشاهدات پر گشته است .
ماهواره های بلوک I و II در مداری نزدیک به دایره با ارتفاع تقریبی 20200 کیلومتر (1200 مایل ) بوده و دارای پرید مداری در حدود 12 ساعت می باشد . موقعیت ماهواره ها نسبت به زمین متناظر با زمان نجومی است بنابراین ماهواره ها هر روز 4 دقیقه زودتر از روز قبل ظاهر میشوند .
مدار حرکت ماهواره
جهت طراحی مدار ماهواره ها و قرار گرفتن آنها در مدار از پیش تعیین شده باید این مدارها با دقتی بالا و استفاده از قوانین حاکم بر فیزیک طبیعت طراحی گردند .
جهت طراحی مدار ماهواره ها از اصول سه گانه ای معروف به قوانین کپلر استفاده می شود .
قوانین کپلر :
1 – مسیر حرکت سیارات به دور خورشید صفحه ای بیضی شکل است که خورشید در یکی از کانون های آن قرار داد .
2 – ماهواره ها در زمان های مساوی مساحت های مساوی را جاروب می کنند .
پارامتر های تعیین موقعیت ماهواره ها :
جهت تعیین موقعییت دقیق یک ماهواره در فضا نیاز به تعیین 7 پارامتر است که این پارامتر ها ، پارامتر های تعیین موقعییت گفته می شود .
پارامتر ها عبارتند از :
i : زاویه میل ( زاویه بین صفحه مدار ماهواره با صفحه استوای بیضوی )
a : نیم قطر اطول بیضوی
N : نقطه گره صعودی
e2 : پارامتر خروج از مرکزیت
Ω : بعد نقطه گره صعودی ( زاویه بین نقطه مرکزی بیضوی ، نقطه ورنال و نقطه گره صعودی ، این زاویه بر روی صفحه استوای بیضوی و در جهت پادسعتگرد اندازه گیری میشود )
ε : زاویه بین نقطه گره صعودی و نقطه پریجی . این زاویه بر روی صفحه مداری اندازه گیری می شود .
نقطه پریجی :نقطه ای که ماهواره در نزدیکترین موقعییت نسبت به مرکز بیضی ( زمین ) قرار می گیرد .
آنامولی
موقعییت لحظهای یک ماهواره در مدار بوسیله کمیت زاویه آنامولی مشخص می گردد .
ا نوع آنامولی :
آنامولی حقیقی ( از ماهواره تا مرکز زمین )
آنامولی متوسط
آنامولی خروج از مرکزیت (از ماهواره تا مرکز بیضی )
آنامولی متوسط: اگر تصور کنیم ماهواره با سرعت زاویه ای ثابت و پرید مساوی، پرید ماهواره واقعی در هر لحظه و آنامولی متوسط می گویند.
آنامولی خروج از مرکزیت:
اگر دایره ای به شعاع a از مرکز بیضی بکشیم و تصویر ماهواره را روی دایره مشخص کنیم و خطی به مرکز بیضی بکشیم زاویه این خط با خط واصل مرکز بیضی به نقطه پریجی را آنامولی خروج از مرکزیت می گویند.
همانطور که ذکر گردید پرید اکثر ماهواره ها 11 ساعت و 58 دقیقه (حدود 12 ساعت) است و در این مدت زمان شعاع زمین را طی می کند.
بخش کنترل:
حرکت ماهواره ها در مدار همواره یکسال نیست و یک حرکت مارپیچی در مدار دارد که تحت تاثیر نیروهای وارده از سمت جاذبه زمین و ماه و برخورد فتون ها با ماهواره ایجاد می شود. با توجه به این مطالب ماهواره های سیستم نیاز دارند که مرتبا کنترل و پیش بینی شوند در سرتاسر دنیا تعداد 5 ایستگاه MSC (Master Control Station) طراحی گشته که وظیفه کنترل حرکت و ساعت ماهواره ها را دارند. اطلاعات بدست امده در هر ایستگاه به مرکز تجزیه و تحلیل این اطلاعات در آمریکا فرستاده شده و این اطلاعات که شامل اطلاعات کپلری و اطلاعات آشفتگی پس از تصحیح به ایستگاه هایی که قابلیت ارسال Ground Antenna (GA) را به ماهواره ها جهت Update سازی دارند فرستاده می شوند. و این پروسه باعث کارایی و دقت بالای سیستم می شود.
زمان:
در تعریف پدیده پیچیده زمان می¬توان از این مفهوم استفاده کرد که زمان یک پدیده نسبی است و برای تعریف یک پدیده نسبی نیاز به یک عامل بیرونی است که به صورت منظم تکرار شود. برای توضیح مطلب فوق می¬توان به پدیده منظم و تکراری شب و روز به عنوان عامل بیرونی اشاره نمود. حتی با پیشرفت های شگرف اخیر نیز که انسان به زمان¬های فوق العاده دقیقی همانند زمان¬های اتمی و پالسار¬ها دست یافته همچنان این زمان¬ها به نحوی در ارتباط با پدیده تکراری و عامل بیرونی منظم شب و روز در محاسبه زمان هستند.
تفاوت زمان¬های GPS و UTC
زمان GPS براساس نوسان ساز ایستگاه کنترل اصلی MCS تعریف می¬شود و برای این ایستگاه هیچگونه پارامتر ساعتی در نظر گرفته نمی¬شود. تفاوت دیگر اینکه زمان GPS پرش¬های یک ثانیه¬ای UTC را ندارد.
انواع زمان¬ها
1- سیستم زمان دورانی:
الف- زمان نجومی:
یک روز نجومی شامل 2 عبور متوالی خورشید از نقطه ورنال می¬شود.
ب- زمان جهانی:
یک روز جهانی به دوبار عبور متوالی خورشید از نصف النهار محلی گفته می شود، بین زمان نجومی و جهانی 4 دقیقه اختلاف وجود دارد.
