با گسترش وابستگی فناوریهای نوین به موقعیتیابی دقیق، سامانههای ناوبری ماهوارهای جهانی (GNSS) به یکی از ارکان حیاتی در حوزههای مهندسی، حملونقل، هوافضا و ارتباطات تبدیل شدهاند. برخلاف تصور رایج، GNSS تنها به GPS محدود نمیشود؛ بلکه شامل چند سامانه مستقل دیگر نیز هست که هریک با معماری خاص، دقت متفاوت و گستره پوشش منحصربهفرد، نقش مهمی در مکانیابی جهانی ایفا میکنند.
این مقاله به معرفی و مقایسه چهار سامانه اصلی GNSS یعنی GPS، GLONASS، Galileo و BeiDouو IRNSS،QZSS میپردازد و با نگاهی فنی، تفاوتها و قابلیتهای کلیدی آنها را بررسی میکند.
سامانههای فعال GNSS: ساختار، ویژگیها و تفاوتها
در حال حاضر چهار سامانه موقعیتیابی ماهوارهای جهانی (GNSS) بهصورت عملیاتی در سطح بینالمللی فعال هستند. هر یک از این سامانهها توسط یک کشور یا مجموعهای از کشورها طراحی، اجرا و پشتیبانی شده و از نظر ساختار مداری، تعداد ماهوارهها، نوع سیگنال و دقت عملکرد با یکدیگر تفاوتهایی دارند. در این مقاله، این سامانهها بهصورت مجزا و دقیق بررسی میشوند:
۱. GPS (Global Positioning System) – ایالات متحده آمریکا
سامانه GPS نخستین سامانه عملیاتی موقعیتیابی جهانی و همچنان پرکاربردترین سیستم در جهان است. این سامانه توسط وزارت دفاع آمریکا توسعه یافته و از سال 1995 بهطور رسمی بهرهبرداری شد.
- ساختار مداری: شامل حداقل 24 ماهواره در مدار زمینمیانی (MEO) با ارتفاع 20٬200 کیلومتر، در شش صفحه مداری با زاویه میل 55 درجه است.
- فرکانسها و سیگنالها: سیگنالهای L1، L2 و L5. سیگنال L1 حاوی کد عمومی C/A برای کاربردهای تجاری و غیرنظامی است، در حالی که سیگنالهای L2 و L5 برای کاربردهای دقیقتر و حرفهایتر استفاده میشوند.
- دقت عملکرد: دقت عمومی در حدود ۵ متر؛ با استفاده از RTK یا SBAS، دقت زیر سانتیمتر قابل دستیابی است.
- کاربردها: از ناوبری خودرو و تلفن همراه تا کاربردهای نظامی، نقشهبرداری، کشاورزی دقیق و هوانوردی.
۲. GLONASS (Global Navigation Satellite System) – روسیه
سامانه موقعیتیابی ملی روسیه که توسعه آن از دهه ۱۹۸۰ آغاز شد و در سال ۱۹۹۶ به بهرهبرداری رسید. پس از دورهای افول، در دهه ۲۰۰۰ بازسازی و ارتقاء یافت.
- ساختار مداری: دارای ۲۴ ماهواره فعال در مدار MEO با ارتفاع ۱۹٬۱۰۰ کیلومتر و زاویه میل ۶۴٫۸ درجه، که پوشش بهتری را در عرضهای جغرافیایی بالا (شمالی) فراهم میکند.
- ویژگی مدولاسیون: نسلهای اولیه از FDMA استفاده میکردند، اما نسخههای جدیدتر مانند GLONASS-K از CDMA پشتیبانی میکنند، مشابه GPS.
- دقت: در سطح عمومی مشابه GPS (حدود ۵ متر) و در صورت استفاده ترکیبی با سیستمهای دیگر، دقت افزایش مییابد.
- مزیت نسبی: عملکرد مطلوب در مناطق قطبی و شمالی.
۳. Galileo – اتحادیه اروپا
Galileo سامانه ناوبری مستقل اتحادیه اروپا است که با تأکید بر کاربردهای غیرنظامی و دقت بالا طراحی شده است. این سامانه در سال ۲۰۱۶ وارد فاز عملیاتی اولیه شد و از سال ۲۰۲۳ با بیش از ۲۶ ماهواره در حال ارائه خدمات کامل است.
- ساختار مداری: ماهوارهها در مدار MEO با ارتفاع ۲۳٬۲۲۲ کیلومتر و در سه صفحه مداری با زاویه میل ۵۶ درجه قرار دارند.
- سیگنالها: سیگنالهای E1، E5 و E6، با مدولاسیونهای پیشرفته مانند AltBOC که کیفیت سیگنال و دقت را نسبت به سایر سیستمها افزایش میدهند.
- دقت: دقت آزاد عمومی حدود ۱–۲ متر؛ در حالتهای تصحیحشده و حرفهای، دقت به زیر ۱ سانتیمتر نیز میرسد.
- ویژگیهای منحصربهفرد: خدمات رمزنگاریشده برای کاربران دولتی، خدمات اضطراری (SOS)، و قابلیت همپوشانی با GPS و GLONASS.
۴. BeiDou – جمهوری خلق چین
BeiDou یا BDS، سامانه موقعیتیابی مستقل چین است که در سه مرحله توسعه یافته و نسل سوم آن (BeiDou-3) از سال ۲۰۲۰ بهصورت جهانی قابل استفاده شده است.
- ساختار ترکیبی: این سامانه از ترکیب سه نوع مدار بهره میبرد:
- ماهوارههای MEO برای پوشش جهانی
- ماهوارههای GEO (زمینثابت) برای پوشش منطقهای پایدار
- ماهوارههای IGSO (مدار مایل زمینهمزمان) برای بهینهسازی در مناطق خاص
- سیگنالها: سیگنالهای B1، B2، B3 با فرکانسهای چندگانه، مناسب برای کاربردهای عمومی و حرفهای.
- ویژگی خاص: امکان ارسال پیامهای متنی کوتاه از طریق ماهوارهها در داخل چین.
- کاربردها: از صنایع نظامی گرفته تا خدمات شهری، لجستیک، حملونقل هوشمند و موقعیتیابی اضطراری.
۵. IRNSS / NavIC – هند 🇮🇳
سامانه IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) که با نام تجاری NavIC نیز شناخته میشود، سامانه موقعیتیابی منطقهای هند است. این سامانه برای ارائه خدمات ناوبری دقیق در محدوده جغرافیایی جنوب آسیا و حواشی آن طراحی شده است.
- ساختار مداری: شامل ۷ ماهواره در مدارهای GEO و IGSO با پوشش منطقهای تا شعاع حدود ۱۵۰۰ کیلومتر از مرزهای هند.
- خدمات: دارای دو نوع خدمات:
- خدمت استاندارد (SPS) برای کاربران غیرنظامی
- خدمت محدود (RS) برای کاربران مجاز (نظامی و دولتی)
- فرکانسها: سیگنالهای L5 و S-band، که در مقایسه با بسیاری از سامانههای جهانی، تنوع فرکانسی بالایی ندارند اما برای منطقه تحت پوشش کافیاند.
- دقت: دقت عمومی کمتر از ۲۰ متر در مناطق شهری هند؛ در حالت تصحیحشده، دقت بالاتری نیز گزارش شده است.
- کاربردها: در هندوستان در زمینههایی مانند حملونقل جادهای، مدیریت بلایای طبیعی، کشاورزی، و خدمات عمومی مورد استفاده قرار میگیرد.
- مزیت نسبی: طراحی بومی، خدمات پایدار در منطقه تحت پوشش، مناسب برای استفاده در ترکیب با سامانههای جهانی.
۶. QZSS – ژاپن 🇯🇵
سامانه QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) توسط ژاپن برای افزایش دقت و قابلیت اطمینان خدمات GNSS در نواحی شهری و کوهستانی شرق آسیا توسعه یافته است.
- ساختار مداری: شامل ۴ ماهواره اصلی (با برنامه افزایش به ۷) در مدارهای شبه-زنیثی (Quasi-Zenith) که بیشتر زمان خود را بالای ژاپن و شرق آسیا میگذرانند؛ ترکیبی از مدارهای IGSO و GEO.
- هدف: مکمل سامانههای جهانی (مخصوصاً GPS) در مناطقی با پوشش ضعیف مانند محیطهای شهری بلند یا درههای کوهستانی.
- خدمات:
- L1C/A، L1C، L2C، L5، L6؛ سیگنالها کاملاً سازگار با GPS و بخشی از Galileo و BeiDou.
- SLAS و CLAS: خدمات اصلاح دقت برای کاربران ماهوارهای.
- دقت: در ترکیب با GPS و خدمات اصلاح محلی، دقت به زیر یک متر و حتی در برخی کاربردهای RTK به سطح سانتیمتری میرسد.
- کاربردها: هوانوردی، حملونقل هوشمند، کشاورزی دقیق، خدمات اضطراری، و فناوریهای خودران.
- مزیت نسبی: طراحی برای مناطق پرچالش جغرافیایی، پوشش بسیار پایدار در آسیا، یکپارچه با GPS.
- در ادامه به علت اینکه دوسامانه IRNSS و QZSS هنوز به طور کامل در سطح جهانی فراگیر و فعال نشدند در جدول مقایسه قرار ندادیم.
جدول مقایسهای چهار سامانه GNSS:
BeiDou 🇨🇳 Galileo 🇪🇺 GLONASS 🇷🇺 GPS 🇺🇸
کشور توسعهدهنده | آمریکا | روسیه | اتحادیه اروپا | چین |
بهرهبرداری رسمی | ۱۹۹۵ | ۱۹۹۶ | ۲۰۱۶–۲۰۲۳ | ۲۰۲۰ |
تعداد ماهواره | ۲۴+ | ۲۴+ | ۲۶+ | ۳۵+ |
مدارها | MEO | MEO | MEO | MEO, GEO, IGSO |
فرکانسها | L1, L2, L5 | L1, L2 | E1, E5, E6 | B1, B2, B3 |
مدولاسیون | CDMA | FDMA/CDMA | AltBOC | BOC, QPSK |
دقت عمومی | ~۵ متر | ~۵ متر | ۱–۲ متر | ۲–۵ متر |
دقت RTK | سانتیمتر | سانتیمتر | زیر سانتیمتر | زیر سانتیمتر |
ویژگی خاص | پرکاربردترین سیستم | مناسب مناطق قطبی | دقت بالا + خدمات غیرنظامی | ارسال پیام + طراحی ترکیبی |
جمعبندی
درک ساختار و تفاوتهای میان سامانههای GNSS برای انتخاب و طراحی سیستمهای ناوبری دقیق، هوشمند و پایدار اهمیت زیادی دارد. امروزه بسیاری از گیرندههای حرفهای از قابلیت چندسامانهای (Multi-GNSS) برخوردارند، که با ترکیب سیگنالهای این سامانهها، دقت، پایداری و پوشش را بهطور چشمگیری افزایش میدهند.