سیستم مکان یابی جهانی GPS

سیستم مکان یابی جهانی (Global Positioning System) یک سیستم هدایت ( ناوبری) ماهواره ای اســت شـامل شبکه ای از 24 ماهواره درگردش که درفاصله 11 هزارمایلی و در شش مدارمختلف قرار دارند.  

در واقع یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره ای است که از شبکه ای با 24 ماهواره تشکیل شده است و این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند.  این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال 1980 استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد.  

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.  

 24 ماهواره که دور زمین در گردش هستند.

ماهواره ها درحال حرکت می باشند و درعرض 24 ساعت دوبارکامل بـــرگرد زمیــن می گردنــــــد.  (هرروز دوبار )

باسرعتی درحدود 108 مایل درثانیه ) ماهواره های GPS به نام NAVSTAR شناخته می شوند...

لازمه هرگونه آشنایی با GPS فراگیری ماهیت اصلی این ماهواره ها می باشد.  اولین ماهواره GPS درفوریه 1978 پرتاب شد.  وزن هر ماهواره تقریباً / 2000 پاوند ودارای صفحات آفتابی به پهنای 17­f می باشد.  و قدرت فرستنده آن 50 وات ویا کمتر است.  هر ماهواره 2 سیگنال ارسال می کند: L1 و L2.  GPS های غیر نظامی از فرکانس 42MHZ. 1575 :L1 اسـتــفــاده می کننند.  

هر ماهواره حدوداً 10 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 2006 تنظیم وجایگزینی های لازمه ترتیب داده شده اند. مسیر گردش ماهواره ها آنها را بین عرض جغرافیایی 60 درجه شمالی و60 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 تأثیرمی گذارد.  

یکی از بزرگترین مزایای رهیابی بوسیله GPS نسبت به روشهای دیگر زمینی آن است که این سیستم درهر شرایط جوی و بدون توجه به نوع کاربرد گیرنده GPS بخوبی کارمی کند.

ماهواره های GPS

24 عدد ماهواره GPS در مدارهایی بفاصله 24000 هزار مایل از سطح دریا گردش می کنند.  هر ماهواره دقیقا طی 12 ساعت یک دور کامل بدور زمین می گردد.  سرعت هریک 7000 مایل بر ساعت است.  این ماهواره ها نیروی خود را 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.  به این ماهواره ها NAVSTAR  نیز گفته می شود.

در اینجا به برخی مشخصه های جالب این سیستم اشاره می کنیم:

• اولین ماهواره GPS در سال 1978 یعنی حدود 35 سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.  

• در سال 1994 شبکه 24 عددی NAVSTAR تکمیل گردید.  

• عمر هر ماهواره حدود 10 سال است که پس از آن جایگزین می گردد.  

• هر ماهواره حدود 2000 پاوند وزن دارد و طول باتری های خورشیدی آن 5. 5 متر است.  

• انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از 50 وات است.  

GPS چگونه کار می کند؟

ماهواره های این سیستم، در مداراتی دقیق هر روز 2 بار بدور زمین می گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می کنند.  گیرنده های GPS این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می کنند.  در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می کند.  از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می گردد.  حال این عمل را با داده های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز، معین می کند.  

گیرنده به دریافت اطلاعات همزمان از حداقل 3 ماهواره برای محاسبه 2 بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی، و همچنین دریافت اطلاعات حداقل 4 ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است.  با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطاعات مفید دیگر، می نماید.  

گیرنده GPS

بسته به نوع مصرف و بودجه می توانید از طیف وسیع گیرنده های GPS بهره ببرید.  همچنین، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب و بروزجهت ناحیه مورد استفاده تان، اطمینان حاصل کنید.  امروزه بهای گیرنده های GPS بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و هم اکنون در کشور ما  (ایران) با بهایی معادل یک عدد گوشی متوسط موبایل نیز می توان گیرنده GPS تهیه کرد.  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 دقت مکانیابی این سیستم در حد چند متر می باشد، که بسته به کیفیت گیرنده تغییر می کند.  از سیستم محلیابی جهانی می توان در کارههایی چون نقشه برداری و مساحی، پروژه های عمرانی، کوهنوردی، کایت سواری، سفر در مناطق ناشناخته، کشتی رانی و قایقرانی، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمینلرزه و هر فعالیت دیگر که نیازمند محل یابی باشد، بهره برد.   مسیر نزدیکنرین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را سوال نمود و مسیر پیشنهادی را دنبال کرد.

هر کس که بخواهد بداند کجاست و بکجا می رود به این سیستم نیازمند است، 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.

اطلاعاتی که یک ماهواره GPS ارسال می کند چیست ؟

سیگنـال GPS 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 1و 32.  این عدد درگیرنده هر GPS نمایش داده میشود. دلیل اینکه تعداد این شناسه ها بیش از 24 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 1و 32 برای شناسایی این ماهواره جدید استفاده می شود.  

داده Ephemeris دایماً 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.

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 GPSGPS مکان یابی را انجام دهد وموقعیتی راگزارش نماید دقت آن نمی تواند زیاد خوب باشـــــــد ( کمتر از500-300 فیت ).  اگر همین چهارماهواره درچهارجهت ( شمال، جنوب، شرق، غرب ) وبا زوایای 90 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 از100فیت می باشد.   برای مکان خود تصورمی کند بسیار وسیع می باشد ودر نتیجه تعیین دقیق محل آن ممکن نیست ) دراین موقعیتها حتی اگر

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 تعیین 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 15 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 60 تا 225 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 14 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.  

چه کسانی از GPS استفاده می کنند ؟

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 می کنند.  

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 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… برای توسعه منطقه کاری خود بــــهره می گیرند.

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.