مقاله ی آموزشی مفاهیم GPS | (معرفی سیستم GPS ، نحوه ی کارکرد آن و یادگیری عبارات)
پیشگفتار
در گذشته، زمانی که تکنولوژی پیشرفته امروزی وجود نداشت، مردم وبخصوص اشخاصی مانند سیاحان، جهانگردان و …گاهی اوقات در یک گستره جغرافیایی و بخصوص شهرها و کشورهای بیگانه، از مکان دقیق خود با خبر نبودند وحتی گاهی نیز در بیابانها ودریاها مسیر خود را گم می کردند، از سوی دیگر در دنیای قدیم، استفاده از ستارگان، قطب نما وسایر عوامل طبیعی تا اندازه ای راهگشای بشر بوده، ضمن اینکه همه این موارد،بطور کلی انسان عصر گذشته را مورد هدایت و راهنمایی قرار می داد، در حالیکه امروزه پیچیدگی های جغرافیایی، اعم از بافت شهر، خیابان، و… اصولا زمینه استفاده از اینگونه روشها را تا حد زیادی منتفی و بی معنا کرده است. به هر صورت در شرایط فعلی، با گسترش فناوری های گوناگون، این مشکل توسط یک سیستم ماهواره ای مدرن وپیشرفته، با نام و عبارت (GPS (Global Position System که به معنای سیستم موقعیت یاب جغرافیایی می باشد، رفع شده است. در حقیقت دنیای امروز، دنیایی است که هیچ فردی در آن گم نخواهد شد و همه چیز بر روی تمام نقاط زمین قابل شناسایی است واین قدرت دستیابی به سیستم های شناسایی را ماهواره ها ودر اساس کامپیوترها، در اختیار بشر قرار داده اند.
در این پژوهش با نگاهی به تاریخچه ی سیستم GPS به معرفی کامل آن پرداخته و طرز کار و نحوه ی استفاده از آن را مورد بررسی قرار داده ایم
نیما لطف الهی – شهریور سال ۱۳۸۶
تاریخچه GPS
GPS دارای تاریخچه و سیر تکاملی جالبی میباشد و اخیرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهی شده است. اما قبل از این که بیشتر راجع به GPS بدانیم، لازم است مختصری در مورد ناوبری(Navigation) بدانیم.
از زمان ماقبل تاریخ مردم سعی می کردند یک راه قابل اطمینان پیدا کنند که به آنها بگوید کجا هستند و حتی آنها را به جاییکه می روند راهنمایی کرده و سپس به خانه بازگرداند.
مردمان غارنشین وقتی که برای تهیه غذا به شکار می رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه های کوچک برای علامت‌گذاری مسیر خود استفاده می کردند. ملوانان نیز ابتدا سواحل را به دقت دنبال می کردند تا از گم شدنشان جلوگیری کنند.
وقتی دریا نوردان اولیه در دریاهای باز(اقیانوس ها) کشتیرانی کردند، دریافتند که می‌توانند مسیر خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسیم کنند. فنیقیهای باستان از ستاره شمالی برای سفر به مصر و جزیره کرت استفاده می‌کردند. بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اودیسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزیره کالیپسو ” دب اکبر را سمت راست خود قرار بده”
متأسفانه برای اودیسه و دیگر دریانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌های صاف قابل رؤیت هستند.
پیشرفت مهم بعدی در امر ناوبری کشف قطب نمای مغناطیسی و دستگاه زاویه یاب(sextant) بود.
عقربه قطب نما همیشه نقطه شمالی را نمایش می دهد، بنابراین همیشه دانستن جهت مسیری که در آن حرکت می‌کنیم را ممکن می سازد.
GPS چیست؟
سیستم مکان یابی جهانی (System Global Positioning) یک سیستم هدایت ( ناوبری ) ماهواره ای اســت و تنها سیستمی می باشد که امروزه قادر است، موقعیت دقیق شما را بر روی زمین در هر زمان، درهر مکان و در هر هوایی مشخص کند. این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند. اولین ماهواره GPS در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شدوسرانجام در سال ۱۹۹۴ شبکه ای شامل۲۴ ماهواره تشکیل گردیدکه امروزه تعداد آنها به عدد ۲۸ رسیده است.
خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعت شبانه روز در دسترس است. پدید آوردنگان این سیستم، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن رایگان است.
دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد. این سیستم از سال ۱۹۸۳ با پرتاب نخستین ماهواره GPS آغاز بکار نمود. با روی کار آمدن سیستم GPS تمام سیستم های قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای از قبیل دور بین های بالستیک،داپلر،N.N.S.S ، SLR ،LLR ،LONG-C ،SECOR، به تدریج از دور خارج شدند.GPS یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد؛ زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه وباران و نزولات جوی ) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول ۲۴ ساعت شبانه روز فعال است ودر هر زمان ودر هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.
روسها نیز سیستمی مشابه GPS با نام GLONASS دارند که البته ازنظر کارآیی و توان عملیاتی در حال حاضر به پای سیستم GPS نمی رسد.البته گیرنده های مشترک GPS-GLONASS در حال حاضر در بازار ایران یافت می شونددرضمن اتحادیه اروپا نیز در حال ساخت یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای با نام گالیله میباشد که طبق پیش بینی ها تا سال ۲۰۱۵ آماده بهره برداری و استفاده عموم خواهد شد. طبق ادعای اتحادیه اروپا محدودیت های موجود در سیستم GPS در گالیله وجود نخواهد داشت.
ماهواره های GPS
در حال حاضر سیستم GPS شامل ۲۸ ماهواره فعال است که در مداری به طول ۱۱۰۰۰ مایل دریایی بالای زمین در حرکت بوده و پیوسته بوسیله ایستگاههای زمینی در سراسر جهان نظارت میشوند.
هرکدام ازاین ماهواره ها که NAVSTAR نیز نامیده میشوند ۲۰۰۰پوند وزن داشته ،دارای صفحات آفتابی به پهنای f=17 هستندوباسرعتی درحدود ۱۰۸ مایل درثانیه به دورزمین میگردند.
این ماهواره ها که کل سطح کره زمین را بطور همزمان پوشش می دهند ، در ۶ مدار بیضی شکل با زاویه میل ۵۵ درجه نسبت به صفحه استوای زمین به دور زمین می چرخند و در ارتفاع ۲۰۸۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.زمان یکبار چرخش ماهواره های GPS به دور زمین در حدود ۱۲ ساعت نجومی است. به عبارتی در هر ۲۴ ساعت خورشیدی در طول شبانه روز ماهواره دوبار از افق یک محل می گذرد.همان طور که می دانیم شبانه روز خورشیدی ۴ دقیقه از شبانه روز نجومی بیشتر است لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره ۴ دقیقه زودتر در افق یک محل ثابت طلوع می کند.
هر ماهواره حدوداً ۱۰ سال فعال می ماند وجایگزینی ماهواره ها بموقع انجام گشته و ماهواره های جایگزین به فضا پرتاب می گردند . برنامه شبکه GPS هم اکنون تا سال ۲۰۰۶ تنظیم وجایگزینی های لازمه ترتیب داده شده اند . مسیر گردش ماهواره ها آنها را بین عرض جغرافیایی ۶۰ درجه شمالی و۶۰ درجه جنوبی قرارمی دهد . این امر به معنی آن است که درهرنقطه از زمین ودرهرزمان می توان سیگنال های ماهواره أی را دریافت نمود. وهرچه به قطبهای شمال – جنوب نزدیک شویم نیز همچنان ماهواره های GPS را خواهیم دید . هرچند دقیقاً در بالای سرما نخواهند بود واین در دقت وصحت عمل آنها در این نقاط تاثیرمی گذارد .
انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است. این ماهواره ها نیروی خود راتوسط باتریهای خورشیدی که طولش هرکدامشان ۵٫۵ متر است از خورشید تامین می کنند. همچنین باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می کنند بهمراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر صحیح نگاه می دارد.
سیستمGPS چگونه کار میکند؟
به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد و برای تعیین موقعیت در هر یک از دو روش فوق می توان از روش های ایستا (Static) ، متحرک(Kinematics) و نیمه متحرک (Semi-Kinematics) استفاده کرد.
در روش مطلق ، موقعیت نسبی نقطه نسبت به یک نقطه مختصات دار معلوم ((DELTA(X),DELTA(Y),DELTA(Z)) بدست می آید. روش تعیین موقعیت نسبی به علت حذف خطاهای سیستماتیک موجود در اندازه گیری های GPS از اهمیت خاصی برخوردار است و برای انجام آن نیاز به دو گیرنده GPS می باشدکه بطور همزمان ماهواره های مشترک را مشاهده و اندازه گیری نمایند. منظور از همزمانی ، بدین معنی است که شرایط اندازه گیری برای هر دو گیرنده مستقر در ایستگاه های استقرار، یکی با مختصات معلوم و دیگری با مختصات مجهول،یکسان باشد. از روش تعیین موقعیت نسبی با GPS اکثرا در کارهای نقشه برداری و گسترش شبکه های ژئودزی استفاده می شود.دقت تعیین مختصات مطلق با سیستم GPS در حال حاضر در بهترین حالت ۳ ± متر می باشد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.
هر ماهواره GPS بطور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:
۱) امواج حامل
الف) موج حامل (L1) با فرکانس f1=1500 MHZ
ب) موج حامل (L2) با فرکانس f2=1200 MHZ
۲)کدهای اطلاعاتی(بصورت دودویی)
الف) کدغیر نظامی(کد C/A ) ؛ f=1.023 MHZ
ب) کد دقیق (کد P ) ؛ f=10.23 MHZ
ج) کد سری (کد Y) ؛ f=10.23 MHZ
برای رسین به حداکثر دقت و کارآیی GPS توسط یک گیرنده باید از گیرنده ای استفاده کرد که هر دو موج حامل L1 و L2 و کدهای فوق را دریافت نموده وقابلیت آنتی اسپوفینگ (AS) داشته باشد؛ یعنی بتواند کد سری Y را به یک کد P وبالعکس تبدیل کند.
۳) پیام ماهواره(Message) با فرکانس f=1500 MHZ که حامل اطلاعات زیر می باشد:
الف) اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعیت ماهواره می شود.
ب) اطلاعات مربوط به زمان
ج) اطلاعات شماره ماهواره
د) اطلاعات مربوط به ضریب دقت آرایش هندسی ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و یا اگرزاویه هر دو ماهواره با هم ۱۲۰ درجه باشد تعیین موقعیت محل دارای دقت بیشتری خواهد بود.)
مجموعه اطلاعات فوق یعنی امواج حامل،کدهای اطلاعاتی و پیام ماهواره ، همراه یکدیگر توسط مدولاسیون فاز بسمت زمین مخابره شده و گیرنده های زمینی که قابلیت ها و انواع متفاوتی دارندضمن دریافت مجموعه فوق پس از عمل De Modulation هر بخش را برای منظور خاص خود مورد استفاده قرار می دهد.لازم به ذکر است که بهترین و دقیق ترین گیرنده ، گیرنده ایست که قابلیت در یافت کلیه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر یک را به طرقی جداگانه دریافت کند و ارزان ترین گیرنده هم گیرنده ایست که تنها قابلیت دریافت موج حامل L1 ،کدC/A و پیام ماهواره را دارد.لازم بذکر است که کد CA فقط بر روی موج L1 مدوله میشود ولی کد P بر روی هر دو موج وجود دارد.
اما اگربخواهیم عملکرد این ماهواره ها بطور ساده تر را بررسی کنیم به نتایج زیر می رسیم:
سیگنـال هایی که هرماهولره ی GPSارسال میکند شـــــامــل یـــک کد شبه تصادفی Pseudo Random Code ، داده ای بنام ephemeris ویک داده تقویــــمی بنام almanac می باشد. کد شبه تصادفی مشخص کننده ماهواره ارسال کننده اطلاعات ( کد شتاسایی ماهواره ) می باشد.
هرماهواره باکدی مخصوص شناسایی می شود : RPN Random Code Pseudo این عددی است بین ۱و ۳۲ . این عدد درگیرنده هر GPS نمایش داده میشود .دلیل اینکه تعداد این شناسه ها بیش از ۲۸ می باشد امکان تسهیل درنگهداری شبکه GPS باشد . زیرا ممکن است یک ماهواره پرتاب شود و شروع بکار نماید قبل از اینکه ماهواره قبلی از رده خارج شده باشد . به این دلیل ازیک عدد دیگر بین ۱و ۳۲ برای شناسایی این ماهواره جدید استفاده می شود .
داده Ephemeris دائماً بوسیله ماهوارها ارسال میگردد وحاوی اطلاعاتی درمورد : وضعیت خود ماهواره ( سالم یا ناسالم ) و تاریخ وزمان فعلی می باشد . گیرنده GPS بدون وجود این بخش از پیام درمورد زمان وتاریخ فعلی درکی ندارد . این بخش پیام نکته اساسی برای تعین مکان می باشد.
Almanac داده أی را انتقال می دهد که نشان دهنده اطلاعات مداری برای هرماهواره وتمام ماهوارهای دیگر سیستم می باشد .
حال میتوان شیوه کار GPS را بهتر بررسی کرد . هرماهواره پیامی را ارسال می کند که بــطور ســــــاده می گوید :
من ماهواره شماره X هستم ، موقعیت فعلی من Y است ، و این پیام در زمان Z ارسال شده است.
هر چند که این شکل ساده شده پیام ارسالی است ولی می تواند کل طرز کار سیستم را بیان نماید . گیرنده GPS پیام را می خواند و داده های almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدی ذخیــره می نماید . این اطـلاعـات می توانند برای تصحیح و یا تنظیم ساعت درونی GPS نیز به کار روند .
حال برای تعیین موقعیت ، گیرنده GPS زمانهای دریافت شده را با زمان خود مقایسه می کند . تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده GPS از ماهواره مزبور می باشد . این عملی است که دقیقاً یک گیرنده GPS انجام می دهد . با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر ، GPS می تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید . ( که آن را تعیین دو بعدی می نامند . ) و با تبادل با چهار ( و یا بیشتر ) ماهواره یک GPS می تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می باشد . با انجام پشت سر هم این محاسبات ، GPS می تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید
امروزه در بعضی مکان های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا ۱۰ ماهواره می باشیم و حداقل به ۴ تا ۵ ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم.
هر قدر تعداد ماهواره های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت.
نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی مقایسه یا سطح ژئوئید است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود ۱۰۰ متر است.
یکی از عواملی که بر روی دقت عمل یک GPS اثــر می گذارد . شکل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به یکدیگر می باشد . (از نقطه نظر GPS )
اگر یک GPS با چهار ماهواره تبادل نماید و هر چهار ماهواره در شمال و شرق GPS باشند طرح و هندسه این ماهوارها برای این GPS بسیار ضعیف میباشد و شاید GPS قادر نباشد مکان یابی نماید. زیرا تمام اندازه گیریهای فاصله در یک جهت عمومی قرار دارند. مثلث سازی ضعیف است وناحیه مشترک بدست آمده ازاشتراک این مسافت سنجی ها وسیع می باشد ( مکانی که GPS برای مکان خود تصورمی کند بسیار وسیع می باشد ودر نتیجه تعیین دقیق محل آن ممکن نیست ) دراین موقعیتها حتی اگر GPS مکان یابی را انجام دهد وموقعیتی راگزارش نماید دقت آن نمی تواند زیاد خوب باشـــــــد ( کمتر از۵۰۰-۳۰۰ فیت ). اگر همین چهارماهواره درچهارجهت ( شمال ، جنوب ، شرق ، غرب ) وبا زوایای ۹۰ درجه قرارداشته باشند طرح این چهار ماهواره برای GPS مزبور بهترین حالت می باشد چراکه جهات مسافت سنجی چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراک این مسافت سنجی ها بسیار کوچک می باشد . وهرچه این نقطه اشتراک کوچکتر باشد به معنی آن است که بیشتر به نقطه واقعی حضورخود نزدیک شده ایم . دراین موقعیت دقت عمل کمتر از۱۰۰فیت می باشد .
طرح وهندسه قرارگرفتن ماهواره ها هنگامیکه GPS نزدیکی ساختمانهای بلند، قلل کوهها ، دره های عمیق ویا در وسایل نقلیه قرارگرفته باشد به مساله مهمتری تبدیـل می گردد .اگر مانعی در رسیدن سیگنالهای بعضی از ماهواره ها وجود داشته باشد GPS می تواند از بقیه ماهواره ها بـــرای مکان یابی خود استفاده نماید. هرچه این موانع بیشتر و شدیدتر شوند مکان یابی نیز مشکل تر می گردد .
یک گیرنده GPS نه تنها ماهواره های قابل استفاده را تشخیص می دهد بلکه مکان آنها را درآسمان نیز تعین می کند . ( ارتفاع و زاویه ) منبع دیگرایجاد خطا ” چند مسیری ” می باشد .” چند مسیری” نتیجه انعکاس سیگنال رادیویی به وسیله یک شی می باشد . این پدیده باعث ایجاد تصاویر سایه دار در تلویزیونها می گردد هر چند در آنتنهای جدید این شکل به وجود نمی آید ، این پدیده در آنتنهای رو تلویزیونی قدیمی به وجود می آمد.
بروز این اختلال برای GPS ها به این شکل است که امواج بعد از انعکاس به وسیله اشیاء ( مانند ساختمانها یا زمین ) به آنتن GPS برسند . در این صورت سیگنال مسیر بیشتری را تا رسیدن به آنتن GPS طی می کند و این باعث می شود که GPS فاصله ماهواره را بیشتر از آنچه هست محاسبه نماید. که باعث ایجاد خطا در مکان یابی نهایی می گردد. در صورت بروز این اختلال تقریباً ۱۵ فیت بر خطای نهایی افزوده می شود .منبع دیگری نیز برای ایجاد خطا ممکن است وجود داشته باشند . افزایش تاخیر ( delay ) به دلیل اثرات جوی نیز می تواند برروی دقت کار اثر بگذارد . همچنین خطاهای ساعت داخلی GpS . در هر دو این موارد گیرنده GPS طوری طراحی شده است که این اثرات را جبران نماید . ولی خطاهای کوچکی بر اساس همین اثرات همچنان بروز خواهند کرد .
در عمل ، دقت کار یک GPS غیر نظامی معمولی ، با توجه به تعداد ماهواره های تبادلی و طرح قرار گرفتن آنها بین ۶۰ تا ۲۲۵ فیت می باشد. GPS های پیچیده تر و گرانتر می توانند با دقتهایی در حد سانتیمتر کارکنند . ولی دقت یک GPS معمولی نیزمی تواند به کـــمک پـــردازشی بـــه نـــام DGPS Differential GPS به حدود ۱۴ فیت یا کمتر برسد .سرویسهای DGPS با هزینه کمی قابل اشتراک می باشند . سیگنال تصحیحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ایستگاههای مخصوص ارسال می گردد . این ایستگاهها در فرکانس KHZ .325- 283.5 کار می کنند تنها هزینه استفاده از این سرویس خریدن یک دامنه از این سیگنالها می باشد . با این کار یک گیرنده دیگر به GPS ما متصل می شود ( از طریق یک کابل سه رشته ای ) و عمل تصحیح را طبق یک روش استاندارد به نام ( RTCM SC-104 ) انجام می دهد . اشتراک سرویسهای DGPS از طریق امواج رادیویی FM نیز ممکن می باشد .
ایستگاههای زمینی سیستم GPS
در قسمت بالا درباره بخش فضایی سیستم GPS صحبت شد؛حال به سراغ بخش کنترل زمینی این سیستم می رویم : این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب ومشاهده شبانه روزی ماهواره های GPS را بر عهده دارند . این بخش بوسیله محاسبات ریاضی پیچیده از طریق محاسبه معادله پلی نومیال (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات ، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.
تعداد این ایستگاههای زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم GPS ، قسمت USER یا کاربران سیستم می باشد که خود شامل دو بخش است:
الف) آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها
ب ) گیرنده(پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)
نرم افزار و میکروپروسسور داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده ه را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره موقعیت X وY و ارتفاع محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین میشود.
گیرنده های GPS به دو دسته اصلی تقسیم می شوند :
الف) گیرنده های نظامی
ب ) گیرنده های غیر نظامی
گیرنده های غیر نظامی فقط می توانند افمریزهای ارسالی روی کد C/A را از ماهواره دریافت کنند ،لذا تعیین موقعیت مطلق توسط این دسته از گیرنده ها ضعیف می باشد.(در حدود ۳ تا ۵ متر).اما گیرنده های نظامی که اکثرا در اختیار ارتش آمریکا و کشورهای عضو پیمان ناتو می باشد قادر هستند که پارامترهای ارسال شده بوسیله کد P (پارامترهای دقیق) را نیز علاوه بر کد C/A استفاده کنند. دقت تعیین موقعیت با چنین گیرنده هایی بسیار بالاست و در حال حاضر استفاده از کد P وکد Y که مشکل تر از کد P است صرفا در اختیار نظامیان آمریکایی می باشد.البته از سال ۲۰۰۰ دقت سیستم GPS غیر نظامی با توجه به حذف خطای SA که وزارت دفاع آمریکا آن را عمدا همراه سایر موج ها از ماهواره های GPS به سمت گیرنده های غیر نظامی میفرستاد ، دقت تعیین موقعیت با گیرنده های دستی معمولی به ۳ تا ۵ متر رسیده است.البته برای کارهای دقیق ژئودزی و نقشه برداری با استفاده از گیرنده های دو فرکانسه(تفاضلی) به شیوه تعیین موقعیت نسبی میتوان به دقت در حد میلیمتر دست پیدا کرد. البته همین دقت ۳ تا ۵ متر گیرنده های دستی عادی هم نیازهای عمومی ناوبری(کوهنوردی و….) را بخوبی تامین میکند.
