مقدمه

سیستم مکان یابی جهانی (Global Positioning System) یک سیستم هدایت (ناوبری) ماهواره‌ای اســت شـامل شبکه‌ای از 24 ماهواره در گردش که درفاصله 11 هزار مایلی و در شش مدار مختلف قرار دارند. در واقع یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره‌ای است که از شبکه‌ای با 24 ماهواره تشکیل شده است و این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده‌اند. 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 آورندگان این سیستم ، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته‌اند و استفاده از آن رایگان است. 24 ماهواره که دور زمین در گردش هستند. ماهواره‌ها درحال حرکت می‌باشند و درعرض 24 ساعت دو بار کامل بـــر گرد زمیــن می‌گردنــــــد. (هرروز دوبار با سرعتی درحدود 108 مایل درثانیه) ماهواره‌های GPS به نام NAVSTAR شناخته می‌شوند.

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







هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال می‌ماند و جایگزینی ماهواره‌ها به موقع انجام شده و ماهواره‌های جایگزین به فضا پرتاب می‌گردند. برنامه شبکه GPS هم اکنون تا سال 2006 تنظیم و جایگزینیهای لازمه ترتیب داده شده‌اند. مسیر گردش ماهواره‌ها آنها را بین عرض جغرافیایی 60 درجه شمالی و60 درجه جنوبی قرار می‌دهد.

این امر به معنی آن است که در هر نقطه از زمین و در هر زمان می‌توان سیگنالهای ماهواره‌ای را دریافت نمود. و هر چه به قطبهای شمال – جنوب نزدیک شویم نیز همچنان ماهواره‌های GPS را خواهیم دید. هرچند دقیقاً در بالای سر ما نخواهند بود و این در دقت و صحت عمل آنها در این نقاط تأثیر می 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 کار می‌کند.

ماهواره‌های GPS

24 عدد ماهواره GPS در مدارهایی به فاصله 24000 هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقا طی 12 ساعت یک دور کامل به دور زمین می‌گردد. سرعت هر یک 7000 مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تأمین می‌کنند. همچنین باتریهایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود. در اینجا به برخی مشخصه‌های جالب این سیستم اشاره می‌کنیم:

• 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 می‌گردد.
• هر ماهواره حدود 2000 پاوند وزن دارد و طول باتریهای خورشیدی آن 5.5 متر است.
• انرژی مصرفی هر ماهواره ، کمتر از 50 وات است.

GPS چگونه کار می‌کند؟

ماهواره‌های این سیستم ، در مداراتی دقیق هر روز 2 بار به دور زمین می‌گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می‌کنند. گیرنده‌های GPS این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی ، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می‌کنند. در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌کند. از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌گردد. حال این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز ، معین می‌کند.

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 ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت ، جهت ، مسیر پیموده شده ، فواصل طی شده ، فاصله باقی مانده تا مقصد ، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر ، می‌نماید.

گیرنده GPS

بسته به نوع مصرف و بودجه می‌توان از طیف وسیع گیرنده‌های GPS بهره برد. همچنین ، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب و بروز جهت ناحیه مورد استفاده ، اطمینان حاصل شود. امروزه بهای گیرنده‌های GPS بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و هم اکنون در کشور ما (ایران) با بهایی معادل یک عدد گوشی متوسط موبایل نیز می‌توان گیرنده GPS تهیه کرد. در کشورهای توسعه یافته از این سیستم جهت کمک به راهبری خودرو ، کشتی و انواع وسایل نقلیه بهره گیری می‌شود.

هر چه نقشه‌های منطقه‌ای که در حافظه گیرنده بارگذاری می‌شود دقیقتر باشد، سرویسهایی که از GPS می‌توان دریافت داشت نیز ارتقاء می‌یابد. برای مثال ، می‌توان از GPS مسیر نزدیکترین پمپ بنزین ، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را سوال نمود و مسیر پیشنهادی را دنبال کرد. دقت مکان یابی این سیستم در حد چند متر می‌باشد، که بسته به کیفیت گیرنده تغییر می‌کند.

از سیستم محل یابی جهانی می‌توان در کارهایی چون نقشه برداری ، پروژه‌های عمرانی ، کوهنوردی ، کایت سواری ، سفر در مناطق ناشناخته ، کشتی رانی و قایقرانی ، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمین لرزه و هر فعالیت دیگر که نیازمند محل یابی باشد، بهره برد. هر کس که بخواهد بداند کجاست و به کجا می‌رود به این سیستم نیازمند است، با توجه به نزول شدید بهای گیرنده‌های 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 می‌کند چیست؟

• سیگنـال GPS شـــــامــل: یـــک کد شبه تصادفی Pseudo Random Code ، داده‌ای بنام ephemeris و یک داده تقویــــمی بنام almanac می‌باشد. کد شبه تصادفی مشخص کننده ماهواره ارسال کننده اطلاعات (کد شتاسایی ماهواره) می‌باشد.
  
  
• هر ماهواره با کدی مخصوص شناسایی می‌شود: RPN Random Code Pseudo این عددی است بین 1 و 32. این عدد در گیرنده هر GPS نمایش داده می‌شود .دلیل اینکه تعداد این شناسه‌ها بیش از 24 می‌باشد امکان تسهیل در نگهداری شبکه GPSباشد. زیرا ممکن است یک ماهواره پرتاب شود و شروع به کار نماید قبل از اینکه ماهواره قبلی از رده خارج شده باشد. به این دلیل از یک عدد دیگر بین 1و 32 برای شناسایی این ماهواره جدید استفاده می‌شود.
  
  
• داده Ephemeris دائماً بوسیله ماهواره‌ها ارسال می‌گردد و حاوی اطلاعاتی درمورد: وضعیت خود ماهواره (سالم یا ناسالم) و تاریخ و زمان فعلی می‌باشد . گیرنده GPS بدون وجود این بخش از پیام در مورد زمان و تاریخ فعلی درکی ندارد. این بخش پیام نکته اساسی برای تعین مکان می‌باشد.
• Almanac داده‌ای را انتقال می‌دهد که نشان دهنده اطلاعات مداری برای هر ماهواره و تمام ماهواره‌های دیگر سیستم می‌باشد.
  
  حال می‌توان شیوه کار GPS را بهتر بررسی کرد. هر ماهواره پیامی را ارسال می‌کند که بــطور ســــــاده می‌گوید:
  
  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 می‌خواند و داده‌های almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدی ذخیــره می‌نماید. این اطـلاعـات می‌توانند 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 می‌کند. تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده GPS از ماهواره مزبور می‌باشد. این عملی است که دقیقاً یک گیرنده GPS انجام می‌دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر ، GPS می‌تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید. (که آن را تعیین دو بعدی می‌نامند.) و با تبادل با چهار (و یا بیشتر) ماهواره یک GPS می‌تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می‌باشد. با انجام پشت سر هم این محاسبات ، GPS می‌تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید.

عوامل موثر در دقت عمل

یکی از عواملی که بر روی دقت عمل یک GPS اثــر می‌گذارد. شکل قرار گرفتن ماهواره‌ها نسبت به یکدیگر می‌باشد (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 و ناحیه مشترک بدست آمده از اشتراک این مسافت سنجیها وسیع می‌باشد (مکانی که GPS برای مکان خود تصور می‌کند بسیار وسیع می‌باشد و در نتیجه تعیین دقیق محل آن ممکن نیست).

در این موقعیتها حتی اگر GPS مکان یابی را انجام دهد و موقعیتی را گزارش نماید دقت آن نمی‌تواند زیاد خوب باشـــــــد (کمتر از500-300 فوت). اگر همین چهار ماهواره در چهار جهت (شمال ، جنوب ، شرق ، غرب) و با زوایای 90 درجه قرارداشته باشند، طرح این چهار ماهواره برای GPS مزبور بهترین حالت می‌باشد، چرا که جهات مسافت سنجی چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراک این مسافت سنجیها بسیار کوچک می‌باشد. و هر چه این نقطه اشتراک کوچکتر باشد به معنی آن است که بیشتر به نقطه واقعی حضور خود نزدیک شده‌ایم. در این موقعیت دقت عمل کمتر از100 فوت می‌باشد.

طرح و هندسه قرار گرفتن ماهواره‌ها هنگامی که GPS نزدیکی ساختمانهای بلند ، قلل کوهها ، دره‌های عمیق و یا در وسایل نقلیه قرار گرفته باشد به مسأله مهمتری تبدیـل می‌گردد. اگر مانعی در رسیدن سیگنالهای بعضی از ماهواره‌ها وجود داشته باشد GPS می‌تواند از بقیه ماهواره‌ها بـــرای مکان یابی خود استفاده نماید. هرچه این موانع بیشتر و شدیدتر شوند مکان یابی نیز مشکلتر می‌گردد.

یک گیرنده GPS نه تنها ماهواره‌های قابل استفاده را تشخیص می دهد بلکه مکان آنها را در آسمان نیز تعیین می‌کند. (ارتفاع و زاویه) منبع دیگر ایجاد خطا "چند مسیری" می‌باشد. "چند مسیری" نتیجه انعکاس سیگنال رادیویی بوسیله یک شی می‌باشد. این پدیده باعث ایجاد تصاویر سایه دار در تلویزیونها می‌گردد، هر چند در آنتنهای جدید این شکل بوجود نمی‌آید، این پدیده در آنتنهای رو تلویزیونی قدیمی بوجود می‌آمد.

بروز این اختلال برای GPSها به این شکل است که امواج بعد از انعکاس بوسیله اشیاء (مانند ساختمانها یا زمین) به آنتن GPS برسند. در این صورت سیگنال مسیر بیشتری را تا رسیدن به آنتن GPS طی می‌کند و این باعث می‌شود که GPS فاصله ماهواره را بیشتر از آنچه هست محاسبه نماید. که باعث ایجاد خطا در مکان یابی نهایی می‌گردد. در صورت بروز این اختلال تقریباً 15 فوت بر خطای نهایی افزوده می‌شود. منبع دیگری نیز برای ایجاد خطا ممکن است وجود داشته باشند. افزایش تأخیر (delay) به دلیل اثرات جوی نیز می‌تواند بر روی 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 ماهواره‌های تبادلی و طرح قرار گرفتن آنها بین 60 تا 225 فوت می‌باشد. GPSهای پیچیده‌تر و گرانتر می‌توانند با دقتهایی در حد سانتیمتر کار کنند. ولی دقت یک GPS معمولی نیز می‌تواند به کـــمک پـــردازشی بـــه نـــام DGPS Differential GPS به حدود 14 فوت یا کمتر برسد.

سرویسهای DGPS با هزینه کمی قابل اشتراک می‌باشند . سیگنال تصحیحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ایستگاههای مخصوص ارسال می‌گردد. این ایستگاهها در فرکانس KHZ .325- 283.5 کار می‌کنند. تنها هزینه استفاده از این سرویس خریدن یک دامنه از این سیگنالها می‌باشد. با این کار یک گیرنده دیگر به GPS ما متصل می‌شود (از طریق یک کابل سه رشته‌ای) و عمل تصحیح را طبق یک روش استاندارد به نام (RTCM SC-104) انجام می‌دهد. اشتراک سرویسهای DGPS از طریق امواج رادیویی FM نیز ممکن می‌باشد.

چه کسانی از GPS استفاده می‌کنند؟

GPSها دارای کاربردهای متنوعی در زمین ، دریا و هوا می‌باشند، اساساً GPS هر جایی قابل استفاده است مگر در نقاطی که امکان وصول امواج ماهواره در آنها نباشد، مانند داخل ساختمانها ، غارها و نقاط زیر زمینی دیگر و یا زیر دریا. کاربردهای هوایی GPS در رهیابی برای هوانوردی تجاری می‌باشد، در دریا نیز ماهیگیران ، قایقهای تجاری ، و دریا نوردان حرفه‌ای از GPS برای رهیابی استفاده می‌کنند.

استفاده‌های زمینی GPS بسیار گسترده‌تر می‌باشد. مراکز علمی از GPS برای استفاده از قابلیت و دقت زمان سنجی‌اش و اطلاعات مکانی‌اش استفاده می‌کنند. نقشه برداران از GPS برای توسعه منطقه کاری خود بــــهره می‌گیرند. سایتهای گران قیمت نقشه برداری دقتهایی تا یک متر را فراهم می‌آورند. GPSها علاوه بر صرفه جویی دقتهای بهتری را برای این سایتها به ارمغان می‌آورند. استفاده‌های 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 هر کسی که می‌خواهد بداند که در کجا قرار دارد، راهش به چه سمتی است و یا با چه سرعتی در حرکت است می‌تواند از یک GPS استفاده کند. در خودروها نیز وجود GPS به امری عادی بدل خواهد شد. سیستمهایی در حال تهیه است تا در کنار هر جاده‌ای با فشار دادن یک کلید موقعیت به یک مرکز اورژانس انتقال یابد (بوسیله انتقال موقعیت فعلی به یک مرکز توزیع). سیستمهای پیچیده دیگری موقعیت هر خودرو را در یک خیابان ترسیم می‌کنند، این سیستمها به راننده بهترین مسیر برای رسیدن به یک هدف خاص را پیشنهاد می‌کنند.

مباحث مرتبط با عنوان

• آنتن
• اصول کار فرستنده و گیرنده
• طول موج
• فرکانس
• ماهواره
• نقشه برداری

منبع: http://www.geomatic.ir