ساختار جی پی اس
ساختار جی‌پی‌اس بر اساس سیستم ماهواره‌ای ناوبری جهانی ایالات متحده (GNSS) بنا شده است که خدمات موقعیت‌یابی در سراسر جهان را ارائه می‌دهد. گیرنده‌های جی‌پی‌اس موقعیت خود را در سیستم مرجع GPS با استفاده از فناوری ماهواره و بر اساس اصول مثلث بندی محاسبه می‌کنند.
پرتاب اولین ماهواره جی‌پی‌اس به معنای آغاز استقرار این سیستم در 22 فوریه 1978 بود و به دنبال آن قابلیت عملیاتی اولیه در دسامبر 1993 با 24 ماهواره عملیاتی در مدار و قابلیت عملیاتی کامل در زمین اعلام شد. برای هر کسی که گیرنده جی‌پی‌اس دارد، این سیستم به راحتی قابل دسترسی است. اکنون افراد و سازمان‌های حمل و نقل برای مکان‌یابی از جی‌پی‌اس استفاده می‌کنند. اما ساختار جی‌پی‌اس چگونه است؟ برای پاسخ به این سوال با ما همراه باشید.
بیشتر بخوانیم: جی پی اس چیست؟
ساختار سیگنال جی‌پی‌اس (GPS Signal Structure)
برنامه ماهواره‌ای جی‌پی‌اس، شروع به ارسال سیگنال‌های قطبی دایره‌ای به زمین در دو فرکانس به نام‌های L1 و L2 می‌کند. سیگنال حامل جی‌پی‌اس اصلی L1 با فرکانس 1575.42 مگاهرتز، توسط دو کد مدوله می‌شود که شامل کد درشت، اکتساب (C/A) که به عنوان کد غیرنظامی نیز شناخته می‌شود و کد دقیق و ایمن (P/Y) که با تکنیک‌های رمزنگاری برای ارتش رزرو شده است.
کاربران غیرنظامی مجاز سیگنال GPS L2، با مرکز 1227.6 مگاهرتز، فقط حاوی کد دقیق هستند. این قابلیت برای ارائه فرکانس دوم برای اصلاح تاخیر گروه یونوسفر ایجاد شده است. با پرتاب اولین ماهواره IIR-M برنامه نوسازی جی‌پی‌اس در سال 2005 آغاز شد. از آن لحظه به بعد، دو سیگنال جدید ارسال می‌شوند، یکی L2C برای کاربران غیرنظامی و یک سیگنال نظامی جدید (کد M) در L1 و L2 برای ارائه مقاومت بهتر در برابر پارازیت است.
علاوه بر این، یک پیوند فرکانس رادیویی جدید (L5 در 1176.45 مگاهرتز) برای کاربران غیرنظامی در یک باند رادیویی که منحصراً برای خدمات ایمنی هوانوردی رزرو شده نیز گنجانده شده است. این سیگنال که از زمان پرتاب ماهواره‌های Block IIF (28 مه 2010) در دسترس می‌باشد، به گونه‌ای طراحی شده است که با سایر سیستم‌های GNSS مانند گالیله سازگار باشد. یک سیگنال جدید در باند فرکانس L1 به نام LC1 نیز گنجانده شده است تا با سیگنال Galileo E1 قابل همکاری باشد. این سیگنال با سیگنال L1 قدیمی سازگار است اما در سطح توان بالاتری پخش می‌شود و شامل طراحی پیشرفته برای عملکردی بهتر است.
فریم مرجع جی‌پی‌اس (GPS Reference Frame)
مراجع به خوبی تعریف شده و فریم های مختصات در GNSS ضروری هستند، جایی که موقعیت‌ها از اندازه گیری زمان سفر سیگنال محاسبه می‌شوند و به عنوان مجموعه‌ای از مختصات ارائه خواهند شد. جی‌پی‌اس از سیستم جهانی ژئودتیک WGS-84 که توسط وزارت دفاع ایالات متحده توسعه یافته است، استفاده می‌کند. این یک سیستم مرجع زمینی یکپارچه برای ارجاع موقعیت و بردار است.
در واقع، برادکست‌های پخش جی‌پی‌اس به موقعیت مرکز فاز آنتن ماهواره در چارچوب مرجع WGS-84 مرتبط هستند. بنابراین، مختصات گیرنده کاربر در همان فریم ECEF بیان می‌شود. زمان سیستم جی‌پی‌اس (GPST) بر اساس مجموعه‌ای از ساعت‌های اتمی روی ماهواره‌ها و در ایستگاه‌های مانیتور تعریف می‌شود. این مهم برای ثانیه‌های کبیسه تنظیم نشده و با UTC (USNO) در سطح نانوثانیه همگام می‌شود. زمان مبدأ جی‌پی‌اس UTC (نیمه شب) از 5 تا 6 ژانویه 1980 است.
خدمات جی‌پی‌اس (GPS Services)
جی‌پی‌اس دو سرویس موقعیت یابی زیر را ارائه می‌دهد:
- سرویس تعیین موقعیت استاندارد (SPS)، یک سرویس موقعیت یابی و زمان بندی است که بر روی فرکانس‌های L1، L2 و L5 ارائه می‌شود و در دسترس همه کاربران جی‌پی‌اس است. فرکانس L1 شامل یک کد اکتسابی (C/A) و یک پیام داده ناوبری می‌باشد. فرکانس L2 حاوی سیگنال‌های کد CM وCL است، در حالی که سیگنال‌های کد I5 و کد Q5 در فرکانس L5 ارسال می‌شوند.
- سرویس موقعیت یابی دقیق (PPS)، یک سرویس موقعیت یابی، سرعت و زمان بندی نظامی بسیار دقیقی است که در فرکانس‌های L1 و L2 پخش می‌شود. هر دو فرکانس حاوی یک سیگنال محدوده کد دقیق (P) با پیام داده ناوبری هستند.
معماری یا ساختار جی پی اس (GPS Architecture)
معماری جی‌پی‌اس از سه بخش شامل یک بخش فضایی جی‌پی‌اس، یک بخش زمینی جی‌پی‌اس و یک بخش کاربر جی‌پی‌اس تشکیل شده است. عملکردهای اصلی بخش فضایی جی‌پی‌اس، انتقال سیگنال‌های ناوبری رادیویی و ذخیره و ارسال مجدد پیام ناوبری ارسال شده توسط بخش زمینی آن است. بخش زمینی جی‌پی‌اس از یک ایستگاه کنترل اصلی، شبکه‌ای از ایستگاه‌های مانیتور و آنتن‌های زمینی تشکیل شده است که خطاهای ساعت و مدار و همچنین پیام داده‌های ناوبری را به ماهواره‌های جی‌پی‌اس ارسال می‌کند. در نهایت، بخش کاربر جی‌پی‌اس شامل میلیون‌ها گیرنده است که ناوبری، زمان بندی یا سایر عملکردهای مرتبط را انجام می‌دهند.
جی‌پی‌اس تفاضلی (Differential GPS)
جی‌پی‌اس تفاضلی، بهبود اطلاعات صورت فلکی جی‌پی‌اس اولیه با استفاده از شبکه‌ای از ایستگاه‌های مرجع زمینی است که امکان پخش اطلاعات تفاضلی را برای کاربر که مریخ نورد نیز نامیده می‌شود، برای بهبود دقت موقعیت او، فراهم می‌کند. چندین تکنیک تفاضلی وجود دارند که عبارتند از:
- تفاضلی GNSS
- سینماتیک زمان واقعی (RTK)
- منطقه وسیع (WARTK)
عملکردهای جی پی اس (GPS Performances)
سطوح عملکردی که کاربر می‌تواند از جی‌پی‌اس انتظار داشته باشد، در عملکرد سرویس موقعیت یابی استاندارد و موقعیت یابی دقیق، مشخص شده است. با این حال، مقادیر ارائه شده توسط این استانداردها بسیار محافظه کارانه هستند زیرا عملکرد واقعی معمولاً بهتر از این استانداردها است. علاوه بر این، عملکرد به دست آمده با جی‌پی‌اس، به شدت به نحوه ساختار آن بستگی دارد. به عنوان مثال، یک گیرنده مستقل که فقط از سیگنال‌های دریافتی از ماهواره‌ها استفاده می‌کند، سطوح عملکردی زیر را دارد:
- گیرنده‌های کد C/A : 5 تا 10 متر
- گیرنده‌های کد P/Y : 2 تا 9 متر
در صورت استفاده از جی‌پی‌اس در حالت تفاضلی، عملکردهای قابل انتظار عبارتند از:
- گیرنده‌های DGPS کدC/A : 0.3 تا 7 متر
- گیرنده‌های DGPS کدP/Y : 0.5 تا 2 متر
بیشتر بخوانیم: جی پی اس چقدر دقیق است؟
آینده و تحولات جی‌پی‌اس (GPS Future and Evolutions)
با هدف بهبود عملکرد برای کاربران غیرنظامی، برنامه مدرن سازی جی‌پی‌اس سیگنال‌های زیر را معرفی می‌کند:
- L2C (6 مگاهرتز): توسعه گیرنده‌های جی‌پی‌اس با فرکانس دوگانه را برای تصحیح تأخیر گروه یونوسفر امکان‌پذیر می‌سازد. این سیگنال از سال 2005 با پرتاب اولین ماهواره IIR-M در دسترس است.
- L5C (45 مگاهرتز): با سایر سیستم‌های GNSS سازگار بوده و با قدرت بالاتری نسبت به سیگنال‌های جی‌پی‌اس مدنی کنونی و همچنین با پهنای باند وسیع تر منتقل می‌شود. این سیگنال از زمان پرتاب ماهواره‌های Block IIF (28 مه 2010) در دسترس است.
- L1C (42 مگاهرتز): برای قابلیت همکاری با گالیله طراحی شده است و با سیگنال فعلی در L1 سازگار می‌باشد. این سیگنال از زمان پرتاب ماهواره‌های Block IIIA (اولین ماهواره پرتاب شده در دسامبر 2018)، در دسترس است. یک پیشرفت برای این سیگنال L1C در حال تجزیه و تحلیل می‌باشد که CHIMERA (تأیید هویت قوی پیام تراشه‌ها) نامیده می‌شود. این تکنیک شامل افزودن واترمارک‌های رمزگذاری شده به سیگنال L1C است.
علاوه بر سیگنال‌های غیرنظامی، قرار است سیگنال نظامی جدیدی به نام M-code در فرکانس‌های L1 و L2 گنجانده شوند. در مورد بخش زمینی، بخش کنترل عملیاتی جدید (OCX) جایگزین سیستم کنترل عملیاتی جی‌پی‌اس فعلی خواهد شد که در پایگاه نیروی هوایی شریور قرار دارد. OCX با ماهواره‌های Block IIR و IIR-M سازگار است و کنترل جی‌پی‌اس‌های جدیدی به نام‌های GPS IIIF و GPS III و قابلیت‌های مدرن سیگنال شهری را نیز فعال می‌کند.
کلام آخر
ساختار جی‌پی‌اس موضوعی پیچیده است که اغلب با بررسی بیشتر قابل فهم خواهد بود. اما برای کاربران عادی این مهم خواهد بود که این ساختار متشکل از چندین ماهواره در فضا است که سیگنال‌هایی را به زمین مخابره می‌کنند که این سیگنال‌ها در دستگاه های گیرنده قابل دریافت هستند.
منابع:
