ناقل ها Carriers
ماهواره هاي? GPS دو نوع فركانس ناقل توليد مينمايند. ناقل نوع L1 كه داراي تناوب 1575.42 مگا هرتز(MHz) بوده كه هم كدهاي مجازي تصادفي وهم اطلاعات مربوط به وضعيت ماهواره را حمل مينمايد. ناقل نوع L2 كه داراي تناوب 1227.60 مگا هرتز(MHz) بوده كه براي ارسال كدهاي مجازي تصادفي بسيار دقيق براي كاربرد نظامي استفاده? مي شود.
?
كدهاي مجازي تصادفي Pseudo-Random Codes
دو نوع كد مجازي تصادفي وجود دارد. اولين نوع كد نادقيق يا C/A (Coarse Acquisition code) است كه توسط ناقل L1 ارسال ميشود. اين كد هر 1023 بيت تكرار شده و با نرخ 1 مگا هرتز(MHz) مدوله ميشود. هر ماهواره داراي C/A منحصر بفرد خود است. كد C/A مبناي كاربرد غير نظامي GPS است.
دومين نوع كد به كد دقيق يا P (Precise code) مشهور است. اين كد براي مقاصد نظامي ارسال شده و قابل خواندن توسط GPS هاي معمولي نيست. از اين رو گيرنده هاي نظامي ابتدا در مد C/A كار نموده و سپس به مد P تغيير حالت ميدهند.....
پيغامهاي ناوبري? Navigation Message
?
همچنين سيگنالهاي با فركانس پايين نيز به كد هاي L1 اضافه مي شود كه اطلاعاتي در مورد مدار ماهواره، تصحيحات ساعت و وضعيت سيستم ماهواره را حمل مينمايد
?
GPS هاي رمز گذاري شده Encrypted GPS
?
توسعه GPS مقدمتا براي مقاصد نظامي انجام گرديد. اگر چه هم اكنون ميزان استفاده غير نظامي آن 10 برابر كاربرد نظامي آن است، اهميت نظامي آن همچنان محفوظ مانده است. از اين رو انحصار نظامي آن بر كد هاي P-code همچنان باقي است. دقت كد هاي P-code 10 برابر كد C/A code است. براي همين منظور اين كد معمولا رمز گذاري شده كه به آن كد Y-code گويند كه تنها توسط گيرند هاي نظامي قابل رمز گشايي است. و چون اين كدها در دو ناقل مدو له ميشوند، امکان انجام ترفندهاي مختلف بمنظور حذف خطاهاي موجود که در اثر عبور از جو بر روي اين امواج ایجاد میگردد قابل انجام است.
?
كدهاي مجازي تصادفي به عنوان تقویت کننده
?
استفاده از كدهاي مجازي تصادفي در GPS یکی از هوشمندانه ترین ایده هاست. این كدها علاوه برایجاد امکان محاسبه زمان، ما را قادر می سازد تا امواج بسیار ضعیف ارسالی از ماهواره را نیز تقویت نماییم.
در زیر نحوه تقویت امواج ارسالی از ماهواره تشریح می گردد.
?
جهان پیرامون ما مملو از امواج مزاحم تصادفی است. اگر گیرنده خود را با فرکانس GPS تنظیم نماییم و نمودار امواجی را که دریافت میشود ترسیم کنیم، مجموعه ای از خطوط راندم را مشاهده خواهیم کرد که شامل امواج ناخواسته پس زمینه که از پدیده های اطراف ارسال میشود را نیز در بر دارد که سیگنالهای ارسالی? GPS درون آن مدفون شده است.
?
كدهاي مجازي تصادفي در GPS بسیار شبیه امواج ناخواسته پس زمینه که از پدیده های اطراف ارسال میشوند هستند اما با یک تفاوت عمده که ما الگوی تناوب آن را میدانیم.
اگر بخشی از PRC حاصل ازگیرنده خود را با امواج در یافتی مقایسه نماییم در خواهیم یافت که قسمتهائی از این دو موج رفتار مشابه دارند. حال می توان سیگنالها را به دورهای زمانی مشخصی تقسیم نمود که به این عمل بطور تحت الفظی خلال? کردن سیگنال chipping the signal گویند. حال میتوان کلیه دورهای زمانی را که با یکدیگر مطابقت دارند را علامت گذاری کرد(هر جا که هم سیگنال زمینه و هم سیگنال PRC بالا است).
