ماهواره های GPS

مطالعه این نوشته در 21 دقیقه

برای آشنایی بهتر با سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS باید درباره GPS اطلاعاتی داشته باشیم. GPS به عنوان اولین سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای توسط ایالات متحده آمریکا در دهه 70 میلادی آغاز به کار کرد. در سال 1995 بود که به صورت علمی این سیستم در اختیار کاربران قرار گرفت و به عنوان اولین جزء از سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS شناخته شد. کتاب ها و نوشته های مختلفی درباره معرفی این سیستم عرضه شده اند. GPS که مخفف Global Positioning System می باشد، از سه قسمت فضایی، کنترل و قسمت گیرنده های زمینی تشکیل شده است. در این نوشته به معرفی قسمت فضایی این سیستم و آخرین تغییرات آن تا زمان نگارش پرداخته ام.

ماهواره های GPS

قسمت فضایی GPS

قسمت فضایی GPS به صورت اسمی از 24 ماهواره که در ارتفاع 26559 کیلومتری زمین قرار دارد، تشکیل شده است. این ماهواره ها در شش مدار که نسبت به صفحه استوایی 55 درجه اختلاف دارند، در حال گردش به دور زمین هستند. این 6 مدار عبارتند از A B C D E F. ماهواره های موجود در هر مدار توسط عددی به نام Slot مشخص می شوند. مثلا A1 بیانگر اولین ماهواره در مدار A می باشد.

ماهواره های GPS

ماهواره های GPS هر 11 ساعت و 58 دقیقه یکبار مسیر مدار خود را طی می کنند. در سال های اخیر پیکربندی ماهواره های GPS دچار تغییر شده و به 31 ماهواره افزایش پیدا کرده است. این افزایش ماهواره ها به این صورت بود که هر کدام از  ماهواره های B1, D2 و F4 به دو Slot تقسیم می شوند. اطلاعات این ماهواره های اضافی را در تصویر زیر مشاهده می کنید. به این ماهواره ها Expandable Slots می گویند. علاوه بر این سه ماهواره 4 ماهواره که به آن ها ماهواره های اضافی Surplus گفته می شود نیز در نزدیکی ماهواره هایی که قرار است از رده خارج شوند قرار دارند.

ماهواره های GPS

برای اینکه ماهواره های GPS در محل ظاهری خود به درستی قرار گیرند نیاز به انجام مانورهایی دارند. این مانورها هر 1 تا 2 سال یکبار انجام می شوند. وقتی ماهواره ای را بخواهند از مدار خارج کنند، پیغام ناوبری برای آن ارسال نمی شود و ارتفاع آن به 500 کیلومتر کاهش می بابد تا در مدار disposal قرار گیرد.

ماهواره های GPS

از سال 1978 تا زمان نگارش این نوشته، 67 ماهواره با موفقیت در مدار قرار گرفته اند و در حال حاضر 31 ماهواره در دسترس می باشند. ساعت اتمی مهمترین قسمت ماهواره های GPS می باشند که وظیفه همزمان کردن سیگنال تولید شده با سیستم زمانی را بر عهده دارند. در ادامه به صورت خلاصه، بلوک های مختلف ماهواره های GPS مورد ارزیابی قرار گرفته اند.

ماهواره های بلوک I

ماهواره های GPSکمپانی Rockwell International وظیفه ساخت اولین سری از ماهواره های GPS به منظور تست اولیه سیستم را بر عهده داشت. این سری شامل 11 عدد ماهواره با شماره های 1 تا 11 بودند که از پایگاه نیروی هوایی Vandenberg در نزدیکی شهر لس آنجلس و در طول سال های 1978 تا 1985 توسط موشک های بالستیک بین قاره ای Atlas-E/F به فضا پرتاب شدند. تمامی 11 ماهواره به جز SVN7 در مدار قرار گرفتند. تمامی این ماهواره ها دارای سه ساعت اتمی روبیدیم و هشت ماهواره آخر علاوه بر آن داری یک ساعت اتمی سزیم بودند. وزن این ماهواره ها در حدود 450 کیلوگرم و مساحت عرضی آن در حدود 5.3 متر مربع بود. این ماهواره ها انرژی خود را از دو پنل خورشیدی با قدرت 400 وات و نیز باتری های نیکل-کادمیوم تامین می کردند. طول عمر این ماهواره ها 5 سال بود ولی بعضی آن ها تا 10 سال نیز در مدار فعالیت می کردند. آخرین ماهواره این بلوک در سال 1995 از مدار خارج شد.

