Gps چيست؟

[Дr£F]

GPS چيست؟

http://www.afghanpen.com/IMG/arton510.jpg

مخفف كلمات Global positioning system به معناي سيستم تعيين موقعيت جهاني است و عملاً شبكه اي از ماهواره هاست كه براي نقاط مختلف كره زمين مي تواند ارتفاع طول و عرض جغرافيايي را تعيين كند. امروزه GPS بيش از گذشته كاربردي شده و در زندگي روزمره استفاده مي شود به عنوان مثال كامپيوترهاي ناوبري كه روي خودروهاي امروزي نصب شده اند بوسيله سيستم GPS كار مي كنند و مي توانند بهترين مسير را به شما با توجه به موقعيت كنوني اعلام كنند. همينطور به كاربرد آن در تلفن هاي همراه و سيستمهاي ساعت دقيق مي توان اشاره كرد. و سيستم هاي گيرنده رسيور هم به سرعت در حال فراگيري هستند.

براي اينكه GPS بتواند كار كند 24 ماهواره در مدار زمين قرار گرفته اند. هر ماهواره به گونه اي در فضا قرار گرفته كه هر گيرنده روي زمين بتواند با 4 ماهواره ارتباط برقرار كند. هر ماهواره داراي يك كامپيوتر، راديو و يك ساعت خودكار است. اين ساعت از فركانس اتم به جاي كوارتز يا چرخدنده استفاده مي كند چون اتم بسيار دقيق تر است براي محاسبه طول و عرض جغرافيايي حداقل به 3 ماهواره نياز است و اگر ماهواره چهارم در محدوده برد گيرنده باشد آنگاه مي توان ارتفاع از سطح دريا را هم اندازه گرفت. هر چه تعداد ماهواره هاي در دسترس بيشتر باشد دقت محاسبات بيشتر است. امروزه سيستم هاي گيرنده GPS در طيف وسيعي از مدل هاي قابل حمل و نقل كوچك دستي تا ايستگاههاي زمين شناسي ساخته مي شوند.

به هر حال استفاده از GPS از كاربردهاي نظامي گرفته تا وسايل بازي الكترونيكي در حال گسترش است. احتمالاً در آينده كاربردهاي بيشتري از آن كشف خواهد شد. و امروزه GPS به عنوان امكانات قابل نصب مطرح است و احتمالاً در آينده به عنوان يك تجهيز استاندارد مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

b-)

[Дr£F]

تاريخ مسيريابي قدمتي برابر با تاريخ تمدن بشر دارد. از همان روزهايي كه انسانها جهت تهيه غذا از محل زيستگاه خود (جنگل يا غارها) خارج شدند. نياز به وسيله‌اي داشتند كه مسير را به آنها نشان دهد،‌ برعكس بعضي از پرندگان و حيوانات كه بطور غريزي مسير خود را مشخص مي‌نمايند،‌ انسانها داراي چنين غريزه‌اي نيستند و هميشه نياز به وسيله و ابزاري دارند كه مسير را برايشان مشخص نمايد. در آغاز شروع مسافرت با كشتي اين مسافرت‌ها منحصراً يا در امتداد رودخانه‌ها و يا موازي با ساحل انجام مي‌گرفت و از علائم مشخص جهت راهنمايي استفاده مي‌گرديد.

كلمه Navigation از دو كلمه لاتين به معني كشتي (Ship) و حركت (Move) گرفته شده است و اساساً به معني پيدا نمودن مسير در دريا مي‌باشد. اما بعدها با شروع مسافرت در فضا و خشكي اين كلمه به مفهوم مسيريابي در هوا، ‌خشكي و دريا بكار برده شد. مسيريابي اوليه توسط اجرام سماوي و قطب‌نماهاي مغناطيسي انجام مي‌گرديد، با پيشرفت عدم و تكنولوژي امروزه از سيستم‌هاي پيشرفته ماهواره‌اي استفاده مي‌شود. ماهواره‌هاي مسيرياب قادر به مشخص نمودن طول و عرض جغرافيايي، ارتفاع از سطح دريا، سرعت، فاصله و زمان با دقت بسيار بالا مي‌باشند.

NAVSTAR يكي از سيستم‌هاي ماهواره‌اي مسيرياب مي‌باشد كه اين اطلاعات را در اختيار قرار مي‌دهد. اين سيستم دقتي در 15 متر را دارا مي‌باشد. سيستم NAVSTAR جايگزين سيستم سري TRANSCT گرديد كه اطلاعات مسيريابي را جهت استفاده‌هاي نظامي و كاربردهاي غيرنظامي و مشخص تهيه مي‌نمود. خصوصاً براي دريانوردي. يكي از مهمترين سيستم‌هاي مسيرياب ماهواره‌اي سيستم GPS مي‌باشد كه در ذيل توضيح داده مي‌شود.

فضا، كاربر، كنترل( Space , User , Control )

سيستم GPS شامل 3 بخش،‌ فضا، كنترل و كاربري مي‌باشد. بخش فضايي شامل آرايش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) مي‌باشد. اولين سري اين ماهواره‌ها در سال 1978 در مدار قرار داده شد. و در سال 1986 توسعه و تكميل آرايش ماهواره‌اي سيستم GPS به علت جلوگيري از خطرات ناشي از عدم مسيريابي انجام پذيرفت. در فوريه 1989 آرايش ماهواره‌اي سيستم GPS با 24 يا تعداد بيشتري ماهواره در مدار كامل و فعال گرديد. سيستم كنترل توسط ارتش آمريكا انجام مي‌گيرد كه رديابي و نگهداري آنها را در مدار كنترل مي‌نمايد.

بخش كاربرها، شامل كاربرهاي نظامي و شخصي هر دو مي‌باشد. كاربرهاي نظامي از سيستم GPS به عنوان، مسيريابي،‌ شناسايي، و سيستم هدايت موشكي استفاده مي‌نمايند و كاربرهاي شخصي هم مي‌توانند همانند نظامي‌ها و براساس نياز از اين سيستم استفاده كنند.


بخش فضايي( Space Segment )

ماهواره‌هاي GPS در حدود 900 kg وزن و 5 متر با نيل‌هاي خورشيدي طول دارند. عمر مفيد اين ماهواره‌ها براي5/7 سال طراحي شده است اما اغلب مدت زمان بيشتري در مدار مورد استفاده قرار مي‌گيرند. پنل‌هاي خورشيدي نيروي اوليه را تهيه مي‌نمايند و نيروي (تغذيه) ثانويه توسط باطري‌هاي Nicod تأمين مي‌شود. در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمي فوق‌العاده دقيق نصب گرديده است. در سپتامبر 2001 تعداد ماهواره‌هاي مورد استفاده در مدار 27 عدد بوده است.

مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits )

شامل 6 مدار با فاصله 60 درجه و در هر مدار 4 ماهواره وجود دارد و اين امكان را فراهم مي‌سازد كه با وجود اشكال و خرابي 2 ماهواره در هر مدار سيستم كار نرمال خود را انجام دهد. هر سطح مداري شيبي برابر با 55 درجه با سطح مدار استوايي دارد. ارتفاع زياد مدار (km 20000) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان مي‌شود. همچنين ارتفاع زياد ماهواره باعث پوشش منطقه وسيعي در روي زمين مي‌شود.

ماهواره‌هاي GPS هر نقطه در روي زمين را 2 بار در روز پوشش مي‌دهند (از هر نقطه در روي زمين دوبار در روز مي‌گذرند).

سيگنال‌هاي ماهواره( Satellite Signals )

هر ماهواره يك سيگنال مسيريابي كه شامل عناصر مداري، وضعيت ساعت (Clock)‌، زمان سيستم و وضعيت پيام‌ها مي‌باشد را ارسال مي‌نمايد. به علاوه يك تقويم نجومي (almanac) تهيه مي‌شود كه اطلاعات (تقريبي) را براي هر ماهواره فعال ارسال نمايد. سيگنال‌هاي راديويي با سرعت نور منتشر مي‌شوند. سيصد هزار كيلومتر در ثانيه، مدت زمان 06/0 ثانيه طول مي‌كشد كه سيگنال ارسالي از ماهواره GPS به زمين برسد. اين سيگنال‌ها با قدرت كم (حدود 300 تا 350 وات در طيف مايكروويو) ارسال مي‌گردند.

كد C/A (Coarse A qwsition Cood) براي استفاده كاربرهاي شخصي در دسترس مي‌باشد و به عنوان (SPS) (Standard Positining Service) مسيريابي استاندارد. PPS يا Precise Positioning Service سرويس مكان يابي دقيق كه منحصراً در دسترس كاربرهاي نظامي و كاربرهاي مجاز مي‌باشد. سيگنال‌هاي ماهواره به خط مستقيم جهت رسيدن و استفاده گيرنده‌هاي GPS نيازدارند. درخت، ساختمان،‌ كوه و حتي دست و يا بدن مي‌تواند سيگنال‌هاي ماهواره‌ها را بلوكه نمايد.

تقويم نجومي يا Almanac شامل اطلاعاتي راجع به مدارات 24 ماهواره مي‌باشد. يك گيرنده GPS از تقويم نجومي كه در پيام‌هاي ديتاي ماهواره وجود دارد براي موقعيت هر ماهواره‌اي كه رديابي مي‌كند استفاده مي‌نمايد. نرم افزار mission planning براي تهيه گراف و موقعيت ماهواره‌هاي قابل رؤيت و بهترين زمان بررسي در منطقه مخصوص،‌ از تقويم نجومي استفاده مي‌نمايد. تقويم نجومي براي مدت 30 روز معتبر مي‌باشد،‌ اما هر بار كه گيرنده GPS روشن مي‌شود بطور اتوماتيك تقويم نجومي را دريافت مي‌كند (در مدت زمان 15 دقيقه). استفاده از تقويم نجومي به روز يا up-to-date براي استفاده از ماهواره‌هايي كه در ديد گيرنده‌هاي GPS قرار مي‌گيرند بسيار مهم مي‌باشد.

بخش كنترل Control Segment

بخش كنترل شامل پنج ايستگاه مونيتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوايي، كواجالين،‌ جزيره اسنشن، ديوگوگارسيا و كلورادو مي‌باشد. ايستگاه (MCS) يا مركز كنترل در كلورادو قرار دارد. ايستگاه‌هاي مونيتور، ماهوار‌هاي در معرض ديد را رديابي مي‌نمايد و اطلاعات فاصله را جمع‌آوري و اين اطلاعات را در ايستگاه MCS تجزيه و تحليل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص مي‌نمايد و پيام‌هاي هر ماهواره مكان‌ياب را به روز مي‌نمايد. اطلاعات به روز شده از طريق آنتن‌هاي زميني به ماهواره‌ها ارسال مي‌گردد. ماهواره‌هاي GPS 1- پيام‌هاي اطلاعاتي ماهواره (موقعيت و زمان) 2- تقويم نجومي 3- اصلاح مداري را كه از ايستگاه MCS دريافت مي‌نمايند، ارسال مي‌كنند و گيرنده‌هاي GPS از تمامي اين اطلاعات جهت محاسبه موقعيت استفاده مي‌نماييد.

بخش كاربري User Segment

بخش كاربري شامل گيرنده‌هاي GPS مي‌باشد كه موقعيت محل، سرعت و زمان دقيق را در همه جاي دنيا مشخص مي‌نمايد. كاربردهاي GPS تقريباً در تمامي زمينه‌ها، از حمل و نقل و كنترل منابع طبيعي و كشاورزي وجود دارد. بعنوان مثال:

- استفاده از GPS براي هدايت هلي‌كوپترها و مشخص نمودن محل‌هاي مورد نظر، خصوصاً در عمليات نجات آسيب‌ديدگان.

- استفاده از GPS جهت تهيه نقشه‌هاي كشاورزي.

- استفاده از GPS در مسيريابي هواپيماها و يا علامت گذاري مناطقي كه بايد سم‌پاشي شود.

- استفاده از GPS براي دريانوردي.

- استفاده از GPS براي مسيريابي در جنگل‌ها.

- تركيبي از GPS/GIS جهت پيدا نمودن سريع‌ترين مسير به مقصد استفاده مي‌شود. حتي از GPS براي تحويل ساندويچ و پيتزا به منازل استفاده مي‌گردد.

طريقه كار GPS چگونه است؟

از اندازه‌گيري فاصله بين گيرنده و ماهواره استفاده مي‌نماييم. ماهواره‌ها در نقاط مشخصي مي‌باشند و گيرنده‌هاي GPS در روي زمين و منطقه ناشناخته‌اي هستند. امواج راديويي با سرعت نور حركت مي‌كنند. با ضرب زمان حركت سيگنال از ماهواره تا گيرنده GPS درkm/s 300000 فاصله ي بين ماهواره و گيرنده مشخص مي‌شود. اگر ما از محل 4 ماهواره اطلاع داشته باشيم و مقدار فاصله آنها از گيرنده مشخص گردد،‌ در يك فضاي 3 بعدي مي‌توان محل خود را محاسبه نمود.

12000 مايل شعاع كره‌اي مي‌باشد كه مركز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها كروي و فاصله آنها تا زمين 12000 مايل است) محل يا موقعيت ما مي‌تواند هر جاي در روي اين كره باشد. اندازه‌گيري دوم (ماهواره دومي)، سطح تقاطع دو كره يك دايره است بنابراين حالا مي‌‌دانيم كه محل ما جايي روي دايره است.

اندازه ‌گيري سوم، 3 كره يكديگر را فقط در 2 نقطه قطع مي‌كند. يكي از دو نقطه به عنوان غيرقابل قبول حذف مي‌شود. كامپيوترها در داخل گيرنده‌هاي GPS روش‌ها و تكنيك‌هاي مختلفي براي مشخص نمودن نقطه صحيح از نقطه غيرقابل قبول دارند.

اندازه‌گيري چهارم، Offset زماني اختلاف بين همزماني Clock ماهواره و Clock گيرنده مي‌باشد. نصب ساعت‌هاي اتمي در گيرنده‌هاي GPS باعث گراني بيش از حد آنها مي‌شود، در گيرنده‌ها از ساعت‌هاي دقيق كوارتز استفاده مي‌شود. اندازه‌گيري چهارم مقدار اين Offset را جبران مي‌نمايد و نقطه صحيح را پيدا خواهد نمود. GPS سرعت را نيز اندازه‌گيري مي‌كند كه براي مسيريابي بسيار مهم است.

خطاهاي GPS

مدت زمان عبور سيگنال‌ها از لايه‌هاي يونسفروتروپسفر متغير مي‌باشد. وجود نويز باعث خطا يا تداخل در گيرنده مي‌شود. خطاهاي موقعيت مداري ممكن است در پارامترهاي ديتا وجود داشته باشد. پارامترهاي ماهواره بطور خلاصه سيستمي از موقعيت‌هاي ماهواره GPS در حوزه زمان مي‌باشد. اين اطلاعات مشخص مي‌كنند كه ماهواره در كجا و در چه موقع در هر نقطه‌اي بايد باشد. تغييرات بسيار كمي در ساعت‌هاي اتمي خطاهاي زيادي را باعث مي‌شود. خطاي يك نانو ثانيه‌اي در گيرنده‌هاي GPS در روي زمين 3/0 متر در محاسبه مكان خطا ايجاد مي‌نمايد. عبور چند مسير سيگنال، محل ماهواره‌ها در فضا و SA باعث خط مي گردند.

عبور چند مسير سيگنال يا Multipath پديده‌اي مي‌باشد كه آنتن‌هاي گيرنده سيگنال را از دو مسير يا بيشتر دريافت مي‌كند. اختلاف مسيري كه سيگنال‌ها طي مي‌نمايند باعث تداخل اين سيگنال‌ها در آنتن گيرنده مي‌گردد و باعث خطا مي‌شود. پيكربندي يا محل ماهواره‌ها در فضا مي‌تواند بر دقت مكان‌يابي ماهواره تاثير گذارد. GDOP يك اندازه‌گيري از كيفيت پيكربندي ماهواره مي‌باشد و اشاره به اين موضوع دارد كه ماهواره‌هادر فضا با يكديگر در ارتباط هستند.

SA يا Selective Avalibi lity خطاهاي پارامتري و Clock مصنوعي را نشان مي‌دهد و باعث خطاي عمومي اندازه‌گيري از 70 الي 100 مترمي‌شود. SA در چهارم جولاي 1991 فعال و در يكم مي 2000 خاموش گرديد. خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گيري و در نتيجه ايجاد كاربردهاي جديد براي GPS و ارتقاء سطح زندگي مردم در اقصاء نقاط جهان مي‌شود. توسعه تكنولوژي جديد اين امكان را مي‌دهد در مناطقي دقت GPS را كاهش دهند. ضمن اينكه اين كاهش در نقاط ديگر دنيا غير ضروري مي‌باشد.