2- زمان یا دینامیک:
این سیستم زمانی بر مبنای پدیده تکراری دوران سیارات در حول مدار خودشان پایه¬ریزی شده¬است. به دلیل اینکه برای تعیین این زمان باید مشاهداتی در طی سالیان زیاد انجام گردد عملا کاربرد زیادی ندارد.
3- زمان اتمی:
این زمان براساس پدیده تکراری و منظم نوسان اتم¬ها پایه ریزی شده و حسن آن قابلیت دسترسی آن است.
4- زمان پالسارها:
این مبنای زمانی که هنوز به طوری کامل مورد تائید و استفاده قرارنگرفته و دارای دقتی فوق¬العاده در حدود 16-10 می¬باشد. پدیده تکراری مورد استفاده در این مبنای زمانی استفاده از امواج با فاصله زمان بسیار پایدار (حتی از زمان اتمی هم پایدارتر می¬باشد.) که از یکسر ستاره¬های نوترونی واقع در دور دست ارسال می¬گردد پایه¬ریزی شده¬است.
بخش کاربران (گیرنده¬های GPS)
بمنظور تعیین موقعیت، ناوبری و استفاده¬های گوناگون دیگری که از سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS، نیاز به گیرنده¬های خاصی می¬باشد. از زمان راه¬اندازی این سیستم و از هنگامی که این سیستم علاوه بر کاربردها و اهداف اولیه آن یعنی ناوبری و نظامی در جهت کاربردهای بالقوه دیگری در ابعاد عمومی مورد استفاده قرار گرفت کارخانجات مختلفی گیرنده¬هایی با توجه به نوع کاربری که از لحاظ استفاده از این سیستم جهانی مدنظر بود تولید نمودند.
به طور کلی گیرند¬های GPS به یکی از روش¬های زیر طبقه¬¬بندی می¬گردد:
1- براساس کاربری گیرنده GPS
2- براساس اطلاعات دریافتی
انواع گیرنده¬های GPS براساس نوع کاربری:
الف- گیرنده¬های نظامی:
این نوع از گیرنده¬ها دارای قابلیت¬های خاص و ویژه بوده و تنها کاربران نظامی خاصی (ایالات متحده) به آن دسترسی دارند و کاربردهای ناوبری نظامی دارند.
ب- گیرنده¬های عمرانی:
این گیرنده¬ها برای تعیین موقعیت نسبی طراحی شده¬اند و به کد نظامی یعنی کد P دسترسی ندارند. از ویزگی¬های این گیرنده ها حجم کم و کارایی بالای این گیرنده¬ها است.
ج- گیرنده¬های ناوبری:
دارای دقت کم و قیمتی ارزان¬تر نسبت به سایر گیرنده¬ها هستند.
د- گیرنده¬های تعیین زمان:
هـ- گیرنده¬های ژئودتیک:
مهمترین پارامتر در طراحی این نوع گیرنده¬ها دستیابی به دقت بالا در تعیین موقعیت نسبی است.
تقسیم بندی براساس اطلاعات دریافتی:
گیرنده¬های GPS را می¬توان براساس نوع اطلاعات دریافتی (امواج دریافتی) به 6 دسته ذیل تقسیم بندی نمود:
الف- گیرنده¬های کد C\A
ب- گیرنده¬های کد C\A + موج حامل L1
ج- گیرنده¬های کد C\A + امواج حامل L1 و L2
د- گیرنده¬های کد C\A + کد P + امواج حامل L1 و L2
هـ- موج حامل L1 (اغلب به کار نمی رود)
و- امواج حامل L1 و L2 (اغلب به کار نمی رود)
اجزاء گیرنده¬های GPS:
1- آنتن و تقویت کننده اولیه:
آنتن امواج الکترومغناطیسی را کشف نمود و آنرا به یک جریان الکتریکی تبدیل کرده، نیروی آنرا تقویت نموده و به قسمت الکترونیکی گیرنده ارسال می¬نماید. ساختار امواج GPS به گونه¬ای است که بایستس تمام آنتن¬های GPS به صورت دایره¬ای پلاریزه باشند. بدلیل سیگنال¬های ضعیف ماهواره¬ای آنتن¬ها باید بسیار حساس باشند و در واقع به گونه¬ای باشند که امواج با هر آزیموت و ارتفاعی را دریافت کنند.
از آنتن¬های در دسترس می¬توان به موارد ذیل اشاره نمود:
- آنتن¬های تک قطبی یا دو قطبی
- آنتن¬های کواریفیلار هلبکس
- آنتن¬های میکرواستریپ: آنتن میکرواستریپ به دلیل سادگی تولید حجم کم و کارایی بالا بیشترین کاربرد را دارد.
- آنتن¬های چوکرینگ(حلقه بسته): در کاربردهای ژئودتیک برای مقابله با پدیده چند مسیری شدن امواج، آنتن¬ها معمولا مجهز به صفحه زمینی (GROUND PLATE) و یا حلقه بسته (CHOKE RING) می¬شوند. حلقه بسته شامل یک نوار رسانا است که با محور قائم آنتن هم مرکز است و به یک صفحه زمینی متصل است.
گیرنده¬های GPS از نظر سیستم¬های کانال
امواج دریافتی GPS در بخش RF به فرکانس پائین¬تر تبدیل شده و در چندین کانال پردازش می¬شوند. کانال گیرنده می¬تواند به عنوان واحد الکترونیکی اولیه گیرنده GPS در نظر گرفته شود. یک گیرنده می¬تواند یک یا چند کانال داشته باشد. معمولا گیرنده¬های GPS دارای یکی از سیستم¬های کانال زیر می¬باشند.
- سیستم کانال¬های موازی:
برای هر ماهواره یک کانال اختصاص داده می¬شود.
