Transcript قسمت هشتم
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؟!