بخشی از مقاله
سيستم ناوبري ماهواره اي GLONASS وتلفيق آن با سيستم GPS شبه ماهواره ها (Pseudolite) ساختار، کاربرد و اثرات آنها در بهبود سرويس GPS
چکيده :
دراين مقاله سيستم تعيين موقعيت ماهواره اي جهاني GLONASS بطور اجمالي معرفي شده ، مشخصات آن با سيستم
GPSمقايسه ومباني و دستاوردهاي تلفيق اين دو سيستم بررسي وتحليل گرديده است هم چنين علاوه بر معرفي و ذکر کاربردهاي شبه ماهواره ها به بررسي ساختار اين سيستمها ،انواع آنها محدود يتها و مشکلات در استفاده از آنها اشاره شده است . تآثيرات اين سيستم در کنار سيستم در افزايش قابليت اعتماد و دقت سيستم مکان يابي بررسي مي گرددد . در پايان پيشنهاداتي جهت استفاده از اين سيستمها جهت کاربردهاي مختلف ذکر گرديده است .
کلمات کليدي : سيستم هاي ناوبري جهاني ،GLONASS، GPS ،TRANSCEIVER, PSEUVOLITE
١- مقدمه
امروزه سيستم ناوبري به کمک ماهواره ها ( سيستم تعيين موقعيت جهاني ) در تمام زمينه ها کاربرد پيدا کرده است ، از تعيين موقعيت اجسام پرنده هوايي و فضايي گرفته تا اجسام متحرک زميني و دريايي ، در زمين شناسي و نقشه برداري ، در زمان سنجي و از همان زماني که موقعيت ماهواره ها با روش اندازه گيري فرکانس دوپلري فرسنده ماهواره توسط يک ايستگاه زميني با موقعيت معلوم محاسبه و تعيين مي شد عکس همين مسئله نيز مطرح شد يعني با اندازه گيري همين اختلاف فرکانس ، در صورت معلوم بودن محل ماهواره ، بتوان موقعيت يک گيرنده را، که در جاي نامعلومي در روي زمين يا بالاي آن قرار دارد تعيين کرد. امروزه همه سيستم هاي تعيين موقعيت جهاني (ماهواره اي ) بر همين اساس کار مي کنند.
چند سيستم تا کنون در جهان بر اين اساس ساخته شده از جمله ،GNSS، GLONASS، GPS ،GALILO در اين بخش جهت آشنايي هر چه بيشتر علاقه مندان و متخصصان به اين گونه سيستم ها، سيستم GLONASS که متعلق کشور روسيه است ، معرفي و مورد بررسي قرار مي گيرد. شبه ماهواره ها(Pseudo-satellite) که اصطلاحاPseudolite ناميده مي شوند، فرستنده هاي زميني مي باشند که سيگنالهايي با قالب اطلاعاتي GPS توليد و ارسال مي کند و يا صرفا تکرار کننده سيگنالهاي ماهواره هاي GPS مي باشند شبه ماهواه ها جهت افزايش دقت موقعيت يابي و همچنين افزايش دسترس پذيري (Availabiliy) سيگنال GPS مورد استفاده قرار مي گيرند.
موارد استفاده شبه ماهواره ها را مي توان در چند مورد زير خلاصه نمود:
١-تعيين موقعيت بطور مستقيم
٢- انتقال اطلاعات ديجيتال
٣- رفع ابهام فاز حامل
٤- ايستگاه مرجع تفاضلي
۱- معرفي کلي GLONASS
در اين فصل ساختار و مشخصات اصلي سيستم ناوبري ماهواره اي GLONASS و زير سيستم هاي آن شامل بخش زميني ، بخش ماهواره ها و بخش کاربران معرفي و مورد بررسي قرار مي گيرد.
Global Navigation Satellite System( GLONASS) يک سيستم موقيت ماهواره اي جهاني مي باشد، که توانايي تعيين پيوسته زمان ، مختصات مکاني و بردار سرعت حرکت اجسام پرنده فضايي ، هوايي ، دريايي و اجسام متحرک زميني را در کليه نقاط کره زمين و فضاي اطراف آن ( تا ارتفاع معيني ) دارد. اين سيستم متعلق به وزارت دفاع کشور روسيه بوده و از سال ١٩٩٣ ميلادي بطور رسمي فعاليت خود را آغاز کرده است .
تعيين پارامترهاي ناوبري کاربران (مختصات ، سرعت ، و زمان ) درGLONASS به صورت اندازه گيري هاي بدون در خواست شبه فاصله ها و شبه سرعت شعاعي ، توسط گيرنده ها، از چهار عدد ماهواره GLONASS ( يا سه عدد به شرط وجود اطلاعات تکميلي ) و با کمک پارامترهاي ناوبري خود ماهواره انجام مي شود.
اين سيستم ٢٤ عدد ماهواره است ، که در ٣ مدار با زواياي نسبت به هم قرار گرفته اند که در هر نقطه از زمين حداقل ٤ ماهواره قابل رؤيت خوهد بود اين ماهواره ها بطور دائمي سيگنالهايي حاوي زمان دقيق ، مختصات محلي و پارامترهاي ديگر مداري خود را به طرف زمين ( به طرف گيرنده ها ) ارسال مي کنند.
مشخصات کلي سيستم GLONASS در جدول (١) آمده است و مقايسه مشخصات مربوط به سيستم موقعيت يابي Global Positioning System(GPS) نيز در يک ستون ديگر آمده است .
GLONASS از ٣ زير سيستم تشکيل يافته است :
زير سيستم مداري : شامل ٢٤ ماهواره ناوبري که در مدارها و ارتفاع خاصي به دور زمين مي گردند.
بخش زميني : شامل مرکز اصلي هدايت و برنامه ريزي ايستگاههاي کنترل ايستگاههاي کوانتو اپتيکي ، سيستم کنترل فاز، دستگاه کنترل ميدان ناوبري و سنکرون کننده مرکزي مي باشند.
تجهيزات کاربران : شامل گيرنده هاي GLONASS است که در دست کاربران قرار دارند. گيرنده ها سيگنالهاي ماهواره ها را دريافت و پردازش کرده و پارامترهاي ناوبري کاربران را در خروجي خود مي دهد.
در اينجا شرح مختصري در مورد هر زير سيستم ارائه مي شود.
٣- زير سيستم مداري
بخش مداري شامل يک منظومه ماهواره اي ٢٤ تايي مي باشد که در سه مدار دايره اي در هر ٨ ماهواره بطور يکنواخت با اختلاف مکانهاي با ارتفاع اسمي ١٩١٠٠ کيلومتر قرار گرفته اند. زاويه صفحات مدارها با يکديگرمي باشد. ماهواره ها در مدارهاي همسايه نسبت به هم شيفت دارند (شکل ١) اين ترکيب بندي منظومه اي امکان رؤيت حداقل ٤ماهواره (که حداقل مورد نياز براي ناوبري است ) را فراهم مي سازد. البته از ٢٤ عدد ماهواره چند تا اضافه خواهند آمد، که در حالت رزرو قرار دارند. ماهواره ها سيگنالهاي خود را که از يک سوپر کادر ( رشته سيگنال Frame) متشکل از اطلاعات مربوط به خود ماهواره (از جمله مختصات محل قرار گرفتن آن در مدار) و زمان و اطلاعاتي از کل سيستم را در دو باند فرکانس L١ و L٢ که هرکدام ٢٤ فرکانس مختلف را در بر مي گيرند منتشر مي کنند. هر ماهواره با فرکانس مخصوص به خود شناخته مي شود.
٤- بخش زميني
زير سيستم زميني که وظيفه هدايت و کنترل کار صحيح سيستم را به عهده دارد شامل ايستگاههاي زير است . که اکثرا در خاک روسيه قرار دارند و تعدادي در جمهوري هاي جدا شده از شوروي باقي مانده اند.
١-٤- مرکز کنترل سيستم
مرکز کنترل داراي خطوط مخابراتي اتوماتيک و غير اتوماتيک براي ارتباط با ماهواره ها مي باشد وظيفه اين مرکز برنامه ريزي و جهت دهي کار همه عناصر زير سيستم هدايت و کنترل GLONASS بر اساس رژيم هدايتي روزانه آن مي باشد. در ضمن همه امور مربوط به تعيين و نخمين اطلاعات مربوط به ماهواره ها و تصحيحات فرکانسي آناليز مشخصات بالستيکي ، در بخشي از مرکز کنترل به نام مرکز محاسبات بالستيکي انجام مي گيرد.
جدول شماره (١) مشخصات کلي GLONASS ومقايسه آن باGPS
UTC : Universal Time Coordinational
شکل شماره ١: نحوه قرار گرفتن ماهواره ها در منظومه Glonass
٢-٤-سنکرون کننده مرکزي
سنکرون کننده مرکزي نيز جزء بخشهاي مرکزکنترل مي باشد، که کار تشکيل مقياس زماني GLONASS را به عهده دارند.
٣-٤- ايستگاههاي کنترل
ايستگاههاي کنترل کار کنترل سانسهاس اندازه گيري مکاني و زماني مورد نياز براي تعيين و نخمين موقعيت هاي فضايي ماهواره ها و عدول از مقياس زماني کل سيستم و جمع آوري اطلاعات تله متري در مورد وضعيت دستگاههاي آن برد را به عهده دارند.
٤-٤- ايستگاههاي کوانتو اپتيکي
براي تنظيم پريوديک کانالهاي راديوتکنيکي و اندازه گيري برد ماهواره ها به کمک فاصله سنجي ليزري به کار مي روند.
٥-٤- سيستم کنترل فاز
فرکانس امواج ارسالي ماهواره ها را دريافت و با مقادير اسمي مورد نظر مقايسه و انحرافات را تعيين مي کند.
٦-٤- دستگاههاي کنترل ميدان
شامل يک گيرنده کاربر بسيار دقيق با مختصات معلوم مي باشد، که جهت اندازه گيري پارامترهاي دقتي سيستم به کار مي رود.
٥- تلفيق GLONASS و GPS
اطلاعات جدول شماره (١) در مورد ويژگيها و مشخصات سيستم هاي GLONASS و GPS از دو نظر حائز اهميت مي باشد. اولا پارامترهاي آنها اختلافاتي با هم دارند، که مقتضاي جدايي و استقلال دو سيستم از هم مي باشد. ازطرفي بررسي اين پارامترها نشان مي دهند که در کل دو سيستم بسيار به هم نزديک و داراي تشابهات بسياري مي باشند. از عمده تشابهات موارد زير را مي توان نام برد:
نزديکي ارتفاع ماهواره ها (حدودKM ٢٠٠٠٠) و پريود گردش (تقريبا ٢ ساعت ).
نزديکي زواياي ميل مدارات (٦٠ ≈)
ساختار سيگنالي (کد مشابه و نزديک به فرکانس کاري ١٦٠٠≈ L١ و ١٢٠٠≈ L٢)
شباهت ميان سنکرون سازي و اندازه گيري پارامترهاي ناوبري .
تفاوت کم دستگاههاي مختصات
همزمان بودن ايجاد و ساخت و تکامل هر دو سيستم (نزديکي تکنولوژي )
موارد تشابه ذکر شده در فوق نشان مي دهند که مي توان گيرنده هايي ساخت که در عين حال از اطلاعات و سيگنالهاي ماهواره هاي هر دو سيستم استفاده کنند. بر اين اساس دولتهاي روسيه و آمريکا که صاحبان دو سيستم فوق مي باشند موافقت کرده اند که هر دو سيستم با هم تلفيق شوند و گيرنده هايي با قابليت کار در هر دو سيستم ساخته شوند.
٦- دستاوردها و مزيتهاي گيرنده هاي تلفيقي
هدف از تلفيق دو سيستم افزايش دقت و قابليت اعتماد (در دسترس بودن تداوم و يکپارچگي ) اندازه گيريهاي ناوبريمي باشد. حال ببينيم چگونه اين اهداف با تلفيق دو سيستم قابل دستيابي هستند.
يکي از عوامل ايجاد خطاي تعيين پارامترهاي ناوبري وضعيت قرار گرفتن ماهواره هاي تحت ديد يک گيرنده خاص نسبت به آن و نسبت به يکديگر مي باشد. اين موضوع به صورت کمي با پارامتري به نام فاکتور هندسي يا بد شدن دقت تعيين موقعيت (GDOP) مشخص مي شود.
براي همين امکان دريافت سيگنال از ماهواره هاي GLONASS و GPS در دسترس يک گيرنده فاکتور هندسي مناسبتري و در نتيجه دقت بهتري را در تعيين مختصات و سرعت بدست خواهد داد.
در جدول شماره (٢) فاکتور هندسي شامل فاکتور افقي HDOP و فاکتور عمودي VDOP و فاکتور زماني TDOP براي ماهواره هاي GLONASS و استفاده توآم از GLONASS و GPS براي منطقه شهر مسکو درج شده اند همانطور که از جداول پيداست افزايش ماهواره هاي قابل رؤيت يک سيستم GLONASS و يا استفاده از ماهواره هاي قابل رؤيت هر دو سيستم GLONASS و GPS باعث کاهش فاکتور هاي هندسي خطا مي گردند.
در همين ارتباط در جدول شماره (٣) دقتهاي تعيين موقعيت و ارتفاع به کمک تلفيق دو سيستم GLONASS و GPS براي چند رژيم مختلف درج شده اند. از اين جداول پيداست که دقت مختصات با افزايش تعداد ماهواره هاي قابل رؤيت گيرنده افزايش مي يابد.
٧- ساختار و عملکرد Pseudolite
شکل شماره ٢: بلوک دياگرام فرستنده
همانگونه که در شکل شماره (٢) مشاهده مي شود سيستم از دو اسيلاتور تشکيل شده است ، يکي از اسيلاتورها (TCXO) وظيفه توليد فرکانس مبنا را دارا مي باشد که اين فرکانس بسيار دقيق و پايدار است .
