شبيه سازي سيستم موقعيت يابي جهاني GPS

مقدمه
سيستم موقعيت يابي جهاني ( Global positioning system)يك سيستم ناوبري مبتني بر ماهواره است كه موقعيت وسرعت(هر دو به صورت سه بعدي )و زمان را تعيين مي كند.اكنونGPS صدها هزار كاربر در سرتاسر جهان دارد و كاربرهايي نظير ناوبري در فضا ،هوا،خشكي ودريا،نقشه برداري،زمين شناسي وزمان سنجي دقيق ،شايع ترين موارد استفاده آن است.GPS به سه بخش تقسيم مي شود. بخش فضا،كنترل و بخش كاربر. بخش فضا شامل ۲۴ ماهواره است كه در ۶ مدار قرار گرفته اند. ارتفاع هر ماهواره، حدود ۲۰۰۰۰ كيلو متر و زمان گردش آن حدود ۱۲ ساعت مي باشد. ماهواره ها داراي ساعت اتمي مي باشند ودائماً زمان واطلاعات موقعيتي( Ephemeris) خود را اعلام مي كنند. بخش كنترل شامل چهار

ايستگاه رصد( Monitoring) ويك ايستگاه كنترل مركزي در رودخانة كلرادو مي باشد. اين ايستگاه ها دائماً ماهواره ها را دنبال مي كنند. ايستگاه كنترل مركزي اطلاعات موقعيتي (Ephemeris) وبا ياس كلاك ماهواره ها را پيش بيني وبه آنها ارسال مي كند.بخش كاربر شامل تمامي گيرنده هاي GPS يك سيستم Passive مي باشد ، يعني گيرنده فقط به امواج ماهواره ها گوش مي دهد، تعداد كاربران نا محدود بوده و مرتباً نيز افزايش مي يابد.

معرفي سيستم
سيستم موقعيت يابي جهاني GPS 1براي بدست آوردن اطلاعات دقيق موقعيت، سرعت و زمان (PVT) 2طراحي شده و كاربردهاي فراواني در مسائل نظامي،حمل و نقل و نقشه برداري دارد. اين سيستم شامل سه بخش كلي فضا، كنترل و كاربر مي باشد كه مختصراً به تشريح آن مي پردازيم.

بخش فضا
شامل ۲۴ ماهوارة GPS است كه در ۶ مدار با زاوية‌ انحراف ْ۵۵ نسبت به صفحة استوا و ارتفاع متوسط ۲۰۲۰۰ كيلومتر از سطح زمين قرار گرفته اند. زمان گردش هر ماهواره به دور زمين ۱۱ ساعت و ۵۸ دقيقه است كه حدوداً نصف زمان گردش زمين به دور خودش(يك شبانه روز)است. ماهواره ها طوري در مدار هايشان قرار گرفته اند كه در هر نقطه اي از زمين حداقل ۴ ماهواره با روابط جغرافيايي خوب قابل رؤيت باشند. ماهواره ها سيگنال هايي را در دو باند فركانسي I 1 = 1575.42 MHz و I 2 = 1227.6 MHz منتشر مي كنند. دو نوع كد P (دقيق) و(Coarse/Acquisition) C/A روي اين حامل ها سوار مي شوند. از هر دو كد C/A و P مي توان براي اندازه گيري فاصلة بين ماهواره و دريافت كننده استفاده نمود. اما استفاده از كد P

منوط به داشتن مجوز از تشكيلات نظامي ايا لات متحده مي باشد. كد C/A با فركانس ۰۲۳/۱ مگا هرتز روي حاملI1 سوار مي شود و كد P با فركانسي۱۰ برابر آن (۲۳/۱۰ مگا هرتز) بر روي هر دو حامل I1 و I2 سوار مي شود.كد P هنگامي كه توسط گيرنده دريافت و رمز گشايي مي شود بنام Y خوانده مي شود. يك پيغام هدايت (Navigation Message) 50 هرتزي با هر دو كد P (Y) ، C/A تركيب مي شود كه شامل اطلاعات دقيق مداري ماهواره(Ephemeris) ، با ياس ساعت ، ديتاي تصحيح خطاي يونيسفري و…خواهد بود.

بخش كنترل
شامل يك ايستگاه كنترل مركزي (Master Control Station) در كلرداي امريكا ، به علاوه ايستگاه هاي رصد Moniton Stations) ( و آنتن هايزميني (Graund Antennas) در نقاط مختلف زمين است.

ايستگاه هاي رصد، مسيرماهواره ها را دنبال كرده، اطلاعات فاصله اي را از آنها جمع آوري مي كنند. اين اطلاعات به ايستگاه كنترل مركزي(كه وظيفة تخمين و پيش بيني پارامترهاي كلاك واطلاعات نجومي ماهواره را به عهده دارد)، ارسال مي شود.
آنتن هاي زميني متناوباً اطلاعات نجومي و ساعات ماهواره ها را به آنها اعلام مي كنند و ايستگاه كنترل زميني از اين اطلاعات استفاده مي نمايد تا پيغام هدايت ماهواره ها را تجديد نمايد. بنابراين وظيفه بخش كنترل اطلاع از سلامتي ماهواره ها و به روز كردن ساعت و اطلاعات نجومي ماهواره ها مي باشد.

بخش كاربر
شامل گيرنده هايي است كه براي دريافت، كد گشايي و پردازش سيگنال هاي ماهواره ها طراحي شده اند. اين گيرنده ها يا به تنهايي استفاده مي شوند و يا اين كه براي رسيدن به دقت بالاتر از تركيبي از گيرنده ها ي GPS و ديگرسيستم ها مثلاً INS3 استفاده مي كنند. گاهي اوقات نيز تركيبي از دو يا چند گيرندة GPS كه حداقل يكي ازآن دو در موقعيت مشخصي قرار دارد، استفاده مي شود كه به آن DGPS4 اطلاق مي گردد. در اين روش بسياري از خطاهاي متداول كاهش مي يابد.
دو نوع سرويس توسط GPS ارائه مي شود. سيستم موقعيت يابي دقيق (PPS)5و سرويس موقعيت يابي استاندارد SPS))6.

سرويس دقيق (PPS)
سرويس دقيقي براي يافتن موقعيت، سرعت وزمان است كه مختص كاربران داراي مجوز است و براي مقاصد نظامي به كار مي رود. اعطاي اين مجوز از سوي سازمان دفاع آمريكا(DO D) صورت مي پذيرد.دقت اين سرويس طوري است كه موقعيت محاسبه شده توسط آن در ۵۰% موارد داخل كره اي به شعاع ۱۶ متر قرار مي گيرد وتا ۱۰۰ نانو ثانيه دقت زماني نسبت به ساعت جهاني (UTC) دارد. اين سرويس سرعت را با دقتي در حدود ۲/۰ متر بر ثانيه محاسبه مي نمايد. دستيابي به سرويس دقيقPPS با دو عامل كنترل مي گردد.مقبوليت انتخابي (SA) و (AS) 7.

SA با ايجادخطاهاي شبه تصادفي در سيگنال هاي ماهواره ها دقت را كاهش مي دهد . اين كاهش دقت با ايجاد خطا در ۲ پارامتر صورت مي پذيرد:
۱- ايجاد خطا در كلاك ماهواره (SA – dither) .
2- ايجاد خطا در اطلاعات مداري ماهواره كه قسمتي ازپيغام هدايت است (SA – epsilon) .
as كه در سال ۱۹۹۴ پياده سازي شد و هدف اين بود كه فقط كاربران داراي مجوز (نظامي)با يك دستگاه كد گشا (كليد)بتوانند روي P – code قفل نمايند.
كليدهايي كه براي كد گشايي دقيق موجودند فقط در اختيار كاربرانسرويس PPS قرار مي گيرند تا اثرات SA و AS را حذف نمايندو به بالاترين دقت ممكن برسند.

سرويس استاندارد(SPS)
سرويس استاندارد(SPS) داراي دقت كمتري در تعيين موقعيت وزمان وسرعت مي باشد، ولي در اختيار تمام كاربران قرار گرفته است. در زمان صلح ميزان خطاي مقبوليتانتخابي (SA)طوري است كه در۹۵% موارد وقتي در حدود ۱۰۰ متر را فراهم مي كندكه اين در حدود ۱۵۶ متركروي در ۹۵% مواردمي باشد.
تئوري عمل GPS

كدهاي فاصله اي كه توسط ماهواره ها منتشر مي شوند، گيرندةGPS راقادر مي سازد تا زمان ارسال سيگنال از ماهواره را محاسبه نمايد و با توجه به معلوم بودن سرعت نور كه سيگنال هاي ماهواره با آن انتشار مي يابند ميتواند فاصلة بين خود تا هر ماهواره را محاسبه نمايد. پيغام هدايت ارسالي از طرف هر ماهواره شامل اطلاعاتي است كه موقعيت ماهواره را در زمان ارسال سيگنال مشخص مي كند. با معلوم بودن موقعيت ماهواره ها در فضا و فاصلة بين ماهواره ها تا گيرنده، كاربر مي تواند موقعيت خودش و همچنين با ياس كلاك را معلوم نمايد. اين كار به آساني با حل يك دستگاه معادلات صورت مي پذيرد. براي حل اين معادلات در معرض ديد بودن ۴ ماهواره كافي است.
سيگنال هاي ماهوارة GPS شامل موارد زير مي باشد:

كدC/A
كد C/A يك كد نويز شبه تصادفي(PRN) 81023بيتي با فركانس۰۲۳/۱مگا هرتز است كه ۱ ميلي ثانيه تكرار مي شود. طول كوتاه دنبالة C/A به خاطر آن است كه گيرنده سريعاً سيگنال ماهواره را دريافت نمايد. به هر ماهواره GPS يك PRN متفاوت داده مي شود كه از بين كدهايي به نام كدهاي طلايي (Gold codes) انتخاب مي گردد.كدهاي طلايي براي كم كردن احتمال اين كه يك گيرنده يك كد را با كد ديگر اشتباه بگيرد به كار مي روند. كد C/A فقط روي حامل I1 ارسال مي گردد.

كد P(Y)
يك دنبالة بسيار طولاني ۱۰۲۳ مگا هرتزي است كه روي هر دو حامل I1 و I2 ارسال مي گردد. كد P(Y) رويI1 ْ۹۰ با كد C/A اختلاف فاز دارد.
پيغام هدايت (Navigation Message)

يك پيغام هدايت ۵۰ هرتزي با هر دو كد P(Y) و C/A تركيب مي گردد. كد هدايت هم شامل اطلاعاتي است كه منحصراً مربوط به ماهوارة ارسال كننده است و هم اطلاعاتي كه در تمام ماهواره هاي GPS مشتركند. اطلاعات پيغام هدايت شامل موارد زير هستند:

زمان ارسال پيغام ،كلمة(HOW) Hand Over براي عبور از كد C/A به كد P(Y) ، تصحيح كلاك، اطلاعات مداري ماهواره(Ephemerise) ، اطلاعات سلامتي ماهوارة ارسال كنندة پيغام، Almanac و اطلاعات سلامتي تمام ماهواره ها ، ضرايب مدل تأخير يونيسفري، ضرايب محاسبة ساعت جهاني(UTC) .

پيغام هدايت شامل ۲۵ فريم است. هر فريم داراي ۱۵۰۰ بيت است و به ۵ زير فريم ۳۰۰ بيتي تقسيم مي شود. با نرخ انتقال ۵۰ هرتز پيغام هدايت ، ۶ ثانيه براي دريافت يك فريم و۳۰ ثانيه براي دريافت يك فريم زمان صرف مي شود و ۵/۱۲ دقيقه طول مي كشد تا تمام ۲۵ فريم دريافت شوند. زير فريم اول شامل تصحيح كلاك و نيز دقت وسلامتي سيگنال منتشره است. زير فريم هاي ۲و۳ شامل اطلاعات دقيق مداري ماهواره (Ephemeris) هستند كه در محاسبة موقعيت ماهواره در معادلات موقعيت به كار مي روند .