سلام الله علیک یا فاطمه الزهراء

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست و چگونه کار می‌کند؟

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست و چگونه کار می‌کند

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS)

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست: سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی یا GNSS (مخفف Global Navigation Satellite System) شبکه‌ای از ماهواره‌هاست که اطلاعات زمانی و مداری خود را به گیرنده‌هایی در زمین، آسمان یا دریا مخابره می‌کند تا کاربر با تحلیل آن داده‌ها بتواند به موقعیت مکانی مدنظر خود در زمین، هوا یا دریا پی ببرد. برای این منظور، ماهواره‌های GNSS سیگنال‌هایی را به ایستگاه‌های گیرنده می‌فرستند که مشخص می‌کند ماهواره‌ در آن لحظه در کدام نقطه‌ است. چون موقعیت ماهواره‌ها در مدار کاملا مشخص است، کاربر با دریافت اطلاعات زمان و مدار ماهواره، می‌تواند موقعیت مدنظر خود در زمین، دریا یا هوا را پیدا کند.

برای این منظور، موقعیت مکانی شخص باید دست‌کم نسبت به چهار ماهواره محاسبه ‌شود. البته این محاسبات پیچیده را دستگاه گیرنده کاربر انجام می‌دهد و خود کاربر در آن دخالتی ندارد. در حال حاضر پنج نوع GNSS در دنیا راه‌اندازی شده‌اند که نام‌شان چنین است: گلوناس، بیدو، جی‌پی‌اس، گالیله، QZSS و IRNSS. اینک و پس از بیان این‌که سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست، به نحوه کار و کاربردهای GNSS اشاره خواهدشد.

«گلوناس»، «بِیدو» و «جی‌پی‌اس» هر کدام نوعی سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی یا GNSS هستند.

کاربرد سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (کاربرد GNSS)

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی یا GNSS بسته به کارایی و دقت سیگنال‌ ماهواره‌هایش در حوزه‌های گوناگونی کاربرد دارد. برخی از کاربردهای سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی چنین است:

  • مکان‌یابی – تعیین موقعیت کاربر در دنیا
  • ناوبری – تعیین بهترین مسیر از یک نقطه به نقطه دیگر
  • ردیابی – نظارت بر حرکت اشیاء در دنیا
  • نقشه‌نگاری – ثبت نقشه از نواحی خاص
  • زمان‌سنجی – محاسبه زمان دقیق در مقیاس چندمیلیاردم ثانیه

برای مثال، کشاورزان برای این‌که هنگام کاشتن بذر، کوددهی و برداشت محصول مسیرها را درست و مستقیم بپیمایند، می‌توانند از سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری بهره ببرند. آن‌ها حتی می‌توانند با استفاده از این سامانه‌ها از زمین‌های خود نقشه تهیه کنند.

سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای در خودروها نیز کاربرد گسترده‌ای دارد. به‌کارگیری این فناوری در اتومبیل‌های خودکار و بدون راننده بسیار ضروری است، زیرا چنین خودروهایی باید پیوسته متوجه وضعیت اطراف خود و وضعیت راه‌ها باشند. ضمنا خودروهای عادی و هواپیماها نیز برای تعیین مسیر و ناوبری از این سامانه‌ها بهره می‌برند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟

صورت فلکی ماهواره‌ای

به مجموعه ماهواره‌هایی که به‌منظور ناوبری ماهواره‌ای به فضا پرتاب می‌شوند و در مدار جای می‌گیرند، صورت فلکی ماهواره‌ای (satellite constellation) می‌گویند. این ماهواره‌ها سیگنال‌های ارتباطی خود را به ایستگاه‌های کنترل و نیز به هر کاربری که دستگاه گیرنده مناسب داشته باشد ارسال می‌کنند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

اجزای سامانه‌ ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست

هر سامانه جهانی ناوبری ماهواره‌‌ای (GNSS) سه وجه یا سه بخش اصلی دارد:

  1. فضا
  2. راه‌بری یا کنترل
  3. کاربر
اجزای سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست

تصویر ۱. اجزای سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) و نحوه کارشان


۱. بخش فضا

ملزومات فضایی GNSS ماهواره‌هایی هستند که در ارتفاع ۲۰,۰۰۰ تا ۳۷,۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین جای می‌گیرند. این ماهواره‌ها سیگنال‌هایی می‌فرستند که هویت هر ماهواره، زمان ارسال سیگنال، مدار و وضعیت سلامتی ماهواره را مشخص می‌کند. در حال حاضر چند کشور در دنیا سامانه جهانی ناوبری ماهواره‌ای یا اصطلاحا GNSS مخصوص به خود را طراحی و راه‌اندازی کرده‌اند که نام آن‌ها چنین است:

  • GPS (سامانه ناوبری ماهواره‌ای، آمریکا)
  • GLONASS (سامانه ناوبری ماهواره‌ای، روسیه)
  • BeiDou (سامانه ناوبری ماهواره‌ای، چین)
  • Galileo (سامانه ناوبری ماهواره‌ای، اتحادیه اروپا)
  • QZSS (سامانه ناوبری ماهواره‌ای، ژاپن)
  • IRNSS (سامانه ناوبری ماهواره‌ای، هند)

۲. بخش راه‌بری یا کنترل

سامانه‌های جهانی ناوبری ماهواره‌های (GNSS) علاوه بر ماهواره‌ها اجزا و تجهیزات دیگری نیز دارند. بخش راه‌بری یا کنترل، شبکه‌ای متشکل از هدایتگر اصلی، سامانه بارگذاری داده‌‌ها و ایستگاه‌های نظارت در نقاط مختلف دنیاست. این ایستگاه‌ها سیگنال‌ هر ماهواره را دریافت می‌کنند و با توجه به مدل‌های مداری ماهواره مشخص می‌کنند که هر ماهواره‌ در آن لحظه در چه موقعیتی است. اپراتورهای حاضر در این ایستگاه‌ها می‌توانند با نظارت بر موقعیت ماهواره‌ها، مسیرهای مداری آن‌ها را اصلاح کنند و یا تغییر دهند. مثلا اگر یکی از ماهواره‌ها از مسیر خود منحرف شده باشد یا بخواهد با زباله‌ای فضایی برخورد کند، اپراتور می‌تواند مسیر ماهواره را اندکی تغییر دهد. این نظارت‌ها و نیز پایش مستمر وضعیت سلامت ماهواره‌، دقت سامانه‌های جهانی ناوبری ماهواره‌ای را افزایش می‌دهد.

۳. بخش کاربر

کاربر برای استفاده از امکانات سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) تجهیزاتی مثل آنتن، گیرنده و موتور موقعیت‌یاب لازم دارد. تجهیزات مذکور با کمک هم، سیگنال‌های ماهواره را دریافت می‌‌‌‌کنند و سپس باتوجه به زمان ارسال سیگنال و جایگاه مداری دست‌کم چهار ماهواره، موقعیت کاربر را به وی نشان ‌می‌دهند. تشخیص و دریافت سیگنال با کمک آنتن انجام می‌شود. گیرنده‌ها و موتورهای موقعیت‌یاب نیز سیگنال‌ها را پردازش و خطاهای زمانی احتمالی را رفع می‌کنند. امروزه گوشی‌های همراه از رایج‌ترین دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند این کار را انجام دهند. خدماتی مثل نقشه‌های جی‌پی‌اس با همین شیوه کار می‌کنند.


تاریخچه سامانه‌ ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست

استفاده‌ از امواج رادیویی برای ارتباطات و موقعیت‌یابی نخستین بار در سال ۱۹۵۷ یعنی زمانی عملیاتی شد که شوروی نخستین ماهواره دنیا موسوم به اسپوتنیک ۱ را به فضا فرستاد.

اسپوتنیک اولین قمر مصنوعی دنیا بود. دانشمندان با دریافت پالس‌های رادیویی این ماهواره، توانستند درباره چگالی اتمسفر زمین اطلاعات جدیدی گردآوری کنند و همچنین روش‌های رادیویی و نوری ردیابی مداری را بیازمایند. ارسال ماهواره اسپوتنیک ۱ به فضا مسابقه فضایی بین شوروری و آمریکا را آغاز کرد. دانشمندان آمریکایی با استفاده از اثر داپلر، پالس‌های رادیویی اسپوتنیک را ردیابی کردند و سرانجام سامانه‌ای موسوم به سامانه‌ ماهواره‌ای ناوبری دریایی راه‌اندازی کردند که به آن ترانزیت (Transit) نیز می‌گفتند.

ترانزیت اولین سامانه ماهواره‌ای برای موقعیت‌یابی در زمین بود که در سال ۱۹۶۰ را‌اندازی و استفاده از آن جهت خدمات ناوبری دریایی در سال ۱۹۶۴ آغاز شد. ترانزیت برای تعیین موقعیت کاربر نسبت به یک ماهواره، به اثر داپلر متکی بود و لذا دقت کمی (در حد متر) داشت.

نیروی دریایی آمریکا برای افزایش دقت این سامانه، ماهواره‌ زمان‌سنج طراحی کرد تا با هر سیگنال دامنه‌یاب، مرجع زمانی دقیقی مخابره کند. در این شیوه، هر ماهواره موقعیت و زمان دقیق خود در آن موقعیت را مخابره می‌کرد. این شیوه جدید برای موقعیت‌یابی ماهواره‌ای نهایتا به راه‌اندازی سامانه موقعیت‌یابی جهانی یا جی‌پی‌اس (GPS) در سال ۱۹۷۳ انجامید.

هم‌زمان شوروی نیز آنچه را که از اسپوتنیک ۱ آموخته بود به‌کار برد و نهایتا در سال ۱۹۷۴ سامانه ناوبری ماهواره‌های ویژه خود موسوم به پاروس (Parus) را راه‌اندازی کرد. پاروس نیز مانند جی‌پی‌اس برای کاربردهای نظامی طراحی شده بود. اما در سال ۱۹۸۳ خدمات سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای در تمام دنیا قابل دسترسی شد.

گسترش سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری 

توسعه سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) همچنان ادامه یافت. شوروی در سال ۱۹۸۲ سامانه جدید گلوناس (GLONASS) را جایگزین پاروس کرد. چین در سال ۲۰۰۰ سامانه بیدو (BeiDou) را معرفی کرد. ژاپن در سال ۲۰۱۰ سامانه ماهواره‌ای کوازی-زنیت (QZSS) را توسعه داد. اتحادیه اروپا در سال ۲۰۰۵ سامانه گالیله (Galileo) را راه‌اندازی کرد. هند نیز در سال ۲۰۱۳ سامانه ماهواره‌ای ناوبری منطقه‌ای یا IRNSS را که اکنون NavIC نام گرفته است توسعه داد. گاهی ماهواره‌های جدیدی به صورت‌های فلکی این سامانه‌ها اضافه می‌شود و نیز گونه‌های متفاوتی از سیگنال‌ها را به‌کار می‌گیرند و تدریجا ارتقا می‌یابند.

تصویر گرافیکی ماهواره‌های سامانه کوازی-زنیت

تصویر ۲. تصویر گرافیکی ماهواره‌های سامانه کوازی-زنیت


مطلب مرتبط: ماهواره مخابراتی چیست و چگونه کار می‌کند؟

نام و ویژگی انواع سامانه‌ ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی یا GNSS عنوانی کلی برای اشاره به مجموعه ماهواره‌هایی است که داده‌های مربوط به موقعیت، ناوبری و زمان را برای کاربر ارسال می‌کنند. در حال حاضر چهار سامانه جهانی و دو سامانه منطقه‌ای با این فناوری طراحی شده‌اند که نام‌شان چنین است:

  • GPS (مریکا)
  • GLONASS (روسیه)
  • BeiDou (چین)
  • Galileo (اتحادیه اروپا)
  • QZSS (ژاپن)
  • IRNSS (هند)

تمام این سامانه‌ها برای ارسال سیگنال‌های‌شان از فرکانس‌های رادیویی باند بلند بهره می‌برند اما هر مجموعه ماهواره‌ ممکن است با فرکانس‌ متفاوتی کار کند.

ضمنا بسیاری از کشورها سامانه‌های SBAS خاص خود را دارند که معمولا جدای از صورت‌های فلکی GNSS است. سامانه SBAS  خطاهای جزئی سامانه‌های GNSS را تصحیح می‌کند تا دقت کار آن‌ها در منطقه جغرافیایی مربوطه افزایش پیدا کند.

جی‌پی‌اس (GPS)

سامانه موقعیت‌یابی جهانی یا GPS (مخفف Global Positionaing System) اولین صورت فلکی ماهواره‌ای است که در فضا راه‌اندازی شد. جی‌پی‌اس در آمریکا طراحی و راه‌اندازی شده است. اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۸۷ به فضا پرتاب شد و نخستین مجموعه از ماهواره‌های این سامانه در سال ۱۹۹۳ کاملا عملیاتی شدند. در حال حاضر ۳۱ ماهواره جی‌پی‌اس در مدار مشغول کار هستند. فرکانس‌های مورد پشتییانی جی‌پی‌اس:

  • L1 (فرکانس ۱۵۷۵.۴۲ مگاهرتز)
  • L2 (1227.60 مگاهرتز)
  • L5 (1176.45 مگاهرتز)

گلوناس (GLONASS)

گلوناس طی دهه ۱۹۷۰ در شوروی و برای رقابت با جی‌پی‌اس طراحی و راه‌اندازی شد و در حال حاضر توسط روسیه به‌کار می‌رود. اولین ماهواره گلوناس در سال ۱۹۸۲ به فضا پرتاب شد. در حال حاضر ۲۴ ماهواره گلوناس در مدار مشغول کارند. مجموعه فلکی ماهواره‌های گلوناس در سال ۱۹۹۵ کامل شد و این سامانه از سال ۲۰۱۰ تمام خاک روسیه را پوشش داد. فرکانس‌های مورد پشتیبانی ماهواره‌های گلوناس:

  • GLONASS L1 (فرکانس ۱۵۹۸.۰۶۲۵ تا ۱۶۰۵.۳۷۵ مگاهرتز)
  • GLONASS L2 (فرکانس ۱۲۴۲.۹۳۷۵ تا ۱۲۴۸.۶۲۵ مگاهرتز)
  • GLONASS L3 (فرکانس ۱۲۰۲.۰۲۵ مگاهرتز)

بِیدو (BeiDou)

سامانه ناوبری ماهواره‌ای بیدو (BeiDou) را چین در سال ۲۰۰۰ راه‌اندازی کرد. در حال حاضر صورت فلکی ماهواره‌ای بیدو از ۴۸ ماهواره تشکیل شده است. ماهواره‌های بیدو با سیگنال‌های متعددی سازگارند از جمله:

  • B1I (1561.098 مگاهرتز)
  • B1C (1575.42 مگاهرتز)
  • B2a (1175.42 مگاهرتز)
  • B2I و B2b (1207.14 مگاهرتز)
  • B3I (1268.52 مگاهرتز)

گالیله (Galileo)

سامانه ناوبری ماهواره‌ای اتحادیه اروپا موسوم به گالیله در سال ۲۰۰۵ راه‌اندازی شد. این سامانه در حال حاضر ۲۶ ماهواره دارد که احتمالا تعدادشان به ۳۰ ماهواره افزایش خواهدیافت. ماهواره‌های گالیله در طیف موج بلند سیگنال می‌فرستند. فرکانس‌ها و برچسب فرکانس‌ آن‌ها چنین است:

  • E1 (فرکانس ۱۵۷۵.۴۲ مگاهرتز)
  • E5 (1191.795 مگاهرتز)
  • E5a (1176.45 مگاهرتز)
  • E5b (1207.14 مگاهرتز)
  • E6 (1278375 مگاهرتز)

 کوازی-زنیت (QZSS)

سامانه ماهواره‌ای کوازی-زنیت یا QZSS (مخفف Quasi0Zenith Satellite System) را آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن در سال ۲۰۱۰ راه‌اندازی کرد. کوازی-زنیت، نه یک سامانه جهانی بلکه سامانه‌ای منطقه‌ای است که فقط حد فاصل ژاپن تا استرالیا را در ناحیه آسیا و اقیانوسیه پوشش می‌دهد. این سامانه در حال حاضر فقط ۴ ماهواره در مدار دارد و احتمالا طی چند سال آینده سه ماهواره دیگر نیز به آن‌ها اضافه خواهدشود. فرکانس‌های سامانه ماهواره‌های QZSS چنین هستند:

  • GPS L1 (1575 مگاهرتز)
  • GPS L2 (1227.60 مگاهرتز)
  • GPS L3 (1176.45 مگاهرتز)
  • GPS L6 (1278.75 مگاهرتز)

ناویک (IRNSS/NavIC)

یکی دیگر از سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری منطقه‌ای (و نه جهانی)، سامانه ماهواره‌ای ناوبری منطقه‌ای هند یا IRNSS (مخفف Indian Regional Navigation Satellite System) است که سازمان پژوهش‌های فضایی هند آن را به‌کار می‌برد. این سامانه را NavIC نیز می‌نامند که مخفف Navigation with Indian Constellation به‌معنای ناوبری با صورت فلکی هند است. سامانه ناویک هم‌اکنون ۸ ماهواره در مدار دارد و هند و اطراف آن را پوشش می‌دهد که از غرب تا سرزمین حجاز، از شمال و شرق تا چین و از جنوب تا موزامبیک و غرب استرالیا را شامل می‌شود. سامانه ماهواره‌ای ناویک با دو فرکانس سیگنال می‌فرستد:

  • GPS L5 (1176.45 مگاهرتز)
  • باند کوتاه ۲۴۹۲.۰۲۸ مگاهرتز

جدول مقایسه صورت‌های فلکی ماهواره‌ای (سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری)

نام

کاربر پوشش ارتفاع (کیلومتر)

تعداد ماهواره‌ها در مدار

BeiDou

چین جهانی ماهواره‌های مدار متوسط زمین: ۲۱,۵۲۸

ماهواره‌ای مدار زمین‌ثابت و زمین‌ثابت شیب‌دار: ۳۵,۷۸۶

۴۸

IRNSS/NavIC

هند منطقه‌ای ۳۶,۰۰۰ ۸

Galileo

اتحادیه اروپا جهانی ۲۳,۲۲۲

۲۶

GLONASS

روسیه

جهانی ۱۹,۱۰۰

۲۴

GPS

آمریکا جهانی ۲۰,۱۸۰

۳۱

QZSS ژاپن منطقه‌ای اوج: ۳۲,۰۰۰

حضیض:۴۰,۰۰۰

۴

موضوع: سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست

عبارت کلیدی: سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست