GPS یا GNSS?

برای دیدن ویدیوی مربوطه روی لینک زیر کلیک کنید.

سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) و سامانه ناوبری ماهواره‌ای جهانی  (GNSS)

این مقاله در مورد سامانه‌های موقعیت‌یاب ماهواره‌ای است. احتمالا تا به حال نام GPS را شنیده‌اید. GPS مخفف عبارت “Global Positioning System” به معنی “سامانه موقعیت‌یاب جهانی” است. اما نکته قابل توجه این است که GPS تنها یک گروه از ماهواره‌ها است که امکان موقعیت‌یابی را فراهم می‌کند. این گروه بخشی از یک دسته‌بندی بزرگ‌تر به نام سامانه ناوبری ماهواره‌ای جهانی یا GNSS است. به طور کلی، صورت فلکی GPS و به طور کلی همه صورت‌های فلکی GNSS اطلاعاتی را ارائه می‌دهند که امکان محاسبه موقعیت روی کره زمین را فراهم می‌سازد. این مقاله به شما کمک می‌کند تا درک کنید که فناوری‌های GPS و GNSS چگونه به این مهم دست می‌یابند.

فهرست مطالب این مقاله
* تفاوت GPS و GNSS
* تاریخچه مختصری از GPS
* گسترش سایر صورت‌های فلکی GNSS
* مفهوم “جهانی” در GNSS
* نکات کلیدی

* نکات کلیدی

تفاوت GPS و  GNSS
همانطور که اشاره شد، GPS  یکی از انواع GNSS است. به طور خاص، GPS گروه ماهواره‌های موقعیت‌یاب ایالات متحده است. حالا چرا مردم وقتی منظورشان GNSS است، از GPS استفاده می‌کنند؟ دلیل آن شبیه این است که چرا مردم می‌گویند “می‌خواهم چیزی را گوگل کنم” در حالی که منظورشان “می‌خواهم چیزی را به صورت آنلاین جستجو کنم” است، یا “با اوبر می‌روم” در حالی که منظورشان “با یک ماشین اشتراکی می‌روم” است. بسیاری از مردم می‌گویند “می‌خواهم از GPS استفاده کنم” در حالی که منظورشان “می‌خواهم از فناوری GNSS استفاده کنم” است.
شبیه به گوگل و اوبر،GPS  اولین صورت فلکی GNSS در جهان بود و همچنین، رایج‌ترین صورت فلکی GNSS به شمار می‌رود. یعنی همه گیرنده‌ها و آنتن‌های موقعیت‌یاب امروزی، ماهواره‌های GPS را ردیابی می‌کنند. بنابراین، بسیاری از مردم در سراسر جهان از اصطلاح “GPS” استفاده می‌کنند، در حالی که منظورشان در واقع فناوری “GNSS” است، چه خودشان متوجه باشند یا نباشند.

در ادامه این مجموعه مقالات، به طور عمدی از “GPS” برای اشاره به صورت فلکی موقعیت‌یاب جهانی ایالات متحده و از “GNSS” برای اشاره به همه ماهواره‌های موقعیت‌یاب استفاده خواهیم کرد.
حالا که تفاوت بین GPS و GNSS را متوجه شدیم، بیایید به سراغ منشأ صورت فلکی GPS در دولت ایالات متحده برویم…

تاریخچه مختصری از  GPS

صورت فلکی ماهواره‌ای GPS توسط وزارت دفاع ایالات متحده (DOD) در سال 1978 آغاز به کار کرد، زمانی که اولین چهار ماهواره آزمایشی GPS به مدار زمین پرتاب شدند. در ابتدا، برخی از پیام‌ها و سیگنال‌های ارسال‌شده از این ماهواره‌های GPS به زمین تنها برای پرسنل نظامی و دولتی ایالات متحده قابل دسترسی بود. اما امروزه، اطلاعات پخش‌شده توسط ماهواره‌های GPS برای عموم مردم و صنایع خصوصی در سراسر جهان، صرف نظر از هدف یا مکان آن‌ها، در دسترس است. تنها شرط این است که فردی دارای گیرنده‌ای باشد که قادر به دریافت و رمزگشایی پیام‌های ماهواره‌ای GPS باشد. امروزه، صورت فلکی GPS همچنان متعلق به دولت ایالات متحده و توسط آژانس نیروی فضایی آن اداره می‌شود.

با توجه به ارزش‌های نهادی، مصرف‌کننده و تجاری صورت فلکی GPS ایالات متحده، دولت‌های دیگر نیز از آن زمان به بعد صورت‌های فلکی GNSS خود را راه‌اندازی کرده‌اند. این صورت‌های فلکی ماهواره‌ای هر یک نام خاص خود را دارند و شباهت‌های تکنولوژیکی زیادی با GPS دارند. به عنوان مثال، همه صورت‌های فلکی GNSS متعلق به نهادهای دولتی هستند؛ همه آن‌ها اطلاعات موقعیت‌یابی (و سایر اطلاعات) را به گیرنده‌های سازگار ارائه می‌دهند؛ و همه آن‌ها می‌توانند توسط هر کسی که گیرنده سازگار داشته باشد، در هر نقطه از کره زمین استفاده شوند.