کاربردهای GPS
GPS ها دارای کاربردهای متنوعی در زمین ، دریا و هوا می باشند ، اساساً GPS هر جایی قابل استفاده است مگر در نقاطی که امکان وصول امواج ماهواره درآنها نباشد مانند داخل ساختمانها ، غارها ونقاط زیرزمینی دیگر و یا زیر دریا ، کاربردهای هوایی GPS در رهیابی برای هوانوردی تجاری میباشد . در دریا نیز ماهیگیران ، قایقهای تجاری ، ودریا نوردان حرفه أی از GPS برای رهیابی استفاده میکنند .
استفاده های زمینی GPS بسیار گسترده تر می باشد . مراکز علمی از GPS برای استفاده از قابلیت و دقت زمان سنجی اش واطلاعات مکانی اش استفاده می کنند . نقشه برداران از GPS برای توسعه منطقه کاری خود بــــهره می گیرند . سایتهای گرانقیمت نقشه برداری دقتهایی تا یک متر را فراهم می آورند . GPS ها علاوه بر صرفه جویی دقتهای بهتری را برای این سایتها به ارمغان می آورند . استفاده های تفریحی از GPS نیز به تعداد تمام ورزشهای تفریحی متنوع است . به عـنوان مثال برای شکارچیان ، برف نوردان ، کوهنوردان وسیاحان و…
در نهایت باید گفت هرکسی که می خواهد بداند که درکجا قراردارد ، راهش به چه سمتی است ، ویا با چه سرعتی درحرکت است می تواند از یک GPS استفاده کند . در خودروها نیز وجود GPS به امری عادی بدل خواهد شد.سیستم هایی درحال تهیه است تا درکنار هر جاده ای با فشار دادن یک کلید موقعیت به یک مرکز اورژانس انتقال یابد . ( بوسیله انتقال موقعیت فعلی به یک مرکز توزیع ) سیستم های پیچیده دیگری موقعیت هر خودرو را دریک خیابان ترسیم می کنند این سیستمها به راننده بهترین مسیر برای رسیدن به یک هدف خاص را پیشنهاد می کنند . در کشورهای توسعه یافته از این سیستم جهت کمک به راهبری خودرو، کشتی و انواع وسایل نقلیه بهره گیری می شود.
هر چه نقشه های منطقه ای که در حافظه گیرنده بارگذاری می شود دقیق تر باشد، سرویسهایی که از GPS می توان دریافت داشت نیز ارتقا می یابد. برای مثال، می توان از GPS مسیر نزدیکنرین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را سوال نمود و مسیر پیشنهادی را دنبال کرد. دقت مکانیابی این سیستم در حد چند متر می باشد، که بسته به کیفیت گیرنده تغییر می کند
پیش بینی زلزله ازدیگرکاربردهایGPS است. (در حال حاضر برای پیش بینی زلزله بیش از ۱۲۰۰ GPS در ژاپن نصب شده و همچنین فقط در اطراف شهر لس آنجلس آمریکا ،۲۵۰ GPS در حل اندازه گیری و فعالیت ۲۴ ساعته هستند.)
از دیگر کاربردهای این سیستم بطور فهرست وار میتوان به موارد زیر اشاره کرد:کاداستر ، کنترل امور مربوط به حمل و نقل و ترافیک ، کنترل حرکات تکتونیکی زمین ، کنترل جابجایی سدها و برج های بلند، پیش بینی وضع هوا (از طریق اندازه گیری میزان انرژی موج فرستاده شده از سوی GPS پس از عبور از لایه های جو و ابرهای موجود در منطقه مورد نظر) ، هیدروگرافی(آبنگاری) ، تعیین موقعیت سکوهای دریایی نفتی،تعیین موقعیت جزیره های مرجانی، مین یابی ، SCAN کردن دریا ، بروز رسانی سیستم های تعیین موقعیت اینرشیال ، استفاده جهت کنترل ماهواره های سنجش از دور(Remote Sensing) وکاربردهای وسیع نظامی و…
(یک نکته که باید هنگام استفاده از این سیتم حتما مورد توجه قرار گیرد این است که در زمان هایی که احتمال ارسال امواج پارازیت برروی گیرنده های GPS می رود به هیچ عنوان نمی توان روی داده های ارائه شده توسط گیرنده های غیر نظامی حساب باز کرد.)
در نهایت این نکته قابل ذکر است که با توجه به نزول شدید بهای گیرنده های این سیستم، و افزایش امکانات آنها، این تکنولوژی در آینده نزدیک بیش از پیش در اختیار همگان قرار خواهد گرفت.
گیرنده های GPS
بسته به نوع مصرف و بودجه می توان از طیف وسیع گیرنده های GPS بهره برد. همچنین، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب و بروزجهت ناحیه مورد استفاده تان، اطمینان حاصل کرد. امروزه بهای گیرنده های GPS بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و هم اکنون در کشور ما با بهایی معادل یک عدد گوشی متوسط موبایل نیز می توان گیرنده GPS تهیه کرد.
قیمت گیرنده های GPS مناسب و مرغوب موجود در بازار ایران از ۳۰۰٫۰۰۰ تومان شروع می شود و به ۱۹۰ میلیون تومان هم می رسد.لازم بذکر است کهGPS های Ashtech ساخت آمریکا، بهترینGPS در دنیا هستندو رئیس و صاحب این کارخانه آقای پروفسور جواد اشجعی می باشد. تعدادی از این گیرنده ها عبارتند از:
MAGELLAN , Trimble , Garmin ,Ashtech
یک سیستم GPS برای مریخ
حال در ادامه این مقاله به کاربردی جدید از سیستم GPS در علم نجوم می پردازیم. این بخش از مقاله درباره طراحی یک سیستم ناوبری مشابه GPS برای سیاره مریخ می باشد.
جستجوگرهای آینده مریخ اعم از اینکه مدارگرد خودکار ثابتی باشند یا انسان , به راهی جهت تعیین موقعیت خودشان نیاز خواهند داشت. برای انجام این مهم پژوهشگران ناسا در حال مطالعه بر روی یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای مناسب همانند GPS برای مریخ می باشند که قابلیت انجام وظیفه به عنوان یک شبکه ارتباطی را هم داشته باشد.مکان یاب جهانی ( Global Positioning System ) مجموعه ای متشکل از ۲۷ ماهواره شامل ۲۴ ماهواره اصلی و ۳ ماهواره رزرو می باشد که قادر به تعیین موقعیت هر نقطه روی زمین بهمراه ارتفاع نقطه با دردسترس بودن حداقل ۴ ماهواره در آسمان منطقه مورد نظر می باشد.یکی از طرح های پژوهشگران فرستادن ناوگانی کوچک از فضاپیماها به مریخ می باشد که دانشمندان برای ماموریت های آینده بشری و روباتیک در حال مطالعه بر روی آن می باشند. مایکل مندیلو (Michael Mendilo ) پروفسور اخترشناس در مرکز فیزیک فضایی دانشگاه بوستون و تیمی از پژوهشگران که زیر نظر وی بر روی اثرات یونسفر مریخ مطالعه می کنند , در حال طراحی یک سیستم ناوبری ماهواره ای بدور مریخ می باشند.
در آزمایشگاه پیشرانه جت پروپالشن ناسا(JPL) هم پژوهشگران در حال انجام کارهای زمینی یک شبکه ناوبری و ارتباطی برای مریخ هستند. یک طرح قدیمی تر هم وجود دارد که شامل یک دسته میکروماهواره های کوچکی است که شبکه مریخی( Marsnet ) نامیده می شود و وظیفه اش ارسال داده ها به سفینه مادر( Marsat ) است. وظیفه Marsat نیز تبادل داده های بین مریخ و زمین است.از نظر وستل چارلز(Charles Whestel ) رییس بخش مهندسی برنامه جستجوی مریخ در JPL یک سیستم ناوبری با دقت ۱۰ تا ۱۰۰ متر برای مریخ کافیست. هر چند این دقت قابل مقایسه با دقت حاصل از سیستم فعلی GPS در سیاره زمین نمی باشد. البته مجموعه ماهواره های GPS زمین تنها تأمین کننده ناوبری برای بشر است (البته در سال های اخیر پژوهش هایی در زمینه کاربرد GPS در هواشناسی و زلزله در حال انجام است.) اما پژوهشگران درصدد استفاده از قابلیت های این سیستم در بررسی یونسفر مریخ می باشند.
با افتتاح سیستم GPS در مریخ در حقیقت جهشی در فن آوری روبات های آینده برای سیاره سرخ رخ خواهد داد. در پایان لازم بذکر است که شاید از نظر برخی ,سیستم GPS مریخ یک طرح لوکس و دور از تصور باشد اما با وجود مسائلی که بخشی از آن ها در این مقاله ذکر شد استفاده ازاین سیستم مزایای زیادی در بر خواهد داشت و جهشی در راه اکتشاف کامل سیاره سرخ و پی بردن به رازهای آن می باشد.
اجزای GPS
GPS سه بخش دارد: بخش فضایی، بخش کابر و بخش کنترل.
بخش فضا از یک مجموعه ۲۴ تایی ماهواره تشکیل می شود (و حدود ۶ قطعه اضافه که هر کدام ۱۱ هزار میل دریایی بالای زمین در چرخش هستند). بخش کاربر از دریافت کننده که می توانید در دست خود بگیرید یا در یک وسیله جاسازی کنید مثل ماشین تان، تشکیل می شود. بخش کنترل از ایستگاه های زمینی (شش مورد از آنها در سرتاسر دنیا قرار گرفته اند) تشکیل شده اند که این اطمینان را ایجاد می کنند که ماهواره ها به طور صحیح کار می کنند. ایستگاه کنترل مرکزی در پایگاه نیروی هوایی Schriever نزدیک کلورادو اسپیرینگ قرار گرفته و کلرادو و سیستم را هدایت می کند. به منظور فهم بیشتر شما از GPS اجازه دهید در مورد سه بخش از این سیستم بحث کنیم. ماهواره ها، دریافت کننده ها و ایستگاههای زمینی و سپس بررسی کنیم که GPS چگونه کار می کند.
مجموعه ماهواره ها
چرخش سفر فضایی به دور زمین است. ماهواره های GPS در عرض ۱۲ ساعت به دور زمین می چرخند. هر ماهواره به یک ساعت اتمی خیلی دقیق مجهز شده طوری که زمان را به صورت نانوثانیه بیان می کند که ۰۰۰۰۰۰۰۰۰۳/۰ یا سه بیلیون ام یک ثانیه است و این امکان را ایجاد می کند تا سیگنالهایش را با سیگنالهای هم زمان از ماهواره های دیگر به زمین می فرستد. سیگنال با سرعت نور به سمت زمین در حرکت است. حتی با این سرعت با یک زمان قابل توجه به هر دریافت کننده می رسد. تفاوت بین زمانی که سیگنال دریافت می شود و زمانی که فرستاده می شود، با سرعت نور ضرب می شود و دریافت کننده می تواند فاصله تا ماهواره را محاسبه نماید. بر اینکه این مقیاس تا حد ممکن دقیق باشد، سیگنال های راهیابی GPS بطور خاص طراحی می شوند تا این قابلیت را برای دریافت کننده های GPS تسهیل کنند تا زمان ورود را اندازه گیری کنند و به تمام ماهواره ها اجازه دهند تا در فرکانس مشابه بدون فعالیت با یکدیگر عمل کنند. برای محاسبه دقیق طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع، دریافت کننده اجرای کنترل GPS از قبیل بخشهای کنترل، فضا و کاربر را اندازه گیری می کند. فاصله تا چهار ماهواره مجزا GPS با استفاده از چهار ماهواره، دریافت کننده موقعیت خودمان را محاسبه می کند و به ساعت اتمی هم در ماهواره نیاز نمی باشد.
دریافت کننده ها
دریافت کننده GPS را می توانید در دست خود نگه دارید یا روی هواپیما، کشتی، تانک، زیردریایی، ماشین و کامیون نصب کنید. دریافت کننده ها و سیگنال های ماهواره ای GPS را شناسایی، رمزگشایی و پردازش می کند.
بیش از ۱۰۰ مدل دریافت کننده مختلف استفاده می شود. دریافت کننده دستی به اندازه یک موبایل است و مدلهای جدیدتر، کوچکتر می باشند و در یک ساعت مچی یا سرویس اطلاعات شخصی نصب می شوند. واحدهای GPS دستی در نیروهای مسلح آمریکا طی جنگ خلیج فارس فقط ۲۸ اونس (کمتر از ۳ پوند) بودند. از آن زمان به بعد، عملکردهای دریافت کننده ها به مدارهای بر هم مرتبط کاهش یافت که وزنی حدود یک اونس داشتند.
ایستگاه های زمینی :
بخش کنترل GPS متشکل از ایستگاههای زمینی متعدد می باشد که در سرتاسر جهان واقع شده است.
ایستگاه کنترل مرکزی در پایگاه نیروی هوایی شریور (Schriever) در کلورادو.
شش ایستگاه نظارتی بدون پرسنل: هاوایی و کواجه لاین در اقیانوس آرام، دیگو گارسیا در اقیانوس هند، جزیره اسنسن در اقیانوس اطلس، کیپ کاناورال، فلوریدا و کلورادو اسپیرینگ، کلورادو.
چهار ایستگاه بزرگ با آنتن زمینی که دستورات و اطلاعات را به ماهواره ها می فرستند و تله متری آنها را جمع آوری می کنند. ایستگاههای نظارتی سیگنالهای راهیابی را پی گیری می کنند و دیتا خود را به ایستگاه کنترل اصلی می فرستند. در آنجا کنترل گرها هرگونه تنظیمات یا آپ دیت های سیگنال های راهیابی مورد نیاز برای راهیابی دقیق و ماهواره های آپ دیت شده مشخص می کنند (از طریق آنتن های زمینی). برای بهبود دقت سیستم، در سال ۲۰۰۵ ایستگاه کنترل مرکزی دیتا را از ۶ ایستگاه نظارتی اضافه کرد که توسط آژانس ژئومکانی ملی (National Geo spatial – lutelliguno) به شش ایستگاه نظارتی GPS فرستاده شد.
نحوه کارGPS
اصل کلی در مورد GPS مقیاس مسافت (یا دامنه) بین ماهواره ها و دریافت کننده ها است. ماهواره ها دقیقاً به ما می گویند که در چه وضعیتی از چرخه هستند و دنیا را به دریافت کننده می رسانند و موقعیت شان محاسبه می شود. عملکرد آنها به این صورت است: اگر بدانیم مسافت دقیق از یک ماهواره در فضا چقدر است، می دانیم که جایی در سطح یک موقعیت تصوری با شعاع برابر با فاصله تا شعاع ماهواره هستیم. اگر بدانیم که فاصله دقیق از دو ماهواره چقدر است، می دانیم که در جایی بین خط یعنی جایی که دو جسم خارجی (سیار) واقع شده اند، قرار داریم. و اگر برای بار سوم و چهارم فاصله را از دو یا چند ماهواره دیگر اندازه گیری کنیم، می توانیم موقعیت خود را مشخص کنیم. دریافت کننده GPS مقیاس دامنه ماهواره را پردازش می کند و موقعیتش را نشان می دهد. GPS از سیستمی هماهنگ به نام WGS 84 استفاده می کند که به معنای سیستم زمین سنجی جهانی است (۱۹۸۴).
به همه این امکان را می دهد تا نقشه هایی مانند مواردی که در مدرسه دیده اید، تهیه کنید و همگی از طریق قالب ارجاعی کلی برای خطوط عرضی جغرافیایی و طولی جغرافیایی استفاده می شود که موقعیت های مکانی و اشیاء را نشان می دهد. GPS از زمان موجود در لابراتوار دریایی امریکا در واشنگتن استفاده می کند تا تمام زمان بندی سیستم GPS را هم زمان کند. مانند کرنومتر هریسون که با زمان گرینویچ هماهنگ بود. اکنون بایستی تصویری واضح از سیستم GPS در اختیار داشته باشید.
می دانید که آن از ماهواره هایی تشکیل شده که مسیرهایشان توسط ایستگاههای زمینی کنترل می شود. هر ماهواره سیگنالهای رادیویی تولید می کند که دریافت کننده موقعیت مکانی و فاصله بین ماهواره و دریافت کننده را برآورد می کند. دریافت کننده از مقیاس هایی برای محاسبه موقعیت مکانی کاربر (بالا یا روی زمین) استفاده می کند.
کاربردهای نظامی GPS
گرچه سیستم GPS به طورکامل در ۱۹۹۴ بوجود آمد، به اثبات رسید که برای نیروی نظامی آمریکا یک کمک ارزش مند بود.تصویر سازی بیابان با عرض وتوسعه بی اندازه ماسه را نشان می داد.این ناحیه در فاصله مایل ها یکسان است.بدون یک سیستم راهیابی قابل اعتماد ، نیروهای آمریکایی نمی توانستند مانورهای عملیاتی طوفان بیابانی را انجام دهند.به وسیله GPS سربازان می توانستند به همه جا بروند ودر طوفان شن یا در شب هنگام وقتی سربازان عراقی ساکن آنجا این امکان را نداشتند، مانورهای عملیاتی شان را اجرا کنند.بیش از ۱۰۰۰ دریافت کننده تجاری پرتابل برای مصرف آنها خریداری شد.تقاضا آنقدر زیاد بود که قبل از پایان درگیری، بیش از ۹۰۰۰ دریافت کننده ی تجاری در منطقه ی خلیج استفاده می شد.آنها توسط سربازان روی زمین حمل می شدند و به وسایل، هلی کوپتر وپانل های ابزار هواپیما متصل بودند.دریافت کننده های GPS در چندین هواپیما شامل جنگنده های F-16 ،تانکرهای هوایی KC-135 وبمب افکن های B-52 نصب می شدند. کشتی های دریایی از GPS برای محل اجتماع،مین روبی وعملیات هوایی استفاده می کردند. GPS برای تمام عملیات نظامی وسیستم های سلاحی دارای اهمیت بود.همچنین در ماهواره ها استفاده می شد تا اطلاعات چرخش درست را بدست آورد وجهت گیر سفینه فضایی را کنترل کنند.
GPS در زندگی روزمره
سیستم GPS برای برآورده کردن نیازهای نظامی ساخته شد، ولی روش های جدید برای استفاده از قابلیت هایش در زندگی روزمره به طور دائم بدست آمد.همان طور که خواندید، سیستم در هواپیما وکشتی به کار برده می شود ولی روش های دیگری هم وجود دارد که می توان از GPS استفاده کرد. ما فقط چند مورد از کاربردهای گسترده اش را به شما می گوییم. GPS برای نجات زندگی و اموال مردم به کار برده می شود.در سال ۲۰۰۲ به امدادگران کمک کرد تا یک چاه حفر کنند ومعدنچی های گرفتار در Somerset PA را نجات دهند.بسیاری از واحد های پلیس ،آتش نشانی ، اورژانس وپزشکی از دریافت کننده های GPS استفاده می کنند تا ماشین پلیس،کامیون آتش نشانی یا آمبولانس نزدیک به یک اورژانس را بیابند ودر واقع سریع ترین پاسخ ممکن را در موقعیت های مرگ وزندگی فراهم می کند.هواپیمای مجهز به GPS می تواند به سرعت محیط جنگل آتش گرفته را پیدا کند وناظرین مربوطه نقشه ای به روز تهیه می کنند و آتش نشانان را با امنیت کامل به نقاط آتش گرفته می فرستند.
نقشه کشی، بازسازی وشرکت های تحقیقاتی به طورگسترده از GPS استفاده می کنند.طی ساخت تونل کانال انگلیس، کارکنان بریتانیایی وفرانسوی از پایانه های مخالف شروع به حفاری کردند- یکی از داور(Dover) انگلستان ویکی از کالایس فرانسه- آنها به دریافت کننده های GPS خارج از تونل اعتماد داشتند، طوری که موقعیت آنها را در طول مسیر کنترل می کرد واین اطمینان را می داد که آنها در وسط یکدیگر را ملاقات می کنند.در غیر این صورت تونل ممکن بود از مسیرش منحرف شود. GPS به مجریان معدن این امکان را می دهد تا تجهیزات معدن را با ایمنی راهیابی کنند، حتی وقتی قدرت دید مشکل باشد. مثال ماشین با یک نمایشگر ویدئو روی داشبورد را به یاد می آورید؟ ردیابی وسیله یکی از کاربردهای روبه رشد GPS در دنیای امروز است.وسایل مجهز به GPS، سیستم های حمل ونقل عمومی،کامیون های تحویل کالا خدمات مسافربری از دریافت کننده استفاده می کنند تا موقعیت شان را در هر زمان هم از لحاظ ضرورت وهم از لحاظ ایمنی راننده تامین کنند.تولید کنندگان خودرو نمایشگرها نقشه متحرک با راهنمای GPS را تهیه می کنند که گزینه ای جدید روی خودروهای تولیدی می باشد.نمایشگر می تواند از محل نصب خود برداشته شود وبه خانه برده شود تا یک سفر را طراحی کنید.شرکت های ماشین اجاره ای وسایل مجهز به GPS دارند که مسیرهای راننده را روی صفحه نمایش واز طریق دستور العمل های صوتی ترکیبی ارائه می دهند.
تصور کنید که دیگر در زمان تعطیلات گم نمی شوید، مهم نیست که کجا هستید.بالن های مجهز به GPS سوراخ های موجود در لایه ازن را در مناطق قطبی بررسی می کنند تا کیفیت هوایی منطقه ی خاص را ارزیابی کنند .ردیاب های شناور ،کشتی های نفت را با استفاده از GPS پیدا می کنند تا عملیات تصفیه اعمال شود.باستان شناسان، زیست شناسان وکاشفان با استفاده از این سیستم خرابی های باستانی، کوچ گله حیوانات وانواع گونه های در معرض خطر مثل گوسفند دریایی، پلنگ سفید وپانداهای بزرگ پیدا می کنند. آینده GPS به اندازه تصور شما نامحدود است.کاربردهای جدید با پیشرفت تکنولوژی ادامه دارد. GPS ، ماهواره مانند ستاره های آسمان، ما را به قرن ۲۱ ام هدایت می کنند.