• Slide 1
  • Slide 2

انواع سیستم های ناوبری ماهواره ای

سیستم های ناوبری مجموعه ای از ماهواره ها (عمدتاً non-GSO) و بخش های زمینی هستند که می توانند انواع سرویس های موقعیت یابی، ناوبری و زمانی را ارائه دهند. معروف ترین سیستم‌های ناوبری جهانی شامل سیستم‌های: ايالات متحده GPS، روسيه Glonass، چين Beidou و اتحاديه اروپا Galileo به صورت جهانی و ژاپن QZSS و هند IRNSS به صورت محلی هستند. پیش از GPS سامانه Transit برای موقعیت یابی مورد استفاده قرار می‌گرفت که مشخصات هر یک در ذیل بیان می‌شود.

1- سیستم ناوبری Transit

این سیستم در ابتدا توسط نیروی دریایی آمریکا با مشارکت آزمایشگاه فیزیک کاربردی"جانزهاپکینز" طراحی و در سال 1964 عملیاتی شد. به این سیستم NAVSAT هم می‌گویند. سیستم ناوبری Transit ابتدا در اکتشافات نفتی و همچنین نقشه‌برداری مورد استفاده واقع شد. وظیفه این سیستم طبق تعریف، ناوبری بوده و موقعیت هر نقطه را بصورت دقیق، مطمئن در تمام شرایط آب و هوایی بدست می‌آورد. این سیستم نیازهای ناوبری و هدایت موشک‌های زیردریایی بالستیک با توان هسته‌ای (SSBN) را برآورده کرد. زیرا سیستم کنترل آتش یک SSBN مجبور است موقعیت زیردریایی خود را بطور دقیق بداند تا بتواند یک موشک را به‌ خوبی به طرف هدف پرتاب کند. این سیستم به مدت 32 سال مورد بهره‌برداری قرار گرفت و با آمدن سیستم ناوبری GPS که اساس کارش بر مبنای فاصله‌سنجی بود نه شیفت داپلر، منسوخ شد.

سیستم ناوبری Transit دارای 12 ماهواره شامل 7 ماهواره اصلی و 5 ماهواره بصورت اضافی و یدکی (Spare) بود. لازم بذکر است که تعداد این ماهواره‌ها در مراجع مختلف متفاوت است زیرا در هر زمانی با توجه به عمر کم این ماهواره‌ها تعداد آن‌ها متفاوت بوده است. مثلاً در مرجع دیگری تعداد منظومه را 10 عدد شامل 5 ماهواره اصلی و 5 ماهواره یدک گزارش کرده‌اند. این ماهواره‌ها قطبی بوده و در ارتفاع حدود 1075 کیلومتری بالای سطح زمین با پریود مداری حدود یک ساعت و 47 دقیقه قرار داشتند. در سیستم Transit، ماهواره‌ها یک سیگنال پیوسته ارسال می‌کردند که حاوی اطلاعات زمان دقیق به همراه پارامترهای مداری ماهواره‌ها بود. این اطلاعات بطور منظم از Naval observatory به حافظه ماهواره و مجدداً از ماهواره بطور پیوسته پخش می‌شد. سیستم ناوبری Transit شامل چهار ایستگاه مونیتورینگ بود. این ایستگاه‌ها، هر ماهواره‌ای را که در دیدشان بود ردیابی کرده و اطلاعات ردیابی را بدست می‌آورند و هر 12 ساعت پارامترهای مداری ماهواره‌ها را اصلاح و در حافظه ماهواره به‌روز می‌کردند. در این سیستم زمان دستیابی به ماهواره جهت تعیین موقعیت روی استوا حدود 110 دقیقه و در نقاطی با عرض جغرافیایی 80 درجه متوسط نزدیک به 30 ثانیه بود. یکی از ویژگی‌های این سیستم، دوبعدی بودن آن بود یعنی می‌بایست برای تعیین موقعیت کاربر ارتفاع کاربر مشخص باشد. بعنوان مثال فرض کنید دو کاربر در ارتفاع متفاوتی قرار گرفته‌اند اما منحنی تغییرات فاصله ماهواره از آنها ( یا منحنی تغییرات شیفت داپلر) یکسان است در نتیجه اگر کاربران ارتفاع خود را ندانند موقعیت آنها اشتباه محاسبه ‌می‌شود.

بطور کلی نقاط ضعف این سیستم را می‌توان بصورت زیر دسته‌بندی کرد:

• سیستم Transit یک سیستم دو بعدی است.

• سرعت و ارتفاع کاربر باید در محاسبات لحاظ شود. (این سیستم برای کاربرانی که سرعت زیادی دارند جوابگو نبود.)

• اثر تداخل متقابل بین ماهواره‌ها تعداد کل ماهواره‌ها را محدود کرده بود.

• ماهواره‌ها برای زمان محدودی قابل رویت بود.

این معایب باعث شد که این سیستم برای کاربردهای هوائی مورد استفاده قرار نگیرد. در این سیستم کاربر موقعیت خود را در محدوده چند صد متر بدست می‌آورد. این محدودیت‌ها با آمدن سیستم ناوبری GPS برطرف شد.

2- سیستم ناوبری GPS

سیستم GPS شامل سه بخش است:

(1) بخش فضایی (منظومه ماهواره‌ها)

(2) شبکه کنترل/ مانیتورینگ زمینی (OCS)

(3) تجهیزات گیرندگی کاربر

منظومه ماهواره‌های GPS شامل ماهواره‌هایی است که سیگنال فاصله‌سنجی و پیغام‌های ناوبری را برای تجهیزات کاربر فراهم می‌کنند. بخش کنترل (OCS)، ردیابی و نگهداری ماهواره در فضا را بعهده دارد. OCS سلامت (Health) ماهواره و صحت و درستی (Integrity) سیگنال‌ها و همچنین نگهداری پیکربندی مداری ماهواره‌ها را نیز عهده‌دار است. همچنین OCS تصحیحات کلاک و Ephemerid های ماهواره به اضافه دیگر پارامترهای ضروری جهت تعیین موقعیت، سرعت و زمان (PVT) کاربر را تعیین می‌کند. تجهیزات گیرندگی کاربر همان گیرنده‌های سیگنال GPS می‌باشند که در اختیار کاربر قرار می‌گیرند و برحسب نوع کاربرد آنها در اندازه و شکل های مختلف با قابلیت‌های مختلف موجود هستند.

منظومه GPS شامل 24 ماهواره است که در 6 مدار (هر مدار شامل 4 ماهواره) قرار دارند. در حال حاضر با احتساب ماهواره‌های پشتیبان 31 ماهواره در مدار موجود است. پریود مداری ماهواره GPS نصف روز نجومی (Sidereal day) یعنی 11 ساعت و 58 دقیقه است. مدارها تقریباً دایروی و فاصله مدارها روی صفحه استوا 60 درجه است. زاویه تمایل این مدارها 55 درجه بوده و شعاع مداری (فاصله از مرکز جرم زمین تا ماهواره) تقریباً 26.600 کیلومتر است OCS مسئولیت نگهداری ماهواره‌ها به همراه اجرای صحیح وظایف‌شان را بعهده دارد. این مسئولیت عبارت است از نگهداری ماهواره‌ها در موقعیت مناسب (Station Keeping)، مانیتور کردن حالت (status) و سلامت زیرسیستم‌های ماهواره‌ها. OCS همچنین وضعیت آرایه خورشیدی ماهواره، سطح توان باتری، نیروی محرکه استفاده شده برای مانورهای ماهواره‌ها و ...را مانیتور می‌کند. OCS کلاک، ,Ephemeris Almanac هر ماهواره و دیگر شاخص‌های مورد نیاز برای پیغام‌های ناوبری را در هر روز یکبار (و هر موقع که نیاز باشد) به‌روز می‌کند. بسته به نوع ماهواره GPS (نسخه‌های مختلف)، دیتاهای پیغام‌های ناوبری می‌تواند از حداقل 14 روز تا ماکزیمم 210 روز در ماهواره ذخیره شود. MCS تمام دیتاهای ایستگاه‌های مانیتورینگ را دریافت و پردازش می‌کند تا برای کنترل محموله ناوبری ماهواره استفاده شود. MCS به کمک این دیتاهای دریافتی، پارامترهای تصحیح کلاک، ephemeris و almanac ها را برای هر ماهواره بدست می‌آورد. نحوه تعیین موقعیت با استفاده از سیستم ناوبری GPS به این صورت است که یک ماهواره یک سیگنال فاصله‌سنجی ارسال می‌کند. کلاک روی ماهواره زمان ارسال سیگنال فاصله‌سنجی را کنترل می‌کند. کلاک ماهواره‌های منظومه GPS با زمان سیستم GPS همزمان هستند. اطلاعات زمانبندی، داخل سیگنال فاصله‌سنجی اضافه می‌شود و به گیرنده‌ GPS زمان ارسال سیگنال فاصله‌سنجی از ماهواره را اطلاع می‌دهد. در اینجا ابتدا فرض کنید گیرنده هم با ماهواره‌ها همزمان باشد. درنتیجه گیرنده قادر است با دریافت سیگنال فاصله‌سنجی زمان انتشار سیگنال بین ماهواره و خود را بدست آورد و با داشتن این زمان (ضرب در سرعت نور) مسافت (R) قابل محاسبه خواهد بود. گیرنده با داشتن این اطلاعات می‌داند که موقعیت خود روی کره‌ای به مرکز ماهواره مذکور و به شعاع R است. اما اگر این روند توسط ماهواره دومی تکرار شود موقعیت گیرنده روی محل تلاقی دو کره خواهد بود که محل تلاقی دو کره یک دایره است و این برای تعیین موقعیت گیرنده بی‌نهایت جواب خواهد داشت. با تکرار روند فوق با ماهواره سوم این بی‌نهایت جواب به دو جواب محدود می‌شود که یکی از آن دو، جواب واقعی و دیگری جواب اشتباه است (دور از واقعیت است). مثلاً چنانچه گیرنده در سطح زمین قرار داشته باشد جواب نادرست در ارتفاع بالاتری قرار می‌گیرد). با توضیحات اشاره شده در بالا واضح است که در صورتیکه ماهواره‌های GPS و گیرنده همزمان باشند وجود سه ماهواره GPS برای تعیین موقعیت گیرنده کافی است.

3- سیستم ناوبری GLONASS

این سیستم روسی بوده و تعداد کل ماهواره های موجود در منظومه 27 ماهواره می باشد که تعداد 24 ماهواره از آنها عملیاتی است. شبکه ایستگاه جهانی شامل شبکه ایستگاه روسی SDCM‌ (ایستگاه‌ها در محدوده کشور روسیه و نیز دو ایستگاه در Antarctica)‌ و ایستگاه‌های مربوط به سازمان‌های کشورهای دیگر مانند: IGS، Euref، TrigNet، RBMC‌ همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود ترکیب Glonass و GPS‌ می تواند باعث بهبود معیار GDOP‌ شود:

HDOP - Horizontal dilution of precision

PDOP - Position delusion of precision

GDOP - Geometrical delusion of precision

4- سیستم ناوبری BeiDou

بیدو بوسیله آکادمی فناوری فضایی چین توسعه پیدا کرده است. این آکادمی دارای 12 انتستیتوی تحقیقاتی و یک سالن ساخت است که از سال 1970 در زمینه پرتاب ماهواره مشغول فعالیت است. ماموریت ابتدایی پروژه بیدو کاملا نظامی بوده است. در ابتدا پروژه بیدو در سال 1983 به پیشنهاد Chen Fangyan در زمینه توسعه سامانه ناوبری منطقه ای با کاربرد 2 ماهواره زمین‌آهنگ (Twinsat) مطرح شد. تحقیقات نشان می داد که این سامانه می تواند به دقت های در حدود سامانه GPS آمریکا برسد. سرانجام در سال 1993 پروژه بیدو رسما آغاز شد. در این سیستم نیز مشابه GPS تقسیم بندی بصورت: بخش فضایی، بخش زمینی و بخش کاربر صورت گرفته است. بخش فضایی شامل 5 ماهواره GEO‌ و 30 ماهواره non-GEO است. بخش زمینی شامل: ایستگاه‌های کنترل اصلی، ایستگاه‌های تزریق و ایستگاه‌های مانیتورینگ. بخش کاربر شامل ترمینال‌های سیستم BeiDou‌ و تعدادی سیستم سازگار با دیگر سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری است.

در فاز اول این سیستم ناحیه آسیا-اقیانوسیه را پوشش می دهد که شامل سرویس‌های موقعیت یابی، ناوبری، زمانی و پیغام کوتاه می است و تا سال 2020 کل دنیا را پوشش خواهد داد. بطورکلی سرویس‌های ارائه شده دو دسته هستند: سرویس باز و سرویس مجاز. در سرویس باز که بصورت Free می باشد، دقت موقعیت یابی 10 متر، دقت سرعت 2/0 متر بر ثانیه و دقت زمانی 10 نانو ثانیه است. ولی در سرویس مجاز دقت بسیار بالاتر است. سازندگان آن، دو سطح سرویس یکی رایگان (برای کسانی که در چین هستند) و دیگری با مجوز برای این سامانه در نظر گرفته اند. سامانه رایگان دقتی در حدود 100 متر برای تعیین موقعیت به صورت ردگیری (کاربرد ارتباط بیسیم با مرکز)، با دقت ساعت 50 نانوثانیه و با دقت سرعت در حدود 2/0 متر بر ثانیه ارائه می کند. سرویس با مجوز، دقت بهتری نسبت به سامانه رایگان داشته و اطلاعات موقعیتی را برای بزرگراه ها، راه آهن و حمل و نقل دریایی فراهم می کند. اطلاع دقیق از طول، عرض و ارتفاع این امکان را به کاربران می دهد که در هر لحظه و هر مکان از موقعیت دقیق خود باخبر شوند.

