سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) ، در اصل GPS Navstar [1] (در لوگوی خود با حروف بزرگ استایل شده) ، یک سیستم رادیو پیمایش ماهواره ای است که متعلق به دولت ایالات متحده است و توسط نیروی فضایی ایالات متحده اداره می شود. این یکی از سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS) است که اطلاعات موقعیت مکانی و زمانی را به یک گیرنده GPS در هرجای زمین یا نزدیک زمین که یک خط دید بلامانع به چهار یا چند ماهواره GPS وجود دارد ، ارائه می دهد. موانعی مانند کوه ها و ساختمان ها سیگنال های نسبتاً ضعیف GPS را مسدود می کنند.
GPS برای انتقال اطلاعات به کاربر نیازی ندارد و به طور مستقل از هرگونه دریافت تلفنی یا اینترنتی کار می کند ، اگرچه این فناوری ها می توانند سودمندی اطلاعات موقعیت یابی GPS را افزایش دهند. GPS قابلیت موقعیت یابی حیاتی را در اختیار کاربران نظامی ، غیرنظامی و تجاری در سراسر جهان قرار می دهد. دولت ایالات متحده این سیستم را ایجاد کرده ، آن را نگهداری می کند و آن را برای هر کسی با گیرنده GPS آزادانه در دسترس قرار می دهد.
پروژه GPS توسط وزارت دفاع ایالات متحده در سال 1973 آغاز شد ، با اولین نمونه اولیه فضاپیما در سال 1978 و صورت فلکی کامل 24 ماهواره در سال 1993 عملیاتی شد. پیرو دستور اجرایی رئیس جمهور رونالد ریگان. پیشرفت در فناوری و تقاضای جدید در سیستم موجود اکنون منجر به تلاش برای مدرن سازی GPS و اجرای نسل بعدی ماهواره های GPS Block IIIA و سیستم کنترل عملیاتی نسل بعدی ((OCXشده است. اطلاعیه های معاون رئیس جمهور ال گور و کاخ سفید در سال 1998 این تغییرات را آغاز کرد. در سال 2000 ، کنگره آمریکا مجوز تلاش برای نوسازی ، GPS III را صادر کرد.
در طی دهه 1990 ، کیفیت برنامه های GPS توسط برنامه دولت تحت عنوان "در دسترس بودن انتخابی" توسط دولت ایالات متحده کاهش یافت. این قانون در 1 مه 2000 با قانونی به امضای رئیس جمهور بیل کلینتون متوقف شد.
سرویس GPS توسط دولت ایالات متحده ارائه می شود ، که می تواند دسترسی به سیستم را به طور انتخابی انکار کند ، همانطور که در سال 1999 هنگام جنگ کارگیل برای ارتش هند اتفاق افتاد ، یا خدمات را در هر زمان تخریب کند. در نتیجه ، چندین کشور دیگر سیستم های ناوبری ماهواره ای جهانی یا منطقه ای را توسعه داده یا در مرحله راه اندازی هستند. سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی روسیه (GLONASS) همزمان با GPS ساخته شده است ، اما تا اواسط دهه 2000 از پوشش ناقص کره زمین رنج می برد. GLONASS را می توان به دستگاه های ردیاب آهن ربایی افزود ، ماهواره های بیشتری را در دسترس قرار داد و موقعیت ها را قادر می سازد با سرعت و دقت بیشتری تا دو متر (6.6 فوت) ثابت شوند. سیستم ماهواره ای BeiDou Navigation China خدمات جهانی را در سال 2018 آغاز کرد و استقرار کامل خود را در سال 2020 به پایان رساند. همچنین سیستم موقعیت یابی اتحادیه اروپا گالیله و NavIC هند وجود دارد. سیستم ماهواره Quasi-Zenith (QZSS) ژاپن یک سیستم تقویت ماهواره ای مبتنی بر GPS برای افزایش دقت GPS در آسیا و اقیانوسیه است و ناوبری ماهواره ای مستقل از GPS برای سال 2023 برنامه ریزی شده است.
هنگامی که دسترسی انتخابی در سال 2000 برطرف شد ، GPS حدوداً پنج متر (16 فوت) دقت داشت. آخرین مرحله افزایش دقت از باند L5 استفاده می کند و اکنون کاملاً بکار گرفته شده است. گیرنده های GPS منتشر شده در سال 2018 که از باند L5 استفاده می کنند ، می توانند از دقت بسیار بالاتری برخوردار باشند و به دقت 30 سانتی متر یا 11.8 اینچ باشند.
