مقاله شبیه سازی سیستم موقعیت یابی جهانی GPS

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله شبیه سازی سیستم موقعیت یابی جهانی GPS دارای ۲۶ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله شبیه سازی سیستم موقعیت یابی جهانی GPS  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله شبیه سازی سیستم موقعیت یابی جهانی GPS،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله شبیه سازی سیستم موقعیت یابی جهانی GPS :

شبیه سازی سیستم موقعیت یابی جهانی GPS

مقدمه
سیستم موقعیت یابی جهانی ( Global positioning system)یک سیستم ناوبری مبتنی بر ماهواره است که موقعیت وسرعت(هر دو به صورت سه بعدی )و زمان را تعیین می کند.اکنونGPS صدها هزار کاربر در سرتاسر جهان دارد و کاربرهایی نظیر ناوبری در فضا ،هوا،خشکی ودریا،نقشه برداری،زمین شناسی وزمان سنجی دقیق ،شایع ترین موارد استفاده آن است.GPS به سه بخش تقسیم می شود. بخش فضا،کنترل و بخش کاربر. بخش فضا شامل ۲۴ ماهواره است که در ۶ مدار قرار گرفته اند. ارتفاع هر ماهواره، حدود ۲۰۰۰۰ کیلو متر و زمان گردش آن حدود ۱۲ ساعت می باشد. ماهواره ها دارای ساعت اتمی می باشند ودائماً زمان واطلاعات موقعیتی( Ephemeris) خود را اعلام می کنند. بخش کنترل شامل چهار

ایستگاه رصد( Monitoring) ویک ایستگاه کنترل مرکزی در رودخانه کلرادو می باشد. این ایستگاه ها دائماً ماهواره ها را دنبال می کنند. ایستگاه کنترل مرکزی اطلاعات موقعیتی (Ephemeris) وبا یاس کلاک ماهواره ها را پیش بینی وبه آنها ارسال می کند.بخش کاربر شامل تمامی گیرنده های GPS یک سیستم Passive می باشد ، یعنی گیرنده فقط به امواج ماهواره ها گوش می دهد، تعداد کاربران نا محدود بوده و مرتباً نیز افزایش می یابد.

معرفی سیستم
سیستم موقعیت یابی جهانی GPS 1برای بدست آوردن اطلاعات دقیق موقعیت، سرعت و زمان (PVT) 2طراحی شده و کاربردهای فراوانی در مسائل نظامی،حمل و نقل و نقشه برداری دارد. این سیستم شامل سه بخش کلی فضا، کنترل و کاربر می باشد که مختصراً به تشریح آن می پردازیم.

بخش فضا
شامل ۲۴ ماهواره GPS است که در ۶ مدار با زاویه‌ انحراف ْ۵۵ نسبت به صفحه استوا و ارتفاع متوسط ۲۰۲۰۰ کیلومتر از سطح زمین قرار گرفته اند. زمان گردش هر ماهواره به دور زمین ۱۱ ساعت و ۵۸ دقیقه است که حدوداً نصف زمان گردش زمین به دور خودش(یک شبانه روز)است. ماهواره ها طوری در مدار هایشان قرار گرفته اند که در هر نقطه ای از زمین حداقل ۴ ماهواره با روابط جغرافیایی خوب قابل رؤیت باشند. ماهواره ها سیگنال هایی را در دو باند فرکانسی I 1 = 1575.42 MHz و I 2 = 1227.6 MHz منتشر می کنند. دو نوع کد P (دقیق) و(Coarse/Acquisition) C/A روی این حامل ها سوار می شوند. از هر دو کد C/A و P می توان برای اندازه گیری فاصله بین ماهواره و دریافت کننده استفاده نمود. اما استفاده از کد P

منوط به داشتن مجوز از تشکیلات نظامی ایا لات متحده می باشد. کد C/A با فرکانس ۰۲۳/۱ مگا هرتز روی حاملI1 سوار می شود و کد P با فرکانسی۱۰ برابر آن (۲۳/۱۰ مگا هرتز) بر روی هر دو حامل I1 و I2 سوار می شود.کد P هنگامی که توسط گیرنده دریافت و رمز گشایی می شود بنام Y خوانده می شود. یک پیغام هدایت (Navigation Message) 50 هرتزی با هر دو کد P (Y) ، C/A ترکیب می شود که شامل اطلاعات دقیق مداری ماهواره(Ephemeris) ، با یاس ساعت ، دیتای تصحیح خطای یونیسفری و…خواهد بود.

