GNSS چیست؟
بررسی سیستمهای ناوبری ماهواره ایGNSS

GNSS یا Global Navigation Satellite System سیستمهایی هستند که به گیرندههای کوچک اجازه میدهند تا موقعیت خود را (طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی) باخطای چند متری مشخص کنند. این قابلیت از طریق انتقال امواج رادیویی بیندستگاه و ماهواره صورت میگیرد. ایستگاههای ثابت زمینی میتوانند برایمحاسبه بسیار دقیق زمان برای آزمایشهای علمی استفاده شوند.
در حال حاضر، تنها سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) تمام فعال متعلق بهآمریکاست که NAVSTAR نام دارد. GLONASS روسیه در حال بازسازی است تا بهحالت تمام فعال بازگردد. کشور چین اعلام کرده تا سال 2015 سیستم موقعیتیاب محلی Beidou را با سیستم ناوبری جهانی خود یعنی COMPASS ترکیب میکند.سیستم ناوبری اتحادیه اروپا با نام گالیله (Galileo) در مرحله توسعه است وطبق برنامه باید تا 2013 فعال شود.


دسته بندی:
GNSSها بر اساس میزان دقتی که دارند همچنین قابلیت مانیتورینگ آنها برای استفاده عموم به رده های زیر تقسیم میشوند:
GNSS-1: نسل اول سیستم و ترکیبی است از ماهواره های ناوبری موجود (GPS یاGLONASS) با ایستگاههای تقویت ماهواره ای (SBAS - Satellite BasedAugmentation Systems) یا زمینی (GBAS - Ground Based AugmentationSystems). در آمریکا بخش ماهواره ای سیستم، یک سیستم تقویت گسترده (WAAS -Wide Area Augmentation System) است. در اروپا، سرویس ایستگاههای ناوبریسراسری اروپایی (EGNOS - European Geostationary Navigation OverlayService)، در ژاپن سیستم تقویت ماهواره ای چندکاره (MASAS -Multi-Functional Satellite Augmentation System). ایستگاههای تقویت زمینیمعمولا از سیستم تقویت محلی (LAAS - Local Area Augmentation System)تشکیل شده اند.
GNSS-2: نسل دوم سیستمهای ناوبری هستند که بطور مستقل کاربرد غیرنظامیسیستم را فراهم میکنند (مانند گالیله اروپا) این سیستمها دقت و کاراییمورد نیاز کاربردهای غیرنظامی سیستم را در اختیار قرار میدهند. اینسیستمها از فرکانسهای L1 و L2 برای کاربرد غیرنظامی و فرکانس L5 برایهمگرایی استفاده میشود.
Core Satellite:ماهواره های اصلی سیستم ناوبری. در حال حاضر GPS،Galileo و GLONASS
SBAS: سیستمهای تقویت سراسری ماهواره ای مانند Omnistar و StarFire
SBASهای محلی: WAAS آمریکا، EGNOS اروپا، MSAS ژاپن و GAGAN هندوستان
SNSهای محلی: یا سیستمهای ناوبری ماهواره ای محلی مانند QZSS ژاپن، IRNSS هندوستان و Beidou چین
GBAS قاره ای: مانند GRAS استرالیا DGPS آمریکا(مربوط به سازمان حمل و نقل)
GBAS محلی: مانند شبکه های CORS
GBAS محلی نمونه گیری شده از یک ایستگاه اصلاح زمان واقعی جنبشها (RTK) متعلق به GPS

تاریخچه:
اسلاف سیستمهای فعلی، DECCA، LORAN و Omega بودند که از ایستگاههایفرستنده رادیویی موج بلند زمینی بجای ماهواره استفاده میکردند. اینسیستمهای ناوبری، یک پالس رادیویی از ایستگاه مادر سپس سایر ایستگاههایتابع ارسال میکردند. اختلاف بین ارسال و دریافت در ایستگاههای تابع با دقتکنترل میشدند که به گیرنده ها امکان میدادند تا اختلاف بین دریافتها وارسالها را تشخیص دهند. از این طریق فاصله تا هر ایستگاه و در نتبیجهموقعیت گیرنده مشخص میشد.
اولین سیستم ناوبری ماهواره ای Transit نام داشت که در دهه 1960 میلادیتوسط ارتش ایالات متحده ساخته شد. نحوه کار این سیستم بر اساس اثر داپلر(Doppler effect) استوار بود. به این صورت که ماهواره هایی که در یک مدارمشخص در حرکت بودند سیگنالهایی را در فرکانسهای معین ارسال میکردند.فرکانس دریافتی بصورت واضحی با فرکانس ارسالی تفاوت دارد که آنهم بدلیلحرکت مشخص ماهواره بود. با بررسی این فرکانسها در یک زمان بسیار کوتاهموقعیت تقریبی گیرنده مشخص میشد که بعدها شیوه های اندازه گیری با دخیلکردن چندین پارامتر از جمله حرکت مداری ماهواره دقیقتر شد.
قسمتی از اطلاعات ارسالی مربوط به اطلاعات مداری دقیق است. برای اطمیناناز دقت بالا، رصدخانه نیروی دریایی آمریکا (USNO) دائما مسیر حرکت اینماهواره ها را زیرنظر دارد. اگر ماهواره ای کمی از مدار منحرف شد، اینسازمان اطلاعات لازم را برای اطلاح مسیر ارسال میکند.
سیستمهای امروزی بسیار دقیقتر و کارآمدتر هستند. ماهواره سیگنالهایی ارسالمیکند که اطلاعات موقعیت ماهواره و زمان دقیق ارسال سیگنال را دارد.موقعیت ماهواره در قالب پیامهای داده ای ارسال میشود که حاوی کدی است کهبعنوان مرجع زمانبندی استفاده میشود. ماهواره ها از ساعتهای اتمی برایهمزمان سازی بین همدیگر استفاده میکنند. گیرنده زمان ارسالی ماهواره را بازمان داخلی خود مقایسه کرده و فاصله ماهواره تا خود را اندازه میگیرد. اینمقایسه با ماهواره های دیگر در ارتباط با این گیرنده انجام میشود و سپسمحل دقیق گیرنده مشخص میشود.
هر اندازه گیری مسافتی، موقعیت گیرنده تا فرستنده را روی یک کره مشخصمیکند. در مورد گیرنده هایی که با سرعت بالا حرکت میکنند، موقعیت امواجارسالی آنها تغییر میکند. همچنین اطلاعات دریافتی از ماهواره ها نیزمتفاوت است. ضمنا سرعت امواج رادیویی در برخی لایه های جو از جمله یونوسفرکمتر است که بستگی به زاویه ماهواره به گیرنده دارد. آسانترین راه حلاینست که در هر لحظه 4 ماهواره در معرض دید گیرنده باشند. در حالت بهترترکیب ماهواره ها با ایستگاهها و استفاده از تکنیکهایی چون غربال کالمن(Kalman filtering) برای انجام محاسبات دقیقتر در شرایط سخت تر و پیچیدهتر، بهترین جواب را خواهد داد.

کاربردهای نظامی و غیرنظامی:
GNSS در اصل برای کاربردهای نظامی طراحی شده اند. ناوبری ماهواره ای بهارتشها این امکان را میدهد تا سلاح یا موشک خود را با دقتی فوق العاده بههدف بزنند که این امر تاثیر سلاح را چند برابر میکند. همچنین اشتباهاتناشی از هدایت غیرصحیح موشک را کاهش میدهد (مانند بمبهای هوشمند). ناوبریماهواره ای به نیروها جهت حرکت و شناسایی موقعیت فعلی خود و سایر همرزمانحتی در شرایط سخت محیطی کمک میکند.
این نوع ناوبری میتواند بعنوان نیروی کمکی در جنگ باشد. در حقیقت این نیرودر جهت کاهش حوادث ناخواسته در جنگ و افزایش ارتباطات نیروهای خودی درمیدان نبرد کاربرد فراوانی دارد. بهمین جهت، سیستم ناوبری ماهواره ایمیتواند بعنوان یک ابزار قدرتمند در هر ارتشی باشد.
در امور غیرنظامی کاربردهای فراوانی برای GNSS تعریف شده است:
ناوبری یا هدایت (از دستگاههای کوچک دستی تا ماشینها، کشتیها و هواپیماها)
تنظیم زمان
سرویهای محلی مانند enhanced911
عملیات نجات
وارد کردن اطلاعات در نقشه های جغرافیایی
علوم ژئوفیزیک
رهگیری اشیاء
و....

نکته مهم اینست که مالکان سیستمهای ناوبری میتوانند استفاده از امکاناتخود را محدود کنند. مثلا کل سرویس خود را در یک منطقه غیرفعال کنند.

سیستمهای ناوبری فعال:
GPS
Global Positioning System: سیستم ناوبری آمریکا که از سال 2007 تنهاسیستم تمام فعال است که در تمام دنیا قابل استفاده است. این سیستم بر پایهبیش از 32 ماهواره استوار است که در مدارهای میانی زمین در حرکتند (اینعدد شامل ماهواره های قدیم و جایگزین شده هم هست). این سیستم از سال 1978فعال شده و از سال 1994 در تمام جهان در دسترس است. این سیستم در حال حاظرکاربردی ترین سیستم ناوبری جهان است.
GLONASS
GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema: محصول شوروی سابق وروسیه امروزی که پیشتر در حالت تمام فعال بود اما با فروپاشی شوروی اینسیستم با مشکلات فراونی روبرو شد. روسیه وعده داده این سیستم تا سال 2010با کمک هند مجددا به حالت تمام فعال برگردد.

سیستمهای در حال آماده سازی:
Compass:
چین اعلام کرده که سیستم ناوبری محلی خود با نام Beidou یا دب اکبر را بهیک سیستم سراسری تبدیل خواهد کرد. به گزارش خبرگزاری رسمی چین این برنامهCompass نام گرفته و از 30 مدارگرد (که در مدارات میانی در حرکتند) و 5ماهواره ثابت تشکیل شده است. همچنین چین مایل به مشارکت کشورهای دیگر برایتوسعه سیستم است که با توجه به مشارکت چین در سیستم ناوبری اروپا(Galileo) ابهاماتی در این زمینه وجود دارد.
Galileo:
در سال 2002 اتحادیه اروپا و آژانس فضایی اروپا در مورد جانشین GPS یعنیGalileo positioning system به توافق رسیدند. با بودجه اختصاصی 2.4میلیارد پوندی طبق برنامه این سیستم تا 2012 آغاز به کار میکند. اولینماهواره آزمایشی در 28 سپتامبر 2005 پرتاب شد. پیش بینی میشود این سیستمبا GPS ارتقا یافته موجود هماهنگی داشته و گیرنده ها بتوانند از هر دویاین فن آوری ها استفاده کنند.

سیستمهای دیگر:
Beidou:
سیستم ناوبری محلی چین که بزودی به سیستم جهانی Compass ارتقا میابد.
DORIS:
Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite -سیستم داپلر مداری و تعیین موقعیت رادیویی ماهواره ای که در حقیقت یکسیستم تصحیح مسیر مشابه سیستمهای ناوبری میباشد و متعلق به کشور فرانسهاست.
IRNSS:
Indian Regional Navigational Satellite System - سیستم ناوبری ماهواره ایمحلی هند که یک سیستم ناوبری محلی مستقل است و زیرنظر سازمان تحقیقاتفضایی هند وابسته به دولت هندوستان فعالیت میکند. دولت هند این پروژه رادر ماه می 2006 به اجرا درآورد که تا سال 2012 پیاده سازی آن به اتمامخواهد رسید. این سیستم از 7 ماهواره مستقر در مدار ثابت تشکیل شده که دقتینزدیک 20 متر دارد و تا شعاع 2000 کیلومتری اطراف هند را هم پوشش میدهد.
QZSS:
Quasi-Zenith Satellite System - متشکل از 3 ماهواره است که یک سیستمهمسان سازی زمانی و توسعه ای بر GPS آمریکاست و کشور ژاپن را پوشش میدهد.طبق برنامه اولین ماهواره این سیستم در سال 2009 پرتاب میشود.

تقویت GNSS:
سیستمی که با دریافت اطلاعات خارجی، دقت و قابلیت اعتماد سیستم ناوبریماهواره ای را افزایش میدهد. هم اکنون سنسورهای زیادی روی زمین وجود دارندکه اطلاعات GNSS را دریافت و پردازش میکنند. بعضی از این سنسورها، اطلاعاتاضافه تری در مورد منشا خطاها اعلام میکنند و نحوه اندازه گیری موقعیت راهم مشخص میکنند. نمونه های این ایستگاهها در بالا معرفی شده اند.

منبع: wikipedia