آشنایی با سیستم تعیین موقعیت جهانی ( Gps )

[امیر عباس انصاری]

آشنایی با سیستم تعیین موقعیت جهانی ( GPS )

تعیین موقعیت بر مبنای فضا

زمانی طولانی از عصر پیشتازانی همچون داپلر که اندازه گیری زمین به زمین را به اندازیه گیری زمین به فضا تغییر داده بودند میگذرد. آمریکو وسپوس دریانوردی در قرن پانزدهم بود که نحوه اندازه گیری او در سحال برزیل و بر مبنای گزارش کریستف کلمب انجام شد. وسپوس همراه خود یک تقویم نجومی داشت که در آن زمانها و موقعیت ستارگان مختلف و وقایع سماوی بر مبنای زمان اندازه گیری شده در شهر فراره ایتالیا ترتیب یافته بود. بر این اساس در نیمه شب 23 اوت 1499 کره ماه باید در برابر زمین و کره مریخ قرار میگرفت. وسپوس تقاطع مذکور را در برزیل مشاهده کرد و متوجه شد که این تقارن شش و نیم ساعت بعد از آنچه که باید در فراره دیده میشد به وقع پیوسته است. لذا با استفاده از اختلاف زمان و اندازه پیرامون زمین که بطلمیوس بدست آورده بود توانست فاصله و طول جغرافیایی فراره را محاسبه کند. نتایج حاصل این بود که او در هندوستان نیست بلکه کریستف کلمب قاره جدیدی را کشف کرده بود که از آن پس به نام وسپوس (آمریکا) نام گذاری شد. وسپوس اولین کسی بود که به حقیقت کشف کریستف کلمب پی بد فقط به این دلیل که توانست موقعیت دقیق خود را با استفاده از اجرام سماری تعیین کند. تعیین موقعیت با این روش خطایی در حدود یک مایل را ارائه میکند.

ایده اساسی تعیین موقعیت بر مبنای فضا با استفاده از ماهوراه های ساخت بشر نخستین بار از اوایل سال 1960 توسط ایالات متحده و در ناسا شروع گردید. ترانزیت (TRANSIT) از اولین سیستمهای ماهواره ای و دارای کارایی موثر بود. این گروه ماهواره از زمان رهایی اش در سال 1967 کاربردهای تجاری و نقشه برداری و ژئودزی فراوانی یافت. از ویژگیهای ترانزیت این بود که برای پوشش کامل زمین به حداقل 6 ماهواره نیاز داشت و زمان انتظار برای کسب اطلاعات تا 1.5 ساعت بالغ میگشت. این ماهواره ها در مدارهای 1100 کیلومتری بالای زمین میچرخیدند. از دیگر ویژگیهای آن علاوه بر وقت گیری زیاد ، دقت کم ان بود که با ورود GPS مورد کم توجهی قرار گرفت. در سال 1974 به دنبال درخواست وزارت دفاع آمریکا برای ایجاد یک سیستم ناوبری فضایی ، تحقیقات در زمینه طراحی سیستم مطلوب آغاز گشت و در سال 1983 سیستم VAVSTAR GPS معرفی گردید و تا سال 1992 تکمیل شد. ناوبری و تعیین موضع اگر چه امروزه به عنوان یک ابزار مکمل ناوبری استفاده میشود ، اما انتظار میرود به زودی به وسیله اصلی ناوبری بدل گردد. در برابر توسعه و تکمیل GPS ، سیستم ناوبری ماهواره ای روسیه به نام GLONASS ایجاد و در پایان سال 1995 تکمیل گشت.


ایده اساسی در تعیین موقعیت

فرض کنید روی صفحه ای قرار داریم. اگر فاصله خود را با یک نقطه مشخص A اندازیه گیری کنیم و مختصات نقطه A را نیز بدانیم ، میتوانیم دایره ای به مرکز نقطه A و به شعاع فاصله اندازه گیری شده ترسیم کنیم. در این صورت مختصات موقعیت ما بر روی دایره ترسیم شده قرار دارد (شکل 1).

اگر بر روی این صفحه دو نقطه مشخص A و B موجود باشد و فاصله خود را با هر یک از دو نقطه محاسبه کنیم مختصات موقعیت ما باید هم بر روی دایره ای به مرکز نقطه A و شعاع a واقع باشد و هم بر روی دایره ای به مرکز B و شعاع b . در نتیجه ما بر روی یکی از دو نقطه تلاقی دو دایره واقع هستیم (شکل 2).
در صورتی که تعداد نقاط واقع بر صفحه به 3 افزایش یابد ، براحتی میتوان نشان داد که موقعیت دقیق ، بر روی صفحه بدست می آید و این از طریق سه دایره به مرکز آن نقاط معلوم و شعاعهای فواصل اندازه گیری شده تا آن نقاط می باشد (شکل3).

اکنون مثال خود را به فضای سه بعدی منتقل میکنیم. دوایر ترسیم شده قبلی جای خود را به کره های ترسیم شده خواهند داد لذا از ترسیم فقط یک کره ، سطح کره و از ترسیم و تلاقی دو کره ، فصل مشترک دو کره بصورت یک دایره بدست می آید. اگر سه کره ترسیم کنیم و تلاقی دهیم نقاط مشترک بین سه کره دو نقطه خواهد بود و اگر فاصله خود را با چهار نقطه معلوم در فضای سه بدی اندازه گیری کنیم و سپس چهار کره ترسیم کرده و تلاقی دهیم فقط یک نقطه واحد به دست خواهد آمد.

ایده اساسی در تعیین موقعیت این است که موقعیت دقیق حداقل 4 ماهواره در فضا را یافته و فاصله خود از آن ماهواره ها را بدست می آوریم تا بتوانیم موقعیت دقیق خود را محاسبه کنیم و دقت مکان یابی در این روش بستگی به به دقت مکانی ماهواره ها و دقت در فواصل اندازه گیری شده با ماهواره دارد.


اندازه گیری مسافت و مختصات مکانی ماهواره

مختصات مکانی هر ماهواره توسط خود آن ماهواره ارسال و توسط گیرنده دریافت میشود. این مختصات بصورت اطلاعات مداری به نام افمریس (Ephemeris) نامیده میشود.

هر ماهواره GPS کد مخصوصی را ارسال میکند. گیرنده GPS در روی زمین نیز همان کد مخصوص را تولید خواهد کرد. برای همزمانی در تولید کدهای مذکور باید زمان طبق یک ساعت دقیق تنظیم گردد. کد دریافت شده توسط گیرنده با کد تولید شده گیرنده متناسب با فاصله ، تاخیر خواهد داشت. اندازه گیری تاخیر زمانی بین کد تولید شده و کد دریافت شده به اندازه گیری فاصله منجر میشود (شکل 4). سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلا 300,000000 است ، با فرض اینکه دقیقا کدهای تولید شده در ماهواره و گیرنده همزمان باشد و کد ارسالی از ماهوراه فقط از خلا عبور کند ، فاصله گیرنده تا ماهواره با حاصل ضرب زمان تاخیر تاخیر بین کد دریافت شده با کد تولید شده در گیرنده ، در سرعت امواج الکترومغناطیس در خلا برابر خواهد بود.


ادامه دارد ...
تهیه کننده: سعید ، وب سایت میلیتاری
منبع اصلی: کتاب سیستمهای رادیویی در ناوبری هوایی

[GolBarg]

GPS یا مکان یاب چیست ؟

24 ماهواره که دور زمین در گردش هستند سیستم محل یابی جهانی (Global Positioning Systems)، بک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره ای است که از شبکه ای با 24 ماهواره تشکیل شده است. 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.

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.



این محاسبه بر اساس قاعده ای ساده در ریاضیات (dilatation) انجام می شود. برای درک بهتر این مساله ابتدا به شرح مساله در حالت دو بعدی می پردازیم. فرض کنید که شخصی از موقعیت خود فقط فاصله اش از 3 شهر مختلف را می داند. برای مثال ، می داند از تهران 60 کیلومتر فاصله دارد. به این ترتیب اگر دایره ای به شعاع 60 کیلومتر و به مرکز تهران رسم شود، این شخص روی دایره قرار می گیرد. حال اگر فاصله این شخص تا قم 90 کیلومتر باشد و دایره ای به همین شعاع و مرکز قم رسم شود، این شخص روی یکی از 2 محل تلاقی این دایره با دایره قبلی قرار دارد. اگر فاصله این شخص تا شهر سومی (مثلا کرج) را بدانیم و دایره سومی را هم به همین شعاع رسم کنیم ، 2 دایره قبلی را در یکی از محلهای تلاقی آنها قطع می کند که محل قرار گرفتن شخص مورد نظر است. GPS هم از چنین روشی برای یافتن موقعیت خود استفاده می کند و با محاسبه فاصله خود از 4 ماهواره می تواند موقعیت دقیق خود را محاسبه کند.

ماهواره های GPS

صفحه 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.

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 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 مسیر نزدیکنرین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را سوال نمود و مسیر پیشنهادی را دنبال کرد. 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 محلیابی باشد، بهره برد.



اینجا را هم ببینید.