از آنجائیکه هر دو سیگنال دارای الگوی تصادفی هستند، قانون احتمالات میگوید که شانس اینکه الگوی رفتاری? این دو سیگنال با یکدیگر مطابقت داشته باشد نصف شانسی است که الگوی رفتاری? این دو سیگنال با یکدیگر مطابقت نداشته باشد.
اگر یک سیستم نمره دهی برقرار نماییم که هرجا الگوی رفتاری? این دو سیگنال با یکدیگر مطابقت داشته باشد به آن نمره 1 داده و هر جا که این الگوی رفتاری? با یکدیگر مطابقت نداشته باشد 1- دهیم در یک بازه (دوره) زمانی طولانی جمع این اعداد، طبق آنچه در باره قانون احتمالات ذکر شد، برابر صفر خواهد شد.
حال اگر یک ماهواره GPS اقدام به ارسال سیگنالهائی? با الگوئی مطابق کدهای PRC دستگاه گیرنده ما نماید، این سیگنالها، علارغم ضعیف بودن سیگنالهای دریافتی از ماهواره، منجر به تقویت سیگنالهای امواج ناخواسته پس زمینه با همان الگوئی خواهد شد که ما برای مقایسه خود استفاده کردیم.
سیگنالهای تصادفی زمینه که در حاشیه با PRC دستگاه گیرنده مطابقت داشته باشند نمره 1 گرفته از این محل به بعد شاهد مطابقت بیشتر دو سیگنال خواهیم بود و نمره دهی ما با هر مطابقت یک نمره افزایش می یابد
?
?حتی اگر بازای هر 100 پالس زمینه در طول این خط 1مطابقت مشاهده شود، با ادامه مقایسه در طول زمان میتوانیم این نمره (Score ) راتا هر مقدار که لازم باشد افزایش دهیم. مثلا میتوان در طول 10000 دوره زمانی این عدد را از 1 به 100 افزایش داد.
اگر کدهای PRC را با سیگنالهای کاملا تصادفی ?در طول هزار دوره زمانی مقایسه نماییم نمره ما هنوز برابر صفر خواهد. بنابر این همانطور که مشاهده شد در صورت وجود سیگنالهای با الگوی مشخص ارسالی از ماهواره در بین سیگنالهای کاملا تصادفی ?زمینه، نمره مذکور برابر 10 خواهد بود و این به معنای تقویت سیگنال ماهواره بدون داشتن سیگنال قوی و یا بدون داشتن آنتن بزرگ خواهد بود.
لازم به ذکر است که در اینجا توضیح حاضر تاحد ممکن ساده بیان گردید. اما مفهوم اساسی ایده فوق بسیار مهم و پیچیده است. شاید این ایده به ذهن شما متبادر شود که چرا تلویزیونهای ماهواره ای از این مفهوم برای به حداقل رساندن بزرگی آنتن استفاده نمی نمایند. جواب آن در تفاوت سرعت قرائت مورد نیاز این دو سیستم است.
سیگنالهای GPS حامل اطلاعات بسیار جزئی هستند که این اطلاعات اساسا چیزی جز پالسهای زمانی تکرار شونده نیستند.
از این رو میتوان این سیگنالها را در طول بازه های(Period) زمانی زیادی مقایسه نمود. در حالیکه سیگنالهای تلویزیونی، حاوی اطلاعات بیشماری بوده و بسرعت تغییر مینمایند. لذا سیستم مقایسه کننده برای کشف و جدا سازی سیگنالهای اطلاعات از نویز بسیار کند عمل خواهد نمود. در حالیکه تصاویر تلویزیونی باید بسرعت جایگزین شوند تا تصویری واضح ایجاد نمایند.
?
مروری بر آنچه در باره اندازه گیری مسافت بیان شد:
1-????? تعیین فاصله تا ماهواره از طریق اندازه گیری زمانی که طول می کشد تا یک سیگنال رادیوئی به گیرنده برسد انجام می پذیرد.
2-????? برای اندازه گیری زمان فرض مینماییم که ماهواره و گیرنده هردو کدهای مجازی تصادفی PRC مشابهی ?را در زمان یکسان ایجاد می نمایند.
3-????? ?با مقایسه زمان دریافت کدهای مجازی تصادفی PRC ماهواره با? زمان ایجاد کدهای مجازی تصادفی PRC گیرنده، تاخیر زمانی بین ایندو برابر زمانی است که طول می کشد تا PRC ماهواره به زمین برسد
4-????? حاصل ضرب این زمان در سرعت نور،? فاصله ماهواره تا گیرنده را نشان میدهد.
?
همانطور که ملاحظه میشود اندازه گیری زمان? تاخیر، هسته کلیدی کارکرد GPS است. از این رو دقت ساعت مورد استفاده هنگامی معلوم میشود که بدانیم اگر در محاسبه زمان تاخیر تنها یک هزارم ثانیه! اشتباه کنیم حاصل ضرب این مقدار ناچیز در سرعت نور خطای محاسبه مسافتی برابر 200 مایل را ایجاد می نماید!
در خصوص ساعت موجود در ماهواره مشکلی وجود ندارد چرا که در ماهواره از ساعت اتمی استفاده میشود. اما موضوع ایجاد چنان دقتی در ساعت گیرنده GPS چه خواهد شد؟
بخاطر داشته باشید که باید هم ماهواره و هم گیرنده GPS همزمان به ایجاد کدهای PRC اقدام نمایند ودقت در این همزمانی بسیار مهم است.
?
اگر قرار بود که گیرنده GPS نیز همانند ماهواره دارای ساعت اتمی باشند قیمت هر گیرنده GPS بالغ بر 50000 تا100000دلار امریکا میشد.
خوشبختانه طراحان گیرنده های GPS به ترفند هوشمندانه ای دست یافتند که بدون نیاز به ساعت گران قیمت دقتی برابر ساعت اتمی ایجاد نمایند. این ترفند یکی از عناصر اصلی کارکرد گیرنده های GPS تلقی می شود.
?
راز دقت اندازه گیری زمان، درافزایش یک اندازه گیری اضافی? در مثلث بندی فاصله گیرنده GPS با ماهواره است.
?
همانطور که بیان شد با اندازه گیری 3 فاصله گیرنده GPS تا ماهواره میتوان به نقطه مورد نظر رسید. و اندازه گیری فاصله گیرنده GPS با ماهواره چهارم نقش خود را در افزایش دقت اندازه گیری زمان نیز ایفا مینماید. از این روست که برای تعیین دقیق موقعیت مکانی گیرنده GPS حداقل نیاز به اندازه گیری فاصله با چهار ماهواره می باشد.
?
ساعت اتمی چگونه کار میکند؟
?
ساعت اتمی برخلاف تصور عامه کاری با اتم و انرژی اتمی ندارد. این نام از آنجا وارد این قضیه شده است که برای زمان شمار دستگاه (metronome) خود از تناوب یک اتم خاص استفاده میشود. چنین روش محاسبه زمان یکی از دقیق ترین شیوه های اندازه گیری زمان است که بشرتا کنون ابداع نموده است.
?
اختلاف GPS ?های با کارکرد مبنتنی بر دوره_کد با GPS ?های با کارکرد مبنتنی بر دوره_ناقل Code-Phase GPS vs. Carrier-Phase GPS
واژه های " دوره_کد(Code-Phase)" و "دوره_ناقل (Carrier-Phase)" ما را به یاد وازهای پیچیده الکترونیک انداخته که کمی مرعوب کننده است. در حالی که هر دو مشتمل بر سیگنالل ویژه ای هسنتند که برای اندازه گیری زمان مورد استفاده واقع می شوند.
استفاده از مفهوم فرکانس دوره_ناقل (Carrier-Phase)" در GPS بطور چشمگیری دقت کار آن را افزایش داده است.
مبانی فرکانس دوره_ناقل (Carrier-Phase)" ساده بوده اما برای درک آن لازم است مروری بر چند اصل اساسی GPS داشته باشیم
بخاطر بیاورید که یک گیرنده GPS برای تعیین زمانی که طول می کشد تا یک سیگنال از ماهواره به گیرنده برسد از مفهوم "کد مجازی تصادفی PRC " استفاده مینماید. به عبارت دیگر گیرنده GPS همان سیگنالی را تولید مینماید که ماهواره ایجاد میکند.
?
گیرنده GPS آنقدر کد ارسالی خود را درطول زمان جابجا مینماید تا دقیقا با کد سیگنال ارسالی از ماهواره همزمان شود(synchron) شود. مدت زمانی که این جابجائی طول میکشد تا بهترین تطابق صورت گیرد برابر زمان طی شده برای سیگنال است تا از ماهواره به زمین برسد.
مشکل اینجاست که یک بیت(سیکل) از کد PRC چنان پهن است که حتی اگر این دو سیگنال(گیرنده GPS و سیگنال ارسالی از ماهواره) با یکدیگر همزمان شوند، باز هم مقداری جابجائی دیده میشود.
هنگامی که لبه یک ازدو سیگنال PRC ??در بین سیگنال دیگر قرار گیرد ایندو یک شده فرض میشوند.
اما علارغم جور شدن سیگنالهای PRC? هنوز دامنه آنها با یکدیگر تطابق کامل ندارد.
این مشکلی است که سیگنالهای PRC با آن مواجه هستند. وگیرنده هایی که با سیگنالهای PRC با مطابقت دادن کدهائی کار میکنند که دارای دامنه ای حدود 1 میکرو ثانیه هستند. در سرعت نور، 1 میکرو ثانیه? خطای محاسبه مسافتی معادل 300 متر ایجاد مینماید!
لازم به ذکر است گیرنده های GPS ی که با سیگنالهای PRC کار میکنند آن مقداری که ذکر شد بد عمل نمیکنند. چرا که دانشمندان راههائی را ابداع کره اند که بتوانند تطابق نسبتا کاملی را بین سیگنالهای PRC ایجاد کنند. اما هنوز این گیرنده ها خطائی معادل 3-6 متر ایجاد میکنند.
?
استفاده از مفهوم فرکانس دوره_ناقل (Carrier-Phase) در گیرنده های GPS به این صورت عمل مینماید که سیستم ابتدا شروع به ارسال سیگنالهای PRC مینماید و برای اندازه گیری و تطابق کدها از فرکانس دوره_ناقل استفاده مینماید.
فرکانس سیگنالهای دوره_ناقل (Carrier-Phase) بسیار بیشتر از فرکانس? کد های PRC است. و ضربانهای آن(PULS) بسیار نزدیک تر به یکدیگرند و در نتیجه برای تطابق از دقت بیشتری برخوردارند.
اگر این مفهوم را خوب در نیافته اید، رادیوی خود را تصور نمایید که بر روی فرکانس 94.7 تنظیم شده است. در این حالت در واقع شما رادیو خود را بر روی سیگنال دوره_ناقل (Carrier-Phase)با فرکانس 94.7 مگا هرتز تنظیم کرده اید. بدیهی است که صدائی را که دارای فرکانس 94.7 میلیون هرتز است را نمی توان شنید. در واقع وقتی کلمه الف را از رادیو میشنویم، فرکانس سیگنال دوره_ناقل 94.7 مگا هرتزرا که با تناوب 440 سیکل تغییر مینماید میشنویم. سیستم GPS هم همانند آنچه گفته شد عمل مینماید.? کدهای PRC دارای دامنه بیت (bit rate) ی حدود 1مگا هرتز است درحالیکه سیگنال دوره_ناقل دارای دامنه بیتی حدود جیگا هرتز هستند( با سرعتی معادل هزار برابر! بیشتر ازPRC).
در سرعت نور، سیگنال با فرکانس 1.57جیگا هرتز (GHZ) دارای طول موجی معادل 20 سانتی متر خواهد بود. از این رو استفاده از? سیگنال دوره_ناقل به همراه کدهای PRC با دقت بسیار بالاتری در مقایسه با کدهای PRC? به تنهائی عمل مینمایند. حال اگر از این طریق به دقت تطابقی برابر 1 درصد حالتی که کدهای PRC مطابقت می یافتند نیز برسیم استفاده از سیگنال دوره_ناقل ما را به دقت تطابقی برابر 3 تا 4 میلیمتر! دقت می رساند.
?
انتخاب طول موج مناسب
در واقع این روش بااتکا بر شمارش دقیق تعداد سیکل های سیگنالهای ارسالی ازماهواره و گیرنده عمل مینماید.
مشکلی که وجود دارد این اشت که سیکلهای? سیگنال دوره_ناقل کاملا شبیه هم و یکسان بوده و نمی توان بین آنها تمایزی قائل شد تا بتوان آنها را شمرد. در حالیکه کدهای PRC تصادفی و عامدا پیچیده بوده تا بتوان سیکلی که در حال جستجوی آن هستیم را بیابیم.
برای حل این مشکل از همان مفهوم تطابق دو PRC ایجاد شده توسط ماهواره و گیرنده برای سیکلهای? سیگنال دوره_ناقل استفاده میشود. اگربا کاربرد تطابق دو PRC به دقتی در حدود متر برسیم فقط کافسیت چند طول موج? سیگنال را در دامنه کد PRC با استفاده از سیگنالهای دوره_ناقل با یکدیگر مطابقت دهیم. برای اینکار تنها تلاش برای یافتن چند سیکل اول طول موج است تا لبه کد را با سیگنالهای دوره_ناقل مطابقت داده و علامت گذاری کنیم.
