سیگنال های GPS

مطالعه این نوشته در 12 دقیقه

سیگنال های GPS یکی از اجزای اصلی این سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای می باشد. این سیگنال ها توسط ساعت های اتمی موجود در ماهواره های GPS با فرکانس پایه 10.23MHz تولید می شود. این فرکانس پایه به دلیل خطای نسبیت (Relativity) اندکی متفاوت خواهد بود. در واقع مقدار واقعی آن 10.229999995453MHz می باشد.

سیگنال های اولیه GPS

قدیمی ترین ماهواره های پرتاب شده که در حال حاضر در حال کار کردن می باشند مربوط به بلوک IIA با یک ماهواره فعال و بلوک IIR با 11 ماهواره فعال می باشند. این ماهواره ها که تا سال 2004 به فضا پرتاب شده اند، فقط توانایی ارسال سیگنال های اولیه GPS را دارا بودند. این سیگنال های اولیه شامل کد C/A در موج Link 1 یا L1، با فرکانس 1575.42 مگاهرتز، و کد دقیق P در موج های L1 و L2، با فرکانس 1227.6 مگاهرتز، می باشند.

کد C/A کدی آزاد بوده که در اختیار عموم قرار دارد ولی کد P کدی دقیق و مخصوص کاربران نظامی مجاز می باشد. کد P کدی رمز گذاری شده است که در اختیار همه کاربران GPS قرار ندارد. به این کد P(Y)-code نیز گفته می شود.

هر دو سیگنال اولیه بر روی امواج L1 و L2 توسط مدولاسیون DSSS که مخفف Direct Sequence Spread Spectrum است، تولید می شوند. در این روش مدولاسیون، سیگنال ها با استفاده از سه پارامتر زیر تولید می شوند:

  1. موج حامل رادیویی: برای کدهای C/A و P، موج حامل رادیویی، یک موج سینوسی می باشد.
  2. شکل موج حاوی داده: پالس های مستطیل شکل با مدت زمان 20 میلی ثانیه که در فرکانس 50 هرتز تولید می شوند.
  3. شکل موج برای انتشار: شامل یک سری پالس مستطیل شکل که توسط یک رشته کد PRN تولید می شوند. PRN ها کدهایی شبیه به نویز هستند که خاصیت تصادفی بودن را تضمین می کنند.

ترکیب پارامترهای بالا و تولید نهایی سیگنال های GPS را در شکل زیر مشاهده می کنید:

سیگنال های GPS
مدولاسیون سیگنال های GPS

سیگنال های مدرن GPS

L2C

ماهواره های بلوک IIR-M که بین سال های 2005 تا 2009 به فضا پرتاب شدند، دو سیگنال جدید را در اختیار کاربران قرار می دهند. سیگنال اول که بر روی موج های حامل L1 و L2 مدوله و ارسال می شود، کد M می باشد. این کد یک کد نظامی است. سیگنال دوم که فقط بر روی موج L2 مدوله و ارسال می شود، با نام L2C شناخته شده و مخصوص همه کاربران GPS می باشد.

با استفاده از این سیگنال میتوان با ترکیب مشاهدات و ساخت ترکیب عاری از یونسفر، خطای یونسفر را حذف نمود و دقت بالاتری در تعیین موقعیت به دست آورد. علاوه بر آن، این سیگنال با قدرت بالاتری نسبت به سیگنال C/A ارسال می شود که موجب دریافت بهتر آن در مناطق شهری و همچنین در داخل فضای بسته نیز می شود.

از نظر اقتصادی نیز پیش بینی می شود که این سیگنال موجب افزایش سود اقتصادی تا بیش از 5.8 میلیارد دلار تا سال 2030 شود.

این سیگنال در زمان نگارش این مطلب، توسط 19 ماهواره GPS انتشار می یابد. پیش بینی می شود در سال 2021 توسط 24 ماهواره منتشر شده و به صورت رسمی امکان استفاده از آن اعلام شود. در سال 2014، سیستم GPS شروع به ارسال پیغام ناوبری C-NAV با استفاده از این سیگنال نمود که در نوشته مربوط به پیغام ناوبری در مورد آن توضیح خواهم داد.

