قسمت هشتم

Report
‫سیستمهای کمک ناوبری‬
‫برای متخصصان اویونیک‬
‫سامانه های جهانی ناوبری ماهواره ای‬
‫‪GPS‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫(‪)GPS: Global Positioning System‬‬
‫منظومهای از ‪ ۲۴‬ماهواره در ‪ 6‬مدار زمین را دور زده و در هر مدار ‪۴‬‬
‫ماهواره قرار دارد‪.‬‬
‫این سیستم توسط وزارت دفاع ایاالت متحده پشتیبانی میشود‪.‬‬
‫هیچگونه بهايی بابت این خدمات اخذ نمیشود‪.‬‬
‫با توجه به نزول شدید بهای گیرندههای این سیستم و افزایش‬
‫امکانات آنها‪ ،‬این فناوری در بیش از پیش در اختیار همگان قرار‬
‫گرفته است‪.‬‬
‫تاریخچه ‪GPS‬‬
‫• اولین ماهواره جیپیاس در سال ‪ ۱۹۷۸‬با موفقیت به فضا پرتاب‬
‫شد‪ .‬هدف اصلی و اولیه از طراحی جیپیاس‪ ،‬اهداف نظامی بوده‪،‬‬
‫امـا از سال ‪ ۱۹۸۰‬به بعد بـرای استفادههای غیرنظامی نیز در دسترس‬
‫قرار گرفت‪ .‬در سال ‪ ۱۹۹۴‬تمامی ‪ ۲۴‬ماهواره در مدار زمین قرار‬
‫گرفت‪.‬‬
‫اجزاء ‪GPS‬‬
‫• 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 آمدهاست‪.‬‬
‫• این ایستگاهها وظیفه تعقیب چندجملهای (‪ )Polynomials‬ریاض ی بطریق‬
‫کمترین مربعات‪ ،‬پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهوارهها را نسبت‬
‫ً‬
‫به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا‬
‫در مرکززمین قرار دارد‪ ).‬محاسبه مینماید‪.‬‬
‫• تعداد این ایستگاههای زمینی ‪ ۵‬عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو‬
‫اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ‪ ۴‬ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین‬
‫مستقر هستند‪.‬‬
‫گیرنده‬
‫• قسمت ‪ USER‬یا کاربران سیستم‬
‫– آنتن دریافت کننده اطالعات ارسالی از ماهوارهها‬
‫– گیرنده(پردازشکننده اطالعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)‬
‫• نرمافزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا‬
‫ماهوارههای مرتبط با گیرنده را تعیین میکند سپس با استفاده از‬
‫حداقل ‪ ۴‬ماهواره موقعیت ‪ X‬و‪ Y‬و ‪ Z‬محل استقرار آنتن یا همان‬
‫گیرنده تعیین میشود‪.‬‬
‫دیگر سامانههای ‪GNSS‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫سامانه گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون بهدست کشور‬
‫روسیه اداره میشود‪.‬‬
‫سامانه گالیله گسترش داده شده توسط اتحادیه اروپا‬
‫سامانه بیدو (‪ )Beidou‬که به صورت مستقل چین در حال‬
‫گسترش میباشد‬
‫سامانه ‪ QZSS‬درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی‬
‫سامانه ماهوارهای موقعیت یابی ملی هند (‪)IRNSS‬‬
‫سیگنالهای جیپیاس‬
‫• ماهوارههای سامانه موقعیتیاب جهانی (‪ ،)GPS‬به انتشار‬
‫سیگنالهای رادیویی میپردازند تا به گیرندههای جیپیاس این امکان‬
‫را بدهند که به تعیین موقعیت و زمان همگام شده بپردازند‪.‬‬
‫• سیگنالهای جیپیاس‪ ،‬شامل سیگنالهای مسافت یابی‪ ،‬به منظور اندازه‬
‫گیری فاصله تا ماهواره مورد استفاده قرار میگیرند و دادههای نجومی برای‬
‫محاسبه موقعیت ماهواره در مدار استفاده میشوند‪ .‬سیگنالهای جیپیاس‬
‫همچنین اطالعات در خصوص زمان و وضعیت منظومه ماهوارهای را در بر‬
‫میگیرد‪.‬‬
‫سیگنالهای اصلی جیپیاس‬
‫• طرح اصلی جیپیاس‪ ،‬شامل دو کد مسافت یابی میباشد‪:‬‬
‫– کد عادی‪/‬اکتسابی یا ‪ ،C/A‬که بدون هیچ گونه محدودیتی برای عموم‬
‫آزاد است و‬
‫ً‬
‫– کد کنترل شده دقت یا کد ‪ ،P‬که معموال برای کاربردهای نظامی رزرو‬
‫میشود‪.‬‬
‫کد عادی ‪ /‬اکتسابی‬
‫• کد ‪ ،C/A‬عددی شبه تصادفی و طوالنی برابر با ‪ ۱۰۲۳‬بیت میباشد‬
‫(‪ )PRN‬که با نرخ‪ 023/1‬مگابایت در ثانیه منتقل شده و بنابراین‪،‬‬
‫در هر یک هزارم ثانیه تکرار میشود‪ .‬هر ماهواره تنها از یک کد‬
‫‪ PRN‬منحصر به فرد استفاده میکند‪ .‬با استفاده از این کدهای‬
‫شبه تصادفی و به روش ‪ CDMA‬گیرنده ماهواره قادر به تشخیص‬
‫سیگنالهای ماهواره های مختلف که بر روی یک فرکانس دریافت‬
‫میشوند میشود‪.‬‬
‫کد دقت‬
‫• کد دقت نیز دارای عددی شبه تصادفی (‪ )PRN‬میباشد‪،‬‬
‫• طول نهایی کد ‪ ،P‬بسیار زیادتر از کد عادی است‪.‬‬
‫• به منظور جلوگیری از استفاده کاربران غیرمجاز و رعایت مسائل‬
‫حفاظتی نظامی و جنگ الکترونیک‪ ،‬تصمیم گرفته شد که کد ‪ p‬به‬
‫صورت رمز درآورده شود‪.‬‬
‫فرکانس جی پی اس‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫دو فرکانس مورد استفاده قرار میگیرند؛‬
‫‪ ،1575.42 MHz‬که‪ L1‬نامیده میشود‪،‬‬
‫‪ ،1227.60MHz‬که ‪ L2‬نامگذاری شدهاست‪.‬‬
‫کد(‪ P(Y‬بر روی هر دوی فرکانسهای ‪L1‬و ‪ L2‬منتقل میشود‬
‫کد ‪ C/A‬بر روی فرکانس ‪ L1‬به عنوان یک سیگنال ‪ 023/1‬مگاهرتزی منتقل میشود که‬
‫یک شیوه مدوالسیون ‪ BPSK‬استفاده میکند‪.‬‬
‫منفعت بسیار مهم داشتن دو فرکانس که از یک ماهواره منتقل میشود‪ ،‬توانایی اندازه‬
‫گیری و بنابراین حذف خطای تاخیر طبقه یونسفر برای آن ماهواره است‪ .‬بدون چنین اندازه‬
‫گیری‪ ،‬یک گیرنده جیپیاس باید از یک طرح عام استفاده کند و یا از منبعی دیگر‬
‫تصحیحات طبقه یونسفر را دریافت کند (منبعی همانند ‪EGNOS‬‬
‫ و دقت مورد نیاز در ناوبری‬GPS ‫دقت موجود‬
Phase
of
Flight
Accura
cy (95%)
En Route
Integri
ty Risk
H:
3.7
1x10-7/h
1x10-4/h to
H: 0.74
Km
NPA
H: 220
m
APV I
H: 16 m
V: 20 m
APV II
H: 16 m
V: 8m
Cat I
H: 16 m
V: 6 to
2x10-7/App
4m
Cat II/III
Surface Ops
Under Development
Avail
ability
1x10-8/h
Km
Terminal
Continuity
Risk
8x10-6/ 15s
0.99
to 0.99999
‫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
‫• خطای عمدی یا ‪ Selective Availability‬خطائی بود که‬
‫وزارت دفاع ایاالت متحده‪ ،‬عمدا با تغییر در اطالعات زمانی سیگنال‬
‫‪ L1‬در سیستم جی پی اس ایجاد مینمود 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
‫مینمود‪.‬این خطا در ساعت ‪ 5‬و ‪ 5‬دقیقه صبحگاه دوم ماه می‬
‫‪ 2000‬از روی سیستم برداشته شد‪.‬‬
‫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 میدهد‪.‬‬
‫– تغییر در سرعت انتشار موج که باعث میشود 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 میدهد‪.‬‬
‫بنابراین‪ ،‬این خطا در زیر ماهواره و یا ‪ S.S.Point‬مینیمم و هنگامی که ماهواره در‬
‫راستای افق قرار بگیرد ماکزیمم خواهد شد‪.‬‬
‫خطای اتمسفر‬
‫انعکاس چندگانه‬
‫• موانع نزدیک گیرنده‪ ،‬سیگنال اصلی را منعکس کرده و باعث دریافت سیگنالهای جدید و کاذب می‪-‬‬
‫شوند‪ .‬این سیگنالهای انعکاس ی‪ ،‬مسیری طوالنی تر از سیگنال اصلی را طی نموده و باعث تغییر در‬
‫دامنه و فاز سیگنال اصلی میشوند‪.‬‬
‫• در یک گیرنده معمولی‪ ،‬انعکاس قادر به ایجاد خطائی در حدود ‪ 10‬متر در کد ‪ C/A‬است‪.‬‬
‫• این خطا به دو نوع استاتیک و دینامیک تقسیم میشود‪ .‬خطای استاتیک به گیرندههای ثابت‬
‫مربوط میشود‪ .‬در این حالت مقدار خطا ثابت است و با حرکت ماهوارهها در فضا‪ ،‬بآهستگی تغییر‬
‫میکند‪ ،‬خطای استاتیک در محدوده چند دقیقه ثابت میماند‪ .‬در خطای دینامیک که مربوط به‬
‫گیرندههای 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 .‬یخش ی از این روشها به سیاستهائی در مورد آنتن باز‬
‫میگردد‪ .‬مانند استفاده از آنتنهای جهت دار و یا آنتنهائی با صفحه زمین و یا دقت در جانمائی آنتن‪،‬‬
‫اندازهگیری طوالنی مدت مکان و محاسبه میانگین نیز در کاهش این خطا موثر است‪.‬‬
‫انعکاس چندگانه‬
‫• این خطا به دو نوع استاتیک و دینامیک تقسیم میشود‪ .‬خطای استاتیک به‬
‫گیرندههای ثابت مربوط میشود‪ .‬در این حالت مقدار خطا ثابت است و با‬
‫حرکت ماهوارهها در فضا‪ ،‬بآهستگی تغییر میکند‪ ،‬خطای استاتیک در‬
‫محدوده چند دقیقه ثابت میماند‪ .‬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.‬‬
‫یخش ی از این روشها به سیاستهائی در مورد آنتن باز میگردد‪ .‬مانند استفاده از‬
‫آنتنهای جهت دار و یا آنتنهائی با صفحه زمین و یا دقت در جانمائی آنتن‪،‬‬
‫اندازهگیری طوالنی مدت مکان و محاسبه میانگین نیز در کاهش این خطا موثر‬
‫است‪.‬‬
‫انعکاس چندگانه‬
‫خطای چینش ماهواره ها‬
‫• گاهی چینش ماهوارهها بگونه ایست که خطاهای دریافتی از چند‬
‫ماهواره به هم نزدیک میشوند‪ .‬این امر‪ ،‬دامنه خطا را افزایش داده‬
‫و کشف آنرا مشکل میکند‪ .‬بهترین ترکیب ماهوارهها‪ ،‬ترکیبی است‬
‫که ماهواره ها هر چه باالتر بوده و از افق دورتر باشند و نیز‪ ،‬حتی‪-‬‬
‫املقدور‪ ،‬از یکدیگر دور باشند‪ .‬گاهی اوقات‪ ،‬محدودیتها موجب می‪-‬‬
‫شود که ماهوارهای نامطلوب از نظر مکانی‪ ،‬جهت محاسبه فاصله‬
‫بکار گرفته شوند‪.‬‬
‫خطای چینش ماهواره ها‬
‫چینش نامطلوب ماهواره ها‬
‫چینش مطلوب ماهواره ها‬
‫خطای مداری‬
‫• ماهوارهها در نزدیکی زمین‪ ،‬متاثر از تغییرات جرمی زمین قرار گرفته و‬
‫اندکی از مسیر خود منحرف میشوند‪ .‬همچنین‪ ،‬جرم ماه و خورشید‬
‫نیز اثر گرانش ی 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
‫سیستمهای مهانش)‪(Augmentation Systems‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات درون هواپیما یا ‪ABAS‬‬
‫سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات زمینی یا ‪GBAS‬‬
‫سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات ماهواره ای یا ‪SBAS -‬‬
‫‪Airborne Based Augmentation Systems‬‬
‫‪- Ground Based Augmentation Systems‬‬
‫‪- Satellite Based Augmentation Systems‬‬
‫‪ABAS‬‬
‫• سیستمهای ‪ ABAS‬از تجهیزات درون هواپیما استفاده میکنند‪ .‬همچنین از‬
‫قابلیتهای خود سیستم جی پی اس برای افزایش دقت‪ ،‬مانند استفاده از تعداد‬
‫ماهواره بیشتر جهت تعیین مکان نیز به خوبی استفاده میشود‪ .‬در یک سیستم‬
‫‪ ،ABAS‬میتوان اطالعاتی از دیگر سیستمهای ناوبری مانند سیستم ناوبری‬
‫اینرسیایی یا ‪INS‬و یا ارتفاع سنج بارومتری را با اطالعات جی پی اس ترکیب‬
‫کرده و به دقتی باالتر دست یافت‪.‬‬
‫• در هر صورت‪ ،‬دقت بدست آمده توسط ‪ ،ABAS‬حداقل های مورد نظر‬
‫ایکائو برای انجام تقرب را تامین نمیکند و بنابراین کاربرد ن در محدوده‬
‫مسیرهای هوائی محدود میشود‪.‬‬
‫‪SBAS‬‬
‫• سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات ماهواره ای یا ‪SBAS‬‬
‫ها‪ ،‬بر اساس دریافت 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 طرف ماهواره ژئو به گیرندههای ‪ SBAS‬کار‬
‫میکنند‪.‬‬
SBAS ‫معماری‬
GEO
GPS
Reference
Stations
Master Station
SBAS
Message
Uplink
Station
SBAS ‫انواع‬
•
•
•
•
•
•
•
•
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؟!‬

similar documents