درباره gps

تاریخچه GPS

 GPS دارای تاریخچه و سیر تکاملی جالبی می‌باشد و اخیرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهی شده است. اما قبل از این که بیشتر راجع به GPS بدانیم، لازم است مختصری در مورد ناوبری(Navigation) بدانیم. از زمان ماقبل تاریخ مردم سعی می کردند یک راه قابل اطمینان پیدا کنند که به آنها بگوید کجا هستند و حتی آنها را به جاییکه می روند راهنمایی کرده و سپس به خانه بازگرداند.
مردمان غارنشین وقتی که برای تهیه غذا به شکار می رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه های کوچک برای علامت‌گذاری مسیر خود استفاده می کردند. ملوانان نیز ابتدا سواحل را به دقت دنبال می کردند تا از گم شدنشان جلوگیری کنند.   وقتی دریا نوردان اولیه در دریاهای باز(اقیانوس ها) کشتیرانی کردند، دریافتند که می‌توانند مسیر خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسیم کنند. فنیقیهای باستان از ستاره شمالی برای سفر به مصر و جزیره کرت استفاده می‌کردند. بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اودیسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزیره کالیپسو ” دب اکبر را سمت راست خود قرار بده”.
متأسفانه برای اودیسه و دیگر دریانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌های صاف قابل رؤیت هستند.

پیشرفت مهم بعدی در امر ناوبری کشف

 قطب نمای مغناطیسی و دستگاه زاویه یاب(sextant) بود.عقربه قطب نما همیشه نقطه شمالی را نمایش می دهد، بنابراین همیشه دانستن جهت مسیری که در آن حرکت می‌کنیم را ممکن می سازد.

GPS چیست ؟

Global Positioning Systems(GPS )یعنی سیستم موقعیت یاب جهانی

 این سیستم تشکیل شده است از یک شبکه ۲۴ ماهواره ای در مدار زمین که توسط وزارت دفاع دولت آمریکا ساخته شده و پشتیبانی میشود.

هـدف اصـلی و اولـیـه از طـراحـی GPS ، اهـداف نـظامـی بـوده امـا از ســال ۱۹۸۰ به بـعــد بـرای اسـتـفاده های غــیر نـــــظامی نیز در دسترس قرار گرفت.

GPS  در تمام شرایط بصورت ۲۴ ساعت در شبانه روز و در تمام دنیا قابل استفاده می باشد . و هیچ گونه بهائی بابت این خدمات اخذ نمی شود. GPSاطلاعات دقیقی از محل، و زمان را در سراسر دنیا در اختیار کاربرها قرار می‌دهد. سیستم GPS سیگنال‌هایی را ارسال می‌نماید که توسط گیرنده‌های GPS دریافت می‌شود و موقعیت مکانی،‌ سرعت و زمان را در هر جای کره زمین در هر موقع از روز یا شب و در هر شرایط آب و هوایی محاسبه می‌نماید. سیستم مکان‌یاب جهانی یا GPS یک منبع ملی و مورد استفاده بین‌المللی برای یافتن موقعیت محل،‌ مسیریابی و زمان سنجی می‌باشد.

یک گیرنده GPS قادر به انجام چهار کار اساسی است :

– موقعیت دقیق محل استقرار را محاسبه کند.

– موقعیت یک نقطه را از روی نقشه به حافظه آن وارد کرده و بعد توسط محاسبه موقعیت محل استقرار به آن نقطه هدایت کند.

– میتواند اطلاعات مربوط به هر نقطه را که گیرنده در آن حضور دارد به حافظه سپرده تا در صورتی که مراجعت از مکانی به آن نقاط مورد نظر باشد قادر به یافتن مسیر بازگشت باشد.

– با محاسبه مستمر موقعیت یک متحرک جهت حرکت متحرک را نسبت به شمال یافته و سرعت متوسط حرکت را محاسبه کرده و زمان رسیدن به مقصد مشخص شده را با توجه به سرعت بدست آمده تخمین میزند.

گیرنده های GPS سیستمهایی غیرفعال هستند. یعنی سیستمهایی هستند که فقط اطلاعات را دریافت میکنند و اطلاعاتی ارسال نمیکنند. لذا از نقطه نظر نظامی مطلوب بوده چون دشمن از موقعیت گیرنده آگاه نمیشود. همچنین میتواند در هدایت نیروهای پیاده و واحدهای زرهپوش در بیابانهای بی عارضه و تعیین موقعیت دقیق موضع پرتاب موشکهای زمین به زمین کمک فوق العاده ای نماید.

گیرنده های GPS در ابعاد متفاوت با وزنی کمتر از نیم کیلوگرم میتوانند با محاسبه پیوسته موقعیت جسم در حال حرکت سرعت جسم حامل گیرنده را تخمین زده ، حرکت او را بدست آورده و انحراف آن از شمال مغناطیسی را نمایش داده و در نهایت زمان رسیدن به مقصد مورد نظر را با بدست آوردن موقعیت و سرعت تخمینی ارائه نمایند.

