سایت دانلود

یک سایت دیگر با وردپرس فارسی
مکانیک

پروژه رشته مکانیک درباره GPS – قسمت سوم

در واقع پس از آغاز به كار ماهواره هاي نسل II كاربران GPS به دو دسته تقسيم شده اند كه مي توانيم آنها را كاربران نظامي يا ويژه و كاربران غير نظامي يا عادي بخوانيم.

نخستين ماهواره ها از اين نسل به بهاي 80 ميليون دلار و به وزن kg500 در 14 فوريه 1989 به فضا پرتاب شد. دوره عملياتي متوسط در نظر گرفته شده براي ماهواره‌هاي اين نسل 6 سال و عمر مفيد مورد نظر طراحي آنها 5/7 سال است.

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه   کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان   کنید

برخي از اين ماهواره ها به دليل ذخيره بالاي سوختي خود تا 10 سال هم مي‌توانند كار كنند. برخلاف ماهواره هاي نسل I و II كه اطلاعات مورد نياز خود را تنها از طريق آنتن هاي ايستگاههاي زميني دريافت مي كنند ماهواره هاي نسل IIA (A به معناي Advanced) به امكانات مخابره بين ماهواره هاي اطلاعات مجهز هستند. نخستين ماهواره از اين نسل در 26 نوامبر 1990 پرتاب شد.

از سال 1996 روند جايگزيني ماهواره هاي نسل IIA با نسل IIR (R به معناي Replaced) آغاز شده است. اين ماهواره ها به ساعتهاي هيدروژني مجهز هستند كه ده برابر دقيق تر از ساعت هاي اتمي قبلي است. به اين دليل اين ماهواره‌ها نياز كمتري به بررسي و كنترل صحت و تصحيح ساعت خود توسط ايستگاههاي زميني و بخش كنترل دارند. همچنين به دليل قابليت رديابي بين ماهواره اي، اين ماهواره ها داراي امكانات مخابراتي بيشتر و توانايي هاي مداري بالاتري هستند كه در مجموع باعث مي‌شود اين نسل از ماهواره ها نسبت به قبلي ها استقلال بيشتري از كنترل زميني داشته باشند. ماهواره هاي نسل IIR وزني بيش از kg2000 ولي بهايي در حدود نصف بهاي ماهواره هاي نسل II دارند.

نسيل بعدي ماهواره ها يعني نسل IIF (F به معناي Follow) در دوره زماني بين 2001 تا 2010 پرتاب خواهند شد. اين ماهواره ها داراي قابليت افزونتري از قبيل سيستم هاي ناوبري جرمي به منظور مكانيابي مستقل خود بدون وابستگي به ايستگاههاي زميني خواهند بود.

2- بخش كنترل (Operational Control Segment)

بخش كنترل سيستمGPS مستقيماً وابسته به وزارت دفاع آمريكا بوده و وظايف آن شامل كنترل و نظارت بر عملكرد مجموعه ماهواره هاي GPS- فرستادن پيام ناوبري براي ماهواره- سنكرونيزاسيون زماني ماهواره ها- نظارت بر وضعيت سلامتي ماهواره‌ها- نظارت بر سطوح توان باتريها و غيره مي باشد.

بخش كنترل خود به سه بخش تقسيم مي شود:

الف) ايستگاه كنترل اصلي MCS: (Master Control Station)

ب) ايستگاههاي نظارت

ج) آنتنهاي زميني.

ايستگاههاي نظارت كه تعداد آنها 5 عدد بوده و در سرتاسر زمين پراكنده هستنئد، به طور پيوسته سيگنال ماهواره هاي GPS (‏فركانسهاي L2,L1) را در باندL دريافت مي‌كنند. اين ايستگاهها كه شامل يك گيرنده ماهواره ها دو فركانسه (L2,L1) هستند. اين ايستگاهها اطلاعات را از طريق يك خط مخابراتي به MCS (ايستگاه كنترل اصلي) انتقال مي دهند ايستگاه MCS در پايگاه نيروي هوائي FALCON در
Colorado Springs در كشور ايالات متحده آمريكا قرار داشته و به عنوان قلب بخش كنترل GPS عمل مي كند. اين دستگاه داده هاي مربوط به ايستگاههاي مختلف نظارت را مورد پردازش قرار داده و به كمك آنها مقدار تصحيح لازم را براي داده هاي مربوط به ساعت، تقويم نجومي و Almanac تخمين مي زند.

اين تصحيحات به همراه پارامترهاي لازم ديگر به آنتن هاي زميني فرستاده شده و از طريق اين آنتنها و باند فركانسي S براي ماهواره ها فرستاده مي شوند. فرآمين لازم براي كنترل ماهواره ها نيز از طريق آنتن هاي زميني ارسال مي شود.