ماهواره های بلوک II/IIA

ماهواره های GPSدر سال 1983 کمپانی Rockwell International، قرارداد ساخت 9 ماهواره بلوک II را به امضا رسانید. در سال 1984 با اضافه شدن توانایی های جدید، 19 ماهواره در سری IIA نیز ساخته شد. از جمله این قابلیت ها میتوان به توانایی ادامه فعالیت ماهواره بدون برقراری ارتباط با ایستگاه های کنترل تا 180 روز اشاره نمود. فرآیند ساخت و پرتاب این ماهواره ها تا سال 1997 ادامه یافت. تمام این ماهواره ها دو ساعت اتمی روبیدیوم و یک ساعت اتمی سزیم حمل می کردند. عمر مفید این ماهواره ها 7.5 سال و وزن آنها 850 تا 990 کیلوگرم بود. توان پنل های خورشیدی این سری 700 وات بود که نسبت به بلوک I افزایش چشمگیری داشت. SVN35 و SVN36 توانایی فاصله یابی لیزری با استفاده از Retro-reflector را دارا بودند. در حال حاضر هیچ کدام از این ماهواره ها در مدار قرار ندارند. لازم به ذکر است که ماهواره های این بلوک و بلوک های بعدی از طریق پایگاه نیروی هوایی Cape Canaveral در فلوریدا پرتاب شده اند.

ماهواره های بلوک IIR و IIR-M

ماهواره های GPSاین بلوک که توسط Lockheed Martin ساخته شده است شامل 21 ماهواره می باشد. 8 ماهواره آخر این بلوک پیشرفته یا Modernized هستند و لذا به آن ها IIR-M می گویند. این ماهواره ها از سال 2004 تا 2009 پرتاب و در مدار قرار گرفتند. تمامی این ماهواره ها دارای سه ساعت اتمی روبیدیوم هستند. عمر مفید این ماهواره ها 7.5 سال و وزن آن ها 1080 کیلوگرم است. انرژی ذخیره شده توسط پنل های خورشیدی نیز به 1140 وات افزایش یافته است. باتری های ذخیره انرژی در این بلوک ها از نوع نیکل-هیدروژن می باشد. ماهواره های بلوک IIR-M یک سیگنال جدید عمومی L2C و یک سیگنال نظامی علاوه بر سیگنال های کلاسیک GPS (سیگنال های L1 و L2) ارسال می کنند. هفتمین ماهواره بلوک IIR-M یعنی SVN49 سیگنال سوم عمومی یعنی L5 را ارسال می کرد. ولی این ماهواره به دلایلی دچار مشکل شد و از مدار خارج گردید. در زمان نگارش این مطلب، تعداد 12 ماهواره بلوک IIR و 7 ماهواره بلوک IIR-M فعال هستند.

ماهواره های بلوک IIF

ماهواره های GPSکمپانی Rockwell International وظیفه ساخت این ماهواره ها را بر عهده داشت. تعداد اولیه ماهواره های این بلوک 33 بود ولی به 12 عدد کاهش پیدا کرد. توان تولیدی پنل های خورشیدی آن ها 2610 وات می باشد که در باتری های نیکل-هیدروژن ذخیره می شود. عمر مفید این ماهواره های 12 سال در نظر گرفته شده است. وزن آن های نیز در حدود 1630 کیلوگرم می باشد. این ماهواره ها علاوه بر تمامی سیگنال های ارسالی توسط بلوک IIR-M، سیگنالی با فرکانس 1176.45 مگاهرتز نیز ارسال می کند. اولین ماهواره این بلوک در سال 2010 پرتاب شد و در حال حاضر تمامی 12 ماهواره این بلوک در حال فعالیت در مدار می باشند.

ماهواره های GPS III

ماهواره های GPSدر سال 2008 بود که کمپانی Lockheed Martin شروع به ساخت نسل سوم ماهواره های GPS کرد. این شرکت باید دو ماهواره از این نسل را تولید کند و در صورت نیاز تعداد ماهواره های تولیدی به 10 عدد نیز می رسد. در ابتدا نام آن ها بلوک III بود ولی در حال حاضر به آن ها GPS III گفته می شود. پرتاب این ماهواره ها در حال حاضر در دست اقدام می باشد و هنوز در مدار قرار نگرفته اند. هر کدام از ماهواره های GPS III، سه ساعت اتمی روبیدیوم را حمل می کنند. این ماهواره ها سیگنال چهارم برای استفاده عموم یعنی سیگنال L1C را علاوه بر سیگنال های قبلی ارسال خواهند کرد. در نوشته های آینده به معرفی انواع این سیگنال ها خواهم پرداخت. وزن این ماهواره ها 2200 کیلوگرم می باشد. میزان انرژی تولیدی توسط پنل های خورشیدی که از جنس گالیوم-آرسنیک می باشند در حدود 4480 وات می باشد. عمر مفید این ماهواره ها در مدار 15 سال در نظر گرفته شده است. این ماهواره ها قابلیت فاصله یابی لیزری از طریق رفلکتورهای موجود بر روی بدنه آن ها را دارا می باشند. این ماهواره های در پروژه عظیم سیستم Cospas–Sarsat نیز شرکت خواهند داشت. درباره این پروژه در آینده خواهم نوشت.

پرتاب ماهواره های GPS

همان طور که در بالا اشاره کردم، ماهواره های بلوک I توسط موشک های بالستیک بین قاره ای Atlas-E/F به فضا پرتاب شدند. ماهواره های بلوک های II/IIA، IIR و IIR-M توسط Delta II پرتاب شده اند. این ماهواره بر ها قدرت کافی برای در مدار قرار دادن ماهواره ها با دقت بالا را نداشتند. در واقع این ماهواره بر ها ابتدا ماهواره ها را به ارتفاع 20000 کیلومتری می رساندند که نزدیک به مکان صحیح مدار ماهواره بود. سپس موتورهای Apogee Kick که در نوک این ماهواره بر ها قرار داشتند وظیفه انتقال دقیق ماهواره ها را برعهده داشتند. ماهواره های بلوک IIF توسط Delta IV و Atlas V پرتاب شده اند. این ماهواره بر ها قدرت کافی برای قرار دادن ماهواره در مکان صحیح خود در مدار را دارا بودند و دیگر نیازی به موتورهای کمکی نبود. هر چند با توجه به حجم بالای این ماهواره بر ها نیاز به بازوهای کمکی برای قرار دادن ماهواره در مدار صحیح خود وجود دارد. در تصویر زیر این ماهواره بر ها را مشاهده می کنید.

ماهواره های GPS
a) Atlas–F , b) Delta II , c) Atlas V , d) Delta IV

برای پرتاب ماهواره های GPS ابتدا ماهواره در پیکربندی مشخص قرار می گیرد. مثلا پنل های خورشیدی در کنار ماهواره جمع می شوند. محل قرار گیری ماهواره در بالاترین نقطه ماهواره بر می باشد. این محل در برابر فشار ناشی از پرتاب و گذر از لایه اتمسفر زمین محافظت شده است. همان طور که در شکل بالا مشاهده می کنید، شکل ماهواره بر ها با هم متفاوت می باشند. مثلا تعداد پایه های نگه دارنده با هم فرق می کند. سوخت مورد نیاز برای پرتاب نیز متفاوت است. معمولا از ترکیب سوخت موشک و هیدروژن مایع استفاده می شود. در لحظه پرتاب، پایه های نگه دارنده، ماهواره بر را رها کرده و سوخت اشاره شده، انرژی لازم برای پرتاب را فراهم می کند. هر ماهواره بر از تعدادی موتور تشکیل شده است. هر موتور پس از سوختن به مدت مشخصی رها می شود. مثلا پس از 128 ثانیه یکی از موتورها رها می شوند. موتور بعدی در ثانیه 263 جدا می شود و الی آخر. در مرحله آخر در زمان 1 ساعت و 8 دقیقه (نسبت به لحظه پرتاب)، ماهواره از ماهواره بر به طور کامل جدا می شود. موتورهای کمکی در زمان 4 ساعت و 3 دقیقه از زمان پرتاب ماهواره را در مدار اصلی خود قرار می دهد.

کنترل توجیه ماهواره های GPS

ماهواره ‏های GPS دارای یک سیستم مختصات بسته به ماهواره می‏ باشند که توجیه‏شان باتوجه به این سیستم مختصات تعریف می‏شود. محور Z این سیستم مختصات به سمت مرکززمین و محور Y این سیستم درطول پنل های خورشیدی ماهواره و عمود بر جهتی است که خورشید در آن‏جا قرار دارد. جهت مثبت محور X این سیستم مختصات باتوجه به این‏که ماهواره ازچه بلوکی باشد، به سمت نیمکره ‏ی شامل خورشید (بلوک II/IIA) و یا درخلاف جهت آن (بلوک IIR و IIF) می‏ باشد. به این تعریف در اصطلاح، توجیه ظاهری (اسمی) ماهواره می‏ گویند.

ماهواره های GPS

کنترل توجیه ماهواره‏ های GPS درصورت برقراری دو شرط زیر امکان‏پذیر می‏ باشد . شرط اول این‏که آنتن ارسال امواج ماهواره همواره باید به سمت مرکز زمین بوده و شرط دوم اینکه پنل‏ های خورشیدی همواره به سمت مسیرتابش نورخورشید و عمود بر آن باشند. برای برقراری این دو شرط، ماهواره‏ های GPS باید حول محوری که از آنتن ماهواره می‏گذرد (محورZ ) بصورت ثابت انحراف پیدا کند. به این عمل، YAW می‏گویند. YAW درلغت به معنای انحراف یافتن از مسیر اصلی می‏ باشد. درواقع سیستم های ماهواره در این قسمت به گونه ‏ای تعبیه شده اند که با اعمال انحراف معین YAW، شروط اصلی ذکر شده همواره رعایت شود و توجیه ماهواره‏ های GPS برهم نخورد. وظیفه‏ ی اعمال این انحراف برعهده‏ ی قسمت کنترل توجیه ماهواره‏ می‏ باشد. این قسمت با توجه به جهت دریافت اشعه ‏ی خورشید ، صفحات خورشیدی مستقر در روی بدنه‏ ی ماهواره را به سمت خورشید چرخانده وتوجیه ظاهری ماهواره را حفظ می‏ کند.

نکته‏ ی مهمی که در این‏جا مطرح می‏ شود اینست که قسمت کنترل توجیه ماهواره فقط در صورت دریافت نور خورشید می‏ تواند توجیه ماهواره ها را حفظ کند و در صورتی که ماهواره در سایه ‏ی زمین قرار گیرد و توانایی دریافت نور خورشید را نداشته باشد ، شروع به انحراف و چرخش در جهتی غیر قابل پیش‏بینی می‏ کند و لذا توجیه ماهواره از دست می‏ رود. برای حل این مشکل از مدل های توجیه استفاده می کنند. در بعضی از پروژه ها نیز اقدام به حذف مشاهدات ماهواره هایی که در سایه زمین قرار دارند می کنند. تز دوره ارشد من نیز به این امر اختصاص داشت. برای دسترسی به فایل تز ارشد و اطلاعات این پروژه به صفحه Researchgate من مراجعه نمایید.

برای دسترسی به آخرین وضعیت ماهواره های GPS اینجا را کلیک کنید.

برای دیدن وضعیت انلاین ماهواره های GPS و دیگر سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای اینجا را کلیک کنید.


منبع

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

4 دیدگاه در “ماهواره های GPS”

دیدگاهتان را بنویسید

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