باندهای فرکانسی GPS و کاربرد آنها
باند L1 و L2 ؛سیگنالهای کلاسیک
ماهوارههای GPS از باند فرکانسی L-band برای انتقال دادهها استفاده میکنند که مناسب برای عبور از جو و کاهش تضعیف سیگنال است. در طراحی اولیه، دو باند اصلی تعریف شد:
- L1 (1575.42 MHz) :شامل سیگنال C/A برای کاربران غیرنظامی و سیگنال P/Y برای مصارف نظامی.
- L2 (1227.60 MHz) :عمدتا برای سیگنال P/Y طراحی شده اما با توسعه سیگنال L2C کاربردهای مدنی هم پیدا کرده است.
باندهای L2C، L5 و L1C ؛سیگنالهای مدرن
نسل جدید ماهوارههای GPS دارای سیگنالهای پیشرفتهتری برای بهبود دقت، دسترسپذیری و امنیت هستند.
- L2C :سیگنال مدنی با دقت بالاتر و مقاوم در برابر چندمسیره.
- L5 (1176.45 MHz) :برای کاربردهای ایمنی-حیاتی مانند هوانوردی طراحی شده و دارای توان بالا و مدولاسیون بهتر است.
- L1C :سیگنال مدنی با ساختار مدرنتر و سازگاری با سامانههای GNSS دیگر مثل گالیله و بیدو.
مدولاسیون و روشهای دسترسی چندگانه
CDMA و کدهای PRN
تمام ماهوارهها از یک باند فرکانسی مشترک استفاده میکنند ولی با روش دسترسی کدی چندگانه (CDMA)، گیرندهها قادرند سیگنالهای مختلف را تفکیک کنند. هر ماهواره دارای کد شبهتصادفی (PRN) یکتاست که به گیرنده کمک میکند آن را از دیگر سیگنالها بازشناسی کند.
مدولاسیون BPSK و پیامبرهای همفرکانس
سیگنالها با استفاده از مدولاسیون BPSK (Binary Phase Shift Keying) رمزگذاری میشوند. این روش باعث میشود سیگنال در برابر نویز و تداخل مقاومتر باشد و اطلاعات دیجیتال پیام ناوبری با حداقل نرخ انتقال (50 بیت بر ثانیه) با دقت بالا منتقل شود.
قالب پیام ناوبری GPS
ساختار فریم، زیرفریم و بیتهای داده
پیام ناوبری سنتی GPS، معروف به LNAV، دارای ساختار دقیقی است.
- هر فریم ۳۰ ثانیهای شامل ۱۵۰۰ بیت است.
- این فریم به ۵ زیرفریم ۶ ثانیهای تقسیم میشود.
- هر زیرفریم شامل اطلاعات خاصی است، مثل زمان، وضعیت ماهواره، و پارامترهای مداری.
اطلاعات مهریمی، آلماناک و کدگذاری خطا
- زیرفریمهای دوم و سوم: حاوی دادههای Ephemeris پارامترهای مداری دقیق.
- زیرفریمهای چهارم و پنجم: شامل Almanac (اطلاعات کلی درباره تمام ماهوارهها) و پیامهای کمکی.
- کدهای CRC و بیتهای بررسی صحت در پیامها تعبیه شدهاند تا در برابر خطاهای مخابراتی محافظت ایجاد شود.
چالشهای مخابراتی در GPS
تاخیرات جوی؛ یونوسفر و تروپوسفر
سیگنالهای GPS هنگام عبور از جو، مخصوصاً لایه یونوسفر، با تاخیر مواجه میشوند.
- یونوسفر: تغییرات در چگالی الکترونی باعث تاخیر فاز میشود.
- تروپوسفر: باعث انکسار و خطاهای کوچکتر در سیگنال میگردد.
استفاده از دو فرکانس L1/L2 به گیرنده اجازه میدهد تاخیر یونوسفری را برآورد و جبران کند.
پدیده چندمسیره (Multipath)
سیگنالهایی که از سطوح منعکسکننده (مانند ساختمانها یا دریاچهها) به گیرنده میرسند، باعث تداخل و خطای مکانی میشوند. این مشکل در محیطهای شهری بسیار شایع است. راهحلها شامل:
- آنتنهای جهتدار و مقاوم به چندمسیره
- فیلترهای نرمافزاری ضد انعکاس در گیرنده
تداخل، جمر و حملات جعل سیگنال
- سیگنالهای GPS ضعیف هستند و بهراحتی توسط پارازیتهای رادیویی (Jamming) یا سیگنالهای جعلی (Spoofing) دچار اختلال میشوند.
- تکنیکهای مقابله شامل پهنای باند گسترده (Spread Spectrum)، آنتنهای ضد پارازیت و الگوریتمهای صحتسنجی سیگنال است.
راهحلهای مقابلهای و تقویتی
استفاده از چندفرکانسهها و آنتن ضد پارازیت
گیرندههایی که به چند فرکانس مثل L1، L2، L5 دسترسی دارند، میتوانند خطاهای سیگنال را بهتر جبران کرده و در برابر تداخل مقاومت بیشتری داشته باشند.
الگوریتمهای تصحیح خطا و صحتسنجی سیگنال
برخی سامانهها مانند WAAS، EGNOS با ارسال سیگنالهای تصحیحی به کاربران، دقت GPS را از چند متر به زیر یک متر میرسانند. همچنین استفاده از الگوریتمهای تطبیقی و بررسی منبع سیگنال، به تشخیص سیگنالهای جعلی کمک میکند.
جمعبندی و آینده سیگنالهای GPS
سیگنالهای GPS با وجود ساختار ساده در ظاهر، بسیار پیشرفته، دقیق و قابل اعتماد هستند. با معرفی سیگنالهای مدرن L5 و L1C، آینده GPS بهسمت افزایش دقت، امنیت و سازگاری جهانی با سامانههای GNSS دیگر حرکت میکند. همچنین، توسعه گیرندههای چندفرکانسه و مقاوم به پارازیت، تضمینکننده عملکرد پایدار این فناوری در محیطهای پیچیده آینده خواهد بود.
بدون دیدگاه