تا به امروز، چهار صورت فلکی GNSS با پوشش جهانی به طور کامل عملیاتی هستند (با ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند):

* GPS متعلق و اداره شده توسط ایالات متحده آمریکا، اولین ماهواره در سال 1978 پرتاب شد.
* GLONASS متعلق و اداره شده توسط روسیه، اولین ماهواره در سال 1982 پرتاب شد.
* BeiDou متعلق و اداره شده توسط چین، اولین ماهواره در سال 2000 پرتاب شد.
* Galileo متعلق و اداره شده توسط اتحادیه اروپا  (EU)، اولین ماهواره در سال 2011 پرتاب شد.

همچنین صورت‌های فلکی منطقه‌ای GNSS دیگری نیز وجود دارند که با استفاده از ماهواره‌های ژئوسنکرون، مناطق خاصی از زمین را پوشش می‌دهند (در بخش بعدی به این موضوع خواهیم پرداخت):
* QZSS متعلق و اداره شده توسط ژاپن، اولین ماهواره در سال 2010 پرتاب شد.
* IRNSS متعلق و اداره شده توسط هند، اولین ماهواره در سال 2013 پرتاب شد.

مفهوم “جهانی” در  GNSS

توجه داشته باشید که حرف “G” در “GNSS” مخفف “Global” به معنای “جهانی” است. این بدان معنی است که حتی اگر یک صورت فلکی GNSS متعلق به یک نهاد حاکمیتی باشد، ماهواره‌های آن به دور کره زمین می‌چرخند. بنابراین، پیام‌هایی که این ماهواره‌ها ارسال می‌کنند، می‌توانند توسط هر گیرنده GNSS سازگاری که در محدوده سیگنال قرار دارد، دریافت و رمزگشایی شوند. (این موضوع با ماهواره‌های ژئوسنکرون متفاوت است که همیشه در یک مکان ثابت بالای زمین قرار دارند؛ ماهواره‌های ژئوسنکرون تنها می‌توانند توسط افرادی که در آن منطقه خاص قرار دارند، استفاده شوند. صورت فلکی BeiDou چین هم ماهواره‌های ژئوسنکرون و هم ماهواره‌های با مدار جهانی دارد. در این مجموعه مقالات، ما تنها به ماهواره‌های با مدار جهانی BeiDou اشاره خواهیم کرد.

نهادهای دولتی به طور عمدی فناوری‌های GNSS خود را بر اساس اصل “قابلیت همکاری” طراحی کرده‌اند که به برخی از گیرنده‌های GNSS امروزی اجازه می‌دهد تا پیام‌های همه ماهواره‌های GNSS را بدون توجه به کشور سازنده آن‌ها، دریافت و رمزگشایی کنند.

مهم است بدانید که هر سازنده GNSS صورت‌های فلکی و سیگنال‌هایی را که گیرنده‌های آن می‌توانند ردیابی کنند، مشخص می‌کند. برخی از گیرنده‌های GNSS تنها صورت فلکی GPS را پشتیبانی می‌کنند؛ برخی دیگر دو صورت فلکی مانند GPS و GLONASS را پشتیبانی می‌کنند؛ و برخی دیگر مانند گیرنده مولتی فرکانس زنیت، همه چهار صورت فلکی GNSS را پشتیبانی می‌کنند. امروزه، سیستم‌های موقعیت‌یابی Eos به اکثر افراد توصیه می‌کنند که در گیرنده‌ای سرمایه‌گذاری کنند که همه چهار صورت فلکی GNSS را پشتیبانی کند، زیرا این کار دقت و بهره‌وری را افزایش می‌دهد. همانطور که بعدا خواهیم دید، هرچه یک گیرنده بتواند ماهواره‌های بیشتری را ردیابی کند، قابلیت اطمینان آن در میدان بیشتر خواهد بود.

ساعت‌های اتمی در ماهواره‌های  GPS

یکی از مهم‌ترین اجزای هر ماهواره  GPS، ساعت‌های اتمی با دقت بسیار بالا هستند. این ساعت‌ها به قدری دقیق هستند که تقریباً هر 30000 سال یک ثانیه اختلاف ایجاد می‌کنند. به عبارت دیگر، این ساعت‌ها زمان را با دقت بسیار نزدیک به یک صدم میلیارد ثانیه نگه می‌دارند.
ساعت‌های اتمی نقش بسیار مهمی در تعیین موقعیت و همچنین کاربردهای زمانی ایفا می‌کنند.

پایه محاسبات موقعیت‌یابی: زمان رسیدن سیگنال
هنگامی که یک ماهواره موقعیت‌یابی سیگنالی را به زمین ارسال می‌کند، این سیگنال حاوی اطلاعات مهمی از جمله موقعیت خود ماهواره، کدهای مختلف و زمان دقیق ارسال سیگنال است. هنگامی که این سیگنال به گیرنده GPS روی زمین می‌رسد، یک زمان جدید ثبت می‌شود: زمان رسیدن سیگنال. زمان رسیدن سیگنال نه تنها مهم است، بلکه اساس محاسبات موقعیت‌یابی جهانی برای به دست آوردن مختصات مکانی روی زمین است.

برای حل معادله موقعیت، به چهار ماهواره نیاز داریم
اگر با معادلات دیفرانسیل آشنایی داشته باشید، می‌دانید که برای حل یک معادله با چندین متغیر ناشناخته، به تعداد معادلاتی برابر با تعداد متغیرهای ناشناخته نیاز داریم. در مورد  GPS، ما چهار متغیر ناشناخته داریم: X، Y، Z (طول، عرض و ارتفاع) و t (زمان). بنابراین، برای محاسبه این چهار متغیر، به چهار معادله نیاز داریم.
هر سیگنال ماهواره‌ای یک معادله در مورد زمان رسیدن سیگنال به ما می‌دهد. بنابراین، برای حل این معادله و یافتن موقعیت خود، به حداقل چهار ماهواره نیاز داریم.

چرا قبلاً به دست آوردن سیگنال چهار ماهواره دشوارتر بود؟
در گذشته، تعداد ماهواره‌های عملیاتی بسیار کمتر بود و ردیابی حداقل چهار ماهواره نیاز به برنامه‌ریزی دقیق داشت. به عنوان مثال، زمانی که GPS تنها صورت فلکی عملیاتی بود، پنجره‌های زمانی کوتاهی در روز وجود داشت که چهار ماهواره در آسمان قابل رویت بودند. متخصصان نقشه برداری باید کار میدانی خود را در این پنجره‌های زمانی خاص برنامه‌ریزی می‌کردند.
اما امروزه با افزایش تعداد ماهواره‌ها، این مشکل برطرف شده است. به طوری که گیرنده‌های مدرن قادرند به طور همزمان سیگنال‌های بسیاری از ماهواره‌ها را ردیابی کنند.

آیا ردیابی بیش از چهار ماهواره دقت را افزایش می‌دهد؟
بله، قطعا. ردیابی تعداد بیشتری ماهواره مزایای زیادی دارد:
* دقت بیشتر: هرچه تعداد ماهواره‌های ردیابی شده بیشتر باشد، محاسبات موقعیت دقیق‌تر خواهد بود.
* قابلیت اطمینان بیشتر: سیگنال‌های دریافتی از همه ماهواره‌ها یکسان نیستند. برخی سیگنال‌ها قوی‌تر و برخی ضعیف‌تر هستند. با ردیابی تعداد بیشتری ماهواره، احتمال دریافت سیگنال‌های قوی‌تر و دقیق‌تر افزایش می‌یابد.

سیگنال‌های GNSS و عوامل تأثیرگذار بر دقت موقعیت‌یابی
در بخش‌های قبلی، توضیح دادیم که چگونه ماهواره‌های GNSS سیگنال‌هایی را ارسال می‌کنند که گیرنده‌های زمینی برای محاسبه موقعیت خود از آن‌ها استفاده می‌کنند. اما چه عواملی باعث می‌شود که موقعیت محاسبه شده همیشه دقیق نباشد؟

عوامل تأثیرگذار بر دقت موقعیت‌یابی  GNSS
* هندسه ماهواره‌ها: موقعیت نسبی ماهواره‌ها نسبت به گیرنده، بر دقت موقعیت‌یابی تأثیر می‌گذارد. اگر ماهواره‌ها در آسمان پراکنده‌تر باشند، دقت موقعیت‌یابی بالاتر خواهد بود.
* سیگنال‌های چندمسیره: گاهی اوقات، سیگنال ماهواره‌ای قبل از رسیدن به گیرنده، از سطوح مختلف مانند ساختمان‌ها یا آب منعکس می‌شود. این پدیده، سیگنال‌های چندمسیره نامیده می‌شود و می‌تواند باعث ایجاد خطا در محاسبات موقعیت شود.
* تداخلات: سیگنال‌های رادیویی دیگر، مانند سیگنال‌های رادیویی ایستگاه‌های رادیویی یا تلفن همراه، می‌توانند بر سیگنال‌های GNSS تأثیر بگذارند و باعث ایجاد نویز شوند.
* خطاهای ساعت اتمی: اگرچه ساعت‌های اتمی در ماهواره‌ها بسیار دقیق هستند، اما باز هم ممکن است خطاهای کوچکی داشته باشند که بر دقت موقعیت‌یابی تأثیر می‌گذارد.
* جو زمین: شرایط جوی مانند باران، برف و مه می‌توانند بر انتشار سیگنال‌های GNSS تأثیر بگذارند و باعث تضعیف یا تغییر مسیر آن‌ها شوند.

