بخش دوم   

مشخصات عمومی ماهواره ها عبارتند از:

نام ، NAVSTAR
سازنده ، Rackwell International
ارتفاع پرواز ،  20183 کیلومتر
وزن ، 860 کیلوگرم
اندازه ، 7.2 متر مربع با صفحات خورشیدی
زمان پیمودن دور کره زمین ، 12 ساعت نجومی (11 ساعت و 58 دقیقه)
صفحه مداری ، با صفحه استوا زاویه 55 درجه میسازد
عمر تخمینی ، 7 سال

 مدارهای شش گانه ماهواره ایGPS  **** به محل قرار گیری هر گروه از ماهواره ها دقت کنید

  تصویری از یک ماهوارهGPS **به صفحات خورشیدی و گیرنده،فرستنده های ماهواره توجه کنید 

   سیگنال‌های ماهواره( Satellite Signals )   

هر ماهواره یك سیگنال مسیریابی كه شامل عناصر مداری، وضعیت ساعت (Clock)‌، زمان سیستم و وضعیت پیام‌ها می‌باشد را ارسال می‌نماید. به علاوه یك تقویم نجومی (almanac) تهیه می‌شود كه اطلاعات (تقریبی) را برای هر ماهواره فعال ارسال نماید. سیگنال‌های رادیویی با سرعت نور منتشر می‌شوند. سیصد هزار كیلومتر در ثانیه، مدت زمان 06/0 ثانیه طول می‌كشد كه سیگنال ارسالی از ماهواره GPS به زمین برسد. این سیگنال‌ها با قدرت كم (حدود 300 تا 350 وات در طیف مایكروویو) ارسال می‌گردند. كد C/A (Coarse A qwsition Cood) برای استفاده كاربرهای شخصی در دسترس می‌باشد و به عنوان (SPS) (Standard Positining Service) مسیریابی استاندارد. PPS یا Precise Positioning Service سرویس مكان یابی دقیق كه منحصراً در دسترس كاربرهای نظامی و كاربرهای مجاز می‌باشد. سیگنال‌های ماهواره به خط مستقیم جهت رسیدن و استفاده گیرنده‌های GPS نیازدارند. درخت، ساختمان،‌ كوه و حتی دست و یا بدن می‌تواند سیگنال‌های ماهواره‌ها را بلوكه نماید.تقویم نجومی یا Almanac شامل اطلاعاتی راجع به مدارات 24 ماهواره می‌باشد. یك گیرنده GPS از تقویم نجومی كه در پیام‌های دیتای ماهواره وجود دارد برای موقعیت هر ماهواره‌ای كه ردیابی می‌كند استفاده می‌نماید. نرم افزار mission planning برای تهیه گراف و موقعیت ماهواره‌های قابل رؤیت و بهترین زمان بررسی در منطقه مخصوص،‌ از تقویم نجومی استفاده می‌نماید. تقویم نجومی برای مدت 30 روز معتبر می‌باشد،‌ اما هر بار كه گیرنده GPS روشن می‌شود بطور اتوماتیك تقویم نجومی را دریافت می‌كند (در مدت زمان 15 دقیقه). استفاده از تقویم نجومی به روز یا up-to-date برای استفاده از ماهواره‌هایی كه در دید گیرنده‌های GPS قرار می‌گیرند بسیار مهم می‌باشد.

 بخش كنترل (Control Segment) 

 بخش كنترل شامل پنج ایستگاه مونیتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوایی، كواجالین،‌ جزیره اسنشن، دیوگوگارسیا و كلورادو می‌باشد. ایستگاه (MCS) یا مركز كنترل در كلورادو قرار دارد. ایستگاه‌های مونیتور، ماهوار‌های در معرض دید را ردیابی می‌نماید و اطلاعات فاصله را جمع‌آوری و این اطلاعات را در ایستگاه MCS تجزیه و تحلیل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص می‌نماید و پیام‌های هر ماهواره مكان‌یاب را به روز می‌نماید. اطلاعات به روز شده از طریق آنتن‌های زمینی به ماهواره‌ها ارسال می‌گردد. ماهواره‌های GPS 1- پیام‌های اطلاعاتی ماهواره (موقعیت و زمان) 2- تقویم نجومی 3- اصلاح مداری را كه از ایستگاه MCS دریافت می‌نمایند، ارسال می‌كنند و گیرنده‌های GPS از تمامی این اطلاعات جهت محاسبه موقعیت استفاده می‌نمایید. 

 

 ایستگاههای کنترل GPS  

 

ایستگاههای پنجگانه در مکانهای هاوائی واقع در اقیانوس آرام ، کلرادو اسپرینگز در آمریکا ، اسنسیون در اقیانوس اطلس ، دیگه گارسیا در اقیانوس هند و کواجالین در اقیانوسیه قرار دارد.

سه ایستگاه اسنسیون ، دیگو گارسیا و کواجالین میتوانند به ماهواره ها پیام مخابره کنند. این پیامها شامل موقعیتهای جدید ماهواره ها ، تصحیح ساعت و اطلاعات دیگر است. همچنین کلیه دستوراتی که به ماهواره ها داده میشود از طریق این سه ایستگاه صورت میگیرد. ایستگاه کلرادو اسپرینگز ایستگاه اصلی اس. اطلاعات حاصل از تعقیب ماهواره ها از کلیه ایستگاههای دیگر جمع آوری و به این ایستگاه مخابره میشوند. محاسبات مربوط به موقعیت هر ماهواره و تصحیح ساعت آن در این محل صورت میگیرد.
تغییر و یا تنظیم موقعیت ماهواره ها از جمله فرامین این ایستگاه است. جایگزین کردن ماهواره های جدید بجای یک ماهواره از کار افتاده نیز از طریق دستورات این ایستگاه انجام میشود. 

  روشهای تعیین موقعیتGPS    

به وسيله گيرنده های سيستم GPS مي توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبي تعيين موقعيت کرد و براي تعيين موقعيت در هر يک از دو روش فوق می توان از روش هاي ايستا (Static) ، متحرک

(Kinematics) و نيمه متحرک (Semi-Kinematics) استفاده کرد.در روش مطلق ، موقعيت نسبي نقطه نسبت به يک نقطه مختصات دار معلوم

 ((DELTA(X),DELTA(Y),DELTA(Z)) بدست مي آيد. روش تعيين موقعيت نسبي به علت حذف خطاهاي سيستماتيک موجود در اندازه گيري هاي GPS از اهميت خاصي برخوردار است و براي انجام آن نياز به دو گيرنده GPS  مي باشدکه بطور همزمان ماهواره هاي مشترک را مشاهده و اندازه گيري نمايند. منظور از همزماني ، بدين معنی است که شرايط اندازه گيري براي هر دو گيرنده مستقر در ايستگاه های استقرار، يکي با مختصات معلوم و ديگري با مختصات مجهول،يکسان باشد. از روش تعيين موقعيت نسبي با GPS اکثرا در کارهاي نقشه برداري و گسترش شبکه هاي ژئودزی استفاده مي شود.دقت تعيين مختصات مطلق با سيستم GPS  در حال حاضر در بهترين حالت 3 ± متر مي باشد و دقت تعيين مختصات نسبي با اين سيستم در حد ميليمتر مي باشد.

هر ماهواره GPS بطور مستقل اطلاعات زير را توسط آنتنهای تعبيه شده بر روی بدنه اش به زمين ارسال می نمايد:

 1) امواج حامل

الف)  موج حامل (L1) با فرکانس   f1=1500 MHZ

ب)  موج حامل (L2) با فرکانس    f2=1200 MHZ

۲) کدهای اطلاعاتي(بصورت دودويي)

الف)  کدغير نظامي(کد C/A ) ؛      f=1.023 MHZ   

ب)  کد دقيق (کد P ) ؛               f=10.23 MHZ

 ج)  کد سري (کد Y) ؛               f=10.23 MHZ

براي رسين به حداکثر دقت و کارآيي GPS توسط يک گيرنده بايد از گيرنده اي استفاده کرد که هر دو موج حامل  L1 و L2  و کدهاي فوق را دريافت نموده وقابليت آنتي اسپوفينگ (AS) داشته باشد؛ يعني بتواند کد سري Y را به يک کد P وبالعکس تبديل کند.

 3) پيام ماهواره(Message) با فرکانس f=1500 MHZ  که حامل اطلاعات زير مي باشد:

 الف) اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعيت ماهواره مي شود.

 ب) اطلاعات مربوط به زمان

 ج) اطلاعات شماره ماهواره

 د) اطلاعات مربوط به ضريب دقت آرايش هندسي  ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و يا اگرزاويه هر دو ماهواره با هم 120 درجه باشد تعيين موقعيت محل دارای دقت بيشتري خواهد بود.)

 مجموعه اطلاعات فوق يعني امواج حامل،کدهاي اطلاعاتي و پيام ماهواره ، همراه يکديگر توسط مدولاسيون فاز بسمت زمين مخابره شده و گيرنده های زميني که قابليت ها و انواع متفاوتي دارندضمن دريافت مجموعه فوق پس از عمل De Modulation  هر بخش را براي منظور خاص خود مورد استفاده قرار می دهد.لازم به ذکر است که بهترين و دقيق ترين گيرنده ، گيرنده ايست که قابليت در يافت کليه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر يک را به طرقي جداگانه دريافت کند و ارزان ترين گيرنده هم گيرنده ايست که تنها قابليت دريافت موج حامل L1 ،کدC/A و پيام ماهواره را دارد.لازم بذکر است که کد CA فقط بر روی موج L1 مدوله ميشود ولي کد P  بر روي هر دو موج وجود دارد.

اما اگربخواهیم عملکرد این ماهواره ها بطور ساده تر را بررسی کنیم به نتایج زیر می رسیم:

 سيگنـال هایی که  هرماهولره ی GPSارسال میکند شـــــامــل يـــك كد شبه تصادفي Pseudo Random Code ، داده اي بنام ephemeris ويك داده تقويــــمي بنام almanac مي باشد.

كد شبه تصادفي مشخص كننده ماهواره ارسال كننده اطلاعات ( كد شتاسايي ماهواره ) مي باشد. هرماهواره باكدي مخصوص شناسايي مي شود : RPN Random Code Pseudo اين عددي است بين 1و 32 . اين عدد درگيرنده هر GPS نمايش داده ميشود .دليل اينكه تعداد اين شناسه ها بيش از 28 مي باشد امكان تسهيل درنگهداري شبكه GPS باشد . زيرا ممكن است يك ماهواره پرتاب شود و شروع بكار نمايد قبل از اينكه ماهواره قبلي از رده خارج شده باشد . به اين دليل ازيك عدد ديگر بين 1و 32 براي شناسايي اين ماهواره جديد استفاده مي شود .
داده Ephemeris دائماً بوسيله ماهوارها ارسال ميگردد وحاوي اطلاعاتي درمورد :

وضعيت خود ماهواره ( سالم يا ناسالم ) و تاريخ وزمان فعلي مي باشد .گيرنده GPS بدون وجود اين بخش از پيام درمورد زمان وتاريخ فعلي دركي ندارد . اين بخش پيام نكته اساسي براي تعين مكان مي باشد.

 Almanac داده اي را انتقال مي دهد كه نشان دهنده اطلاعات مداري براي هرماهواره وتمام ماهوارهاي ديگر سيستم مي باشد .

 حال ميتوان شيوه كار GPS را بهتر بررسي كرد . هرماهواره پيامي را ارسال مي كند كه بــطور ســــــاده مي گويد :

من ماهواره شماره X هستم ، موقعيت فعلي من Y است ، و اين پيام در زمان Z ارسال شده است.

 هر چند كه اين شكل ساده شده پيام ارسالي است ولي مي تواند كل طرز كار سيستم را بيان نمايد . گيرنده GPS پيام را مي خواند و داده هاي almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدي ذخيــره مي نمايد . اين اطـلاعـات مي توانند براي تصحيح و يا تنظيم ساعت دروني GPS نيز به كار روند .

 حال براي تعيين موقعيت ، گيرنده GPS زمانهاي دريافت شده را با زمان خود مقايسه مي كند . تفاوت اين دو مشخص كننده فاصله گيرنده GPS از ماهواره مزبور مي باشد . اين عملي است كه دقيقاً يك گيرنده GPS انجام مي دهد . با استفاده از حداقل سه ماهواره يا بيشتر ، GPS مي تواند طول و عرض جغرافيايي مكان خود را تعيين نمايد . ( كه آن را تعيين دو بعدي مي نامند . ) و با تبادل با چهار ( و يا بيشتر ) ماهواره يك GPS مي تواند موقعيت سه بعدي مكان خود را تعيين نمايد كه شامل طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع مي باشد . با انجام پشت سر هم اين محاسبات ، GPS مي تواند سرعت و جهت حركت خود را نيز به دقت مشخص نمايد . 
 امروزه در بعضی مکان های ايران قادر به دريافت اطلاعات تا 10 ماهواره می باشيم و حداقل به 4 تا 5 ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسي داريم.

 هر قدر تعداد ماهواره های قابل مشاهده بيشتر شود معادلات اساسی 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 مي بايست مورد توجه قرار گيرد اينست که ارتفاعي که GPS به ما مي دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق ميکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنايي بنام بيضوي مقایسه یا سطح ژئوئید است در حالي که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتريک مي باشدکه از سطح درياهای آزاد محاسبه مي گردد.مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود 100 متر است.

 يكي از عواملي كه بر روي دقت عمل يك GPS اثــر مي گذارد . شكل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به يكديگر مي باشد . (از نقطه نظر GPS )

اگر يك GPS با چهار ماهواره تبادل نمايد و هر چهار ماهواره در شمال و شرق GPS باشند طرح و هندسه اين ماهوارها براي اين GPS بسيار ضعيف ميباشد و شايد GPS قادر نباشد مكان يابي نمايد. زيرا تمام اندازه گيريهاي فاصله در يك جهت عمومي قرار دارند.مثلث سازي ضعيف است وناحيه مشترك بدست آمده ازاشتراك اين مسافت سنجي ها وسيع مي باشد ( مكاني كه GPSبراي مكان خود تصورمي كند بسيار وسيع مي باشد ودر نتيجه تعيين دقيق محل آن ممكن نيست )دراين موقعيتها حتي اگر GPS مكان يابي را انجام دهد وموقعيتي راگزارش نمايد دقت آن نمي تواند زياد خوب باشـــــــد ( كمتر از500-300 فيت ).اگر همين چهارماهواره درچهارجهت ( شمال ، جنوب ، شرق ، غرب )وبا زواياي 90 درجه قرارداشته باشند طرح اين چهار ماهواره براي GPS مزبور بهترين حالت مي باشد چراكه جهات مسافت سنجي چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراك اين مسافت سنجي ها بسيار كوچك مي باشد

و هر چه این نقطه اشتراك كوچكتر باشد به معني آن است كه بيشتر به نقطه واقعي حضورخود نزديك شده ايم .

دراين موقعيت دقت عمل كمتر از100فيت مي باشد .