- سیستم کانال¬های سری:
برای ردیابی همه ماهواره¬ها یک کانال اختصاص داده می¬شود که در فواصل زمانی مساوی (حدود یک ثانیه) ردیابی ماهواره¬های مختلف انجام می¬گیرد.
- سیستم کانال¬های مولتی¬پلکس: برای ردیابی همه ماهواره¬ها یک کانال اختصاص داده می¬شود لیکن فاصله زمانی برای ردیابی هر ماهواره بسیار کوتاهتر است.(حدود چند میلی ثانیه)
گیرنده¬های مدرن به گونه¬ای طراحی شده¬اند که حداقل مصرف انرژی را داشته باشند. معمولا یک باطری خارجی نیک-کادیم قابل شارژ برای تامین انرژی الکتریکی گیرنده به کار می¬رود. برای مقاصد پس پردازش تمام اطلاعات بایستی در حافظه¬های داخلی یا خارجی ذخیره شوند.
ماهیت مشاهدات و ساختار امواج GPS:
GPS یک سیستم اندازه¬گیری یک طرفه است، یعنی ماهواره فقط ارسال کننده امواج است ماهواره¬های GPS همانطوری که در فضا حرکت می¬کنند دو سیگنال را ارسال می¬کنند:
1- سیگنال L1 با کد C\A
2- سیگنال L2 کد P
سیگنال L1 در فرکانس 42/1575 و سیگنال L2 در فرکانس 60/1227 مگاهرتز منتشر می¬شود. گیرنده GPS با آنتن آن برروی زمین گیرنده در باند L می¬باشد.
*********جدول 10 جزوه
فرکانس رسیده از سیگنال ماهواره با فرکانس ارسالی از ماهواره به گیرنده تفاوت دارد و با توجه به حرکت نسبی ماهواره نسبت به گیرنده تغییر می¬کند. این امر به پدیده POPPLER معروف است و عمدتا تغییرات فاز در بین دو دوره زمانی مشاهداه (EPOCH) رابیان می¬¬کند. موج حامل L1 دارای طول موج 19 سانتیمتر و موج حامل L2 دارای طول موج 25 سانتیمتری می¬باشد. تعداد صحیح طول موج¬های حامل از گیرنده تا ماهواره را جزء صحیح (INTEGER) می¬گویند. گیرنده GPS یک شمارش دوره صحیح را به عنوان تغییرات فاصله گیرنده تا ماهواره نسبت به زمان حفظ می¬کند.
کانال مسیر مدار ارسال سیگنال از ماهواره تا گیرنده در فضا و در گیرنده را گویند. گیرنده¬ها می¬توانند 4 تا 12 کانال L1 (تک فرکانسه) و L1 و L2 (دو فرکانسه) را در دسترس داشته باشند.
مدهای دسترسی به سیگنال ماهواره GPS
امواج حامل L1 و L2 برای کدهای تعیین فاصله PRN تنظیم شده¬اند. سیگنال L1 با کد C/A برای استفاده¬های غیرنظامی (تعیین موقعیت استاندار) و سیگنال L1 ¬و L2 با کد P برای استفاده¬های نظامی (تعیین موقعیت دقیق) بکار می¬روند. این کدها تاخیر زمانی در اندازه¬گیری¬ها پدید می¬آورند تا ابهام در فاز اندازه¬گیری رفع شود هر ماهواره دارای کد خاص C/A و P است که توسط آن شناسایی و تعقیب می¬گردد.
اگر چه کد P دقیق¬تر است کد C/A برروی موج حامل L1 کد اولیه در استفاده¬های تعیین موقعیت ژئودزی بوده است و این بلحاظ محدودیت¬های نظامی است که کد P را دردسترس عموم قرار نمی¬دهند و تنها دردسترس ارتش است و به همین دلیل بعضی از سازندگان گیرنده¬های GPS کد P را از گیرنده¬هایی که برای مصارف غیر نظامی طراحی شده¬اند بر می¬دارند. گیرنده¬های دو فرکانسه که هم موج حامل L1 و هم L2 را می¬گیرند (با کد P و بدون کد P) دارای هزینه بالایی برای کنترل کار ژئودزی هستند.
پیام منتشر شده از ماهواره
علاوه بر کدهای C/A و P موج حاصل پیام منتشر شونده¬ای را نیز حمل می¬کند که شامل پارامترهای مداری آن فرمول تصحیح زمان ساعت، شناسائی فواصل زمانی استاندارد و افمریز (اطلاعات در Real-time) با توجه به WGS84 بذای هرکدام از ماهواره¬های فعال می¬باشد. پیام منتشر شده از زمان ماهواره در هر دوره 12 ساعته از مرکز کنترل ماهواره در کلرادو اصلاح می¬گردد.
وقتی یک ماهواره را ردیابی می¬کنیم اطلاعات مداری تمامی ماهواره¬ها در صورت فلکی نیز توسط آن ماهواره برای ما معلوم می گردد. این رشته از داده¬ها توسط گیرنده از کد برگردانده می¬شود (به اصطلاح Decode می¬گردد) تا استفاده کننده را در تعیین موقعیت Real-time و در ارتفاع ماهواره مطلع کند.
اندازه¬گیری به صورت یکطرفه
فاصله¬یاب الکترونیکی EDM یک سیستم تعیین فاصله به صورت دو طرفه (رفت و برگشت موج) است و در آن از رفلکتورهای قابل مشاهده برای برگرداندن سیگنال به EDM استفاده می¬گردد و فاصله به وسیله مقایسه طول موج ایجاد شده که برگردانده شده¬است تعیین می¬گردد.
GPS یک سیستم فاصله¬یاب یکطرفه است که همزمانی دقیق ساعت¬ها را در هر دو انتهای فاصله بین گیرنده و ماهواره برای اندازه¬گیری فاز کد و حامل نیاز دارد. یک ساعت اتمی در ماهواره برای تولید سیگنال و یک ساعت کوارتز در گیرنده برای مشخص کردن زمان رسیدن سیگنال به گیرنده بکار گرفته¬ شده¬است. در حقیقت سیستم GPS سیستم توانایی برای توزیع زمان دقیق می¬باشد.
