بخشی از مقاله
چکیده
سامانه های ناوبری و تعیین موقعیت مبتنی بر ماهواره امروزه یکی از رایجترین سامانه های کاربردی در زمینه های مختلف محسوب می شوند. هرچند بعضی از این شبکه ها تا حدی گسترش یافته اند که معمولی ترین کاربران در کشورها و نقاط مختلف جهان را قادر به بهره برداری رایگان و آسان از امکانات خود می سازند.
اما در این میان برخی از کشورها بنا به دلایلی همچون تامین جنبه های اقتصادی و یا حفظ امنیت شبکه های اطلاعاتی خود و حتی تضمین استمرار و تداوم فعالیت های سامانه های ناوبری ماهواره ای در شرایط بحرانی، اقداماتی را در خصوص طراحی، ایجاد و توسعه شبکه های مستقل ملی و یا منطق های ناوبری و تعیین موقعیت ماهواره ای به انجام رسانده و توانسته اند تا حد چشمگیری اهداف خود در این خصوص تحقق بخشند. در این مقاله نگاهی خواهیم داشت به سامانه های ناوبری ماهواره ای گلوناس، گالیله، GPS و سایر پروژ ه های مشابه در کشورهای دیگر جهان.
کلمات کلیدی: ناوبری، موقعیت یابی، ماهواره، GPS، گلوناس
مقدمه
سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی متشکل از ماهواره ها، ایستگاه کنترل زمینی و تجهیزات برای کاربران بوده و در جوامع مدرن در راستای تحقق بسیاری از اهداف قرار می گیرند. برای سیستم های GNSS شناخته شده ترین و تکمیل ترین سیستم GPS ایالات متحده و سیستم GLONASS روسیه می باشد. سیستم گالیله اروپا نیز در مراحل تکاملی خود قرار دارد. از سوی دیگر، سیستم چینی انتظار می رود که در بین سال های 2020-2015 به پایان خواهد رسید. در این مطالعه، سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی معرفی خواهد شد وموارد استفاده از آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی
سامانه ماهوارهای ناوبری جهانی سیستمهایی هستند که به گیرندههای کوچک اجازه میدهند تا موقعیت خود را - طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی - با خطای چند متری مشخص کنند. این قابلیت از طریق انتقال امواج رادیویی بین دستگاه و ماهواره صورت میگیرد. ایستگاههای ثابت زمینی میتوانند برای محاسبه بسیار دقیق زمان برای آزمایشهای علمی استفاده شوند. نیازهای سیستمهای فعلی، بودند که از ایستگاههای فرستنده رادیویی موج بلند زمینی بجای ماهواره استفاده میکردند.
این سیستمهای ناوبری، یک پالس رادیویی از ایستگاه مادر سپس 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 نام داشت که در دهه 1960 میلادی توسط ارتش ایالات متحده ساخته شد. نحوه کار این سیستم بر اساس اثر داپلر استوار بود. به این صورت 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 دارد که آنهم بدلیل حرکت مشخص ماهواره بود. با بررسی این فرکانسها در یک زمان بسیار کوتاه موقعیت تقریبی گیرنده مشخص میشد که بعدها شیوههای اندازه گیری با دخیل کردن چندین پارامتر از جمله حرکت مداری ماهواره دقیقتر شد. قسمتی از اطلاعات ارسالی مربوط به اطلاعات مداری دقیق است. برای اطمینان از دقت بالا، رصدخانه نیروی دریایی آمریکا دائماً مسیر حرکت این ماهوارهها را زیرنظر دارد. اگر ماهوارهای کمی از مدار منحرف شد، این سازمان اطلاعات لازم را برای اصلاح مسیر ارسال میکند. سیستمهای امروزی بسیار دقیقتر و کارآمدتر هستند.
ماهواره سیگنالهایی ارسال میکند که اطلاعات موقعیت ماهواره و زمان دقیق ارسال سیگنال را دارد. موقعیت ماهواره در قالب پیامهای دادهای ارسال میشود که حاوی کدی است که بعنوان مرجع زمانبندی استفاده میشود. ماهوارهها از ساعتهای اتمی برای همزمان سازی بین همدیگر استفاده میکنند. گیرنده زمان ارسالی ماهواره را با زمان داخلی خود مقایسه کرده و فاصله ماهواره تا خود را اندازه میگیرد. این مقایسه با ماهوارههای دیگر در ارتباط با این گیرنده انجام میشود و سپس محل دقیق گیرنده مشخص میشود.هر اندازه گیری مسافتی، موقعیت گیرنده تا فرستنده را روی یک کره مشخص میکند. در مورد گیرندههایی که با سرعت بالا حرکت میکنند، موقعیت امواج ارسالی آنها تغییر میکند.
همچنین اطلاعات دریافتی از ماهوارهها نیز متفاوت استضمناً. سرعت امواج رادیویی در برخی لایههای جو از جمله یونوسفر کمتر است که بستگی به زاویه ماهواره به گیرنده دارد. آسانترین راه حل اینست که در هر لحظه 4 ماهواره در معرض دید گیرنده باشند. در حالت بهتر ترکیب ماهوارهها با ایستگاهها و استفاده از تکنیکهایی چون غربال کالمن برای انجام محاسبات دقیقتر در شرایط سخت تر و پیچیده تر، بهترین جواب را خواهد داد.
در حال حاضر، سامانه موقعیتیاب جهانی تمام فعال متعلق به آمریکاست که NAVSTAR نام دارد و در حال تقویت است. سامانه ی گلوناس متعلق به روسیه در حال تقویت است تا به اهداف نظامی و تجاری خود دست یابد. کشور چین اعلام کرده تا سال 2015 سیستم موقعیت یاب محلی Beidou را با سیستم ناوبری جهانی خود یعنی COMPASS ترکیب میکند. سیستم ناوبری اتحادیه اروپا با نام گالیلئو در مرحله توسعهاست و اکنون فعال است.
سیستم مکان یابی جهانی
شاید بتوان سیستم مکان یابی جهانی را کاربردی ترین و مشهورترین سامانه تعیین موقعیت و ناوبری ماهوار های دانست که در اغلب کشورهای جهان و نقاط مختلف دنیا توسط کاربران مورد بهره برداری قرار دارد. یک سیستم GPS هدایت ماهواره ای است شامل شبکه ای از 24 ماهواره درگردش که درفاصله 11 هزارمایلی ودر شش مدارمختلف قراردارند . در واقع یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره ای است که از شبکه ای با 24 ماهواره تشکیل شده است و این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند.
این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال 1980 استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد. 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 آوردنگان این سیستم، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن رایگان است
سامانه GLONASS روسیه
سیستم ناوبری ماهواره ای بر اساس امواج رادیویی است که توسط نیروهای پدافند هوایی روسیه راه اندازی شده است. این سیستم تنها سیستم ناوبری فعالی است که قابل مقایسه با سیستم GPS آمریکا است. گسترش این سیستم در سال 1976 در اتحادیه شوروی آغاز گردید. در سال 2000 هنگامی که ولادیمیرپوتین رئیس جمهور روسیه بود باز سازی این سیستم به عنوان یک اولویت در دستور کار دولت وقت روسیه قرار گرفت و بودجه فراوانی به آن اختصاص داده شد.
این سیستم پر هزینه ترین برنامه آژانس فضایی فدرال روسیه است که یک سوم کل بودجه این آژانس را در سال 2010 به خود اختصاص داد. در سال Glonass 2010 تمام سرزمین های متعلق به روسیه را تحت پوشش خود قرار داده بود و در اکتبر 2011 با تمام 24 ماهواره قادر به پوشش تمامی جهان شد .طراحی ماهواره های GLONASSچندین بار به روز رسانی را پشت سر گذاشته اند که آخرین نسخه از آنها GLONASS-K می باشد.
توصیف سیستم
GLONASS یک سیستم ناوبری ماهواره ای جهانی است که موقعیت کنونی و سرعت را برای کاربران نظامی و غیر نظامی ممکن می سازد. ماهواره ها در مدار دایره ای میانی و در ارتفاع 19100 کیلو متری از سطح زمین و شیب64/ 8 درجه ای و دوره ی 11 ساعت و 15 دقیقه ای قرار گرفته اند. مدار GLONASS سیستم را برای بکارگیری در طول ها ی جغرافیایی بالا - شمال یا جنوب - ، نقاطی که سیگنال های GPS می توانند دچار مشکل شوند مناسب می سازد.
مجموعه ماهواره ها در سه محور مداری که در روی هرکدام از این محور ها 8 ماهواره قرار گرفته کار می کنند .این مجموعه ماهواره ای فعال با پوشش جهانی از 24 ماهواره تشکیل شده است، که 18 عدد از این ماهواره ها مخصوص پوشش سرزمین روسیه می باشد.برا ی دریافت یک موقعیت دقیق دریافت کننده باید در بازه حداقل 4 ماهواره قرار گرفته باشد به طوری که 3 عدد از آنها برای مشخص کردن موقعیت کاربر است و چهارمی برای تطابق زمانی دریافت کننده با 3 ماهواره دیگر می باشد.
این سیستم به 18 ماهواره برای سرویس ناوبری پیوسته برای پوشش دادن روسیه و 24 ماهواره برای سرویس ناوبری کل جهان نیاز دارد. اگرچه پوشش سامانه گلوناس بسیار نزدیک به پوشش کامل جهانی است، اما استفاده از آن هنوز هم در مقایسه با سایر رقبا و سامانه های مشابه همچون رقیب آمریکایی این سامانه یعنی GPS از لحاظ اقتصادی به صرفه نیست.
