نظام تحديد المواقع العالمي بالأقمار الصناعية gps

نظام تحديد المواقع العالمي بالأقمار الصناعية gps 

الجي بي اس لتحديد المواقع

تحميل نظام gps

اهمية نظام gps 

مكونات نظام تحديد المواقع العالمي gps

نظام gps

   ماهو gps

عربي gps

تحديد المواقع عبر الاقمار الصناعية

عرض عام للنظام

إن النظام العالمي  لتحديد المواقع نظام فضائي راديوي مستمر يعمل في كل الأحوال الجوية لأغراض الملاحة وتحديد المواقع ونقل إشارات الوقت، مما يُوفر مواقع دقيقة إلى حد بعيد وثلاثية الأبعاد وكذا معلومات السرعة مع توفير مرجع مشترك دقيق للوقت لفائدة المستعمِلين المزودين بالتجهيزات الملائمة عندما يكونون على سطح الأرض أو قريباً منه.

ويعمل هذا النظام على أساس مبدأ التثليث المنفعِل. وتقوم تجهيزات مُستعمِل النظام أولاً بقياس أشباه الأمدية لأربعة سواتل، وحساب مواقعها، ومُزامنة الميقاتية طبقاً لهذا النظام عن طريق استعمال المعطيات المستقبلَة من معلمات تقويمية فلكية ومعلمات تصحيح الميقاتية. (وتُسمَّى هذه القياسات "أشباه" لأنها منجزة بواسطة ميقاتية مستعمِل غير دقيقة وتتضمن حدود ثابتة للانحياز بسبب تخالفات ميقاتية المستعمِل عن توقيت النظام العالمي لتحديد المواقع.) ثم يقوم هذا النظام بتحديد الموقع ثلاثي الأبعاد للمستعمِل في النظام الديكارتي العالمي الأرضي المركزي (ECEF) للإحداثيات الجيوديسية  1984(WGS-84)، بتحديد تخالف ميقاتية المستعمِل عن توقيت النظام العالمي لتحديد المواقع وذلك أساساً بحساب الحل المتآون لأربع معادلات للأمدية.

وعلى غرار ذلك، يمكن تقدير سرعة المستعمِل ثلاثية الأبعاد وكذا تخالف معدل ميقاتية المستعمِل بحل أربع معادلات لمعدلات الأمدية بعد الحصول على قياسات لمعدلات أشباه الأمدية لأربعة سواتل.

ويُقدِّم النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) الخدمة المعيارية لتحديد المواقع (SPS) لفائدة المستعمِلين المدنيين.

3      أجزاء النظام

يتكون النظام من ثلاثة أجزاء رئيسية: الجزء الفضائي، وجزء التحكم، والجزء الخاص بالمستعمِل. ولكل جزء وظيفة رئيسية كالتالي.

1.3   الجزء الفضائي

يشتمل الجزء الفضائي على سواتل النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS)، التي تؤدي وظيفة نقاط مرجعية "سماوية"، تبث من الفضاء إشارات ملاحية مشفرة للوقت بدقة. وتتكون الكوكبة التشغيلية من حد أدنى قوامه 24 ساتلاً يدور في مدارات مدتها 12 ساعة على محور شبه رئيسي يبلغ حوالي 26 600 km. وهذه السواتل متموقعة في ستة مستويات مدارية مائلة بزاوية °55 نسبة إلى خط الاستواء. وهنالك، نمطيًّا، حد أدنى قدره أربعة سواتل في كل مستوى.

وإن الساتل بمثابة مركبة مستقرة ثلاثية المحاور. والعناصر الكبرى لحمولته الملاحية الرئيسية النافعة هي معيار التردد الذري للتوقيت الدقيق، والمعالج اللازم لتخزين المعطيات الملاحية، وتجميع إشارة الضوضاء شبه العشوائية (PRN) اللازم لتوليد إشارة قياس المسافة، وهوائي الإرسال للنطاق L. وبالرغم من أن إرسالات التردد الوحيد تُتيح الملاحة الأساسية، فإن إرسالات الترددات المتعددة تسمح بتصحيح التأخرات الأيونوسفيرية في وقت انتشار الإشارة.

2.3   جزء التحكم

يشتمل جزء التحكم على محطة التحكم المركزي (MCS)، والهوائيات الأرضية، وشبكة لمحطات المراقبة. وتكون محطة التحكم المركزي مسؤولة عن كل جوانب القيادة والتحكم للكوكبة.

3.3   الجزء الخاص بالمستعمِل

يتكون الجزء الخاص بالمستعمِل من كل مجموعات التجهيزات الإجمالية للمستعمِل ومعها تجهيزاتها الداعمة. وتتألف مجموعة التجهيزات النمطية للمستعمِل من هوائي، ومستقبِل/معالج للنظام العالمي لتحديد المواقع، وأجهزة حاسوبية وأجهزة دخل/خرج. وتقوم مجموعة ما للتجهيزات بحيازة وتتبع الإشارة الملاحية انطلاقاً من أربعة سواتل أو أكثر تكون مرئية، وتقيس أوقات انتشار الإشارة والإزاحات الدوبلرية للتردد، ثم تحوِّلها إلى أشباه أمدية ومعدلات أشباه أمدية، ثم تنفذ الحل لتحديد الموقع ثلاثي الأبعاد والسرعة ثلاثية الأبعاد، ثم تثبِّت توقيت النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS). (ويُعَدُّ توقيت GPS مختلفاً عن التوقيت العالمي المنسَّق (UTC)، ولكن الفرق أقل من ثانية واحدة، وتحمل إشارات GPS المعلومات اللازمة للتحويل بين هذين التوقيتين. وفضلاً عن ذلك، فإن توقيت GPS توقيت متواصل بينما يحتوي توقيت UTC على ثوانٍ كبيسة) وتتراوح تجهيزات المستعمِل من المستقبِلات البسيطة والخفيفة نسبيّاً إلى المستقبِلات المتطورة التي تكون مدمَجة مع المحاسيس أو الأنظمة الملاحية الأخرى اللازمة للأداء الدقيق في البيئات عالية الدينامية.

4      بنية إشارة النظام العالمي لتحديد المواقع

تتكون الإشارة الملاحية للنظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) والمرسَلَة من ثلاثة ترددات مُشكَّلَة على النحو التالي: L1 عند التردد المركزي البالغ MHz 1 575,42 (154 f0)، وL2 عند التردد المركزي البالغ MHz 1 227,6 (120 f0)، وL5 عند التردد المركزي البالغ MHz 1 176,45 (115 f0)، حيث تصح الدالة MHz 10,23 = f0 أما الدالة f0 فهي خرج معيار التردد الذري على المتن الذي تُربَط به كل الإشارات المولَّدَة على نحو متماسك. وتأتي في النص الوارد أدناه قائمة بالإشارات المرسلَة على كل تردد حامل لنظام GPS (ويأتي كذلك وصف لتلك الإشارات التي لها أكثر من مكونة واحدة) كما يأتي وصف موجز للتردد الراديوي (RF) وكذا لمعلمات معالجة الإشارات.

ويُرسِل نظام GPS ثلاثة إشارات على التردد الحامل L1. وتتضمن هذه الإشارات إشارة شفرة الحيازة التقريبية L1 C/A، وإشارة الشفرة الدقيقة L1 P(Y) والإشارة L1C. وللتردد L1C مكونتين تُرسَلان مطاورتين أو تربيعيتين. وعندما تُرسَل مكونات التردد L1C بالتربيع، بتخلف التردد L1CP عن L1CD بزاوية طور °90. ويتم تشكيل إحدى مكونات التردد L1C، ويُشار إليها بالمكونة L1CD، من خلال رسالة معطيات، أما المكونة الأخرى، ويُشار إليها بالمكونة L1CP، فهي خالية من المعطيات (أي أنها دليلة فقط)، وتستعمل هذه المكونات شفرات مختلفة لقياس المسافة. (وتُحسِّن المكونة الخالية من المعطيات L1C أداء الحيازة والتتبع في خدمة الملاحة الراديوية الساتلية ((RNSS).

أما على التردد الحامل L2، فإن نظام GPS، يرُسِل ثلاثة إشارات. وتشمل هذه الإشارات تردد شفرة الحيازة التقريبية L2 C/A، وتردد الشفرة الدقيقة L2 P(Y) والتردد L2C. وللتردد L2C مكونتان متعددتا الإرسال بتقسيم الزمن. ويتم تشكيل مكونة L2C برسالة معطيات، أما الأخرى فهي خالية من المعطيات، وتستعمل المكونات شفرات مختلفة لقياس المسافة.

أما على التردد الحامل L5، فيُرسِل نظام GPS إشارة وحيدة، يُشار إليها بالإشارة L5. وللإشارة L5 مكونتان تُرسلان مطاورتين تربيعيتين. ويتم تشكيل مكونة من الإشارة L5 برسالة معطيات، أما الأخرى فهي خالية من المعطيات وتستعمل المكونات شفرات مختلفة لقياس المسافة.

