پروژه رشته مکانیک درباره GPS – قسمت سوم

در واقع پس از آغاز به كار ماهواره های نسل II كاربران GPS به دو دسته تقسیم شده اند كه می توانیم آنها را كاربران نظامی یا ویژه و كاربران غیر نظامی یا عادی بخوانیم.

نخستین ماهواره ها از این نسل به بهای 80 میلیون دلار و به وزن kg500 در 14 فوریه 1989 به فضا پرتاب شد. دوره عملیاتی متوسط در نظر گرفته شده برای ماهواره‌های این نسل 6 سال و عمر مفید مورد نظر طراحی 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

برخی از این ماهواره ها به دلیل ذخیره بالای سوختی خود تا 10 سال هم می‌توانند كار كنند. برخلاف ماهواره های نسل I و II كه اطلاعات مورد نیاز خود را تنها از طریق آنتن های ایستگاههای زمینی دریافت می كنند ماهواره های نسل IIA (A به معنای Advanced) به امكانات مخابره بین ماهواره های اطلاعات مجهز هستند. نخستین ماهواره از این نسل در 26 نوامبر 1990 پرتاب شد.

از سال 1996 روند جایگزینی ماهواره های نسل IIA با نسل IIR (R به معنای Replaced) آغاز شده است. این ماهواره ها به ساعتهای هیدروژنی مجهز هستند كه ده برابر دقیق تر از ساعت های اتمی قبلی است. به این دلیل این ماهواره‌ها نیاز كمتری به بررسی و كنترل صحت و تصحیح ساعت خود توسط ایستگاههای زمینی و بخش كنترل دارند. همچنین به دلیل قابلیت ردیابی بین ماهواره ای، این ماهواره ها دارای امكانات مخابراتی بیشتر و توانایی های مداری بالاتری هستند كه در مجموع باعث می‌شود این نسل از ماهواره ها نسبت به قبلی ها استقلال بیشتری از كنترل زمینی داشته باشند. ماهواره های نسل IIR وزنی بیش از kg2000 ولی بهایی در حدود نصف بهای ماهواره های نسل II دارند.

نسیل بعدی ماهواره ها یعنی نسل IIF (F به معنای Follow) در دوره زمانی بین 2001 تا 2010 پرتاب خواهند شد. این ماهواره ها دارای قابلیت افزونتری از قبیل سیستم های ناوبری جرمی به منظور مكانیابی مستقل خود بدون وابستگی به ایستگاههای زمینی خواهند بود.

2- بخش كنترل (Operational Control Segment)

بخش كنترل سیستمGPS مستقیماً وابسته به وزارت دفاع آمریكا بوده و وظایف آن شامل كنترل و نظارت بر عملكرد مجموعه ماهواره های GPS- فرستادن پیام ناوبری برای ماهواره- سنكرونیزاسیون زمانی ماهواره ها- نظارت بر وضعیت سلامتی ماهواره‌ها- نظارت بر سطوح توان باتریها و غیره می باشد.

بخش كنترل خود به سه بخش تقسیم می شود:

الف) ایستگاه كنترل اصلی MCS: (Master Control Station)

ب) ایستگاههای نظارت

ج) آنتنهای زمینی.

ایستگاههای نظارت كه تعداد آنها 5 عدد بوده و در سرتاسر زمین پراكنده هستنئد، به طور پیوسته سیگنال ماهواره های GPS (‏فركانسهای L2,L1) را در باندL دریافت می‌كنند. این ایستگاهها كه شامل یك گیرنده ماهواره ها دو فركانسه (L2,L1) هستند. این ایستگاهها اطلاعات را از طریق یك خط مخابراتی به MCS (ایستگاه كنترل اصلی) انتقال می دهند ایستگاه MCS در پایگاه نیروی هوائی FALCON در
Colorado Springs در كشور ایالات متحده آمریكا قرار داشته و به عنوان قلب بخش كنترل GPS عمل می كند. این دستگاه داده های مربوط به ایستگاههای مختلف نظارت را مورد پردازش قرار داده و به كمك آنها مقدار تصحیح لازم را برای داده های مربوط به ساعت، تقویم نجومی و Almanac تخمین می زند.

این تصحیحات به همراه پارامترهای لازم دیگر به آنتن های زمینی فرستاده شده و از طریق این آنتنها و باند فركانسی S برای ماهواره ها فرستاده می شوند. فرآمین لازم برای كنترل ماهواره ها نیز از طریق آنتن های زمینی ارسال می شود.

3- بخش زمینی

این بخش همان قسمتی از سیستم است كه به اصطلاح گیرنده GPS گویند. تنها بخشی از سیستم GPS كه در اختیار كاربر قرار دارد همین قسمت است. بخش زمینی با دریافت سیگنال از حداقل 4 ماهواره GPS می تواند موقعیت كاربر و همچنین زمان را اعلام كند. گیرنده های متنوعی با قابلیت خاص برای كاربردهای مختلفی ساخته شده اند. گیرنده ها می توانند در فركانس L1 و یا هم فركانس L1 و هم L2 كار كنند.

كاربرانی كه دارای گیرنده های تجاری هستند می توانند فقط از فركانس L1 استفاده كنند. گیرنده های تجاری قابلیت حذف گسترش فركانس L2 را ندارند. و كاربرانی كه دارای گیرنده های نظامی می باشند قابلیت حذف گسترش فركانس L2 را نیز دارا می‌باشند. این كاربران معمولاً نیروهای وابسطه به وزارت ایالات متحده آمریكا و یا نیروهای ناتو می باشند. همان طور كه بعداً به آن اشاره خواهیم كرد عملیات جمینگ بر روی كاربران گیرنده‌های نظامی بسیار دشوارتر از جمینگ بر روی كاربران گیرنده‌های غیرنظامی (SPS) می باشد.

كاربران گیرنده های غیر نظامی (SPS) Standard Positioning Service می باشد.


4-2- بررسی سیگنال ماهواره های GPS

سیگنالهایی كه ماهواره‌های GPS ارسال می كنند از نوع طیف گسترده
(Spread Spectrom) می باشد كه این موضوع باعث می شود به علت داشتن گین پردازش (Prossosing Gain) سیگنال بتواند با توان كمتری منتشر شود و همچنین كمتر در معرض تداخل های عمدی یا ناخواسته قرار گیرد. در نتیجه نیازی نیست كه ماهواره های GPS دارای توان خیلی بالایی باشند و همچنین گیرنده های ما نیز به آنتن‌های بزرگ مثل دیش نیازی ندارند.

تكنیك ارسال سیگنال GPS توسط ماهواره ها و دریافت آن توسط گیرنده های GPS از نوع CDMA (Code Divition Multiple Acces) می باشد.

به نحوی كه هر ماهواره PN كد مخصوص خود را دارا می باشد یعنی هر 24 ماهواره GPS موجود در فضا هر كدام با PN كد خاصی به عمل گسترش دادن می‌پردازند.

در گیرنده نیز با كشف اینكه سیگنال دریافتی از كدامین ماهواره دریافت شده است با عمل تولید (Generate) همان PN كد عملیات حذف گسترش انجام می شود. مزایای این روش علاوه بر اینكه باعث می شود توان تولیدی توسط ماهواره پایین بیاید (در نتیجه باعث ارزان تر شدن سیستم می شود) و اثرات تداخلات عمدی و یا غیر عمدی كمتر شود از این روش برای فاصله یابی (Ranjing) بین فرستنده و گیرنده اطلاعات استفاده می شود. یعنی با داشتن تاخیر سیگنال و سرعت نور می توان مسافت بین فرستنده و گیرنده را محاسبه نمود.

به كمك ساعتهای هیدروژنی كه در ماهواره های GPS استفاده می شود كه دارای پایداری در حد 14-10 تا 15-10 واحد در شبانه روز دارند یك سیگنال پایه با فركانس دقیق MHZ23/10 تولید می شود از این فركانس پایه دو سیگنال موج حاملL1=1575/42 MHZ و L2=1227/60 MHZ برای اطلاعات GPS ساخته می‌شود كه هر دو مضربی از فركانس پایه هستند.

ماهواره های GPS در این دو فركانس (L1,L2) دست به انتشار امواج می زنند. سیگنال ارسالی از ماهواره به شكل زیر می باشد.

 

 

 

كه در اینجا AP,AC دامنه های سیگنال هستند و C(t) مربوط به كد C/A برای كاربران غیر نظامی و P(t) مربوط به كد P برای كاربران نظامی است.

كد شبه تصادفی C(t) یك رشته كد 1023 بیتی است كه با نرخ چیپ MHZ023/1 تكرار می شود. به هر ماهواره GPS یك كد C/A اختصاصی از مجموعه كدهای طلایی تعلق می گیرد. كد C/A فقط بر روی موج حامل L1 مدوله شده است و تعهداً L2 حذف شده است. این حذف به وزارت دفاع آمریكا اجازه می دهد كه انتشار اطلاعات توسط ماهوراه را كنترل كرده وجود دو فركانس موج حامل به جای یكی، نقش اساسی در حذف بزرگترین منبع خطا در GPS یعنی خطای ناشی از تاخیر انتشار امواج الكترومغناطیسی در لایه یونسفر جو دارد زیرا این تاخیر با فركانس انتشار تناسب معكوس دارد.

پس با معلوم شدن اختلاف زمانهای رسیدن دو سیگنال ماهواره كه در واقع اختلاف تاخیرهای آنها است. ضریب تناسب مجهول پیدا می شود. بنابراین اندازه خود تاخیرها هم بدست می آید. در گیرنده های تجاری چون فقط از فركانس L1 استفاده می شود امكان حذف خطای یونسفری وجود ندارد.

و D(t) اطلاعات ناوبری با برخ بیت HZ50 می باشد كه بر روی هر دو كد P و C/A مدوله می شود. اطلاعات ناوبری شامل زمان سیستم GPS در لحظه ارسال پیام و موقعیت لحظه ای ماهواره در لحظه ارسال پیام و داده های تصحیح خطای ساعت ماهواره و اطلاعات تقریبی از موقعیت تمام ماهواره های GPS و اطلاعاتی نظیر وضعیت سلامتی ماهواره ها و غیره می باشد.

پس همانطور كه گفته شد در سیستم GPS دو سطح سرویس در نظر گرفته شده است.

1- SPS (Standard Positioning System) كه این سرویس تعیین موقعیت بطور پیوسته در اختیار همه كاربران GPS است چه كاربران تجاری و چه كاربران نظامی این سرویس را می توان فقط با شبه كد C/A با 1.023 Chiprate مگاهرتز و دوره تناوب 1 میلی ثانیه بر روی فركانس حامل L1 دریافت كرد.

2- PPS (Precise Positioing System) كه این سرویس تعیین موقعیت فقط در اختیار كاربران نظامی كه معمولاً افراد وزارت دفاع ایالات متحده و نیروهای ناتو می‌باشند قرار دارد. در این سطح سرویس شبه كد P با 10.23 Chiprate مگاهرتز و دوره تناوب طولانی 267 روز بر روی حامل L1 و L2 ارسال می گردد. این سطح سرویس به علت استفاده از دو فركانس L2,L1 پردازشگر آن می تواند خطای ناشی از تاخیر سیگنال بر اثر لایه یونسفر را به شدت كاهش دهد در حالی كه سطح سرویس SPS برای گیرنده های تجاری از این مزیت محروم می باشند.

بحث دیگری كه می توان راجع به سیگنال GPS مطرح كرد قدرت سیگنال روی آنتن فرستنده ماهواره و آنتن گیرنده GPS می باشد.

قدرت سیگنال روی آنتن فرستنده ماهواره به شكل زیر است.

الف) سیگنال L1 و كد C/A دارای توان dbm 58

ب) سیگنال L1 و كد P دارای توان dbm 58

هر ماهواره دارای یك آرایه 12 تایی آنتن هلیكس است كه یك قطاع 29 درجه را تشكیل می دهند. این آنتنها طوری تشعشع می كنند كه ق درت تقریباً یكنواختی به استفاده كننده های سیستم می رسد.

اگر زاویه بین ماهواره نسبت به افق 5 درجه باشد این سیگنال به اندازه db3/184 در فضا دارای افت خواهد بود و علاوه بر این db85/0 نیز تلفات آتمسفری خواهیم داشت. اگر ماهواره در اوج (سمت الراس) باشد تضعیف فضائی آن برابر db5/182 بوده و تلفات اضافی آتمسفری ندارد (قابل صرف نظر كردن است) پس سیگنال دریافتی روی آنتن گیرنده برابر dbm5/124- قدرت دارد.

معمولاً برای كد C/A حداقل این قدرت برابر dbm130- است بر كد P حداقل این قدرت برابر dbm133- است.

برای سیگنال L2 كه فقط كد P روی آن مدوله شده است قدرت ارسالی برابر dbm1/35 بوده و قدرتی كه توسط آنتن ماهواره بصورت ایزوتروپیك تشعشع می كند حداقل dbm50 می باشد.

4-3- انواع خطاها در GPS و روشهای تصحیح آنها

عواملی كه در سیستم GPS موجب خطا می‌شوند را می‌توان به دو دسته تقسیم‌بندی كرد. خطاهای غیر عمدی و خطاهای عمدی.

خطاهای غیرعمدی شامل عواملی مانند عوامل محیطی و ضعف در ساخته‌های بشری می باشد ولی خطاهای عمدی را معمولاً دشمن برای به اشتباه انداختن رقیب به كار می برد تا هدایت و ناوبری یك موشك یا هواپیمای بدون سرنشین را با اشكال مواجه نماید عوامل خطاهای غیرعمدی یا عمدی را می توان به شرح زیر نام برد.

الف- خطاهای غیرعمدی

1- خطای ناشی از یونسفر: شاید این مهمترین خطا باشد و این عبارتست از خطایی كه از یونسفر زمین ناشی می شود. یونسفر لایه ای است كه از شعاع 80 تا 120 مایلی دور كره زمین را می پوشانند و این لایه از لحاظ الكتریكی یونیزه شده و دارای ذرات باردار می باشد. این ذرات عملاً روی سرعت نور و همینطور روی سرعت سیگنالهای رادیویی GPS اثر می گذارند.

همین تغییر سرعت موجب خطای فاصله می شود. زیرا محاسبات فاصله بر مبنای ثابت بودن سرعت نور و امواج رادیویی صورت گرفته است. برای به حداقل رساندن خطایی كه در اثر یونسفر ایجاد می شود دو راه وجود دارد:

روش اول: بطور متوسط تخمین بزنیم كه نور در اثر عبور از این لایه چه تغییری می كند و سپس آنرا در محاسبات خود داخل كرده و این خطا را تصحیح نمائیم. البته این كار در تصحیح خطا ما را یاری می نماید، اما متاسفانه باید گفت كه این تغییر سرعت مقدار ثابتی نبوده و تابع شرایط زمانی است.

روش دوم: هنگامیكه امواج رادیوئی از داخل یونسفر عبور می كند سرعت آن به نسبت عكس مربع فركانس آن كاهش می یابد. هرچه فركانس كمتر باشد سرعت آن كاهش بیشتری می یابد. بنابراین اگر زمان وصول دو قسمت از سیگنال GPS كه دارای فركانسهای متفاوت می باشند را مقایسه كنیم می توانیم نوع كندی مربوط به یونسفر را استنتاج نمائیم. این نوع تصحیح خطا خیلی پیچیده بوده و فقط در گیرنده های بسیار پیشرفته GPS كه دارای دو فركانس می باشند منظو شده است. با این روش تا حد بسیار زیادی این خطا را می توان حذف نمود.


2- خطای ناشی از آتمسفر

بعد از آنكه سیگنال GPS از لایه یونسفر گذشت وارد آتمسفر زمین می شود. بخار آب در آتمسفر زمین می تواند روی سیگنالها اثر بگذارد این خطا به اندازه همان خطایی است كه در اثر عبور از یونسفر ایجاد می شود. با كمال تاسف تصحیح آن امری تقریباً محال است. اما خوشبختانه مقدار موثر این خطا روی محاسبات مكانی ما بسیار كم و در حد عرض یك خیابان متوسط می باشد.

3- خطای ساعت ماهواره

با وجودیكه این ساعتها دقیق ترین ساعتهایی می باشند كه تا كنون بشر به آن دست یافته است اما هنوز در معرض تغییرات جزئی می باشند. برای تصحیح این خطاها، وزارت دفاع آمریكا این پالسها را دریافت كرده و در صورت بروز خطا آنها را تصحیح و به ماهواره بر می گرداند.

4- خطای ناشی از گیرنده GPS

گیرنده های ما نیز در بعضی مواقع اشتباه می كنند. این اشتباهات در اثر گرد كردن مقادیر عددی ممكن است پیش بیایند و یا اینكه احتمال دارد تداخل الكتریكی موجب یك همبستگی غلط كد شبه تصادفی شود. معمولاً این نوع خطاها یا خیلی كوچك و یا خیلی بزرگ هستند. خطاهای خیلی بزرگ براحتی آشكار می شوند، چون واضح هستند؛ اما كشف خطاهای كوچك كه اكثراً در اث بایاسهای محاسبات است كار مشكلی است، این خطاها در هر اندازه گیری موچب چند فوت خطای مكانی می‌شوند.

5- خطای مسیرهای چندگانه

این نوع خطا هنگامی پیش می آید كه سیگنالهای منتشر شده از ماهواره قبل از رسیدن به گیرنده دچار برخورد با موانع شده و یا از مسیرهای غیرمستقیم از قبیل برخورد با كوهها و ساختمانها به گیرنده GPS برسد در نتیجه سیگنال مستقیماً به گیرنده نمی رسد و در عوض مسیرهای حلقوی زیادی را می پیماید تا به گیرنده برسد. این اثر همانند اثر شبح (Ghosting) روی تلویزیون است. معمولاً اگر سیگنال ویدئو از چند مسیر به گیرنده تلویزیون برسد سایه هائی روی تصویر اصلی ایجاد می‌شود كه باعث مخدوش شدن تصویر می گردد.

گیرنده های امروزی از سیگنال پروسسورهای پیشرفته و آنتنهای مخصوص جهت كاهش این خطا استفاده می كنند. اما هنوز در بدترین شرایط اثرات این نوع خطا ملاحظه می شود. این آنتنهای مخصوص به آنتنهای كاهنده چند مسیری
(Multi Path Rejection Antennas) معروفند كه از نظر ظاهر طوری طراحی شده اند كه برای حذف بازتابش از زمین مناسب می باشند.

6- خطای مربوط به تركیب هندسی ماهواره‌ها

برای اینكه GPS بهترین دقت ممكنه را داشته باشد از یك اصل ضریب هندسی استفاده می كنند به نام GDOP (Geometric Dilution Of Precision) موقعیت مكانی محاسبه شده شما بسته به این دارد كه از كدام ماهواره های در میدان دید استفاده كرده باشیم. مثلاً اگر ماهواره های E,D,C,B,A در میدان دید باشند و شما برای مكانیابی از ماهواره های D,C,B,A استفاده كنید دقت مكانی محاسبه شده فرق می كند تا اینكه از ماهواره های دیگر استفاده كنید.

دقت محاسبه شده توسط هر یك از این تركیبات با دیگری متفاوت است. كه به این مسئله GDOP می گویند. البته این به آن معنا نیست كه ماهواره ای از ماهواره دیگر بهتر است بلكه این مسئله به زاویه نسبی آنها در فضا بستگی دارد.

در یك جمله ساده می توان گفت كه هرچه زاویه بین ماهواره ها بیشتر باشد اندازه‌گیریها دقیقتر می شود. بنابراین گیرنده خوب از بین ماهواره های در میدان دید آن چهارتایی را انتخاب می نماید كه كمترین GPS را داشته باشند.

برای انتخاب تركیب چهارتایی كه كمترین GDOP را دارا باشد سه راه متصور است.

روش اول: مقدار GDOP مربوط به كلیه تركیبات 4 تایی، ماهواره هایی كه در افق دید گیرنده را محاسبه كرده و آنرا كه كمترین مقدار را دارد انتخاب می نمایند.

روش دوم: حجم هرمهائی كه این تركیبات چهارتائی با استفاده كننده می سازند را محاسبه كرده و آنرا كه بیشترین حجم را دارد انتخاب می نماید.

روش سوم: ابتدا سه تا از ماهواره هائیكه اجزاء برداری آنها در سه جهت عمود، شرق و شمال حداكثر هستند انتخاب شده و سپس ماهواره هارم را از بین ماهواره‌های باقیمانده طوری انتخاب می نماید كه حداقل GDOP را داشته باشد.

از سه روش فوق، روش اول مطمئن ترین تركیب را می دهد اما اشكال آن در محاسبات پیچیده آن، بخصوص نیاز به معكوس كردن ماتریس می باشد.

روش دوم نسبت به اول دارای دقت كمتری است، اما در عوض محاسبات مربوط به مقدار قابل ملاحظه ای كاهش یافته است.

روش سوم ایده جالبی است و كمترین محاسبات را دارد ولی این یك روش خطرناك است و مبنای تئوریك نداشته و دقت خوبی نیز احتمالاً ندارد.

ب- خطاهای عمدی

خطاهای عمدی شامل آندسته از خطاهایی می شوند كه معمولاً دشمن یا صاحبان اصلی GPS برای به اشتباه انداختن رقیب به كار می برند این خطاها می توانند از نوع سیگنالهای رادیویی یا سیستماتیك باشند. در كل خطاهای عمدی را می توان به شكل زیر تقسیم بندی 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

Leave a comment