5- سیستم ناوبری Galileo

سیستم Galileo سیستم ناوبری جهانی در فاز توسعه توسط آژانس فضایی اروپا است که مقرر است تا سال 2020 به طور کامل عملیاتی شود. ساختار کلی این سیستم اروپایی شامل موارد زیر است:

این منظومه ماهواره‌ای شامل 30 ماهواره MEO که هر کدام شامل ترانسپوندر ناوبری و ترانسپوندر جستجو و نجات هستند، 16 ایستگاه که در کل دنیا پخش شده و 2 مرکز کنترل که در اروپا واقع هستند. تعداد 5 ایستگاه Uplink و 5 ایستگاه TT&C نیز موجود می باشد. فاز تعریف، توسعه و In-Orbit Validation‌ (IOV)‌ توسط سازمان فضایی اروپا (ESA)‌ انجام شده است.

6- منظومه محلی QZSS

QZSS عبارت است از یک سیستم چندمنظوره که سرویس‌های جدید اعم از ارتباطات صحبت و تصویر (Audio-Video)، پخش داده و سرویس موقعیت‌یابی فراهم می‌آورد. QZSS از منظومه‌ای با سه ماهواره در سه مدار بیضوی جداگانه با زاویه متمایل ˚45 که دارای راستگرد گره صعودی ˚RAAN) 120) می‌باشند تشکیل شده است. تمام این مدارها همزمان با زمین هستند و نصف قطر اصلی آنها برابر 42.164 کیلومتر است. این منظومه سه ماهواره‌ای به نحوی طرح شده است که هر هشت ساعت در هر 24 ساعت شبانه‌روز حضور حداقل یک ماهواره را بطور پریودیک تقریباً عمود بر ژاپن (Zenith) تضمین می‌کند.

QZSS علاوه بر سرویس‌های مخابراتی پخش داده، ارتباطات صدا و تصویر، یک سیستم مکمل نیز برای GPS است یعنی قادر است با سیستم GPS آمریکا کار کند و باعث افزایش دقت موقعیتی سیستم GPS آمریکا گردد (Augmentation Service). بعبارت دیگر این سیستم (سه ماهواره) بعنوان قسمتی از منظومه ماهواره‌های GPS، با گیرنده‌های GPS کار می‌کند. با توجه به اینکه این منظومه باعث می‌شود که یک ماهواره همیشه با زاویه فراز بالای ˚70 برای تمام نقاط ژاپن رؤیت شود باعث بهبود DOP در آسیای شرقی و جنوب‌شرقی می‌شود. البته از آنجاکه زاویه فراز ماهواره بیش از˚70 است در مواقعی که ساختمان‌ها و آسمان‌خراش‌ها مانع دیدن بعضی از ماهواره GPS هستند، این ماهواره‌ها قابل رویت می‌باشند.

در طرح سیستم ناوبری بر مبنای مخابرات، یک ایستگاه مرکزی اصلی (Master) تعریف شده است که تمام وظایف و عملیات زمانبندی سیگنال‌ها و نظارت و کنترل و عملیات‌های محاسباتی را بعهده دارد. در این سیستم اساس کار بر مبنای تعیین موقعیت ماهواره صورت گرفته است و مناسبترین روش موقعیت ماهواره یعنی روش فاصله‌سنجی دوطرفه استفاده می‌شود. بنابراین این طرح در بخش زمینی علاوه بر ایستگاه مرکزی به دو ایستگاه دیگری در موقعیت‌های مختلف نیازمند است.

7- منظومه ماهواره ای IRNSS (نام عملیاتی NAVIC)

منظومه ماهواره ای IRNSS با نام عملیاتی NAVIC برای ناوبری در شبه قاره هند و اطراف آن پرتاب توسط هند در سال 2013 راه‌اندازی شد. این سامانه محلی شامل 7 ماهواره است که 3 ماهواره در مدار GEO و 4 ماهواره دیگر در GSO قرار دارند. بخش زمینی این سامانه شامل ایستگاه کنترا ماهواره، ایستگاه ناوبری، ایستگاه‌های مانیتورینگ برد و یکنواختی سیستم، مرکز شبکه زمانی، ایستگاه‌های اندازه گیری CDMS و شبکه مخابراتی هستند. این سامانه نیز مانند بقیه سیستم‌های ناوبری شامب دو سیگنال استاندارد و سیگنال با دقت بلاست.

تماس با ما

تهران، بلوار نلسون ماندلا، خیابان شهید سلطانی، شماره 34

22015926 021

22015926 021

www.dotrinex.ir

info@dotrinex.ir