بخش کنترل
شامل یک ایستگاه کنترل مرکزی (Master Control Station) در کلردای امریکا ، به علاوه ایستگاه های رصد Moniton Stations) ( و آنتن هایزمینی (Graund Antennas) در نقاط مختلف زمین است.

ایستگاه های رصد، مسیرماهواره ها را دنبال کرده، اطلاعات فاصله ای را از آنها جمع آوری می کنند. این اطلاعات به ایستگاه کنترل مرکزی(که وظیفه تخمین و پیش بینی پارامترهای کلاک واطلاعات نجومی ماهواره را به عهده دارد)، ارسال می شود.
آنتن های زمینی متناوباً اطلاعات نجومی و ساعات ماهواره ها را به آنها اعلام می کنند و ایستگاه کنترل زمینی از این اطلاعات استفاده می نماید تا پیغام هدایت ماهواره ها را تجدید نماید. بنابراین وظیفه بخش کنترل اطلاع از سلامتی ماهواره ها و به روز کردن ساعت و اطلاعات نجومی ماهواره ها می باشد.

بخش کاربر
شامل گیرنده هایی است که برای دریافت، کد گشایی و پردازش سیگنال های ماهواره ها طراحی شده اند. این گیرنده ها یا به تنهایی استفاده می شوند و یا این که برای رسیدن به دقت بالاتر از ترکیبی از گیرنده ها ی GPS و دیگرسیستم ها مثلاً INS3 استفاده می کنند. گاهی اوقات نیز ترکیبی از دو یا چند گیرنده GPS که حداقل یکی ازآن دو در موقعیت مشخصی قرار دارد، استفاده می شود که به آن DGPS4 اطلاق می گردد. در این روش بسیاری از خطاهای متداول کاهش می یابد.
دو نوع سرویس توسط GPS ارائه می شود. سیستم موقعیت یابی دقیق (PPS)5و سرویس موقعیت یابی استاندارد SPS))6.

سرویس دقیق (PPS)
سرویس دقیقی برای یافتن موقعیت، سرعت وزمان است که مختص کاربران دارای مجوز است و برای مقاصد نظامی به کار می رود. اعطای این مجوز از سوی سازمان دفاع آمریکا(DO D) صورت می پذیرد.دقت این سرویس طوری است که موقعیت محاسبه شده توسط آن در ۵۰% موارد داخل کره ای به شعاع ۱۶ متر قرار می گیرد وتا ۱۰۰ نانو ثانیه دقت زمانی نسبت به ساعت جهانی (UTC) دارد. این سرویس سرعت را با دقتی در حدود ۲/۰ متر بر ثانیه محاسبه می نماید. دستیابی به سرویس دقیقPPS با دو عامل کنترل می گردد.مقبولیت انتخابی (SA) و (AS) 7.

SA با ایجادخطاهای شبه تصادفی در سیگنال های ماهواره ها دقت را کاهش می دهد . این کاهش دقت با ایجاد خطا در ۲ پارامتر صورت می پذیرد:
۱- ایجاد خطا در کلاک ماهواره (SA – dither) .
۲- ایجاد خطا در اطلاعات مداری ماهواره که قسمتی ازپیغام هدایت است (SA – epsilon) .
as که در سال ۱۹۹۴ پیاده سازی شد و هدف این بود که فقط کاربران دارای مجوز (نظامی)با یک دستگاه کد گشا (کلید)بتوانند روی P – code قفل نمایند.
کلیدهایی که برای کد گشایی دقیق موجودند فقط در اختیار کاربرانسرویس PPS قرار می گیرند تا اثرات SA و AS را حذف نمایندو به بالاترین دقت ممکن برسند.

