شرکت آینده گستر سپهر

مقاله جی پی اس گارمین - GPS گارمین

  مقدمه

  جی پی اس گارمین  ( Global positioning system GARMIN)یک سیستم ناوبری مبتنی بر ماهواره است که موقعیت وسرعت(هر دو به صورت سه بعدی )و زمان را تعیین می کند.اکنون GPS گارمین صدها هزار کاربر در سرتاسر جهان دارد و کاربرهایی نظیر ناوبری در فضا ،هوا،خشکی ودریا،نقشه برداری،زمین شناسی وزمان سنجی دقیق ،شایع ترین موارد استفاده آن است.GPS به سه بخش تقسیم می شود. بخش فضا،کنترل و بخش کاربر. بخش فضا شامل 24 ماهواره است که در 6  مدار قرار گرفته اند. ارتفاع هر ماهواره، حدود 20000 کیلو متر و زمان گردش آن حدود 12 ساعت می باشد. ماهواره ها دارای ساعت اتمی می باشند ودائماً زمان واطلاعات موقعیتی( Ephemeris) خود را اعلام می کنند. بخش کنترل شامل چهار ایستگاه رصد( Monitoring) ویک ایستگاه کنترل مرکزی در رودخانة کلرادو می باشد. این ایستگاه ها دائماً ماهواره ها را دنبال می کنند. ایستگاه کنترل مرکزی اطلاعات موقعیتی (Ephemeris) وبا یاس کلاک ماهواره ها را پیش بینی وبه آنها ارسال می کند.بخش کاربر شامل تمامی گیرنده های GPS یک سیستم Passive می باشد ، یعنی گیرنده فقط به امواج ماهواره ها گوش می دهد، تعداد کاربران نا محدود بوده و مرتباً نیز افزایش می یابد.

معرفی سیستم جی پی اس گارمین

جی پی اس گارمین 1برای بدست آوردن اطلاعات دقیق موقعیت، سرعت و زمان (PVT) 2طراحی شده و کاربردهای فراوانی در مسائل نظامی،حمل و نقل و نقشه برداری دارد. این سیستم شامل سه بخش کلی فضا، کنترل و کاربر می باشد که مختصراً به تشریح آن می پردازیم.

بخش فضا

  شامل 24 ماهوارة GPS است که در 6 مدار با زاویة‌ انحراف ْ55 نسبت به صفحة استوا و ارتفاع متوسط 20200 کیلومتر از سطح زمین قرار گرفته اند. زمان گردش هر ماهواره به دور زمین 11 ساعت و 58 دقیقه است که حدوداً نصف زمان گردش زمین به دور خودش(یک شبانه روز)است. ماهواره ها طوری در مدار هایشان قرار گرفته اند که در هر نقطه ای از زمین حداقل 4 ماهواره با روابط جغرافیایی خوب قابل رؤیت باشند. ماهواره ها سیگنال هایی را در دو باند فرکانسی I 1 = 1575.42 MHz و I 2 = 1227.6 MHz منتشر می کنند. دو نوع کد P (دقیق) و(Coarse/Acquisition) C/A روی این حامل ها سوار می شوند. از هر دو کد C/A  و P می توان برای اندازه گیری فاصلة بین ماهواره و دریافت کننده استفاده نمود. اما استفاده از کد P منوط به داشتن مجوز از تشکیلات نظامی ایا لات متحده می باشد. کد C/A با فرکانس 023/1 مگا هرتز روی حاملI1 سوار می شود و کد P  با فرکانسی10 برابر آن (23/10 مگا هرتز) بر روی هر دو حامل I1  و I2  سوار می شود.کد P هنگامی که توسط گیرنده دریافت و رمز گشایی می شود بنام Y خوانده می شود. یک پیغام هدایت (Navigation Message) 50 هرتزی با هر دو کد P (Y) ، C/A ترکیب می شود که شامل اطلاعات دقیق مداری ماهواره(Ephemeris)  ، با یاس ساعت ، دیتای تصحیح خطای یونیسفری وخواهد بود.

بخش کنترل

  شامل یک ایستگاه کنترل مرکزی (Master Control Station) در کلردای امریکا ، به علاوه ایستگاه های رصد Moniton Stations) ( و آنتن هایزمینی (Graund Antennas) در نقاط مختلف زمین است.

ایستگاه های رصد، مسیرماهواره ها را دنبال کرده، اطلاعات فاصله ای را از آنها جمع آوری می کنند. این اطلاعات به ایستگاه کنترل مرکزی(که وظیفة تخمین و پیش بینی پارامترهای کلاک واطلاعات نجومی ماهواره را به عهده دارد)، ارسال می شود.

آنتن های زمینی متناوباً  اطلاعات نجومی و ساعات ماهواره ها را به آنها اعلام می کنند و ایستگاه کنترل زمینی از این اطلاعات استفاده می نماید تا پیغام هدایت ماهواره ها را تجدید نماید. بنابراین وظیفه بخش کنترل اطلاع از سلامتی ماهواره ها و به روز کردن ساعت و اطلاعات نجومی ماهواره ها می باشد.

بخش کاربر

شامل گیرنده هایی است که برای دریافت، کد گشایی و پردازش سیگنال های ماهواره ها طراحی شده اند. این گیرنده ها یا به تنهایی استفاده می شوند و یا این که برای رسیدن به دقت بالاتر از ترکیبی از گیرنده ها ی GPS و دیگرسیستم ها مثلاً INS3 استفاده می کنند. گاهی اوقات نیز ترکیبی از دو یا چند گیرندة GPS گارمین که حداقل یکی ازآن دو در موقعیت مشخصی قرار دارد، استفاده می شود که به آن DGPS4 اطلاق می گردد. در این روش بسیاری از خطاهای متداول کاهش می یابد.

دو نوع سرویس توسط GPS گارمین ارائه می شود. سیستم موقعیت یابی دقیق (PPS)5و سرویس موقعیت یابی استاندارد SPS))6.

سرویس دقیق (PPS)

سرویس دقیقی برای یافتن موقعیت، سرعت وزمان است که مختص کاربران دارای مجوز است و برای مقاصد نظامی به کار می رود. اعطای این مجوز از سوی سازمان دفاع آمریکا(DO D) صورت می پذیرد.دقت این سرویس طوری است که موقعیت محاسبه شده توسط آن در 50% موارد داخل کره ای به شعاع 16 متر قرار می گیرد وتا 100 نانو ثانیه دقت زمانی نسبت به ساعت جهانی (UTC) دارد. این سرویس سرعت را با دقتی در حدود 2/0 متر بر ثانیه محاسبه می نماید. دستیابی به سرویس دقیقPPS  با دو عامل کنترل می گردد.مقبولیت انتخابی (SA) و (AS)  7.

SA با ایجادخطاهای شبه تصادفی در سیگنال های ماهواره ها دقت را کاهش می دهد . این کاهش دقت با ایجاد خطا در 2 پارامتر صورت می پذیرد:

1- ایجاد خطا در کلاک ماهواره (SA – dither) .

2- ایجاد خطا در اطلاعات مداری ماهواره که قسمتی ازپیغام هدایت است (SA – epsilon) .

as که در سال 1994 پیاده سازی شد و هدف این بود که فقط کاربران دارای مجوز (نظامی)با یک دستگاه کد گشا (کلید)بتوانند روی P – code قفل نمایند.

کلیدهایی که برای کد گشایی دقیق موجودند فقط در اختیار کاربرانسرویس PPS قرار می گیرند تا اثرات SA و AS را حذف نمایندو به بالاترین دقت ممکن برسند.

سرویس استاندارد(SPS)

سرویس استاندارد(SPS) دارای دقت کمتری در تعیین موقعیت وزمان وسرعت می باشد، ولی در اختیار تمام کاربران قرار گرفته است. در زمان صلح میزان خطای مقبولیتانتخابی (SA)طوری است که در95% موارد وقتی در حدود 100 متر را فراهم می کندکه این در حدود 156 مترکروی در 95% مواردمی باشد.

تئوری عمل  جی پی اس گارمین  (GPS GARMIN)

کدهای فاصله ای که توسط ماهواره ها منتشر می شوند، گیرندةGPS راقادر می سازد تا زمان ارسال سیگنال از ماهواره را محاسبه نماید و با توجه به معلوم بودن سرعت نور که سیگنال های ماهواره با آن انتشار می یابند میتواند فاصلة بین خود تا هر ماهواره را محاسبه نماید. پیغام هدایت ارسالی از طرف هر ماهواره شامل اطلاعاتی است که موقعیت ماهواره را در زمان ارسال سیگنال مشخص می کند. با معلوم بودن موقعیت ماهواره ها در فضا و فاصلة بین ماهواره ها تا گیرنده، کاربر می تواند موقعیت خودش و همچنین با یاس کلاک را معلوم نماید. این کار به آسانی با حل یک دستگاه معادلات صورت می پذیرد. برای حل این معادلات در معرض دید بودن 4 ماهواره کافی است.

سیگنال های ماهوارة  گارمین GPS شامل موارد زیر می باشد:

کدC/A

کد C/A یک کد نویز شبه تصادفی(PRN) 81023بیتی با فرکانس023/1مگا هرتز است که 1 میلی ثانیه تکرار می شود. طول کوتاه دنبالة C/A به خاطر آن است که گیرنده سریعاً سیگنال ماهواره را دریافت نماید. به هر ماهواره GPS یک PRN متفاوت داده می شود که از بین کدهایی به نام کدهای طلایی (Gold codes) انتخاب می گردد.کدهای طلایی برای کم کردن احتمال این که یک گیرنده یک کد را با کد دیگر اشتباه بگیرد به کار می روند. کد C/A فقط روی حامل I1 ارسال می گردد.

کد P(Y)

یک دنبالة بسیار طولانی 1023 مگا هرتزی است که روی هر دو حامل I1 و I2 ارسال می گردد. کد P(Y)  رویI1  ْ90 با کد C/A اختلاف فاز دارد.

پیغام هدایت (Navigation Message)

یک پیغام هدایت 50 هرتزی با هر دو کد P(Y) و C/A ترکیب می گردد. کد هدایت هم شامل اطلاعاتی است که منحصراً مربوط به ماهوارة ارسال کننده است و هم اطلاعاتی که در تمام ماهواره های GPS مشترکند. اطلاعات پیغام هدایت شامل موارد زیر هستند:

زمان  ارسال  پیغام ،کلمة(HOW) Hand Over   برای عبور از کد C/A به کد P(Y) ، تصحیح کلاک، اطلاعات مداری ماهواره(Ephemerise)  ، اطلاعات سلامتی ماهوارة ارسال کنندة پیغام، Almanac و اطلاعات سلامتی تمام ماهواره ها ، ضرایب مدل تأخیر یونیسفری، ضرایب محاسبة ساعت جهانی(UTC)  .

پیغام هدایت شامل 25 فریم است. هر فریم دارای 1500 بیت است و به 5 زیر فریم 300 بیتی تقسیم می شود. با نرخ انتقال 50 هرتز پیغام هدایت ، 6 ثانیه برای دریافت یک فریم و30 ثانیه برای دریافت یک فریم زمان صرف می شود و 5/12 دقیقه طول می کشد تا تمام 25 فریم دریافت شوند. زیر فریم اول شامل تصحیح کلاک و نیز دقت وسلامتی سیگنال منتشره است.

دستگاه های مختصات جی پی اس گارمین

برای تعیین موقعیت یک نقطه در فضا معمولاً از دستگاه های مختصات متفاوتی استفاده می شود که متداولترین آنها به شرح زیر است:

دستگاه مختصات جغرافیایی

برای تعیین موقعیت یک نقطه روی زمین معمولاً از این مختصات استفاده می شود و با مشخص نمودنسه مؤلفة طول، عرض وارتفاع جغرافیایی صورت می پذیرد.

عرض جغرافیایی (Latitude) : زاویة بین صفحة استوا وخط واصل نقطه به مرکز زمین می باشد.

طول جغرافیایی (Longitude)  : زاویة بین نصف النهار شامل نقطه با نصف النهر مبدأ می باشد.

ارتفاع جغرافیایی (Altitude) :فاصلة عمودی نقطه تا سطح زمین است.

 

دستگاه مختصاتECEF 9

این دستگاه یک دستگاه مختصات کارتزین است که مبدأ آن منطبق بر مرکز زمین ،محورz آن درجهت قطب شمال و محورهای x و y روی صفحة استوا قرار گرفته اند ،طوری که محور x خط واصل مرکز زمین به نصف النهار مبدأ ومحور y ْ90 راست گرد محور x است. محورها نسبت به زمین ثابت هستند.

