GNSS چیست؟

• admin
• 0
• GNSS, GPS

تاریخچه:

اولین سیستم‌های ماهواره‌ای مکان‌یاب DECCA، LORAN و Omega بودند که به جای استفاده از ماهواره ها، از ایستگاه های فرستنده رادیویی موج بلند زمینی استفاده میکردند. این سیستم‌ها یک پالس رادیویی از ایستگاه مادر و سیگنال های تقویت شده را از سایر ایستگاه‌های تابع ارسال میکردند.

اختلاف بین ارسال و دریافت در ایستگاه‌های تابع با دقت کنترل میشدند که به گیرنده‌ها امکان میدادند تا اختلاف بین دریافتها و ارسالها را تشخیص دهند. از این طریق فاصله تا هر ایستگاه و در نتبیجه موقعیت گیرنده مشخص میشد.
اولین سیستم ناوبری ماهواره‌ای Transit است که در دهه 1960 توسط ارتش ایالات متحده آمریکا ساخته شد. نحوه کار این سیستم بر اساس اثر دوپلر (Doppler effect) بود. کار آن‌ها به این صورت است که ماهواره‌هایی که در یک مدار مشخص در حرکت بودند سیگنالهایی را در فرکانس‌های معین ارسال میکردند، فرکانس دریافتی بصورت واضحی با فرکانس ارسالی تفاوت داشت که بدلیل حرکت مشخص ماهواره است، با بررسی این فرکانسها در یک زمان بسیار کوتاه موقعیت تقریبی گیرنده مشخص میشد که در طی زمان شیوه های اندازه گیری با پیشرفت های مختلف و بکارگیری مشخصه های دیگری از جمله حرکت مداری ماهواره دقیقتر شد.
سیگنالهای ماهواره‌ای شامل اطلاعات موقعیتی ماهواره: در قالب پیامهایی زمانبندی و زمان سیگنال است است. گیرنده با استفاده از تفسیر پیام دریافتی زمان ارسالی توسط ماهواره را با زمان داخلی خود مقایسه نموده و فاصله ماهواره تا خود را اندازه گیری می کند. گیرنده با استفاده از ارسال پیام با ماهواره‌های دیگر نیز این مقایسه را انجام داده و سپس محل دقیق و زمان دقیق مشخص می‌شود.

با تغییر سرعت گیرنده موقعیت امواج ارسالی آن متفاوت می گردد، در نتیجه اطلاعات دریافتی از ماهواره‌های موجود نیز متفاوت است. سرعت امواج رادیویی باتوجه به زاویه ماهواه با گیرنده درتعدادی از لایه های اتمسفر از جمله یونوسفر کمتر است. مرحله آغازین موقعیت یابی این است که در هر لحظه 4 ماهواره در معرض ارتباط با گیرنده قرار داشته باشد.

در حالت بهتر ترکیب ماهواره ها با ایستگاه‌های رادیویی و استفاده از روش هایی مانند غربال کالمن (Kalman filtering) برای انجام اندازه گیری های دقیقتر در شرایط سخت تر و پیچیده تر، بهترین جواب برای موقعیت یابی رادر برخواهد داشت.
کاربردهای نظامی و غیرنظامی:
GNSS در اصل برای کاربردهای نظامی طراحی شده اند. موقعیت یابی های ماهواره‌ای به ارتش این امکان را می‌دهد تا موشک خود را با دقتی فوق العاده به هدف بزنند و همچنین اشتباهات ناشی از هدایت غیرصحیح موشک را کاهش می‌دهد و همچنین به نیروها جهت حرکت و شناسایی موقعیت فعلی خود و سایر افراد دیگر کمک می‌کند.
این نوع موقعیت یابی میتواند بعنوان نیروی کمکی در جنگ بکارگرفته شود. در حقیقت این تکنولوژی در جهت کاهش حوادث ناخواسته و افزایش ارتباطات نیروهای خودی در میدان نبرد کاربرد فراوانی دارد، به همین دلیل، این سیستم میتواند بعنوان یک ابزار قدرتمند در هر ارتشی بکارگیری شود.

اولین سیستم‌های ماهواره‌ای مکان‌یاب DECCA، LORAN و Omega بودند که به جای استفاده از ماهواره ها، از ایستگاه های فرستنده رادیویی موج بلند زمینی استفاده میکردند. این سیستم‌ها یک پالس رادیویی از ایستگاه مادر و سیگنال های تقویت شده را از سایر ایستگاه‌های تابع ارسال میکردند.

اختلاف بین ارسال و دریافت در ایستگاه‌های تابع با دقت کنترل میشدند که به گیرنده‌ها امکان میدادند تا اختلاف بین دریافتها و ارسالها را تشخیص دهند. از این طریق فاصله تا هر ایستگاه و در نتبیجه موقعیت گیرنده مشخص میشد.

اولین سیستم ناوبری ماهواره‌ای Transit است که در دهه 1960 توسط ارتش ایالات متحده آمریکا ساخته شد. نحوه کار این سیستم بر اساس اثر دوپلر (Doppler effect) بود. کار آن‌ها به این صورت است که ماهواره‌هایی که در یک مدار مشخص در حرکت بودند سیگنالهایی را در فرکانس‌های معین ارسال میکردند، فرکانس دریافتی بصورت واضحی با فرکانس ارسالی تفاوت داشت که بدلیل حرکت مشخص ماهواره است. با بررسی این فرکانسها در یک زمان بسیار کوتاه موقعیت تقریبی گیرنده مشخص میشد که در طی زمان شیوه های اندازه گیری با پیشرفت های مختلف و بکارگیری مشخصه های دیگری از جمله حرکت مداری ماهواره دقیقتر شد.
سیگنالهای ماهواره‌ای شامل اطلاعات موقعیتی ماهواره: در قالب پیامهایی زمانبندی و زمان سیگنال است است. گیرنده با استفاده از تفسیر پیام دریافتی زمان ارسالی توسط ماهواره را با زمان داخلی خود مقایسه نموده و فاصله ماهواره تا خود را اندازه گیری می کند. گیرنده با استفاده از ارسال پیام با ماهواره‌های دیگر نیز این مقایسه را انجام داده و سپس محل دقیق و زمان دقیق مشخص می‌شود. با تغییر سرعت گیرنده موقعیت امواج ارسالی آن متفاوت می گردد در نتیجه اطلاعات دریافتی از ماهواره‌های موجود نیز متفاوت است.

سرعت امواج رادیویی باتوجه به زاویه ماهواه با گیرنده درتعدادی از لایه های اتمسفر از جمله یونوسفر کمتر است. مرحله آغازین موقعیت یابی این است که در هر لحظه 4 ماهواره در معرض ارتباط با گیرنده قرار داشته باشد. در حالت بهتر ترکیب ماهواره ها با ایستگاه‌های رادیویی و استفاده از روش هایی مانند غربال کالمن (Kalman filtering) برای انجام اندازه گیری های دقیقتر در شرایط سخت تر و پیچیده تر، بهترین جواب برای موقعیت یابی رادر برخواهد داشت.
کاربردهای نظامی و غیرنظامی:
GNSS در اصل برای کاربردهای نظامی طراحی شده اند. موقعیت یابی های ماهواره‌ای به ارتش این امکان را می‌دهد تا موشک خود را با دقتی فوق العاده به هدف بزنند و همچنین اشتباهات ناشی از هدایت غیرصحیح موشک را کاهش می‌دهد و همچنین به نیروها جهت حرکت و شناسایی موقعیت فعلی خود و سایر افراد دیگر کمک می‌کند.
این نوع موقعیت یابی میتواند بعنوان نیروی کمکی در جنگ بکارگرفته شود. در حقیقت این تکنولوژی در جهت کاهش حوادث ناخواسته و افزایش ارتباطات نیروهای خودی در میدان نبرد کاربرد فراوانی دارد، به همین دلیل، این سیستم میتواند بعنوان یک ابزار قدرتمند در هر ارتشی بکارگیری شود.

بررسی سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای (GNSS):

GNSS یا Global Navigation Satellite System سیستمی است که به گیرنده‌های جزیی اجازه می‌دهد تا موقعیت جغرافیایی خود را با خطایی چند متری مشخص کنند. این فرآیند از طریق انتقال امواج رادیویی بین دستگاه و ماهواره انجام می شود. در حال حاضر، تنها سیستم‌های موقعیت یابی فعال در سراسر دنیا با جمعا تعداد 137 ماهواره فعال شامل موارد زیر می‌باشند:GNSS 

• * GPS آمریکا با 31 ماهواره فعال در مدار از مهمترین و فعالترین سرویس‌دهندگان ماهواره‌ای در سطح دنیا است.
• * GLONASS روسیه با 23 ماهواره فعال در مدار در رتبه دوم فعالیت و اهمیت در دنیا است.
• * Galileo اتحادیه اروپا با 26 ماهواره فعال در مدار نیز یکی دیگر از قدیمی‌ترین سیستم‌های فراهم آورنده این سرویس می‌باشند
• * BeiDou چین با 43 ماهواره فعال در مدار از مواردی بوده است که بانام Compass شروع به کار نموده سپس به BeiDou تغییر نام داده شد.
• NAVIC هند با 7 ماهواره فعال در مدار از سری سرویس‌دهندگان محلی است
• QZSS ژاپن با 7 ماهواره فعال در مدار همانندِ NAVIC از سرویس‌دهندگان محلی در سطح خود است.

میزان دقت انواع GNSS:

GNSS ها بر اساس میزان دقتی که دارند همچنین قابلیت مانیتورینگ آن‌ها برای استفاده عموم به رده‌های زیر تقسیم می‌شوند:

GNSS-1: نسل اول سیستم و ترکیبی است از:GNSS 

– ماهواره‌های ناوبری موجود (GPS یا GLONASS)

– با ایستگاه‌های تقویت ماهواره‌ای (SBAS – Satellite Based Augmentation Systems)

– یا سیستم‌های تقویت زمینی (GBAS – Ground Based Augmentation Systems)

– در آمریکا بخش ماهواره‌ای سیستم، یک سیستم تقویت گسترده (WAAS – Wide Area Augmentation System) است.

– سرویس ایستگاه‌های ناوبری سراسری اروپایی (EGNOS – European Geostationary Navigation Overlay Service)،

– در ژاپن سیستم تقویت ماهواره‌ای چندکاره (MASAS – Multi-Functional Satellite Augmentation System)،

– ایستگاه‌های تقویت زمینی معمولا از سیستم تقویت محلی (LAAS – Local Area Augmentation System) تشکیل‌شده‌اند.

GNSS-2: نسل دوم سیستم‌های ناوبری هستند که به‌طور مستقل کاربرد غیرنظامی سیستم را فراهم می‌کنند (مانند گالیله اروپا) این سیستم‌ها دقت و کارایی موردنیاز کاربردهای غیرنظامی سیستم را در اختیار قرار می‌دهند. این سیستم‌ها از فرکانس‌های L1 و L2 برای کاربرد غیرنظامی و فرکانس L5 برای همگرایی استفاده می‌شود.

نگاهی به ماهواره‌های مکان‌یاب:

• Core Satellite: ماهواره‌های اصلی سیستم ناوبری در حال حاضر GPS،Galileo و GLONASS و BeiDou می‌باشند.
• SBAS: سیستم‌های تقویت سراسری ماهواره‌ای مانند Omnistar و StarFire
• SBAS های محلی: WAAS آمریکا، EGNOS اروپا، MSAS ژاپن و GAGAN هندوستان
• SNS های محلی: یا سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای محلی مانند QZSS ژاپن، IRNSS هندوستان
• GBAS قاره‌ای: مانند GRAS استرالیا DGPS آمریکا مربوط به سازمان حمل‌ونقل
• GBAS محلی: مانند شبکه‌های CORS
• GBAS محلی نمونه‌گیری شده از یک ایستگاه اصلاح زمان واقعی جنبش‌ها (RTK) متعلق به GNSS GPS

سیستم‌های ناوبری فعال:

GPS (Global Positioning System): سیستم ناوبری آمریکا که از سال 2007 تنها سیستم تمام فعال است که در تمام دنیا قابل‌استفاده است. این سیستم بر پایه بیش از 32 ماهواره استوار است که در مدارهای میانی زمین درحرکت‌اند (این عدد شامل ماهواره‌های قدیم و جایگزین شده هم هست). این سیستم از سال 1978 فعال‌شده و از سال 1994 در تمام جهان در دسترس است. این سیستم در حال حاضر کاربردی‌ترین سیستم ناوبری جهان است.

• GLONASS (GLObal’naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema): محصول شوروی سابق و روسیه امروزی که پیش‌تر در حالت تمام فعال بود اما با فروپاشی شوروی این سیستم با مشکلات فراوانی روبرو شد اما در حال حاضر با بهترین امکانات در حال سرویس‌دهی در سطح بین‌الملل است.
• Compass/ BeiDou: چین اعلام کرده که سیستم ناوبری محلی خود بانام BeiDou یا دب اکبر را به یک سیستم سراسری تبدیل خواهد کرد. به گزارش خبرگزاری رسمی چین این برنامه Compass نام‌گرفته و از 30 مدارگرد (که در مدارات میانی درحرکت‌اند) و 5 ماهواره ثابت تشکیل‌شده است.
• Galileo: در سال 2002 اتحادیه اروپا و آژانس فضایی اروپا در مورد جانشین GPS یعنی Galileo positioning system به توافق رسیدند. با بودجه اختصاصی 2.4 میلیارد پوندی طبق برنامه این سیستم تا 2012 آغاز به کار می‌کند. اولین ماهواره آزمایشی در 28 سپتامبر 2005 پرتاب شد. پیش‌بینی می‌شود این سیستم با GPS ارتقا یافته موجود هماهنگی داشته و گیرنده‌ها بتوانند از هردوی این فن‌آوری‌ها استفاده کنند.GNSS 
• DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite): سیستم دوپلر مداری و تعیین موقعیت رادیویی ماهواره‌ای که در حقیقت یک سیستم تصحیح مسیر مشابه سیستم‌های ناوبری است و متعلق به کشور فرانسه است.
• IRNSS(Indian Regional Navigational Satellite System): سیستم ناوبری ماهواره‌ای محلی هند که یک سیستم ناوبری محلی مستقل است و زیر نظر سازمان تحقیقات فضایی هند وابسته به دولت هندوستان فعالیت می‌کند. دولت هند این پروژه را در ماه می 2006 به اجرا درآورد که تا سال 2012 پیاده‌سازی آن به اتمام خواهد رسید. این سیستم از 7 ماهواره مستقر در مدار ثابت تشکیل‌شده که دقتی نزدیک 20 متر دارد و تا شعاع 2000 کیلومتری اطراف هند را هم پوشش می‌دهد.
• QZSS (Quasi-Zenith Satellite System): متشکل از 3 ماهواره است که یک سیستم همسان‌سازی زمانی و توسعه‌ای بر GPS آمریکاست و کشور ژاپن را پوشش می‌دهد. طبق برنامه اولین ماهواره این سیستم در سال 2009 پرتاب‌شده است.