Radiophysics

Պատմական ակնարկ

Արբանյակային դիրքորոշման ստեղծման գաղափարը ծնվել է դեռ 50-ական թվականներին: Այդ ժամանակ, երբ ԽՍՀՄ-ի կողմից բաց թողնվեց Երկրի առաջին արհեստական արբանյակը (ԵԱԱ), ամերիկացի գիտնականները Ռիչարդ Կերշների գլխավորությամբ հետոզոտում էին ուսումնախորհրդային արբանյակից եկած ազդանշանները: Ուսումնասիրությունների ընթացքում նրանք հայտնաբերեցին, որ շնորհիվ Դոպլերի էֆեկտի, ընդունվող ազդանշանի հաճախությունը արբանյակի մոտեցման ժամանակ մեծանում է և փոքրանում` հեռանալիս: Բացահայտման էությունը նրանում է, որ եթե ճշգրիտ իմանալ սեփական կոորդինատները Երկրի վրա, ապա հնարավոր կլինի որոշել արբանյակի դիրքը և արագությունը, և ընդհակառակը, ճշգրիտ իմանալով արբանյակի դիրքը կարելի է որոշել սեփական կոորդինատները և արագությունը: Այս գաղափարը իրականացվեց 20 տարի անց: 1973 թ. նախագծվեց DNSS ծրագիրը, որը հետագայում վերանվանվեց NAVSTAR-GPS, իսկ հետո GPS (ԳԴՀ): Առաջին փորձնական արբանյակը հանվեց ուղեծիր 1974 թվականի հուլիսի 14-ին, իսկ Երկրի ողջ մակերևույթի ծածկույթը ապահովելու համար անհրաժեշտ 24 արբանյակներից վերջինը 1993 թվականին: Սկզում GPS-ը մշակվել էր որպես ռազմական նախագիծ: Բայց 1983 թվականից այն սկսվեց մասամբ օգտագործվել քաղաքացիական նպատակներով: Նմանատիպ համակարգերից է նաև ռուսական GLONASS–ն, եվրոպական Galileo Դիրքորոշման Համակարգն, չինական COMPASS նավիգացիոն համակարգն և հնդկական IRNSS–ն։

GPS (Global Positioning System)

GPS-ը (Գլոբալ Դիրքորոշման Համակարգ) միակ լիիրավ գործող Գլոբալ Նավիգացիոն Արբանյակային Համակարգն է (ԳՆԱՀ), որը բաղկացած է 24 արբանյակներից, որոնք հեռարձակում են ճշգրիտ միկրոալիքային ազդանշաններ, հնարավորություն տալով ԳԴՀ ընդունիչներին որոշելու իրենց դիրքը, արագությունը, ուղղությունը և ժամանակը։ Այն ստեղծվել է Միացյալ Նահանգների Պաշտպանության նախարարության կողմից։ GPS-ն կազմված է երեք հիմնական սեգմենտներից՝ տիեզերական սեգմենտից (ՏՍ), կառավարման սեգմենտից (ԿՍ) և օգտագործողի սեգմենտից (ՕՍ)։ Տիեզերական սեգմենտն իր մեջ ընդգրկում է GPS արբանյակներին՝ թվով 24–ը , որոնք դասակարգված են 6 հարթությունների վրա: Սովորական GPS ընդունիչը որոշում է իր դիրքն հիմնվելով չորս և ավելի GPS արբանյակներից ստացված ազդանշանների վրա։ Այդ ստացված ինֆորմացիայի հիման վրա որոշվում են դիրքային պարամետրերը՝ x, y, z, և ժամանակը՝ t։ Ուղեծրերը դասավորված են այնպես, որ երկրի կամայական կետից գրեթե միշտ հասանելի են 6 հատ արբանյակ: Օրբիտալ հարթությունների թեքվածության անկյունը կազմում է ψ=55˚: Գտնվելով 20200կմ բարձրության վրա, յուրաքանչյուր արբանյակ մեկ աստղային օրվա ընթացքում կատարում է երկու լրիվ պտույտ: Արբանյակների պտտման պարբերությունը T=12 ժամ է, այսինքն GPS-ի ՏՆՍ-ների օրբիտաները հանդիսանում են սինխրոնացված: Կառավարման սեգմենտի մեջ մտնում են GPS–ն վերահսկող երեք մոնիթորինգային կայաններն, որոնք պարբերաբար ուղարկում են նավիգացիոն ճշտումներ արբանյակներին: Օգտագործողի սեգմենտն իրենից ներկայացնում է GPS ընդունիչ։ Հիմնականում GPS ընդունիչները կազմված են ալեհավաքից՝ որը ծրագրված է ստանալու GPS–ի կողմից հեռարձակվող ալիքները, պրոցեսորից և բավականին կայուն ժամացույցից (հիմնականում քվարցային): Յուրաքանչյուր GPS արբանյակ հեռարձակում է հաղորդագրություններ, որոնք պարունակում են հաղորդագրության ուղարկման ժամանակն, հեռարձակող արբանյակի դիրքի հաշվման համար անհրաժեշտ պարամետրերը, և արբանյակների վիճակագրային պարամետրերը: Ազդանշանները փոխանցվում են լույսի արագությամբ մինչև երկրին հասնելը, և փոքր-ինչ ավելի դանդաղ մթնոլորտի միջով։ Ընդունիչը՝ օգտագործելով հաղորդագրության ստացման ժամանակը, հաշվում է իր հեռավորությունը յուրաքանչյուր արբանյակից, ինչի շնորհիվ այն որոշում է իր դիրքը։

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система)

Խորհրդային և ռուսական նավիգացիոն արբանյակային համակարգ է, որը մշակվել է ԽՍՀՄ-ի պաշտպանության նախարարության պատվերով: Համակարգը կազմված է 24 արբանբյակներից, որոնք գտնվում են Երկրից 19100 կմ բարձրության վրա: Օրբիտալ հարթությունների թեքվածության անկյունը կազմում է ψ=64.8˚: Արբանյակների պտտման պարբերությունը T=11 ժամ 15 րոպե 44 վայրկյան: Այսպիսի պարբերությամբ օրբիտաները հանդիսանում են ոչ սինխրոնացված: Յուրաքանչյուր օրբիտալային հարթության վրա գտնվում են 8 արբանյակներ, որոնք դասավորված են իրարից 45˚ լայնական հեռավորության վրա: Չափումների սկզբունքը համանման է ամերիկյան GPS համակարգին:

ԳԱԼԻԼԵՈ (Galileo)

Եվրոպական միության և Եվրոպական տիեզերական գործակալության նավիգացիոն արբանյակային համակարգի համատեղ նախագիծ է: Հանդիսանում է Trans-European տրանսպորտային նախագծի մի մասը: Համակարգը նախատեսված է ցանկացած շարժական օբյեկտների նավիգացիոն խնդիրների լուծման համար` մինչև 1 մետր ճշտությամբ: Գալիլեոն բաղկացած է 30 արբանյակներից, որոնք գտնվում են 23616 կմ բարձրության վրա՝ 3 օրբիտաներում: Օրբիտալ հարթությունների թեքվածության անկյունը կազմում է ψ=56˚: Թեքվածության մեծությունը ընտրված է այն սկզբունքով, որ ԳԱԼԻԼԵՈ ԳԴԱՀ-ն ապահովի լավ նավիգացիա հատկապես հյուսիսային կիսագնդում:

Աշխատանքի ընդհանուր սկզբունքը

Մերձերկրյա տարածության մեջ տեղադրված է Երկրի արհեստական արբանյակների մի ցանց (ԵԱԱ), որը հավասարաչափ §ծածկում է¦ ամբողջ երկրային մակերևույթը: ԵԱԱ-երի վրա տեղադրված են միջանկյալ ռադիոտվիչներ, որոնք հիմք հանդիսացան կապի արբանյակային համակարգի ստեղծման համար (ԿԱՀ): Բավականին բարձր ուղեծրերի դեպքում ԵԱԱ-ից երևում է երկրի մակերևույթի մետ 1/3, ուստի այդ տարածքում գտնվող ցանկացած կայան կարող է անմիջականորեն կապվել արբանյակի ռադիոտվիչների հետ: 3 ԵԱԱ-ները տեսականորեն կարող են ստեղծել կապի գլոբալ համակարգ: ԵԱԱ-ների ուղեծրերը հաշվարկվում են շատ բարձր ճշգրտությամբ, այդ պատճառով ժամանակի ցանկացած պահի հայտնի են յուրաքանչյուր արբանյակի կոորդինատները: Արբանյակների ռադիոտվիչները անընդմեջ ազդանշաններ են ճառագայթում Երկրի ուղղությամբ: Այդ ազդանշաններն ընդունվում են GPS ընդունիչի կողմից, որը գտնվում է Երկրի մակերևույթի մի որոշ կետում, որի կոորդինատները հարկավոր է որոշել: Ենթադրենք հայտնի է դիտարկվող կետից մինչև ինչ որ արբանյակ հեռավորությունը և մենք կարող ենք գծել մի գունդ՝ տրված շառավղով: Եթե մենք իմանանք նաև դիտարկվող կետի երկրորդ արբանյակից եղած հեռավորությունը ապա՝ գծելով երկրորդ գունդը, կտեսնենք, որ այն ընկած կլինի գնդերի հատումից առաջացած շրջանի մեջ: Երրորդ արբանյակը կվորոշի երկու կետ , որոնցից մեկը միշտ կարող ենք դեն նետել , քանի որ այն կամ կունենա բավականին մեծ արագություն , կամ կգտնվի երկրի մակերևույթից ցածր կամ բարձր : Չորրորդ արբանյակը թույլ կտա վերջնականապես գտնել դիտարկվող կետի դիրքը: Այսպիսով GPS համակարգով տեղորոշման խնդիրը լուծելու համար անհրաժեշտ է ՝

1. ճիշտ գտնել արբանըակից եղած հեռավորությունը : Արբանյակից հեռավորությունը չափելու համար ՝ ռադիոալիքի՝ արբանյակից ընդունիչ տարածման ժամանակը բազմապատկում են լույսի առագությանը: Վորպիսզի իմանանք տարածման արագությունը անհրաժեշտ է իմանալ թե երբ է ազդանշանը լքել արբանյակը : Արբանյակի վրա տեղադրված է ատոմային ժամացույց , որի ճշտուրյունը հասնում է մինչև նանովարկյանի: Սակայն GPS ընդունիչի վրա ատոմային ժամացույց տեղադրելը շատ ծախսատար է : Այդ պատճառով չորրորդ արբանյակից ստացված չափումները նախատեսված են ժամանակի այդ սխալները լրացնելու համար: Այսպիսով մեր երկրորդ խնդիրը կլինի՝

2.ճիշտ համատեղել արբանյակի և GPS ընդունիչի ժամանակները: քանի վոր եթե այդ տարբերությունը հասնի 0.01 վարկյանի հեռավորությունը կստացվի 2993 կմ սխալով:

3.մինչև հիմա մենք համարում էինք, որ գիտենք թե տիեզերքում որտեղ է գտնվում արբանըակը: Մեզ հայտնի են արբանյակների ուղեծիրները ,որոնք տեղադրված են նրանց համակարգիչների մեջ: Բարձր ճշտություն ապահովելու համար արբանյակները Երկրի շուրջ պտույտեն կատարում 12 ժամում՝ արբանյակները անցնում են վերահսկման կայանների մոտով երկու անգամ : Դա թույլ է տալիս որոշել արբանյակի բարձրությունը , դիրքը և արագությունը:

4.Իոնոսֆերային և տրոպոսֆերային ուշացումները : իոնոսֆերայում՝ 120-ից 200 կմ բարձրության վրա լիցքավորվաքծ մասնիկները էականապես ազդումեն ազդանծանի տարաքման վրա: Այդ սխալքները վերացնելու համար կա երկու ձև : Առաջին հերթին կարող ենք գու շակել , թե ինչքան կլինեն այդ սխալները: Այլ տարբերակ է համեմատել երկու տարբեր կրող հաճախություններ ունեցող ազդանշանները: Այս մեթոդը բարդ է , այդ պատճառով այն օգտագործվում է ավելի ճշգրիտ սարքերում (օրինակ երկհաճախային GPS ընդունիչներում):

5.մնացած տիպի սխալքները:դրանք պայմանավորված են GPS ընդունիչի աշխատանքի խափանումից: Նշված բոլոր սխալքները գումարվում են և GPS ընդունիչին հաղորդւմ սխալի ինչ որ աստիճան: