دليل ترددات GPS: ‏L1 وL2 وL5 وثنائي ومتعدد النطاقات

الإجابة المختصرة: يبث GPS على ثلاثة ترددات مدنية: L1 عند 1575.42 MHz وL2 عند 1227.60 MHz وL5 عند 1176.45 MHz، وجميعها مضاعفات لساعة مرجعية 10.23 MHz. وتتشارك Galileo وBeiDou الترددات المركزية لـ L1 وL5. تستخدم الأجهزة ثنائية النطاق نطاقين، عادةً L1 وL5 أو L1 وL2، لإزالة الخطأ الأيونوسفيري؛ وتتتبع أجهزة المساحة متعددة النطاقات ثلاثة نطاقات أو أكثر عبر جميع المنظومات لتحقيق RTK بدقة السنتيمتر أسرع وبموثوقية أعلى.

أهم النقاط

GPS L1 هو 1575.42 MHz، وL2 هو 1227.60 MHz، وL5 هو 1176.45 MHz، بما يساوي 154 و120 و115 ضعف 10.23 MHz.
يعتمد التأخير الأيونوسفيري على التردد، لذا يزيل الجمع بين نطاقين معظمه تقريبًا؛ أما الأجهزة أحادية النطاق فتحتاج إلى نمذجته.
تتشارك Galileo E1 وBeiDou B1C تردد GPS L1، وتتشارك Galileo E5a وBeiDou B2a تردد GPS L5.
إشارات GPS المستقبلة ضعيفة للغاية، نحو −158.5 dBW لإشارة L1 C/A، وهو أدنى من أرضية الضوضاء الحرارية.
لتحقيق RTK بدقة مساحية، يجب أن يغطي الهوائي كل نطاق يتتبعه الجهاز مع مركز طور مستقر في كل منها.

ما التردد الذي يستخدمه GPS؟

تستخدم خطة ترددات GPS ثلاثة ترددات حاملة مدنية في نطاق L: ‏L1 عند 1575.42 MHz وL2 عند 1227.60 MHz وL5 عند 1176.45 MHz. وتُشتق الثلاثة من مرجع ساعة ذرية واحد قدره 10.23 MHz: ‏L1 يساوي 154 × 10.23 MHz، وL2 يساوي 120 ×، وL5 يساوي 115 ×.

يحمل L1 شفرة C/A المدنية الأصلية (الخشن/الالتقاط)، وإشارة L1C الحديثة على أقمار GPS III. ويحمل L2 الشفرة العسكرية المشفرة P(Y) والإشارة المدنية L2C. ويحمل L5 إشارة مدنية مصممة لاستخدامات سلامة الأرواح، ضمن نطاق محمي للملاحة الجوية الراديوية. وكل إشارة GPS موجة حاملة معدّلة بشفرة قياس مسافة ورسالة ملاحية.

ينشر موقع gps.gov الحالة الرسمية لكل إشارة. ولمعرفة علاقة هذه الترددات بالمنظومات الأخرى، راجع دليلنا حول منظومات GNSS.

ما نطاقات GPS وترددات GNSS للأنظمة الأخرى؟

تقع نطاقات GPS بين نحو 1164 و1610 MHz، وتستخدم المنظومات الأخرى المجال نفسه، وغالبًا ترددات مركزية متطابقة، بحيث يستطيع هوائي واحد وواجهة أمامية واحدة استقبال عدة أنظمة.

النطاق	GPS	Galileo	BeiDou	GLONASS
نطاق L العلوي	L1 1575.42 MHz	E1 1575.42 MHz	B1C 1575.42 MHz؛ B1I 1561.098 MHz	L1 نحو 1598–1606 MHz (FDMA)
الأوسط	L2 1227.60 MHz	E6 1278.75 MHz	B3I 1268.52 MHz	L2 نحو 1243–1249 MHz (FDMA)
نطاق L السفلي	L5 1176.45 MHz	E5a 1176.45 MHz؛ E5b 1207.14 MHz	B2a 1176.45 MHz؛ B2b 1207.14 MHz	L3OC نحو 1202 MHz (CDMA)

يبث QZSS وSBAS أيضًا على L1 وL5، ويستخدم NavIC ‏L5 ونطاق S. وتستخدم خدمات التصحيح عبر الأقمار قنوات منفصلة في نطاق L، بنحو 1525–1560 MHz، ولهذا تذكر بعض الهوائيات دعم نطاق L.

ما L1 GPS وما تردده؟

L1 GPS هو الإشارة المدنية الأصلية لـ GPS، ويُبث على تردد GPS L1 البالغ 1575.42 MHz بطول موجي نحو 19 cm. ويتتبع كل جهاز GPS، من الهواتف إلى الأجهزة الجيوديسية، نطاق L1.

شفرة L1 C/A القديمة تسلسل من 1023 شريحة شفرة يُرسل بمعدل 1.023 مليون شريحة في الثانية، لذا يتكرر كل ميلي ثانية. وتضيف أقمار GPS III إشارة L1C، التي تستخدم تعديلًا مختلفًا وصُممت للتوافق التشغيلي مع Galileo E1 وBeiDou B1C.

يكفي L1 وحده للملاحة ورسم الخرائط بدقة المتر، ويمكنه مع RTK تحقيق نتائج بالسنتيمتر على خطوط أساس قصيرة. ويكمن قيده في الأيونوسفير: فعند تردد واحد لا يستطيع الجهاز قياس التأخير الأيونوسفيري مباشرةً، وقد يبلغ عدة أمتار نهارًا ويزيد كثيرًا أثناء العواصف الشمسية. لذلك تكون تهيئة RTK أحادية النطاق أبطأ، ولا تكون موثوقة إلا لمسافات قصيرة، عادةً بضعة كيلومترات.

لماذا يزيل ترددان الخطأ الأيونوسفيري؟

يزيل ترددان الخطأ الأيونوسفيري لأن التأخير الذي تتعرض له الإشارة في الأيونوسفير يتناسب عكسيًا مع مربع ترددها، لذا يتيح قياس المسافة نفسها على نطاقين حساب التأخير وإلغاءه.

الأيونوسفير هو الطبقة المشحونة على ارتفاع نحو 50–1,000 km فوق الأرض، ويؤخر الشفرة ويقدّم طور الموجة الحاملة. وعند L1 يكون التأخير عادةً من بضعة أمتار إلى أكثر من عشرة أمتار، ويتغير مع وقت اليوم والفصل وخط العرض والدورة الشمسية. ولأن تردد L5 أقل، فإن الأيونوسفير نفسه يؤخره نحو 1.8 مرة أكثر من L1. ويزيل دمج القياسين في تركيب خالٍ من التأثير الأيونوسفيري أثر الرتبة الأولى، الذي يتجاوز 99 % من الإجمالي.

في RTK تكون الفائدة غير مباشرة لكنها مهمة: فبقياس الأيونوسفير بدلًا من افتراض تساويه عند القاعدة والجهاز المتحرك، يستطيع الجهاز حل الغموض على خطوط أساس أطول والتعافي أسرع بعد فقدان التتبع. وهذا سبب رئيسي لتهيئة الأجهزة متعددة النطاقات خلال ثوانٍ حيث قد تحتاج أحادية النطاق إلى دقائق.

ما تردد GPS L5 ولماذا يهم؟

تردد GPS L5 هو 1176.45 MHz، بطول موجي نحو 25.5 cm. وL5 أحدث إشارة مدنية لـ GPS، بقدرة إرسال أعلى وشفرة قياس مسافة أسرع بعشر مرات من L1 C/A، مما يحسن الدقة ومقاومة تعدد المسارات.

تستخدم Galileo E5a وBeiDou B2a وQZSS وNavIC وSBAS تردد L5 نفسه، لذا يستطيع جهاز يتتبع هذا النطاق استخدام أقمار كثيرة ذات تصميم إشارات مشترك. وهذا يجعله ذا قيمة للأجهزة الاستهلاكية ثنائية النطاق وأجهزة المساحة معًا.

تبث أقمار GPS الأحدث (Block IIF وGPS III) إشارة L5. وتعمل الحكومة الأمريكية على استكمال النظام الأرضي اللازم لإعلانه تشغيليًا بالكامل، لذا تحقق من الوضع الحالي في المصادر الرسمية للتطبيقات الحرجة للسلامة. وفي المساحة يُستخدم L5 بالفعل على نطاق واسع مع L1 وL2 في محركات RTK متعددة النطاقات.

كيف تعمل إشارة GPS، وما شكل موجتها؟

إشارة GPS إشارة راديوية ذات طيف منتشر بالتتابع المباشر: موجة حاملة نقية يُقلب طورها بشفرة قياس مسافة سريعة شبه عشوائية ورسالة ملاحية بطيئة، لذا يبدو شكل موجة GPS كالضوضاء حتى يربطه الجهاز بنسخة من الشفرة.

الموجة الحاملة: الموجة الجيبية L1 أو L2 أو L5. تقيس أجهزة المساحة طورها بمستوى المليمتر، وهو أساس RTK وPPK.
شفرة قياس المسافة: تسلسل معلوم من شرائح الشفرة، فريد لكل قمر. يقيس الجهاز تأخيره لحساب مسافة زائفة بدقة نحو ديسيمترات إلى أمتار.
الرسالة الملاحية: بيانات المدار والساعة والحالة، تُرسل بمعدل 50 بت في الثانية على L1 C/A القديم، وبصيغ مطورة على L2C وL5 وL1C.
التعديل: تستخدم الإشارات القديمة إزاحة الطور الثنائية (BPSK)؛ وتستخدم الحديثة مثل L1C وGalileo E1 صيغًا من الموجة الحاملة ذات الإزاحة الثنائية (BOC) لتحسين حدة التتبع.

لأن كل قمر يبث على التردد المركزي نفسه (باستثناء GLONASS القديم)، تفصل أجهزة الاستقبال بينها بالشفرة. ويُسمى ذلك النفاذ المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA).

ما قوة إشارة GPS ولماذا هي ضعيفة جدًا؟

تبلغ قوة إشارة GPS على الأرض نحو −158.5 dBW (نحو −128.5 dBm) لإشارة L1 C/A، وهي أضعف من الضوضاء الحرارية الخلفية؛ ولا تستعيدها الأجهزة إلا بكسب ارتباط الشفرة.

تعرض الأجهزة جودة الإشارة كنسبة كثافة الموجة الحاملة إلى الضوضاء (C/N0)، بوحدة dB-Hz. وتحت سماء مفتوحة تكون القيم المعتادة نحو 40–50 dB-Hz للأقمار المرتفعة. ويشير انخفاض القيم إلى أوائل الثلاثينات أو أدنى إلى عوائق أو أوراق أشجار أو تداخل أو هوائي ضعيف، ويصبح تتبع طور الموجة الحاملة غير موثوق.

نصائح ميدانية من مهندسينا:

أبقِ الهوائي فوق مستوى الرأس وبعيدًا عن المركبات والأسقف والجدران المعدنية لتقليل تعدد المسارات.
تحقق من C/N0 لكل نطاق في حالة الجهاز؛ فالنطاق المفقود أو الضعيف يشير غالبًا إلى عطل في الكابل أو الموصل أو الهوائي.
تجنب مد كابلات الراديو والاتصال الخلوي وGNSS متلاصقة بإحكام في محطات القاعدة.

GPS ثنائي النطاق مقابل متعدد النطاقات: ما الفرق؟

يتتبع GPS ثنائي النطاق نطاقي تردد، عادةً L1 + L5 في الهواتف والأجهزة القابلة للارتداء أو L1 + L2 في أجهزة المساحة الأقدم، بينما يتتبع GPS متعدد النطاقات ثلاثة نطاقات أو أكثر، عادةً L1 وL2 وL5 إلى جانب Galileo E5b وE6 وBeiDou B3I، عبر جميع المنظومات.

فئة جهاز الاستقبال	النطاقات المعتادة	الدقة المعتادة	الاستخدام المعتاد
أحادي النطاق	L1 / E1 / B1	بضعة أمتار مستقلًا؛ وRTK بالسنتيمتر على خطوط أساس قصيرة	الملاحة وGIS الأساسي
ثنائي النطاق (استهلاكي)	L1 + L5	نحو 1–3 m مستقلًا، وأفضل في المدن	الهواتف والساعات والمركبات
GPS دقيق ثنائي التردد	L1 + L2	RTK بالسنتيمتر، وخطوط أساس أطول من أحادي النطاق	المساحة وإرشاد الآلات في الأنظمة الأقدم
متعدد النطاقات (بدقة مساحية)	L1 وL2 وL5 وE5b وE6 وB3 وغيرها	نحو 1 cm + 1 ppm أفقيًا بتقنية RTK	المساحة وCORS والإنشاء والزراعة

إذًا ما GPS متعدد النطاقات عمليًا؟ هو جهاز يجمع جميع الإشارات المتاحة ليمنح محرك RTK مزيدًا من القياسات المستقلة لحل غموض طور الموجة الحاملة. والنتيجة حلول ثابتة أسرع وأكثر موثوقية مع الحجب الجزئي، وتحمل أفضل للنشاط الأيونوسفيري وخطوط الأساس الأطول. ويوضح دليل دقة GPS لدينا مقارنة هذه القيم.

كيفية اختيار جهاز استقبال وهوائي لنطاقات تردد GPS المناسبة

طابِق جهاز الاستقبال والهوائي ومصدر التصحيح مع مجموعة الترددات نفسها؛ فجهاز متعدد النطاقات مع هوائي ضيق النطاق أو قاعدة ترسل تصحيحات L1/L2 فقط يفقد معظم ميزته.

حدد النطاقات التي تحتاجها. للمساحة المهنية اختر تتبعًا كامل المنظومات ومتعدد النطاقات يشمل L5 / E5a / B2a.
اختر هوائيًا كامل النطاقات. تحقق من تغطيته نطاق L السفلي والعلوي، واستقرار مركز طوره، وكفاية كسب المضخم منخفض الضوضاء. ويشرح دليل هوائيات GNSS لدينا مركز الطور والمعايرة.
تحقق من التصحيحات. استخدم رسائل RTCM 3 MSM من قاعدتك أو شبكتك حتى تصل جميع النطاقات والمنظومات إلى الجهاز المتحرك.
تحقق ميدانيًا. راجع الإشارات المتتبعة لكل قمر وC/N0 في كل نطاق قبل الاعتماد على إعداد جديد.

هوائي GNSS الجيوديسي SA102 لدينا هوائي كامل النطاقات لمحطات القاعدة وCORS، يتتبع GPS وBDS وGLONASS وGalileo ‏(E1 وE5a وE5b وAltBOC) وQZSS وSBAS ونطاق L، بكسب LNA قدره 36 ± 2 dB وموصل TNC. ويستخدم جهاز استقبال GNSS RTK E1 محركًا كامل المنظومات من 1408 قناة للمساحة، ويجمع هوائي GNSS الذكي S20 جهاز استقبال وهوائيًا كامل النطاقات في غطاء واحد بتصنيف IP67 للجرارات ومركبات العمل. لمقارنة طرق التصحيح، اقرأ دليلنا حول PPK مقابل RTK وتصحيحات GNSS الأخرى، أو اطلب عرض سعر لطقم متعدد النطاقات.

الأسئلة الشائعة

ما تردد GPS L1؟

تردد GPS L1 هو 1575.42 MHz، أي 154 ضعف الساعة المرجعية لـ GPS البالغة 10.23 MHz. ويبلغ طول موجته نحو 19 cm. يحمل L1 شفرة C/A القديمة التي يستخدمها كل جهاز GPS، والشفرات العسكرية المشفرة، وإشارة L1C المدنية الحديثة على أقمار GPS III. وتتشارك Galileo E1 وBeiDou B1C هذا التردد.

فيم يُستخدم تردد L5؟

يحمل تردد L5 البالغ 1176.45 MHz أحدث إشارة مدنية لـ GPS، المصممة لطيران سلامة الأرواح ولتحديد المواقع الدقيق. ويتمتع بقدرة أعلى وشفرة أسرع من L1 C/A. وتستخدم Galileo E5a وBeiDou B2a وQZSS وNavIC التردد نفسه، لذا تحصل الأجهزة التي تتتبع L5 على كثير من الإشارات الإضافية عالية الجودة.

هل GPS ثنائي النطاق أدق؟

نعم، في معظم الظروف. يستطيع الجهاز ثنائي النطاق قياس التأخير الأيونوسفيري وإزالته ورفض تعدد المسارات بصورة أفضل، فتتحسن الدقة المستقلة عادةً من عدة أمتار إلى متر واحد إلى ثلاثة أمتار. وفي المدن تتتبع أجهزة L1 + L5 الإشارات بصورة أفضل قرب المباني أيضًا. وللعمل بالسنتيمتر تظل بحاجة إلى تصحيحات RTK أو PPK إضافةً إلى التتبع ثنائي النطاق.

ما GPS متعدد النطاقات؟

يعني GPS متعدد النطاقات، أو GNSS متعدد النطاقات، أن جهاز الاستقبال يتتبع ثلاثة نطاقات تردد أو أكثر، مثل L1 وL2 وL5، من عدة منظومات في الوقت نفسه. وتستخدم الأجهزة متعددة النطاقات ذات الدقة المساحية هذه الإشارات الإضافية لحل غموض RTK أسرع وبموثوقية أعلى، خصوصًا مع الحجب الجزئي والنشاط الأيونوسفيري المرتفع وخطوط الأساس الأطول من محطة القاعدة.

هل تؤثر قوة إشارة GPS في الدقة؟

نعم. انخفاض نسبة كثافة الموجة الحاملة إلى الضوضاء، عادةً إلى أوائل الثلاثينات dB-Hz أو أدنى، يزيد ضوضاء قياسات الشفرة والموجة الحاملة ويسبب انقطاعات الدورات، مما يبطئ حل RTK الثابت أو يمنعه. وتنشأ الإشارات الضعيفة عادةً من العوائق أو أوراق الأشجار أو تعدد المسارات أو أعطال الكابلات. وعادةً يحسن رفع الهوائي وتحسين رؤية السماء وفحص الكابلات والموصلات قوة الإشارة والدقة.

هل أحتاج إلى L2 إذا كان جهازي يدعم L5؟

للمساحة يُفضل توافر كليهما. تبث جميع أقمار GPS الحديثة L2، وتستخدمه معظم شبكات CORS، بينما يتوفر L5 على الأقمار الأحدث والمنظومات الأخرى. وتجمع الأجهزة متعددة النطاقات بينهما لحل غموض أكثر متانة، وتبقى متوافقًا مع القواعد والشبكات التي ما تزال ترسل تصحيحات L1/L2.