مقایسه فاز برروی طول موج حامل
ابهام فاز (ابهام فاز در تعداد طول موج¬های ارسالی از ماهواره) با ترکیب کد C/A و اندازه¬گیری فاز حامل حل می¬شود. زمانیکه داپلرشیفت موج حامل ماهواره با پاسخ فرکانس مرجع گیرنده تفاوت داشته باشد اندازه¬گیری فاز موج حامل انجام می¬گیرد. فاز سیگنال که این اختلاف را حفظ می¬کند به نام اختلاف فاز حامل بیان می¬گردد.
فاصله کاذب Pseudo-range
فاصله کاذب یک شیفت (تاخیر) مورد نیاز برای قراردادن کد پاسخ مرجع GPS ایجاد شده در گیرنده با کد GPS رسیده از ماهواره می¬باشد و بوسیله سرعت نور به فاصله تبدیل می¬شود. زمان شیفت مزبور اختلاف زمانی بین رسیدن سیگنال و انتشار آن (که هر دو در چارچوب زمان ماهواره اندازه¬گیری می¬شوند) است. این شیفت در یک لحظه زمانی مشخص فاصله از ماهواره تا آنتن زمینی را که تصحیحات ساعت برروی آن اعمال نشده است به ما می¬دهد.
فاصله درست True-range
نرم افزار در گیرنده زمان را برای داده¬های جمع آوری شده در نظر می¬گیرد و آنها را برای پردازش بعدی ذخیره می¬کند. سپس کامپیوتر نرم¬افزار تصحیحات برای خطای ساعت و ابهام در فاز را انجام می¬دهد. یک بار این تصحیحات در طول پردازش داده¬ها انجام می¬گیرد و فاصله واقعی تا ماهواره معلوم می¬گردد.
GPS بهترین فاصله یاب قابل دسترس در این زمان
GPS عالی¬ترین ابزار را برای اندازه¬گیری فاصله فراهم می¬نماید. دو گیرنده GPS در دو نقطه مستقر می¬شود (یکی معلوم و یکی مجهول) و در یک زمان ماهواره¬های مشترکی را مشاهده می¬کنند در این صورت اندازه¬گیری فاصله بدون توجه به شکل زمین یا فاصله بین ایستگاه¬های انجام می¬گیرد.
GPS نیاز به برقراری دید را از بین برده است و مسئله نداشتن دید وجود ندارد. در هنگام استفاده از GPS تعداد ایستگاه¬های احداث شده کم می¬شوند و نیازی به بستن پیمایش و پلیگون بندی وجودندارد. بنابراین می¬توان برروی مناطق بزرگ در مدت زمان کوتاهتری کنترل ایجاد نمود.
این مسئله نه تنها زمان کمتری صرف می¬کند در موقع شرایط نامطلوب جوی اتلاف زمانی کمتری نیز خواهیم داشت توجه کنید که اگر چه بارندگی و مه در ارسال داده¬ها تاثیری نمی¬گذارد اما درخشش و نور آنها قابل توجه است. در بیشتر موارد استفاده کنندگان خود را با جدول زمان کار در شب (همانطوری که امروزه استفاده کنندگان از ماهواره¬های بلوک I در طول زمستان انجام می¬دهند) وفق می¬دهند تا شرایط جوی برای مشاهدات GPS مطلوب گردد.
GPS تمامی حوزه امکانات جدید در طراحی نقشه¬برداری و کاهش هزینه را به ما ارائه می¬دهد. ازآن بایستی به عنوان وسیله دیگر نقشه¬برداری در هرجا که ممکن باشد بصورت روزمره استفاده شود تا بتوانیم یک کار نقشه¬برداری مفید و کم هزینه را ایجاد کنیم
ایمان کریمپور
GPS سیستم تعیین موقعیت جهانی است که به عنوان جایگزین تمام سیستم های تعیین موقعیت قبل از قبیل سیستم های دوربین بالستیک ، دامپر ، لورن و امگا شده است .
در دهه 60 میلادی ارتش ایالت متحده آمریکا تصمیم به ایجاد سیستم های ناوبری با دقت بالا کرد و سیستم ترانزیت را به عنوان اولین نوع از این سیستم ها راه اندازی کرد .
بعد ها در پی بهبود سازی این سیستم ها از جهات مختلف نمود . ودر طی یک پروا¾ا¾ژه تحقیقاتی نظامی در دهه 70 میلادی سیستمی با دقت و سرعت بالا طراحی کردند و اولین ماهواره از این سیستم را در سال 1973 میلادی به فضا پرتاب کردند .
گرچه هدف اولیه از طراحی این سیستم اهداف نظامی بود ولی با توجه به نیاز های جامعه جهانی به سرعت این سیستم جنبه عمومی نیز به خود گرفت و به عنوان یک سیستم تعیین موقعیت جهانی کاربرد های خود را در اختیار کاربران عام و خاص خود قرار داد .
در یک تعریف کلی از این سیستم میتوان بیان نمود که GPS یک سیستم نظامی قابل دسترس برای ناوبری و تعیین موقعیت ژئودتیک می باشد .
بخش فضایی ماهواره های GPS
از زمان راه اندازی ماهواره های این سیستم تا کنون تکنولوژی این ماهواره ها ارتقاء یافته و به طور کلی نوع ماهواره های این سیستم از ابتدا تا کنون را به چها بلوک زیر تقسیم بندی کرد :
Block 1 -I
, Block 2Q - II Block 2
Block 2R -II
Block 2F -IV
ماهواره های Block 1 :
این ماهواره ها دارای 800 کیلو گرم وزن بودند . این نسل از ماهواره ها به دلیل این که تا آن زمان هنوز تکنولوژی و امکان قرار گیری ساعت اتمی وجود نداشت فاقد ساعت اتمی بودند . طول عمری که برای این ماهواره ها در نظر گرفته شده بود 5 سال بود ولی بعضی از آنها سال ها بیش از زمان در نظر گرفته شده در مدار قرار گرفتند و به اجام ماموریت پرداختند .
ماهواره های نسل دوم Block 2Q و Block 2
در اواخر دهه 70 میلادی کشور ایالت متحده به تکنولوژی نصب ساعت های اتمی در ماهواره های ارسالی به فضا دست یافت ، که این ساعت ها جایگزین ساعت های کوارتزی قبلی شدند و دارای دقت در حدود 10-13 ثانیه بودند .
ماهواره های نسل سوم Block 2R و Block 2F
در داخل سیستم های این نسل از ماهواره ها از ساعت های هیدروژن میسر استفاده گردید و از لحاظ زمانی دارای دقتی در حدود 10-16 ثانیه بود .
تعداد این ماهواره ها هم اکنون 26 عدد در 6مدار با زاویه مداری 63 درجه نسبت به صفحه استوا می باشد .
تا اواخر سال 1989 تعداد 7 ماهواره از بلوک I در دوصفحه مداری با زاویه میل 63 درجه قرار داشتند و اولین ماهواره پرتابی از نوع بلوک II در فوریه 1989 میلادی از پایگاه کیپ کارناوال نیروی هوایی آمریکا در ایالت فلوریدا به مدار از پیش تعیین شده خود ارسال شد .
با افزایش تعداد ماهواره ها در طی سالیان اخیر امکان انجام مشاهدات در تمامی 24 ساعت شبانه روز تحقق پذیرفته و شکاف های gap) ( در مشاهدات پر گشته است .
ماهواره های بلوک I و II در مداری نزدیک به دایره با ارتفاع تقریبی 20200 کیلومتر (1200 مایل ) بوده و دارای پرید مداری در حدود 12 ساعت می باشد . موقعیت ماهواره ها نسبت به زمین متناظر با زمان نجومی است بنابراین ماهواره ها هر روز 4 دقیقه زودتر از روز قبل ظاهر میشوند .
مدار حرکت ماهواره
جهت طراحی مدار ماهواره ها و قرار گرفتن آنها در مدار از پیش تعیین شده باید این مدارها با دقتی بالا و استفاده از قوانین حاکم بر فیزیک طبیعت طراحی گردند .
جهت طراحی مدار ماهواره ها از اصول سه گانه ای معروف به قوانین کپلر استفاده می شود .
قوانین کپلر :
1 – مسیر حرکت سیارات به دور خورشید صفحه ای بیضی شکل است که خورشید در یکی از کانون های آن قرار داد .
2 – ماهواره ها در زمان های مساوی مساحت های مساوی را جاروب می کنند .
پارامتر های تعیین موقعیت ماهواره ها :
جهت تعیین موقعییت دقیق یک ماهواره در فضا نیاز به تعیین 7 پارامتر است که این پارامتر ها ، پارامتر های تعیین موقعییت گفته می شود .
پارامتر ها عبارتند از :
i : زاویه میل ( زاویه بین صفحه مدار ماهواره با صفحه استوای بیضوی )
a : نیم قطر اطول بیضوی
N : نقطه گره صعودی
e2 : پارامتر خروج از مرکزیت
Ω : بعد نقطه گره صعودی ( زاویه بین نقطه مرکزی بیضوی ، نقطه ورنال و نقطه گره صعودی ، این زاویه بر روی صفحه استوای بیضوی و در جهت پادسعتگرد اندازه گیری میشود )
ε : زاویه بین نقطه گره صعودی و نقطه پریجی . این زاویه بر روی صفحه مداری اندازه گیری می شود .
نقطه پریجی :نقطه ای که ماهواره در نزدیکترین موقعییت نسبت به مرکز بیضی ( زمین ) قرار می گیرد .
آنامولی
موقعییت لحظهای یک ماهواره در مدار بوسیله کمیت زاویه آنامولی مشخص می گردد .
ا نوع آنامولی :
آنامولی حقیقی ( از ماهواره تا مرکز زمین )
آنامولی متوسط
آنامولی خروج از مرکزیت (از ماهواره تا مرکز بیضی )
آنامولی متوسط: اگر تصور کنیم ماهواره با سرعت زاویه ای ثابت و پرید مساوی، پرید ماهواره واقعی در هر لحظه و آنامولی متوسط می گویند.
آنامولی خروج از مرکزیت:
اگر دایره ای به شعاع a از مرکز بیضی بکشیم و تصویر ماهواره را روی دایره مشخص کنیم و خطی به مرکز بیضی بکشیم زاویه این خط با خط واصل مرکز بیضی به نقطه پریجی را آنامولی خروج از مرکزیت می گویند.
همانطور که ذکر گردید پرید اکثر ماهواره ها 11 ساعت و 58 دقیقه (حدود 12 ساعت) است و در این مدت زمان شعاع زمین را طی می کند.
بخش کنترل:
حرکت ماهواره ها در مدار همواره یکسال نیست و یک حرکت مارپیچی در مدار دارد که تحت تاثیر نیروهای وارده از سمت جاذبه زمین و ماه و برخورد فتون ها با ماهواره ایجاد می شود. با توجه به این مطالب ماهواره های سیستم نیاز دارند که مرتبا کنترل و پیش بینی شوند در سرتاسر دنیا تعداد 5 ایستگاه MSC (Master Control Station) طراحی گشته که وظیفه کنترل حرکت و ساعت ماهواره ها را دارند. اطلاعات بدست امده در هر ایستگاه به مرکز تجزیه و تحلیل این اطلاعات در آمریکا فرستاده شده و این اطلاعات که شامل اطلاعات کپلری و اطلاعات آشفتگی پس از تصحیح به ایستگاه هایی که قابلیت ارسال Ground Antenna (GA) را به ماهواره ها جهت Update سازی دارند فرستاده می شوند. و این پروسه باعث کارایی و دقت بالای سیستم می شود.
