این محصول در قالب ورد و قابل ویرایش در 250 صفحه می باشد.
مقدمه
از زمان ماقبل تاریخ مردم سعی می کردند یک راه قابل اطمینان پیدا کنند که به آنها بگوید کجا هستند و حتی آنها را به جاییکه می روند راهنمایی کرده و سپس به خانه بازگرداند. مردمان غار نشین وقتی که برای تهیه غذا به شکار می رفتند احتمالا از سنگها و شاخه های کوچک برای علامت گذاری مسیر خود استفاده می کردند . ملوانان نیز ابتدا سواحل را به دقت دنبال می کردند تا از گم شدنشان جلوگیری کنند.
وقتی دریانوردان اولیه در دریاهای باز(اقیانوسها ) کشتیرانی کردند ، دریافتند که می توانند مسیر خود را با دنبال کردن ستاره ها ترسیم کنند. فنیقیهای باستان از ستاره شمالی برای سفر به مصر و جزیره کرت استفاده می کردند. بر طبق گفته الهه آتنا به اودیسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزیره کالیپسو" دب اکبر را سمت راست خود قرار بده". متاسفانه برای اودیسه و دیگر دریانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب های صاف قابل رویت هستند.
پیشرفت مهم بعدی در امر ناوبری کشف قطب نمای مغناطیسی و دستگاه زاویه یاب (sextant ) بود. عقربه قطب نما همیشه نقطه شمالی را نمایش می دهد، بنابراین همیشه دانستن جهت مسیری که در آن حرکت می کنیم را ممکن می سازد.
روند گسترش شهرها و مقوله شهر نشینی وپیامدهای ناشی از آن مدیریت و برنامه ریزی امورشهری ساماندهی وضعیت شهرها و نیز خدمات مورد نیاز شهروندان را بسیار پیچیده کرده است . ترافیک سنگین درون شهری عدم امداد رسانی به موقع در شرایط بحران بی نظمی در وسایل حمل و نقل عمومی و عدم برنامه ریزی صحیح در جهت کارکرد منظم آنها برای ارائه خدمات بهتر به شهر نشینان و مواردی از این قبیل از دغدغه های مهم مدیران و برنامه ریزان می باشد . در کشورهای رشد یافته و نیز در حال رشد با بهره گیری از تکنولوژیهای به روز و جدید توانسته اند بر بعضی از مشکلات فوق فائق آیند و بتوانند در جهت برنامه ریزی وحل مشکلات قدمهای مهمی بردارند. با ظهور فناوری ماهواره ای و مخصوصا سیستمهای تعیین موقعیت ماهواره ای همچون GPS افق جدیدی در حل بسیاری از مشکلات پیش روی بشر در این زمینه گشوده شده است . در گذشته امکان تعیین موقعیت نقاط در یک سیستم متمرکز و با دقت بالا آرزوی بشر بود ولی این آرزو غیر ممکن می نمود .اما با ورود ماهواره های GPS به عرصه تعیین موقعیت جهانی دستیابی به بسیاری از مجهولات در رشته های مختلف علمی فراهم شد. امروزه می بینیم که این سیستم در بسیاری از شاخه های مختلف علوم بخصوص در زمینه ناوبری خودرویی و حمل و نقل گسترش یافته است .بحث استفاده از GPS در حمل و نقل شهری در بعضی از کشورهای پیشرفته امری است که در سالهای پیش شروع شده است و روند رو به گسترشی را ادامه می دهد . در این تحقیق نتایج بررسی های انجام شده در رابطه با صنعت ناوبری در کشورهای مختلف جهانی ارائه گردیده است . بررسی دستاوردهای این کشورها در زمینه بکارگیری GPS می تواند در حل مشکلات کشورمان تا ثیر بسزایی داشته باشد .
امروزه در اکثر کشور های پیشرفته از سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای جهانی GPS جهت افزایش بهره وری در حمل ونقل شهری استفاده می شود . در اروپا تاکسی های مجهز به این سیستم قادرند در کوتاه ترین زمان به مشتری سرویس دهند و حتی قبل از حرکت به سوی مقصد با بررسی کلیه مسیرهای ممکن و موانع و امکانات موجود در مسیر هزینه مسافر را محاسبه و به مشتری اعلام نمایند. ضمن اینکه تا کسی ها در مواقع اضطراری قادرند تا با گزارش لحظه به لحظه و اتوماتیک موقعیت خود پلیس و یا نیروهای امدادی را در رسیدن به موقعیت خود یاری نمایند. کامیونها یی که به صورت ترانزیتی عمل می کنند در هر کجای دنیا که باشند توسط صاحب کالا و یا بیمه کننده کالا مورد نظارت قرار می گیرند و هر گونه تخلفی اعم از خروج از مسیر سرعت غیر مجاز باز شدن غیر مجاز درب کانتینرها و.... از چشم مامورین نظارت دور نمی ماند. مکانیزه شدن سیستم حمل و نقل ریلی دیگر چیز تازه ای نیست مدتهاست که در کشورهایی همچون آلمان مرکز کنترل مرکزی ر اه آهن با مغز های الکترونیکی خود کار سوزن بانان خسته وخواب آلود را انجام می دهد. اکنون پلیس با کمک این سیستم علاوه بر اینکه قادر است در داخل خودروی خود موقعیت خود را بر روی نقشه های نجومی مشاهده نماید و بهترین مسیرها را برای انجام عملیات برگزیند قدرت مانور فوق العاده ای به سبب نظارت فرماندهی پیدا کرده است خودروهای امدادو آتش نشانی به مدد این سیستم در کمترین زمان ممکن به یاری نیازمندان می شتابند و خودروهای خدمات شهری بهترین سرویس را به مشتریان ارائه می نمایند.
همواره یکی از نیازهای بشر امر موقعیت یابی و تعیین دقیق مکان جغرافیایی خویش و احیانا زمان دقیق بوده است. این امر بویژه در ناوبری از جمله کشتیرانی و در دهه های اخیر هوابیمایی اهمیت قابل توجه داشته است. در ناوبری که بطور خلاصه علم راهبردی یک شخص یا یک وسیله از یک مکان به دیکر است از روشهای گوناگونی استفاده می شود که آخرین دستاورد تکنولوژی در این زمینه سیستم GPS است.
ناوبری از طریق رویت دقیق ستارگان و شناخت دقیق منطقه نسبتا کوچکی انجام می گرفت که نسل به نسل منتقل می شد. اختراع قطب نما کشف مهمی بود زیرا مسافران با آن جهت یابی می کردند اما به تنهایی نمی توانست موقعیت فرد را تعیین کند. ارتفاع سنج و زاویه یاب نیز دورنمای جدیدی را در زمینه سیر و سفر گشودند.در ناوبری به کمک ستارگان به تجربه و تمرین نیاز داشت دقت آن نیز حدود یک مایل بود و در هوای نامساعد هیچ نوع جهت یابی امکان پذیرنبود تمام این موانع با استفاده از امواج رادیویی بر طرف شد .
لوران اولین سیستم ناوبری بود که در تمام شرایط آب و هوایی می توانست کار کند. این سیستم توسط مؤسسه تکنولوژی ماساچوست امریکا ساخته شد و در طول جنگ جهانی دوم برای هدایت نیروهای متحدین استفاده گردید .
بعد از جنگ جهانی سیستم OMEGA برای پوشش دادن بخش بزرگتری از سطح کره زمین طراحی شد از فرکانس های پایین تری برای ایجاد شبکه فراگیر استفاده می کرد ولی دقتش نسبت به سیستم قبلی کم شده بود .این سیستم های ناوبری اصول کارشان بر اساس چهار ایستگاه زمینی بود که یک ایستگاه به عنوان ایستگاه اصلی و سه ایستگاه دیگر به عنوان ایستگاههای وابسته در نظر گرفته می شدند تعداد زیادی از این ایستگاهها بر سطح زمین نصب شده بودند هر کدام از این ایستگاهها فرکانس خاصی را ارسال می کردند .این فرکانس ها توسط گیرنده ها دریافت می شد و گیرنده با انجام محاسبات ناوبری می توانست موقعیت خود را تعیین نماید. به استثنای سیستم OMEGA که بخش زیادی از کره زمین را پوشش می داد سیستم های ناوبری دیگر به صورت محلی می کردند از طرفی سیستم OMEGA دقت پایینی داشت.بنابراین نیاز به یک سیستم تعیین موقعیت جهانی که تمام کره زمین را پوشش دهد و دارای دقت کافی نیز باشد احساس می شد .
بعد از پرتاب موشک SPUTNK-1 توسط شوروی سابق در سال 1957 این نظریه اثبات شد که موقعیت ماهواره را می توان با استفاده از شیفت دوپلر فرستنده ی رادیویی به دست آورد و بنابراین اگر موقعیت ماهواره مشخص باشد می توان موقعیت های زمینی را نیز با اندازه گیری شیفت دوپلر به دست آورد .
در طی این مطلب ایالات متحده یک ماهواره ناوبری که TRANSITA نام گرفت را در سپتامبر 1959 پرتاب کرد که به خاطر ظرفیت باربری پایین در مدار قرار نگرفت .
کوشش های بعدی برای مستقر کردن ماهواره های TRANSIT در سال های 1960 و 1961 موفقیت آمیز بود در اواسط سال 1962 نیروی دریایی ایالات متحده از این سیستم برای زیردریایی های حامل موشک بالستیک استفاده کرد.ارتش ایالات متحده اولین ماهواره موقعیت یابی و ناوبری را تحت SECORE-1 در سال 1964 به فضا پرتاب کرد 7ماهواره ی مربوط به این سیستم ناوبری در سال 1965 و 1966 در مدار مستقر گردید .
عیب سیستم TRANIT این بود که فقط شش ساعت در شبانه روز در هر موقعیت در کره زمین قابل دسترس بود. بنابراین تلاش برای افزایش تعداد ماهواره ها آغاز شد و تا انتهای سال 1990 بیش از 30 ماهواره پرتاب شد که 24 عدد آن در مسیرهایی دور کره زمین قرار گرفتند.
این ماهواره ها در شش صفحه مداری که در هر چهار ماهواره قرار دارد مستقر شدند این سیستم به NAVSTAR مشهور است.شروع به کار این سیستم در هشتم دسامبر 1993اعلام گردید(وقتی که 24 ماهواره GPS آماده بهره برداری شد ). تمام ماهواره ها در مدارهایی با ارتفاع 20180 کیلومتر بالای سطح زمین قرار گرفتند .
نوع سیستم
ذقت
برد
لوران C
90 تا 18 متر
1000 تا 1500 متر
DECCA
در روز 27 متر و در شب 90 متر
1600 کیلومتر
OMEGA
3700 تا 7500 متر
کل سطح زمین
TRANSIT
35 متر
کل سطح زمین (هر نقطه 6 ساعت در شبانه روز)
NAVSTAR
17 تا 100
کل سطح زمین (24 شبانه روز)
همزمان با اجرای سیستمNAVSTAR فاز اول استقرار GLONASS در سال 1982 با پرتاب COSMOS 1414 توسط شوروی سابق شروع گردید .پرتاب موشکها در طول سالهای 1982 تا 1990 برای کامل کردن قسمت فضایی سیستم شامل 24 ماهواره (3 مدار ودر هر مدار هشت ماهواره )ادامه یافت. مدارهای دایره ای در ارتفاع 19100 کیلومتر زاویه های فراز 65 درجه و پریود زمانی 25/11 ساعت قرار گرفتند.
فصل اول
1-GPS چیست؟
سیستم مکان یابی جهانی (global positioning system ) یک سیستم هدایت (ناوبری ) ماهواره ای است و تنها سیستمی می باشد که امروزه قادر است، موقعیت دقیق شما را بر روی زمین در هر زمان ، در هر مکان و در هر هوایی مشخص کند. این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات اتحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند. اولین ماهواره GPS در سال 1978 یعنی حدود 35 سال پیش در مدار زمین قرار گرفت. این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال 1980 استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد و سرانجام در سال 1994 شبکه ای شامل 24 ماهواره تشکیل گردید که امروزه تعداد آنها به 28 عدد رسیده است.
خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعت شبانه روز در دسترس است. پدید آورندگان این سیستم ، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن رایگان است.
دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد. این سیستم از سال 1983 با پرتاب نخستین ماهواره GPS آغاز به کار نمود. با روی کار آمدن سیستم GPS تمام سیستم های قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای از قبیل دوربین های بالستیک، داپلر، SECOR,LONG-C,LLR,
SLR,N.N.S.S به تدریج از دور خارج شدند. GPS یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد، زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه و باران و نزولات جوی ) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول 24 ساعت شبانه روز فعال است و در هر زمان و در هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.
روسها نیز سیستمی مشابه GPS با نام GLONASS دارند که البته از نظر کارآیی و توان عملیاتی در حال حاضر به پای سیستم GPS نمی رسد. البته گیرنده های مشترک GPS-GLONASS در حال حاضر در بازار ایران یافت می شوند در ضمن اتحادیه اروپا نیز در حال ساخت یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای با نام گالیله می باشد که طبق پیش بینی ها تا سال 2008 آماده بهره برداری و استفاده عموم خواهد شد. طبق ادعای اتحادیه اروپا محدودیت های موجود در سیستم GPS در گالیله وجود نخواهد داشت.
GPS یا ( سیستم تعیین موقعیت نسبت به زمین ) یک سیستم استقرار مبتنی بر .constellation حدود 24 ماهواره است که در ارتفاع حدود 11000 مایل در مدارهایی به دور زمین حرکت می کنند جی پی اس ابتدا توسط وزارت دفاع امریکا بوجود آمد چون بعنوان ابزار نظامی کاربردهای جدی داشت. سرمایه گذاری وزارت دفاع امریکا درامر جی پی اس وسیع بود.میلیونها دلار برای ایجاد این تکنولوژی در جهت کاربردهای نظامی در سرمایه گذاری هزینه شد. به هر حال طی چند سال اخیر نشان داده شد که جی پی اس ابزاری سودمند به عنوان کاربردهای نقشه برداری غیر نظامی نیز می تواند داشته باشد . ماهواره های جی پی اس در مدارهایی با ارتفاع بالا به طوریکه از مشکلات مربوط به سیستم های مستقر در روی زمین به دور باشند قرار داده می شوند با وجود آن می توان موقعیت آنها را در همه 24 ساعت و در هر جای جهان بطور دقیق تعیین نمود . موقعیت های اصلاح نشده که از سیگنالهای ماهواره جی پی اس بدست آمده دقت هایی در حد 50 تا 100 متر را شامل می گردد. زمانی که از روش هایی بنام اصلاح تفکیکی (1) استفاده شود کاربران می توانند به موقعیت هایی با دقت 5 متر یا حتی کمتر هم برسند .
چون دستگاههای جی پی اس در حال کوچکتر شدن و در عین حال ارزانتر شدن هستند کاربردهای بیشتری نیز برای جی پی اس در نظر گرفته می شود . در کابری حمل و نقل جی پی اس به رانندگان و خلبانان کمک می کند تا موقعیت خود را تشخیص داده و از تصادم جلوگیری کنند . کشاورزان می توانند از جی پی اس برای راهبری دستگاهها و کنترل توزیع دقیق کود پاشها و مواد شیمیایی دیگر بهره گیرند .
GPS recreationallt در امر تعیین موقعیت های دقیق و بعنوان ابزار ناوبری برای HIKERS ، شکارچیان و قایقرانان نیز مورد استفاده دارد .
بسیاری به این استدلال رسیده اند که جی پی اس بزگترین کاربردش را در زمینه سیستم های اطلاعات جغرافیایی (جی پی اس ) دارد . با در نظر گرفتن احتمال خطا ، جی پی اس می تواند هر نقطه ای را در زمین با آدرسی منحصر بفرد نشان دهد ( موقعیت دقیق آن را)
یک جی پی اس اساسا یک بانک اطلاعاتی تشریحی از زمین است ( یا یک قسمت ویژه از زمین ). جی پی اس به شما می گوید در موقعیت x, y ,z هستید در حالیکه GIS به شما اعلام می کند کهx,y,z یک درخت بلوط یا نقطه ای در stream با سطح 5.4 ph است . جی پی اس به ما " کجا" را اطلاع می دهد و GIS "چه" را .
GPS/GIS روشی را که ما مستقر می نماییم تغییر حالت داده و سازماندهی و آنالیز می نماید و از منابع ما نقشه برداری می نماید.
1- Differential correction
2-trilateration
چگونه جی پی اس یک موقعیت را تعیین می نماید در یک nutshell ، جی پی اس مبتنی بر دامنه ماهواره است که مسافت های بین گیرنده و موقعیت 3 ماهواره دیگر یا بیشتر (4 ماهواره یا بیشتر در صورت انتخاب ارتفاع بالاتر ) را محاسبه می کند و سپس از ریاضیات کاربردی قدیمی استفاده شود. با فرض معلوم بودن محل ماهواره ها ، محل گیرنده را می توان با تعیین فاصله هر ماهواره با گیرنده محاسبه نمود . جی پی اس این 3 عدد مرجع یا بیشتر را جهت مخاسبه فواصل بکار برده موقعیت های جدید را triangulate می نماید.
بعنوان مثال تصور کنید از شما خواسته شده از یک موقعیت ثابت بر اساس چند clue که من مایلم به شما بدهم موقعیت من را بیابید . ابتدا من به شما اطلاع می دهم که 10 مایل از منزل شما فاصله دارم شما خواهید فهمید که من در جایی روی سطح کره ای قرار دارم که شعاع آن 10 مایل و مرکز آن منزل شما است. با این اطلاعات ناقص شما به سختی می توانید موقعیت من را تشخیص دهید چون بی نهایت نقطه روی کره مزبور قرار دارد . سپس به شما خواهم گفت که درست در 12 مایل سوپر مارکتabc قرار دارم . در این حالت شما می توانید کره دومی را تعریف نمایید که مرکز آن سوپر مارکت مذکور بوده و 12 مایل شعاع دارد . شما پی می بریدکه موقعیت من در جایی در محل تقاطع دو کره است اما باز نقاط بسیاری در این تقاطع وجود دارد . افزودن کرات دیگری سبب کاهش نقاط می شود و احتمال تعیین موقعیت من را زیاد می کند . در حقیقت یک فاصله و مرکز سوم ( مثلا من در 8 مایلی ساعت بزرگ شهر قرار دارم ) موقعیت های احتمالی را به تنها 2 نقطه کاهش می دهد . با اضافه کردن یک کره یا بیشتر ، شما می توانید موقعیت دقیق من را pin point کنید . در حقیقت کره چهارم ممکن است لازم نباشد . یکی از اطلاعات فوق ممکن است مفید نبوده و لذا حذف شود .
برای مثال ، اگر اطلاع دهم که بالاتر از سطح قرار دارم شما می توانید همه نقاط منفی را حذف نمایید . با استفاده از ریاضیات و کامپیوتر ما می توانیم نقطه دقیق را تنها با 3 ماهواره تعیین نماییم
شکل1-1
با این مثال ، برای ما مشخص می شود که سه مورد اطلاعات زیر را جهت تعیین موقعیت دقیق نیاز دارید
A) موقعیت دقیق سه یا چهار نقطه تعیین شده چیست؟ ( ماهواره های جی پی اس )
B) فاصله بین نقاط تعیین شده و محل گیرنده جی پی اس چقدر است؟
1-1-قسمتهای مختلف سیستم موقعیت یاب جهانی GPS
بطور کلی ناوبری ماهواره ای عبارتست از استخراج پارامترهای ناوبری مانند موقعیت وسرعت با استفاده از علائم و امواج رادیویی که از طریق ماهواره ها ارسال می گردد . همانگونه که قبلا اشاره شد در حال حاضر دو سیستم ناوبری مستقل از یکدیگرتحت عناوین GPS و GLONASS که اولی یک سیستم امریکایی و دومی سیستم روسی است در حال کار می باشند. هر دو سیستم دارای قابلیتهای بسیار قابل توجهی در تعیین موقعیت جغرافیایی مورد نیاز تعداد نا محدودی کاربر بصورت تمام وقت و در شرایط مختلف جوی در سراسر کره زمین هستند. اساسا یک سیستم ناوبری ماهواره ای دارای سه بخش اصلی شامل بخش فضایی بخش کنترل زمینی و بخش کاربران است.
شکل1-2
1-1-1-بخش فضایی (space segment )
بخش فضایی سیستم عبارت از ماهواره های GPS است. این وسایط فضایی (مخفف ) سیگنالهای رادیویی را از فضا پخش می کنند.
مجموعه عملیات GPS نامی عبارت از 24 ماهواره است که طی 12 ساعت زمین را دور می زنند.
معمولا بیش از 24 ماهواره عملیاتی وجود دارد چون تعداد جدیدی پرتاب می شوند تا جایگزین ماهواره های قدیمی تر شوند. مدارات ماهواره ها تقریبا همان خط سیر (ground track) را روزانه یک بار تکرار می کنند ( چون زمین در پایین آنها می چرخد). ارتفاع مدار به گونه ای است که ماهواره ها همان خط سیر و ترکیب بندی را روی هر نقطه بطور تقریبی هر 24 ساعت تکرار می نمایند . ( 4 دقیقه زود تر در هر روز ). شش صفحه مداری وجود دارد (که در هر یک چهار SV وجود دارد ) و این صفحت با هم دارای فواصل مساوی بوده (60 درجه بین آنها ) و دارای زاویه میل 55 درجه نسبت به صفحه EQUATORIAL می باشند این مجموعه بین 5 تا 8 ماهواره واقع در دید از هر نقطه زمین را برای استفاده کننده فراهم می نماید
بخش فضایی GPS از 24 ماهواره تشکیل شده است. ماهواره های منظومه GPS-24 در شش صفحه مداری که هر کدام از این صفحات شامل چهار ماهواره هستند ، واقع شده اند . پریود چرخش ماهواره ها در مدار ، 12 ساعت نجومی است(ساعت نجومی به اندازه چهار دقیقه کوتاهتر از ساعت خورشیدی است) و نصف قطر بزرگ مدار 26561/75 کیلومتر وارتفاع مدار بر روی استوا 20183/6 کیلومتراست.
شکل 1-3
از مهمترین پارامترهای منظومه ماهواره ای GPS برای گیرنده های زمینی در امر ناوبری ، تعداد ماهواره های قابل دید و محدوده جابجایی داپلری آنها می باشد. برای موقعی یابی و ناوبری ماهواره ای ، رویت حداقل چهار ماهواره در یک زمان ضروری می باشد و برای دقیق و بهتر شدن ناوبری ، ماهواره های قابل رویت بیشتر کارسازتر است . بطوریکه هرگاه یک ماهواره از افق دید گیرنده خارج شود، ماهواره دیگر در افق دید باشد که بلافاصله گیرنده با آن ارتباط برقرار کند. نحوه چیدن ماهواره های این سیستم بگونه ای است که دقیقا این شرط را بر آورده می سازد.
اگر تعداد T ماهواره در P صفحه مداری بطور یکنواخت و در مدارات دایره ای قرار گرفته باشند و زاویه میل هر صفحه مدار i باشد ، در هر صفحه تعداد T/P ماهواره بطور یکنواخت قرار خواهند داشت و هر واحد فاز نسبی (F )بین ماهواره ها در صفحات مجاور 360/T درجه خواهد بود.
شکل 1-4
یعنی اگر یک ماهواره از یک صفحه مداری در یک لحظه از صفحه استوا بگذرد و به سمت شمال در حرکت باشد ، اولین ماهواره در صفحه مجاور در زاویه F (360/T )زیر صفحه استوا خواهد بود. با این توضیحات می توان یک منظومه را با پارامترهای ( T.P.F ) توصیف نمود. میزان پوشش دهی سطح زمین توسط یک منظومه ماهواره ای را می توان با محاسبه حداکثر زاویه جدایی بین ماهواره هایی که در یک مخروط به مرکزیت زمین قرار دارند (تعداد N ماهواره )بدست آورد . در مخروطی که شامل N ماهواره می باشد ، زاویه مرکزی را برابر درجه می گیریم که توسط کمینه زاویه مجاز فراز E کاربر تعیین می شود .
تعداد ماهواره های قابل رویت N ، در هر لحظه باید برای تمامی کاربران ثابت بماند . برای یک منظومه 24 ماهواره ای با شش صفحه مداری و زاویه میل 57 درجه ، اگر گیرنده قادر به دریافت سیگنال از ماهواره ای که زاویه فراز مربوط به آن 7 درجه است باشد، پوشش دهی جهانی با حداقل رویت پذیری شش ماهواره امکان پذیر خواهد بود. در این حالت بیشینه زاویه مرکزی جدایی بین ماهواره های قابل رویت می باشد . میدان دید هر ماهواره که در واقع زاویه پوشش دهی آنتن ماهواره می باشد ، برای منظومه GPS-24 برابر 13/87 درجه است این زاویه توسط رابطه زیر بر حسب E ،زاویه فراز ، بیان می گردد.
(1-1)
:شعاع زمین :ارتفاع پرواز ماهواره
برای ماهواره ای که طول و عرض جغرافیایی نقطه نادیر ومی باشد ، طول و عرض جغرافیایی گیرنده ای که در مرز ناحیه تحت پوشش دهی آن قرار دارد از رابطه زیر بدست می آید :
(1-2) =عرض جغرافیایی
(1-3) =طول جغرافیایی
در رابطه فوق b زاویه پارامتری ، بین است.
پنج نوع سری ماهواره های GPS به نامهای بلوک I ،بلوک II ،بلوک IIA ، بلوکIIR ،بلوک IIF وجود دارند. یازده تا از ماهواره های I (که دارای وزن 845 بودند) توسط JPO در فاصله زمانی بین 1978 تا 1985 ، از مرکز واندنبورگ کالیفرنیا در مدار قرار گرفتند. امروزه اکثر ماهواره های این بلوک خاموش شده اند این ماهواره های خاموش در مواقع نیاز برای تستهای علمی بکار می روند. صورت فضایی بلوک II با بلوک I متفاوت است زیرا در این بلوک شیب نقشه مداری ماهواره ها از 55 درجه به 63 درجه تغییر یافته است ، بدین جهت که بتوانند تمام ماهواره ها را در آسمان امریکا کنترل کنند . فرق دیگر این بلوک در این است که سیگنال تمام ماهواره های بلوک I در اختیار عموم بوده ولی در دریافت سیگنالهای بلوک II محدودیت وجود دارد. اولین ماهواره بلوک II که ارزشی برابر 50 میلیون دلار با وزن 2500 کیلو داشت در چهارده فوریه سال 1989 از مرکز فضایی کندی در فلوریدا توسط راکت دلتا II پرتاب شد .
ماهواره های بلوک IIA (که A اشاره به برتری دارد) به صورت قابلیت مخابره دو طرفه تجهبز شده اند. بلوک IIR از سال 96 در مدار قرار گرفته و دارای حداقل 10 سال عمر مفید می باشد این ماهواره ها از ساعتهای اتمی دقیقتر استفاده می کنند. ساخت ماهواره های بلوک IIF از سال 2002 آغاز شده و تا سال 2010 ادامه دارد، این ماهواره ها نیز حداقل دارای 10 سال عمر مفید هستند . در این ماهواره ها از امکانات اضافی همچون سیستم ناوبری اینرسی استفاده شده است.
1-1-2-سیگنال ماهواره ها
SV با دو نوع سیگنال حامل میکروویو منتشر می نمایند. فرکانس (42/1575 مگاهرتز) پیامهای رهیابی و سیگنالهای کد SPS را حمل می نماید. فرکانس (60/1227 مگاهرتز)برای اندازه گیری تاخیر یونسفر بوسیله گیرنده های مجهز به PPS می باشد.
شکل 1-5
سه کد دوتایی فازهای حامل را جابجا می نمایند.
1-کد C/A (coarse acquisition ) فاز حامل را مدوله می نماید. کد C/A یک کد یک مگاهرتزی (PRN ) pseudo random noise تکرار شونده است . این کد شبه نویز سیگنال حامل را مدوله می نماید و طیف را روی پهنای باند یک مگاهرتز گسترش می دهد . کد C/A هر 1023 بیت (معادل یک میلی ثانیه ) تکرار می شود. یک کد C/A PRN مختلف برای هر SV وجود دارد. ماه.اره های GPS معمولا با شماره PRN آنها شناخته می شوند که یک شاخص برای هر کد PRN است. کد C/A که حامل را مدوله می نماید کد مبنا برای SPS غیر نظامی است.
2- کد P ( Precise ) هم فاز حامل و هم فاز حامل را مدوله می نماید. کد P یک کد PRN خیلی طولانی (7روزه) با فرکانس 10 مگاهرتز است. در حالت عملی AS ایمنی (spoofing-anti-) کد Pدر کد Y رمز گذاری می شود . کد Y رمز گذاری شده به یک مدول AS کلاسه بندی شده برای هر کانال گیرنده نیاز دارد و فقط توسط کاربران مجاز با کلیدهای رمز خوان قابل استفاده است. کد P یا Y پایه ای برای PPS است.
پیام رهیابی همچنین سیگنال کدC/A - را مدوله می نماید. پیام رهیابی یک سیگنال 50 هرتزی شامل بیت های اطلاعاتی است مدارهای ماهواره GPS ، اصلاحات ساعت و دیگر پارامترهای سیستم را تشریح می نماید.
شکل 1 -6
-اطلاعات GPS
پیام رهیابی GPS شامل بیت های اطلاعات مرتبط با زمان انتقال هر ریز فریم (sub frame ) در زمانی که بوسیله SV منتشر می شوند مشخص می کند. یک فریم بیت اطلاعات شامل 1500 بیت بخش بر پنج ریز فریم su 300 بیتی است یک فریم اطلاعات هر 30 ثانیه منتشر می شود 3 ریز فریم 6 ثانیه ای شامل اطلاعات مداری و ساعت است. اصلاحات ساعت SV به ریز فریم شماره یک ارسال شده و اطلاعات مداری دقیق SV (پارامترهای ephemeris )از SV انشار کننده به ریز فریم های 2و3 فرستاده می شوند. ریز فریم های 4و5 برای انتشار صفحات مختلف اطلاعات سیستم بکار می روند.
یک سری کامل 25 فریم (125 ریز فریم ) پیام رهیابی کامل را تشکیل می دهد که طی 5/12 دقیقه ارسال می شود .
فریم های اطلاعات (1500 بیت) هر 30 ثانیه ارسال می شوند. هر فریم شامل 5 ریز فریم است .
ریز فریم های بیت اطلاعات (300 بیت منتشر شده در 6 ثانیه) شامل جفت بیت هایی هستند که چک کردن و اصلاح خطای محدود را مهیا می کند.
پارامتر های اطلاعات ساعت ، ساعت SV را و رابطه آنرا با زمان GPS شرح می دهد.
پارامتر های اطلاعات ephemeris مدارات SV را برای قسمتهای کوتاه مدار ماهواره تشریح می کند . معمولا یک گیرنده هر ساعت اطلاعات جدید EPHEMERIS را جمع آوری می کند ولی می تواند اطلاعات قدیمی را تا 4 ساعت بدون خطای بیشتر مورد استفاده قرار دهد . پارامترهای ephemeris با الگوریتمی استفاده می شوند که موقعیت SV را برای هر زمان در طول دور زدن مدار که توسط مجموعه پارامترهای ephemeris تعریف شده محاسبه نماید.
Almanac ها پارامترهای تقریبی اطلاعات مدار برای همه SV ها هستند. Almanac های 10 پارامتری مدارات SV را در زمانهای اضافی (قابل استفاده در چند ماه برای مواقعی)تشریح نموده و یک مجموعه از آنها برای تمام SV ها توسط هر SV در زمانی بمدت 5/12 دقیقه (حداقل) فرستاده می شود
زمان گرفتن سیگنال در موقع شروع بکارگیرنده را می توان بطور مشخصی با حضور almanac ها ی جاری (current ) متناسب تر نمود. اطلاعات مداری تقریبی را می توان برای تنظیم اولیه گیرنده با موقعیت تقریبی و فرکانس داپلر حامل هر یک از SV های موجود در مجموعه بکار برد(تغییر فرکانسی که بوسیله میزان تغییر در دامنه به سمت SV در حال حرکت ایجاد می شود)
هر مجموعه اطلاعات کامل SV شامل مدل یونسفری است که در گیرنده استفاده می شود تا تاخیر فاز در یونسفر در هر مکان و زمان را مشابه سازی نماید .
هر SV مقداری را می فرستد که زمان GSP بر حسب آن از زمان مختصات شده جهانی offset باشد(universal coordinated time )- این اصلاح می تواند توسط گیرنده برای تنظیم UTC به 100 نانو ثانیه بکار رود .پارامترهای دیگر سیستم و پرچم ها (FLAGS )که جزئیات سیستم را مشخص می نمایند ارسال می شوند.
دقت سیستم خیلی به این وابسته است که ترکیب سیگنالها دقیقا با ساعتهای اتمی کنترل شود. ماهواره های بلوک II دارای چهار ساعت استاندارد روی خود هستند که دو تا از این ساعتها رابیدیوم و دو تا سزیم هستند.
شکل 1-7
به علت پایداری فرکانسی خیلی زیاد ، خطا در این ساعتها تا در هر روز است. در ماهواره های بلوک IIR ساعت از نوع هیدروژنی است ، که پایداری در محدوده تا در هر روز است. ساعتهای اتمی اساس کارشان در قابلیت اتم برای نوسان کردن می باشد که از تغییرات حالت انرژی کوانتومشان استفاده می کنند.
فرکانس پایه سیگنالهای ماهواره ای GPS ،10/23 MHZ است. با ضرب کردن این فرکانس در 120 و 154 دو فرکانس حامل وبوجود می آیند.
بنابراین اطلاعات ناوبری از هر ماهواره (SV = satellite vehicle )
در دو فرکانس در باند L انتقال داده می شود. در سیگنالهای حاصل دارای طول موج 19 سانتیمتر و دارای طول موج 24/5 سانتیمتر می باشند.
برای داشتنم گیرنده کوچک نیاز به داشتن آنتهای ک.ک داریم و لذا باید با سیگنالهای خیلی ضعیف کار کنیم. برای برآورده شدن این مشکل، دو سیگنال حامل با سیگنال نویز شبه تصادفی ( PRN ) ( pseudo random noise) مدوله شده و ارسال می گردد. کدهای PRN این قابلیت را برای گیرنده ها ایجاد می کنند که آنتنهایی با طول چند اینچ نیز بتوانند سیگنالهای با توان خیلی پایین را از نویز تشخیص دهند و بتوانند سیگنالها را آشکارسازی نمایند . علاوه بر این خاصیت این آنتنها می توانند امکان دسترسی چند گانه ( multiple access ) را فراهم کنند .
هر ماهواره یک کد مخصوص را ارسال می کند و گیرنده ها می توانند سیگنالهای تمام ماهواره های در دید که بطور همزمان به آنتن می رسد را تشخیص دهد. البته بسته به نوع گیرنده و تعداد کانالهای ورودی گیرنده ، تعداد ماهواره های ردیابی شده متفاوت می باشند، گیرنده های امروزی بطور معمولی تا 12 کانال می توانند ماهواره ها را ردیابی کنند .
کدهای PRN از پارازیتهای عمدی و غیر عمدی که ممکن است توسط مزاحمین ایجاد گردد ایمن می باشد زیرا این کدها دقیقا در گیرنده نیز تولید شده و با کدهای دریافتی مقایسه می شود. کدهای PRN به دو صورت ارسال می گردند که در ادامه آورده شده است .
1-1-2-1-کد C/A (coarse and acquisition )
کد C/A فقط با استفاده از فرکانس حامل فرستاده می شود. این کد شامل یک رشته کد PRN است که با سرعت 1.023MBIT/SEC اعمال می شود و با استفاده از یک رجیستر ده بیتی تولید می شود . پریود کد C/A ،یک میلی ثانیه است و از این کد برای استفاده های غیر نظامی استفاده می شود . نحوه عمل این کد بدین گونه است که هر ماهواره دارای یک کد C/A یکتا می باشد با استفاده از این کد ارسال شده ، و کد C/A تولید شده در گیرنده، فاصله بین ماهواره و گیرنده زمینی مشخص می شود . طول موج پالس این کد ، سیصد متر می باشد . کد C/A برای سرویس موقعیت یابی استاندارد (SPS ) (standard positioning service )طراحی شده است .
مقاله آشنایی با GPS و کاربرد آن