بررسی سیستمهای ناوبری ماهواره ای (GNSS)
GNSS یا Global Navigation Satellite System سیستمهایی هستند که به گیرنده های 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، تنها سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) تمام فعال متعلق به آمریکاست که NAVSTAR نام دارد. GLONASS روسیه در حال بازسازی است تا به حالت تمام فعال بازگردد. کشور چین اعلام کرده تا سال 2015 سیستم موقعیت یاب محلی Beidou را با سیستم ناوبری جهانی خود یعنی COMPASS ترکیب میکند. سیستم ناوبری اتحادیه اروپا با نام گالیله (Galileo) در مرحله توسعه است و طبق برنامه باید تا 2013 فعال شود.


دسته بندی:
GNSSها بر اساس میزان دقتی که دارند همچنین قابلیت مانیتورینگ آنها برای استفاده عموم به رده های زیر تقسیم میشوند:

GNSS-1: نسل اول سیستم و ترکیبی است از ماهواره های ناوبری موجود (GPS یا GLONASS) با ایستگاههای تقویت ماهواره ای (SBAS - Satellite Based Augmentation Systems) یا زمینی (GBAS - Ground Based Augmentation Systems). در آمریکا بخش ماهواره ای 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 ماهواره ای چندکاره (MASAS - Multi-Functional Satellite Augmentation System). ایستگاههای تقویت زمینی معمولا از سیستم تقویت محلی (LAAS - Local Area Augmentation System) تشکیل شده اند.


GNSS-2: نسل دوم سیستمهای ناوبری هستند که بطور مستقل کاربرد غیرنظامی سیستم را فراهم میکنند (مانند گالیله اروپا) این سیستمها دقت و کارایی مورد نیاز کاربردهای غیرنظامی سیستم را در اختیار قرار میدهند. این سیستمها از فرکانسهای L1 و L2 برای کاربرد غیرنظامی و فرکانس L5 برای همگرایی استفاده میشود.

Core Satellite:ماهواره های اصلی سیستم ناوبری. در حال حاضر GPS،Galileo و GLONASS
SBAS: سیستمهای تقویت سراسری ماهواره ای مانند Omnistar و StarFire
SBASهای محلی: WAAS آمریکا، EGNOS اروپا، MSAS ژاپن و GAGAN هندوستان
SNSهای محلی: یا سیستمهای ناوبری ماهواره ای محلی مانند QZSS ژاپن، IRNSS هندوستان و Beidou چین
GBAS قاره ای: مانند GRAS استرالیا DGPS آمریکا(مربوط به سازمان حمل و نقل)
GBAS محلی: مانند شبکه های CORS
GBAS محلی نمونه گیری شده از یک ایستگاه اصلاح زمان واقعی جنبشها (RTK) متعلق به GPS


تاریخچه:
اسلاف سیستمهای فعلی، DECCA، LORAN و Omega بودند که از ایستگاههای فرستنده رادیویی موج بلند زمینی بجای 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 گیرنده ها 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 ماهواره ای Transit نام داشت که در دهه 1960 میلادی توسط ارتش ایالات متحده ساخته شد. نحوه کار این سیستم بر اساس اثر داپلر (Doppler effect) استوار بود. به این صورت که ماهواره هایی که در یک مدار مشخص در حرکت بودند سیگنالهایی را در فرکانسهای معین ارسال میکردند. فرکانس دریافتی بصورت واضحی با فرکانس ارسالی تفاوت دارد که آنهم بدلیل حرکت مشخص ماهواره بود. با بررسی این فرکانسها در یک زمان بسیار کوتاه موقعیت تقریبی گیرنده مشخص میشد که بعدها شیوه های اندازه گیری 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 ماهواره ها را زیرنظر دارد. اگر ماهواره ای کمی از مدار منحرف شد، این سازمان اطلاعات لازم را برای اطلاح 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 داده ای ارسال میشود که حاوی کدی است که بعنوان مرجع زمانبندی استفاده میشود. ماهواره ها از ساعتهای اتمی برای همزمان سازی 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 ماهواره های دیگر در ارتباط با این گیرنده انجام میشود و سپس محل دقیق گیرنده مشخص میشود.

هر اندازه گیری مسافتی، موقعیت گیرنده تا فرستنده را روی یک کره مشخص میکند. در مورد گیرنده هایی که با سرعت بالا حرکت میکنند، موقعیت امواج ارسالی آنها تغییر میکند. همچنین اطلاعات دریافتی از ماهواره ها نیز متفاوت است. ضمنا سرعت امواج رادیویی در برخی لایه های جو از جمله یونوسفر کمتر است که بستگی به زاویه ماهواره به گیرنده دارد. آسانترین راه حل اینست که در هر لحظه 4 ماهواره در معرض دید گیرنده باشند. در حالت بهتر ترکیب ماهواره ها با ایستگاهها و استفاده از تکنیکهایی چون غربال کالمن (Kalman filtering) برای انجام محاسبات دقیقتر در شرایط سخت تر و پیچیده تر، بهترین جواب را خواهد داد.


کاربردهای نظامی و غیرنظامی:
GNSS در اصل برای کاربردهای نظامی طراحی شده اند. ناوبری ماهواره ای 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 ماهواره ای به نیروها جهت حرکت و شناسایی موقعیت فعلی خود و سایر همرزمان حتی در شرایط سخت محیطی کمک میکند.

این نوع ناوبری میتواند بعنوان 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. بهمین جهت، سیستم ناوبری ماهواره ای میتواند بعنوان یک ابزار قدرتمند در هر ارتشی باشد.


در امور غیرنظامی کاربردهای فراوانی برای GNSS تعریف شده است:
ناوبری یا هدایت (از دستگاههای کوچک دستی تا ماشینها، کشتیها و هواپیماها)
تنظیم زمان
سرویهای محلی مانند enhanced911
عملیات نجات
وارد کردن اطلاعات در نقشه های 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.

سیستمهای ناوبری فعال:
GPS
Global Positioning System: سیستم ناوبری آمریکا که از سال 2007 تنها سیستم تمام فعال است که در تمام دنیا قابل استفاده است. این سیستم بر پایه بیش از 32 ماهواره استوار است که در مدارهای میانی زمین در حرکتند (این عدد شامل ماهواره های قدیم و جایگزین شده هم هست). این سیستم از سال 1978 فعال شده و از سال 1994 در تمام جهان در دسترس است. این سیستم در حال حاظر کاربردی ترین 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 2010 با کمک هند مجددا به حالت تمام فعال برگردد.

سیستمهای در حال آماده سازی:

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 30 مدارگرد (که در مدارات میانی در حرکتند) و 5 ماهواره ثابت تشکیل شده است. 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 2002 اتحادیه اروپا و آژانس فضایی اروپا در مورد جانشین GPS یعنی Galileo positioning system به توافق رسیدند. با بودجه اختصاصی 2.4 میلیارد پوندی طبق برنامه این سیستم تا 2012 آغاز به کار میکند. اولین ماهواره آزمایشی در 28 سپتامبر 2005 پرتاب شد. پیش بینی میشود این سیستم با GPS ارتقا یافته موجود هماهنگی داشته و گیرنده ها بتوانند از هر دوی این فن آوری ها استفاده کنند.


سیستمهای 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 ماهواره ای که در حقیقت یک سیستم تصحیح مسیر مشابه سیستمهای ناوبری میباشد و متعلق به کشور فرانسه است.
IRNSS:
Indian Regional Navigational Satellite System - سیستم ناوبری ماهواره ای 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 می 2006 به اجرا درآورد که تا سال 2012 پیاده سازی آن به اتمام خواهد رسید. این سیستم از 7 ماهواره مستقر در مدار ثابت تشکیل شده که دقتی نزدیک 20 متر دارد و تا شعاع 2000 کیلومتری اطراف هند را هم پوشش میدهد.
QZSS:
Quasi-Zenith Satellite System - متشکل از 3 ماهواره است که یک سیستم همسان سازی زمانی و توسعه ای بر GPS آمریکاست و کشور ژاپن را پوشش میدهد. طبق برنامه اولین ماهواره این سیستم در سال 2009 پرتاب میشود.

تقویت GNSS:
سیستمی که با دریافت اطلاعات خارجی، دقت و قابلیت اعتماد سیستم ناوبری ماهواره ای را افزایش میدهد. هم اکنون سنسورهای زیادی روی زمین وجود دارند که اطلاعات GNSS را دریافت و پردازش میکنند. بعضی از این سنسورها، اطلاعات اضافه تری در مورد منشا خطاها اعلام میکنند و نحوه اندازه گیری موقعیت را هم مشخص میکنند. نمونه های این ایستگاهها در بالا معرفی شده اند.