زمان:
در تعریف پدیده پیچیده زمان می¬توان از این مفهوم استفاده کرد که زمان یک پدیده نسبی است و برای تعریف یک پدیده نسبی نیاز به یک عامل بیرونی است که به صورت منظم تکرار شود. برای توضیح مطلب فوق می¬توان به پدیده منظم و تکراری شب و روز به عنوان عامل بیرونی اشاره نمود. حتی با پیشرفت های شگرف اخیر نیز که انسان به زمان¬های فوق العاده دقیقی همانند زمان¬های اتمی و پالسار¬ها دست یافته همچنان این زمان¬ها به نحوی در ارتباط با پدیده تکراری و عامل بیرونی منظم شب و روز در محاسبه زمان هستند.
تفاوت زمان¬های GPS و UTC
زمان GPS براساس نوسان ساز ایستگاه کنترل اصلی MCS تعریف می¬شود و برای این ایستگاه هیچگونه پارامتر ساعتی در نظر گرفته نمی¬شود. تفاوت دیگر اینکه زمان GPS پرش¬های یک ثانیه¬ای UTC را ندارد.
انواع زمان¬ها
1- سیستم زمان دورانی:
الف- زمان نجومی:
یک روز نجومی شامل 2 عبور متوالی خورشید از نقطه ورنال می¬شود.
ب- زمان جهانی:
یک روز جهانی به دوبار عبور متوالی خورشید از نصف النهار محلی گفته می شود، بین زمان نجومی و جهانی 4 دقیقه اختلاف وجود دارد.
2- زمان یا دینامیک:
این سیستم زمانی بر مبنای پدیده تکراری دوران سیارات در حول مدار خودشان پایه¬ریزی شده¬است. به دلیل اینکه برای تعیین این زمان باید مشاهداتی در طی سالیان زیاد انجام گردد عملا کاربرد زیادی ندارد.
3- زمان اتمی:
این زمان براساس پدیده تکراری و منظم نوسان اتم¬ها پایه ریزی شده و حسن آن قابلیت دسترسی آن است.
4- زمان پالسارها:
این مبنای زمانی که هنوز به طوری کامل مورد تائید و استفاده قرارنگرفته و دارای دقتی فوق¬العاده در حدود 16-10 می¬باشد. پدیده تکراری مورد استفاده در این مبنای زمانی استفاده از امواج با فاصله زمان بسیار پایدار (حتی از زمان اتمی هم پایدارتر می¬باشد.) که از یکسر ستاره¬های نوترونی واقع در دور دست ارسال می¬گردد پایه¬ریزی شده¬است.
بخش کاربران (گیرنده¬های GPS)
بمنظور تعیین موقعیت، ناوبری و استفاده¬های گوناگون دیگری که از سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS، نیاز به گیرنده¬های خاصی می¬باشد. از زمان راه¬اندازی این سیستم و از هنگامی که این سیستم علاوه بر کاربردها و اهداف اولیه آن یعنی ناوبری و نظامی در جهت کاربردهای بالقوه دیگری در ابعاد عمومی مورد استفاده قرار گرفت کارخانجات مختلفی گیرنده¬هایی با توجه به نوع کاربری که از لحاظ استفاده از این سیستم جهانی مدنظر بود تولید نمودند.
به طور کلی گیرند¬های GPS به یکی از روش¬های زیر طبقه¬¬بندی می¬گردد:
1- براساس کاربری گیرنده GPS
2- براساس اطلاعات دریافتی
انواع گیرنده¬های GPS براساس نوع کاربری:
الف- گیرنده¬های نظامی:
این نوع از گیرنده¬ها دارای قابلیت¬های خاص و ویژه بوده و تنها کاربران نظامی خاصی (ایالات متحده) به آن دسترسی دارند و کاربردهای ناوبری نظامی دارند.
ب- گیرنده¬های عمرانی:
این گیرنده¬ها برای تعیین موقعیت نسبی طراحی شده¬اند و به کد نظامی یعنی کد P دسترسی ندارند. از ویزگی¬های این گیرنده ها حجم کم و کارایی بالای این گیرنده¬ها است.
ج- گیرنده¬های ناوبری:
دارای دقت کم و قیمتی ارزان¬تر نسبت به سایر گیرنده¬ها هستند.
د- گیرنده¬های تعیین زمان:
هـ- گیرنده¬های ژئودتیک:
مهمترین پارامتر در طراحی این نوع گیرنده¬ها دستیابی به دقت بالا در تعیین موقعیت نسبی است.
تقسیم بندی براساس اطلاعات دریافتی:
گیرنده¬های GPS را می¬توان براساس نوع اطلاعات دریافتی (امواج دریافتی) به 6 دسته ذیل تقسیم بندی نمود:
الف- گیرنده¬های کد C\A
ب- گیرنده¬های کد C\A + موج حامل L1
ج- گیرنده¬های کد C\A + امواج حامل L1 و L2
د- گیرنده¬های کد C\A + کد P + امواج حامل L1 و L2
هـ- موج حامل L1 (اغلب به کار نمی رود)
و- امواج حامل L1 و L2 (اغلب به کار نمی رود)
اجزاء گیرنده¬های GPS:
1- آنتن و تقویت کننده اولیه:
آنتن امواج الکترومغناطیسی را کشف نمود و آنرا به یک جریان الکتریکی تبدیل کرده، نیروی آنرا تقویت نموده و به قسمت الکترونیکی گیرنده ارسال می¬نماید. ساختار امواج GPS به گونه¬ای است که بایستس تمام آنتن¬های GPS به صورت دایره¬ای پلاریزه باشند. بدلیل سیگنال¬های ضعیف ماهواره¬ای آنتن¬ها باید بسیار حساس باشند و در واقع به گونه¬ای باشند که امواج با هر آزیموت و ارتفاعی را دریافت کنند.
از آنتن¬های در دسترس می¬توان به موارد ذیل اشاره نمود:
- آنتن¬های تک قطبی یا دو قطبی
- آنتن¬های کواریفیلار هلبکس
- آنتن¬های میکرواستریپ: آنتن میکرواستریپ به دلیل سادگی تولید حجم کم و کارایی بالا بیشترین کاربرد را دارد.
- آنتن¬های چوکرینگ(حلقه بسته): در کاربردهای ژئودتیک برای مقابله با پدیده چند مسیری شدن امواج، آنتن¬ها معمولا مجهز به صفحه زمینی (GROUND PLATE) و یا حلقه بسته (CHOKE RING) می¬شوند. حلقه بسته شامل یک نوار رسانا است که با محور قائم آنتن هم مرکز است و به یک صفحه زمینی متصل است.
گیرنده¬های GPS از نظر سیستم¬های کانال
امواج دریافتی GPS در بخش RF به فرکانس پائین¬تر تبدیل شده و در چندین کانال پردازش می¬شوند. کانال گیرنده می¬تواند به عنوان واحد الکترونیکی اولیه گیرنده GPS در نظر گرفته شود. یک گیرنده می¬تواند یک یا چند کانال داشته باشد. معمولا گیرنده¬های GPS دارای یکی از سیستم¬های کانال زیر می¬باشند.
- سیستم کانال¬های موازی:
برای هر ماهواره یک کانال اختصاص داده می¬شود.
- سیستم کانال¬های سری:
برای ردیابی همه ماهواره¬ها یک کانال اختصاص داده می¬شود که در فواصل زمانی مساوی (حدود یک ثانیه) ردیابی ماهواره¬های مختلف انجام می¬گیرد.
- سیستم کانال¬های مولتی¬پلکس: برای ردیابی همه ماهواره¬ها یک کانال اختصاص داده می¬شود لیکن فاصله زمانی برای ردیابی هر ماهواره بسیار کوتاهتر است.(حدود چند میلی ثانیه)
گیرنده¬های مدرن به گونه¬ای طراحی شده¬اند که حداقل مصرف انرژی را داشته باشند. معمولا یک باطری خارجی نیک-کادیم قابل شارژ برای تامین انرژی الکتریکی گیرنده به کار می¬رود. برای مقاصد پس پردازش تمام اطلاعات بایستی در حافظه¬های داخلی یا خارجی ذخیره شوند.
ماهیت مشاهدات و ساختار امواج GPS:
GPS یک سیستم اندازه¬گیری یک طرفه است، یعنی ماهواره فقط ارسال کننده امواج است ماهواره¬های GPS همانطوری که در فضا حرکت می¬کنند دو سیگنال را ارسال می¬کنند:
1- سیگنال L1 با کد C\A
2- سیگنال L2 کد P
سیگنال L1 در فرکانس 42/1575 و سیگنال L2 در فرکانس 60/1227 مگاهرتز منتشر می¬شود. گیرنده GPS با آنتن آن برروی زمین گیرنده در باند L می¬باشد.
*********جدول 10 جزوه
فرکانس رسیده از سیگنال ماهواره با فرکانس ارسالی از ماهواره به گیرنده تفاوت دارد و با توجه به حرکت نسبی ماهواره نسبت به گیرنده تغییر می¬کند. این امر به پدیده POPPLER معروف است و عمدتا تغییرات فاز در بین دو دوره زمانی مشاهداه (EPOCH) رابیان می¬¬کند. موج حامل L1 دارای طول موج 19 سانتیمتر و موج حامل L2 دارای طول موج 25 سانتیمتری می¬باشد. تعداد صحیح طول موج¬های حامل از گیرنده تا ماهواره را جزء صحیح (INTEGER) می¬گویند. گیرنده GPS یک شمارش دوره صحیح را به عنوان تغییرات فاصله گیرنده تا ماهواره نسبت به زمان حفظ می¬کند.
کانال مسیر مدار ارسال سیگنال از ماهواره تا گیرنده در فضا و در گیرنده را گویند. گیرنده¬ها می¬توانند 4 تا 12 کانال L1 (تک فرکانسه) و L1 و L2 (دو فرکانسه) را در دسترس داشته باشند.
مدهای دسترسی به سیگنال ماهواره GPS
امواج حامل L1 و L2 برای کدهای تعیین فاصله PRN تنظیم شده¬اند. سیگنال L1 با کد C/A برای استفاده¬های غیرنظامی (تعیین موقعیت استاندار) و سیگنال L1 ¬و L2 با کد P برای استفاده¬های نظامی (تعیین موقعیت دقیق) بکار می¬روند. این کدها تاخیر زمانی در اندازه¬گیری¬ها پدید می¬آورند تا ابهام در فاز اندازه¬گیری رفع شود هر ماهواره دارای کد خاص C/A و P است که توسط آن شناسایی و تعقیب می¬گردد.
اگر چه کد P دقیق¬تر است کد C/A برروی موج حامل L1 کد اولیه در استفاده¬های تعیین موقعیت ژئودزی بوده است و این بلحاظ محدودیت¬های نظامی است که کد P را دردسترس عموم قرار نمی¬دهند و تنها دردسترس ارتش است و به همین دلیل بعضی از سازندگان گیرنده¬های GPS کد P را از گیرنده¬هایی که برای مصارف غیر نظامی طراحی شده¬اند بر می¬دارند. گیرنده¬های دو فرکانسه که هم موج حامل L1 و هم L2 را می¬گیرند (با کد P و بدون کد P) دارای هزینه بالایی برای کنترل کار ژئودزی هستند.
پیام منتشر شده از ماهواره
علاوه بر کدهای C/A و P موج حاصل پیام منتشر شونده¬ای را نیز حمل می¬کند که شامل پارامترهای مداری آن فرمول تصحیح زمان ساعت، شناسائی فواصل زمانی استاندارد و افمریز (اطلاعات در Real-time) با توجه به WGS84 بذای هرکدام از ماهواره¬های فعال می¬باشد. پیام منتشر شده از زمان ماهواره در هر دوره 12 ساعته از مرکز کنترل ماهواره در کلرادو اصلاح می¬گردد.
وقتی یک ماهواره را ردیابی می¬کنیم اطلاعات مداری تمامی ماهواره¬ها در صورت فلکی نیز توسط آن ماهواره برای ما معلوم می گردد. این رشته از داده¬ها توسط گیرنده از کد برگردانده می¬شود (به اصطلاح Decode می¬گردد) تا استفاده کننده را در تعیین موقعیت Real-time و در ارتفاع ماهواره مطلع کند.
اندازه¬گیری به صورت یکطرفه
فاصله¬یاب الکترونیکی EDM یک سیستم تعیین فاصله به صورت دو طرفه (رفت و برگشت موج) است و در آن از رفلکتورهای قابل مشاهده برای برگرداندن سیگنال به EDM استفاده می¬گردد و فاصله به وسیله مقایسه طول موج ایجاد شده که برگردانده شده¬است تعیین می¬گردد.
GPS یک سیستم فاصله¬یاب یکطرفه است که همزمانی دقیق ساعت¬ها را در هر دو انتهای فاصله بین گیرنده و ماهواره برای اندازه¬گیری فاز کد و حامل نیاز دارد. یک ساعت اتمی در ماهواره برای تولید سیگنال و یک ساعت کوارتز در گیرنده برای مشخص کردن زمان رسیدن سیگنال به گیرنده بکار گرفته¬ شده¬است. در حقیقت سیستم GPS سیستم توانایی برای توزیع زمان دقیق می¬باشد.
مقایسه فاز برروی طول موج حامل
ابهام فاز (ابهام فاز در تعداد طول موج¬های ارسالی از ماهواره) با ترکیب کد C/A و اندازه¬گیری فاز حامل حل می¬شود. زمانیکه داپلرشیفت موج حامل ماهواره با پاسخ فرکانس مرجع گیرنده تفاوت داشته باشد اندازه¬گیری فاز موج حامل انجام می¬گیرد. فاز سیگنال که این اختلاف را حفظ می¬کند به نام اختلاف فاز حامل بیان می¬گردد.
فاصله کاذب Pseudo-range
فاصله کاذب یک شیفت (تاخیر) مورد نیاز برای قراردادن کد پاسخ مرجع GPS ایجاد شده در گیرنده با کد GPS رسیده از ماهواره می¬باشد و بوسیله سرعت نور به فاصله تبدیل می¬شود. زمان شیفت مزبور اختلاف زمانی بین رسیدن سیگنال و انتشار آن (که هر دو در چارچوب زمان ماهواره اندازه¬گیری می¬شوند) است. این شیفت در یک لحظه زمانی مشخص فاصله از ماهواره تا آنتن زمینی را که تصحیحات ساعت برروی آن اعمال نشده است به ما می¬دهد.
فاصله درست True-range
نرم افزار در گیرنده زمان را برای داده¬های جمع آوری شده در نظر می¬گیرد و آنها را برای پردازش بعدی ذخیره می¬کند. سپس کامپیوتر نرم¬افزار تصحیحات برای خطای ساعت و ابهام در فاز را انجام می¬دهد. یک بار این تصحیحات در طول پردازش داده¬ها انجام می¬گیرد و فاصله واقعی تا ماهواره معلوم می¬گردد.
GPS بهترین فاصله یاب قابل دسترس در این زمان
GPS عالی¬ترین ابزار را برای اندازه¬گیری فاصله فراهم می¬نماید. دو گیرنده GPS در دو نقطه مستقر می¬شود (یکی معلوم و یکی مجهول) و در یک زمان ماهواره¬های مشترکی را مشاهده می¬کنند در این صورت اندازه¬گیری فاصله بدون توجه به شکل زمین یا فاصله بین ایستگاه¬های انجام می¬گیرد.
GPS نیاز به برقراری دید را از بین برده است و مسئله نداشتن دید وجود ندارد. در هنگام استفاده از GPS تعداد ایستگاه¬های احداث شده کم می¬شوند و نیازی به بستن پیمایش و پلیگون بندی وجودندارد. بنابراین می¬توان برروی مناطق بزرگ در مدت زمان کوتاهتری کنترل ایجاد نمود.
این مسئله نه تنها زمان کمتری صرف می¬کند در موقع شرایط نامطلوب جوی اتلاف زمانی کمتری نیز خواهیم داشت توجه کنید که اگر چه بارندگی و مه در ارسال داده¬ها تاثیری نمی¬گذارد اما درخشش و نور آنها قابل توجه است. در بیشتر موارد استفاده کنندگان خود را با جدول زمان کار در شب (همانطوری که امروزه استفاده کنندگان از ماهواره¬های بلوک I در طول زمستان انجام می¬دهند) وفق می¬دهند تا شرایط جوی برای مشاهدات GPS مطلوب گردد.
GPS تمامی حوزه امکانات جدید در طراحی نقشه¬برداری و کاهش هزینه را به ما ارائه می¬دهد. ازآن بایستی به عنوان وسیله دیگر نقشه¬برداری در هرجا که ممکن باشد بصورت روزمره استفاده شود تا بتوانیم یک کار نقشه¬برداری مفید و کم هزینه را ایجاد کنیم
ایمان کریمپور
دیدگاه