سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی

سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS یا Global Navigation Satellite System) سیستم‌هایی هستند که به گیرنده‌های کوچک اجازه می‌دهند تا موقعیت خود را (طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی) با خطای چند متری مشخص کنند. این قابلیت از طریق انتقال امواج رادیویی بین دستگاه و ماهواره صورت می‌گیرد. ایستگاههای ثابت زمینی می‌توانند برای محاسبه بسیار دقیق زمان برای آزمایشهای علمی استفاده شوند.
در حال حاضر، سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) تمام فعال متعلق به آمریکاست که NAVSTAR نام دارد و در حال تقویت است. سامانه‌ی گلوناس (GLONASS)متعلق به روسیه در حال تقویت است تا به اهداف نظامی و تجاری خود دست یابد. کشور چین اعلام کرده تا سال ۲۰۱۵ سیستم موقعیت یاب محلی Beidou را با سیستم ناوبری جهانی خود یعنی COMPASS ترکیب می‌کند. سیستم ناوبری اتحادیه اروپا با نام گالیلئو (Galileo) در مرحله توسعه‌است و اکنون فعال است.
دسته‌بندی
ماهواره انتقالگر.
GNSSها بر اساس میزان دقتی که دارند همچنین قابلیت نظارت آن‌ها برای استفاده عموم به رده‌های زیر تقسیم می‌شوند:
GNSS-۱: نسل اول سیستم و ترکیبی است از ماهواره‌های ناوبری موجود (GPS یا GLONASS) با ایستگاههای تقویت ماهواره‌ای (SBAS - Satellite Based Augmentation Systems) یا زمینی (GBAS - Ground Based Augmentation Systems). در آمریکا بخش ماهواره‌ای سیستم، یک سیستم تقویت گسترده (WAAS - Wide Area Augmentation System) است. در اروپا، سرویس ایستگاههای ناوبری سراسری اروپایی (EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay Service)، در ژاپن سیستم تقویت ماهواره‌ای چندکاره (MASAS - Multi-Functional Satellite Augmentation System). ایستگاههای تقویت زمینی معمولا از سامانه تقویت محلی (LAAS - Local Area Augmentation System) تشکیل شده‌اند.
GNSS-۲: نسل دوم سیستم‌های ناوبری هستند که بطور مستقل کاربرد غیرنظامی سیستم را فراهم می‌کنند (مانند گالیلئو اروپا) این سیستم‌ها دقت و کارایی مورد نیاز کاربردهای غیرنظامی سیستم را در اختیار قرار می‌دهند. این سامانه‌ها از بسامدهای L۱ و L۲ برای کاربرد غیرنظامی و بسامد L۵ برای همگرایی استفاده می‌شود.
Core Satellite:ماهواره‌های اصلی سیستم ناوبری. در حال حاضر GPS، Galileo و GLONASS
SBAS: سیستم‌های تقویت سراسری ماهواره‌ای مانند Omnistar و StarFire
SBASهای محلی: WAAS آمریکا، EGNOS اروپا، MSAS ژاپن و GAGAN هندوستان
SNSهای محلی: یا سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای محلی مانند QZSS ژاپن، IRNSS هندوستان و Beidou چین
GBAS قاره‌ای: مانند GRAS استرالیا DGPS آمریکا(مربوط به سازمان حمل و نقل)
GBAS محلی: مانند شبکه‌های CORS
GBAS محلی نمونه‌گیری شده از یک ایستگاه اصلاح زمان واقعی جنبشها (RTK) متعلق به GPS
تاریخچه
نیازهای سیستم‌های فعلی، DECCA، LORAN و Omega بودند که از ایستگاههای فرستنده رادیویی موج بلند زمینی به جای ماهواره استفاده می‌کردند. این سیستم‌های ناوبری، یک پالس رادیویی از ایستگاه مادر سپس سایر ایستگاههای تابع ارسال می‌کردند. اختلاف بین ارسال و دریافت در ایستگاههای تابع با دقت کنترل می‌شدند که به گیرنده‌ها امکان می‌دادند تا اختلاف بین دریافتها و ارسالها را تشخیص دهند. از این طریق فاصله تا هر ایستگاه و در نتبیجه موقعیت گیرنده مشخص می‌شد.
اولین سیستم ناوبری ماهواره‌ای Transit نام داشت که در دهه ۱۹۶۰ میلادی توسط ارتش ایالات متحده ساخته شد. نحوه کار این سیستم بر اساس اثر داپلر (Doppler effect) استوار بود. به این صورت که ماهواره‌هایی که در یک مدار مشخص در حرکت بودند سیگنالهایی را در فرکانسهای معین ارسال می‌کردند. فرکانس دریافتی به صورت واضحی با فرکانس ارسالی تفاوت دارد که آنهم به‌دلیل حرکت مشخص ماهواره بود. با بررسی این فرکانسها در یک زمان بسیار کوتاه موقعیت تقریبی گیرنده مشخص می‌شد که بعدها شیوه‌های اندازه‌گیری با دخیل کردن چندین پارامتر از جمله حرکت مداری ماهواره دقیقتر شد.
قسمتی از اطلاعات ارسالی مربوط به اطلاعات مداری دقیق است. برای اطمینان از دقت بالا، رصدخانه نیروی دریایی آمریکا (USNO) دائما مسیر حرکت این ماهواره‌ها را زیرنظر دارد. اگر ماهواره‌ای کمی از مدار منحرف شد، این سازمان اطلاعات لازم را برای اصلاح مسیر ارسال می‌کند.
سیستم‌های امروزی بسیار دقیقتر و کارآمدتر هستند. ماهواره سیگنالهایی ارسال می‌کند که اطلاعات موقعیت ماهواره و زمان دقیق ارسال سیگنال را دارد. موقعیت ماهواره در قالب پیامهای داده‌ای ارسال می‌شود که حاوی کدی است که به عنوان مرجع زمانبندی استفاده می‌شود. ماهواره‌ها از ساعتهای اتمی برای هم‌زمان‌سازی بین همدیگر استفاده می‌کنند. گیرنده زمان ارسالی ماهواره را با زمان داخلی خود مقایسه کرده و فاصله ماهواره تا خود را اندازه می‌گیرد. این مقایسه با ماهواره‌های دیگر در ارتباط با این گیرنده انجام می‌شود و سپس محل دقیق گیرنده مشخص می‌شود.
هر اندازه‌گیری مسافتی، موقعیت گیرنده تا فرستنده را روی یک کره مشخص می‌کند. در مورد گیرنده‌هایی که با سرعت بالا حرکت می‌کنند، موقعیت امواج ارسالی آن‌ها تغییر می‌کند. همچنین اطلاعات دریافتی از ماهواره‌ها نیز متفاوت است. ضمنا سرعت امواج رادیویی در برخی لایه‌های جو از جمله یونوسفر کمتر است که بستگی به زاویه ماهواره به گیرنده دارد. آسانترین راه حل اینست که در هر لحظه ۴ ماهواره در معرض دید گیرنده باشند. در حالت بهتر ترکیب ماهواره‌ها با ایستگاهها و استفاده از تکنیکهایی چون غربال کالمن (Kalman filtering) برای انجام محاسبات دقیقتر در شرایط سخت‌تر و پیچیده‌تر، بهترین جواب را خواهد داد.
کاربردهای نظامی و غیرنظامی
GNSS در اصل برای کاربردهای نظامی طراحی شده‌اند. ناوبری ماهواره‌ای به ارتشها این امکان را می‌دهد تا سلاح یا موشک خود را با دقتی فوق العاده به هدف بزنند که این امر تاثیر سلاح را چند برابر می‌کند. همچنین اشتباهات ناشی از هدایت غیرصحیح موشک را کاهش می‌دهد (مانند بمبهای هوشمند). ناوبری ماهواره‌ای به نیروها جهت حرکت و شناسایی موقعیت فعلی خود و سایر همرزمان حتی در شرایط سخت محیطی کمک می‌کند.
این نوع ناوبری می‌تواند به عنوان نیروی کمکی در جنگ باشد. در حقیقت این نیرو در جهت کاهش حوادث ناخواسته در جنگ و افزایش ارتباطات نیروهای خودی در میدان نبرد کاربرد فراوانی دارد. به همین جهت، سیستم ناوبری ماهواره‌ای می‌تواند به عنوان یک ابزار قدرتمند در هر ارتشی باشد.
در امور غیرنظامی کاربردهای فراوانی برای GNSS تعریف شده‌است:
ناوبری یا هدایت (از دستگاه‌های کوچک دستی تا ماشینها، کشتیها و هواپیماها)
تنظیم زمان
سرویهای محلی مانند enhanced۹۱۱
عملیات نجات
وارد کردن اطلاعات در نقشه‌های جغرافیایی
علوم ژئوفیزیک
رهگیری اشیاء
و….
نکته مهم اینست که مالکان سیستم‌های ناوبری می‌توانند استفاده از امکانات خود را محدود کنند. مثلا کل سرویس خود را در یک منطقه غیرفعال کنند.
سامانه‌های ناوبری فعال
GPS
Global Positioning System: سیستم ناوبری آمریکا که از سال ۲۰۰۷ تنها سیستم تمام فعال است که در تمام دنیا قابل استفاده‌است. این سیستم بر پایه بیش از ۳۲ ماهواره استوار است که در مدارهای میانی زمین در حرکتند (این عدد شامل ماهواره‌های قدیم و جایگزین شده هم هست). این سیستم از سال ۱۹۷۸ فعال شده و از سال ۱۹۹۴ در تمام جهان در دسترس است. این سیستم در حال حاضر کاربردی‌ترین سیستم ناوبری جهان است.
GLONASS
GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema: محصول شوروی سابق و روسیه امروزی که پیشتر در حالت تمام فعال بود اما با فروپاشی شوروی این سیستم با مشکلات فراونی روبرو شد. روسیه وعده داده این سیستم تا سال ۲۰۱۰ مجددا به حالت تمام فعال برگردد. اکنون این سامانه تمام فعال است و تا سال 2019 برای 15 سال فعال خواهد ماند.
سامانه‌های در حال آماده‌سازی
Compass:
چین اعلام کرده که سیستم ناوبری محلی خود با نام Beidou یا دب اکبر را به یک سیستم سراسری تبدیل خواهد کرد. به گزارش خبرگزاری رسمی چین این برنامه Compass نام گرفته و از ۳۰ مدارگرد (که در مدارات میانی در حرکتند) و ۵ ماهواره ثابت تشکیل شده‌است. همچنین چین مایل به مشارکت کشورهای دیگر برای توسعه سیستم است که با توجه به مشارکت چین در سیستم ناوبری اروپا (Galileo) ابهاماتی در این زمینه وجود دارد.
Galileo:
در سال ۲۰۰۲ اتحادیه اروپا و آژانس فضایی اروپا در مورد جانشین GPS یعنی Galileo positioning system به توافق رسیدند. با بودجه اختصاصی ۲٫۴ میلیارد پوندی طبق برنامه این سیستم در سال ۲۰۱۲ آغاز به کار کرد. اولین ماهواره آزمایشی در ۲۸ سپتامبر ۲۰۰۵ پرتاب شد. پیش‌بینی می‌شود این سیستم با GPS ارتقا یافته موجود هماهنگی داشته و گیرنده‌ها بتوانند از هر دوی این فناوری‌ها استفاده کنند.
سامانه‌های دیگر
Beidou:
سیستم ناوبری محلی چین که بزودی به سیستم جهانی Compass ارتقا میابد.
DORIS:
Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite - سیستم داپلر مداری و تعیین موقعیت رادیویی ماهواره‌ای که در حقیقت یک سیستم تصحیح مسیر مشابه سیستم‌های ناوبری می‌باشد و متعلق به کشور فرانسه‌است.
IRNSS:
Indian Regional Navigational Satellite System - سیستم ناوبری ماهواره‌ای محلی هند که یک سیستم ناوبری محلی مستقل است و زیرنظر سازمان تحقیقات فضایی هند وابسته به دولت هندوستان فعالیت می‌کند. دولت هند این پروژه را در ماه می۲۰۰۶ به اجرا درآمد و در سال ۲۰۱۲ پیاده‌سازی آن به اتمام رسید. این سیستم از ۷ ماهواره مستقر در مدار ثابت تشکیل شده که دقتی نزدیک ۲۰ متر دارد و تا شعاع ۲۰۰۰ کیلومتری اطراف هند را هم پوشش می‌دهد.
QZSS:
Quasi-Zenith Satellite System - متشکل از ۳ ماهواره‌است که یک سیستم همسان‌سازی زمانی و توسعه‌ای بر GPS آمریکاست و کشور ژاپن را پوشش می‌دهد. طبق برنامه اولین ماهواره این سیستم در سال ۲۰۰۹ پرتاب شد و فعال است.
تقویت GNSS
سامانه‌ای که با دریافت اطلاعات خارجی، دقت و قابلیت اعتماد سیستم ناوبری ماهواره‌ای را افزایش می‌دهد. هم اکنون حسگرهای زیادی روی زمین وجود دارند که اطلاعات GNSS را دریافت و پردازش می‌کنند. بعضی از این سنسورها، اطلاعات اضافه‌تری در مورد منشا خطاها اعلام می‌کنند و نحوه اندازه‌گیری موقعیت را هم مشخص می‌کنند. نمونه‌های این ایستگاه‌ها در بالا معرفی شده‌اند.
اختراع‌ها در ایالات متحده (۱۹۴۶–۱۹۹۱)