3- بخش زميني

اين بخش همان قسمتي از سيستم است كه به اصطلاح گيرنده GPS گويند. تنها بخشي از سيستم GPS كه در اختيار كاربر قرار دارد همين قسمت است. بخش زميني با دريافت سيگنال از حداقل 4 ماهواره GPS مي تواند موقعيت كاربر و همچنين زمان را اعلام كند. گيرنده هاي متنوعي با قابليت خاص براي كاربردهاي مختلفي ساخته شده اند. گيرنده ها مي توانند در فركانس L1 و يا هم فركانس L1 و هم L2 كار كنند.

كاربراني كه داراي گيرنده هاي تجاري هستند مي توانند فقط از فركانس L1 استفاده كنند. گيرنده هاي تجاري قابليت حذف گسترش فركانس L2 را ندارند. و كاربراني كه داراي گيرنده هاي نظامي مي باشند قابليت حذف گسترش فركانس L2 را نيز دارا مي‌باشند. اين كاربران معمولاً نيروهاي وابسطه به وزارت ايالات متحده آمريكا و يا نيروهاي ناتو مي باشند. همان طور كه بعداً به آن اشاره خواهيم كرد عمليات جمينگ بر روي كاربران گيرنده‌هاي نظامي بسيار دشوارتر از جمينگ بر روي كاربران گيرنده‌هاي غيرنظامي (SPS) مي باشد.

كاربران گيرنده هاي غير نظامي (SPS) Standard Positioning Service مي باشد.


4-2- بررسي سيگنال ماهواره هاي GPS

سيگنالهايي كه ماهواره‌هاي GPS ارسال مي كنند از نوع طيف گسترده
(Spread Spectrom) مي باشد كه اين موضوع باعث مي شود به علت داشتن گين پردازش (Prossosing Gain) سيگنال بتواند با توان كمتري منتشر شود و همچنين كمتر در معرض تداخل هاي عمدي يا ناخواسته قرار گيرد. در نتيجه نيازي نيست كه ماهواره هاي GPS داراي توان خيلي بالايي باشند و همچنين گيرنده هاي ما نيز به آنتن‌هاي بزرگ مثل ديش نيازي ندارند.

تكنيك ارسال سيگنال GPS توسط ماهواره ها و دريافت آن توسط گيرنده هاي GPS از نوع CDMA (Code Divition Multiple Acces) مي باشد.

به نحوي كه هر ماهواره PN كد مخصوص خود را دارا مي باشد يعني هر 24 ماهواره GPS موجود در فضا هر كدام با PN كد خاصي به عمل گسترش دادن مي‌پردازند.

در گيرنده نيز با كشف اينكه سيگنال دريافتي از كدامين ماهواره دريافت شده است با عمل توليد (Generate) همان PN كد عمليات حذف گسترش انجام مي شود. مزاياي اين روش علاوه بر اينكه باعث مي شود توان توليدي توسط ماهواره پايين بيايد (در نتيجه باعث ارزان تر شدن سيستم مي شود) و اثرات تداخلات عمدي و يا غير عمدي كمتر شود از اين روش براي فاصله يابي (Ranjing) بين فرستنده و گيرنده اطلاعات استفاده مي شود. يعني با داشتن تاخير سيگنال و سرعت نور مي توان مسافت بين فرستنده و گيرنده را محاسبه نمود.

به كمك ساعتهاي هيدروژني كه در ماهواره هاي GPS استفاده مي شود كه داراي پايداري در حد 14-10 تا 15-10 واحد در شبانه روز دارند يك سيگنال پايه با فركانس دقيق MHZ23/10 توليد مي شود از اين فركانس پايه دو سيگنال موج حاملL1=1575/42 MHZ و L2=1227/60 MHZ براي اطلاعات GPS ساخته مي‌شود كه هر دو مضربي از فركانس پايه هستند.

ماهواره هاي GPS در اين دو فركانس (L1,L2) دست به انتشار امواج مي زنند. سيگنال ارسالي از ماهواره به شكل زير مي باشد.

 

 

 

كه در اينجا AP,AC دامنه هاي سيگنال هستند و C(t) مربوط به كد C/A براي كاربران غير نظامي و P(t) مربوط به كد P براي كاربران نظامي است.

