سامانه موقعیت‌یابی جهانی

مترجم:

نام‌ کتاب: سامانه موقعیت‌یابی جهانی

مولف: محمود محمدی

ویراستار: میثم محسنی

ناظر ویراستار: سید علی‌اکبر میردهقان

ناظر چاپ: داود رحیمی

امور چاپ و صحافی: بهمن شوقی- محمدعلی عمرانی

طراح جلد: فرشید باقری

صفحه‌آرایی: عادل اشراقی

نوبت و سال چاپ: اول- پاییز 1388

ناشر: مرکز آموزشی و پژوهشی شهید سپهبد صیادشیرازی

شمارگان: 1000 نسخه

شابک: 6-45-5251-600-978

نشانی: تهران- لویزان- بزرگراه ارتش- روبروی سازمان جنگل‌ها و مراتع- مرکز آموزشی و پژوهشی شهید سپهبد صیادشیرازی.

صندوق پستی: 3694-16765- تلفن مرکز عرضه محصولات فرهنگی: 22450697

فهرست مطالب

عنوان

سخن ناشر

مقدمه مولف

پیشگفتار

فصل اول

کلیات

نحوه پیدایش

آرایش آسمانی ماهواره‌ها

تاریخچه تکامل

قسمت‌های اصلی

بلوک‌بندی ماهواره‌ها

وظایف قسمت‌های مختلف بخش کنترل

ایستگاه‌های کنترل

ایستگاه‌ ردیاب

بخش استفاده‌کنندگان

ساختار گیرنده‌های GPS

انواع آنتن

ساختار آنتن‌ها

واحد ورودی‌ دستورات و واحد نمایش

انواع گیرنده‌ها

ساختار سیگنال‌ها

نحوه کدگذاری سیگنال‌ها

سامانه زمان

مراحل کار سامانه

خطاهای موجود در سامانه

طرح هندسی مناسب ماهواره‌ها نسبت به گیرنده

تقسیم‌بندی گیرنده‌ها

کارکرد گیرنده‌ها

نحوه تعیین مختصات توسط گیرنده

کاربرد کدها

کاربردهای GPS

محدودیت‌های نظامی در استفاده از GPS

نقاط ضعف و آسیب‌پذیری سامانه GPS و شیوه مقابله با آن

گیرنده‌های دو منظوره

پارازیت‌ اندازهای سامانه GPS

فصل دوم

راهنمای استفاده از GARMIN 12 X.L GPS

فصل سوم

راهنمای استفاده از گیرنده مدل GPS MAP 60CSX

فصل چهارم

لغت‌نامه

مقدمه مولف

تعیین موقعیت دقیق مکان جغرافیایی و در مواردی زمان محلی آن، همواره یکی از نیازهای اساسی بشر در دوران‌های قدیم و جدید بوده که به ویژه در ناوبری انواع شناورها، پرنده‌ها و حمل‌ونقل‌های زمینی (جاده- راه‌آهن) اهمیت قابل ملاحظه‌ای داشته است.

ناوبری، علم راهبردی یک شخص یا یک وسیله نقلیه از یک مکان به مکان دیگر بوده که آخرین دستاورد فناوری در این زمینه، سامانه سنجش از دور است. در دوران باستان، بیشتر مسافران موقعیت خود را با مشاهده محیط اطراف و یا از طریق رویت ستارگان تعیین می‌کردند که نسل به نسل این تجارب منتقل می‌شد.

اختراع قطب‌نما کشف مهمی در عصر خود بود، زیرا مسافران بوسیله آن جهت‌یابی می‌کردند اما این وسیله به تنهایی نمی‌توانست موقعیت را تعیین کند لذا به دنبال آن، اختراع ارتفاع‌سنج و زاویه‌یاب دورنمای جدیدی را در زمینه سیر سفر گشود.

ناوبری به کمک ستارگان به تجربه و تمرین زیاد نیاز داشت و نیز دقتی در حدود یک مایل و این در حالی بود که در هوای نامساعد هیچ نوع جهت‌یابی امکان‌پذیر نمی‌شد ولی بعدا با بکارگیری امواج رادیویی و ساخت رادارها این مشکل بطور نسبی حل شد.

نیاز اطلاعاتی روز افزون بشر ساخت سامانه‌ی جدیدی را ضروری می‌نمود که نهایتا طراحی و ساخت سامانه‌ی تعیین موقعیت جهانی (GPS) از سال 1974 زیر نظر نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا آغاز و در سال 1993 م بطور کامل در ارتش عملیاتی گردید. بدلیل قابلیت‌های متعدد و از طرفی روز آمد شدن و ارتقا آنها در طول سال‌های بعد سامانه‌ی مورد بحث به تدریج جنبه‌ی نظامی محض خود را از دست داد به طوری که هم‌اکنون به عنوان یک سامانه‌ی تجاری نیز مورد بهره‌برداری قرار می‌گیردکه در راستای خواسته‌های دانشجویان عزیز و توسعه روز‌افزون این فن‌آوری و به روز نمودن کتاب قبل در این مجموعه تلاش نموده‌ایم اطلاعات کاربردی جامع‌تری را پیرامون بهره‌برداری از این سامانه به شما عزیزان ارایه دهیم. در پایان بر خود لازم می‌دانم ضمن تشکر و قدردانی از امیر معاونت محترم اطلاعات ارتش جمهوری اسلامی ایران و امیر فرماندهی محترم مرکز آموزشی و پژوهشی شهید سپهبد صیاد شیرازی که مشوق اینجانب در تدوین و گردآوری مطالب این کتاب بودند تشکر و قدردانی نمایم.

سید محمود محمدی- 1388

پیشگفتار

تعیین موقعیت و پاسخ به سوال «من کجا هستم؟» از دیر باز مورد توجه بشر بوده است.

این که انسان چگونه محل خود را بر روی این کره خاکی مشخص و برای دیگران نیز آن نقطه و پدیده‌های اطراف آن را تفسیر و تفهیم نماید تا جایگاهش مشخص شود، از مهم‌ترین دغدغه‌ها، حتی انسان‌های غارنشین و عصر حجر بوده است.

تعیین موقعیت یکی از مباحث بسیار مهم نظامی و حتی غیرنظامی است که از حدود 30 سال پیش هر چه بهتر، دقیق‌تر و سریع‌تر محل استقرار نیروهای نظامی نموده‌اند که باعث گردیده این علم مطابق با پیشرفت فناوری‌ها در سایر علوم، پیشرفت داشته باشد.

علاوه بر موارد فوق، استفاده از این فن در سایر علوم نیز نقش بسزایی داشته و توجه محافل تخصصی نظامی که حتی فاقد این تکنولوژی هستند را به خود معطوف داشته که از آن جمله می‌توان به استفاده از GPS در اجرای طرح‌های کنترل فرماندهی، مراقبت‌های پروازی، اجرای طرح‌های مانیتورینگ اعم از زمینی، هوایی و ... اشاره نمود.

کارآیی GPS در طول جنگ آمریکا و انگلیس علیه عراق عملاً بر همگان ثابت کرد که استفاده از فن‌آوری GPS در جنگ‌ها می‌تواند موجب برتری نظامی یک کشور بر دشمنی گردد که از لحاظ تجهیزات و نفرات برتر از آن کشور می‌باشد. به طوری که نصب دستگاه GPS بر هر تانک، نفربر، موشک و ... نیروهای آمریکایی باعث گردید که نقاط حساس و حیاتی عراق با دقت بالا که به طبع باعث تخریب کامل می‌شود منهدم شوند و از طرفی وجود دستگاه GPS در دست هر سرباز آمریکایی، گم‌شدگان در صحراهای عراق و کویت را نسبت به جنگ اول به حداقل رساند. تاریخچه تعیین موقعیت پیشرفت در نحوه تعیین موقعیت را می‌توان در دوره‌های زیر طبقه‌بندی نمود که در هر عصری با پیشرفت علم، تعیین موقعیت نیز دقیق‌تر، سریع‌تر و آسان‌تر گردید:

1-عصر حجر

2-عصر ستارگان

3-عصر رادیو

که عصر رادیو را می‌توان به دو بخش عصر زمین و عصر ماهواره تقسیم‌بندی نمود.

· عصر حجر

انسان‌های این عصر جهت تعیین موقعیت از وسایل و عوارض طبیعی همچون قلل رشته کوه‌ها، درختان، سنگ‌ها، چشمه‌های آب و ... استفاده می‌نمودند.

· عصر ستارگان

با توجه به این که نقطه نشانه‌هایی همچون قلل رشته‌ کوه‌ها، درختان و ... فقط در روی خشکی کاربرد داشت، انسان به فکر تعیین موقعیت و ناوبری در دریا نیز افتاد و با پیشرفت دانش بشری استفاده از ماه، خورشید و ستارگانی همچون دب اکبر، دب اصغر و ستارگان قطبی در تعیین موقعیت و ناوبری به کمک انسان آمدند.

در این عصر انسان وسایل و تجهیزاتی را جهت اندازه‌گیری تقریبی زوایا و همچنین مشاهده، طراحی نمود و تعیین موقعیت و همچنین تعیین مختصات به روش مثلث‌بندی را ابداع نمود که البته دارای خطایی در حدود چند مایل بود.

· عصر رادیو

این دوره با کشف فرکانس رادیویی آغاز گردیده و با سرعت پیشرفت نمود. در عصر رادیو و پیدایش فرکانس‌های رادیویی، اندازه‌گیری مدت زمان ارسال سیگنال‌های رادیویی برای فرستادن از یک ایستگاه به یک گیرنده حایز اهمیت بود.

در این عصر که تعیین مختصات از طریق ارسال فرکانس‌های رادیویی محاسبه می‌گردید اندازه‌گیری زمان این ارسال، خیلی مهم بود، زیرا اگر در محاسبات یک ثانیه خطا پیش می‌آمد در تعیین مختصات حدود 300 متر خطا بوجود می‌آمد؛ لذا بایستی راهی برای محاسبه زمان با دقت بسیار بالا ابداع می‌گردید. یعنی هر چه دقت در محاسبه زمان بالاتر بود، مختصات به دست آمده نیز دقت بیشتری داشت. عصر رادیو با توجه به کاربرد زمینی و هوایی و ابداع ماهواره‌ها به دو بخش عصر زمین و عصر ماهواره تقسیم‌بندی گردیده است.

· عصر زمین

در این دوره سامانه‌های مختلفی جهت تعیین موقعیت و همچنین ناوبری ابداع گردید که در همگی آنها از فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌گردید. مشخصات برخی از این سامانه‌ها به شرح زیر است:

- LORAN A

یکی از روش‌هایی که هم زمان با عصر رادیو ابداع گردید ناوبری برد بلند یا LORAN A بود که این تکنولوژی در خلال جنگ جهانی دوم توسط انستیتو ماساچوست آمریکا ابداع گردید.

با آغاز جنگ جهانی دوم و پرواز هواپیماهای جنگنده و ترابری بی‌شمار در آسمان منطقه عملیات، معضل طراحان و فرماندهان جنگ جهت هدایت و کنترل آنها آشکار گردید. از طرفی تردد کشتی‌ها در اقیانوس‌ها و افزایش سرعت آنها نیز، انگیزه ابداع یک روش قابل اطمینان در تعیین مختصات و ناوبری را برانگیخت.

این روش که در آن از فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌گردید از فرکانس 1850 تا 1950 کیلوهرتز قابل دریافت بود و برد آن نیز در حدود 600 مایل بود.

- LORAN C

بعد از ابداع سامانه برد بلند LORAN C و موفقیت نسبی آن در جنگ جهانی دوم، سامانه پیشرفته‌تر برد بلند LORAN C در سال 1950 ابداع گردید.

این سامانه در محدوده 90 تا 110 کیلوهرتز کارآیی داشته و یک سامانه پالسی بود. دقت این سامانه در تعیین موقعیت حدود 25/0 نانومتر پیش‌بینی شده بود که رسیدن به این حد از خطا، بعید به نظر می‌رسید.

خطای مختصات تعیین شده در این روش در حدود 18 تا 90 متر بود و 95 درصد قابل اعتماد بوده و امکان دسترسی به آن برای 7/99 درصد از مردم جهان میسر بود.

مناطقی که سامانه فوق تحت پوشش خود قرار می‌داد شامل 48 ایالت آمریکا و ایالت‌های همجوار آن، مناطق ساحلی قاره آمریکا، قسمتی از آلاسکا، کانادا، چین، هند، ژاپن، شمال غرب اروپا، روسیه، عربستان سعودی و کره جنوبی می‌گردید.

سامانه LORAN C جهت ناوبری و موقعیت سنجی هواپیماهای نظامی، شخصی و کلیه کاربران زمینی و دریایی پیش‌بینی شده بود.

- DECCA

این سامانه از فرکانس‌های پایین استفاده می‌نمود و قسمت زیادی از غرب اروپا، قسمتی از کانادا، خلیج‌فارس و خلیج کوچک بنگال را تحت پوشش خود قرار می‌داد.

این سامانه بر اساس مقایسه اختلاف فاز بین سیگنال‌های رادیویی ارسال شده از یک ایستگاه رادیویی طرح‌ریزی گردیده بود.

- GEE

سامانه GEE یک سامانه انگلیسس شبیه به LORAN بود، اما با این تفاوت که این سامانه بر اساس فرکانس‌های VHF عمل می‌نمود.

- OMEGA

سامانه OMEGA در سال 1968 توسط نیروی دریایی آمریکا و برای ناوبری هواپیماهای نظامی آن نیرو طرح‌ریزی گردید.

سامانه فوق تقریباً تمام اقیانوس‌های جهان را تحت پوشش قرار می‌داد. دقت این سامانه در تعیین مختصات در حدود 2 تا 4 ناتیکال مایل بود.

از این سامانه اولین بار جهت ناوبری و جابجایی بمب‌های هسته‌ای در قطب شمال در روسیه استفاده شد و پس از موفقیت در این آزمایش، برای ناوبری زیردریایی‌ها نیز مناسب تشخیص داده شد. این سامانه نیز بر اساس فرکانس‌های رادیویی در باند VHF و از طیفی ما بین 10 تا 14 کیلوهرتز کار می‌کرد. بر اساس محاسبات انجام شده قابلیت اعتماد به این سامانه حدود 95 درصد بود.

· عصر ماهواره

عصر ماهواره‌ای را می‌توان انقلابی در تعیین موقعیت و ناوبری تلقی نمود. تا قبل از اختراع ماهواره‌هایی با کاربرد ناوبری و تعیین موقعیت، مشکلات و معضلات مختلفی در تعیین موقعیت پیش‌روی خصوصاً نظامیان که نیازمندان اصلی بحث تعیین موقعیت و ناوبری هستند وجود داشت که اهم آنها به شرح زیر است:

- عدم دقت کافی

- سرعت پایین در تعیین موقعیت

- اختصاصی بودن

- پوشش محدود

ساخت ماهواره و پرتاب آن به فضا باعث حل بسیاری از مشکلات ناوبری و تعیین مختصات از جمله موارد فوق گردید.

از مزایای اصلی کاربرد ماهواره در تعیین موقعیت و ناوبری می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

- دقت

- سرعت

- تعیین موقعیت سه بعدی

- پوشش گسترده

- سهل‌الوصول بودن

در سامانه‌های قدیمی و سنتی جهت تعیین موقعیت نقاطی را به عنوان نقطه نشانی یا BENCH MARK در نظر می‌گرفتند که در عصر ماهواره این نقاط به ماهواره‌های پیشرفته تبدیل و در فضا مستقر گردیدند. بنابراین می‌توان دریافت، نحوه و اساس کار سامانه‌های پیشرفته ماهواره‌ای تعیین موقعیت نیز بر اساس همان روش قدیمی و سنتی مثلت‌بندی که در نقشه‌برداری از آن استفاده می‌گردید استوار است.

در این عصر که از سال 1958 آغاز گردید، فعالیت‌های بسیاری جهت بالا بردن کارآیی آن انجام گرفت و سامانه‌های مختلفی توسط کشورهای مختلف ابداع گردید تا استفاده از ماهواره‌ها جهت تعیین موقعیت به پیشرفت امروزی خود برسد که مهم‌ترین این سامانه‌ها به شرح زیر است:

- SECOR

سامانه SECOR یک سامانه ناوبری و موقعیت‌یابی ماهواره‌ای بود که آمریکایی‌ها آن را ابداع نمودند.

در این سامانه که در سال 1964 ابداع گردید تا سال 1969 سیزده ماهواره کوچک و جعبه‌ای شکل که وزن هر کدام به حدود 17 تا 20 کیلوگرم می‌رسید به فضا پرتاب شد.

- TRANSIT

جرقه پیدایش این سامانه در سال 1958 زده شد و نیروی دریایی آمریکا طرح کلی آن را جهت اجرا به لابراتور فیزیک هاپکینز در آن کشور ارائه نمود. این پروژه در سال 1964 به اتمام رسید و استفاده از آن آغاز گردید.

در این پروژه 4 تا 7 ماهواره در مدارهای دایره‌ای شکل که فاصله آنها از زمین حدود 1100 کیلومتر بود قرار گرفت و امواج خود را در فرکانس‌های 150 و 400 مگاهرتز به زمین ارسال می‌نمودند.

این سامانه بر اساس روش داپلر طراحی گردیده بود و مختصات دو بعدی به کاربر ارایه می‌نمود و خطایی در حدود 25 متر داشت که البته بعد از چند روز کار مستمر در یک منطقه دقت آن به 5 متر نیز می‌رسید.

استفاده از این سامانه در سال 1996 و بعد از ابداع سامانه پیشرفته موقعیت‌یاب جهانی GPS منسوخ گردید.

- PARUS (TSIKADA-M)

این سامانه یک سامانه ناوبری نظامی متعلق به اتحاد جماهیر شوروی بود که با پرتاب 6 ماهواره به فضا ابداع گردید.

- TSIKADA

این سامانه یک سامانه ناوبری متعلق به اتحاد جماهیر شوروی بود که با پرتاب 4 ماهواره به فضا ابداع گردید و کاربرد آن فقط در امور غیرنظامی بود.

- TSYKLON

اولین ماهواره ناوبری مرتبط با این سامانه در اواخر سال 1968 به وسیله اتحاد جماهیر شوروی به فضا پرتاب گردید.

اساس کار این سامانه بر روش داپلر در نقشه‌برداری استوار بود که کار‌آیی آن در سامانه حمل‌ونقل آمریکا نیز اثبات رسیده بود.

بعد از طراحی و اجرای پروژه‌های فوق و موفقیت نسبی آنها، کشورهای پیشرفته به فکر ابداع یک سامانه موقعیت‌یاب و ناوبری جهانی افتادند تا تمامی فاکتورهای مطرح شده را داشته باشد که بر این اساس ایالات متحده آمریکا، روسیه، اتحادیه اروپا، چین و ژاپن فعالیت‌هایی را آغاز نمودند. در حال حاضر سامانه موقعیت‌یاب جهانی موسوم به GPS که متعلق به کشور آمریکا می‌باشد، جایگاه ویژه‌ای بین کاربران نظامی و غیرنظامی یافته است.

سامانه موقعیت‌یاب جهانی روسیه با عنوان GLONASS، اتحادیه اروپا با عنوان GALILEO و چین با عنوان BEIDUE از دیگر سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی‌اند که در حال تکامل هستند.