دستگاه مختصات Intertial

این دستگاه نیز یک دستگاه مختصات کارتزین به مبدأ مرکز زمین می باشد وتفاوت آن با ECEF در این است که محورها نسبت به زمین ثابت نیستند بلکه نسبت به ستاره هایی در اطراف زمین ثابت می باشند.

دستگاه مختصات محلی

در این دستگاه مبدأ مختصات منطبق بر محل مشاهده کننده است ومحورها در راستای شمال، شرق وپایین هستند.

در شبیه سازی حرکت ماهواره ها ، موقعیت گیرنده، حرکت گیرنده و از دستگاه های مختلف مختصات استفاده می گردد ولازم است مختصات در این دستگاه ها به یکدیگر تبدیل شوند

دستگاه مختصات محلی

در این دستگاه مبدأ مختصات منطبق بر محل مشاهده کننده است ومحورها در راستای شمال، شرق وپایین هستند.

در شبیه سازی حرکت ماهواره ها ، موقعیت گیرنده، حرکت گیرنده و از دستگاه های مختلف مختصات استفاده می گردد ولازم است مختصات در این دستگاه ها به یکدیگر تبدیل شوند.

مدل کردن مدارها و حرکت ماهواره های جی پی اس گارمین

حرکت مداری ماهواره

حرکت مداری ماهواره ها نتیجه تأثیرنیروی گرانشی زمین وتعدادی نیروی دیگر است. ازجمله گرانش ماه و خورشید و فشاری که از طریق تشعشعات کیهانی بر ماهواره ها وارد می شود می باشد. برای ماهواره هایی که در ارتفاع بالا حرکت می کنند اصطکاک جوی نیز قابل صرف نظر است. معادلات حرکت ماهواره ها معادلات دیفرانسیلی هستند که با انتگرال گیری نسبت به زمان حل می شوند. شرایط اولییه می توانند موقعیت  وسرعت ماهواره ها در لحظه ای دلخواه باشند. مکان های محاسبه شده (پیش بینی شده) ماهواره ها را می توان با مشاهدات واقعی مقایسه نمود.

انتخاب ماهواره های  (GPS GARMIN)

یک گیرندة GPS بایستس از بین 24 ماهوارة GPSگارمین چهار یا بیشتر ماهواره را با بهترین روابط جغرافیایی انتخاب نماید.

این روند با توجه به دو عامل زیر صورت می پذیرد:

الف قابل رؤیت بودن ماهواره توسط گیرنده

ب دارا بودن کمترین مقادیر کاهش دقت(DO Ps)

انتخاب ماهواره های قابل رؤیت

چون ماهواره ها در ارتفاع بالایی از سطح زمین قرار گرفته اند ، از نواحی پهناوری از زمین قابل رؤیت خواهند بود. در عمل ماهواره هایی که به اندازة 15-10 بالاتر از افق دید گیرنده باشند، دیده می شوند . این زاویه به نام زاویة ماسک مشهور است و علت دیده نشدن  ماهواره هایی که در ناحیة زاویة ماسک واقع می شوند اثر لایة تروپوسفر جو روی سیگنال های GPSگارمین است. زاویة دید ماهواره در تمام حالات حدود ْ27 محاسبه می شود ، وبین زاویة مرکزی a و زاویة ماسک  ε رابطة زیر برقرار است:

ْ152 a + ε   =

 

انواع مشاهدات جی پی اس گارمین

دو نوع مشاهده در سیستم  گارمین GPS موجود می باشد‍ :

الف شبه فاصله  Pseudorange

ب فاز حامل  Carrier Phase

معمولاً نوع اول در ناو بری ونوع دوم برای مسیر یابی دقیق استفاده می شوند. ترکیبی از این دو نوع نیز برای بالا بردن دقت عملیات متداول است.

Carrier Phase اختلاف فاز بین فاز موج حامل دریافتی از ماهواره و فاز نوسان ساز داخلی گیرندة GPS 'گارمین می باشد. با اندازه گیری آن توسط پدیدة «دوپلر» می توان سرعت گیرنده را محاسبه نمود.





تماس با آینده گستر سپهر
شماره تماس جهت سفارش و مشاوره رایگان
واحد فروش :

7 الی 88538254 - 021