كد شبه تصادفي C(t) يك رشته كد 1023 بيتي است كه با نرخ چيپ MHZ023/1 تكرار مي شود. به هر ماهواره GPS يك كد C/A اختصاصي از مجموعه كدهاي طلايي تعلق مي گيرد. كد C/A فقط بر روي موج حامل L1 مدوله شده است و تعهداً L2 حذف شده است. اين حذف به وزارت دفاع آمريكا اجازه مي دهد كه انتشار اطلاعات توسط ماهوراه را كنترل كرده وجود دو فركانس موج حامل به جاي يكي، نقش اساسي در حذف بزرگترين منبع خطا در GPS يعني خطاي ناشي از تاخير انتشار امواج الكترومغناطيسي در لايه يونسفر جو دارد زيرا اين تاخير با فركانس انتشار تناسب معكوس دارد.

پس با معلوم شدن اختلاف زمانهاي رسيدن دو سيگنال ماهواره كه در واقع اختلاف تاخيرهاي آنها است. ضريب تناسب مجهول پيدا مي شود. بنابراين اندازه خود تاخيرها هم بدست مي آيد. در گيرنده هاي تجاري چون فقط از فركانس L1 استفاده مي شود امكان حذف خطاي يونسفري وجود ندارد.

و D(t) اطلاعات ناوبري با برخ بيت HZ50 مي باشد كه بر روي هر دو كد P و C/A مدوله مي شود. اطلاعات ناوبري شامل زمان سيستم GPS در لحظه ارسال پيام و موقعيت لحظه اي ماهواره در لحظه ارسال پيام و داده هاي تصحيح خطاي ساعت ماهواره و اطلاعات تقريبي از موقعيت تمام ماهواره هاي GPS و اطلاعاتي نظير وضعيت سلامتي ماهواره ها و غيره مي باشد.

پس همانطور كه گفته شد در سيستم GPS دو سطح سرويس در نظر گرفته شده است.

1- SPS (Standard Positioning System) كه اين سرويس تعيين موقعيت بطور پيوسته در اختيار همه كاربران GPS است چه كاربران تجاري و چه كاربران نظامي اين سرويس را مي توان فقط با شبه كد C/A با 1.023 Chiprate مگاهرتز و دوره تناوب 1 ميلي ثانيه بر روي فركانس حامل L1 دريافت كرد.

2- PPS (Precise Positioing System) كه اين سرويس تعيين موقعيت فقط در اختيار كاربران نظامي كه معمولاً افراد وزارت دفاع ايالات متحده و نيروهاي ناتو مي‌باشند قرار دارد. در اين سطح سرويس شبه كد P با 10.23 Chiprate مگاهرتز و دوره تناوب طولاني 267 روز بر روي حامل L1 و L2 ارسال مي گردد. اين سطح سرويس به علت استفاده از دو فركانس L2,L1 پردازشگر آن مي تواند خطاي ناشي از تاخير سيگنال بر اثر لايه يونسفر را به شدت كاهش دهد در حالي كه سطح سرويس SPS براي گيرنده هاي تجاري از اين مزيت محروم مي باشند.

بحث ديگري كه مي توان راجع به سيگنال GPS مطرح كرد قدرت سيگنال روي آنتن فرستنده ماهواره و آنتن گيرنده GPS مي باشد.

قدرت سيگنال روي آنتن فرستنده ماهواره به شكل زير است.

الف) سيگنال L1 و كد C/A داراي توان dbm 58

ب) سيگنال L1 و كد P داراي توان dbm 58

هر ماهواره داراي يك آرايه 12 تايي آنتن هليكس است كه يك قطاع 29 درجه را تشكيل مي دهند. اين آنتنها طوري تشعشع مي كنند كه ق درت تقريباً يكنواختي به استفاده كننده هاي سيستم مي رسد.

اگر زاويه بين ماهواره نسبت به افق 5 درجه باشد اين سيگنال به اندازه db3/184 در فضا داراي افت خواهد بود و علاوه بر اين db85/0 نيز تلفات آتمسفري خواهيم داشت. اگر ماهواره در اوج (سمت الراس) باشد تضعيف فضائي آن برابر db5/182 بوده و تلفات اضافي آتمسفري ندارد (قابل صرف نظر كردن است) پس سيگنال دريافتي روي آنتن گيرنده برابر dbm5/124- قدرت دارد.

معمولاً براي كد C/A حداقل اين قدرت برابر dbm130- است بر كد P حداقل اين قدرت برابر dbm133- است.

براي سيگنال L2 كه فقط كد P روي آن مدوله شده است قدرت ارسالي برابر dbm1/35 بوده و قدرتي كه توسط آنتن ماهواره بصورت ايزوتروپيك تشعشع مي كند حداقل dbm50 مي باشد.

4-3- انواع خطاها در GPS و روشهاي تصحيح آنها

عواملي كه در سيستم GPS موجب خطا مي‌شوند را مي‌توان به دو دسته تقسيم‌بندي كرد. خطاهاي غير عمدي و خطاهاي عمدي.

خطاهاي غيرعمدي شامل عواملي مانند عوامل محيطي و ضعف در ساخته‌هاي بشري مي باشد ولي خطاهاي عمدي را معمولاً دشمن براي به اشتباه انداختن رقيب به كار مي برد تا هدايت و ناوبري يك موشك يا هواپيماي بدون سرنشين را با اشكال مواجه نمايد عوامل خطاهاي غيرعمدي يا عمدي را مي توان به شرح زير نام برد.

الف- خطاهاي غيرعمدي

1- خطاي ناشي از يونسفر: شايد اين مهمترين خطا باشد و اين عبارتست از خطايي كه از يونسفر زمين ناشي مي شود. يونسفر لايه اي است كه از شعاع 80 تا 120 مايلي دور كره زمين را مي پوشانند و اين لايه از لحاظ الكتريكي يونيزه شده و داراي ذرات باردار مي باشد. اين ذرات عملاً روي سرعت نور و همينطور روي سرعت سيگنالهاي راديويي GPS اثر مي گذارند.

همين تغيير سرعت موجب خطاي فاصله مي شود. زيرا محاسبات فاصله بر مبناي ثابت بودن سرعت نور و امواج راديويي صورت گرفته است. براي به حداقل رساندن خطايي كه در اثر يونسفر ايجاد مي شود دو راه وجود دارد:

روش اول: بطور متوسط تخمين بزنيم كه نور در اثر عبور از اين لايه چه تغييري مي كند و سپس آنرا در محاسبات خود داخل كرده و اين خطا را تصحيح نمائيم. البته اين كار در تصحيح خطا ما را ياري مي نمايد، اما متاسفانه بايد گفت كه اين تغيير سرعت مقدار ثابتي نبوده و تابع شرايط زماني است.

روش دوم: هنگاميكه امواج راديوئي از داخل يونسفر عبور مي كند سرعت آن به نسبت عكس مربع فركانس آن كاهش مي يابد. هرچه فركانس كمتر باشد سرعت آن كاهش بيشتري مي يابد. بنابراين اگر زمان وصول دو قسمت از سيگنال GPS كه داراي فركانسهاي متفاوت مي باشند را مقايسه كنيم مي توانيم نوع كندي مربوط به يونسفر را استنتاج نمائيم. اين نوع تصحيح خطا خيلي پيچيده بوده و فقط در گيرنده هاي بسيار پيشرفته GPS كه داراي دو فركانس مي باشند منظو شده است. با اين روش تا حد بسيار زيادي اين خطا را مي توان حذف نمود.


2- خطاي ناشي از آتمسفر

بعد از آنكه سيگنال GPS از لايه يونسفر گذشت وارد آتمسفر زمين مي شود. بخار آب در آتمسفر زمين مي تواند روي سيگنالها اثر بگذارد اين خطا به اندازه همان خطايي است كه در اثر عبور از يونسفر ايجاد مي شود. با كمال تاسف تصحيح آن امري تقريباً محال است. اما خوشبختانه مقدار موثر اين خطا روي محاسبات مكاني ما بسيار كم و در حد عرض يك خيابان متوسط مي باشد.

3- خطاي ساعت ماهواره

با وجوديكه اين ساعتها دقيق ترين ساعتهايي مي باشند كه تا كنون بشر به آن دست يافته است اما هنوز در معرض تغييرات جزئي مي باشند. براي تصحيح اين خطاها، وزارت دفاع آمريكا اين پالسها را دريافت كرده و در صورت بروز خطا آنها را تصحيح و به ماهواره بر مي گرداند.

4- خطاي ناشي از گيرنده GPS

گيرنده هاي ما نيز در بعضي مواقع اشتباه مي كنند. اين اشتباهات در اثر گرد كردن مقادير عددي ممكن است پيش بيايند و يا اينكه احتمال دارد تداخل الكتريكي موجب يك همبستگي غلط كد شبه تصادفي شود. معمولاً اين نوع خطاها يا خيلي كوچك و يا خيلي بزرگ هستند. خطاهاي خيلي بزرگ براحتي آشكار مي شوند، چون واضح هستند؛ اما كشف خطاهاي كوچك كه اكثراً در اث باياسهاي محاسبات است كار مشكلي است، اين خطاها در هر اندازه گيري موچب چند فوت خطاي مكاني مي‌شوند.

5- خطاي مسيرهاي چندگانه

اين نوع خطا هنگامي پيش مي آيد كه سيگنالهاي منتشر شده از ماهواره قبل از رسيدن به گيرنده دچار برخورد با موانع شده و يا از مسيرهاي غيرمستقيم از قبيل برخورد با كوهها و ساختمانها به گيرنده GPS برسد در نتيجه سيگنال مستقيماً به گيرنده نمي رسد و در عوض مسيرهاي حلقوي زيادي را مي پيمايد تا به گيرنده برسد. اين اثر همانند اثر شبح (Ghosting) روي تلويزيون است. معمولاً اگر سيگنال ويدئو از چند مسير به گيرنده تلويزيون برسد سايه هائي روي تصوير اصلي ايجاد مي‌شود كه باعث مخدوش شدن تصوير مي گردد.

گيرنده هاي امروزي از سيگنال پروسسورهاي پيشرفته و آنتنهاي مخصوص جهت كاهش اين خطا استفاده مي كنند. اما هنوز در بدترين شرايط اثرات اين نوع خطا ملاحظه مي شود. اين آنتنهاي مخصوص به آنتنهاي كاهنده چند مسيري
(Multi Path Rejection Antennas) معروفند كه از نظر ظاهر طوري طراحي شده اند كه براي حذف بازتابش از زمين مناسب مي باشند.

6- خطاي مربوط به تركيب هندسي ماهواره‌ها

براي اينكه GPS بهترين دقت ممكنه را داشته باشد از يك اصل ضريب هندسي استفاده مي كنند به نام GDOP (Geometric Dilution Of Precision) موقعيت مكاني محاسبه شده شما بسته به اين دارد كه از كدام ماهواره هاي در ميدان ديد استفاده كرده باشيم. مثلاً اگر ماهواره هاي E,D,C,B,A در ميدان ديد باشند و شما براي مكانيابي از ماهواره هاي D,C,B,A استفاده كنيد دقت مكاني محاسبه شده فرق مي كند تا اينكه از ماهواره هاي ديگر استفاده كنيد.

دقت محاسبه شده توسط هر يك از اين تركيبات با ديگري متفاوت است. كه به اين مسئله GDOP مي گويند. البته اين به آن معنا نيست كه ماهواره اي از ماهواره ديگر بهتر است بلكه اين مسئله به زاويه نسبي آنها در فضا بستگي دارد.

در يك جمله ساده مي توان گفت كه هرچه زاويه بين ماهواره ها بيشتر باشد اندازه‌گيريها دقيقتر مي شود. بنابراين گيرنده خوب از بين ماهواره هاي در ميدان ديد آن چهارتايي را انتخاب مي نمايد كه كمترين GPS را داشته باشند.

براي انتخاب تركيب چهارتايي كه كمترين GDOP را دارا باشد سه راه متصور است.

روش اول: مقدار GDOP مربوط به كليه تركيبات 4 تايي، ماهواره هايي كه در افق ديد گيرنده را محاسبه كرده و آنرا كه كمترين مقدار را دارد انتخاب مي نمايند.

روش دوم: حجم هرمهائي كه اين تركيبات چهارتائي با استفاده كننده مي سازند را محاسبه كرده و آنرا كه بيشترين حجم را دارد انتخاب مي نمايد.

روش سوم: ابتدا سه تا از ماهواره هائيكه اجزاء برداري آنها در سه جهت عمود، شرق و شمال حداكثر هستند انتخاب شده و سپس ماهواره هارم را از بين ماهواره‌هاي باقيمانده طوري انتخاب مي نمايد كه حداقل GDOP را داشته باشد.

از سه روش فوق، روش اول مطمئن ترين تركيب را مي دهد اما اشكال آن در محاسبات پيچيده آن، بخصوص نياز به معكوس كردن ماتريس مي باشد.

روش دوم نسبت به اول داراي دقت كمتري است، اما در عوض محاسبات مربوط به مقدار قابل ملاحظه اي كاهش يافته است.

روش سوم ايده جالبي است و كمترين محاسبات را دارد ولي اين يك روش خطرناك است و مبناي تئوريك نداشته و دقت خوبي نيز احتمالاً ندارد.

ب- خطاهاي عمدي

خطاهاي عمدي شامل آندسته از خطاهايي مي شوند كه معمولاً دشمن يا صاحبان اصلي GPS براي به اشتباه انداختن رقيب به كار مي برند اين خطاها مي توانند از نوع سيگنالهاي راديويي يا سيستماتيك باشند. در كل خطاهاي عمدي را مي توان به شكل زير تقسيم بندي كرد.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

لینک متن کامل

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *