سامانه موقعيت‌ياب جهاني (جيپياس)، منحصر به‌فردترين و كامل‌ترين سامانه ناوبري ماهواره‌اي است كه به كمك آن در هر كجاي كره خاكي مي‌توان با استفاده از گيرنده‌هايي ارزان و در دسترس، موقعيت مكاني، سرعت و مسير حركت را تعيين كرد. هم‌اكنون 24 ماهواره جيپياس در شش مدار مياني در اطراف زمين مستقر هستند و در هر لحظه امواج حامل اطلاعات مكان‌يابي را به زمين مخابره مي‌نمايند.
فهرست:
| |
 1 مقدمه |
| |
2 كاربردهاي سامانه جيپياس |
| |
3 عملكرد |
| |
3-1 بخش فضايي |
| |
3-2 بخش كنترل زميني |
| |
3-3 كاربران |
|
|
|
|
مقدمه
تعيين موقعيت بر اساس اطلاعات دريافتي از فضا از دهه 60 ميلادي توسط ناسا با سامانه داپلر آغاز شد اما به دليل كارآيي پايين و دقت كم سامانه داپلر، در سال 1974 وزارت دفاع آمريكا براي رفع نيازهاي نظامي خود تصميم به ايجاد يك سامانه دقيق و جامع تعيين موقعيت كه در تمامي جهان كاربرد داشته باشد، گرفت. بدين ترتيب در سال 1978 با پرتاب اولين ماهواره از سامانه جيپياس به فضا گامي موثر در عصر فضا برداشته شد [1].
 |
| تصوير 1- موقعيت ماهواره‌هاي جيپياس پيرامون كره زمين |
|
|
به طور يقين مي‌توان گفت كه سامانه موقعيت‌ياب جهاني «جيپياس» يکي از بهترين و کامل‌ترين دستاوردهاي بشر براي شناسايي و مکان‌يابي روي کره زمين است که روز به روز در حال کامل‌تر شدن است. هر کس که بخواهد بداند کجاست و به کجا مي‌رود به اين سامانه نيازمند است، با توجه به نزول شديد بهاي گيرنده‌هاي اين سامانه و افزايش امکانات آنها، اين فناوري در آينده نزديک بيش از پيش در اختيار همگان قرار خواهد گرفت.
سامانه موقعيت‌ياب جهاني «جيپياس» در حال حاضر تنها سامانه ماهواره‌اي ناوبري جهاني كاملاً فعال در دنيا است كه در آن 24 ماهواره فعال (به علاوه 6 ماهواره يدكي) در مدار مياني زمين و ارتفاع 20200 كيلومتري (تصوير 1)، به طور پيوسته سيگنال‌هاي ميكروويو دقيق را به زمين ارسال نموده و دستگاه‌هاي گيرنده، كاربران زميني را قادر به تعيين موقعيت خود روي زمين مي‌كنند [2].
هزينه نگهداري و عمليات سامانه جيپياس حدود 750 ميليون دلار در سال است كه شامل تعويض ماهواره‌هاي فرسوده و همچنين تحقيق، توسعه و رفع نواقص سامانه مي‌شود. با اين همه، استفاده از امكانات اين سامانه براي مصارف غيرنظامي در تمام جهان رايگان است [2].
|
جيپياس يک سامانه عملياتي و هميشه در حال آماده‌باش است که در تمامي شرايط آب و هوايي داراي کارآيي است؛ زيرا فرکانس امواجي که توسط ماهواره‌هاي جيپياس ارسال مي‌شوند در حد گيگاهرتز است و شرايط آب و هوايي (مه و باران و نزولات جوي) اثري روي اين امواج ندارند. اين سامانه در طول 24 ساعت شبانه‌روز فعال است و در هر زمان و در هر مکان که لازم باشد مي‌توان توسط آن تعيين موقعيت کرد. به وسيله گيرنده‌هاي سامانه جيپياس مي‌توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبي تعيين موقعيت کرد و براي تعيين موقعيت در هر يک از دو روش فوق مي‌توان از روش‌هاي [ايستا]، [متحرک] و نيمه‌متحرک استفاده کرد [3].
|
|
كاربردهاي سامانه جيپياس
علاوه بر كاربرد نظامي كه دليل اصلي ايجاد و توسعه اين سامانه توسط وزارت دفاع آمريكا بوده است، كاربردهاي سامانه جيپياس شامل موارد زير مي‌شود:
-
كاربردهاي زميني شامل: نقشه برداري از زمين، كنترل حمل و نقل و ترافيك، پايش و بررسي جابجايي‌ها و نشست‌هاي زمين، پيش‌بيني زلزله (در حال حاضر، براي پيش‌بيني زلزله بيش از 1200 جيپياس در ژاپن نصب شده و همچنين فقط در اطراف شهر لس‌آنجلس آمريکا، 250 جيپياس در حال اندازه‌گيري و فعاليت 24 ساعته هستند [3])، کنترل جابجايي سدها و برج‌هاي بلند، پيش‌بيني وضع هوا (از طريق اندازه‌گيري ميزان انرژي موج فرستاده شده از سوي جيپياس پس از عبور از لايه‌هاي جو و ابرهاي موجود در منطقه مورد نظر) و ...
-
كاربردهاي دريايي شامل: ناوبري كشتي‌ها، هيدروگرافي (آب‌نگاري)، تعيين موقعيت سكوهاي دريايي نفتي، تعيين موقعيت جزاير مرجاني، مين‌يابي و ...
-
كاربردهاي هوايي شامل: فوتوگرامتري (اندازه‌گيري از روي عكس‌هاي هوايي)، كنترل حمل و نقل، ناوبري، هدايت و كنترل كليه وسايل پرنده نظير هواپيما، بالگرد، کنترل ماهواره‌هاي سنجش از دور و ...
|
|
عملكرد
در حال حاضر، سامانه جيپياس متشكل از 24 ماهواره (به انضمام 6 ماهواره يدكي) در ارتفاع حدود 20200 كيلومتري از سطح زمين است كه در شش مسير با زاويه ميل 55 درجه و پريود ساعتي 12 ساعته نجومي در گردشند [1]. به عبارتي، در هر 24 ساعت خورشيدي در طول شبانه‌روز ماهواره دو بار از افق يک محل مي‌گذرد. همان طور که مي‌دانيم شبانه‌روز خورشيدي چهار دقيقه از شبانه‌روز نجومي بيشتر است، لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره چهار دقيقه زودتر در افق يک محل ثابت طلوع مي‌کند [3]. ماهواره‌هاي جيپياس در حركت شبانهروزي زمين شركت نداشته و تنها در حركت انتقالي زمين همراه هستند. اين ماهواره‌ها انرژي خود را از خورشيد تامين مي‌کنند. همچنين باتري‌هايي نيز براي زمان‌هاي خورشيدگرفتگي و يا مواقعي که در سايه زمين حرکت مي‌کنند، به همراه دارند. راکت‌هاي کوچکي نيز ماهواره‌ها را در مسير صحيح نگاه مي‌دارد. به اين ماهواره‌ها [ناواستار] نيز گفته مي‌شود [2].
براي تعيين موقعيت X و Y يا طول و عرض جغرافيايي (في و لاندا) حداقل بايد سه ماهواره در آسمان محل باشد. در صورتي که مقدار ارتفاع را نيز بخواهيم بايد از چهار ماهواره استفاده کرد. امروزه در بعضي مکان‌هاي ايران قادر به دريافت اطلاعات حتي با استفاده از 10 ماهواره هم هستيم و حداقل به 4 تا 5 ماهواره در هر زمان از شبانه‌روز و در هر مکان دسترسي داريم [3] (تصاوير 2 و 3).
 |
| تصوير 2- نحوه ارتباط بين ماهواره‌هاي جيپياس، ايستگاه كنترل زميني و كاربران |
 |
| تصوير 3- الزام در دسترس بودن امواج حداقل سه ماهواره براي تعيين موقعيت در سامانه جيپياس |
|
|
هرچه تعداد ماهواره‌هاي قابل مشاهده بيشتر شود، معادلات اساسي تعيين موقعيت بيشتر خواهند شد و بنابراين زمان لازم براي تعيين موقعيت يک نقطه کاهش يافته و دقت تعيين موقعيت نيز افزايش خواهد يافت. نکته مهمي که مي‌بايست مورد توجه قرار گيرد اين است که ارتفاعي که جيپياس به ما مي‌دهد، با ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق مي‌کند. ارتفاع جيپياس نسبت به سطح مبنايي به نام بيضوي است، در حالي که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتريک است که از سطح درياهاي آزاد محاسبه مي‌شود [3].
هر ماهواره جيپياس به طور مستقل اطلاعات زير را توسط آنتن‌هاي تعبيه شده بر روي بدنه‌اش به زمين ارسال مي‌كند:
1) امواج حامل
الف) موج حامل [اِل1] با فرکانس 1575 مگاهرتز
ب ) موج حامل [اِل2] با فرکانس 1227 مگاهرتز
2) کدهاي اطلاعاتي (به صورت دودويي):
الف) کد غيرنظامي [سي/اِي]
ب ) کد دقيق [پي]
ج ) کد سري [واي]
|
دو موج حامل ال1 و ال2 در باند امواج الكترومغناطيسي و با طول موج 19 سانتي‌متر و 24 سانتي‌متر ارسال مي‌شوند. امواج ارسالي از ماهواره‌ها شامل امواج حامل باند مدوله شده با يك كد استاندارد (كد سي‌اِي) و يك كد دقيق (كد پي) و يك كد دريانوردي و مختصات ماهواره به صورت توابع زماني است. كد سي‌اِي به معناي اكتساب غيردقيق بوده و كاربرد عمومي و غيرنظامي دارد ولي كد پي به معناي كد دقيق بوده و فقط كاربرد نظامي داشته و قابليت دسترسي عمومي ندارد [1].
به طور كلي سامانه جيپياس از سه بخش تشكيل شده است:
|
|
بخش فضايي
متشكل از 24 ماهواره فعال كه هر چهار ماهواره در يكي از شش مدارتعيين شده استقرار دارند. حركت و استقرار ماهواره‌ها به گونه‌اي است كه در هر نقطه از سطح زمين در آن واحد حداقل شش ماهواره در ديد گيرنده باشند. از آوريل 2007 ميلادي تعداد ماهواره‌هاي سامانه جيپياس به 30 عدد افزايش مي‌يابد تا دقت گيرنده‌هاي زميني نيز بيشتر شود [2].
با اين افزايش تعداد، نحوه استقرار ماهواره‌ها حالتي نامتقارن به خود خواهد گرفت كه البته در اين حالت، قابليت اطمينان و آمادگي سامانه در هنگام از كار افتادن يا نقص تعدادي از ماهواره‌ها بهبود پيدا مي‌كند.
|
|
بخش كنترل زميني
اين بخش شامل ايستگاه‌هاي زميني است که داراي مختصات معلوم هستند و موقعيت آنها از طريق روش‌هاي کلاسيک تعيين موقعيت نظير روش «[وي‌ال‌بي‌آي]» (تعيين فواصل بلند توسط کوازارها) و روش «[اس‌ال‌آر]» (فاصله‌سنجي ماهواره‌اي با امواج ليزر) به دست آمده است. اين ايستگاه‌ها، وظيفه تعقيب [چندجمله‌اي‌هاي رياضي] به روش کمترين مربعات، پارامترهاي مداري و موقعيت ماهواره‌ها را نسبت به يک سامانه مختصات ژئودتيک ژئوسنتريک (مبدا سامانه مختصات تقريبا در مرکز زمين قرار دارد) محاسبه مي‌نمايد.
تعداد اين ايستگاه‌هاي زميني پنج عدد است که ايستگاه اصلي با نام کلرادو اسپرينگ در آمريکا قرار دارد و چهار ايستگاه فرعي ديگر در هاوايي، كوآجالين، ديگو گارسيا و آسنشن مستقر هستند.
|
|
كاربران
به طور كلي، گيرنده‌هاي جيپياس از آنتن، تنظيم‌كننده فركانس دريافتي، پردازشگر داده‌ها و ساعت بسيار دقيق (اغلب از نوع نوسانگر كريستالي) تشكيل شده است. البته اين‌گونه گيرنده‌ها داراي يك نمايشگر جهت ارائه اطلاعات از قبيل موقعيت مكاني، سرعت حركت گيرنده و... به كاربران هستند. (تصاوير 4، 5 و 6) معمولاً نوع گيرنده‌ها با تعداد كانال‌هاي آنها مشخص مي‌شود كه هر سال با افزايش تعداد ماهواره‌ها نيز تعداد كانال‌ها افزايش مي‌يابد. در حال حاضر، تعداد كانال‌هاي گيرنده‌ها در سال 2007 بين 12 تا 20 خواهد بود [2].
براي رسيدن به حداکثر دقت و کارآيي جيپياس توسط يک گيرنده بايد از گيرنده‌اي استفاده کرد که هر دو موج حامل ال1 و ال2 و کدهاي فوق را دريافت نموده و قابليت آنتي‌اسپوفينگ داشته باشد؛ يعني بتواند کد واي را به يک کد پي و بالعکس تبديل کند. آخرين بخش از سامانه جيپياس، قسمت کاربران سامانه است که خود شامل دو بخش مي‌شود:
الف) آنتن دريافت‌کننده اطلاعات ارسالي از ماهواره‌ها
ب) گيرنده (پردازش‌کننده اطلاعات دريافتي و تعيين‌کننده موقعيت محل آنتن)
|
 |
| تصوير 5- گيرنده جيپياس |
|
|
 |
| تصوير 4- گيرنده جيپياس |
|
|
 |
| تصوير 6- گيرنده جيپياس |
|
|
نرم افزار و ريزپردازنده داخل گيرنده، فاصله بين آنتن زميني تا ماهواره‌هاي مرتبط با گيرنده را تعيين مي‌کند. سپس با استفاده از حداقل چهار ماهواره، موقعيت X وY و ارتفاع محل استقرار آنتن يا همان گيرنده تعيين مي‌شود [3].
گيرنده‌هاي جيپياس به دو دسته اصلي تقسيم مي‌شوند:
الف) گيرنده‌هاي نظامي
ب ) گيرنده‌هاي غيرنظامي
گيرنده‌هاي غيرنظامي فقط مي‌توانند امواج ارسالي حامل کد سي‌اِي را از ماهواره دريافت کنند، لذا تعيين موقعيت مطلق توسط اين دسته از گيرنده‌ها ضعيف است (در حدود 3 تا 5 متر). اما گيرنده‌هاي نظامي که اکثراً در اختيار ارتش آمريکا و کشورهاي عضو پيمان ناتو هستند، قادرند که پارامترهاي ارسال شده به وسيله کد پي (پارامترهاي دقيق) را نيز علاوه بر کد سي‌اي استفاده کنند. دقت تعيين موقعيت با چنين گيرنده‌هايي بسيار بالاست و در حال حاضر، استفاده از کد پي و کد واي، که مشکل‌تر از کد پي است، صرفاً در اختيار نظاميان آمريکايي است. البته از سال 2000 دقت سامانه جيپياس غيرنظامي با توجه به حذف خطايي که وزارت دفاع آمريکا آن را عمداً همراه ساير موج‌ها از ماهواره‌هاي جيپياس به سمت گيرنده‌هاي غيرنظامي مي‌فرستاد،
دقت تعيين موقعيت با گيرنده‌هاي دستي معمولي به 3 تا 5 متر رسيده است. البته براي کارهاي دقيق ژئودزي و نقشه‌برداري با استفاده از گيرنده‌هاي دوفرکانسه (تفاضلي) به شيوه تعيين موقعيت نسبي مي‌توان به دقت در حد ميليمتر دست پيدا کرد. البته همين دقت 3 تا 5 متر گيرنده‌هاي دستي عادي هم نيازهاي عمومي ناوبري (کوهنوردي و ...) را به خوبي تامين مي‌کند [3].
|
نوشته: www.isa.ir/enc
|
|
مراجع