L5

ماهواره های بلوک IIF که از سال 2010 به بعد پرتاب شدند، سیگنال جدیدی بر روی موج حامل جدید L5 در اختیار همه کاربران GPS قرار می دهند. فرکانس موج حامل این سیگنال برابر با 1176 مگاهرتز می باشد.

این سیگنال برای رفع نیاز در پروژه هایی که تحت عنوان Safety-Of-Life مطرح می شوند، طراحی شده است. از جمله این کاربردها می توان به استفاده در حمل و نقل هوایی اشاره نمود. هواپیماهای مدرن از این سیگنال برای تصحیح خطای یونسفر و بهبود وضعیت تعیین موقعیت استفاده خواهند کرد. همچنین برای مدیریت بهینه سیستم های حمل و نقل هوایی، ریلی، آبی و زمینی در آمریکا مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

کاربران عادی با استفاده از این سیگنال و ترکیب آن با سیگنال های C/A و L2C می توانند وضعیت تعیین موقعیت پایدارتری داشته باشند. حتی با استفاده از تکنیک trilaning (استفاده از 3 فرکانس GPS) میتوانند بدون دریافت تصحیحات به دقت سانتی متری به صورت آنی برسند.

از دیگر خصوصیات این سیگنال بیشتر بودن پهنای باند آن نسبت به سایر سیگنال های GPS می باشد. در نتیجه این سیگنال پایداری بیشتری در برابر اختلال ها و پارامترهای مزاحم از خود نشان می دهد.

L1C

ماهواره های GPS III که در حال آماده سازی برای پرتاب هستند، چهارمین سیگنال قابل استفاده برای عموم با نام L1C را بر روی موج L1 مدوله و ارسال خواهند کرد. این سیگنال برای امکان برقراری ارتباط بین GPS و سایر سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS، طراحی شده است.

این سیگنال به عنوان سیگنال مشترک با سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای Galileo، QZSS، BeiDou معرفی شده است. از خاصیت های این سیگنال می توان به بهبود شرایط دریافت سیگنال توسط گوشی های هوشمند در محیط های شهری و بهبود شرایط تعیین موقعیت اشاره نمود.

سیگنال های GPS
سیگنال های GPS در ماهواره های بلوک های مختلف

مزایای سیگنال های مدرن در مقایسه با سیگنال های پایه GPS

سیگنال های مدرن GPS در مقایسه با سیگنال های پایه، پایدارتر می باشند. پایداری این سیگنال های مدرن به گونه ایست که اگر گیرنده در شرایطی باشد که نسبت سیگنال به نویز مناسب نباشد، توانایی دریافت و دنبال کردن این سیگنال ها را دارا می باشد. به این خاصیت در اصطلاح Dataless Component می گویند.

همچنین، PRN های مورد استفاده در این سیگنال ها 10 برابر طولانی تر از PRN مورد استفاده در سیگنال های پایه می باشند. این طولانی تر بودن، موجب کاهش خطای interference در گیرنده ها در مرحله پردازش سیگنال های GPS می شود. طول PRN مربوط به سیگنال C/A برابر با 1023 می باشد در حالی که سیگنال های مدرن از PRN با طول 10230 استفاده می کنند.

توانایی یک گیرنده برای تخمین زمان دریافت یک سیگنال در حضور نویز های مختلف، با استفاده از پارامتر RMS مربوط به پهنای باند سیگنال مشخص می شود. در واقع هر چقدر این RMS بیشتر باشد، گیرنده دقیق تر می تواند زمان دریافت سیگنال های GPS را محاسبه کند. RMS مربوط به سیگنال های مدرن GPS به مراتب بزرگتر از سیگنال های پایه می باشند و در نتیجه دقت گیرنده ها در استفاده از این سیگنال ها بیشتر است.

در تصویر زیر مقایسه کلی از سیگنال های GPS را مشاهده می کنید. بدون شک بحث سیگنال یک بحث تخصصی بوده و برای فهم بهتر آن باید به منابع مرجع مرتبط با سیگنال مراجعه نمود. هدف من از نوشتن این مطلب، معرفی آخرین وضعیت سیگنال های GPS و مقایسه ای کلی بین سیگنال های پایه و مدرن GPS می باشد.

سیگنال های GPS
مقایسه سیگنال های GPS

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 *