پروژه GPS برای غلبه بر محدودیت های سیستم های ناوبری قبلی ، در ایالات متحده در سال 1973 راه اندازی شد ، ایده های چندین پیشینی ، از جمله مطالعات طراحی مهندسی طبقه بندی شده از دهه 1960 ، را ادغام کرد. وزارت دفاع آمریکا این سیستم را توسعه داد که در اصل از 24 ماهواره استفاده می کرد. این در ابتدا برای استفاده توسط ارتش ایالات متحده توسعه داده شد و در سال 1995 به طور کامل عملیاتی شد. استفاده غیرنظامی از دهه 1980 مجاز بود. راجر ال ایستون از آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ، ایوان A. گتینگ از شرکت هوافضا و بردفورد پارکینسون از آزمایشگاه فیزیک کاربردی به دلیل اختراع آن اعتبار دارند. کار گلادیس وست در ایجاد تکنیک های محاسباتی برای تشخیص موقعیت های ماهواره با دقت لازم برای GPS بسیار مهم است.
طراحی GPS تا حدی مبتنی بر سیستم های ناوبری رادیویی مشابه زمینی ، مانند LORAN و Decca Navigator است که در اوایل دهه 1940 توسعه یافته است.
در سال 1955 ، فریدوارد وینتربرگ آزمایش نسبیت عمومی را پیشنهاد داد - با استفاده از ساعتهای اتمی دقیق که در مدار ماهواره های مصنوعی قرار گرفته اند ، کاهش سرعت در یک میدان گرانشی قوی را تشخیص می دهد. نسبیت خاص و عمومی پیش بینی می کند که ساعت های ماهواره های GPS توسط ناظران زمین دیده می شوند تا روزانه 38 میکروثانیه سریعتر از ساعتهای زمین کار کنند. موقعیت های محاسبه شده GPS به سرعت دچار خطا می شود و در هر روز 10 کیلومتر (6 مایل در روز) جمع می شود. این در طراحی GPS اصلاح شده است.
پیشینیان
هنگامی که اتحاد جماهیر شوروی اولین ماهواره مصنوعی (Sputnik 1) را در سال 1957 پرتاب کرد ، دو فیزیکدان آمریکایی ، ویلیام گویر و جورج وایفنباخ ، در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز (APL) تصمیم گرفتند تا انتقال رادیویی آن را کنترل کنند. در عرض چند ساعت فهمیدند که به دلیل اثر داپلر ، می توانند محل قرارگیری ماهواره در مدار خود را مشخص کنند. مدیر APL به آنها اجازه داد تا UNIVAC خود را انجام دهند تا محاسبات سنگین مورد نیاز را انجام دهند.
در اوایل سال بعد ، فرانک مک کلور ، معاون APL ، از Guier و Weiffenbach خواست تا مشکل معکوس را بررسی کنند - با توجه به ماهواره ، مکان کاربر را مشخص کنند. (در آن زمان ، نیروی دریایی در حال توسعه موشک Polaris با زیردریایی بود که آنها را ملزم می دانست مکان زیردریایی را بدانند.) این امر باعث شد تا آنها و APL سیستم TRANSIT را توسعه دهند. در سال 1959 ، ARPA (در سال 1972 به DARPA تغییر نام یافت) نیز در TRANSIT نقش داشت.
اولین بار TRANSIT با موفقیت در سال 1960 آزمایش شد. این مکان از صورت فلکی پنج ماهواره استفاده می کرد و می توانست تقریباً هر ساعت یک بار یک رفع ناوبری ایجاد کند.
در سال 1967 ، نیروی دریایی ایالات متحده ماهواره Timation را توسعه داد ، که این امکان را برای قرار دادن ساعتهای دقیق در فضا ، یک فناوری مورد نیاز برای GPS ، ثابت کرد.
در دهه 1970 ، سیستم ناوبری OMEGA زمینی ، بر اساس مقایسه فاز انتقال سیگنال از جفت ایستگاه ها ، اولین سیستم ناوبری رادیویی در سراسر جهان شد. محدودیت های این سیستم ها نیاز به یک راه حل جهانی ناوبری با دقت بیشتری را ایجاد می کند.
