سامانه موقعیت‌یاب جهانی (gps)

سیستم موقعیت یاب جهانی منظومه‌ای از ۲۴ ماهواره است که زمین را دور می‌زند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد و توسط وزارت دفاع ایالات متحده پشتیبانی می‌شود. راکت‌های کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها نوستار (NAVSTAR) نیز گفته می‌شود. جهت شناسایی موقعیت جغرافیایی آنها بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر امکان‌پذیر می‌سازد. این ماهواره‌ها از محاسبات ریاضی ساده‌ای برای پخش اطلاعات استفاده می‌کنند که به عنوان طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده‌های زمین ترجمه شده‌اند. جی‌پی‌اس در تمام شرایط بصورت ۲۴ ساعت در شبانه روز و در تمام دنیا قابل استفاده می‌باشد. و هیچ گونه بهائی بابت این خدمات اخذ نمی‌شود. ماهواره‌های جی‌پی‌اس هر روز دوبار در یک مدار دقیق دور زمین میگردند و سیگنال‌های حاوی اطلاعات را به زمین می‌فرستندبا توجه به نزول شدید بهای گیرنده‌های این سیستم، و افزایش امکانات آنها، این فناوری در آینده نزدیک بیش از پیش در اختیار همگان قرار خواهد گرفت.

بقیه در ادامه مطلب

   

تاریخچه

اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هـدف اصـلی و اولیه از طـراحـی جی‌پی‌اس، اهـداف نـظامـی بـوده امـا از سال ۱۹۸۰ به بعد بـرای استفاده‌های غیر نـــــظامی نیز در دسترس قرار گرفت. درسال ۱۹۹۴ تمامی ۲۴ ماهواره در مدار زمین قرار گرفت.
مباحث فنی
تکمیل کانال ۲۴ (NAVSTAR) عددی ماهواره‌ای: ۱۹۹۴
تکمیل کانال ۲۹ عددی ماهواره:
عرض هر ماهواره: ۱۸/۵ متر
طول باتری‌های خورشیدی: ۵/۵ متر
کنترل زمینی
بخش کنترل زمینی 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 ماهواره‌ای با امواج لیزر) بدست آمده‌است. این ایستگاه‌ها وظیفه تعقیب چندجمله‌ای (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره‌ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریباً در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می‌نماید
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 جی‌پی‌اس، قسمت USER یا کاربران سیستم است که خود شامل دو بخش است:
1.آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها
گیرنده(پردازش‌کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن).2
نرم‌افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره‌‌های مرتبط با گیرنده را تعیین می‌کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می‌شود
نکته مهمی که می‌بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که جی‌پی‌اس به ما می‌دهد با ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق می‌کند.ارتفاع جی‌پی‌اس نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتریک است که از سطح دریا‌های آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.
سازوکار
جی‌پی‌اس براساس مقایسه زمان ارسال و دریافت سیگنال توسط یک ماهواره کار می‌کند. اختلاف زمان مشخص می‌کند که گیرنده جی‌پی‌اس چقدر از ماهواره دور است. حال با انداره گیری مسافت از چند ماهواره گیرنده جی‌پی‌اس میتواند موقعیت کاربر را مشخص نموده حتی روی نقشه الکترونیکی نمایش دهد.
یک گیرنده جی‌پی‌اس بایستی حداقل سیگنال‌های ۳ ماهواره را برای تعیین دقیق ۲ موقعیت (طول و عرض جغرافیایی) یک شیء دریافت نماید و سیگنالهای ۴ ماهواره یا بیشتر میتواند ۳ موقعیت (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع) را نشان دهد. هم چنین ازجی‌پی‌اس میتوان برای اندازه گیری سرعت، جهت یابی، جستجو، مسافرت طولانی، رفتن به مقصد، زمان طول و مغرب خورشید و غیره نیز استفاده کرد.
ماهواره‌های جی‌پی‌اس توسط انرژی خورشید تغذیه میشوند آنها مجهز به باطری‌های قابل شارژ اتوماتیک برای زمانهای بارندگی یا خورشیدگرفتگی می‌باشند. yocket boosterهای کوچک روی هر ماهواره آنها را دریک مسیر پروازی صحیح نگهداری می‌کنند. هر ماهواره برای ۱۰ سال مأموریت ساخته می‌شود و پس از طی این زمان حتماً بایستی ماهواره دیگر جایگزین گردد. وزن یک ماهواره جی‌پی‌اس حدود ۲۰۰۰ پوند (معادل ۹۰۷ کیلو گرم) قدرت انتقال آنها هم ۵۰ وات یا کمتر می‌باشد.
جی‌پی‌اس یک دستگاه صرفاً گیرنده می‌باشد که اطلاعات بدست آمده از ماهواره‌های اطراف زمین را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و PTV شما را محاسبه می‌کنند.P=Position منظور موقعییت شما در هر نقطه از کره خاکی و فضای اطراف آن است T = Time منظور زمان محلی دقیق و با دقت فوق العاده بالا در همان منطقه‌ای که شما هستید V = Veloctiy منظور سرعت لحظه‌ای شماست که آن را با دقت فوق العاده بالا محاسبه می‌کند. بدینسان این ماهواره‌ها کل زمین را تحت پوشش خود قرار می‌دهند. در داخل هر کدام از این ماهواره‌ها ۴ ساعت اتمی قرار دارد تا مطمئن باشیم که در یک لحظه بخصوص حداقل یکی از آنها کار می‌کند. این ماهواره‌ها کدهای ۰ و ۱ را برای دستگاه گیرنده می‌فرستند مثلا در ثانیه ۰ کد ۰۰۰۰۱۰۰۱ و در ثانیه ۰۰۱ ,۰ کد بعدی را در فضا منتشر می‌کند. هر کدام از این کدها دوباره تکرار می‌شوند. مثلا دستگاه گیرنده شما کد ۰۰۱ را در ثانیه اول می‌گیرد و در ۱ نانو ثانیه بعد دوباره این کد را دریافت می‌کند. بنابر این تشخیص می‌دهد که مثلا فاصله زمانی بین شما و ماهواره برای امواجی که با سرعت نور حرکت می‌کنند ۱ نانو ثانیه می‌باشد. حال چرا اینقدر زمان برای ما مهم است ؟ به خاطر اینکه فاصله‌ها بر اساس زمان سنجیده می‌شوند. (X = V.T)
از طرفی دیگر در داخل دستگاه جی‌پی‌اس شما حدس می‌زند که مکان هندسی شما یک کره به شعاع X (که در بالا محاسبه کردیم) و به مرکز ماهواره مورد نظر می‌باشد در نتیجه شما با ماهواره اول متوجه شدید که مکان هندسی شما در فضا سطح یک کره می‌باشد. حال با گرفتن سیگنال‌ها و محاسبه فاصله از ماهواره دوم مکان هندسی شما در فضا سطح کره زمین خواهد شد. فصل مشترک این دو کره یک دایره‌است. ماهواره سوم نیز مکان هندسی شما را بر روی یک کره دیگر تخمین می‌زند. فصل مشترک این کره با دایره قبلی دو نقطه خواهد بود. حال ماهواره چهارم کره بعدی را می‌سازد که فصل مشترک یک کره با دو نقطه یک نقطه خواهد بود. خیلی جالب است ؟
حال موقعیت شما بر روی کره زمین و فضای اطراف آن در یک نقطه مشخص شده‌است. به همین ترتیب زمان شما نیز با توجه به موقعیت شما و ساعت جی‌پی‌اس محاسبه خواهد شد. این ساعت، ساعت محلی است و با ساعت رسمی هر کشور فرق خواهد داشت. سرعت شما چگونه محاسبه خواهد شد ؟! آیا با تقسیم فاصله بین دو نقطه بر زمان ؟! اخیراً این روش , روش مناسبی جهت دستگاه دقیقی مثل جی‌پی‌اس نمی‌باشد. سرعت شما با استفاده از اثر دوپلر و روابط ان محاسبه می‌شود. ما در فیزیک دبیرستان با اثر دوپلر آشنا شدیم این در حقیقت همان شکل معروف آمبولانس است که با نزدیک شدن به ما , رسیدن به ما و دور شدن از ما صدایش نیز تغییر می‌کند.
طراحان آمریکایی از این مساله در طراحی رادارها و بخصوص دستگاه جی‌پی‌اس جهت تعیین سرعت دقیق استفاده کرده‌اند. خوب حالا به این نکته رسیدیم که می‌توانیم موقعیت , سرعت و زمان دقیق خود را داشته باشیم. بنابراین طول جغرافیایی , ارتفاع از سطح آبها ی آزاد دریاها , زمان محلی و سرعت را خواهیم داشت. اما آیا فقط همین اطلاعات در اختیار ماست یا بیشتر ؟!
سخت افزار جی‌پی‌اس در حقیقت مجموعه‌ای از ICها و تراشه‌ها جهت انجام محاسبات خاصی است که انجام آن برای شخص بسیار سخت می‌باشد. نرم افزار این دستگاه شامل برنامه‌ای است که دستگاه با آن کار می‌کند و در حقیقت این هم مانند یکی از برنامه‌های کامپیوتری عادی است که البته به زبان C نوشته شده‌است. نسخه‌های جدید این برنامه‌ها در اینترنت و در وبسایت شرکت‌ها نامبرده موجود می‌باشد.
در ضمن نکته‌ای که در مورد جی‌پی‌اس حائز اهمیت است این است که شرایط (آب و هوایی) هیچ تاثیر بر روی کارکرد این وسیله ندارد.
کاربرد ها
کاربردهای عمومی
دستگاه جی‌پی‌اس یک رایانه کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده‌است. بنابراین این رایانه با داشتن مختصات شما می‌تواند کارهای دیگری هم انجام بدهد. مثلا می‌تواند زمان طلوع و غروب خورشید را در موقعیت شما بگوید. همچنین زمان طلوع و غروب ماه. شاید خیلی جالب باشد ولی جی‌پی‌اس می‌تواند زمان باقیمانده برای رسیدن به مقصد مورد نظر را با توجه به سرعت شما محاسبه کند. همچنین میانگین سرعت شما , بیشترین سرعت , میانگین سربالایی و سرازیری مسیر , سرعت عمودی , موقعیت منطقه از نظر شکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان , محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و بر گرداندن شما از مسیر آمده را نیز می‌تواند انجام دهد.
کاربرد ها ی تخصصی
نقشه برداری
پروژه‌های عمرانی
کوهنوردی
کایت‌سواری
سفر در مناطق ناشناخته
کشتی‌رانی
قایق‌رانی
عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زلزله
کنترل ترافیک
دیگر سامانه‌ها
سامانهٔ گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود. این سامانه هم اکنون ۴۵٪ قابلیت مانور دارد و قرار است تا سال ۲۰۰۸ به همراه کشور هند به طور کامل به بهره برداری برسد.
سامانهٔ گالیله گسترش داده شده توسط اتحادیه اروپا و قرار است به همراه کشورهای اسرائیل، هند، عربستان سعودی، کره جنوبی، اکراین، چین و مراکش تا سال ۲۰۱۰ به صورت موثر به کار گرفته شود.
سامانهٔ بیدو (Beidou) که به صورت مستقل چین در حال گسترش می‌باشد
سامانهٔ QZSS درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی
سامانهٔ ماهواره‌ای موقعیت یابی ملی هند (IRNSS)
منابع
 سایت آموزش رایگان عمومی ارائه شده توسط دولت آمریکا (www.gps.gov)
ویکی پدیا انگلیسی (en.wikipedia.org)