سرویس استاندارد(SPS)
سرویس استاندارد(SPS) دارای دقت کمتری در تعیین موقعیت وزمان وسرعت می باشد، ولی در اختیار تمام کاربران قرار گرفته است. در زمان صلح میزان خطای مقبولیتانتخابی (SA)طوری است که در۹۵% موارد وقتی در حدود ۱۰۰ متر را فراهم می کندکه این در حدود ۱۵۶ مترکروی در ۹۵% مواردمی باشد.
تئوری عمل GPS

کدهای فاصله ای که توسط ماهواره ها منتشر می شوند، گیرندهGPS راقادر می سازد تا زمان ارسال سیگنال از ماهواره را محاسبه نماید و با توجه به معلوم بودن سرعت نور که سیگنال های ماهواره با آن انتشار می یابند میتواند فاصله بین خود تا هر ماهواره را محاسبه نماید. پیغام هدایت ارسالی از طرف هر ماهواره شامل اطلاعاتی است که موقعیت ماهواره را در زمان ارسال سیگنال مشخص می کند. با معلوم بودن موقعیت ماهواره ها در فضا و فاصله بین ماهواره ها تا گیرنده، کاربر می تواند موقعیت خودش و همچنین با یاس کلاک را معلوم نماید. این کار به آسانی با حل یک دستگاه معادلات صورت می پذیرد. برای حل این معادلات در معرض دید بودن ۴ ماهواره کافی است.
سیگنال های ماهواره GPS شامل موارد زیر می باشد:

کدC/A
کد C/A یک کد نویز شبه تصادفی(PRN) 81023بیتی با فرکانس۰۲۳/۱مگا هرتز است که ۱ میلی ثانیه تکرار می شود. طول کوتاه دنباله C/A به خاطر آن است که گیرنده سریعاً سیگنال ماهواره را دریافت نماید. به هر ماهواره GPS یک PRN متفاوت داده می شود که از بین کدهایی به نام کدهای طلایی (Gold codes) انتخاب می گردد.کدهای طلایی برای کم کردن احتمال این که یک گیرنده یک کد را با کد دیگر اشتباه بگیرد به کار می روند. کد C/A فقط روی حامل I1 ارسال می گردد.

کد P(Y)
یک دنباله بسیار طولانی ۱۰۲۳ مگا هرتزی است که روی هر دو حامل I1 و I2 ارسال می گردد. کد P(Y) رویI1 ْ۹۰ با کد C/A اختلاف فاز دارد.
پیغام هدایت (Navigation Message)

یک پیغام هدایت ۵۰ هرتزی با هر دو کد P(Y) و C/A ترکیب می گردد. کد هدایت هم شامل اطلاعاتی است که منحصراً مربوط به ماهواره ارسال کننده است و هم اطلاعاتی که در تمام ماهواره های GPS مشترکند. اطلاعات پیغام هدایت شامل موارد زیر هستند:

زمان ارسال پیغام ،کلمه(HOW) Hand Over برای عبور از کد C/A به کد P(Y) ، تصحیح کلاک، اطلاعات مداری ماهواره(Ephemerise) ، اطلاعات سلامتی ماهواره ارسال کننده پیغام، Almanac و اطلاعات سلامتی تمام ماهواره ها ، ضرایب مدل تأخیر یونیسفری، ضرایب محاسبه ساعت جهانی(UTC) .

پیغام هدایت شامل ۲۵ فریم است. هر فریم دارای ۱۵۰۰ بیت است و به ۵ زیر فریم ۳۰۰ بیتی تقسیم می شود. با نرخ انتقال ۵۰ هرتز پیغام هدایت ، ۶ ثانیه برای دریافت یک فریم و۳۰ ثانیه برای دریافت یک فریم زمان صرف می شود و ۵/۱۲ دقیقه طول می کشد تا تمام ۲۵ فریم دریافت شوند. زیر فریم اول شامل تصحیح کلاک و نیز دقت وسلامتی سیگنال منتشره است. زیر فریم های ۲و۳ شامل اطلاعات دقیق مداری ماهواره (Ephemeris) هستند که در محاسبه موقعیت ماهواره در معادلات موقعیت به کار می روند .