وتُقدِّم الجداول 3 و4 و5 قائمة بقيم المعلمات الرئيسية لإرسالات نظام GPS. وتتضمن هذه المعلمات الخصائص التالية للتردد الراديوي: مدى تردد الإشارة؛ عرض النطاق dB 3 لمرشاح إرسال التردد الراديوي للساتل؛ وطريقة تشكيل الإشارة؛ وأدنى سوية للقدرة المستقبَلَة عند دخل هوائي استقبال مركب على سطح الأرض.

ومما جاء في هذه الجداول كذلك معلمات معالجة الإشارة الرقمية، بما فيها معدل تنبيض الشفرة للضوضاء شبه العشوائية (PRN) ومعدلات تشوير معطيات ورموز الرسالة الملاحية. وفضلاً عن ذلك، تُقدِّم هذه الجداول، بالنسبة لكل تردد حامل، معلمات هوائي الإرسال للساتل الخاصة بالاستقطاب وأقصى إهليلجية.

وتُعَد وظائف شفرات قياس المسافة (المُشار إليها كذلك بشفرات الضوضاء شبه العشوائية) وظائف مزدوجة:

-       تُتيح هذه الشفرات خصائص جيدة للنفاذ المتعدد فيما بين السواتل، إذ إن كل السواتل تُرسِل الإشارات على نفس الترددين الحاملين ويتم التمييز فيما بينها فقط بواسطة شفرات الضوضاء شبه العشوائية التي تستعملها؛

-       وتسمح خصائص ارتباط هذه الشفرات بالقياس الدقيق لوقت وصول ونبذ الإشارات متعددة المسيرات وإشارات التداخل.

وتُعَد القيم المتاحة في الجداول 3 و4 و5 هي التي يُوصَى باستخدامها في التقديرات الأولية لملاءمة التردد الراديوي مع نظام GPS.

5      قدرة الإشارة وأطيافها

تستعمِل سواتل GPS هوائي بحزمة مُقَوْلَبَة تُشع قدرة شبه منتظمة إلى المستقبِلات القريبة من سطح الأرض. وتُستقطَب الإشارات المُرسَلة دائريّاً مُيَامِنة مع بيان أسوأ الحالات الإهليلجية في الجداول 3 و4 و5 بالنسبة للمدى الزاوي °14,3  من الحضيض.

6      معلمات الإرسال للنظام العالمي لتحديد المواقع

لما كان نظام GPS يُرسِل الإشارات الملاحية لخدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) من الفضاء إلى الأرض في ثلاثة نطاقات، فإن معلمات الإرسال لنظام GPS مُتاحَة في الجداول الثلاثة التي تُمثِّل نطاقات خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) التي يُرسِل فيها نظام GPS الإشارات الملاحية.

وبالإضافة إلى تشكيلات الإبراق بزحزحة الطور (PSK)، يستعمِل نظام GPS تشكيلات بنديكس المُثلى (BOC). وتُشير دالة تشكيلات بنديكس المُثلى BOC(m,n) إلى تشكيل اثنيني للتردد الحامل المتخالف مع تخالف للتردد الحامل بقدر (MHz) m  1,023 ومعدل شفرة بقدر (Mchip/s) n  1,023 وكثافة طيفية مُقيَّسة للقدرة كالتالي:

حيث:

        f:      هو التردد (Hz)

        Tsw: دور/أدوار الموجات المربعة للتردد الحامل المتخالف؛ أي 1/(m  1,023) µs.

وتخلق تشكيلات بنديكس المُثلى التي يستعملها نظام GPS تحولات إضافية للطور داخل كل دور تمديد لنبضة شفرة الضوضاء شبه العشوائية. ويتوقف عدد التحولات الإضافية للطور على المعلمتين m وn، مثلما تم تحديدهما أعلاه، ويساوي (m/n) ضارب معدل نبضة الشفرة للضوضاء شبه العشوائية.

1.6   معلمات الإرسال للنطاق L1 في النظام العالمي لتحديد المواقع

تعمل عدة إشارات في نطاق خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) MHz 1 610-1 559. وتشمل هذه الإشارات إشارة شفرة الحيازة التقريبية L1 C/A والإشارة L1C وإشارة الشفرة الدقيقة L1 P(Y). وتتألف الإشارة L1C من مكونتين. ويتم تشكيل المكونة الأولى، L1CD، بواسطة رسالة معطيات أما المكونة الأخرى، L1CP، فهي خالية من المعطيات. ويُقدِّم الجدول 3 المعلمات الرئيسية لإرسالات النطاق L1 في نظام GPS.

وتستعمِل المكونة L1CD دالة التشكيل BOC(1,1)، وتستعمِل المكونة L1CP التشكيل المشار إليه بتشكيل MBOC، وهي مكونة متعددة الإرسال بتقسيم الزمن بين الدالتين BOC(1,1) وBOC(6,1). ولتشكيل MBOC كثافة طيفية مُقيَّسَة للقدرة تُعطيها المعادلة التالية:

ويُظهر الشكل 1 الكثافة الطيفية الكلية للقدرة لمكونات L1C وتُعطي المعادلة التالية هذه الكثافة:

الجـدول 3

إرسالات الإشارة L1 لنظام GPS في النطاق MHz 1 610-1 559

المعلمات (بالوحدات) قيمة المعلمات

مدى تردد الإشارة (MHz)  1 575,42 ± 12 (C/A, L1CD, L1CP & P(Y))

معدل نبضة الشفرة للضوضاء شبه العشوائية (Mchip/s)       1,023 (C/A, L1CD & L1CP)

10,23 (P(Y))

معدلات رموز/بتات المعطيات الملاحية (bit/s/Symbol/s)    50 bit/s/50 Symbol/s (C/A & P(Y))

50 bit/s/100 Symbol/s (L1CD)

طريقة تشكيل الإشارة        إبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة بنبضات مربعة BPSK-R(1) (C/A)|

إبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة بنبضات مربعة BPSK-R(10) (P(Y))

دالة تشكيلات بنديكس المُثلى BOC(1,1) (L1CD)

تشكيل (L1CP) MBOC

(انظر الملاحظة 3)

(انظر الملاحظة 1)

الاستقطاب    استقطاب دائري مُيَامِن (RHCP)

الإهليلجية (dB)      القيمة القصوى 1,8

أدنى سوية للقدرة المستقبَلَة عند خرج الهوائي المرجعي (dBW)  (C/A) 158,5−

(L1CD) 163,0−

(L1CP) 158,25−

(P(Y)) 161,5−

(انظر الملاحظة 2)

عرض النطاق dB 3 لمرشاح الإرسال للتردد الراديوي (MHz)  24

الملاحظة 1 - بالنسبة لمعلمات خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) في نظام GPS، تشير الدالة BPSK-R(n) إلى تشكيل الإبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة باستعمال نبضات مربعة بمعدل تنبيض يبلغ (Mchip/s) n  1,023. وتُشير الدالة BOC(m,n) إلى تشكيل اثنيني للتردد الحامل المتخالف بتخالف التردد الحامل (MHz) m  1,023 ومعدل تنبيض (Mchip/s) n  1,023.

الملاحظة 2 - تُقاس أدنى قدرة مستقبَلَة عند خرج هوائي استقبال مرجعي لمستعمِل بحُزْمة ليزر مستَقْطبَة خطياً dBi 3 (حيث يكون الهوائي مركَّباً قريباً من الأرض) عند أسوأ توجيه عادي وعندما يكون الساتل أعلى من زاوية ارتفاع °5 فوق مستوى أفق الأرض من منظور سطح الأرض.

الملاحظة 3 - انظر نص القسم الوارد قبل هذا الجدول من أجل المزيد من التفاصيل بشأن تشكيل MBOC.

2.6   معلمات الإرسال للإشارة L2 في النظام العالمي لتحديد المواقع

يُشغِّل نظام GPS عدة إشارات في نطاق خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) MHz 1 300-1 215. وتشمل الإشارات L2 C/A (نادراً)، وL2C، وL2 P(Y). وتتكون الإشارة المدنية L2C من مكونة تعدد الإرسال بتقسيم الزمن لقناة معطيات ملاحية (تُسمَّى ببساطة قناة المعطيات) وقناة خالية من المعطيات (تُسمَّى كذلك قناة دليلة). ويُقدِّم الجدول 4 المعلمات الرئيسية لإرسالات L2 في نظام GPS.

الجـدول 4

إرسالات الإشارة L2 لنظام GPS في النطاق MHz 1 300-1 215

المعلمات (بالوحدات) قيمة المعلمات

مدى تردد الإشارة (MHz)  1 227,6 ± 12 (C/A, L2C & P(Y))

معدل نبضة الشفرة للضوضاء شبه العشوائية (Mchip/s)       1,023 (C/A & L2C)

10,23 (P(Y))

معدلات رموز/بتات المعطيات الملاحية (bit/s/Symbol/s)    50 bit/s/50 Symbol/s (C/A & P(Y))

25 bit/s/50 Symbol/s (L2C)

طريقة تشكيل الإشارة        إبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة بنبضات مربعة BPSK-R(1) (C/A & L2C)

إبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة بنبضات مربعة BPSK-R(10) (P(Y))

(انظر الملاحظة 1)

الاستقطاب    استقطاب دائري مُيَامِن

الإهليلجية (dB)      القيمة القصوى 3,2

أدنى سوية للقدرة المستقبَلَة عند خرج الهوائي المرجعي (dBW)  (C/A & P(Y)) 164,5−

(L2C) 160,0−

(انظر الملاحظة 2)

عرض النطاق dB 3 لمرشاح الإرسال للتردد الراديوي (MHz)  24

الملاحظة 1 - بالنسبة لمعلمات خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) في نظام GPS، تشير الدالة BPSK-R(n) إلى تشكيل الإبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة باستعمال نبضات مربعة بمعدل تنبيض يبلغ (Mchip/s) n  1,023. وتُشير الدالة BOC(m,n) إلى تشكيل اثنيني للتردد الحامل المتخالف بتخالف التردد الحامل (MHz) m  1,023 ومعدل تنبيض (Mchip/s) n  1,023.

الملاحظة 2 - تُقاس أدنى قدرة مستقبَلَة عند خرج هوائي استقبال مرجعي لمستعمِل بحُزْمة ليزر مستَقْطبَة خطياً dBi 3 (حيث يكون الهوائي مركَّباً قريباً من الأرض) عند أسوأ توجيه عادي وعندما يكون الساتل أعلى من زاوية ارتفاع °5 فوق مستوى أفق الأرض من منظور سطح الأرض.

3.6   معلمات الإرسال للإشارة L5 في النظام العالمي لتحديد المواقع

يُشغِّل نظام GPS إشارتين ملاحيتين في النطاق MHz 1 215-1 164 لخدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS). أما المكونتان، L5I وL5Q، فتعملان بالتربيع وتُرسلان عند قدرة متساوية. وتُعَد المكونة L5Q خالية من المعطيات (وتُسمى أيضاً بقناة "دليلة"). وللمكونة L5I معطيات ملاحية تُقدِّم معلومات التوقيت والملاحة وتحديد المواقع. ويُقدِّم الجدول 5 المعلمات الرئيسية لإرسالات الإشارة L5 في نظام GPS.

 

الجـدول 5

إرسالات الإشارة L5 لنظام GPS في النطاق 1 215-1 164 MHz

المعلمات (بالوحدات) قيمة المعلمات

مدى تردد الإشارة (MHz)  1 176,45 ± 12

معدل نبضة الشفرة للضوضاء شبه العشوائية (Mchip/s)       10,23

معدلات رموز/بتات المعطيات الملاحية (bit/s/Symbol/s)    50 bit/s/100 Symbol/s (L5I)

طريقة تشكيل الإشارة        إبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة بنبضات مربعة BPSK-R(10)

(انظر الملاحظة 1)

الاستقطاب    استقطاب دائري مُيَامِن (RHCP)

الإهليلجية (dB)      القيمة القصوى 2,4

أدنى سوية للقدرة المستقبَلَة عند خرج الهوائي المرجعي (dBW)  (L5I) 157,9−

(L5Q) 157,9−

(انظر الملاحظة 2)

عرض النطاق dB 3 لمرشاح الإرسال للتردد الراديوي (MHz)  24

الملاحظة 1 - بالنسبة لمعلمات خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (RNSS) في نظام GPS، تشير الدالة BPSK-R(n) إلى تشكيل الإبراق بزحزحة الطور ثنائي الحالة باستعمال نبضات مربعة بمعدل تنبيض يبلغ (Mchip/s) n  1,023.

الملاحظة 2 - تُقَاس أدنى قدرة مستقبَلَة عند خرج هوائي استقبال مرجعي لمستعمِل بحُزْمة ليزر مستَقْطبَة خطياً dBi 3 (حيث يكون الهوائي مركَّباً قريباً من الأرض) عند أسوأ توجيه عادي وعندما يكون الساتل أعلى من زاوية ارتفاع °5 فوق مستوى أفق الأرض من منظور سطح الأرض. وتبلغ القدرة الكلية للمكونتين المجتمعتين L5I وL5Q للإشارة التربيعية 154,9− dBW.