سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) و آنتن های GPS

سیستم GPS

بیشتر گیرنده های GPS همگانی از داده های شبیه سازی شده (C/A code) موجود در کانال GPS L1 (1575.42 MHz) استفاده کرده و می توانند داده هایSBAS DGPS را با دقت متر دریافت کنند.

گیرنده های GPS همگانی پیشرفته و گرانقیمت می توانند از روش قبل به علاوه صاف کننده فاز حامل، داده های فاز حامل (RTK) همچون مسیریابی شبه-بدون کد P(Y) کانال L2 (1227.60 MHz) برای داده های یونسفری مکانی در لحظه با دقت سانتیمتر یا حتی میلیمتر استفاده کنند.

بعضی از گیرنده های GNSS پیشرفته تر حتی می توانند داده های DGPS و RTK را ترکیب کرده و سایر صور فلکی ماهواره GNSS (GLONASS و GALILEO) و سایر کانال ها (L2C, L5, …) را در همان زمان دریافت کنند تا دقت و اطمینان fix را افزایش دهند.

گیرنده های نظامی GPS قادر به ترجمه کد P(Y) موجود در کانال های L1 و L2 هستند که دقت ده برابری را در مقایسه با خروجی شبیه سازی شده دارد.

چند مسیری شدن GPS

چند مسیری شدن، موجب خطای موقعیت GPS می شود که کشف و جبران آن مشکل است. گیرنده های چندگانه GNSS به لطف تعداد بیشتر ماهواره های قابل رویت در زمان یکسان برای فیلتر کردن چند مسیری مناسب هستند.

انتشار سیگنال اغتشاش دار شده GPS

اغتشاشات یونسفری و طوفان های مغناطیسی (فعالیت های خورشیدی) می توانند باعث تاخیر های سیگنالی شوند. بخشی از این مساله می تواند آن با استفاده از ترجمه کد SBAS و L1/L2 جبران شود.

ترجمه کردن کانال های L1 و L2 بطور همزمان امکان تصحیح یونسفری در لحظه را با تکنیکی متفاوت می دهد. برعکس داده های یونسفری انتشار SBAS، این روش، تطابق بهتری را به شرایط یونسفری محلی می دهد.

کانال های جدید (L2C, L5) برای استفاده عمومی، جمع آوری سیگنال و دقت مکانی را به محض اینکه شرایط ماهواره های جدید کامل شود (2015-2020)، تقویت خواهد کرد.

اطلاعات عملکرد GPS برای سناریو های مختلف

این مقادیر می توانند به عنوان پایه ای برای درک محدودیت های GPS در نظر گرفته شوند. به عنوان یک قاعده عمومی، فقط رویت آسمان صاف برای ماموریت خودکار، امن است!

دقت 3D GPS:

افق آزاد (رویت آسمان صاف): 2.5 m
چند مسیره شدن شدید (پرواز در پشت یا بین ساختمان ها): 26 m
زیر سقف: 55 m

در دسترس بودن GPS:

افق آزاد (رویت آسمان صاف): 99%
چند مسیره شدن شدید (پرواز در پشت یا بین ساختمان ها): 83%
زیر سقف: 14%

داده های DGPS

داده های DGPS تنها از اطلاعات شبیه سازی شده استفاده می کند. SBAS شکلی از تصحیح DGPS است که به طور رایگان از یک یا چند ماهواره ایستگاه فضایی موجود است.

هر ناحیه جهان یک سیستم SBAS محلی شده دارد: WAAS برای آمریکا، EGNOS برای اروپا، MSAS برای ژاپن. داده های DGPS دقت متر (سرویس رایگان) یا دسی متر (سرویس هزینه دار) را می دهد.

داده های RTK

داده های RTK از اطلاعات فاز حامل استفاده کرده و GPS پیشرفته پر هزینه را نیز مثل ایستگاه پایگاه RTK یا شبکه ای از ایستگاه های پایگاه RTK را که داده ها را با یک مودم یا اینترنت از طریق پروتکل RTMC منتشر می کند، نیاز دارد.

RTK در کاربرد های کم حرکت یا ساکن (مانند نقشه برداری یا مزرعه داری) آسان تر بوده و دقت سانتیمتر یا میلیمتر می دهد.

آنتن

مقدمه

آنتن ها بخشی حیاتی برای طراحی گیرنده های GPS هستند. حتی بهترین گیرنده نمی تواند اطلاعاتی را که به خاطر آنتن ضعیف، jmming یا طراحی برد RF از دست داده است، بازگرداند. سیگنال های GPS به شدت ضعیف بوده و نیاز مبرمی به آنتن دارند. انتخاب و نصب آنتن می تواند نقشی بینهایت موثر در عملکرد GPS ایفا کند.

اساس آنتن

فرضیات عمومی

یک گیرنده GPS نیاز به دریافت اطلاعات از ماهواره ها به هر تعداد ممکن می باشد. در خیابان های باریک و پارکینگ های زیرزمینی یا وقتی که آنتن با چیزی پوشیده شده باشد امکان عملکرد بهینه نیست. رویت ضعیف باعث دریفت موقعیت یا Time-To-First-Fix (TTFF) طولانی مدت می شود. بنابراین رویت خوب آسمان، یک مزیت مهم محسوب می شود. تنها زمانی که میانگین نسبت موج حامل به چگالی توان نویز (C/N₀) قوی ترین ماهواره به حداقل 44 dBHz برسد، گیرنده GPS به عملکرد تعیین شده برای آن دست می یابد. در یک سیستم با طراحی خوب، میانگین نسبت C/N₀ ماهواره ها می بایست بین 44 تا 50 دسی بل هرتز باشد. با یک آنتن اکتیو استاندارد موجود در بازار، مقدار 47 dBHz به سادگی بدست می آید.

ملزومات آنتن

برای عملکرد بهینه، از یک آنتن با بهره بالا (بیشتر از 4 dBic) و آنتن های اکتیو با LNA با شکل نویز پایین (کمتر از 2dB) استفاده کنید. آنتن مذکور به طور ایده آل دارای خصوصیات زیر است:

مقدار پایین بهره جهتی (شکل 1)
رویت پذیری خوب از آسمان
تطبیق خوب میان امپدانس آنتن و کابل
بهره بالا
فیلتر

الگوی تابش آنتن با بهره جهتی پایین (چپ) در برابر بهره جهتی بالا (راست)

قرار دادن آنتن

مکان قرارگیری آنتن برای عملکرد بهینه GPS، اساسی است. اگر از آنتن patch استفاده می کنید، صفحه آنتن باید با افق جغرافیایی موازی باشد. آنتن باید رویت کاملی را از آسمان داشته باشد که از تابش خطی از امواج از هر تعداد ممکن ماهواره مطمئن شد.

انتخاب اول قرار دادن	انتخاب دوم قرار دادن
مکان های پیشنهادی آنتن	عملکرد ضعیف می شود! اگر مکان های پیشنهادی قابل دسترس نبود، این مکان ها نیز قابل استفاده است.


توجه: احتمال دارد سیگنال های چند مسیره و رویت مسدود شده از آسمان باشد
توجه: شیلد فایبرگلاس سیگنال GPS/Galileo را تضعیف می کند

^* بعضی ماشین ها لایه ای فلزی بر روی شیشه خود دارند. دریافت GPS/GALILEO احتمالا بدون استفاده از تکنولوژی SuperSense ممکن نباشد. معمولا یک بخش کوچک در پشت آینه جلو وجود دارد که برای موبایل و GPS برعکس شده است.

آنتن را تا حد امکان از سیگنال های jamming یا تابشی دور قرار دهید.

آنتن های اکتیو و پسیو

آنتن های پسیو تنها المان تابشی – یعنی مسیر سرامیکی یا ساختار مارپیچی – را دارند. بعضی اوقات دارای شبکه پسیو نیز برای تطبیق اتصال الکتریکی به یک مقاومت 50 اهم را نیز دارند. آنتن های اکتیو یک تقویت کننده کم نویز (LNA) نیز دارند. این از دو نظر سودمند است. اول اینکه تلفات کابل بعد از LNA دیگر بر کل شکل نویز سیستم گیرنده GPS اثر ندارد. دوم، LNA در آنتن کمک می کند که شکل نویز کل سیستم را کاهش دهد که موجب حساسیت بهتر می شود. بعضی گیرنده ها طوری طراحی شده اند که تنها با آنتن های اکتیو عمل می کنند.

آنتن های اکتیو به یک منبع تغذیه نیاز دارند که معمولا 3 تا 20 mA به مصرف توان سیستم GPS اضافه می کنند. ولتاژ تغذیه به آنتن از طریق کابل کواکسیال RF تحویل داده می شود. مولفه DC از سیگنال RF در آنتن جدا شده و به درگاه تغذیه LNA می رسد.

اگر طول کابل بین گیرنده و آنتن از 10 cm تجاوز کند، آنتن اکتیو همواره پیشنهاد می شود. باید توجه داشت که بهره LNA منجر به اضافه بار گیرنده نشود. برای گیرنده هایی که با آنتن پسیو کار می کنند، مقدار بهره 15 dB حتی برای کابل های تا 5 متر کافی است. نیازی نیست که بهره LNA برای آنتن (در ورودی RF) در گیرنده های u-blox از 26 dB تجاوز کند. با کابل های کوتاه تر و بهره بالای 35 dB، ممکن است اضافه بار هایی در برخی گیرنده ها رخ دهد.

در مقایسه بین بهره آنتن اکتیو و پسیو، باید در نظر داشت که بهره آنتن اکتیو متشکل از دو مولفه است؛ بهره آنتن تابنده پسیو که با dBic داده شده و بهره توان LNA که با dB داده می شود. بهره پایین یک آنتن، نمی تواند با LNA با بهره بالا جبران شود. امکان این وجود ندارد که کیفیت آنتن را اگر یک سازنده بهره کلی را فراهم کند، قضاوت کرد. به اطلاعاتی از بهره آنتن (در dBic)، بهره تقویت کننده و نویز تقویت کننده نیاز است.

آنتن اکتیو	آنتن پسیو
+ به توانی بیش از (10 – 60 mW) آنتن پسیو نیاز دارد	+ چیزی به مصرف توان اضافه نمی کند
– در برابر عدم تطبیق کم یا طول کابل، بیشتر از پسیو مقاوم است	– آنتن باید به یک میکرو استریپ دقیق طراحی شده یا رابط حداکثر 10 cm به گیرنده GPS وصل شود تا از عملکرد GPS اطمینان حاصل شود
– کمک می کند که نویز گیرنده را کم نگه دارد	– سیگنال های jamming با میکرو استریپ تداخل پیدا کرده یا استریپ اثر منفی روی عملکرد می گذارد
– در کابل آنتن از jamming نسبت به پسیو کمتر اثر می گیرد	– تجربه طراحی RF نیاز است تا یک آنتن پسیو را به درستی طراحی کرد

آنتن های پسیو

سیگنال GPS موج پلاریزاسیون دایروی راستگرد (RHCP) است. این امر موجب می شود که شکل آنتن متفاوت از آنتن های شلاقی استفاده شده در سیگنال های پلاریزاسیون خطی باشد.

آنتن پچ

رایج ترین نوع آنتن برای کاربرد GPS آنتن پچ است. آنتن های پچ، صاف بوده و عموما دارای بدنه سرامیکی و فلزی هستند و بر روی یک بشقاب پایه فلزی قرار می کیرند. این آنتن ها اغلب در یک محفظه قرار می گیرند.

آنتن های پچ برای جاهایی که بر روی صفحه صاف قرار می گیرند مثل سقف ماشین، مفید هستند. آنتن های پچ می توانند بهره بسیار زیادی بدهند، مخصوصا اگر در بالای یک سطح بزرگ (70 x 70 mm) قرار بگیرند. آنتن های پچ سرامیکی بسیار رایج اند چراکه قیمت پایین و طیف وسیعی از ابعاد را دارند (40 x 40 mm تا 10 x 10 mm، عموما 25 x 25 mm).

از دیگر انواع آنتن ها می توان به آنتن های Helix، تک قطبی، دو قطبی، حلقوی، PIFA و آنتن High End GPS اشاره کرد.

در ادامه به مقایسه عملکرد سه نوع آنتن GPS (پسیو Geo Helix، اکتیو مینی پچ و اکتیو استاندارد) می پردازیم.

مقایسه عملکرد آنتن های GPS

عملکرد آنتن های GPS از 3DM-GX3 مقایسه شده است. هر آنتن به یک 3DM-GX3 -35 متصل شده و هر کدام بر یک میز چوبی در محیط بیرون با رویت کامل آسمان قرار داده شده اند. هر آنتن برای سرعت جمع آوری اطلاعات از ماهواره ها، اطلاعات DOP و کیفیت GPS fix آزمایش شده است. بعلاوه، هر آنتن برای اثر بر عملکرد مغناطیس سنج ارزیابی شده است.

سه آنتن تست شده است:

آنتن پسیو Geo Helix که به طور رایج در GPS های جیبی استفاده می شود
آنتن اکتیو پچ با کابل GLYN AGG055
آنتن اکتیو پچ استاندارد Gilsson که با محصولات MicroStrain می آید

Geo Helix پسیو، مینی پچ اکتیو و استاندارد اکتیو

چکیده نتایج

بهترین آنتن در عملکرد و آنتنی که به عنوان مرجع استفاده شد، آنتن پچ استاندارد اکتیو Gilsson است. این آنتن یک fix 3D را با 9 ماهواره زیر 30 ثانیه دریافت کرد. بهترین آنتن بعدی در عملکرد، آنتن پسیو Geo Helix است. این آنتن یک 3D fix را با 6 ماهواره در کمتر از 1 دقیقه دریافت کرد. این آنتن، یک آفست کوچک چند درجه ای روی مغناطیس سنج انداخت. با این آنتن، چه اینکه مستقیما یه سنسور وصل شود، چه از طریق یک سیم کوتاه؛ به یک کالیبراسیون میدان مغناطیس سنج برای بهترین عملکرد، نیاز است. آنتن پچ مینیاتوری Glyn اثبات کرد که عملکردی نا امید کننده داشته و بیش از 6 دقیقه زمان برد تا یک 3D fix را تنها از 3 ماهواره دریافت کند. DOP حاصله، ضعیف بود. از طرف دیگر، مشخص شد که این آنتن اثر کمی بر روی مغناطیس سنج دارد که نشان دهنده عدم نیاز به کالیبراسیون است.

Geo Helix

آنتن Geo Helix عملکرد نسبتا خوبی داشت. این آنتن یک 3D fix را با 6 ماهواره در کمتر از 1 دقیقه دریافت کرد. زمان GPS در 20 ثانیه به دست آمد. اطلاعات DOP زیر 3 ثانیه بود. شکل زیر را ببینید.

مغناطیس سنج از آنتن در محلی فیکس شده حدود 9” از سنسور، تاثیر زیادی نگرفت. یک آفست کمی در میدان ظاهر شد، اما اغتشاش قابل توجهی پدیدار نشد. شکل زیر را ببینید.

هنگامیکه Geo Helix مستقیما (بدون سیم رابط) به سنسور وصل شد، مغناطیس سنج، یک آفست با مقدار کمی بیشتر در جهتی متفاوت نشان داد. شکل زیر را ببینید.

نمودار کالیبراسیون آهن سخت و نرم Geo Helix

آنتن پچ اکتیو مینیاتوری GLYN AGG055

از آنجاییکه این آنتن، مشکلاتی را در جمع آوری ماهواره ها داشت و به یک پوزیشن ثابت نرسید، نا امید کننده بود. حدود 3 دقیقه تا جمع آوری ماهواره ها با پوزیشن دو بعدی زمان گرفته و 3 دقیقه دیگر تا به دست آوردن پوزیشنی سه بعدی و تنها با چهار ماهواره به طول انجامید. دو آنتن، آزمایش شده و هر دو نتایجی مشابه به دست آوردند. هر دو با و بدون بشقاب بزرگ زمینی و بهره آزمایش شده و نتایج تقریبا مشابه بود. شکل زیر را ببینید.

نکته مثبت اینکه این آنتن ها ظاهرا تاثیر بسزایی در خروجی مغناطیس سنج نداشتند که در مکان ثابتی حدودا 4” از سنسور واقع شده بود. شکل زیر را مشاهده کنید.

تصویر نمودار کالیبراسیون آهن نرم و سخت GLYN AGG055

آنتن پچ اکتیو استاندارد Gilsson

همانطور که انتظار می رفت، Gilsson بهترین عملکرد را در بدست آوردن پوزیشنی سه بعدی در زیر 30 ثانیه با 9 ماهواره و DOP نزدیک به 1 به دست آورد. شکل زیر را ببینید.