غیرفعال بودن GPS سبب صرفه جویی زیاد در باطری شده و بسیاری از گیرنده های فوق را در برابر ضربه ، شوک ، آب و … مقاوم میکند. برای اینکه گیرنده های GPS و ماهواره بتوانند همزمان کدهای مربوطه را تولید کنند در گیرنده و ماهواره ساعتهای دقیقی بکار رفته است. این سبب میگردد همواره GPS بتواند وقت دقیق محلی را نیز ارائه کرده و حتی ساعت طلوع و غروب خورشید را با استفاده از زمان و موقعیت گیرنده محاسبه و اعلام کند.

گیرنده هایGPS از سه قسمت آنتن،RF و دیجیتال تشکیل شده است:  

آنتن

آنتن گیرنده های GPS انواع مختلفی دارد اما آنتنهای GPS همگی دارای پلاریزاسیون دایروی هستند. در اینجا به چند آتن اشاره میشود:

– آنتن تک قطبی یا دو قطبی: این آنتنها برای اینکه عملکرد خوبی داشته باشند احتیاج به یک صفحه زمین دارند و تک فرکانس هستند.

– آنتن هلیکس چهار قطبی: این آنتن تک فرکانس است و نسبت به آنتنهای تک قطبی پیچیده تر بوده اما دارای گین بالاتر بوده و نیاز به صفحه زمین ندارد.

– آنتن میکرواستریپ: ساختمان ساده و کم حجمیدارد و برای کارهای هوایی مناسب است و میتواند در دو فرکانس کار کند ولی دارای گین کمی است.

– آنتن هلیکس مخروطی: میتواند در دو فرکانس کار کند و دارای گین بالایی است اما ابعاد آن بزرگ بوده و برای کارهای هوایی مناسب نیست زیرا اگر برای دریافت یسگنال ماهواره ای در افق به سمت آنها قرار گیرد قادر به پیدا کردن ماهواره های بالای سر نیست.

– آنتنهای میکرواستریپ به سبب کوچکی میتوانند مستقیما به موازات آسمان نگه داشته شود و میتواند هر ماهوراه ای را که در بالای سر قرار داشته باشد پیدا کند. ماهواره ها باید حداقل ۱۰ درجه در بالای سطح افق قرار داشته باشند تا با این آنتن ردیابی شوند. برای دریافت سیگنالهای ماهواره باید ماهواره ها درد دید باشند. هوای بارانی و برفی و طوفانی از رسیدن امواج جلوگیری نمیکنند اما موانعی همچون درختان ، صخره ها ، ساختمان بلند و نیز بودن گیرنده در داخل ساختمان ، اتومبیل و هواپیما و … از رسیدن امواج جلوگیری میکند. لذا در صورت استفاده در یک متحرک مانند هواپیما به آنتن خارجی نیازمند هستیم. در اینصورت آنتن باید فعال باشد تا سیگنالها را قبل از انتقال از طریق کابل به گیرنده تقویت کند.

GPS چگونه کار می‌کند؟

سیستم موقعیت جهانی از سه بخش مجزا تشکیل شده است. اولین بخش سیستم شامل ۲۴ ماهواره است که در ۲۰۰۰۰ کیلومتری بالای زمین در مدار مدور ۱۲ ساعته می‌چرخند. این بدین معنی‌ست که هر ماهواره ۱۲ ساعت برای چرخش کامل به دور زمین به کار برده می‌شود. به منظور کسب اطمینان از اینکه ماهواره‌ها قادر به ردیابی و تشخیص در هر نقطه از روی سطح زمین باشند، آنها به شش گروه چهارتایی تقسیم می‌شوند. هر گروه مسیر متفاوتی را برای را دراد. این امر باعث ایجاد صفحات مداری متفاوتی ۶ گانه که به طور کامل زمین را احاطه می‌کنند می‌شود. این ماهواره ها علائم رادیویی به زمین ارسال می‌دارند که شامل اطلاعاتی درباره زمین است. با استفادده از دریافت کننده زمینی GPS، این علائم دریافت و ارتفاع، طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی (موقعیت جهانی) دریافت کننده را تعیین می‌کند. علائم رادیویی در ۲ فرکانس با باند کوتاه فرستاده می‌شود (L-bond) باند کوتاه به فرکانس های بین ۳۹۰ تا ۱۵۵۰ مگاهرتز (MHz) اشاره می کند. در هر علامت، توالی کدگذاری شده‌ای ارسال می‌شود. با مقایسه توالی دریافت شده با توالی اصلی، دانشمندان قادر به تعیین میزان مسافت طی شده علامت از ماهواره به زمین هستند. 

تأخیر علامت در شناسایی و مطالعه لایه های جوی که سطح زمین را احاطه کردند (یونوسفر و تروپوسفر) مفید هستند. علامت سومی نیز از ماهوراه به زمین ارسال می‌شود که شامل داده‌هایی درباره سلامت موقعیت ماهواره‌است.

دومین بخش سیستم GPS ایستگاه زمینی‌ست که مانند وسائل مخابراتی ارسال کننده داده ها به مرکز داده‌ها، شامل یک دریافت کننده و آنتن است. آنتن تک جهته در هر محل، که بیشتر شبیه به آنتی رادیویی یک ماشین عمل می‌کند، علائم ماهواره‌ای را جدا و بصورت جریانهای الکتریکی به محل دریافت کننده ارسال می‌کند. سپس دریافت کننده علائم را به کانالهای طراحی شده برای یک ماهواره و فرکانس خاص در زمانی خاص، جدا می کند. زمانیکه علائم تفکیک شده باشد،‌ دریافت کننده می‌تواند آنها را کدگذاری کرده و به فرکانس های مجزا تبدیل کند. با این اطلاعات دریافت کننده موقعیت عمومی آنتن را تشخیص می‌دهد (طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع). بعد از آن، داده‌های جمع آوری شده توسط دریافت کننده می‌تواند مجدداً توسط دانشمندان فرآوری شده و چیزهای متفاوتی از آنها مانند سری موقعیت های دیگر مطابق با همان آنتن و با دقت میلی متری، بدست می‌آید.

سومین بخش سیستم، مرکز داده ها است. نقش مرکز داده ها دو جنبه دارد. این بخش هم ایستگاه‌های GPS جهانی را کنترل می‌کند و هم برای تحلیل و اصلاح داده ها از دریافت کننده آن ایستگاهها، از سیستمهای کامپیوتری خودکار استفاده می‌کند. با کار بر روی داده های خام و ایجاد داده فرآوری شده دانشمندان جهان قادرند از آن برای کارهای متفاوت استفاده کنند. تا زمانیکه محل هایGPS جهانی توسط مرکز متفاوت در سراسر دنیا ساخته و اداره می شوند، مکانهای مرکزی داده های متفاوت زیادی وجود دارد.

سیستم GPS شامل ۳ بخش،‌ فضا، کنترل و کاربری می‌باشد : فضا، کاربر، کنترل( Space , User , Control )  سیستم GPS شامل ۳ بخش،‌ فضا، کنترل و کاربری می‌باشد. بخش فضایی شامل آرایش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) می‌باشد. اولین سری این ماهواره‌ها در سال ۱۹۷۸ در مدار قرار داده شد. و در سال ۱۹۸۶ توسعه و تکمیل آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS به علت جلوگیری از خطرات ناشی از عدم مسیریابی انجام پذیرفت. در فوریه ۱۹۸۹ آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS با ۲۴ یا تعداد بیشتری ماهواره در مدار کامل و فعال گردید. سیستم کنترل توسط ارتش آمریکا انجام می‌گیرد که ردیابی و نگهداری آنها را در مدار کنترل می‌نماید.بخش کاربرها، شامل کاربرهای نظامی و شخصی هر دو می‌باشد. کاربرهای نظامی از سیستم GPS به عنوان، مسیریابی،‌ شناسایی، و سیستم هدایت موشکی استفاده می‌نمایند و کاربرهای شخصی هم می‌توانند همانند نظامی‌ها و براساس نیاز از این سیستم استفاده کنند. بخش فضایی( Space Segment )  ماهواره‌های GPS در حدود ۹۰۰ kgوزن و ۵ متر با نیل‌های خورشیدی طول دارند. عمر مفید این ماهواره‌ها برای۵/۷ سال طراحی شده است اما اغلب مدت زمان بیشتری در مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. پنل‌های خورشیدی نیروی اولیه را تهیه می‌نمایند و نیروی (تغذیه) ثانویه توسط باطری‌های Nicod تأمین می‌شود. در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمی فوق‌العاده دقیق نصب گردیده است. در سپتامبر ۲۰۰۱ تعداد ماهواره‌های مورد استفاده در مدار ۲۷ عدد بوده است. مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits )  شامل ۶ مدار با فاصله ۶۰ درجه و در هر مدار ۴ ماهواره وجود دارد و این امکان را فراهم می‌سازد که با وجود اشکال و خرابی ۲ ماهواره در هر مدار سیستم کار نرمال خود را انجام دهد. هر سطح مداری شیبی برابر با ۵۵ درجه با سطح مدار استوایی دارد. ارتفاع زیاد مدار (km 20000) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان می‌شود. همچنین ارتفاع زیاد ماهواره باعث پوشش منطقه وسیعی در روی زمین می‌شود.ماهواره‌های GPS هر نقطه در روی زمین را ۲ بار در روز پوشش می‌دهند (از هر نقطه در روی زمین دوبار در روز می‌گذرند).  بخش ماهواره ای سیستم از ۲۱ ماهواره اصلی و ۳ ماهواره یدکی واقع در مدار زمین تشکیل میشود. این ماهواره ها در ۶ مدار جداگانه که با صفحه استوا زاویه ۵۵ درجه میسازند قرار گرفته اند. مدار ماهواره ها بیضی شکل بوده و با سرعتی نزدیک ۴٫۵ کیلومتر بر ثانیه در حرکت هستند. این ماهواره ها به سبب ارتفاع زیادشان در بخش بزرگی از زمین دیده میشوند. الکتریسیته مورد نیاز از دو صفحه متشکل از باطریهایی با سلولهای خورشیدی به سطح ۷٫۲ متر مربع تامین میگردد