سیستمهای کمک ناوبری برای متخصصان اویونیک

1. سیستمهای کمک ناوبریبرای متخصصان اویونیک سامانه های جهانی ناوبری ماهواره ای

2. GPS • (GPS: Global Positioning System) • منظومه‌ای از ۲۴ ماهواره در 6 مدار زمین را دور زده و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. • این سیستم توسط وزارت دفاع ایالات 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.

3. تاریخچه GPS • اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی‌پی‌اس، اهداف نظامی بوده، امـا از سال ۱۹۸۰ به بعد بـرای استفاده‌های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. در سال ۱۹۹۴ تمامی ۲۴ ماهواره در مدار زمین قرار گرفت.

4. اجزاء GPS • بخش فضائی • بخش کنترلی • گیرنده ها

5. کنترل • بخش کنترل زمینی این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت بدست آمده‌است. • این ایستگاه‌ها وظیفه تعقیب چندجمله‌ای (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره‌ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریباً در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می‌نماید. • تعداد این ایستگاههای زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند.

6. گیرنده • قسمت USER یا کاربران سیستم • آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها • گیرنده(پردازش‌کننده اطلاعات 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 ۴ ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می‌شود.

7. 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 (Beidou) که به صورت مستقل چین در حال گسترش می‌باشد • سامانه QZSS درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی • سامانه ماهواره‌ای موقعیت یابی ملی هند (IRNSS)

8. سیگنال‌های جی‌پی‌اس • ماهواره‌های سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS)، به 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 اطلاعات در خصوص زمان و وضعیت منظومه ماهوارهای را در بر می‌گیرد.

9. سیگنال‌های اصلی جی‌پی‌اس • طرح اصلی جی‌پی‌اس، شامل دو کد مسافت یابی می‌باشد: • کد عادی/اکتسابی یا C/A، که بدون هیچ گونه محدودیتی برای عموم آزاد است و • کد کنترل شده دقت یا کد P، که معمولاً برای کاربردهای نظامی رزرو می‌شود.

10. کد عادی / اکتسابی • کد C/A، عددی شبه تصادفی و طولانی برابر با ۱۰۲۳ بیت می‌باشد (PRN) که با نرخ023/1 مگابایت در ثانیه منتقل شده و بنابراین، در هر یک هزارم ثانیه تکرار می‌شود. هر ماهواره تنها از یک کد PRN منحصر به فرد استفاده می­کند. با استفاده از این کدهای شبه تصادفی و به روش CDMA گیرنده ماهواره قادر به تشخیص سیگنالهای ماهواره های مختلف که بر روی یک فرکانس دریافت می­شوند می­شود.

11. کد دقت • کد دقت نیز دارای عددی شبه تصادفی (PRN) می‌باشد، • طول نهایی کد P، بسیار 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 p به صورت رمز درآورده شود.

12. فرکانس جی پی اس • دو فرکانس مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ • 1575.42 MHz، کهL1 نامیده می‌شود، • 1227.60MHz، که L2 نامگذاری شده‌است. • کد(P(Y بر روی هر دوی فرکانس‌های L1و L2 منتقل می‌شود • کد C/A بر روی فرکانس L1 به عنوان یک سیگنال 023/1 مگاهرتزی منتقل می‌شود که یک شیوه مدولاسیون BPSK استفاده 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

13. دقت موجود GPS و دقت مورد نیاز در ناوبری

14. منابع خطا در اطلاعات جی پی اس • خطای عمدی • چینش ماهواره ها • تغییرات مداری ماهواره ها • انعکاس چندگانه • خطاهای اتمسفر • خطای ساعت گیرنده

15. خطای عمدی • خطای عمدی یا Selective Availability خطائی بود که وزارت دفاع ایالات متحده، عمدا با تغییر در اطلاعات زمانی سیگنال L1 در سیستم جی پی اس ایجاد می­نمود تا کاربران عادی قادر به دریافت اطلاعات دقیق نبوده و از این سیسم برای اهدافی مغایر با منافع ایلات متحده استفاده ننمایند. واضح است که کاربران نظامی ایلات متحده، مجهز به گیرنده هایی بودند که این خطا را اصلاح می­نمود.این خطا در ساعت 5 و 5 دقیقه صبحگاه دوم ماه می 2000 از روی سیستم برداشته شد.

16. خطای اطلاعات جی پی اس در روز حذف خطای عمدی

17. مقایسه دقت جی پی اس با و بدون خطای عمدی

18. خطای اتمسفر • گذر موج از لایه 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.Point مینیمم و هنگامی که ماهواره در راستای افق قرار بگیرد ماکزیمم خواهد شد.

19. خطای اتمسفر

20. انعکاس چندگانه • موانع نزدیک گیرنده، سیگنال اصلی را منعکس کرده و باعث دریافت سیگنالهای جدید و کاذب می­شوند. این سیگنالهای انعکاسی، مسیری طولانی 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 10 متر در کد C/A است. • 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 بالائی داریم. در این موارد روشهائی جهت تخمین و حذف خطای انعکاس توسعه داده شده است. یخشی 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 طولانی مدت مکان و محاسبه میانگین نیز در کاهش این خطا موثر است.

21. 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 گیرنده­های متحرک است، مشخصات خطا در ابعاد یک ثانیه دارای تغییرات سریع است. در کاربردهای استاتیک، عموما نیاز به دقت بسیار بالائی داریم. در این موارد روشهائی جهت تخمین و حذف خطای انعکاس توسعه داده شده است. یخشی 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 طولانی مدت مکان و محاسبه میانگین نیز در کاهش این خطا موثر است.

22. انعکاس چندگانه

23. 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 بالاتر بوده و از افق دورتر باشند و نیز، حتی­المقدور، از یکدیگر دور باشند. گاهی اوقات، محدودیتها موجب می­شود که ماهواره­ای نامطلوب از نظر مکانی، جهت محاسبه فاصله بکار گرفته شوند.

24. خطای چینش ماهواره ها چینش نامطلوب ماهواره ها چینش مطلوب ماهواره ها

25. 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 گرانشی 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.

26. خطای ساعت گیرنده • خطای ساعت گیرنده با استفاده از ماهواره چهارم حذف می شود.

27. اثر خطاها

28. 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

29. ABAS • سیستمهای ABAS از 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 ABAS، می­توان اطلاعاتی از دیگر سیستمهای ناوبری مانند سیستم ناوبری اینرسیایی یا INS و یا ارتفاع سنج بارومتری را با اطلاعات جی پی اس ترکیب کرده و به دقتی بالاتر دست یافت. • در هر صورت، دقت بدست آمده توسط ABAS، حداقل های مورد نظر ایکائو برای انجام تقرب را تامین نمی­کند و بنابراین کاربرد ن در محدوده مسیرهای هوائی محدود می­شود.

30. SBAS • سیستمهای افزایش دقت مبتنی بر تجهیزات ماهواره ای یا SBAS ها، بر اساس دریافت اطلاعات جی پی اس توسط چند ایستگاه ثابت زمینی، پردازش اطلاعات 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 SBAS کار می­کنند.

31. معماری SBAS GEO GPS Reference Stations Uplink Station SBAS Message Master Station

32. انواع SBAS • 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.

33. پایان قسمت هشتم سوال؟! توضیح؟!