مقدمه
از زمان ماقبل تاریخ مردم سعی می کردند یک راه قابل اطمینان پیدا کنند که به آنها بگوید کجا هستند و حتی آنها را به جاییکه می روند راهنمایی کرده و سپس به خانه بازگرداند. مردمان غار نشین وقتی که برای تهیه غذا به شکار می رفتند احتمالا از سنگها و شاخه های کوچک برای علامت گذاری مسیر خود استفاده می کردند . ملوانان نیز ابتدا سواحل را به دقت دنبال می کردند تا از گم شدنشان جلوگیری کنند.
وقتی دریانوردان اولیه در دریاهای باز(اقیانوسها ) کشتیرانی کردند ، دریافتند که می توانند مسیر خود را با دنبال کردن ستاره ها ترسیم کنند. فنیقیهای باستان از ستاره شمالی برای سفر به مصر و جزیره کرت استفاده می کردند. بر طبق گفته الهه آتنا به اودیسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزیره کالیپسو" دب اکبر را سمت راست خود قرار بده". متاسفانه برای اودیسه و دیگر دریانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب های صاف قابل رویت هستند.
پیشرفت مهم بعدی در امر ناوبری کشف قطب نمای مغناطیسی و دستگاه زاویه یاب (sextant ) بود. عقربه قطب نما همیشه نقطه شمالی را نمایش می دهد، بنابراین همیشه دانستن جهت مسیری که در آن حرکت می کنیم را ممکن می سازد.
روند گسترش شهرها و مقوله شهر نشینی وپیامدهای ناشی از آن مدیریت و برنامه ریزی امورشهری ساماندهی وضعیت شهرها و نیز خدمات مورد نیاز شهروندان را بسیار پیچیده کرده است . ترافیک سنگین درون شهری عدم امداد رسانی به موقع در شرایط بحران بی نظمی در وسایل حمل و نقل عمومی و عدم برنامه ریزی صحیح در جهت کارکرد منظم آنها برای ارائه خدمات بهتر به شهر نشینان و مواردی از این قبیل از دغدغه های مهم مدیران و برنامه ریزان می باشد . در کشورهای رشد یافته و نیز در حال رشد با بهره گیری از تکنولوژیهای به روز و جدید توانسته اند بر بعضی از مشکلات فوق فائق آیند و بتوانند در جهت برنامه ریزی وحل مشکلات قدمهای مهمی بردارند. با ظهور فناوری ماهواره ای و مخصوصا سیستمهای تعیین موقعیت ماهواره ای همچون GPS افق جدیدی در حل بسیاری از مشکلات پیش روی بشر در این زمینه گشوده شده است . در گذشته امکان تعیین موقعیت نقاط در یک سیستم متمرکز و با دقت بالا آرزوی بشر بود ولی این آرزو غیر ممکن می نمود .اما با ورود ماهواره های GPS به عرصه تعیین موقعیت جهانی دستیابی به بسیاری از مجهولات در رشته های مختلف علمی فراهم شد. امروزه می بینیم که این سیستم در بسیاری از شاخه های مختلف علوم بخصوص در زمینه ناوبری خودرویی و حمل و نقل گسترش یافته است .بحث استفاده از GPS در حمل و نقل شهری در بعضی از کشورهای پیشرفته امری است که در سالهای پیش شروع شده است و روند رو به گسترشی را ادامه می دهد . در این تحقیق نتایج بررسی های انجام شده در رابطه با صنعت ناوبری در کشورهای مختلف جهانی ارائه گردیده است . بررسی دستاوردهای این کشورها در زمینه بکارگیری GPS می تواند در حل مشکلات کشورمان تا ثیر بسزایی داشته باشد .
امروزه در اکثر کشور های پیشرفته از سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای جهانی GPS جهت افزایش بهره وری در حمل ونقل شهری استفاده می شود . در اروپا تاکسی های مجهز به این سیستم قادرند در کوتاه ترین زمان به مشتری سرویس دهند و حتی قبل از حرکت به سوی مقصد با بررسی کلیه مسیرهای ممکن و موانع و امکانات موجود در مسیر هزینه مسافر را محاسبه و به مشتری اعلام نمایند. ضمن اینکه تا کسی ها در مواقع اضطراری قادرند تا با گزارش لحظه به لحظه و اتوماتیک موقعیت خود پلیس و یا نیروهای امدادی را در رسیدن به موقعیت خود یاری نمایند. کامیونها یی که به صورت ترانزیتی عمل می کنند در هر کجای دنیا که باشند توسط صاحب کالا و یا بیمه کننده کالا مورد نظارت قرار می گیرند و هر گونه تخلفی اعم از خروج از مسیر سرعت غیر مجاز باز شدن غیر مجاز درب کانتینرها و.... از چشم مامورین نظارت دور نمی ماند. مکانیزه شدن سیستم حمل و نقل ریلی دیگر چیز تازه ای نیست مدتهاست که در کشورهایی همچون آلمان مرکز کنترل مرکزی ر اه آهن با مغز های الکترونیکی خود کار سوزن بانان خسته وخواب آلود را انجام می دهد. اکنون پلیس با کمک این سیستم علاوه بر اینکه قادر است در داخل خودروی خود موقعیت خود را بر روی نقشه های نجومی مشاهده نماید و بهترین مسیرها را برای انجام عملیات برگزیند قدرت مانور فوق العاده ای به سبب نظارت فرماندهی پیدا کرده است خودروهای امدادو آتش نشانی به مدد این سیستم در کمترین زمان ممکن به یاری نیازمندان می شتابند و خودروهای خدمات شهری بهترین سرویس را به مشتریان ارائه می نمایند.
همواره یکی از نیازهای بشر امر موقعیت یابی و تعیین دقیق مکان جغرافیایی خویش و احیانا زمان دقیق بوده است. این امر بویژه در ناوبری از جمله کشتیرانی و در دهه های اخیر هوابیمایی اهمیت قابل توجه داشته است. در ناوبری که بطور خلاصه علم راهبردی یک شخص یا یک وسیله از یک مکان به دیکر است از روشهای گوناگونی استفاده می شود که آخرین دستاورد تکنولوژی در این زمینه سیستم GPS است.
ناوبری از طریق رویت دقیق ستارگان و شناخت دقیق منطقه نسبتا کوچکی انجام می گرفت که نسل به نسل منتقل می شد. اختراع قطب نما کشف مهمی بود زیرا مسافران با آن جهت یابی می کردند اما به تنهایی نمی توانست موقعیت فرد را تعیین کند. ارتفاع سنج و زاویه یاب نیز دورنمای جدیدی را در زمینه سیر و سفر گشودند.در ناوبری به کمک ستارگان به تجربه و تمرین نیاز داشت دقت آن نیز حدود یک مایل بود و در هوای نامساعد هیچ نوع جهت یابی امکان پذیرنبود تمام این موانع با استفاده از امواج رادیویی بر طرف شد .
لوران اولین سیستم ناوبری بود که در تمام شرایط آب و هوایی می توانست کار کند. این سیستم توسط مؤسسه تکنولوژی ماساچوست امریکا ساخته شد و در طول جنگ جهانی دوم برای هدایت نیروهای متحدین استفاده گردید .
بعد از جنگ جهانی سیستم OMEGA برای پوشش دادن بخش بزرگتری از سطح کره زمین طراحی شد از فرکانس های پایین تری برای ایجاد شبکه فراگیر استفاده می کرد ولی دقتش نسبت به سیستم قبلی کم شده بود .این سیستم های ناوبری اصول کارشان بر اساس چهار ایستگاه زمینی بود که یک ایستگاه به عنوان ایستگاه اصلی و سه ایستگاه دیگر به عنوان ایستگاههای وابسته در نظر گرفته می شدند تعداد زیادی از این ایستگاهها بر سطح زمین نصب شده بودند هر کدام از این ایستگاهها فرکانس خاصی را ارسال می کردند .این فرکانس ها توسط گیرنده ها دریافت می شد و گیرنده با انجام محاسبات ناوبری می توانست موقعیت خود را تعیین نماید. به استثنای سیستم OMEGA که بخش زیادی از کره زمین را پوشش می داد سیستم های ناوبری دیگر به صورت محلی می کردند از طرفی سیستم OMEGA دقت پایینی داشت.بنابراین نیاز به یک سیستم تعیین موقعیت جهانی که تمام کره زمین را پوشش دهد و دارای دقت کافی نیز باشد احساس می شد .
بعد از پرتاب موشک SPUTNK-1 توسط شوروی سابق در سال 1957 این نظریه اثبات شد که موقعیت ماهواره را می توان با استفاده از شیفت دوپلر فرستنده ی رادیویی به دست آورد و بنابراین اگر موقعیت ماهواره مشخص باشد می توان موقعیت های زمینی را نیز با اندازه گیری شیفت دوپلر به دست آورد .
در طی این مطلب ایالات متحده یک ماهواره ناوبری که TRANSITA نام گرفت را در سپتامبر 1959 پرتاب کرد که به خاطر ظرفیت باربری پایین در مدار قرار نگرفت .
کوشش های بعدی برای مستقر کردن ماهواره های TRANSIT در سال های 1960 و 1961 موفقیت آمیز بود در اواسط سال 1962 نیروی دریایی ایالات متحده از این سیستم برای زیردریایی های حامل موشک بالستیک استفاده کرد.ارتش ایالات متحده اولین ماهواره موقعیت یابی و ناوبری را تحت SECORE-1 در سال 1964 به فضا پرتاب کرد 7ماهواره ی مربوط به این سیستم ناوبری در سال 1965 و 1966 در مدار مستقر گردید .
عیب سیستم TRANIT این بود که فقط شش ساعت در شبانه روز در هر موقعیت در کره زمین قابل دسترس بود. بنابراین تلاش برای افزایش تعداد ماهواره ها آغاز شد و تا انتهای سال 1990 بیش از 30 ماهواره پرتاب شد که 24 عدد آن در مسیرهایی دور کره زمین قرار گرفتند.
این ماهواره ها در شش صفحه مداری که در هر چهار ماهواره قرار دارد مستقر شدند این سیستم به NAVSTAR مشهور است.شروع به کار این سیستم در هشتم دسامبر 1993اعلام گردید(وقتی که 24 ماهواره GPS آماده بهره برداری شد ). تمام ماهواره ها در مدارهایی با ارتفاع 20180 کیلومتر بالای سطح زمین قرار گرفتند .
(جدول در فایل اصلی موجود است)
همزمان با اجرای سیستمNAVSTAR فاز اول استقرار GLONASS در سال 1982 با پرتاب COSMOS 1414 توسط شوروی سابق شروع گردید .پرتاب موشکها در طول سالهای 1982 تا 1990 برای کامل کردن قسمت فضایی سیستم شامل 24 ماهواره (3 مدار ودر هر مدار هشت ماهواره )ادامه یافت. مدارهای دایره ای در ارتفاع 19100 کیلومتر زاویه های فراز 65 درجه و پریود زمانی 25/11 ساعت قرار گرفتند.
فصل اول
1-GPS چیست؟
سیستم مکان یابی جهانی (global positioning system ) یک سیستم هدایت (ناوبری ) ماهواره ای است و تنها سیستمی می باشد که امروزه قادر است، موقعیت دقیق شما را بر روی زمین در هر زمان ، در هر مکان و در هر هوایی مشخص کند. این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات اتحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند. اولین ماهواره GPS در سال 1978 یعنی حدود 35 سال پیش در مدار زمین قرار گرفت. این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال 1980 استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد و سرانجام در سال 1994 شبکه ای شامل 24 ماهواره تشکیل گردید که امروزه تعداد آنها به 28 عدد رسیده است.
خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعت شبانه روز در دسترس است. پدید آورندگان این سیستم ، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن رایگان است.
دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد. این سیستم از سال 1983 با پرتاب نخستین ماهواره GPS آغاز به کار نمود. با روی کار آمدن سیستم GPS تمام سیستم های قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای از قبیل دوربین های بالستیک، داپلر، SECOR,LONG-C,LLR,
SLR,N.N.S.S به تدریج از دور خارج شدند. GPS یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد، زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه و باران و نزولات جوی ) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول 24 ساعت شبانه روز فعال است و در هر زمان و در هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.
روسها نیز سیستمی مشابه GPS با نام GLONASS دارند که البته از نظر کارآیی و توان عملیاتی در حال حاضر به پای سیستم GPS نمی رسد. البته گیرنده های مشترک GPS-GLONASS در حال حاضر در بازار ایران یافت می شوند در ضمن اتحادیه اروپا نیز در حال ساخت یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای با نام گالیله می باشد که طبق پیش بینی ها تا سال 2008 آماده بهره برداری و استفاده عموم خواهد شد. طبق ادعای اتحادیه اروپا محدودیت های موجود در سیستم GPS در گالیله وجود نخواهد داشت.
GPS یا ( سیستم تعیین موقعیت نسبت به زمین ) یک سیستم استقرار مبتنی بر .constellation حدود 24 ماهواره است که در ارتفاع حدود 11000 مایل در مدارهایی به دور زمین حرکت می کنند جی پی اس ابتدا توسط وزارت دفاع امریکا بوجود آمد چون بعنوان ابزار نظامی کاربردهای جدی داشت. سرمایه گذاری وزارت دفاع امریکا درامر جی پی اس وسیع بود.میلیونها دلار برای ایجاد این تکنولوژی در جهت کاربردهای نظامی در سرمایه گذاری هزینه شد. به هر حال طی چند سال اخیر نشان داده شد که جی پی اس ابزاری سودمند به عنوان کاربردهای نقشه برداری غیر نظامی نیز می تواند داشته باشد . ماهواره های جی پی اس در مدارهایی با ارتفاع بالا به طوریکه از مشکلات مربوط به سیستم های مستقر در روی زمین به دور باشند قرار داده می شوند با وجود آن می توان موقعیت آنها را در همه 24 ساعت و در هر جای جهان بطور دقیق تعیین نمود . موقعیت های اصلاح نشده که از سیگنالهای ماهواره جی پی اس بدست آمده دقت هایی در حد 50 تا 100 متر را شامل می گردد. زمانی که از روش هایی بنام اصلاح تفکیکی (1) استفاده شود کاربران می توانند به موقعیت هایی با دقت 5 متر یا حتی کمتر هم برسند .
چون دستگاههای جی پی اس در حال کوچکتر شدن و در عین حال ارزانتر شدن هستند کاربردهای بیشتری نیز برای جی پی اس در نظر گرفته می شود . در کابری حمل و نقل جی پی اس به رانندگان و خلبانان کمک می کند تا موقعیت خود را تشخیص داده و از تصادم جلوگیری کنند . کشاورزان می توانند از جی پی اس برای راهبری دستگاهها و کنترل توزیع دقیق کود پاشها و مواد شیمیایی دیگر بهره گیرند .
GPS recreationallt در امر تعیین موقعیت های دقیق و بعنوان ابزار ناوبری برای HIKERS ، شکارچیان و قایقرانان نیز مورد استفاده دارد .
بسیاری به این استدلال رسیده اند که جی پی اس بزگترین کاربردش را در زمینه سیستم های اطلاعات جغرافیایی (جی پی اس ) دارد . با در نظر گرفتن احتمال خطا ، جی پی اس می تواند هر نقطه ای را در زمین با آدرسی منحصر بفرد نشان دهد ( موقعیت دقیق آن را)
یک جی پی اس اساسا یک بانک اطلاعاتی تشریحی از زمین است ( یا یک قسمت ویژه از زمین ). جی پی اس به شما می گوید در موقعیت x, y ,z هستید در حالیکه GIS به شما اعلام می کند کهx,y,z یک درخت بلوط یا نقطه ای در stream با سطح 5.4 ph است . جی پی اس به ما " کجا" را اطلاع می دهد و GIS "چه" را .
GPS/GIS روشی را که ما مستقر می نماییم تغییر حالت داده و سازماندهی و آنالیز می نماید و از منابع ما نقشه برداری می نماید.
1- Differential correction
2-trilateration
چگونه جی پی اس یک موقعیت را تعیین می نماید در یک nutshell ، جی پی اس مبتنی بر دامنه ماهواره است که مسافت های بین گیرنده و موقعیت 3 ماهواره دیگر یا بیشتر (4 ماهواره یا بیشتر در صورت انتخاب ارتفاع بالاتر ) را محاسبه می کند و سپس از ریاضیات کاربردی قدیمی استفاده شود. با فرض معلوم بودن محل ماهواره ها ، محل گیرنده را می توان با تعیین فاصله هر ماهواره با گیرنده محاسبه نمود . جی پی اس این 3 عدد مرجع یا بیشتر را جهت مخاسبه فواصل بکار برده موقعیت های جدید را triangulate می نماید.
بعنوان مثال تصور کنید از شما خواسته شده از یک موقعیت ثابت بر اساس چند clue که من مایلم به شما بدهم موقعیت من را بیابید . ابتدا من به شما اطلاع می دهم که 10 مایل از منزل شما فاصله دارم شما خواهید فهمید که من در جایی روی سطح کره ای قرار دارم که شعاع آن 10 مایل و مرکز آن منزل شما است. با این اطلاعات ناقص شما به سختی می توانید موقعیت من را تشخیص دهید چون بی نهایت نقطه روی کره مزبور قرار دارد . سپس به شما خواهم گفت که درست در 12 مایل سوپر مارکتabc قرار دارم . در این حالت شما می توانید کره دومی را تعریف نمایید که مرکز آن سوپر مارکت مذکور بوده و 12 مایل شعاع دارد . شما پی می بریدکه موقعیت من در جایی در محل تقاطع دو کره است اما باز نقاط بسیاری در این تقاطع وجود دارد . افزودن کرات دیگری سبب کاهش نقاط می شود و احتمال تعیین موقعیت من را زیاد می کند . در حقیقت یک فاصله و مرکز سوم ( مثلا من در 8 مایلی ساعت بزرگ شهر قرار دارم ) موقعیت های احتمالی را به تنها 2 نقطه کاهش می دهد . با اضافه کردن یک کره یا بیشتر ، شما می توانید موقعیت دقیق من را pin point کنید . در حقیقت کره چهارم ممکن است لازم نباشد . یکی از اطلاعات فوق ممکن است مفید نبوده و لذا حذف شود .
برای مثال ، اگر اطلاع دهم که بالاتر از سطح قرار دارم شما می توانید همه نقاط منفی را حذف نمایید . با استفاده از ریاضیات و کامپیوتر ما می توانیم نقطه دقیق را تنها با 3 ماهواره تعیین نماییم
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل1-1
با این مثال ، برای ما مشخص می شود که سه مورد اطلاعات زیر را جهت تعیین موقعیت دقیق نیاز دارید
A) موقعیت دقیق سه یا چهار نقطه تعیین شده چیست؟ ( ماهواره های جی پی اس )
B) فاصله بین نقاط تعیین شده و محل گیرنده جی پی اس چقدر است؟
1-1-قسمتهای مختلف سیستم موقعیت یاب جهانی GPS
بطور کلی ناوبری ماهواره ای عبارتست از استخراج پارامترهای ناوبری مانند موقعیت وسرعت با استفاده از علائم و امواج رادیویی که از طریق ماهواره ها ارسال می گردد . همانگونه که قبلا اشاره شد در حال حاضر دو سیستم ناوبری مستقل از یکدیگرتحت عناوین GPS و GLONASS که اولی یک سیستم امریکایی و دومی سیستم روسی است در حال کار می باشند. هر دو سیستم دارای قابلیتهای بسیار قابل توجهی در تعیین موقعیت جغرافیایی مورد نیاز تعداد نا محدودی کاربر بصورت تمام وقت و در شرایط مختلف جوی در سراسر کره زمین هستند. اساسا یک سیستم ناوبری ماهواره ای دارای سه بخش اصلی شامل بخش فضایی بخش کنترل زمینی و بخش کاربران است.
شکل1-2
1-1-1-بخش فضایی (space segment )
بخش فضایی سیستم عبارت از ماهواره های GPS است. این وسایط فضایی (مخفف ) سیگنالهای رادیویی را از فضا پخش می کنند.
مجموعه عملیات GPS نامی عبارت از 24 ماهواره است که طی 12 ساعت زمین را دور می زنند.
معمولا بیش از 24 ماهواره عملیاتی وجود دارد چون تعداد جدیدی پرتاب می شوند تا جایگزین ماهواره های قدیمی تر شوند. مدارات ماهواره ها تقریبا همان خط سیر (ground track) را روزانه یک بار تکرار می کنند ( چون زمین در پایین آنها می چرخد). ارتفاع مدار به گونه ای است که ماهواره ها همان خط سیر و ترکیب بندی را روی هر نقطه بطور تقریبی هر 24 ساعت تکرار می نمایند . ( 4 دقیقه زود تر در هر روز ). شش صفحه مداری وجود دارد (که در هر یک چهار SV وجود دارد ) و این صفحت با هم دارای فواصل مساوی بوده (60 درجه بین آنها ) و دارای زاویه میل 55 درجه نسبت به صفحه EQUATORIAL می باشند این مجموعه بین 5 تا 8 ماهواره واقع در دید از هر نقطه زمین را برای استفاده کننده فراهم می نماید
بخش فضایی GPS از 24 ماهواره تشکیل شده است. ماهواره های منظومه GPS-24 در شش صفحه مداری که هر کدام از این صفحات شامل چهار ماهواره هستند ، واقع شده اند . پریود چرخش ماهواره ها در مدار ، 12 ساعت نجومی است(ساعت نجومی به اندازه چهار دقیقه کوتاهتر از ساعت خورشیدی است) و نصف قطر بزرگ مدار 26561/75 کیلومتر وارتفاع مدار بر روی استوا 20183/6 کیلومتراست.
شکل 1-3
از مهمترین پارامترهای منظومه ماهواره ای GPS برای گیرنده های زمینی در امر ناوبری ، تعداد ماهواره های قابل دید و محدوده جابجایی داپلری آنها می باشد. برای موقعی یابی و ناوبری ماهواره ای ، رویت حداقل چهار ماهواره در یک زمان ضروری می باشد و برای دقیق و بهتر شدن ناوبری ، ماهواره های قابل رویت بیشتر کارسازتر است . بطوریکه هرگاه یک ماهواره از افق دید گیرنده خارج شود، ماهواره دیگر در افق دید باشد که بلافاصله گیرنده با آن ارتباط برقرار کند. نحوه چیدن ماهواره های این سیستم بگونه ای است که دقیقا این شرط را بر آورده می سازد.
اگر تعداد T ماهواره در P صفحه مداری بطور یکنواخت و در مدارات دایره ای قرار گرفته باشند و زاویه میل هر صفحه مدار i باشد ، در هر صفحه تعداد T/P ماهواره بطور یکنواخت قرار خواهند داشت و هر واحد فاز نسبی (F )بین ماهواره ها در صفحات مجاور 360/T درجه خواهد بود.
شکل 1-4
یعنی اگر یک ماهواره از یک صفحه مداری در یک لحظه از صفحه استوا بگذرد و به سمت شمال در حرکت باشد ، اولین ماهواره در صفحه مجاور در زاویه F (360/T )زیر صفحه استوا خواهد بود. با این توضیحات می توان یک منظومه را با پارامترهای ( T.P.F ) توصیف نمود. میزان پوشش دهی سطح زمین توسط یک منظومه ماهواره ای را می توان با محاسبه حداکثر زاویه جدایی بین ماهواره هایی که در یک مخروط به مرکزیت زمین قرار دارند (تعداد N ماهواره )بدست آورد . در مخروطی که شامل N ماهواره می باشد ، زاویه مرکزی را برابر درجه می گیریم که توسط کمینه زاویه مجاز فراز E کاربر تعیین می شود .
تعداد ماهواره های قابل رویت N ، در هر لحظه باید برای تمامی کاربران ثابت بماند . برای یک منظومه 24 ماهواره ای با شش صفحه مداری و زاویه میل 57 درجه ، اگر گیرنده قادر به دریافت سیگنال از ماهواره ای که زاویه فراز مربوط به آن 7 درجه است باشد، پوشش دهی جهانی با حداقل رویت پذیری شش ماهواره امکان پذیر خواهد بود. در این حالت بیشینه زاویه مرکزی جدایی بین ماهواره های قابل رویت می باشد . میدان دید هر ماهواره که در واقع زاویه پوشش دهی آنتن ماهواره می باشد ، برای منظومه GPS-24 برابر 13/87 درجه است این زاویه توسط رابطه زیر بر حسب E ،زاویه فراز ، بیان می گردد.
(1-1)
:شعاع زمین :ارتفاع پرواز ماهواره
برای ماهواره ای که طول و عرض جغرافیایی نقطه نادیر ومی باشد ، طول و عرض جغرافیایی گیرنده ای که در مرز ناحیه تحت پوشش دهی آن قرار دارد از رابطه زیر بدست می آید :
(1-2) =عرض جغرافیایی
(1-3) =طول جغرافیایی
در رابطه فوق b زاویه پارامتری ، بین است.
پنج نوع سری ماهواره های GPS به نامهای بلوک I ،بلوک II ،بلوک IIA ، بلوکIIR ،بلوک IIF وجود دارند. یازده تا از ماهواره های I (که دارای وزن 845 بودند) توسط JPO در فاصله زمانی بین 1978 تا 1985 ، از مرکز واندنبورگ کالیفرنیا در مدار قرار گرفتند. امروزه اکثر ماهواره های این بلوک خاموش شده اند این ماهواره های خاموش در مواقع نیاز برای تستهای علمی بکار می روند. صورت فضایی بلوک II با بلوک I متفاوت است زیرا در این بلوک شیب نقشه مداری ماهواره ها از 55 درجه به 63 درجه تغییر یافته است ، بدین جهت که بتوانند تمام ماهواره ها را در آسمان امریکا کنترل کنند . فرق دیگر این بلوک در این است که سیگنال تمام ماهواره های بلوک I در اختیار عموم بوده ولی در دریافت سیگنالهای بلوک II محدودیت وجود دارد. اولین ماهواره بلوک II که ارزشی برابر 50 میلیون دلار با وزن 2500 کیلو داشت در چهارده فوریه سال 1989 از مرکز فضایی کندی در فلوریدا توسط راکت دلتا II پرتاب شد .
ماهواره های بلوک IIA (که A اشاره به برتری دارد) به صورت قابلیت مخابره دو طرفه تجهبز شده اند. بلوک IIR از سال 96 در مدار قرار گرفته و دارای حداقل 10 سال عمر مفید می باشد این ماهواره ها از ساعتهای اتمی دقیقتر استفاده می کنند. ساخت ماهواره های بلوک IIF از سال 2002 آغاز شده و تا سال 2010 ادامه دارد، این ماهواره ها نیز حداقل دارای 10 سال عمر مفید هستند . در این ماهواره ها از امکانات اضافی همچون سیستم ناوبری اینرسی استفاده شده است.
1-1-2-سیگنال ماهواره ها
SV با دو نوع سیگنال حامل میکروویو منتشر می نمایند. فرکانس (42/1575 مگاهرتز) پیامهای رهیابی و سیگنالهای کد SPS را حمل می نماید. فرکانس (60/1227 مگاهرتز)برای اندازه گیری تاخیر یونسفر بوسیله گیرنده های مجهز به PPS می باشد.
شکل 1-5
سه کد دوتایی فازهای حامل را جابجا می نمایند.
1-کد C/A (coarse acquisition ) فاز حامل را مدوله می نماید. کد C/A یک کد یک مگاهرتزی (PRN ) pseudo random noise تکرار شونده است . این کد شبه نویز سیگنال حامل را مدوله می نماید و طیف را روی پهنای باند یک مگاهرتز گسترش می دهد . کد C/A هر 1023 بیت (معادل یک میلی ثانیه ) تکرار می شود. یک کد C/A PRN مختلف برای هر SV وجود دارد. ماه.اره های GPS معمولا با شماره PRN آنها شناخته می شوند که یک شاخص برای هر کد PRN است. کد C/A که حامل را مدوله می نماید کد مبنا برای SPS غیر نظامی است.
2- کد P ( Precise ) هم فاز حامل و هم فاز حامل را مدوله می نماید. کد P یک کد PRN خیلی طولانی (7روزه) با فرکانس 10 مگاهرتز است. در حالت عملی AS ایمنی (spoofing-anti-) کد Pدر کد Y رمز گذاری می شود . کد Y رمز گذاری شده به یک مدول AS کلاسه بندی شده برای هر کانال گیرنده نیاز دارد و فقط توسط کاربران مجاز با کلیدهای رمز خوان قابل استفاده است. کد P یا Y پایه ای برای PPS است.
پیام رهیابی همچنین سیگنال کدC/A - را مدوله می نماید. پیام رهیابی یک سیگنال 50 هرتزی شامل بیت های اطلاعاتی است مدارهای ماهواره GPS ، اصلاحات ساعت و دیگر پارامترهای سیستم را تشریح می نماید.
شکل 1 -6
-اطلاعات GPS
پیام رهیابی GPS شامل بیت های اطلاعات مرتبط با زمان انتقال هر ریز فریم (sub frame ) در زمانی که بوسیله SV منتشر می شوند مشخص می کند. یک فریم بیت اطلاعات شامل 1500 بیت بخش بر پنج ریز فریم su 300 بیتی است یک فریم اطلاعات هر 30 ثانیه منتشر می شود 3 ریز فریم 6 ثانیه ای شامل اطلاعات مداری و ساعت است. اصلاحات ساعت SV به ریز فریم شماره یک ارسال شده و اطلاعات مداری دقیق SV (پارامترهای ephemeris )از SV انشار کننده به ریز فریم های 2و3 فرستاده می شوند. ریز فریم های 4و5 برای انتشار صفحات مختلف اطلاعات سیستم بکار می روند.
یک سری کامل 25 فریم (125 ریز فریم ) پیام رهیابی کامل را تشکیل می دهد که طی 5/12 دقیقه ارسال می شود .
فریم های اطلاعات (1500 بیت) هر 30 ثانیه ارسال می شوند. هر فریم شامل 5 ریز فریم است .
ریز فریم های بیت اطلاعات (300 بیت منتشر شده در 6 ثانیه) شامل جفت بیت هایی هستند که چک کردن و اصلاح خطای محدود را مهیا می کند.
پارامتر های اطلاعات ساعت ، ساعت SV را و رابطه آنرا با زمان GPS شرح می دهد.
پارامتر های اطلاعات ephemeris مدارات SV را برای قسمتهای کوتاه مدار ماهواره تشریح می کند . معمولا یک گیرنده هر ساعت اطلاعات جدید EPHEMERIS را جمع آوری می کند ولی می تواند اطلاعات قدیمی را تا 4 ساعت بدون خطای بیشتر مورد استفاده قرار دهد . پارامترهای ephemeris با الگوریتمی استفاده می شوند که موقعیت SV را برای هر زمان در طول دور زدن مدار که توسط مجموعه پارامترهای ephemeris تعریف شده محاسبه نماید.
Almanac ها پارامترهای تقریبی اطلاعات مدار برای همه SV ها هستند. Almanac های 10 پارامتری مدارات SV را در زمانهای اضافی (قابل استفاده در چند ماه برای مواقعی)تشریح نموده و یک مجموعه از آنها برای تمام SV ها توسط هر SV در زمانی بمدت 5/12 دقیقه (حداقل) فرستاده می شود
زمان گرفتن سیگنال در موقع شروع بکارگیرنده را می توان بطور مشخصی با حضور almanac ها ی جاری (current ) متناسب تر نمود. اطلاعات مداری تقریبی را می توان برای تنظیم اولیه گیرنده با موقعیت تقریبی و فرکانس داپلر حامل هر یک از SV های موجود در مجموعه بکار برد(تغییر فرکانسی که بوسیله میزان تغییر در دامنه به سمت SV در حال حرکت ایجاد می شود)
هر مجموعه اطلاعات کامل SV شامل مدل یونسفری است که در گیرنده استفاده می شود تا تاخیر فاز در یونسفر در هر مکان و زمان را مشابه سازی نماید .
هر SV مقداری را می فرستد که زمان GSP بر حسب آن از زمان مختصات شده جهانی offset باشد(universal coordinated time )- این اصلاح می تواند توسط گیرنده برای تنظیم UTC به 100 نانو ثانیه بکار رود .پارامترهای دیگر سیستم و پرچم ها (FLAGS )که جزئیات سیستم را مشخص می نمایند ارسال می شوند.
دقت سیستم خیلی به این وابسته است که ترکیب سیگنالها دقیقا با ساعتهای اتمی کنترل شود. ماهواره های بلوک II دارای چهار ساعت استاندارد روی خود هستند که دو تا از این ساعتها رابیدیوم و دو تا سزیم هستند.
شکل 1-7
به علت پایداری فرکانسی خیلی زیاد ، خطا در این ساعتها تا در هر روز است. در ماهواره های بلوک IIR ساعت از نوع هیدروژنی است ، که پایداری در محدوده تا در هر روز است. ساعتهای اتمی اساس کارشان در قابلیت اتم برای نوسان کردن می باشد که از تغییرات حالت انرژی کوانتومشان استفاده می کنند.
فرکانس پایه سیگنالهای ماهواره ای GPS ،10/23 MHZ است. با ضرب کردن این فرکانس در 120 و 154 دو فرکانس حامل وبوجود می آیند.
بنابراین اطلاعات ناوبری از هر ماهواره (SV = satellite vehicle )
در دو فرکانس در باند L انتقال داده می شود. در سیگنالهای حاصل دارای طول موج 19 سانتیمتر و دارای طول موج 24/5 سانتیمتر می باشند.
برای داشتنم گیرنده کوچک نیاز به داشتن آنتهای ک.ک داریم و لذا باید با سیگنالهای خیلی ضعیف کار کنیم. برای برآورده شدن این مشکل، دو سیگنال حامل با سیگنال نویز شبه تصادفی ( PRN ) ( pseudo random noise) مدوله شده و ارسال می گردد. کدهای PRN این قابلیت را برای گیرنده ها ایجاد می کنند که آنتنهایی با طول چند اینچ نیز بتوانند سیگنالهای با توان خیلی پایین را از نویز تشخیص دهند و بتوانند سیگنالها را آشکارسازی نمایند . علاوه بر این خاصیت این آنتنها می توانند امکان دسترسی چند گانه ( multiple access ) را فراهم کنند .
هر ماهواره یک کد مخصوص را ارسال می کند و گیرنده ها می توانند سیگنالهای تمام ماهواره های در دید که بطور همزمان به آنتن می رسد را تشخیص دهد. البته بسته به نوع گیرنده و تعداد کانالهای ورودی گیرنده ، تعداد ماهواره های ردیابی شده متفاوت می باشند، گیرنده های امروزی بطور معمولی تا 12 کانال می توانند ماهواره ها را ردیابی کنند .
کدهای PRN از پارازیتهای عمدی و غیر عمدی که ممکن است توسط مزاحمین ایجاد گردد ایمن می باشد زیرا این کدها دقیقا در گیرنده نیز تولید شده و با کدهای دریافتی مقایسه می شود. کدهای PRN به دو صورت ارسال می گردند که در ادامه آورده شده است .
1-1-2-1-کد C/A (coarse and acquisition )
کد C/A فقط با استفاده از فرکانس حامل فرستاده می شود. این کد شامل یک رشته کد PRN است که با سرعت 1.023MBIT/SEC اعمال می شود و با استفاده از یک رجیستر ده بیتی تولید می شود . پریود کد C/A ،یک میلی ثانیه است و از این کد برای استفاده های غیر نظامی استفاده می شود . نحوه عمل این کد بدین گونه است که هر ماهواره دارای یک کد C/A یکتا می باشد با استفاده از این کد ارسال شده ، و کد C/A تولید شده در گیرنده، فاصله بین ماهواره و گیرنده زمینی مشخص می شود . طول موج پالس این کد ، سیصد متر می باشد . کد C/A برای سرویس موقعیت یابی استاندارد (SPS ) (standard positioning service )طراحی شده است .
شکل 1-8
شکل 1-9
1-1-2-2-کد p ( precision code)
کدP برای کاربردهای نظامی و کاربران خاص طراحی شده است و دارای طول موج 30 متر می باشد . کد P توسط هر دو فرکانس حامل و مدوله می شود. این کد با سرعت 10.23Mbit/sec ارسال می گرددو بصورت جمع مدول دو ورجیستر 24 بیتی وتولید می شود . حاصل این ترکیب یک کد PRN با مرحله که معادل با دوره کد کامل (قبل از این که تکرار کد اتفاق بیفتد) 267 روزی می باشد.هر Sv یک قطعه فاز از این کد بطول هفت روز که منحصر بفرد می باشد ، بکار می رود و در نیمه شب شنبه ها ، کد و که حالت اولیه شان باز گردانده می شوند تا قطعه فاز هفت روزه بعدی در نقطه دیگری از دوره کد PRN ، که 267 روزی می باشد ، مقدار دهی گردد. برای اینکه یک گیرنده تجاری نتواند از این کد استفاده کند از کد مخفی استفاده می گردد.
کد P فقط برای استفاده نیروهای نظامی ناتو و امریکا و نیز نیرو هایی که از ایالات متحده مجوز آن را گرفته اند طراحی شده است .
شکل1-10
این گیرنده ها دارای دقت زیر ده متر هستند . کد نظامی P وقتی که بصورت رمز درآید کد Y نامیده می شود . استفاده از دو کد که یکی بصورت روزانه نو می شود ، دسترسی نظامی را به یک سیستم موقعیت یاب ایمن و کاملا مجزا امکان پذیر می کند دلیل دیگر جهت استفاده از دو کد ، این است که دریافت کد P مشکل می باشد. کد C/A برای دریافت ساده تر طراحی شده است بعد از دریافت کد C/A ، کدP آسانتر دریافت می گردد.
1-1-2-3-پیامهای ناوبری
علاوه بر کدهای PRN یک بلوک دوم اطلاعات نیز بصورت دیجیتالی در هر دو حامل فرکانس ارسال می شود .این پیغام با سرعت خیلی پایین (50bit/sec ) انتقال داده می شود و هر 12/5 دقیقه نو شده و تکرار می گردد . این پیغام ناوبری شامل مقدار زیادی اطلاعات می باشد که برای کمک به گرنده در بدست آوردن موقعیتشان در نظر گرفته شده است .
شکل 1-11
ماهواره اطلاعات مداریش را برای گیرنده ها ارسال می کند علاوه بر این اطلاعاتی از ماهواره های دیگر را نیز می فرستند تا گیرنده های زمینی بتوانند ماهواره های جدید را که در بالای افق در آینده ای نه چندان دور در زاویه دیدشان خواهند بود را پیش بینی کنند .
1-3-سرویس موقعیت یاب دقیق و استاندارد (sps,pps )
خدمات رهیابی استاندارد توسط کابران غیر نظامی در سراسر جهان و بدون هزینه و محدودیت استفاده می شود. بیشتر کیرنده ها قادر به دریافت و استفاده از سیگنالهای SPS می باشند.
دقت SPS توسط DOD و با استفاده از selective availability عودا پایین نگهداشته شده است.
دقت قابل پیش بینی sps
◦ دقت افقی 100 متر
◦ دقت عمودی 156 متر
◦ دقت زمان 340 نانو ثانیه
این اعداد دقت GPS از طرف طرح فدرال رهیابی رادیویی است. اعدادمزبور دارای دقت 95 درصد بوده و معرف مقدار 2 انحراف استاندارد خطای رادیال هستند که از موقعیت آنتن وافعی به یک مجموعه تخمین های موقعیت که تحت شرایط زاویه بالا برماهواره مشخص شده (5 درجه ) و PDOP (کمتر از 6) می باشند.
برای اعداد افقی ، 95 درصد معادل drms 2 (distance-root-mean-squared ) یا دو برابر انحراف استاندارد خطای رادیال می باشد. برای خطاهای عمودی دو زمان 95 درصد مقدار 2 انحراف استاندارد خطای عمودی یا خطای زمان است.
سازندگان گیرنده ممکن است از اندازه های دیگر برای دقت استفاده کنند . خطای RMS مقدار یک انحراف استاندارد (%68)از خطای موجود در یک ،دو یا سه بعد است. خطای محتمل دایره ای (circular error probable,cep ) مقدار شعاع یک دایره است که مرکز آن در موقعیت واقعی نقطه ای است که 50 درصد تخمین های موقعیت رادار است.
خطای محتمل کره ای (sphericsl error probable ) معادل کروی CEP است که شعاع کره ای است که مرکز آن در موقعیت واقعی نقطه ای شامل 50 درصد تخمین های موقعیت سه بعدی است. در زمان قرار کیری در مقابل اعداد SEP,CEP,RMS,drms,2drms تحت تاثیر خطاهای سهوی بزرگی نمی باشند که اندازه گیری را با دقت بسیار بدبینانه بدست بدهد. بعضی از مدارک مشخصات گیرنده ، دقت افقی را در RMS یا CEP لیست کرده و بدون selective availability سبب می شوند آن گیرنده ها دقیق تر از آنهایی باشند که توسط فروشنده های مسئول گفته می شود اندازه های با خطای احتیاط آمیزی دارند .
هر دو سیستم GPS و GLONASS دو سطح سرویس دهی (برای کاربرهای نظامی و غیر نظامی ) فراهم می کنند. سرویس موقعیت یاب استاندارد (SPS ) با دقتهای افقی 100 متر (در حالت SA فعال) selective availability و دقت عمودی 156 متر برای استفاده تمام کاربران غیر نظامی در نظر گرفته شده است . سرویس موقعیت یاب (PPS) برای استفاده نظامیان امریکا طراحی شده است. از این سرویس کاربرانی که از کدهای مخفی اطلاع دارند می توانند استفاده کنند برای این کار باید از دولت فدرال امریکا اطلاعات لازم را دریافت نمایند . دقت این سرویس در حدود چند متر است . در این روش کد اعمال شده در هر دو فرکانس حامل وارسال می گردد . ماهواره های GLONASS دو موج فرکانس را در فرکانسهای 1609MHZ و1251MHZ انتقال می دهند . در این سیستم نیز دو نوع سیگنالهای ناوبری ، دقت بالا (HP ) و دقت استاندارد (SP ) موجود می باشد که استفاده ازHP فقط برای استفاده کنندگان نظامی می باشد.
شکل 1-12
1-1-4-بخش زمینی (Ground Segment )
1-1-4-1- ایستگاههای زمینی سیستم GPS :
در قسمت بالا درباره بخش فضایی سیستم GPS صحبت شد؛حال به سراغ بخش کنترل زمینی این سیستم می رویم : این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب ومشاهده شبانه روزی ماهواره های GPS را بر عهده دارند . این بخش بوسیله محاسبات ریاضی پیچیده از طریق محاسبه معادله پلی نومیال (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات ، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.
تعداد این ایستگاههای زمینی 5 عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو 4 ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم GPS ، قسمت USER یا کاربران سیستم می باشد که خود شامل دو بخش است:
الف) آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها
ب ) گیرنده(پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)
نرم افزار و میکروپروسسور داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده ه را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل 4 ماهواره ، موقعیت X وY و ارتفاع محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین میشود.
گیرنده های GPS به دو دسته اصلی تقسیم می شوند :
الف) گیرنده های نظامی
ب ) گیرنده های غیر نظامی
گیرنده های غیر نظامی فقط می توانند افمریزهای ارسالی روی کد C/A را از ماهواره دریافت کنند ،لذا تعیین موقعیت مطلق توسط این دسته از گیرنده ها ضعیف می باشد.(در حدود 3 تا 5 متر).اما گیرنده های نظامی که اکثرا در اختیار ارتش آمریکا و کشورهای عضو پیمان ناتو می باشد قادر هستند که پارامترهای ارسال شده بوسیله کد P (پارامترهای دقیق) را نیز علاوه بر کد C/A استفاده کنند. دقت تعیین موقعیت با چنین گیرنده هایی بسیار بالاست و در حال حاضر استفاده از کد P وکد Y که مشکل تر از کد P است صرفا در اختیار نظامیان آمریکایی می باشد.البته از سال 2000 دقت سیستم GPS غیر نظامی با توجه به حذف خطای SA که وزارت دفاع آمریکا آن را عمدا همراه سایر موج ها از ماهواره های GPS به سمت گیرنده های غیر نظامی میفرستاد ، دقت تعیین موقعیت با گیرنده های دستی معمولی به 3 تا 5 متر رسیده است.البته برای کارهای دقیق ژئودزی و نقشه برداری با استفاده از گیرنده های دو فرکانسه(تفاضلی) به شیوه تعیین موقعیت نسبی میتوان به دقت در حد میلیمتر دست پیدا کرد. البته همین دقت 3 تا 5 متر گیرنده های دستی عادی هم نیازهای عمومی ناوبری(کوهنوردی و....) را بخوبی تامین میکند.
این قسمت سیستم ، شامل ایستگاه اصلی کنترل ، ایستگاههای ردیاب و هشدار دهنده ، ایستگاههای کنترل زمینی می باشد. کار اصلی بخش کنترل عبارت است از ردیابی ماهواره ها جهت پیش بینی و تعیین مدار و ساعت ماهواره ها و نیز جهت همزمانی ماهواره ها و فرستادن اطلاعات از زمین به ماهواره ها می باشد . همچنین قابلیت کنترل ، فعال یا غیر فعال بودن اثر SA ماهواره ها نیز جزء کارهای بخش کنترل است
شکل 1-13
1-1-4-2-ایستگاه کنترل اصلی
بخش کنترل (ادوات کنترل )شامل سیستمی از ایستگاههای ردیابی (tracking) موجود در اطراف جهان است.
تجهیزات ایستگاه کنترل اصلی در پایگاه هوایی schriever در کلرادو واقع است. این ایستگاههای ردیابی (monitor) سیگنالهای ماهواره هایی را که برای هر ماهواره در مدلهای مداری تجمع یافته اند اندازه گیری می نمایند. مدلهای مذکور اطلاعات مداری دقیق (ephemeris) و اصلاحات ساعت SV را برای هر ماهواره محاسبه می نماید. ایستگاه کنترل اصلی اطلاعات EPHEMERIS و ساعت را به SV می فرستد . سپس SV ،subset های اطلاعات ephemeris مداری را روی سیگنالهای رادیویی به گیرنده های GPSارسال می کند .
مکان ایستگاه کنترل اصلی ابتدا در واندنبورگ کالیفرنیا در نظر گرفته شده بود ، اما این مرکز بعدا به قسمت عملیات فضایی واقع در کلرادو انتقال داده شد. این مرکز با اطلاعات ردیابی دریافتی از مراکز ردیابی و نیز تخمین زن کالمن ، پارامترهای ساعت و مدار ماهواره ها را محاسبه می کند . نتایج حاصل شده از محاسبات به یکی از سه مرگکز کنترل زمینی جهت فرستاده شدن به ماهواره ها ، انتقال داده می شود.
1-1-4-3-ایستگاههای ردیاب و هشداردهنده:
پنج ایستگاه ردیاب در موقعیتهای هاوایی ، کلرادو ، جزیره Ascensio در اقیانوس آتلانتیک جنوبی ، دیگو گارسیا در اقیانوس هند و Kwojalein در اقیانوس آرام شمالی واقع شده اند. هر یک ز این ایستگاهها دارای ساعت بسیار دقیق از نوع سزیم هستند و اطلاعات ماهواره ای در دید خود را بصورت پیوسته دریافت می کنند.
1-1-4-4-ایستگاههای کنترل زمینی
این ایستگاهها با ایستگاههای ردیاب تنظیم شده اند و در Ascensio ، دیگو گارسیا و Kwojalein واقع می باشند . این ایستگاهها دارای آنتن زمینی می باشند جهت ارتباط مخابراتی با ماهواره ها در نظر گرفته شده است . همانطور که گفته شد اطلاعات محاسبه شده در مرکز کنترل اصلی توسط یک ارتباط مخابراتی در باند S به هر یک از ماهواره های GPS ارسال می شود . این اطلاعات تصحیحی هر هشت ساعت به ماهواره ارسال می شود . اگر هر یک از این ایستگاهها از کار بیفتد ، خود ماهواره ها از اطلاعات ذخیره ای خود تا مدتی می توانند اطلاعات صحیح ارسال کنند که در جدول 1- 1 آمده است .
Block Duration
3-4 day
I
14 day
II
180 day
IIA
180 day<
IIR
جدول 1-1
شکل 1-14
یکی از پارامترهای مهم در ماهواره ها ، خطای زمانی است. جهت پرهیز از این خطا باید ساعت ماهواره ها با دقت نانو ثانیه تصحیح شوند. برای انجام این کار مرکز کنترل اصلی یک استاندارد زمانی کلی که به زمان سیستم GPS مشهور است دارد که با استفاده از ساعتهای اتمی سزیم خیلی دقیق بدست می آید. همچنین هر ماهواره از دو ساعت اتمی سزیم بسیار دقیق و دوساعت اتمی رابیدیم بصورت اضافی استفاده می کند . مرکز کنترل اصلی ، به طور منظم به هر ماهواره مقدار انحراف ساعتش را ارسال می کند. سپس این انحراف ساعت ماهواره ها ( توسط خود ماهواره ها ) به گیرنده ارسال می شود.
شکل 1-15
1-1-5-بخش کاربران:
بخش کاربرGPS شامل گیرنده GPS و ارتباط با کاربر (user community) می باشد. گیرنده های GPS سیگنالهای SV را به تخمین های مکان ، سرعت و زمان تبدیل می نماید. چهار ماهواره برای محاسبه چهار بعد x,y,z,t لازم است ( x,y,z برای مکان و t برای زمان ) . گیرنده های GPS برای رهیابی (navigation )، موقعیت یابی (positioning)و انشار زمان (time dissemination )و تحقیقات دیگر بکار می رود.
رهیابی درسه بعد هدف اصلی gps است.
گیرنده های رهیابی برای هواپیما – کشتی ها و وسایط نقلیه زمینی و برای حمل دستی توسط نفر ساخته شده اند .
با استفاده از گیرنده های GPS در موقعیت های تعیین شده ، موقعیت یابی دقیق امکانپذیر است که بدین ترتیب اصلاحات و اطلاعات موقعیت یابی نسبی را برای گیرنده های راه دور فراهم می نماید. مطالبات مساحی ، کنترل کره سنجی (GEODETIC CONTROL ) ، و زمین ساختی مسطح (PLATE TECTONIC ) مثالهایی از این دست می باشند.
انشار زمان و فرکانس که براساس ساعت ها دقیق روی SV ها قرار داشته و بوسیله ایستگاههای مشاهده (MONITOR STATIONS ) کنترل می شوند یک استفاده دیگر از GPS است.رصد خانه های نجومی ، تسهیلات ارتباط راه دور و استاندارد های آزمایشگاهی را می توان روی سیگنالهای دقیق زمان تنظیم نموده یا برای فرکانس های دقیق بوسیله گیرنده های GPS کاربرد ویژه را کنترل نمود.
پروژه های تحقیقی از سیگنالهای GPS برای اندازه گیری پارامترهای جوی استفاده نموده اند .
کاربران GPS به دو نوع نظامی و غیر نظامی تقسیم می شوند. این قسمت شامل گیرنده هایی می باشد که در نقاط مختلف چه در فضا و چه در زمین قرار گرفته اند و سیگنالهای ماهواره های GPS را به موقعیت. سرعت و زمان تبدیل می کنند. شکل فضایی قرار گرفتن ماهواره ها تضمین می کنند که تمام نقاط زمین،لااقل5مهواره را در هر لحظه از شبانه روز می توانند رویت کنند. البته برای محاسبه زمان و موقعیت سه بعدی ، فقط 4 ماهواره مورد نیاز می باشد. مانعهای محلی مانند کوهستان، ساختمانها و یا درختهای بزرگ ممکن است جلوی یک ماهواره یا بیشتر را سد کند.
شکل 1-16
از این رو با انتخاب پنج و یا حتی شش ماهواره یا بیشتر امکان موفق بودن در در یافتن یک موقعیت ثابت بیشتر خواهد بود. کار اصلی گیرنده GPS ،انجام عملیاتی روی کدهای ارسالی ماهواره ها برای اندازه گیری زمان انتشار کد GPS و انجام جبرانسازی برای خطاهای مشخص مثل انحراف ساعت و حل معادلات ناوبری می باشد.
گیرنده های GPS را می توان بسته به نوع آشکار سازی به انواع اندازه گیر رشته کاذب کد C/A ، گیرنده اندازه گیر حامل کد C/A و گیرنده کد P تقسیم کرد. در نوع اول فقط رشته کاذب کد C/A اندازه گیری می شود. این گیرنده ها معمولا دارای یک تا شش کانال مستقل ورودی هستند و خروجی این گیرنده ها موقعیت سه بعدی (طول و عرض و ارتفاع) می باشد. گیرنده های با 4 کانال ورودی یا بیشتر ، جهت کاربردهای حرکتی مفیدتر می باشد زیرا دقت بیشتری در این حالت بدست می آید. به عبارت دیگر هنگامی که گیرنده در یک مکان ثابت قرار دارد، می توان از گیرنده ای با یک کانال ورودی استفاده کرد.
شکل 1-17
در گیرنده نوع دوم ، رشته کدی و فاز حاصل توسط حامل محاسبه می شود زیرا کد C/A فقط در مدوله می شود و در مدوله نمی شود. بنابراین بدین معنی است که اطلاعات توسط دو فرکانس در دسترس نمی باشد. اکثر این نوع گیرنده ها دارای حداقل 4 کانال ورودی هستند و بعضی به صورت 12 کانال ورودی طراحی شده اند. در این نوع گیرنده ها فقط فاز حامل توسط روشهای غیر کدی محاسبه می شود. این اندازه گیریهای فاز حاملهای و در کاهش اثر لایه یونسفر مفید می باشد. گیرنده های نوع سوم ، کد P را به کار می برند و توانایی قفل شدن بر روی حاملهای را دارند. کار اصلی گیرنده های GPS که بصورت آشکارسازی کد عمل می کنند، انجام عمل همبستگی بین کدها برای اندازه گیری زمان انتشار کد GPS و انجام جبرانسازی جهت خطاهایی نظیر خطای انحراف ساعتها و نیز حل معادلات ناوبری می باشد این نوع گیرنده ها با استفاده از مدارهای داخلی خود ، کدهایی مشابه با کدهای ارسالی از ماهواره ها را تولید می کنند. سپس این دو کد با یکدیگر همبسته می شوند. عمل همبستگی کار نسبتا پیچیده ای است. هر دو نوع کد های C/A وP پریودیک می باشند. در شکل زیر یک رشته کد تصادفی نشان داده شده است.
شکل 1-18
در عمل کد P دارای یک پریود 267 روزه و کد C/A دارای پریود یک میلی ثانیه می باشد. جهت ایجاد تابع همبستگی اتوماتیک ، هر در کد C/A تولید شده در گیرنده و کد C/A دریافت شده از ماهواره از ماهواره توسط گیرنده به همبسته ساز داده می شود.
فرض می کنیم کد تولید شده به اندازه سه مرحله به عقب یا جلو شیفت داده شده باشد. برای بدست آوردن حاصلضرب دو کد ، ابتدا هر بیت دریافت شده را با بیت تولید شده محلی جمع کرده و سپس کلیه بیتها به اندازه یک واحد به جلو شیفت داده شده و عمل جمع کردن رادوباره انجام می دهیم. حاصلضربها بصورت عبارات ،، و بدست می آیند. اکر کدC/A تولید شده به اندازه یک بیت به سمت راست شیفت داده شود و حاصلضرب یکبار دیگر محاسبه شود، مقدار متوسط حاصلضربها تغییر خواهد کرد.
شکل 1-19
وقتی دو کد با هم سنکرون شوند، مقدار متوسط حاصلضربها برابر خواهد بود. مقدار ماکزیمم تولید شده توسط تابع همبسته ساز اتوماتیک نشان دهنده تاخیر زمانی بین دو کد C/A تولید شده توسط گیرنده و کدC/A دریافت شده می باشد. همانطور که قبلا بیان شد رشته باینری کاذب (PRB) پریودیک می باشد بنابراین تابع همبسته ساز اتومات نیز پریودیک می باشد و این امکان را می دهد که با تعیین پیکهای تولید شده زمان پارامترهای ( تاخیر زمانی بین دو کد C/Aتولید شده توسط گیرنده و کد C/A دریافت شده توسط گیرنده) را بدست آورد. یک سیگنال با پهنای باند عریض (کدP ) تولید یک همبستگی ضربه ای باریک و تیز می کند و همبستگی ضربه ای پهن نشان دهنده یک سیگنال با پهنای باند باریک (کدC/A) می باشد. همچنین پهنای ضربه همبستگی ، با پهنای باند کد سیگنال دریافت شده نسبت عکس دارد.
شکل 1-20
شکلهای بعضی از انواع GPS دستی در زیر آمده است.
شکل 1-21
فصل دوم
2- ماهواره های GPS :
در حال حاضر سیستم GPS شامل 28 ماهواره فعال است که در مداری به طول 11000 مایل دریایی بالای زمین در حرکت بوده و پیوسته بوسیله ایستگاههای زمینی در سراسر جهان نظارت میشوند.
هرکدام ازاین ماهواره ها که NAVSTAR نیز نامیده میشوند 2000پوند وزن داشته ،دارای صفحات آفتابی به پهنای
f =17 هستندوباسرعتی درحدود 108 مایل درثانیه به دورزمین میگردند.
این ماهواره ها که کل سطح کره زمین را بطور همزمان پوشش می دهند ، در 6 مدار بیضی شکل با زاویه میل 55 درجه نسبت به صفحه استوای زمین به دور زمین می چرخند و در ارتفاع 20800 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.زمان یکبار چرخش ماهواره های GPS به دور زمین در حدود 12 ساعت نجومی است. به عبارتی در هر 24 ساعت خورشیدی در طول شبانه روز ماهواره دوبار از افق یک محل می گذرد.همان طور که می دانیم شبانه روز خورشیدی 4 دقیقه از شبانه روز نجومی بیشتر است لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره 4 دقیقه زودتر در افق یک محل ثابت طلوع می کند.
هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال می ماند وجایگزینی ماهواره ها بموقع انجام گشته و ماهواره های جایگزین به فضا پرتاب می گردند . برنامه شبکه GPS هم اکنون تا سال 2006 تنظیم وجایگزینی های لازمه ترتیب داده شده اند . مسیر گردش ماهواره ها آنها را بین عرض جغرافیایی 60 درجه شمالی و60 درجه جنوبی قرارمی دهد . این امر به معنی آن است که درهرنقطه از زمین ودرهرزمان می توان سیگنال های ماهواره أی را دریافت نمود. وهرچه به قطبهای شمال – جنوب نزدیک شویم نیز همچنان ماهواره های GPS را خواهیم دید . هرچند دقیقاً در بالای سرما نخواهند بود واین در دقت وصحت عمل آنها در این نقاط تاثیرمی گذارد .
انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از 50 وات است. این ماهواره ها نیروی خود راتوسط باتریهای خورشیدی که طولش هرکدامشان 5.5 متر است از خورشید تامین می کنند. همچنین باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می کنند بهمراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر صحیح نگاه می دارد.
2-1- سیستمGPS چگونه کار میکند؟
به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد و برای تعیین موقعیت در هر یک از دو روش فوق می توان از روش های ایستا (Static) ، متحرک(Kinematics) و نیمه متحرک (Semi-Kinematics) استفاده کرد.
در روش مطلق ، موقعیت نسبی نقطه نسبت به یک نقطه مختصات دار معلوم ((DELTA(X),DELTA(Y),DELTA(Z)) بدست می آید. روش تعیین موقعیت نسبی به علت حذف خطاهای سیستماتیک موجود در اندازه گیری های GPS از اهمیت خاصی برخوردار است و برای انجام آن نیاز به دو گیرنده GPS می باشدکه بطور همزمان ماهواره های مشترک را مشاهده و اندازه گیری نمایند. منظور از همزمانی ، بدین معنی است که شرایط اندازه گیری برای هر دو گیرنده مستقر در ایستگاه های استقرار، یکی با مختصات معلوم و دیگری با مختصات مجهول،یکسان باشد. از روش تعیین موقعیت نسبی با GPS اکثرا در کارهای نقشه برداری و گسترش شبکه های ژئودزی استفاده می شود.دقت تعیین مختصات مطلق با سیستم GPS در حال حاضر در بهترین حالت 3 ± متر می باشد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.
هر ماهواره GPS بطور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:
1) امواج حامل
الف) موج حامل (L1) با فرکانس f1=1500 MHZ
ب) موج حامل (L2) با فرکانس MHZ f2=1200
2)کدهای اطلاعاتی(بصورت دودویی)
الف) کدغیر نظامی(کد C/A ) ؛ f=1.023 MHZ
ب) کد دقیق (کد P ) ؛ f=10.23 MHZ
ج) کد سری (کد Y) ؛ f=10.23 MHZ
برای رسین به حداکثر دقت و کارآیی GPS توسط یک گیرنده باید از گیرنده ای استفاده کرد که هر دو موج حامل L1 و L2 و کدهای فوق را دریافت نموده وقابلیت آنتی اسپوفینگ (AS) داشته باشد؛ یعنی بتواند کد سری Y را به یک کد P وبالعکس تبدیل کند.
3) پیام ماهواره(Message) با فرکانس f=1500 MHZ که حامل اطلاعات زیر می باشد:
الف) اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعیت ماهواره می شود.
ب) اطلاعات مربوط به زمان
ج) اطلاعات شماره ماهواره
د) اطلاعات مربوط به ضریب دقت آرایش هندسی ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و یا اگرزاویه هر دو ماهواره با هم 120 درجه باشد تعیین موقعیت محل دارای دقت بیشتری خواهد بود.)
مجموعه اطلاعات فوق یعنی امواج حامل،کدهای اطلاعاتی و پیام ماهواره ، همراه یکدیگر توسط مدولاسیون فاز بسمت زمین مخابره شده و گیرنده های زمینی که قابلیت ها و انواع متفاوتی دارندضمن دریافت مجموعه فوق پس از عمل De Modulation هر بخش را برای منظور خاص خود مورد استفاده قرار می دهد.لازم به ذکر است که بهترین و دقیق ترین گیرنده ، گیرنده ایست که قابلیت در یافت کلیه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر یک را به طرقی جداگانه دریافت کند و ارزان ترین گیرنده هم گیرنده ایست که تنها قابلیت دریافت موج حامل L1 ،کدC/A و پیام ماهواره را دارد.لازم بذکر است که کد CA فقط بر روی موج L1 مدوله میشود ولی کد P بر روی هر دو موج وجود دارد.
اما اگربخواهیم عملکرد این ماهواره ها بطور ساده تر را بررسی کنیم به نتایج زیر می رسیم:
سیگنال هایی که هرماهواره ی GPS ارسال میکند شامل یک کد شبه تصادفی Pseudo Random Code ، داده ای بنام ephemeris ویک داده تقویمی بنام almanac می باشد. کد شبه تصادفی مشخص کننده ماهواره ارسال کننده اطلاعات ( کد شتاسایی ماهواره ) می باشد.
هرماهواره باکدی مخصوص شناسایی می شود : RPN Random Code Pseudo این عددی است بین 1و 32 . این عدد درگیرنده هر GPS نمایش داده میشود .دلیل اینکه تعداد این شناسه ها بیش از 28 می باشد امکان تسهیل درنگهداری شبکه GPS باشد . زیرا ممکن است یک ماهواره پرتاب شود و شروع بکار نماید قبل از اینکه ماهواره قبلی از رده خارج شده باشد . به این دلیل ازیک عدد دیگر بین 1و 32 برای شناسایی این ماهواره جدید استفاده می شود .
داده Ephemeris دائماً بوسیله ماهوارها ارسال میگردد وحاوی اطلاعاتی درمورد : وضعیت خود ماهواره ( سالم یا ناسالم ) و تاریخ وزمان فعلی می باشد . گیرنده GPS بدون وجود این بخش از پیام درمورد زمان وتاریخ فعلی درکی ندارد . این بخش پیام نکته اساسی برای تعین مکان می باشد.
Almanac داده أی را انتقال می دهد که نشان دهنده اطلاعات مداری برای هرماهواره وتمام ماهوارهای دیگر سیستم می باشد .
حال میتوان شیوه کار GPS را بهتر بررسی کرد . هرماهواره پیامی را ارسال می کند که بطور ساده می گوید :
من ماهواره شماره X هستم ، موقعیت فعلی من Y است ، و این پیام در زمان Z ارسال شده است.
هر چند که این شکل ساده شده پیام ارسالی است ولی می تواند کل طرز کار سیستم را بیان نماید . گیرنده GPS پیام را می خواند و داده های almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدی ذخیره می نماید . این اطلاعات می توانند برای تصحیح و یا تنظیم ساعت درونی GPS نیز به کار روند .
حال برای تعیین موقعیت ، گیرنده GPS زمانهای دریافت شده را با زمان خود مقایسه می کند . تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده GPS از ماهواره مزبور می باشد . این عملی است که دقیقاً یک گیرنده GPS انجام می دهد . با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر ، GPS می تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید . ( که آن را تعیین دو بعدی می نامند . ) و با تبادل با چهار ( و یا بیشتر ) ماهواره یک GPS می تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می باشد . با انجام پشت سر هم این محاسبات ، GPS می تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید
امروزه در بعضی مکان های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا 10 ماهواره می باشیم و حداقل به 4 تا 5 ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم.
هر قدر تعداد ماهواره های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت.
نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی مقایسه ای سطح ژئوئید است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود 100 متر است.
یکی از عواملی که بر روی دقت عمل یک GPS اثر می گذارد . شکل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به یکدیگر می باشد . (از نقطه نظر GPS )
اگر یک GPS با چهار ماهواره تبادل نماید و هر چهار ماهواره در شمال و شرق GPS باشند طرح و هندسه این ماهوارها برای این GPS بسیار ضعیف میباشد و شاید GPS قادر نباشد مکان یابی نماید. زیرا تمام اندازه گیریهای فاصله در یک جهت عمومی قرار دارند. مثلث سازی ضعیف است وناحیه مشترک بدست آمده ازاشتراک این مسافت سنجی ها وسیع می باشد ( مکانی که GPS برای مکان خود تصورمی کند بسیار وسیع می باشد ودر نتیجه تعیین دقیق محل آن ممکن نیست ) دراین موقعیتها حتی اگر GPS مکان یابی را انجام دهد وموقعیتی راگزارش نماید دقت آن نمی تواند زیاد خوب باشد ( کمتر از500-300 فیت ). اگر همین چهارماهواره درچهارجهت ( شمال ، جنوب ، شرق ، غرب ) وبا زوایای 90 درجه قرارداشته باشند طرح این چهار ماهواره برای GPS مزبور بهترین حالت می باشد چراکه جهات مسافت سنجی چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراک این مسافت سنجی ها بسیار کوچک می باشد . وهرچه این نقطه اشتراک کوچکتر باشد به معنی آن است که بیشتر به نقطه واقعی حضورخود نزدیک شده ایم . دراین موقعیت دقت عمل کمتر از100فیت می باشد .
شکل 2-1
طرح وهندسه قرارگرفتن ماهواره ها هنگامیکه GPS نزدیکی ساختمانهای بلند، قلل کوهها ، دره های عمیق ویا در وسایل نقلیه قرارگرفته باشد به مساله مهمتری تبدیل می گردد .اگر مانعی در رسیدن سیگنالهای بعضی از ماهواره ها وجود داشته باشد GPS می تواند از بقیه ماهواره ها برای مکان یابی خود استفاده نماید. هرچه این موانع بیشتر و شدیدتر شوند مکان یابی نیز مشکل تر می گردد .
یک گیرنده GPS نه تنها ماهواره های قابل استفاده را تشخیص می دهد بلکه مکان آنها را درآسمان نیز تعین می کند . ( ارتفاع و زاویه ) منبع دیگرایجاد خطا " چند مسیری " می باشد . "چند مسیری" نتیجه انعکاس سیگنال رادیویی به وسیله یک شی می باشد . این پدیده باعث ایجاد تصاویر سایه دار در تلویزیونها می گردد هر چند در آنتنهای جدید این شکل به وجود نمی آید ، این پدیده در آنتنهای رو تلویزیونی قدیمی به وجود می آمد.
بروز این اختلال برای GPS ها به این شکل است که امواج بعد از انعکاس به وسیله اشیاء ( مانند ساختمانها یا زمین ) به آنتن GPS برسند . در این صورت سیگنال مسیر بیشتری را تا رسیدن به آنتن GPS طی می کند و این باعث می شود که GPS فاصله ماهواره را بیشتر از آنچه هست محاسبه نماید. که باعث ایجاد خطا در مکان یابی نهایی می گردد. در صورت بروز این اختلال تقریباً 15 فیت بر خطای نهایی افزوده می شود .منبع دیگری نیز برای ایجاد خطا ممکن است وجود داشته باشند . افزایش تاخیر ( delay ) به دلیل اثرات جوی نیز می تواند برروی دقت کار اثر بگذارد . همچنین خطاهای ساعت داخلی GpS . در هر دو این موارد گیرنده GPS طوری طراحی شده است که این اثرات را جبران نماید . ولی خطاهای کوچکی بر اساس همین اثرات همچنان بروز خواهند کرد .
در عمل ، دقت کار یک GPS غیر نظامی معمولی ، با توجه به تعداد ماهواره های تبادلی و طرح قرار گرفتن آنها بین 60 تا 225 فیت می باشد. GPS های پیچیده تر و گرانتر می توانند با دقتهایی در حد سانتیمتر کارکنند . ولی دقت یک GPS معمولی نیزمی تواند به کمک پردازشی به نام DGPS Differential GPS به حدود 14 فیت یا کمتر برسد .سرویسهای DGPS با هزینه کمی قابل اشتراک می باشند . سیگنال تصحیحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ایستگاههای مخصوص ارسال می گردد . این ایستگاهها در فرکانس KHZ .325- 283.5 کار می کنند تنها هزینه استفاده از این سرویس خریدن یک دامنه از این سیگنالها می باشد . با این کار یک گیرنده دیگر به GPS ما متصل می شود ( از طریق یک کابل سه رشته ای ) و عمل تصحیح را طبق یک روش استاندارد به نام ( RTCM SC-104 ) انجام می دهد . اشتراک سرویسهای DGPS از طریق امواج رادیویی FM نیز ممکن می باشد .
2-1-1-تعیین موقعیت توسط GPS
GPS از مفهوم (TOA ) برای تعیین موقعیت کاربر استفاده می کند. این مفهوم با اندازه گیری زمانی که سیگنال عبور داده شده توسط یک فرستنده (برای مثال بوق مه- چراغ چشمک زن هواپیما، ماهواره)در موقعیت معلوم برای رسیدن به گیرنده کارر مصرف می کند توجیه می شود. فاصله زمانی که از آن به عنوان زمان انتشار یاد می شود در سرعت سیگنال (برای مثال سرعت صوت یا نور) ضرب می شود تا فاصله فرستنده تا گیرنده محاسبه شود. با اندازه گیری زمان انتشار سیگنالهای خارج شده از چند فرستنده (اهداف ناوبری) در موقعیتهای معلوم گیرنده می تواند موقعیت آن را مشخص کند. یک مثال برای تعیین موقعیت دو بعدی در زیر آورده شده است.
ماهواره های جی پی اس در مدارهایی با ارتفاع 11000 مایل دور زمین حرکت می نمایند .
وزارت دفاع امریکا می تواند مسیر ماهواره ها نسبت به زمان را با دقت زیاد پیش بینی کند. بعلاوه ماهواره ها را میتوان گاهگاهی با سیستم های معظم رادار مستقر روی زمین تنظیم نمود . بنابراین مدارها را برای تمام ماهواره ها در دستگاهی بنام almanac شناخته می شود نگهداری می کند .