چگونه می‌توان دقت موقعیت‌یابی را بهبود بخشید؟
* استفاده از گیرنده‌های با کیفیت بالا: گیرنده‌های با کیفیت بالا، سیگنال‌های ضعیف را بهتر دریافت کرده و الگوریتم‌های پردازش سیگنال بهتری دارند.
* استفاده از چندین صورت فلکی GNSS: با استفاده از چندین صورت فلکی مانند  GPS، GLONASS،  Galileo و BeiDou، تعداد ماهواره‌های قابل ردیابی افزایش می‌یابد و در نتیجه دقت موقعیت‌یابی بهبود می‌یابد.
* تکنیک‌های تصحیح خطا: تکنیک‌هایی مانند DGPS (Differential GPS) و RTK :Real-Time Kinematic  (مانند آنچه در ایران به سامانه شمیم معروف است) می‌توانند خطاهای موقعیت‌یابی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

جمع‌بندی
در این مقاله، اصول اولیه سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی (GNSS) را بررسی کردیم. فهمیدیم که GNSS  چگونه کار می‌کند، چه عواملی بر دقت موقعیت‌یابی تأثیر می‌گذارند و چگونه می‌توان دقت را بهبود بخشید. با پیشرفت فناوری و افزایش تعداد ماهواره‌ها، دقت و قابلیت اطمینان سیستم‌های GNSS  به طور مداوم در حال بهبود است. همچنین هر یک از این سیستم‌ها توسط دولت متفاوتی کنترل می‌شود. آن دولت می‌تواند هر کاری که می‌خواهد با سیستم ماهواره‌ای خود انجام دهد؛ به این معنی که ایالات متحده از نظر تئوری می‌تواند تصمیم بگیرد که GPS را به طور کامل از بین ببرد. به غیر از این دو سیستم، چین، هند و ژاپن نیز جایگزین‌های خود را دارند؛ اما آنها به اندازه گزینه‌های موجود در حال حاضر قابل اعتماد نیستند.

در ادامه به بررسی و معرفی سایر سامانه های ماهواره ای با جزییات می پردازیم.

در طراحی نخستین جی‌پی‌اس، بیست وچهار ماشین فضایی مورد نیاز بود که در هشت مدار دایره‌ای و در هر مدار حداکثر سه ماهواره قرار می‌گرفتند.  بعدها این طرح تبدیل به شش مدار شد و در هر مدار حداکثر چهار ماشین فضایی در نظر گرفته شد.

نقشه شش‌مداری حداکثر ۵۵ درجه انحراف مداری دارد که هر مدار ۶۰ درجه فاصله از گروه نزولی دارد. زمان مداری نصف یک روز نجومی است؛ معنی آن این است که روزانه حدود ۱۱ ساعت و ۵۸ دقیقه طول می‌کشد تا ماهواره از روی مکان قبلی یا تقریباً نزدیک آن عبور کند.

مدارها به شکلی تنظیم شده‌اند که در همه ساعات شبانه روز و تقریباً از همه نقاط سطح زمین، دستکم ۶ ماهواره در خط دید باشند. برای دستیابی به این موضوع، فاصله یکسانی برای ماهواره‌های موجود در مدار مشترک در نظر گرفته نشده‌است (با هم ۹۰ درجه نیستند). اگر ساده‌تر در نظر بگیریم فاصله زاویه‌ای بین بین ماهواره‌ها به شکل ۳۰، ۱۰۵، ۱۲۰، ۱۰۵ درجه است که در مجموع ۳۶۰ درجه می‌شود.

بلندی مداری حداکثر حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتر است، یعنی شعاع مداری حداکثر ۲۶۶۰۰ کیلومتر است. هر ماشین فضایی، در هر روز نجومی دو بار و همان مسیر قبلی را نسبت به زمین می‌پیماید. این مسئله مخصوصاً هنگام ارتقا و تکمیل سامانه خیلی کمک‌کننده بود. چرا که حتی فقط با ۴ ماهواره و جاگیری درست، هر چهار ماهواره در طی چند ساعت، از یک نقطه خاص قابل دید بودند. برای عملیات‌های نظامی، تکرار گذرهای زمینی از یک منطقه می‌تواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.

در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سامانه جی‌پی‌اس حضور داشتند که ۳۱ ماهواره، فعال بودند. ماهواره‌های اضافی، دقت محاسبات گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای اندازه‌گیری‌های دقیق را افزایش می‌دهند. با افزایش شمار ماهواره‌ها چینش آن‌ها در مدارها به شکل ناهمسانی تغییر کرد. مزیت این شکل از چینش نسبت به فرم استاندارد این است که در صورت از دست رفتن یکی از ماشین‌ها فضایی (عدم کارکرد درست)، کارایی سامانه، کاهش نمی‌یابد. با وضعیت امروزی از هر نقطه زمین و در هر زمانی در حدود ۹ ماهواره به شکل هم‌زمان در خط دید قرار دارند. این امر باعث افزایش چشمگیر اعتماد به دقت، نسبت به حضور دستکم ۴ ماهواره، برای تعیین مکان می‌شود.

گلوناس (GLONASS) سرواژه‌ی عبارت Global Navigation Satellite System به معنای سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی است. این سامانه، سیستمی ماهواری‌ای است که کشور روسیه آن را توسعه داده و از 24 ماهواره تشکیل شده است. روسیه در سال 1976 کار بر روی سیستم گلوناس را به عنوان یک سامانه‌ی آزمایشی ارتباطات نظامی آغاز کرد و در سال 1982 اولین ماهواره‌ی GLONASS را به فضا فرستاد. این سامانه در سال 1995 به طور کامل مورد استفاده قرار گرفت.

این سیستم ردیابی و موقعیت‌یابی جهانی شباهت زیادی با سیستم موقعیت‌یابی جهانی جی پی اس آمریکا دارد و تنها سیستمی است که عملکرد قوی آن و دقت بالای آن باعث شده تا بتوان آن را با GPS مقایسه کرد. این سیستم هم می‌تواند به عنوان مکمل جی پی اس و هم جایگزین آن به حساب آید. سیستم GLONASS طی چند مرحله توسعه یافته و به‌روزرسانی شده است؛ به همین دلیل بسیاری بر این باورند که این سیستم دقت بالاتر و کارایی بیشتری نسبت به جی پی اس آمریکایی دارد.

تاریخچه‌ای از نسخه‌های مختلف سامانه گلوناس

همان‌طور که گفتیم، سیستم GLONASS طی چند مرحله توسط روسیه توسعه یافته است. ورژن‌های توسعه‌یافته این سیستم در گذر زمان عبارتند از:

• GLONASS  این ماهواره‌ها در سال 1982 برای سازمان‌های نظامی و رسمی روسیه به فضا پرتاب شدند. این ماهواره‌ها با هدف اندازه‌گیری دمای هوا، موقعیت‌یابی و همچنین اندازه‌گیری زمان و سرعت در نظر گرفته شده بودند.
• GLONASS-M  این ماهواره‌ها در سال 2003 برای افزودن دومین فرکانس به فضا پرتاب شدند؛ دومین فرکانس برای گیرنده‌های نقشه برداری GIS اهمیت دارد.
• GLONASS-K  این ماهواره‌ها در سال 2011 برای افزودن فرکانس سوم به فضا پرتاب شدند. این ماهواره‌ها 3 نوع هستند – K1 ، K2 و KM
• GLONASS-K2  در سال 2022 به فضا پرتاب شود.
• GLONASS-KM  این ماهواره‌ها قرار است بعد از سال 2025 میلادی به فضا پرتاب شوند.

هندسه صورت فلکی گلوناس (مجموعه ۲۴ ماهواره این سیستم) تقریبا هر هشت روز یک‌بار تکرار می‌شود. دوره مداری هر ماهواره تقریبا ۸/۱۷ روز سیدری است به‌طوری‌که پس از هشت روز سیدری، ماهواره‌‌های گلوناس دقیقا ۱۷ دور مداری خود را کامل می‌کنند. این ماهواره‌ها در مدارهای دایره‌ای شکل با شیب ۶۴.۷ درجه و شعاع مداری ۱۹۱۴۰ کیلومتری قرار دارند که ۱۰۶۰ کیلومتر کمتر از ماهواره‌های جی‌پی‌اس است.

بخش کنترل سیستم GLONASS شامل مرکز کنترل سیستم و شبکه‌ای از ایستگاه‌های ردیابی در سراسر روسیه است. بخش کنترلی گلوناس درست مانند سیستم جی‌پی‌اس، سلامت ماهواره‌ها را نظارت می‌کند، تصحیحات گذرا و همچنین تغییر ساعت ماهواره را با توجه‌ به زمان گلوناس و UTC زمان هماهنگ جهانی تعیین و روزی دو بار اصلاحات را به روی ماهواره‌ها آپلود می‌کند. برای ارائه اطلاعات دقیق‌تر، پایگاه‌های سیستم ردیابی ماهواره‌ای گلوناس در کشورهای برزیل، چین، روسیه و قطب جنوب راه‌اندازی شده‌اند. داده‌های به‌دست‌آمده از این پایگاه‌ها توسط سامانه GLONASS تجزیه‌وتحلیل می‌شوند تا سیستم بتواند اطلاعات دقیق‌تری از موقعیت جغرافیایی و مختصات مورد نظر در اختیار کاربر قرار دهد.

یکی دیگر از مشخصات سیستم گلوناس این است که سیستم GLONASS دارای 24 ماهواره در 3 خط می‌باشد، درحالی‌که سیستم GPS ایالات متحده آمریکا با کمک 30 ماهواره در 6 خط اطلاعات را دریافت می‌کند. بااین‌حال، کیفیت و قدرت گلوناس در نحوه ارتباط و دریافت داده‌ها بهتر عمل می‌کند.

جی‌پی‌اس؛ رقیب سرسخت سیستم GLONASS

جی‌پی‌اس مخفف سیستم موقعیت‌یابی جهانی (Global Positioning System) است. GPS یک سیستم ناوبری رادیویی مبتنی بر فضا است که متعلق به ایالات متحده می‌باشد. سیستم GPS برای ارائه موقعیت جغرافیایی و همچنین زمان و اطلاعات به گیرنده‌های GPS در هر نقطه از کره زمین طراحی شده است. GPS به طور مستقل عمل می‌کند، اما با در اختیار داشتن اینترنت و امواج رادیویی می‌تواند بهتر و دقیق‌تر کار کند. هرکسی که گیرنده GPS داشته باشد به‌صورت رایگان می‌تواند از این سیستم استفاده کند.

GPS در سال 1973 راه‌اندازی شد و اولین ماهواره خود را در سال 1978 به فضا پرتاب کرد. در مجموع، 10 ماهواره GPS Block I بین سال‌های 1978 و 1981 پرتاب شد. ماهواره‌های سری Block II در سال 1989 به فضا پرتاب شدند و قادر به پخش بر روی دو فرکانس رادیویی باند L بودند. GPS’ Block II چندین سری توسعه از جمله Block IIA، IIR، IIR-M و IIF داشت. هر مجموعه‌ای از ماهواره‌ها بر اساس طرح‌ها و قابلیت‌های قبلی ساخته شده‌اند و در بلوک III به اوج خود می‌رسند. این نسل سوم از ماهواره‌های GPS با سیگنال‌های جدید سری Block IIIA و قدرت پخش بالاتر آغاز می‌شود. اولین ماهواره IIA 10 در سال 2018 به فضا پرتاب شد.

سیستم GPS که توسط نیروی هوایی ایالات متحده اداره می‌شود از 32 ماهواره تشکیل شده که به دور زمین می‌چرخند. بیش از 72 ماهواره تاکنون برای این سیستم به فضا پرتاب شده‌اند، اما همه آنها فعال نیستند. هدف اصلی GPS امکان ردیابی اشیا، وسایل نقلیه و افراد بدون تاثیر عواملی مانند آب‌و‌هوا است.

در بیشتر موارد، شما نمی‌توانید انتخاب کنید که کدام سیستم ناوبری جهانی را می‌خواهید استفاده کنید. می‌توانید گلوناس را با GPS ترکیب کنید، اما به ندرت می‌توانید فقط از GLONASS یا فقط Galileo استفاده کنید. استفاده از ترکیب دو سیستم ماهواره‌ای مزایایی دارد. وقتی فقط از GPS استفاده می‌کنید، دستگاه شما می‌تواند بین 30 ماهواره مختلف برای مشخص کردن سیگنال شما انتخاب کند. اما وقتی از GPS با GLONASS یا Galileo استفاده می‌کنید، این تعداد ماهواره‌های قابل مشاهده تقریبا دو برابر می‌شود.

تاریخچه سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای Galileo

سازمان فضایی اروپا در سال 2003 اولین اقدامات را برای راه اندازی سیستم گالیله آغاز نمود. پس از ایجاد طرح های اولیه این سازمان موفق شد در سال های 2005 و 2008 دو ماهواره آزمایشی با نام GIOVE  را به فضا پرتاب کند. سپس ایستگاه های زمینی آن ها را ساخت. هدف از ورود این ماهواره ها به مدارهای فضایی دریافت اطلاعات تحقیقاتی در رابطه با شرایط ارسال سیگنال، پیغام ناوبری و تحقیق به روی ساعت اتمی بود. امروزه این دو ماهواره از مدار خارج شده اند.

گام دوم پروژه در سال های 2011 و 2012 با پرتاب ماهواره های GSAT010x به فضا آغاز شد. اولین تست برای مشخص نمودن مکان ایستگاه زمینی به کمک سیگنال های این ماهواره ها در سال 2013 با موفقیت انجام شد. پس از آن سیستم ناوبری گالیلئو به طور رسمی کار خود را آغاز نمود. در این میان در حوالی سال 2007 پارلمان اروپا برای بهبود سامانه Galileo در تعیین موقعیت، تصمیم به راه اندازی یک سیستم SBAS گرفت. این سامانه امروزه به نام EGNOS شناخته می شود.

سازمان فضایی اروپا موفق شد تا پایان سال ۲۰۱۷، تعداد ۲۲ ماهواره را در مدار قرار دهد. مطابق با برنامه ریزی ها در سال ۲۰۲۰ دیگر ماهواره های مورد نیاز به فضا پرتاب شدند. به این ترتیب تمام ماهواره ها بر اساس پیکربندی ۲۴ ماهواره اصلی در کنار ۶ ماهواره کمکی در مدار قرار گرفتند. امروزه سیستم موقعیت یاب گالیله به راحتی می تواند سیگنال های دریافتی از این ماهواره ها را بررسی نموده و موقعیت اشیاء و مکان ها را شناسایی کند.

انواع سرويس های موقعیت یاب گالیله چیست؟

سیستم موقعیت یاب گالیله برای ارائه چهار نوع سرویس ناوبری طراحی شده شده است

سرويس باز OS

سرویس باز OS در دسترس تمام کاربران سیستم گالیله خواهد بود. این سرویس در دو باند 1214-1164 مگاهرتز و 1591-1563 مگاهرتز سیگنال های خود را منتشر خواهد نمود. اگر گیرنده کاربران تنهای از یکی از این دو باند استفاده کند، دقت افق 15 متر و عمودی 35 متر را در تعیین موقعیت به دست خواهد آورد. اما برای دست یابی به دقت بالاتر بهتر است از هر دو باند فرکانسی بهره بگیرید. به این ترتیب می توان دقت افقی 4 متر و عمودی 8 متر را در دسترس داشت.

سرویس تجاري رمزشده CS

سرویس CS نوعی سیستم تجاری رمز دار است که با پرداخت هزینه می توان به آن دسترسی پیدا کرد. این سرویس از 3 باند فرکانسی متشکل از باندهای سرویس باز و باند 1300-1260 مگاهرتز استفاده می کند. به این ترتیب دقت تعیین مکان توسط موقعیت یاب گالیله کمتر از 1 متر خواهد بود. همچنین به کمک ایستگاه های زمینی می توان این دقت را به 10 سانتیمتر نیز بهبود داد.

سرويس منظم عمومي رمزشده  PRS

دقتی که در سرویس PRS در دسترس قرار دارد، مطابق سرویس باز است. اما تفاوت آن در سرعت عمل پاسخگویی است. به طوری که می توان در مواجهه با پارازیت های تولیدشده، سیگنال های تقویتی را در کمتر از 10 ثانیه دریافت نمود.

سرويس امنيتي  SOL

سرویس SOL جهت استفاده در مصارف امنیتی و ایمنی طراحی شده است.

از سال 2003 تا 2006 شاهد پیوستن کشورهای مختلفی همچون چین، اسرائیل، اوکراین، هندوستان، عربستان، مراکش، کره جنوبی، استرالیا، آرژانتین، کانادا، مالزی، مکزیک، نروژ، پاکستان و روسیه به پروژه گالیله بوده ایم. برخی از این کشورها با سرمایه گذاری های کلان در این پروژه فضایی به هدف رسیدن به سود اقتصادی پس از فراگیر شدن سامانه Galileo می باشند.

سیستم ماهواره‌ای BeiDou

بیدو (BeiDou) سیستم ناوبری ماهواره‌ای جدید چینی است که این کشور به واسطه آن می‌تواند به طور کلی از GPS  بی‌نیاز شود. این سامانه از اوایل سال 2021 عملیاتی شده است.

پروژه ساخت سامانه بیدو اولین بار در سال ۲۰۰۰ کلید خورد و از همان ابتدا بیشتر تمرکز این پروژه روی پوشش قاره آسیا بود. اما الان سازندگان بیدو به دنبال این هستند که این سامانه ماهواره‌ای را به شکل جهانی عرضه کنند. در سال گذشته، چین بیش از ۱۱ ماهواره رهیاب را به فضا فرستاد تا تعداد کل ماهواره‌های بیدو به 35 عدد برسد. برای درک عظمت این سیستم ماهواره‌ای، باید بگوییم که جی‌پی‌اس تنها 32ماهواره در مدار زمین دارد و همین باعث تمایز آن شده است.

فاز سامانه بیدو

فاز اول این سیستم، مربوط به راه‌اندازی اولیه آن می‌شود که در این فاز، بیدو با 4 ماهواره شروع به فعالیت کرد. اولین ماهواره این سیستم در 30 اکتبر سال 2000، دومین ماهواره آن در تاریخ 30 دسامبر سال 2000، سومین ماهواره در 25 می 2003 و چهارمین ماهواره هم در سال 2007 روانه فضا شدند.

دوم سیستم بیدو با نام Compass یا همان قطب‌نما هم شناخته می‌شود. شاید تصور کنید که این فاز، یک فاز برای بهبود پیدا کردن فاز اول است؛ اما فاز دوم بیدو مربوط به یک سیستم کاملا جدید می‌شود که جایگزین فاز اول شده است. در این فاز قرار است که حدودا 35 ماهواره برای بیدو در نظر گرفته شوند که از این تعداد، 5 ماهواره در مدار زمین‌ایستا قرار می‌گیرند. این باعث می‌شود تا سیستم‌هایی که در گذشته از فاز اول بیدو پشتیبانی می‌کردند، همچنان بتواند از این سیستم ماهواره‌ای استفاده کنند.

از میان ۳۰ ماهواره باقی‌مانده، ۲۷ ماهواره در مدار میانی زمین قرار می‌گیرند که عمده پشتیبانی از زمین بر عهده این ماهواره‌ها است. همچنین ۳ ماهواره هم در مدار زمین‌آهنگ قرار می‌گیرند که باعث می‌شود تا بیدو بتواند تمام نقاط زمین را تحت پوشش خود قرار دهد.

جای‌گذاری ماهواره‌ها در فاز سوم بیدو تغییر می‌کند. به این شکل که ۳ ماهواره در مدار زمین‌آهنگ، سه ماهواره در مدارک زمین‌آهن، سه ماهواره دیگر در مدار زمین‌آهنگ اما با زاویه مداری و ۲۴ ماهواره دیگر در مدار میانی زمین قرار بگیرند. گفته شده است که فاز سوم مهم‌ترین فاز بیدو به شمار می‌رود و قرار است که تا سال ۲۰۳۵ این فاز ادامه داده شود.

سیستم ناوبر ماهواره ای  QZSS

ژاپن برای راه‌اندازی QZSS با شرکت‌های مختلفی از جمله میتسوبیشی الکتریک (Mitsubishi Electric)، هیتاچی (Hitachi) و GNSS همکاری کرد. اما این شرایط تا سال 2007 پابرجا بود و بعد از آن، شرکت SPAC مسئولیت این پروژه را بر عهده گرفت. این‌گونه بود که اولین ماهواره این سیستم در سال 2010 و در ماه سپتامبر به مدار فضا پرتاب شد. در سال 2013 نیز تعداد ماهواره‌های این سیستم به 4 ماهواره افزایش پیدا کرد. البته انجام این کار تا سال 2018 طول کشید. ژاپن اعلام کرده بود که تا سال 4202 تعداد ماهواره‌های این سیستم به بیش از 7 عدد می‌رسد.

سیستم ماهواره‌ای QZSS از ماهواره‌های Geostationary استفاده می‌کند که سرعت گردش آن‌ها برابر با سرعت دوره چرخش زمین است. در نتیجه، به زبان ساده می‌توان گفت که انگار ماهواره دائما روی یک مختصات خاص قرار دارد و از مسیر خود خارج نمی‌شود.

از نظر پیکربندی می‌توان گفت فناوری سیستم ناوبر ماهواره ای QZSS به دو نوع ماهواره Geostationary و IGSO تقسیم می‌شود. یکی از 4 ماهواره‌های QZSS برای Geo و سه ماهواره‌های دیگر برای IGSO هستند. ماهواره Geo در زنیت ناحیه قرار دارد. اما سه ماهواره IGSO  به صورت مایل در مدار قرار گرفته‌اند.

یکی از سیگنال‌هایی که از سیستم ناوبر ماهواره ای QZSS فرستاده می‌شود، مربوط به مکمل GPS است. این سرویس 4 سیگنال مختلف را که L2C، L1C، L1 C\A و L5 نام دارند را با موجی برابر با سیگنال‌های ارسالی ماهواره‌های GPS ایجاد می‌کنند. به همین خاطر، می‌توان گفت که سیگنال‌های QZSS به نوعی یک مکمل برای سرویس GPS است.

سامانه QZSS چند ایستگاه زمینی دارد؟

سیستم موقعیت‌یابی کواسی زنیت درست مانند سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای دیگر، نیازمند ایستگاه‌های زمینی است. این ایستگاه‌ها هرکدام کاربردهای مخصوص خود را دارند. برخی از آن‌ها برای کنترل اصلی استفاده می‌شوند که در نزدیکی توکیو قرار دارند، برخی دیگر برای مانیتورینگ هستند که در کشورهای آسیایی مختلف و استرالیا وجود دارند، برخی دیگر مربوط به شبکه TT&C می‌شوند و آخرین نوع ایستگاه برای مدیریت زمان برای بررسی و کنترل سیستم زمانی QZSS استفاده می‌شود.