پروژه رشته مکانیک درباره GPS – قسمت اول

مقدمه

بشر از گذشته های دور برای گم نكردن مسیر خود در سفرها به دنبال علامت و نشانه‌هایی از قبیل خورشید و ستاره ها و غیره بوده است.

كه با رشد تكنولوژی، با اختراع هواپیماها و كشتی های اقیانوس پیما و موشكهای برد كوتاه و برد بلند و سایر ادوات دیگر وسایل قدیمی حتی قطب نما نیز دیگر برای این كار مناسب نبود. از این رو یكی از راههای تعیین مسیر و موقعیت مكانی استفاده از داده های ماهواره های GPS می باشد. این سیستم در تمام طول شبانه روز و تحت تمام شرایط آب وهوایی در خدمت كاربران واقع در تمام نقاط سطح كره زمین می باشد. از آنجا كه گیرنده های GPS به صورت پسیو كار می كنند هیچ محدودیتی از نظر تعداد كاربران ندارند. GPS در هر نقطه جهان و در هر زمان به سه پرسش زمان- مكان و سرعت پاسخ دقیق و ارزان می دهد.

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

برای انجام این عمل ماهواره ها همواره مشغول ارسال سیگنالهایی شامل كدهای فاصله سنجی و نیز پیام ناوبری برای كاربران هستند. كدهای فاصله سنجی گیرنده‌های GPS را قادر می سازد تا زمان انتشار سیگنال را اندازه بگیرد و بدین وسیله با توجه به معلوم بودن سرعت انتشار امواج الكترومغناطیسی فاصله بین كاربر تا ماهواره ها معلوم می شود. پیام داده های ناوبری گیرنده را قادر می سازد تا مكان هر كدام از ماهواره‌ها را در لحظه ارسال سیگنال محاسبه كند. سپس گیرنده با استفاده از این اطلاعات موقعیت خود را بدست می آورد.

فصل دوم

2-1- تعریف ناوبری (Navigation)

به طور خلاصه می توان گفت هدف از ناوبری یك هواپیمای بدون سرنشین هدایت هواپیما از یك نقطه مبدا به یك نقطه مقصد است به منظور هدایت هواپیما، خلبان در ایستگاه زمینی نیاز به اطلاعات مختلفی دارد، از جمله جهت هواپیما نسبت به شمال جغرافیایی، فاصله تا مقصد، طول و عرض جغرافیایی و زمان رسیدن به مقصد.

به منظور دستیابی به این اطلاعات با كمترین خطا چاره ای جز طراحی یك Link رادیویی وجود ندارد. در قسمت بعد انواع سیستمهای رادیویی از حدوداً جنگ جهانی دوم تا این اواخر كه بشر آنها را طراحی كرده آورده شده است.

2-2- انواع سیستم های ناوبری رادیویی

2-2-1- OMEGA

این سیستم ناوبری با برد بلند می باشد كه از تكنیكی موسوم به هیپربولیك (Hyperbolic) جهت تعیین مختصات هواپیما استفاده می شود. این سیستم براساس اندازه گیری تغییرات فاز روی فركانس كار می كند فركانس كار این سیستم
10-14KHZ می باشد و بعد از جنگ جهانی دوم هم پدید آمده است. به خاطر این كه روی فركانس پایین كار می كند تمام نقاط كور یا چاله های زمینی را پوشش می دهد. و دارای هشت ایستگاه فرستنده بر روی زمین می باشد ابتدا مصرف نظامی داشته و سپس مصارف تجاری آن نیز شروع شده است.

آخرین اطلاعات حاكی از آن است كه امروزه نیز این سیستم ناوبری بصورت تمام وقت كار خود را ادامه می دهد.

اطلاعاتی كه این سیستم برای خلبان فراهم می آورد عبارتند از:

1- تعیین موقعیت هواپیما به صورت مختصات طول و عرض جغرافیایی.

2- زاویه و مسافت هواپیما تا ده مقصد مختلف (Way Point)

3- مسیر واقعی پرواز (Cross Track)

4- زمان رسیدن به مقصد و سرعت هواپیما نسبت به زمین

5- اطلاعات مربوط به سمت و سرعت باد در پرواز.

2-2-2- DECGA

این سیستم نیز از تكنیك هیپربولیك (Hyperbolic) جهت تعیین مختصات هواپیما یا كشتی استفاده می كند.

ایستگاههای DECGA روی فركانس 12-70 KHZ به صورت دائم كار می كنند ایستگاههای فرستنده زنجیروار آراسته شده اند كه مرز زنجیر از یك ایستگاه اصلی (Master) با قابلیت عملكرد كنترلی و سه ایستگاه Slave كه سیگنالهایشان با ایستگاه اصلی قفل فاز شده اند تشكیل شده است. این سیستم انگلیسی است و طی جنگ جهانی دوم به وجود آمده است. ابتدا جهت استفاده در كشتی ها و ناوهای جنگی طراحی و ساخته شده بود و بعدها مصارف هوایی نیز پیدا كرد.

اطلاعاتی كه این سیستم در اختیار خلبان قرار می دهد عبارتند از:

1- تعیین موقعیت هواپیما به صورت مختصات طول و عرض جغرافیایی.

2- زاویه و مسافت هواپیما تا مقصد.

3- زمان رسیدن به مقصد و سرعت هواپیما نسبت به زمین.

2-2-3- LORAN : ( Lony ranye Navigation )

این سیستم دارای ایستگاههای اصلی ( Mastr ) و ثانویه ( Secondary )

است كه پالسهایی با دوره تكرار 25 یا 30 در ثانیه ارسال می كنند كه طول این پالسها 40 میكر ثانیه است گیرنده با دریافت این پالسها از دو ایستگاه ، موقعیت مكانی خود را به دست می آورد.

این سیستم روی فركانس 10-14 KHZ كار می كند و تقریبا پوشش جهانی دارد.

2-2-4- ANF                              ( Automatic Diretion Finder )

در این روش ایستگاههای رادیویی وجود دارند كه فركانس امواج آنها 200 تا 2000 كیلو هرتز می باشد. گیرنده با گرفتن این امواج جهت آن را ؟ می دهد و انسان را به سمت آن ایستگاه هدایت می كند.

 

2-2-5-   VOR                        ( VHF Omni Ranye Beo Con )

فرستنده این سیستم روی فركانس 112 تا 9/117 مگاهرتز كار می كند. و دقت این سیستم از ADF بیشتر است. گیرنده VOR جهت خود را تا فرستنده نسبت به شمال مغناطیسی پیدا می كند.

2-2-6-GPS                                  ( Positioniog System Global  )

سیستم GPS یك سیستم تعیین موقعیت ماهواره ایی است كه اطلاعات دقیق پیوسته و جهانی و سه بعدی از موقعیت و سرعت را در اختیار كاربرانی كه گیرنده GPS مناسبی در اختیار داشته باشند قرار می دهد. بخش فضایی GPS شامل 24 ماهواره است كه در 6 صفحه موازی با 4 ماهواره در هر مدار قرار گرفته اند.

در فصل چهارم این سمینار راجع به سیستم GPS و مبحث خطاها مفصل پرداخته خواهد شد.

2-3- محاسن ناوبری GPS به سیستمهای دیگر.

سیستم GPS به دلیل داشتن محاسن فوق العاده ای از قبیل دقت زیاد در مكان یابی و پوشش جهانی و قابلیت تعیین سرعت در سه محور و داشتن مینیمم خطای ممكن و غیره ، باعث گشته تا انتخاب اول برای هواپیماهای با سرنشین و بدون سرنشین و یا موشكهای دور برد باشد و حتی با گسترش امكانات این سیستم برای كاربران بسیاری از سیستم های ناوبری رادیویی كه توضیح داده شد عملا از رده خارج شوند.

2-4- نگاهی به كاربردهای GPS :

2-4-1- كاربرد GPS/INS در هدایت هواپیماها:

در طول پرواز به خاطر عوامل و یا عوامل مختلف دیگر ممكن است ارتباط گیرنده GPS با ماهواره ها قطع گردد و یا در كار سیستم GPS اختلال ایجاد شود در این صورت لازم است جهت جلوگیری از بروز حادثه و خارج شدن هواپیما از كنترل ، سیستم ناوبری كمكی وجود داشته باشد تا هدایت هواپیما را به عهده بگیرد و این كار تا جایی صورت گیرد كه هواپیما بدون مشكلی به مبدأ بازگردد . این سیستم ناوبری كمكی می تواند INS ( Intertial Navigation System ) باشد كه در این سیستم از سنسورهای و جایروها و شتاب سنجهای داخلی جهت ناوبری اتوماتیك استفاده می كنند.

پس از تشخیص عدم عملكرد صحیح GPS توسط واحد كنترلی، ناوبری از طریق قطب نما انجام می گیرد و واحد كنترلی مسیر پروازی را از روی اطلاعات دریافتی از قطب نما پیدا می كند. این كار بدین صورت انجام می كیرد كه در لحظه ای كه GPS قطع شد نرم افزار آخرین اطلاعات و ریتكال جایرو سایر سنسورها را دارد و با توجه به اینكه آخرین اطلاعات موقعیت هواپیما در لحظه قطع GPS در حافظه قرار دارد و اطلاعات موقعیت Way Point نیز در حافظه قرار داده شده و سرعت هواپیما نیز موجود می باشد زمان لازم جهت رسیدن به اولین Way Point بدست می آید. در این زمان نرم افزار هواپیما را آنقدر اصلاح می كند تا هدینگ هواپیما در راستای مناسب قرار بگیرد و به اندازة زمان محاسبه شده در همین جهت ادامه مسیر دهد تا به اولین Way Point تا زمانی كه GPS مجددا شروع به كار نماید انجام می گیرد و اگر در این مدت GPS شروع به كار نمود اطلاعات جدید دریافت شده و انحرافات بوجود آمده تا مسیر پروازی تصحیح می شود تا هواپیما بتواند مأموریت خود را انجام دهد در صورتی كه هواپیما به اولین W ay Point برسدو GPS همچنان از عملكرد صحیح بازمانده باشد. هواپیما عمل Homming را انجام می دهد و این بدین معنی است كه هواپیما در همان ارتفاع و به وسیله قطب نما به سمت مبدأ تغییر مسیر داده و به ایستگاه كنترل زمینی باز می گردد. لازم به توضیح است اگر در طی پرواز Homming ، GPS شروع به كار نماید هواپیما از حالت Homming خارج نشده و به پرواز در مسیر خود برای رسیدن به مبدأ ادامه می دهد.

از آنجاییكه INS بر اساس سنجش شتاب در سه راستای مختصاتی و سپس انتگرال گیری مجدد برای محاسبه موقعیت كار می كند. به دلیل این انتگرال گیری ها خطای INS جمع شونده و افزایش یابنده است. تنها می توان با به كار بردن جایروها و شتاب سنج های دقیق تر از نرخ این افزایش كاست ولی مسلما این روش به هزینة زیادمنجر می شود. این در حالی است كه خطای GPS تا حد زیادی اتفاقی است. بنابراین ب تركیب مناسب این دوسیستم می توان معایب هر دو را تا حد زیادی كاهش داد.

امروزه ناوبری هواپیماها با تركیبی از INS و GPS انجام می شود و بدین صورت مقدارهای ثابت انتگرال گیری INS به طور ادواری به كمك نتایج GPS تصحیح می شود. بنابراین با هر بار تصحیح ، خطای جمع شده INS تا آن لحظه صفر می شود .

به دلیل نرخ بالای تصحیح ( نوعا ) هیچ نیازی به INS های دقیق و گران نیست و بنابراین می توان از یك INS معمولی و ارزان برای تركیب با GPS استفاده كرد. این نوع ناوبری مخصوصا برای پروازهای طولانی كه در آنها قسمت اعظم مسیر خارج از پوشش را دارهای زمینی انجام می شود كه كارایی عالی دارد. به طور مثال استفاده از GPS در ناوبری هواپیماهای اقیانوس پیما تا 10 % از هزینة سوخت آنها می كاهد.

2-4-2 ) كاربرد GPS در هدایت دریایی:

در كشتی ها به دلیل سرعت نسبتا پایین حساسیتی نسبت به پیوسته نبودن نتایج GPS در محور زمان وجود ندارد. علاوه براین به دلیل فقدان سوانح ؟ ، مشكلات چند مسیر شدن سینگنال ماهواره و نیز ماسك شدن آن وجود ندارد. پس GPS می تواند به تنهایی ناوبری كشتی ها را انجام دهد. در این صورت باز هم در مسیرهای طولانی و اقیانوسی كشتی قادر خواهد بود مسیر خود را به دقت بپیماند و در زمان مسافرت و سوخت صرفه جویی كند.

2-4- 3- كاربرد GPS در تعیین زوایای وضعیتی وسایل نقلیه:

با قراردادن چند گیرنده GPS در نقاط مختلف یك وسیله نقلیه مثل كشتی ، می‌توان در هر لحظه زوایه های بین محل این گیرنده ها را حساب كرد.

2- 4- 4- تعیین موقعیت ماهواره های كوچك با ارتفاع پایین

دیگر برای مكان یابی این ماهواره ها نیازی به روشهای گران و پردردسر ردیابی و تعقیب زمینی نیست . این ماهواره ها می توانند ماهواره های جاسوسی، هواشناسی یا نقشه برداری باشند كه نتایج آنها بدون معلوم بودن مكان ماهواره ها در لحظه تهیه اطلاعات ارزش چندانی ندارد. و تفسیر صحیح نتایج آنها ، منوط به تطبیق آنها برنقشه های جغرافیایی مسطح زمین است. این ماهواره های می توانند از GPS برای تعیین و ثبت محل دقیق گرفتن هر كدام از عكس ها استفاده كنند.

2-4-5- كاربرد در نقشه برداری:

یكی از كاربردهای مهم غیر نظامی GPS استفاده از‌ آن در نقشه برداری است.

در سد سازی در معدن كاوی و راه سازی و غیره GPS می تواند هزینه های اجرایی طرح را تا حد زیادی كاهش دهد. GPS با ایفای نقش در تهیه نقشه های بسیار دقیق برای سیستم های اطلاعات جغرافیایی ، سهم مهمی در مینیمم شدن طول جاده ها و مسیرها و تعیین دقیق محل معدن ها و غیره دارد.

علت استقبال از GPS در نقشه برداری این است كه GPS بر خلاف سیستم های قبلی برای مكان یابی به جای روش داپلر سنجی از روش تداخل ؟ كه بسیار دقیق تر است استفاده می كند. GPS در تهیه نقشه های هوایی و جایابی دقیق عكس های هوایی نقش مهمی را ایفا می كند.

2- 4-6- كاربرد در مصارف نظامی:

بیشترین كاربرد GPS در مصارف نظامی است . به كمك GPS دیگر هیچ دسته نظامی در هیچ محیط جغرافیایی ناآشنا گم نمی شود. در برخی از گیرنده های GPS ، می توان مسیر عملیاتی یك واحد را از قبل در حافظه دستگاه وارد كرده و حداكثر انحراف مجاز از مسیر را نیز مشخص كرد. در این صورت خروج از دالان مجاز، هشدار می دهد. با این روش می توان محل میدان های مین شناسایی شده را از قبل در حافظه دستگاه وارد كرد تا از هر گونه اشتباه مرگبار جلوگیری شود. علاوه بر واحدهای زمینی، از موشكهای بالستیك گرفته تا هواپیماهای بدون سرنشین و تا بمبهای هوشمند، اهداف خود را با GPS سریع تر ، دقیق تر و ارزان تر پیدا می كنند.

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