اگرچه نیازهای زیادی به پیمایش دقیق در بخشهای نظامی و غیرنظامی وجود داشت ، اما تقریباً هیچ یک از اینها توجیهی برای میلیاردها دلار هزینه برای تحقیق ، توسعه ، استقرار و بهره برداری از یک مجموعه ماهواره های ناوبری نبود. در طول جنگ تسلیحاتی جنگ سرد ، تهدید هسته ای موجودیت ایالات متحده یکی از نیازهایی بود که از نظر کنگره ایالات متحده این هزینه را توجیه می کرد. این اثر بازدارندگی بودجه تأمین بودجه GPS است. همچنین دلیل فوق العاده پنهان کاری در آن زمان است. سه گانه هسته ای متشکل از موشکهای بالستیک زیردریایی (SLBM) نیروی دریایی ایالات متحده به همراه بمب افکنهای استراتژیک نیروی هوایی ایالات متحده (USAF) و موشکهای بالستیک قاره پیما (ICBM) بود. تعیین شده برای وضعیت بازدارندگی هسته ای ، تعیین دقیق موقعیت پرتاب SLBM یک ضرب نیرو بود.
ناوبری دقیق ، زیردریایی های موشک بالستیک ایالات متحده را قادر می سازد قبل از اینکه SLBM خود را راه اندازی کنند ، مواضع خود را دقیق تر کنند. USAF ، با دو سوم از سه گانه هسته ای ، همچنین نیاز به یک سیستم ناوبری دقیق تر و قابل اطمینان تر داشت. نیروی دریایی و نیروی هوایی در حال توسعه فن آوری های خود به طور موازی برای حل مشکل اساسی بودند.
برای افزایش بقای ICBM ، پیشنهادی برای استفاده از سیستم عامل های پرتاب تلفن همراه (قابل مقایسه با SS-24 و SS-25 شوروی) وجود داشت و بنابراین نیاز به اصلاح موقعیت پرتاب شباهت به وضعیت SLBM داشت.
در سال 1960 ، نیروی هوایی یک سیستم ناوبری رادیویی به نام MOSAIC (سیستم MObile برای کنترل دقیق ICBM) را پیشنهاد کرد که اساساً یک 3-LORAN بود. یک مطالعه پیگیری ، پروژه 57 ، در سال 1963 انجام شد و "در این مطالعه بود که مفهوم GPS متولد شد." در همان سال ، این مفهوم به عنوان پروژه 621B دنبال شد ، که دارای "بسیاری از ویژگی هایی است که اکنون در GPS مشاهده می کنید" و نوید دهنده دقت بیشتر برای بمب افکن های نیروی هوایی و همچنین ICBM است.
به روزرسانی ها از سیستم Navy TRANSIT برای سرعت زیاد عملیات نیروی هوایی بسیار کند بود. آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی با ماهواره های Timation (Time Navigation) خود ، که برای اولین بار در سال 1967 به فضا پرتاب شد ، به پیشرفت ادامه داد و سومین آن در سال 1974 ، اولین ساعت اتمی را به مدار وارد کرد.
سلف مهم دیگر GPS از شاخه دیگری از ارتش ایالات متحده بود. در سال 1964 ، ارتش ایالات متحده اولین ماهواره Sequential Colling of Range (SECOR) را که برای بررسی ژئودتیک مورد استفاده قرار گرفت ، چرخاند. سیستم SECOR شامل سه فرستنده زمینی در مکان های شناخته شده است که می توانند سیگنال هایی را به فرستنده ماهواره ای در مدار ارسال کنند. چهارمین ایستگاه زمینی ، در موقعیت نامعلوم ، می تواند از آن سیگنال ها برای تعیین موقعیت دقیق آن استفاده کند. آخرین ماهواره SECOR در سال 1969 پرتاب شد.
با این تحولات موازی در دهه 1960 ، متوجه شدیم که می توان با تلفیق بهترین فناوری ها از 621B ، ترانزیت ، زمان بندی و SECOR در یک برنامه چند سرویس ، یک سیستم برتر ایجاد کرد. خطاهای موقعیت مداری ماهواره ، ناشی از تغییرات در میدان جاذبه و انکسار رادار در میان دیگران ، باید حل شوند. یک تیم تحت هدایت هارولد L هیئت داوران از بخش Pan Am Aerospace Division در فلوریدا از 1970 تا 1973 ، برای انجام این کار از همسان سازی داده ها و تخمین بازگشتی داده ها در زمان واقعی استفاده کرد ، خطاهای سیستماتیک و باقیمانده را به یک سطح قابل کنترل کاهش داد تا ناوبری دقیق را فراهم کند.
در تعطیلات آخر هفته روز کارگر در سال 1973 ، جلسه ای در حدود دوازده افسر نظامی در پنتاگون درباره ایجاد یک سیستم ماهواره ای ناوبری پدافندی (DNSS) بحث و تبادل نظر کرد. در این جلسه بود که سنتز واقعی GPS شد. در اواخر همان سال ، برنامه DNSS Navstar نامگذاری شد. Navstar اغلب به اشتباه مخفف کلمه "NAVigation System Using Timing and Ranging" در نظر گرفته می شود اما هرگز توسط دفتر برنامه مشترک GPS اینگونه در نظر گرفته نمی شود (TRW ممکن است یک بار از سیستم ناوبری متفاوتی حمایت کند که از آن مخفف استفاده می کرد). با مرتبط شدن ماهواره های منفرد با نام Navstar (همانند Transit and Timation) ، برای شناسایی صورت فلکی ماهواره های Navstar از Navstar-GPS نامی کاملاً کامل استفاده شد. ده ماهواره نمونه اولیه "Block I" بین سالهای 1978 و 1985 به فضا پرتاب شد (یک واحد اضافی نیز در اثر شکست پرتاب منهدم شد)
تأثیر یونوسفر بر انتقال رادیویی در یک آزمایشگاه ژئوفیزیک آزمایشگاه تحقیقات نیروی کمبریج نیروی هوایی ، که در سال 1974 به آزمایشگاه تحقیقات ژئوفیزیک نیروی هوایی (AFGRL) تغییر نام یافت ، مورد بررسی قرار گرفت. AFGRL مدل Klobuchar را برای محاسبه اصلاحات یونوسفر در مکان GPS ایجاد کرد. نکته قابل توجه کارهایی است که توسط دانشمند فضایی استرالیایی ، الیزابت اسکس کوهن در AFGRL در سال 1974 انجام شده است. او نگران انحنای مسیرهای امواج رادیویی (شکست جو) بود که از ماهواره های NavSTAR از یونوسفر عبور می کنند.
پس از پرواز خطوط هوایی کره 007 ، یک بوئینگ 747 حامل 269 نفر در سال 1983 پس از گمراه شدن در حریم هوایی ممنوع اتحاد جماهیر شوروی ساقط شد ، در مجاورت جزایر ساخالین و مونرون ، رئیس جمهور رونالد ریگان دستورالعملی را صادر کرد که GPS را به صورت رایگان برای استفاده غیرنظامی ، به محض اینکه به اندازه کافی توسعه یافت ، به عنوان یک کالای مشترک مورد استفاده قرار گرفت. اولین ماهواره Block II در 14 فوریه 1989 ، و 24مین ماهواره در سال 1994 پرتاب شد. در این مرحله هزینه برنامه GPS ، شامل هزینه تجهیزات کاربر نیست اما شامل هزینه های پرتاب ماهواره است. 5 میلیارد دلار آمریکا (دلار آن سال) تخمین زده شده است.
از نظر ناسازگار ، بالاترین کیفیت سیگنال برای استفاده نظامی محفوظ بود ، و سیگنال موجود برای استفاده غیرنظامی عمداً تخریب شد ، در سیاستی موسوم به «دسترسی انتخابی». این امر با امضای بیل کلینتون ، رئیس جمهور در اول ماه مه 2000 ، یک دستورالعمل سیاستی برای خاموش کردن گزینه انتخابی برای ارائه همان دقت برای غیرنظامیان که به ارتش تعلق می گرفت ، تغییر یافت. این بخشنامه توسط وزیر دفاع ایالات متحده ، ویلیام پری ، با توجه به رشد گسترده خدمات دیفرانسیل GPS توسط صنعت خصوصی برای بهبود دقت غیرنظامی پیشنهاد شده است. علاوه بر این ، ارتش ایالات متحده به طور فعال در حال توسعه فن آوری هایی بود که سرویس GPS را برای دشمنان احتمالی به صورت منطقه ای انکار کند.
از زمان استقرار ، ایالات متحده چندین پیشرفت در سرویس GPS اعمال کرده است ، از جمله سیگنال های جدید برای استفاده های مدنی و افزایش دقت و صحت برای همه کاربران ، در حالی که سازگاری را با تجهیزات GPS موجود حفظ می کند. نوسازی سیستم ماهواره ابتکاری مداوم توسط وزارت دفاع ایالات متحده از طریق مجموعه ای از خریدهای ماهواره برای تأمین نیازهای روزافزون ارتش ، غیرنظامیان و بازار تجاری بوده است.
از اوایل سال 2015 ، گیرنده های GPS با کیفیت بالا ، درجه FAA ، سرویس موقعیت یابی استاندارد (SPS) دقت افقی بهتر از 3.5 متر (11 فوت) را ارائه می دهند ، اگرچه عوامل زیادی مانند کیفیت گیرنده و مسائل جوی می توانند بر این دقت تأثیر بگذارند .
GPS به عنوان یک منبع ملی توسط دولت ایالات متحده متعلق و اداره می شود. وزارت دفاع مهمان GPS است. کمیته اجرایی GPS بین المللی (IGEB) از سال 1996 تا 2004 بر امور سیاست GPS نظارت داشت. پس از آن ، کمیته اجرایی موقعیت یابی ، ناوبری و زمان بندی ملی مبتنی بر فضا با دستورالعمل ریاست جمهوری در سال 2004 برای مشاوره و هماهنگی ادارات و آژانس های فدرال در امور مربوط تأسیس شد. GPS و سیستم های مربوطه. کمیته اجرایی به طور مشترک توسط معاونان دبیر دفاع و حمل و نقل اداره می شود. عضویت آن شامل مقامات معادل وزارت امور خارجه ، بازرگانی و امنیت داخلی ، ستاد مشترک ستاد و ناسا است. اجزای دفتر اجرایی رئیس جمهور به عنوان ناظر در کمیته اجرایی و رئیس FCC به عنوان رابط شرکت می کنند.
وزارت دفاع آمریکا طبق قانون موظف است "یک سرویس موقعیت یابی استاندارد (همانطور که در برنامه ناوبری رادیویی فدرال و مشخصات سیگنال استاندارد موقعیت یابی تعریف شده است) را که به صورت مداوم و جهانی در دسترس خواهد بود" حفظ کند و "تدابیری را برای جلوگیری از استفاده خصمانه از GPS و افزایش آن بدون ایجاد مزاحمت یا تحقیر بی جهت استفاده غیرنظامی. "
مبانی
گیرنده GPS موقعیت و زمان خود را بر اساس داده های دریافت شده از چندین ماهواره GPS محاسبه می کند. هر ماهواره ضبط دقیق موقعیت و زمان خود را انجام می دهد و این داده ها را به گیرنده منتقل می کند.
ماهواره ها ساعتهای اتمی بسیار پایداری دارند که با یکدیگر و با ساعتهای زمینی هماهنگ شده اند. هرگونه رانش از زمان نگهداری شده روی زمین روزانه اصلاح می شود. به همین ترتیب ، مکان های ماهواره با دقت زیادی شناخته می شوند. گیرنده های GPS دارای ساعت نیز هستند ، اما از ثبات کمتری برخوردارند و از دقت کمتری برخوردار هستند.
از آنجایی که سرعت امواج رادیویی ثابت و مستقل از سرعت ماهواره است ، تاخیر زمانی که ماهواره سیگنال را منتقل می کند و گیرنده آن را دریافت می کند ، متناسب با فاصله ماهواره تا گیرنده است. حداقل چهار ماهواره باید در نظر گیرنده باشد تا بتواند چهار مقدار ناشناخته را محاسبه کند (سه مختصات موقعیت و انحراف ساعت از زمان ماهواره)
توضیحات دقیق تر
هر ماهواره GPS به طور مداوم یک سیگنال (موج حامل با مدولاسیون) را پخش می کند که شامل:
یک کد شبه تصادفی (توالی یک و صفر) که برای گیرنده شناخته شده است. با تراز کردن زمان نسخه گیرنده و نسخه اندازه گیری شده گیرنده کد ، زمان ورود (TOA) یک نقطه تعریف شده در دنباله کد ، epoch را می توان در مقیاس زمان گیرنده ساعت یافت
پیامی که شامل زمان انتقال (TOT) دوره کد (در مقیاس زمانی GPS) و موقعیت ماهواره در آن زمان است.
از نظر مفهومی ، گیرنده TOA (با توجه به ساعت خاص خود) چهار سیگنال ماهواره را اندازه گیری می کند. از TOA و TOTS ، گیرنده مقادیر چهار زمان پرواز (TOF) را تشکیل می دهد که (با توجه به سرعت نور) تقریباً معادل دامنه ماهواره گیرنده به اضافه اختلاف زمان بین گیرنده و ماهواره های GPS ضرب در سرعت نور ، که به عنوان محدوده شبه نامیده می شوند. سپس گیرنده موقعیت سه بعدی و انحراف ساعت خود را از چهار TOF محاسبه می کند.
در عمل موقعیت گیرنده (در مختصات دکارتی سه بعدی با مبدا در مرکز زمین) و جابجایی ساعت گیرنده نسبت به زمان GPS همزمان با استفاده از معادلات ناوبری برای پردازش TOF ها محاسبه می شوند.
محلول زمین محور گیرنده معمولاً نسبت به مدل زمین بیضی به عرض جغرافیایی ، طول و ارتفاع تبدیل می شود. سپس ممکن است ارتفاع نسبت به ژئوئید بیشتر ارتفاع شود ، که اساساً میانگین سطح دریا است. این مختصات ممکن است مانند در یک نمایشگر نقشه در حال حرکت نمایش داده شود ، یا توسط سیستم دیگری مانند سیستم هدایت وسیله نقلیه ضبط یا استفاده شود.
هندسه ماهواره کاربر
اگرچه معمولاً به طور واضح در پردازش گیرنده تشکیل نمی شود ، اما اختلافات زمانی مفهومی ورود (TDOA) هندسه اندازه گیری را تعریف می کند. هر TDOA مربوط به یک هذلولیک از انقلاب است (به چند لایه مراجعه کنید). خط اتصال دو ماهواره درگیر (و پسوندهای آن) محور هیپربولیید را تشکیل می دهد. گیرنده در نقطه ای قرار دارد که سه هیپربولوئید از یکدیگر تلاقی می کنند.
گاهی اوقات به اشتباه گفته می شود که مکان کاربر در تقاطع سه کره است. در حالی که تجسم ساده تر است ، این تنها در صورتی است که گیرنده دارای یک ساعت هماهنگ با ساعت های ماهواره ای باشد (به عنوان مثال گیرنده محدوده واقعی ماهواره ها را اندازه می گیرد تا تفاوت دامنه). کاربر دارای ساعت هماهنگ شده با ماهواره ها است که از مزایای عملکرد مشخص شده است. مهمترین نکته این است که فقط سه ماهواره برای محاسبه راه حل موقعیت مورد نیاز است. اگر یک قسمت اساسی از مفهوم GPS باشد که همه کاربران برای حمل ساعت همگام سازی نیاز دارند ، تعداد کمتری ماهواره می تواند مستقر شود ، اما هزینه و پیچیدگی تجهیزات کاربر افزایش می یابد.
گیرنده در عملیات مداوم
توضیحات بالا نمایانگر وضعیت راه اندازی گیرنده است. اکثر گیرنده ها دارای یک الگوریتم مسیر هستند که گاهی اوقات ردیاب نیز نامیده می شود و مجموعه ای از اندازه گیری های ماهواره ای را در زمان های مختلف جمع می کند - در واقع ، با استفاده از این واقعیت که موقعیت های گیرنده متوالی معمولاً به یکدیگر نزدیک هستند. پس از پردازش مجموعه ای از اندازه گیری ها ، ردیاب مکان گیرنده مربوط به مجموعه بعدی از اندازه گیری های ماهواره را پیش بینی می کند. هنگامی که اندازه گیری های جدید جمع آوری می شود ، گیرنده از یک طرح توزین برای ترکیب اندازه گیری های جدید با پیش بینی ردیاب استفاده می کند. به طور کلی ، یک ردیاب می تواند (الف) موقعیت گیرنده و دقت زمان را بهبود بخشد ، (ب) اندازه گیری های بد را رد کند ، و (ج) سرعت و جهت گیرنده را تخمین بزند.
عیب یک ردیاب این است که تغییرات سرعت یا جهت فقط با تاخیر قابل محاسبه است و وقتی مسیر طی شده بین دو اندازه گیری موقعیت زیر یا نزدیک خطای تصادفی اندازه گیری موقعیت کاهش یابد ، این جهت مشتق شده نادرست می شود. واحدهای GPS می توانند از اندازه گیری تغییر داپلر سیگنالهای دریافت شده برای محاسبه دقیق سرعت استفاده کنند. سیستم های ناوبری پیشرفته تر از سنسورهای اضافی مانند قطب نما یا سیستم ناوبری اینرسی برای تکمیل GPS استفاده می کنند.
برنامه های غیر ناوبری
GPS برای پیمایش دقیق نیاز به چهار یا چند ماهواره دارد. حل معادلات ناوبری موقعیت گیرنده را به همراه تفاوت بین زمان نگهداری شده توسط ساعت روی برد گیرنده و زمان واقعی روز نشان می دهد ، در نتیجه نیازی به یک ساعت دقیق تر و احتمالاً غیر عملی مبتنی بر گیرنده را از بین می برد. . برنامه های کاربردی برای GPS مانند انتقال زمان ، زمان سیگنال ترافیک و همگام سازی ایستگاه های پایه تلفن همراه ، از این زمان بندی ارزان و بسیار دقیق استفاده می کنند. بعضی از برنامه های GPS از این زمان برای نمایش استفاده می کنند یا به غیر از محاسبات موقعیت اولیه ، اصلاً از آن استفاده نمی کنند.
اگرچه برای عملکرد طبیعی چهار ماهواره مورد نیاز است ، اما در موارد خاص تعداد کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. اگر یک متغیر از قبل شناخته شده باشد ، یک گیرنده می تواند موقعیت خود را فقط با استفاده از سه ماهواره تعیین کند. به عنوان مثال ، ممکن است یک کشتی یا هواپیما ارتفاع مشخص داشته باشد. بعضی از گیرنده های GPS ممکن است از سرنخ ها یا فرضیات اضافی مانند استفاده مجدد از آخرین ارتفاع شناخته شده ، حساب مرده ، ناوبری اینرسی ، یا شامل اطلاعات از رایانه وسیله نقلیه برای ایجاد موقعیت (احتمالاً تخریب شده) در زمانی که کمتر از چهار ماهواره قابل مشاهده است ، استفاده کنند.
بخش فضایی
بخش فضایی (SS) از مدار 24 تا 32 ماهواره یا وسایل نقلیه فضایی (SV) در مدار زمین متوسط تشکیل شده است و همچنین شامل آداپتورهای محموله برای تقویت کننده های مورد نیاز برای پرتاب آنها به مدار است. در ابتدا طرح GPS 24 SV را خواستار بود که هر کدام هشت در هر سه مدار مدور است ، اما این به شش صفحه مداری با چهار ماهواره تغییر یافت. شش صفحه مدار تقریباً شیب 55 درجه دارند (شیب نسبت به استوا زمین) و با صعود 60 درجه راست گره صعودی (زاویه در امتداد خط استوا از نقطه مرجع تا تقاطع مدار) از هم جدا می شوند. دوره مداری یک روز نیمه جانبی است ، یعنی 11 ساعت و 58 دقیقه به طوری که ماهواره ها هر روز از همان مکانها یا تقریباً از همان مکانها عبور می کنند. مدارها به گونه ای تنظیم شده اند که حداقل شش ماهواره همیشه از هرجای سطح زمین در معرض دید قرار بگیرند (به انیمیشن سمت راست مراجعه کنید). نتیجه این هدف این است که چهار ماهواره در هر مدار به طور مساوی (90 درجه) از هم فاصله ندارند. به طور کلی ، تفاوت زاویه ای بین ماهواره ها در هر مدار 30 درجه ، 105 درجه ، 120 درجه و 105 درجه از هم جدا است که مجموع آنها 360 درجه است.
در ارتفاع تقریباً 20200 کیلومتری (12،600 مایل) در حال چرخش باشید. شعاع مداری تقریباً 26600 کیلومتر (16،500 مایل) ، هر SV هر روز دو چرخش کامل ایجاد می کند و هر روز مسیر زمینی مشابه را تکرار می کند. این در طول توسعه بسیار مفید بود زیرا حتی با وجود تنها چهار ماهواره ، هم ترازی صحیح به این معنی است که هر چهار نفر هر روز از یک نقطه قابل مشاهده هستند. برای عملیات نظامی ، می توان از تکرار مسیر زمینی برای اطمینان از پوشش خوب در مناطق جنگی استفاده کرد.
از فوریه 2019 ، 31 ماهواره در صورت فلکی GPS وجود دارد که 27 مورد از آنها در یک زمان مشخص در حال استفاده هستند و بقیه به عنوان حالت آماده به کار اختصاص یافته اند. 32 ام در سال 2018 راه اندازی شد. از جولای 2019 ، این آخرین هنوز در مرحله ارزیابی است. ماهواره های غیرفعال شده بیشتری در مدار هستند و به صورت قطعات یدکی در دسترس هستند. ماهواره های اضافی بیش از 24 با ارائه اندازه گیری های زائد ، دقت محاسبات گیرنده GPS را بهبود می بخشند. با افزایش ماهواره ها ، صورت فلکی به آرایش غیر یکنواخت تغییر یافت. نشان داده شده است که چنین آرایش دقت را بهبود می بخشد ، اما همچنین قابلیت اطمینان و در دسترس بودن سیستم را نسبت به یک سیستم یکنواخت ، هنگام خراب شدن چندین ماهواره بهبود می بخشد. با استفاده از صورت فلکی منبسط شده ، نه ماهواره معمولاً از هر نقطه از زمین در هر زمان قابل مشاهده است ، افزایش قابل توجهی نسبت به حداقل چهار ماهواره مورد نیاز برای یک موقعیت را تضمین می کند.
بخش کاربر
بهترین ردیاب های آهن ربایی در حراجی تو
بخش کاربری (ایالات متحده) متشکل از صدها هزار کاربر نظامی ایالات متحده و متحدان آن از سرویس دقیق موقعیت یابی GPS دقیق و ده ها میلیون کاربر مدنی ، تجاری و علمی از سرویس موقعیت یابی استاندارد (به دستگاه های ناوبری GPS مراجعه کنید). به طور کلی ، گیرنده های GPS از یک آنتن ، تنظیم شده بر روی فرکانس های منتقل شده توسط ماهواره ها ، پردازنده های گیرنده و یک ساعت بسیار پایدار (غالباً یک نوسان ساز کریستال) تنظیم می شوند. همچنین ممکن است شامل نمایشگری برای ارائه اطلاعات مکان و سرعت به کاربر باشد. یک گیرنده اغلب با تعداد کانال های آن توصیف می شود: این نشان دهنده تعداد ماهواره هایی است که می تواند به طور همزمان نظارت کند. در اصل به چهار یا پنج کانال محدود می شد ، این در طول سال ها به تدریج افزایش یافته است ، به طوری که از سال 2007 ، گیرنده ها معمولاً بین 12 تا 20 کانال دارند. گرچه تولیدکننده های گیرنده زیادی وجود دارد ، تقریباً همه آنها از یکی از چیپ ست های تولید شده برای این منظور استفاده می کنند.
گیرنده های GPS ممکن است با استفاده از قالب RTCM SC-104 ورودی برای اصلاحات دیفرانسیل داشته باشند. این به طور معمول به شکل یک پورت RS-232 با سرعت 4800 بیت در ثانیه است. داده ها در واقع با سرعت بسیار کمتری ارسال می شوند ، که این میزان دقت سیگنال ارسالی با استفاده از RTCM را محدود می کند. [نیاز به منبع] گیرنده های دارای گیرنده داخلی DGPS می توانند از کسانی که از داده های خارجی RTCM استفاده می کنند عملکرد بهتری داشته باشند. [نیازمند منبع] از سال 2006 ، حتی کم هزینه واحدها معمولاً شامل گیرنده های سیستم افزایش سطح گسترده (WAAS) هستند.
بسیاری از گیرنده های GPS می توانند داده های موقعیت را با استفاده از پروتکل NMEA 0183 به کامپیوتر یا دستگاه دیگری انتقال دهند. اگرچه این پروتکل به طور رسمی توسط انجمن ملی الکترونیک دریایی (NMEA) تعریف شده است ، ارجاعات به این پروتکل از سوابق عمومی تهیه شده است ، که به ابزارهای منبع باز مانند gpsd اجازه می دهد پروتکل را بدون نقض قوانین مالکیت معنوی بخوانند. [توضیحات لازم] پروتکل های اختصاصی دیگری نیز وجود دارند ، مانند پروتکل های SiRF و MTK. گیرنده ها می توانند با استفاده از روشهایی از جمله اتصال سریال ، USB یا بلوتوث با سایر دستگاهها رابط داشته باشند.
___________________________________________________________________________
منبع: ویکی پدیا
