سامانه تعیین موقعیت جهانی (GPS)
در این مقاله با سامانه تعیین موقعیت جهانی (GPS) آشنا می‌شوید.
سیستم GPS یک سیستم ماهواره‌ای است که موقعیت سه بعدی، زمان و سرعت را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. این سیستم پوشش جهانی داشته و مستقل از شرایط آب و هوایی است. سیستم GPS در سال 1973 توسط وزارت دفاع کشور آمریکا توسعه داده شده است. این سیستم متشکل از 24 ماهواره است که در 6 مدار با ارتفاع 20200 کیلومتر بالاتر از زمین قرار دارند. سیستم تعیین موقعیت جهانی طوری طراحی شده است که تعیین موقعیت سه بعدی با داشتن حداقل 4 ماهواره امکان پذیر است.GPS ابتدا برای کاربردهای نظامی طراحی شد، زیرا موقعیت سرعت و زمان را با دقت بالایی در یک سیستم مرجع در هر نقطه روی زمین در اختیار نیرو‌های نظامی قرار می‌دهد. با گذشت زمان این سامانه در کارهای ژئودتیکی هم به کار گرفته شد. سامانه‌ی GPS با ارسال سیگنال‌هایی که توسط گیرنده‌های زمینی قابل دریافت می‌باشند، موقعیت، مکان و زمان را در هر شرایط آب و هوایی و در هر ساعت از شبانه روز محاسبه می‌کند. این سیستم دارای سه بخش فضایی، کنترل و کاربر است. سیستم GPS دارای 6 مدار با زاویه‌ی میل 60 درجه و ارتفاع 20200 کیلومتری است که در هر مدار 5 ماهواره قرار دارد .ارتفاع زیاد مدار باعث پوشش گسترده بر روی کره‌ی زمین می‌شود. ماهواره‌های GPS از هر نقطه روی زمین دو بار در روز عبور می‌کنند.
بخش فضایی
ماهواره‌های GPS مجهز به تجهیزاتی از قبیل سکو، فرستنده‌های رادیویی، کامپیوتر، ساعت اتمی، سیستم محرکه و پنل‌های خورشیدی هستند که از سکو برای استقرار فرستنده‌های رادیویی، از سیستم محرکه جهت تنظیم مدار، از پنل‌های خورشیدی جهت تامین نیروی برق و از فرستنده‌های رادیویی برای ارسال سیگنال استفاده می‌کند، تا با اندازه‌گیری یک شبه فاصله و انتشار پیام ناوبری موقعیت ماهواره را در اختیار کاربران قرار دهد.
سري ماهواره‌هاي GPSعبارتند از:
– ماهواره‌هاي بلوك I:
شامل ماهواره‌هاي 1-11SV[1] هستند كه براي مقاصد تحقيقاتي و توسعه سيستم طراحي شدند و بين فوريه 1978 و اكتبر 1985 پرتاب
شدند. طول عمر اين ماهواره‌ها 5 سال و وزن آن‌ها 845 كيلوگرم بود و فاقد اثرات AS و SA بودند. زاويه ميل مدارات اين سري ماهواره‌ها برخلاف مدارات ماهواره‌هاي سري‌هاي ديگر 63 درجه است.
– ماهواره‌هاي بلوك II:
شامل ماهواره‌هاي 21-13SV هستند (ماهواره 12SV فقط براي تست و اهداف علمي بود). اين ماهواره‌ها نياز دارند كه سه بار در روز Upload شوند، يعني سه بار در روز بايد از ايستگاه‌هاي كنترل زميني، اطلاعات كه شامل مختصات ماهواره‌ها مي‌باشد به آن‌ها تزريق شود. اين سري ماهواره‌ها داراي اثرات AS و SA هستند و پرتاب آن‌ها از فوريه 1989 شروع و تا اكتبر 1990 ادامه داشت. مدت مأموريت اين ماهواره‌ها به طور متوسط 6 سال است و طول عمر آن‌ها 5/7 سال طراحي شده است. اين ماهواره‌ها، بيش از1500 كيلوگرم وزن دارند.
– ماهواره‌هاي بلوك IIA:
شامل ماهواره‌هاي 22-40SV هستند و اين ماهواره‌ها تنها يك بار در روز Upload مي‌شوند و از سال 1990 تا 1994 به فضا پرتاب شدند. اين ماهواره‌ها نيز داراي طول عمر 5/7 سال و وزن بيش از1500 كيلوگرم هستند.
– ماهواره‌هاي بلوك IIR:
شامل ماهواره‌هاي 41-60SV هستند. حسن اين ماهواره‌ها قابليت طول‌يابي بين خودشان است، يعني نياز كمتری به ايستگاه‌هاي كنترل زميني دارند و مي‌توانند اطلاعات مداري (افمريدها) را به صورت on-board محاسبه نمايند. اين ماهواره‌ها از سال1995 به فضا پرتاب شدند. طول عمر اين ماهواره‌ها 10سال طراحي شده و بيش از 2000 كيلوگرم وزن دارند. ساعت‌هاي اتمي در اين ماهواره‌ها دقيق‌تر از ماهواره‌هاي بلوك IIA,II است.
– ماهواره‌هاي بلوك III:
شامل ماهواره‌هاي 61SV به بعد هستند.
ماهواره های بلوک III در باند L از امواج الکترومغناطیس دو موج حامل با طول موج‌های تقریبا ۱۹cm و ۲۱cm منتشر می‌کنند.
با استفاده از فرکانس پایه Fs=10/23 MHz این دو موج حامل که توسط نوسان‌ساز فریم به صورت مقابل حاصل می‌شود.
L1/154*10/23MHZ=1575/42MHZ(wavelength~190mm)
L2/120*10/23MHZ=1227/60MHZ(walength~224mm)
علت استفاده از دو موج به جای یک موج حذف خطای انکسار امواج در لایه یونسفر است.
اندازه‌گیری فاصله همچون دیگر سیستم‌های الکترونیکی بر اساس زمان طی مسافت ارسال سیگنال از فرستنده است.
همچنین سیگنال‌ها اطلاعاتی همچون اطلاعات ناوبری را از طریق مدولاسیون این امواج حامل به گیرنده زمینی می‌فرستند.
بخش کنترل
وظیفه‌ی بخش کنترل پایش و کنترل پیوسته‌ی ماهواره‌ها، پیش بینی مدار، کنترل رفتار ساعت ماهواره‌ها، به‌روزرسانی پیام‌های ناوبری برای هر ماهواره و کنترل ساعت ماهواره‌ها است. سیستم کنترل شامل یک ایستگاه کنترل اصلی، ایستگاه مانیتورینگ و ایستگاه‌های کنترل زمینی برای بارگذاری اطلاعات به ماهواره‌ها است. ایستگاه کنترل اصلی در کلرادو اسپرینگز واقع شده است. ایستگاه‌های مانیتور تمامی سیگنال‌های ماهواره را دریافت کرده و به همراه داده‌های هواشناسی به ایستگاه اصلی انتقال می‌دهد. ایستگاه اصلی با استفاده از این داده‌ها یک محاسبه‌ی اولیه از پارامترهای مداری، ساعت و پیام ناوبری انجام داده و به ایستگاه کنترل زمینی ارسال می‌کند. آنتن‌های زمینی، این اطلاعات را به ماهواره‌ها بارگذاری می‌کنند.
بخش کاربر
در ابتدا که GPS فقط کاربرد نظامی داشت، تمرکز اصلی روی گیرنده‌های نظامی بود. اما بعدها که کاربرد ژئودتیکی در کنار کاربرد نظامیGPS نمایان شد، جامعه‌ی نقشه‌برداری این سیستم را برای مکان‌یابی و تعیین موقعیت با دقت بالا مورد استفاده قرار داد و تعداد کمپانی‌های تولید کننده‌ی گیرنده‌های غیرنظامی GPS نیز به سرعت افزایش یافت.
زمان GPS :
GPS داراي يك سيستم زماني مخصوص به خود است. زمان با معرفي شماره هفته 1 و تعداد ثانيه‌هاي يك هفته اعلام مي‌شود. اپك مبدأ سيستم زماني GPS ساعت صفر UTC در 5 ژانويه 1980 است. هفته GPS در نيمه شب بين شنبه و يكشنبه آغاز مي‌شود. اختلاف بين سيستم GPS و UTC با دقت معلوم بوده و در پيغام GPS به استفاده‌كنندگان اعلام مي‌گردد.
محدوديت‌هاي سيستم:
(Selective Availability) SA:
جهت كنترل دقت استفاده‌كنندگان غيرمجاز سيستم تعبيه شده است و سياست اين بوده كه دقت را تا 100 متر (مسطحاتي) و 156 متر (ارتفاعي) كاهش دهند. در واقع SA خطايي عمدي است كه توسط وزارت دفاع آمريكا از طريق: ايجاد خطا در ساعت ماهواره (نوع ) و ايجاد خطا در اطلاعات مداري (نوع ) در سيستم GPS قرار گرفته است. فعاليت اين پديده از 25 مارس 1990 آغاز شد و ماهواره‌هاي بلوك دوم را تحت تأثير قرار داد. البته استفاده‌كنندگان مجاز از گيرنده‌هاي مخصوصي كه قادر به حذف اين اثر هستند، استفاده مي‌كنند. دولت آمريكا تصميم گرفت كه از اول مه 2000 اين اثر را از روي سيستم بردارد و از اين تاريخ به بعد مشاهدات و اندازه‌گيري‌هاي GPS با دقت بالاتري براي استفاده‌كنندگان غير مجاز سيستم امكان پذير شد.
(Anti Spoofing) AS:
نحوه ساخت كد C/A (و تا حدوديP) براي استفاده‌كنندگان سيستم مشخص است، لذا ساخت يك سيگنال جعلي و ارسال آن به گيرنده جهت ايجاد خطا در تعيين موقعيت وجود دارد. جهت جلوگيري از اين مسئله سازندگان سيستم، كدY را ايجاد نمودند. نحوه ساخت كد Y معلوم نيست لذا امكان ساخت سيگنال جعلي با كد Y وجود ندارد. AS در واقع تعويض كد P با كد سري Y مي‌باشد كه تنها استفاده‌كنندگان نظامي قادر به استفاده آن مي‌باشد.
Anti- jamming:
امكان ايجاد نويز و اغتشاشات در روي سيگنال‌هاي GPS وجود دارد، لذا سازندگان سيستم براي استفاده‌كنندگان GPS جهت جلوگيري از اين مسئله، موج را در باند وسيع‌تري ارسال مي‌دارند، هرچه موج در باند وسيع‌تري فرستاده شود امكان ايجاد اغتشاش در آن كمتر است (زيرا نياز به قدرت بيشتري براي ارسال پارازيت دارد.)
