سیستمهای کمک ناوبریبرای متخصصان اویونیک

سامانه های جهانی ناوبری ماهواره ای

GPS

•( GPS: Global Positioning System ) مدار زمین را 6 ماهواره در ۲۴منظومه ای از •

ماهواره قرار دارد.۴دور زده و در هر مدار این سیستم توسط وزارت دفاع ایاالت متحده •

پشتیبانی می شود. هیچگونه بهايی بابت این خدمات اخذ نمی شود.

با توجه به نزول شدید بهای گیرنده های این •سیستم و افزایش امکانات آنها، این فناوری در

بیش از پیش در اختیار همگان قرار گرفته است.

GPSتاریخچه

با ۱۹۷۸اولین ماهواره جی پی اس در سال •موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی پی اس، اهداف نظامی

به بعد بـرای ۱۹۸۰بوده، امـا از سال استفاده های غیرنظامی نیز در دسترس قرار

ماهواره در ۲۴ تمامی ۱۹۹۴گرفت. در سال مدار زمین قرار گرفت.

GPSاجزاء

بخش فضائی•بخش کنترلی•گیرنده ها•

کنترل

بخش کنترل زمینی این بخش شامل ایستگاههای کنترل •زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کالسیک تعیین موقعیت بدست آمده است.

( Polynomialsاین ایستگاه ها وظیفه تعقیب چندجمله ای )•ریاضی بطریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری

)افمریزها(و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم a مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک )مبدا سیستم مختصات تقریبا

در مرکززمین قرار دارد.( محاسبه می نماید. عدد است که ایستگاه اصلی ۵تعداد این ایستگاههای زمینی •

ایستگاه ۴با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند.

گیرنده

یا کاربران سیستمUSERقسمت •آنتن دریافت کننده اطالعات ارسالی از ماهواره ها–گیرنده)پردازش کننده اطالعات دریافتی و تعیین –

کننده موقعیت محل آنتن(

نرم افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله •بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده

۴را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل محل استقرار آنتن Z و Y وXماهواره موقعیت

یا همان گیرنده تعیین می شود.

GNSSدیگر سامانه های

سامانه گلوناس که دولت شوروی ساخته و •اکنون به دست کشور روسیه اداره می شود.

سامانه گالیله گسترش داده شده توسط •اتحادیه اروپا

( که به صورت مستقل Beidouسامانه بیدو )•چین در حال گسترش می باشد

درژاپن برای پوشش بهتر جزایر QZSSسامانه •ژاپنی

سامانه ماهواره ای موقعیت یابی ملی هند •(IRNSS)

سیگنال های جی پی اس

(، GPSماهواره های سامانه موقعیت یاب جهانی )•به انتشار سیگنال های رادیویی می پردازند تا به

گیرنده های جی پی اس این امکان را بدهند که به تعیین موقعیت و زمان همگام شده بپردازند.

سیگنال های جی پی اس، شامل سیگنال های مسافت •یابی، به منظور اندازه گیری فاصله تا ماهواره مورد

استفاده قرار می گیرند و داده های نجومی برای محاسبه موقعیت ماهواره در مدار استفاده می شوند. سیگنال های جی پی اس همچنین اطالعات در خصوص

زمان و وضعیت منظومه ماهوارهای را در بر می گیرد.

سیگنال های اصلی جی پی اس

طرح اصلی جی پی اس، شامل دو کد مسافت •یابی می باشد:

، که بدون هیچ گونه C/A یا کد عادی/اکتسابی–محدودیتی برای عموم آزاد است و

a برای Pکد یا کد کنترل شده دقت– ، که معموالکاربردهای نظامی رزرو می شود.

کد عادی / اکتسابی

، عددی شبه تصادفی و طوالنی برابر با C/Aکد • 023/1( که با نرخPRN بیت می باشد )۱۰۲۳

مگابایت در ثانیه منتقل شده و بنابراین، در هر یک هزارم ثانیه تکرار می شود. هر ماهواره تنها

منحصر به فرد استفاده می کند. PRNاز یک کد با استفاده از این کدهای شبه تصادفی و به

گیرنده ماهواره قادر به تشخیص CDMAروش سیگنالهای ماهواره های مختلف که بر روی یک

فرکانس دریافت می شوند می شود.

کد دقت

( PRNکد دقت نیز دارای عددی شبه تصادفی )•می باشد،

، بسیار زیادتر از کد عادی Pطول نهایی کد •است.

به منظور جلوگیری از استفاده کاربران •غیرمجاز و رعایت مسائل حفاظتی نظامی و

به pجنگ الکترونیک، تصمیم گرفته شد که کد صورت رمز درآورده شود.

فرکانس جی پی اس

دو فرکانس مورد استفاده قرار می گیرند؛ ••1575.42 MHzکه ،L1 ،نامیده می شود •1227.60MHz که ،L2 .نامگذاری شده است منتقل می شود L2و L1 بر روی هر دوی فرکانس های P(Yکد)• 023/1 به عنوان یک سیگنال L1 بر روی فرکانس C/Aکد •

BPSKمگاهرتزی منتقل می شود که یک شیوه مدوالسیون استفاده می کند.

منفعت بسیار مهم داشتن دو فرکانس که از یک ماهواره •منتقل می شود، توانایی اندازه گیری و بنابراین حذف خطای

تاخیر طبقه یونسفر برای آن ماهواره است. بدون چنین اندازه گیری، یک گیرنده جی پی اس باید از یک طرح عام استفاده کند

و یا از منبعی دیگر تصحیحات طبقه یونسفر را دریافت کند EGNOS)منبعی همانند

و دقت مورد نیاز GPSدقت موجود در ناوبری

Phase of Flight

Accuracy (95%)

Integrity Risk

Continuity Risk

Availability

En Route H: 3.7 Km

1x10-7/h 1x10-4/h to 1x10-8/h

0.99 to 0.99999

Terminal H: 0.74 Km

NPA H: 220 m

APV I H: 16 mV: 20 m

2x10-7/App 8x10-6/ 15s

APV II H: 16 mV: 8m

Cat I H: 16 mV: 6 to

4 m

Cat II/IIISurface Ops

Under Development

منابع خطا در اطالعات جی پی اس

خطای عمدی•چینش ماهواره ها•تغییرات مداری ماهواره ها•انعکاس چندگانه•خطاهای اتمسفر•خطای ساعت گیرنده•

خطای عمدی

خطائی Selective Availabilityخطای عمدی یا •بود که وزارت دفاع ایاالت متحده، عمدا با

در سیستم L1تغییر در اطالعات زمانی سیگنال جی پی اس ایجاد می نمود تا کاربران عادی قادر

به دریافت اطالعات دقیق نبوده و از این سیسم برای اهدافی مغایر با منافع ایالت

متحده استفاده ننمایند. واضح است که کاربران نظامی ایالت متحده، مجهز به گیرنده

هایی بودند که این خطا را اصالح می نمود.این دقیقه صبحگاه دوم ماه 5 و 5خطا در ساعت

از روی سیستم برداشته شد.2000می

خطای اطالعات جی پی اس در روز حذف خطای عمدی

مقایسه دقت جی پی اس با و بدون خطای عمدی

خطای اتمسفر

گذر موج از الیه های مختلف جو، باعث بروز تغییر در •سرعت موج و در نتیجه فاصله یابی اشتباه در سیستم

جی پی اس خواهد شد.این خطا به دو صورت رخ می دهد.•

تغییر در سرعت انتشار موج که باعث می شود گیرنده فاصله –ماهواره را دورتر از آنچه که هست محاسبه کند.

تغییر در مسیر موج. هر گاه موج از یک محیط وارد محیطی –با سرعت انتشار متفاوت برسد، بسته به ضریب شکست

دو محیط و زاویه گذر از مرز، تغییر مسیر می دهد. بنابراین، مینیمم و هنگامی که S.S.Pointاین خطا در زیر ماهواره و یا

ماهواره در راستای افق قرار بگیرد ماکزیمم خواهد شد.

خطای اتمسفر

انعکاس چندگانهموانع نزدیک گیرنده، سیگنال اصلی را منعکس کرده و باعث دریافت سیگنالهای •

جدید و کاذب می شوند. این سیگنالهای انعکاسی، مسیری طوالنی تر از سیگنال اصلی را طی نموده و باعث تغییر در دامنه و فاز سیگنال اصلی می شوند.

متر در کد 10در یک گیرنده معمولی، انعکاس قادر به ایجاد خطائی در حدود •C/A.است

این خطا به دو نوع استاتیک و دینامیک تقسیم می شود. خطای استاتیک به •گیرنده های ثابت مربوط می شود. در این حالت مقدار خطا ثابت است و با حرکت ماهواره ها در فضا، بآهستگی تغییر می کند، خطای استاتیک در محدوده چند دقیقه

ثابت می ماند. در خطای دینامیک که مربوط به گیرنده های متحرک است، مشخصات خطا در ابعاد یک ثانیه دارای تغییرات سریع است. در کاربردهای

استاتیک، عموما نیاز به دقت بسیار باالئی داریم. در این موارد روشهائی جهت تخمین و حذف خطای انعکاس توسعه داده شده است. یخشی از این روشها به

سیاستهائی در مورد آنتن باز می گردد. مانند استفاده از آنتنهای جهت دار و یا آنتنهائی با صفحه زمین و یا دقت در جانمائی آنتن، اندازه گیری طوالنی مدت

مکان و محاسبه میانگین نیز در کاهش این خطا موثر است.

انعکاس چندگانه

این خطا به دو نوع استاتیک و دینامیک تقسیم می شود. خطای •استاتیک به گیرنده های ثابت مربوط می شود. در این حالت مقدار خطا ثابت است و با حرکت ماهواره ها در فضا، بآهستگی تغییر می

کند، خطای استاتیک در محدوده چند دقیقه ثابت می ماند. در خطای دینامیک که مربوط به گیرنده های متحرک است،

مشخصات خطا در ابعاد یک ثانیه دارای تغییرات سریع است. در کاربردهای استاتیک، عموما نیاز به دقت بسیار باالئی داریم. در

این موارد روشهائی جهت تخمین و حذف خطای انعکاس توسعه داده شده است. یخشی از این روشها به سیاستهائی در مورد

آنتن باز می گردد. مانند استفاده از آنتنهای جهت دار و یا آنتنهائی با صفحه زمین و یا دقت در جانمائی آنتن، اندازه گیری طوالنی

مدت مکان و محاسبه میانگین نیز در کاهش این خطا موثر است.

انعکاس چندگانه

خطای چینش ماهواره ها

گاهی چینش ماهواره ها بگونه ایست که •خطاهای دریافتی از چند ماهواره به هم نزدیک می شوند. این امر، دامنه خطا را افزایش داده و

کشف آنرا مشکل می کند. بهترین ترکیب ماهواره ها، ترکیبی است که ماهواره ها هر چه

باالتر بوده و از افق دورتر باشند و نیز، حتی المقدور، از یکدیگر دور باشند. گاهی اوقات،

محدودیتها موجب می شود که ماهواره ای نامطلوب از نظر مکانی، جهت محاسبه فاصله

بکار گرفته شوند.

خطای چینش ماهواره ها

چینش مطلوب ماهواره ها چینش نامطلوب ماهواره ها

خطای مداری

ماهواره ها در نزدیکی زمین، متاثر از تغییرات •جرمی زمین قرار گرفته و اندکی از مسیر خود منحرف می شوند. همچنین، جرم ماه و خورشید

نیز اثر گرانشی بر مدار ماهواره خواهد گذاشت. هرچند که ایستگاههای زمینی دائما در حال رصد ودار ماهواره ها و تصحیح آن هستند، اما باز هم تغییرات مداری کوچکی وجود دارند

که باعث بروز خطا در محاسبه مکان توسط جی پی اس خواهند شد.

خطای ساعت گیرنده

خطای ساعت گیرنده با استفاده از ماهواره •چهارم حذف می شود.

اثر خطاها

Ionospheric effects ±5 meters

Shifts in the satellite orbits ±2.5 meter

Clock errors of the satellites' clocks ±2 meter

Multipath effect ±1 meter

Tropospheric effects ±0.5 meter

Calculation- und rounding errors ±1 meter

Augmentation)سیستمهای مهانشSystems)

سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات •ABASدرون هواپیما یا

سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات •GBASزمینی یا

سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات • SBAS - Airborne Basedماهواره ای یا

Augmentation Systems• -Ground Based Augmentation Systems• -Satellite Based Augmentation Systems

ABAS

از تجهیزات درون هواپیما استفاده ABASسیستمهای •می کنند. همچنین از قابلیتهای خود سیستم جی پی اس

برای افزایش دقت، مانند استفاده از تعداد ماهواره بیشتر جهت تعیین مکان نیز به خوبی استفاده می شود.

، می توان اطالعاتی از دیگر ABASدر یک سیستم سیستمهای ناوبری مانند سیستم ناوبری اینرسیایی یا

INS و یا ارتفاع سنج بارومتری را با اطالعات جی پی اس ترکیب کرده و به دقتی باالتر دست یافت.

، ABASدر هر صورت، دقت بدست آمده توسط •حداقل های مورد نظر ایکائو برای انجام تقرب را

تامین نمی کند و بنابراین کاربرد ن در محدوده مسیرهای هوائی محدود می شود.

SBAS

سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات  • ها، بر اساس دریافت SBASماهواره ای یا

اطالعات جی پی اس توسط چند ایستگاه ثابت زمینی، پردازش اطالعات و کشف خطا و تولید

کدهای تصحیح خطا و ارسال این کد به یک ایستگاه مرکزی و سپس ماهواره

ژئواستیشنری و پخش کد افزایش دقت به همراه سیگنال فاصله یابی تا ماهواره ژئو از

کار می SBASطرف ماهواره ژئو به گیرنده های کنند.

SBASمعماری

Reference Stations

Master Station

Uplink Station

GEO

GPS

SBASMessage

SBASانواع • The Wide Area Augmentation System (WAAS), operated by the United States

Federal Aviation Administration (FAA).• The European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), operated by the

European Space Agency.• The Wide Area GPS Enhancement (WAGE), operated by the United States

Department of Defense for use by military and authorized receivers.• The Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) system, operated by

Japan's Ministry of Land, Infrastructure and Transport (JCAB).• The commercial StarFire navigation system, operated by John Deere.• The commercial Starfix DGPS System and OmniSTAR system, operated by Fugro.• The Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), proposed by Japan.• The GAGAN system, proposed by India.

پایان قسمت هشتم

سوال؟!توضیح؟!