GPS داراي تاريخچه بسيار مهيج و سيرتکاملي جالبي مي‌باشد و اخيرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهي شده است. اماقبل از اين که بيشتر راجع به GPS بدانيم، لازم است مطالببيشتري در مورد ناوبري(Navigation) بدانيم.

ناوبري(Navigation) چيست؟

از زمان ماقبل تاريخ مردم سعي مي کردند يک راه قابلاطمينان پيدا کنند که به آنها بگويد کجا هستند و حتي آنها را به جاييکه مي روندراهنمايي کرده و سپس به خانه بازگرداند.

مردمان غارنشين وقتي که براي تهيهغذا به شکار مي رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه هاي کوچک براي علامت‌گذاري مسيرخود استفاده مي کردند. ملوانان نيز ابتدا سواحل را به دقت دنبال مي کردند تا از گمشدنشان جلوگيري کنند.

وقتي دريا نوردان اوليه در درياهاي باز(اقيانوس ها) کشتيراني کردند، دريافتند که مي‌توانند مسير خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسيمکنند. فنيقيهاي باستان از ستاره شمالي براي سفر به مصر و جزيره کرت استفادهمي‌کردند. بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اوديسه گفته است که هنگام سفر کردن درجزيره کاليپسو "دب اکبر را سمت راست خود قرار بده".

متأسفانه براي اوديسه وديگر دريانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌هاي صاف قابل رؤيت هستند.

پيشرفت مهم بعدي در امر ناوبري کشف قطب نماي مغناطيسي و دستگاه زاويه ياب(sextant) بود.

عقربه قطب نما هميشه نقطه شمالي را نمايش مي دهد، بنابراين هميشه دانستنجهت مسيري که در آن حرکت مي‌کنيم را ممکن مي سازد.

GPS چيست؟

GPS يا (Global Positioning System) سيستم موقعيت ياب جهاني است وتنها سيستمي مي باشد که امروزه قادر است، موقعيت دقيق شما را بر روي زمين در هرزمان، درهر مکان و در هر هوايي مشخص کند. ماهواره هايGPS، بيست و چهار ساعته درمداري به طول 11000 مايل دريايي بالاي زمين در حرکت بوده و پيوسته بوسيلهايستگاه‌هاي زميني در سراسر جهان نظارت مي‌شوند. ماهواره ها سيگنال‌هايي مي‌فرستندکه براي هر کس با يک گيرنده GPS قابل شناسايي مي‌باشد. با به کارگيري گيرنده GPS ميتوان موقعيت خود را با دقت بالا تعيين نمود(دقت مکاني در هر مکان از يک متر تا 100متر بسته به نوع تجهيزات متفاوت مي باشد).

دسته بندي دستگاههاي GPS:

بطور كلي يك GPS را ميتوان از يكي از 3 گروه ذيل دانست.

GPS MOUSE : هيچ صفحه يا دكمه اي ندارد اما توسط يكpc Laptop با نرم افزار مربوطه قابل استفادة سرويس GPSS مي باشد.

دستگاههاي اين گروه مانند:

Garmin GPS 35

Delorme يا Rand Macnalley ( باقيمت هاي پايينتر)

قيمت اين GPS ها حدود 75 تا 150 دلار آمريكا متغير مي باشد. ولي فراموش نكنيد كه اين نوع GPS ها حتماً به Laptop pc نياز دارند.

Hand-Held GPS: اين نوع دستگاهها مي توانند بصورت سيار مورد استفاده قرار گيرند آنها خودشان يك‌صفحه كوچك جهت نمايش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكل ها و تركيب هاي مختلفي عرضه مي‌شوند و هيچگونه نيازي بهLaptop ندارند. كه بطور مثال ميتوان مدل‌هاي با قيمت پائين Garmin شبيه Etrex, GPS12*l , GPS12 يا مدل هاي 315, 310 ازMagellan را نام برد. تعدادي از اينها يك رابط NMEA و يك كابل رابط دارند قيمت با كابل ممكن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممكن است بعضي از كشورها ارزانتر هم موجود باشد.

يك GPS دستي ارزان قيمت با يك كابل رابط براي انتخاب و آغاز كار با GPS مناسب ميباشد, حتي براي سرگرمي يا كار يا آشنايي شما با طرز كار و خدمات GPS.

High-End GPS products: اين دستگاهها شامل يك صفحه نمايشگر بزرگتر و تعدادي نقشه ميباشند و در بعضي از آنها شما بايستي مبلغ بيشتري جهت نقشه ها بپردازيد.

قيمت اين دستگاهها ممكن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500 دلار آمريكا باشد كه نمونه هايي از آن مانند Blaupunkt PhihPs و Alpine ميباشد.

GPS چگونه كار مي‏كند؟

اصول اساسي GPS واقعاً‌ بسيار ساده است، اگر چه سيستم برخي از پيشرفته‏ترين ابزارهايي كه تا حال ساخته شده را به كار مي‏گيرد. براي درك آن بيائيد سيستم را به پنج بخش حياتي تقسيم كرده و هر بخش را جداگانه بررسي كنيم. ما با مفاهيم اصلي شروع مي‏كنيم و بعضي از جزئيات را كنار مي گذاريم، سپس در تمام آنها نكات اصلي را بيان خواهيم نمود.

GPS ) در پنج مرحله ساده

1) مثلث‏بندي ( اندازه گيري ب روش مثلث‏بندي ) با ماهواره‏ها اساس سيستم است.

2) براي اندازه‏گيري مثلث‏بندي ، GPS فاصله را توسط زمان طي مسير به وسيله يك پيام راديوئي اندازه مي‏گيرد.

3) براي اندازه‏گيري زمان طي مسير، GPS به ساعت‏هاي بسيار دقيقي نياز دارد.

4) وقتي كه شما فاصله تا ماهواره را دانستيد بايد بدانيد كه ماهواره در كجاي فضا قرار دارد.

5) هنگامي كه سيكنال (پيام) GPS از يونيسفر و جو ( اتمسفر) ‌زمين عبور مي‏كند در آن تاخير به‏وجود مي‏آيد.

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.

اندازه‌گيري 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.

ارکان GPS:

يک سيستم GPS داراي سه بخش است:

شکل بالا بخش هاي مختلف يکسيستم GPS را به طور خلاصه نمايش مي‌دهد
بخش فضايي:

اين بخش شامل 24 ماهواره است که هر کدام به تنهايي داراي يکمدار 11000 مايل دريايي در بالاي زمين هستند. هر ماهواره حدودا 10سال يا بيشتر فعالمي‌باشد.

چرخش ماهواره‌هاي GPS به دور زمين، دو باردر روز و حدود 20200کيلومتر، بالاي سطح زمين مي باشد. در هر زمان از شبانه روز حداقل 4 ماهواره يابيشتر بالاي سر ما در آسمان قرار دارند. براي تخمين موقعيت به وسيله گيرنده بهحداقل 4ماهواره نياز است.

بخش کنترل(نظارت):

بخش کنترل مغز GPS است. اين بخش اداره کننده تمامي ماهوارهها مي باشد.
اين بخش از ايستگاه‌هاي زميني تشکيل شده است(پنج عدد از آنها، دراطراف زمين قرار دارند) که ماهواره ها را از کارکرد درست مطمئن مي سازند.

ارتش آمريکا، بخش اصلي سايت کنترل در نيروي هوايي فالکون، واقع در کلورادواسپرينگ(the Falcon Air Force Base in Colorado Springs) در آمريکا را اداره ميکند.

ساختمان بخش کنترل، فالکونAFB.

ايستگاه پيگيري و کنترل زميني،هاوايي.

يک بار گردش به دور زمين در فضا برابر يک مدار مي باشد. هريک ازماهواره هاي GPS دوازده ساعت زمان نياز دارند تا يک بار مدار زمين را طي کنند. هرماهواره به يک ساعت دقيق مجهز شده است که به آن اجازه مي دهد سيگنال هاي زوج را بايک پيام زماني بسيار دقيق مخابره کند(with a precise time message). دستگاه (قسمت) زميني، سيگنال مخابره شده از ماهواره (که با سرعت نور حرکت مي کند) را دريافت ميکند. حتي در اين سرعت، زمان رسيدن سيگنال به گيرنده قابل اندازه گيري مي باشد. تفاوت زماني ميان سيگنال فرستاده شده و زمان دريافت آن، مضربي از سرعت نور مي باشدکه گيرنده را قادر مي سازد تا فاصله از ماهواره را محاسبه کند. براي اندازه گيريدقيق طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع، گيرنده زماني را که صرف مي شود تا سيگنال ها ازچهار ماهواره جدا گانه به آن برسند را محاسبه مي‌کند.

سيستم GPS مي‌تواندموقعيت هر جايي بر روي زمين يا بالاي زمين را با اندازه تقريبا 300 فوت(90 متر)،نمايش دهد.

بخش کاربر:

اين بخش از گيرنده‌هايي تشکيل شده که مي توان آن را در دست نگهداشت يا بر روي اتومبيل سوار نمود.

با اين که GPS براي ارتش طراحي شده استولي شمار کاربران شهري از کاربران نظامي بيشتر است. بعضي از کاربران اصلي GPS عبارتند از:

- سرويس هاي اورژانس- مانند آتش نشاني، آمبولانس در تعيينموقعيت افراد آسيب ديده.

- پي گيري وسايل نقليه - مانند نگهداري و پي گيريکاميونها، قطارها، اتوبوسها و غيره.

- هوانوردي - خلبانان از آن براي راهبريهواپيماها استفاده مي کنند.

- کشاورزي- کشاورزان از GPS براي کنترل بهترمحصولاتشان استفاده مي کنند.

- جمع آوري داده هاي GIS- شهرها براي موقعيتسرويس هايشان مانند خطوط نيرو و لوله کشي آبها در خيابانها از آن استفاده مي کنند.

ماهيگيران و دريانوردان در دريا از آن جهت هدايت قايق‌ها يا تشخيص يک موقعيت دردريا استفاده مي‌کنند. در هدايت وسايل نقليه با استفاده از GPS براي رسيدن به مقصد،نياز به نقشه نيست.

گردشگران و کوهنوردان از آن استفاده مي کنند تا ميسر خودرا پيدا کنند

ماهواره‌ها در فضا:

همانطور که گفته شد سيستم فضايي GPS از 24 ماهواره تشکيلشده است که هر يک از آنها، هر 11000 مايل دريايي در بالاي زمين را در مدت 12ساعت(يکمدار) طي مي‌کند.

ماهواره‌ها در فضا به صورتي قرار مي‌گيرند که مي‌توانيمتقريبا 100 درصد از مواقع، سيگنال‌ها را از شش عدد آنها در هر نقطه روي زمين دريافتکنيم، زيرا جهت بدست آوردن بهترين اطلاعات مربوط به هر موقعيت، سيگنال‌هاي زيادينياز است. همچنين ماهواره ها به ساعت‌هايي جهت نگهداري زمان دقيق مجهز هستند. ايندقت در حد سه نانو ثانيه(سه ميليارديوم ثانيه 000000003/0) بوده و بسيار مهم ميباشد، زيرا گيرنده بايد به درستي تعيين کند که سيگنال‌هايي که از هر ماهواره GPS ميرسد، از چه ارتفاعي گرفته شده است( اين اطلاعات براي محاسبه موقعيت گيرنده مورداستفاده قرار مي گيرد

اولين ماهواره GPS در سال 1978 پرتاب شد. 10 ماهواره اول که Block I نام داشتند بهمنظور توسعه اين تکنولوژي(developmental satellites) فرستاده شدند. از سال 1989 تا 1993، 23 ماهواره هاي توليدي (production satellites) به نام Block II پرتاب شدند. پرتاب بيست و چهارمين ماهواره در سال 1994 اين سيستم را تکميل کرد.

24 ماهواره GPS با مدار 11000 مايلي در بالاي زمين، در تمام شبانه روز به نظاميان و غير نظاميان خدمت رساني مي کنند. اين شبکه از ماهواره ها هسته اي از دقيق ترينسيستم ناوبري که تابه امروز ساخته شده است را مي سازد.

ايستگاه‌هاي کنترل زميني و گيرنده‌ها:

ايستگاه‌هاي کنترل زميني:

کنترل GPS يا بخش زميني، از ايستگاه‌هاي محلي اطلاع دهنده اتوماتيک(خودکار) در نواحيمختلف اطراف زمين(هاوايي و ماژالين در اقيانوس آرام، ديگو گارسيا در اقيانوس هند،جزيره اسنشن در اقيانوس آرام و کولورادو اسپيرينگ در کولورادو)، يک ايستگاه اصليدر اشريور (فالکن) پايگاه هوايي کولورادو اسپيرينگ و چهار ايستگاه آنتن بزرگ کهسيگنال ها را به سمت ماهواره ها ار سال مي کنند، تشکيل شده اند. همچنين اين ايستگاهها، ماهواره هاي GPS را رديابي و اطلاع رساني مي‌کنند

گيرنده ها:

گيرنده‌هاي GPS مي‌توانند توسط دست حمل شوندGPS (دستي) يا بر رويهواپيما، کشتي، تانک، زيردريايي، اتومبيل و کاميون نصب شوند. اين گيرنده ها سيگنالهاي ماهواره هاي GPS را دريافت، رمزگشايي و در نهايت آنها را پردازش مي‌کنند. امروزه بيشتر از 100 مدل گيرنده متفاوت با اندازه هاي مختلف در حال استفادههستند(به اندازه يک تلفن بي سيم در گيرنده هاي دستي و حتي کوچک تر از آن در مدل هايجديد ديده مي شوند).

به عنوان نمونه دستگاه هاي دستي که به نيروهاي ارتشآمريکا در جنگ خليج فارس داده شد تنها 28 اونس وزن داشتند.

GPS درپي‌جويي‌هاي صحرايي، اکتشاف نفت و گاز و شرکتهاي خدمات رفاهي (آب و برق و ...) جهتموقعيت يابي دقيق استفاده مي شود.

كاربرد

اخيراً يك محقق در يك نظرسنجي در جهت اهداف تحقيقي سوالي را درباره GPS مطرح كرده است. اين به نظر موضوع جالبي جهت بررسي در اين ماه مي‌باشد. براي شمايي كه هيچ تجربه‌اي در اين زمينه نداريد، در فهم كاربردهاي تحقيقي غيرنظامي كمك زيادي مي‌كند.

سيستم مختصات جهاني (GPS) در اصول بوسيله وزارت دفاع دولت ايالات متحده در جهت كمك به نيروهاي ارتش ايجاد شد. اين سيستم مجموعه‌از اين ماهواره‌هاي فلكي با سيستم‌هاي الكترونيكي مختلف و ايستگاه‌هاي كنترل زميني است. ماهواره‌هاي مختلف سيگنال‌هاي راديويي را كه بوسيله واحدهاي GPS برنامه‌ريزي شده و قابل دريافت است را انتقال مي‌دهد. پس از بسته شدن نطفه آن در ارتش اين سيستم توسعه يافت و قسمت‌هايي از آن همچنين در دسترس جامعه جهاني و بخش تجاري غيرنظامي قرار گرفت.

واحدهاي GPS به طور اساسي 2 گيرنده راديويي هستند، لذا بايد مسير ديدي به سمت ماهواره‌ها در جهت دريافت سيگنال‌هاي ماهواره‌اي داشته باشد. هر مانعي باعث محدوديت كاركرد و قابليت اطمينان آن مي‌شود. اولين مانع زمين است. ماهواره‌ها در مداري به دور زمين هستند، لذا دسترسي آنها در ساعات مختلف روز در نقاط مختلف دنيا تغيير مي‌كند. برخي از آنها اصلاً در يك مكان خاص قابل مشاهده نيستند. موانع تنها به اين محدود نمي‌شوند. كوه‌ها، تونل‌ها، ساختمان‌هاي بلند، بدنه اتومبيل‌ها و ....، همه مي‌توانند سيگنال‌هاي راديويي را بلوكه كند و يا لااقل قدرت آنها را كاهش دهد.

اگر واحد GPS نتواند سيگنال‌هاي راديويي را دريافت نمايد، نمي‌تواند موقعيت را تعيين نمايد. گيرنده‌ها حداقل بايد دو سيگنال راديويي را براي انجام هر محاسبه موقعيتي دريافت نمايند. با دريافت سيگنال‌هاي بيشتر قابليت اطمينان محاسبات بالا مي‌رود.

گيرنده‌هاي ماهواره‌اي، با اطلاعات اساسي درباره ماهواره‌ها و مناطق جغرافيايي برنامه‌ريزي مي‌شوند. واحدهاي كم‌هزينه‌تر جهت كار در مناطق محدودتري از قبيل آمريكاي شمالي عمل مي‌كنند، در حالي كه واحدهاي گرانتر بر روي دكل شبكه جهاني عمل مي‌كنند. واحدهاي GPS گران قيمت قبل از اينكه بتوانند كار كنند، نياز به ورودي كاربري در رابطه با مناطق جغرافيايي و قاره‌ها دارند و راهنماي دستورالعمل كاربر شامل اين اطلاعات اساسي است.

همانند يك واحد GPS گيرنده‌هاي GPS بوسيله منبع نيرو محدود مي‌شوند. شرايط محيطي از قبيل گرما و رطوبت مي‌تواند در عملكرد اين واحد محدوديت ايجاد نمايد. تا اين مرحله ما با محدوديت‌ها آشنا شديم: قدرت ديد منابع، برنامه‌نويسي بانك اطلاعاتي داخلي، منابع نيرو و ضريب اطمينان اجزاء الكترونيكي.

كاربرد سرمايه‌گذاري GPS با ملاحظات قانوني آغاز شد و كاربرد سرويس‌هاي اصلي GPS تحت اين قانون مجاز گرديد. اما آيا اين مانعي براي قانون استراق سمع است؟ پاسخ در بيشتر موارد خير است،‌ اما نه در همه مواقع. سه كليد جهت تفسير مشروعيت آن تعريف حقوقي GPS وسايل ارتباطي و ذخيره‌سازي و انتظار منطقي از اختفا در شرح كاربرد آن است.

يك نمونه از كاربرد آن اين است كه زماني كه حركتي وجود ندارد، نمي‌تواند توصيف كند. اين طبقه‌بندي از آنجايي مهم است كه قانون استراق سمع ابزار حركتي را از تعريف ارتباطات الكترونيكي مستثناء مي‌كند. تحت 18 USC 2510 يك ارتباط الكترونيكي شامل سيگنال‌هاي راديويي و سيستم‌هاي ذخيره‌سازي الكترومغناطيسي است.

سيستم ماهواره اي GPS:

24 مارهواره در بخش هاي مختلف فضاي زمين در مداري خاص با فاصله حدود 12000 مايلي بالاي سر ما قرار گرفته است. آنها با يك سرعت ثابت در حركتند و در هر 24 ساعت دوبار دور زمين را با سرعتي معادل 7000 مايل در ساعت مي گردند.

ماهواره هاي GPS توسط انرژي خورشيد تغذيه ميشوند آنها مجهز به باطريهاي قابل شارژ اتوماتيك براي زمانهاي بارندگي يا خورشيد گرفتگي مي باشند. راكت‌هاي كوچك روي هر ماهواره آنها را دريك مسير پروازي صحيح نگهداري مي كنند.

سيگنال‌ها

بد نيست راجع به سيگنال‌هاي GPS هم بحثي داشته باشيم:

ماهواره‌هاي GPS دو سيگنال راديويي كم انرژي را مي‌فرستد. GPS L1,L2هاي عمومي از L1 با فركانس 1575,42 مگاهرتز در باند UHF استفاده مي‌كنند. سيگنال‌ها به صورت line of sight حركت مي‌كنند. به اين معني كه آنها از ابرها، شيشه و پلاستيك عبور مي‌كنند. اما از جامدات مثل ابرها و ساختمان‌ها نمي‌توانند عبور كنند.

همچنین در این زمینه مطالب زیر رابخوانید :

سیستم مکان یابی جهانی یا GPS چیست؟

تحقیق درباره تلفن و GPS

تحقیق درباره معرفی اختصاری زبان Gpss

تحقیق GPS چگونه کار می کند؟

هر سيگنال GPS شامل سه نوع مختلف اطلاعات است:

· داده‌هاي روزانه؛

· شبه كدها؛

· داده‌هاي ساليانه.

شبه كد يك ID است كه مشخص مي‌كند كدام ماهواره اطلاعات را ارسال مي‌كند. داده‌هاي موقت (روزانه) كه دائماً توسط ماهواره‌ها ارسال مي‌شود، شامل اطلاعات مهمي از وضعيت ماهواره‌ها (سلامت آن)، تاريخ و ساعت فعلي مي‌باشد. اين بخش سيگنال براي تعيين وضعيت مرزي ضروري است.

داده‌هاي عمومي (ساليانه) به گيرنده GPS مي‌گويد كه هر ماهواره GPS در هر ساعت روز بايد كجا باشد. هر ماهواره GPS، داده‌هاي عمومي را ارسال مي‌كند تا اطلاعات چرخشي آن ماهواره و ساير ماهواره‌ها مشخص شود.

دلايل خطاي سيگنال‌هاي GPS

فاكتورهايي كه سيگنال‌هاي GPS را تنزل مي‌دهد و در نتيجه روي دقت تاثير مي‌گذارد، شامل موارد زير است:

· تاخيرهاي Ionoshere, troposphere:

سيگنال‌هاي ماهواره‌ها به صورت تدريجي اتمسفر را طي مي‌كنند. سيستم GPS يك مدل داخلي و غيرقابل انتقال را به كار مي‌برد كه ميانگين تاخير را براي يك اصلاح اين اشتباه بكار مي‌گيرد.

· چند مسيره شدن سيگنال:

اين رويداد وقتي اتفاق مي‌افتد كه سيگنال GPS از اجسام مختلف مثل ساختمان‌ها يا سطوح صخره‌اي بزرگ منعكس شود، قبل از اينكه به گيرنده برسد، اين مساله زمان سير سيگنال را زياد مي‌كند كه باعث توليد اشكال مي‌شود.

· ايرادهاي زماني گيرنده:

ساعت داخلي گيرنده خيلي دقيق نيست، يعني مثل ساعت اتمي كه در ماهواره‌ها كار گذاشته شده، عمل نمي‌كند. اين امر موجب اشتباهات ناچيزي مي‌شود.

· ايرادهاي مداري يا فلكي:

اين مشكل به مشكلات موقتي هم معروف است كه در زمان گزارش وضعيت ماهواره مشكلاتي را ايجاد مي‌كند.

· تعداد ماهواره‌هاي قابل مشاهده:

به هر تعداد ماهواره‌اي كه گيرنده GPS بتواند ببيند، دقت آن بالاتر مي‌رود. ساختمان‌ها، عوارض زمين، نفوذهاي الكترونيكي يا حتي برگ درختان موجب اشكالاتي در پيدا كردن موقعيت يا حتي پيدا نكردن موقعيت مي‌شود. بخش‌هاي GPS در خانه‌ها، زير آب و زير زمين كار نمي‌كند.

· اشكال هندسي ماهواره‌ها:

اين مشكل به مكان نسبي ماهواره در هر زماني برمي‌گردد. هندسه مطلوب ماهواره وقتي است كه ماهواره‌ها در زواياي وسيعي نسبت به هم قرار گيرد. هندسه ضعيف، از قرار گرفتن ماهواره‌ها در يك خط، يا در جايي كه مانع ورود هواست، ناشي مي‌شود.

كاربرد GPS و مزايا و معايب آن در فضانوردي

امروزه، تاثيرهاي چند مسيري، يكي از جديترين تهديدها، براي بررسي دقت در RGPSها بر اساس فضانوردي است.

چند مسيري، يك پديده‌اي است كه نشان مي‌دهد يك سيگنال از طريق چند مسير چگونه به مقصد مي‌رسد كه البته اين كار با توجه به اثر بازگشت و تفاضل موج‌هاي الكترومغناطيسي صورت مي‌پذيرد. سيگنال چندمسيري، مسير طولاني‌تري را نسبت به سيگنال مستقيم براي رسيدن به گيرنده طي مي‌كند. در نتيجه اگر سيگنال چندمسيري دنبال شود، ممكن است غلط‌هايي توليد گردد. بنابراين، اين مطالب باعث مي‌شود كه سيگنال حامل و كد سيگنال GPS خراب شود و نتيجه پاياني ، پايين آمدن دقت و كم شدن بازدهي است.

حامل اتوماتيك انتقال (ATV) از GPS براي مسيريابي در طول كارهاي نزديك و قرارهاي نظامي با ايستگاه جهاني فضانوردي استفاده مي‌شود.

مفهوم چندمسيري همچنان در اين قرارگاه نظامي باقي است. چون دنبال كننده و هدف آنتن‌هاي GPS توسط يك سري ديوارهاي بزرگ آهني محاصره شده است. اگرچه مطالعات اين بخش براي فهميدن اعمال كلي GPS است، هدف ATV به ايستگاه جهاني فضانوردي، يك سناريوي ماموريتي واقعي است كه براي مدل كردن مفهوم و تاثيرهاي چندمسيري روي گيرنده‌هاي GPS براي دنبال كردن غلط‌هاست.

همچنین در این زمینه مطالب زیر رابخوانید :

سیستم مکان یابی جهانی یا GPS چیست؟

تحقیق درباره تلفن و GPS

تحقیق درباره معرفی اختصاری زبان Gpss

تحقیق GPS چگونه کار می کند؟

فعاليت‌هاي ديگر

تحليل و بررسي چندمسيري در سطح دريافت كننده، آناليز چندمسيري براي شاتل MIR مربوط به ماموريت RVD و يك سري آناليزهاي مشاهده‌اي براي آنتن‌هاي GPS مربوط به ISS, ATV.

دقت GPSهايي كه بر اساس مسيرياب‌ها عمل مي‌كنند، به مفهوم مطرح شده در مسيرياب‌ها، سطوح واقعي در فضانوردهاي ATV, ISS و كارهاي ممكن چندمسيري در تكنيك‌هاي تقسيم وابسته است.

در آنتن‌هاي ATV، غلط‌هاي چندمسيري بالايي اتفاق مي‌افتد كه در اندازه‌گيري‌هاي GPS بدست آمده‌اند. غلط‌ها گاهي به بيش از 100 متر در PR و يك چهارم طول موج در سيگنال حامل مي‌رسد.

ادامه خط سير ATV براي تاثيرهاي چند مسيري آزاد و غيرموثر است. داخل مسير صوري ATV/ISS، مسيرياب نسبي GPS بكار برده شده مي‌شود تا سنسوري كه در بخش وعده‌گاه بكار برده مي‌شود، بتواند در هدف نهايي بكار رود. با توجه به مقداردهي درست RVS، دقت و صحت RGPS در ايستگاه S₃ بايستي براي نيازمندي‌هاي با دقت بالا تكميل شود.

با مراجعه به گروه ماموريتي ATV/ISS، نقطه نگهداري مرجع S₃ در فاصله 250 متري قرار مي‌گيرد و GPS نسبي بايد دقت 22/2 را در محل برآورده نمايد.

با درنظر گرفتن اين نيازمندي‌ها و باردهي كه با الگوريتم‌هاي مختلف مسيريابي تعيين مي‌شود و با تكنيك‌هاي متفاوت تقسيم چندمسيري، نتايج زير بدست مي‌آيد:

فقط مفهوم مسيريابي kinematic مي‌تواند همه نيازهاي مربوط به آناليز سطوح چندمسيري را تكميل كند، البته با يا بدون بكارگيري تكنيك‌هاي تقسيم چندمسيري.

پردازش مفهوم مسيريابي در SD-RGPS در فاز حامل، مي‌تواند نيازهاي مربوط به همه سطوح آناليز شده چندمسيري را وقتي كه تكنيك‌هاي تقسيم چند مسيري بكار رود، تكميل نمايد.

دقت موقعيت يابي GPS:

دقت موقعيت يابي GPS از 10متر تا چند سانتي‌متر بسته به نوع گيرنده GPS و استفاده از آن دارد. درحقيقت همه مردم به GPS هاي با دقت بالا نياز ندارند. در واقع هر استفاده‌اي نياز به يک دقت متفاوت دارد و همچنين هر سطحي از دقت داراي" معايب" و" محاسني" مي‌باشد.

به طور کلي عوامل مؤثر در دقت موقعيت يابي GPS را مي توان به شرح زير نام برد:

1) نوع و مدل گيرنده GPS(مدل‌هاي مختلف ميزان دقت متفاوتي دارند که بسته به قيمت آن، دقت بالاتر مي رود).

2) نوع استفاده از GPS(براي برخي کارها نياز به دقت بالا مي باشد، در صورتي که در برخي ديگر اين دقت بالا ضرورتي ندارد).

خطاهاي GPS:

تمامي موقعيت‌هاي GPS ها، 100% دقيق نيستند، بنابراين بايد خطاهايي در آنها موجود باشد. دو انتخاب وجود دارد تا ميزان خطاها را بسته به نياز کاربر تقليل دهد:

الف) استفاده از گيرنده هاي GPS متفاوت

ب) روش‌هاي گوناگون بدست آوردن موقعيت

براي مثال، نقشه‌برداران نياز به دقت بالايي در اندازه گيري يک قسمت دارند. از سوي ديگر، مکان منزل شما در يک نقشه به دقت پايين تري نياز دارد.

بعضي از خطاها که بر روي دقت موقعيت GPS اثر مي گذارند در ذيل آورده شده اند.

همچنین در این زمینه مطالب زیر رابخوانید :

سیستم مکان یابی جهانی یا GPS چیست؟

تحقیق درباره تلفن و GPS

تحقیق درباره معرفی اختصاری زبان Gpss

تحقیق GPS چگونه کار می کند؟