تاریخچه گیرنده های GNSS

مطالعه این نوشته در 14 دقیقه

در حال حاضر بیش از 1 میلیارد دستگاه GNSS در دنیا وجود دارد. از بین این تعداد دستگاه بیشترین تعداد را تلفن های هوشمند دارای سنسور تعیین موقعیت شامل می شوند (بیش از 600 میلیون دستگاه). و تعداد گیرنده های نظامی کمی بیش از 300 هزار دستگاه می باشد. قبل از بررسی ساختار گیرنده های GNSS و نحوه عملکرد آن ها، ابتدا بهتر است مقداری درباره تاریخچه این دستگاه ها توضیح دهم.

گیرنده های GNSS

اولین گیرنده های GPS

معمولا پیشرفت در ساخت گیرنده های GNSS به شرایط سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای و نیز پیشرفت تکنولوژی وابسته بود. تاریخچه ساخت دستگاه های GPS به سال 1975 برمی گردد. دستگاه های اولیه همگی آنالوگ و شبیه به جعبه بودند. همزمان با اجرایی شدن فاز اول GPS ،که با عنوان Phase I شناخته می شود، قراردادهایی با شرکت های Magnavox،Texas و Rockwell برای ساخت گیرنده هایی مخصوص قسمت کنترل GPS، گیرنده های نظامی و یک ست دستگاه مهندسی بسته شد. هدف اولیه این قراردادها ساختن گیرنده ای ارزان برای ناوبری با قیمت کمتر از 10 هزار دلار بود. ساخت دستگاه های GPS را میتوانیم به دو دوره مختلف طبقه بندی کنیم: دوره اول که شامل ساخت دستگاه های نظامی بود. دوره دوم که منجر به طراحی وساخت دستگاه های مهندسی شد.

گیرنده های آنالوگ و دیجیتال

گیرنده های فاز اول همگی آنالوگ بودند و از یک سخت افزار تک کاناله تشکیل می شدند. بعد از مدتی به این دستگاه ها کانال دوم نیز اضافه شد. این دستگاه ها، همانند گیرنده های امروزی، مجهز به آنتن باند L،یک تقویت کننده با نویز پایین و یک تبدیل کننده بودند تا سیگنال دریافتی را به کمک قسمت پردازنده به مشاهدات شبه فاصله، فاز موج حامل و داپلر تبدیل کنند. نکته منفی این گیرنده ها عدم توانایی در دنبال کردن تمام ماهواره های قابل استفاده به صورت همزمان بود. در واقع کانال های گیرنده های اولیه فقط یک ماهواره را در مدت زمان خاصی دنبال کرده و پس از مدت زمان مشخصی به سراغ ماهواره بعدی می رفتند. برای تضمین حل مساله تعیین موقعیت از یک قسمت کمکی استفاده می شد. در شکل زیر ساختار این گیرنده ها را مشاهده می کنید.

ساختار گیرنده های آنالوگ GPS-گیرنده های GNSS
ساختار گیرنده های آنالوگ GPS

در سال 1980 با پیشرفت تکنولوژی و افزایش تعداد کانال های گیرنده های GPS، دنبال کردن ماهواره ها به صورت همزمان -که موجب افزایش دقت تعیین موقعیت می شد- امکان پذیر شد. این کار توسط 5 کانال و به دو حالت زیر انجام می شد:

  •  5 ماهواره به صورت همزمان ردیابی می شد.
  • 4 ماهواره به صورت همزمان ردیابی شده و از کانال پنجم برا جایگزینی ماهواره جدید که در دید گیرنده قرار می گرفت، استفاده می شد.

گیرنده های دیجیتال در دهه 90 میلادی روانه بازار شدند. در این گیرنده ها که دارای 6 کانال مجزا بودند، فرآیند Correlation توسط مدار یکپارچه دیجیتالی انجام می شد. از انواع این گیرنده های میتوان به Magnavox MX 4200 و Novatel GPS cards اشاره نمود.
در شکل زیر ساختار این گیرنده ها را مشاهده می کنید. به تفاوت آن با شکل قبلی که گیرنده های آنالوگ را نشان میداد، دقت کنید.

ساختار گیرنده های دیجیتال GPS-گیرنده های GNSS
ساختار گیرنده های دیجیتال GPS

اولین گیرنده های نظامی GPS

گیرنده های نظامی به دو نوع تقسیم می شوند. نوع اول گیرنده هایی هستند که توسط نیروهای نظامی حمل می شوند. از جمله اولین مدل این نوع گیرنده ها میتوان به Rockwell Collins مدل AN/PSN-8 اشاره نمود. این مدل گیرنده ای تک کاناله و دو فرکانسه بود که هر دو نوع کد C/A و کد P را دریافت می کرد و با وزنی در حدود 7.8 کیلوگرم در داخل یک کوله مخصوص توسط نیروهای نظامی جا به جا می شد. پس از حدود 10 سال و با پیشرفت تکنولوژی، گیرنده هایی با وزن 1.2 کیلوگرم ساخته شد که تک فرکانسه و مجهز به 6 کانال بود و توانایی ضد مسدود کردن سیگنال (Anti Jamming) تا 24 دسی بل داشت. از جمله این مدل ها می توان به PLGR+96 اشاره نمود.

گیرنده نظامی GPS-گیرنده های GNSS
گیرنده نظامی GPS

نوع دوم گیرنده های نظامی، گیرنده های 5 کاناله مخصوص نیروی هوایی بود. این گیرنده های وزنی در حدود 125 کیلوگرم داشتند و در هواپیما در یک اتاقک مخصصوص – که امکان تنظیم دستگاه توسط اپراتور را دارا بود – قرار داده می شد. از جمله این دستگاه ها می توان به Rockwell Collins 3A اشاره کرد که گیرنده ای پنج کاناله ، دو فرکانسه با توانایی مشاهده شبه فاصله با استفاده از کد P بود.

اولین گیرنده تجاری GPS

اولین گیرنده تجاری در سال 1981 توسط کمپانی Texas و با نام TI-4100ساخته شد. همان طور که در شکل زیر آن را مشاهده می کنید، این گیرنده با وزن حدود 24 کیلوگرم قابل حمل در محیط پروژه بود. همچنین می توانست به طور همزمان 4 ماهواره را دنبال کند.

اولین گیرنده تجاری GPS-گیرنده های GNSS
اولین گیرنده تجاری GPS

با راه اندازی فازهای بعدی GPS، گیرنده ها نیز تغییراتی داشتند و مدل های جدیدتری روانه بازار شدند. یکی از این تغییرات ساخت گیرنده هایی بود که فقط کد C/A را دریافت می کردند. این گیرنده ها از تکنیک narrow-correlator در پردازش سیگنال استفاده می کردند. مزیت استفاده از این تکنیک امکان بهبود خطای چندمسیری یاMultipath بود. در سایر گیرنده های ارائه شده در این برهه زمانی، از 12 کانال برای ردیابی ماهواره ها نیز استفاده می شد.

پیشرفت بعدی در ساخت گیرنده ها، کوچک تر شدن آن ها به واسطه پیشرفت تکنولوژی در ساخت تراشه ها و مدارهای الکترونیکی بود. بدین ترتیب امکان استفاده از این گیرنده ها در سیستم های ناوبری اتومبیل ها نیز فراهم شد.

به طور کلی در دهه 90 بیشترین تمرکز بر ساخت گیرنده های تک فرکانسه (گیرنده های دستی)- که فقط کد C/A را دریافت می کردند- بود. اما همان طور که می دانید این گیرنده ها برای کارهای دقیق مناسب نبودند. در واقع برای تعیین موقعیت با دقت بالا نیاز به گیرنده های دو فرکانسه بود تا خطای یونسفر را با استفاده از مشاهدات تفاضلی حذف کنند.

اولین گیرنده GLONASS

از گیرنده های اولیه این سیستم ناوبری اطلاعات دقیق در دسترس نیست. اولین گیرنده این سیستم که در سال 1990 در اختیار اروپا قرار گرفت گیرنده مخصوص هواپیما با نام ASN-16 و گیرنده مخصوص کشتی با نام Skipper بود. این امر پس از تلاش کمپانی های آلمانی برای متقاعد کردن همکاران روس برای در اختیار قراردادن این گیرنده ها محقق شد.

اولین گیرنده GLONASS-گیرنده های GNSS
اولین گیرنده GLONASS

اولین گیرنده Galileo

شرکت های مختلفی برای ساخت گیرنده های این سیستم ناوبری قرارداد امضا کرده اند. به عنوان نمونه میتوان به شرکت ایتالیایی Thales و یا NovAtel اشاره نمود که وظیفه ساختن گیرنده های ایستگاه های مرجع زمینی این سیستم را بر عهده دارند. همینطور شرکت آلمانی IfEN برای ساخت یک دستگاه قابل حمل این سیستم در نظر گرفته شده است. آخرین نمونه ساخته شده توسط این شرکت NavX-NTR نام دارد که در شکل زیر آن را مشاهده می کنید.

گیرنده Galileo-گیرنده های GNSS
گیرنده Galileo

در کنار شرکت هایی که در بالا معرفی کردم، کمپانی های معروف ساخت گیرنده های GNSS نیز دستگاه های خود را مجهز به توانایی دریافت سیگنال این سیستم کرده اند.

اولین گیرنده Beidou

اولین گیرنده های این سیستم ناوبری چینی، توسط دانشگاه تکنولوژی دفاعی چین در سال 2001 ساخته شد. ساخت این گیرنده در حدود 3 سال طول کشید. مشکل اصلی این گیرنده ابعاد بزرگ آن بود. در سال 2004 ساخت این گیرنده بهبود پیدا کرد و ابعاد آن کاهش یافت. یکی از خصوصیات منحصر به فرد این گیرنده، امکان برقراری ارتباط با دیگر گیرنده ها برای دریافت موقعیت آن ها بود. از معروف ترین کمپانی های ساخت گیرنده های مخصوص Beidou می توان به OLinkStar و HuaXun اشاره نمود . هرچند که محصولات این کمپانی ها با کمپانی های غول سازنده گیرنده های GNSS برابری نمی کند و در سطح پایین تری قرار دارند ولی شرکت های دیگری نظیر Hi-Target، ComNav، South و CHC قدم های مثبتی در ساخت دستگاه های دقیق برداشته اند.

گیرنده Beidou-گیرنده های GNSS
گیرنده Beidou

در مطالب آینده به معرفی ساختار دستگاه ها و نحوه عملکرد آن ها خواهم پرداخت. همچنین قصد دارم گیرنده های GNSS گوناگون را مورد تست های مختلف قرارداده و نتایج آن را منتشر کنم.


امیر اللهویردی زاده
دانشجوی دکترای GNSS دانشگاه Curtin، کارشناس ارشد ژئودزی از دانشگاه اصفهان، مدرس دانشگاه، علاقه مند به سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای، مدیریت پروژه، برنامه نویسی
LinkedinTelegram

متوسط امتیاز / 5. تعداد رای

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *