GPS(سیستم موقعیت یاب جهانی)

GPS(سیستم موقعیت یاب جهانی)

GPS چيست ؟

GPS يعني سيستم موقعيت ياب جهاني اين سيستم تشكيل شده است از يك شبكه 24 ماهواره اي در مدار زمين كه توسط وزارت دفاع دولت آمريكا پشتيباني ميشود. هـدف اصـلي و اولـيـه از طـراحـي GPS ، اهـداف نـظامـي بـوده امـا از ســال 1980 به بـعــد بـراي اسـتـفاده هاي غــير نـــــظامي نيز در دسترس قرار گرفت.

GPS در تمام شرايط بصورت 24 ساعت در شبانه روز و در تمام دنيا قابل استفاده مي باشد . و هيچ گونه بهائي بابت  اين خدمات اخذ نمي شود.

در اینجا به برخی مشخصه های جالب این سیستم اشاره می کنیم 

* اولین ماهواره GPS در سال 1978 یعنی حدود 34 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.

سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS متشکل از 24 ماهواره است که درارتفاع 20000 کیلومتری ازسطح زمین قراردارند ودر 6 مدار که هرمدار 4 ماهواره قرارداد.

علاوه بر جی‌پی‌اس، دو سیستم کمابیش مشابه دیگر نیز وجود دارد: سیستم گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود و سیستم گالیله که کشورهای اروپائی آن را برای وابسته نبودن به سیستم آمریکائی جی‌پی‌اس ساخته اند.

ماهواره‌های جی پی اس  

۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس در مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقاً طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ 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 به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.

 جی‌پی‌اس چگونه کار می‌کند

ماهو اره‌های این سیستم، در مدارهای دقیق هر روز ۲ بار به‌دور زمین می‌‌گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می‌کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس 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 از ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌‌کند. از اختلاف این دو زمان، فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌‌گردد. این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با تقریب ناچیز معین می‌‌کند.گیرنده به دریافت اطلاعات هم‌زمان از حداقل ۳ ماهواره برای محاسبه ۲ بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی، و همچنین دریافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.

تعیین موقعیت توسط GPS

اگرفاصله ما ازماهواره 1 درحدود 10 کیلومتر باشد بنابراین مکان ما درفضا برمحیط کره به مرکزیت ماهواره اوشعاع 10 کیلومتر منطبق می باشد حال فرض می کنیم فاصله ما ازماهواره 20 درحدود 11 کیلومتر باشد دراین حالت نیز مکان ما درفضا برروی محیط کره ای به مرکز ماهواره 2 وشعاع 11 کیلومتر واقع  است فصل مشترک این دوکره می تواند یک دایره باشد که مکان ما بطورقطع برروی محیط این دایره قراردارد .

حال اگر ماهواره سوم را نیز درنظربگیریم که فاصله اش با ما 12 کیلومترباشد دراین صورت فصل مشترک کره مربوط به ماهواره 3 با فصل مشترک کره های ماهواره ای 1و2 حداکثر دونقطه می باشد که قطعاً یکی ازاین دو مبین مکان واقعی ما خواهد بود.اما بطورقطعی یکی از این دو نقطه نامعقول می باشد . بطورمثال دارای ارتفاع بیشتری از سطح زمین است . لذا کامپیوترهای داخل گیرنده هایGPS با استفاده ازتکنیک های گوناگون قادر به تشخیص نقطه غلط می باشند.

ازنظر تئوری با استفاده از3 ماهواره می توانیم مکان خودرا به دست آوریم ولی به دلیل فنی اگرچنانچه ماهواره چهارم را همانند ماهواره های 1و2 انتخاب کنیم بطورقطع فصل مشترک این چهار کره یک نقطه خواهد بود واین نقطه مختصات مکانی مارا نشان می دهد استفاده کنندگانی که درارتفاعی مشخص قراردارند (مانندکشتی هایی که درسطح دریا واقع باشند)به سهولت میتوانند با استفاده ازدوماهواره مکان خودرا تعیین نمایند .دراین حالت کره زمین را می توان جایگزین ماهواره سوم کردوازیک مرحله محاسبه مسافت صرفنظر نمود بدین ترتیب این فرصت جهت انجام سایرمحاسبات قابل بهره برداری بوده وعملاً مکان یابی افزایش می یابد .

مزایای سیستم GPS

*      دقت بسیارزیاددرموقعیت یابی

*      داشتن پوشش جهانی

*       دارا بودن زمان بندی دقیق

*       نداشتن هیچ گونه هزینه برای استفاده کنندگان

*       تعیین سرعت درسه محور مختصات

*       قابلیت دسترسی همیشگی

*       قابلیت کاربردی در هرشرایط آب وهوایی

*       عدم محدودیت دربکارگیری همگانی

*       دقت نسبی IPPM برای طولهای کوتاه از1 تا 100 کیلومتر.

*       تعیین سرعت درسه محور , زمان , تعیین فاصله سمت وگرای ونقطه مبداء .مقصود

*       توانایی دید همزمان با یک گیرنده

انواع گیرنده‌های جی‌پی‌اس

     گیرنده‌های جی‌پی‌اس انواع گوناگونی دارند و انتخاب هرکدام از آن‌ها بستگی به موارد استفادهٔ شما دارد؛ برای نمونه این که می‌‌خواهید در داخل خودرو آن را نصب کنید یا اینکه آن را در کوله پشتی خود قرار دهید گزینه‌های متعددی را پیش روی شما می‌‌گذارد. 

     گیرندهٔ بیسیک جی‌پی‌اس _ بیسیک: این گیرنده‌ها در واقع از ساده‌ترین و کم قیمت‌ترین گونه‌ها هستند (اغلب کمتر از $100 us) یک گیرندهٔ بیسیک (پایه) می‌‌تواند بسیار دقیق تر از گیرنده‌های گران قیمت باشد، اما باید این مساله را هم در نظر داشت که این گیرنده‌ها بسیاری از ویژگی‌های دستگاه‌های گران قیمت را ندارند. ویژگی قابل توجهی که کمبود آن بیشتر حس می‌شود، نداشتن قابلیت نقشه برداری یا Mapping است که بعدا شرح داده خواهد شد.

* گیرنده‌های دستی جی‌پی‌اس _ نقشه بردار: همانطور که از نام این گیرنده بر می‌‌آید گیرندهٔ نقشه بردار از قابلیت نمایش نقشه برخوردار است. این گیرنده‌ها ابعاد بزرگ تری نسبت به گیرنده‌های قبلی دارند.

  * گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای خودرو: این گیرنده‌ها بزرگ تر از گیرنده‌های دستی هستند و نمایشگری نسبتاً بزرگ دارند تا راننده در هنگام رانندگی به سادگی آن را بخواند. این گیرنده‌ها با استفاده از برق خودرو کار می‌کنند و بنابراین تنها در داخل خودرو قابل استفاده هستند.

 * گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای یک دستگاه پی‌دی‌ای: برتری استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای (PDA) به‌عنوان یک جی‌پی‌اس، نمایشگری بزرگ است که افزون بر راحتی در مطالعهٔ نقشه، جزئیات بیشتری را نیز قابل مشاهده می‌‌سازد. همچنین همانند جی‌پی‌اس‌هایی که در داخل خودرو نصب می‌‌شوند، می‌‌توانند به صورت صوتی راهنمایی کنند.

*گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای رایانه کیفی (لپ‌تاپ): تقریباً همانند یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای دستگاه پی‌دی‌ای است با این تفاوت که در اینجا دیگر نیازی به استفاده از Sleeve یا چیزی شبیه به آن نیست. بخاطر داشته باشید که اگر شما بخواهیداز یک CF جی‌پی‌اس به‌عنوان گیرندهٔ لَپ‌تاپ خود استفاده کنید، CF جی‌پی‌اس شما با اتصال مستقیم به لپ‌تاپ از آن بیرون می‌‌زند و بنابراین اگر بخواهید در حالی که روی صندلی خودرو نشسته اید از جی‌پی‌اس هم استفاده کنید ،گیرندهٔ جی‌پی‌اس شما دید خوبی از آسمان نخواهد داشت و به خوبی وضعیتی که گیرنده را مستقیما زیر آسمان قرار می‌‌دهید عمل نخواهد کرد.

کاربردهای GPS چیست؟

بطورکلی ازمهمترین زمینه های کاربرد GPS می توان به مواردزیر اشاه کرد.

 الف – درزمینه های نظامی

1- کاربردهوایی : ازهدایت موشک ها تا تمام هواپیماهای جنگنده و بمب افکن , هلی کوپتر .موشک کروز , چتر بازی و پروازهای نظامی و ....

2- کاربرد های دریایی: زیردریایی , کشتی و تمام انواع قایق ها ودریانوردی نظامی .

3- کابردهای زمینی :  مکان توپخانه ها, ناوبری خودروها , هدایت پیاده نظام , سیستم موشک زمین به زمین , شناخت نوع وجنس خاک .

ب: کاربرد های نقشه برداری :

 از GPS به طریق مختلف درنقشه برداری می توان استفاده کرد .مهمترین کاربردهای GPS درنقشه برداری عبارتنداز :                    

1)      نقشه برداری هیدرو گرافیک .
2) نقشه برداری سینما تیکی خیلی دقیق برروی زمین .
3) فتو گرامتری بدون کنترل زمینی
4) انبوه سازی شبکه ژئو دتیک
5) نقشه برداری کارامتری
6) فتو گرامتری بصورت REAL .TIME

ج: کاربردهای تجاری :

1)ناوبری هوایی : دردهه هشتاد , چهل سال پس از کنوانسیون شیکاگو که منجر به تأسیس سازمان بین المللی هواپیماهای کشوری ایکائو گردید نگرانی جامعه هواپیمایی ازمحدودیتهای سیستم های ناوبری موجود به طور روزافزونی افزایش یافت .

 پیش بینی های به عمل آمده نیز نشان دهنده رشدسریع مسافرت های هوایی تاسال 2001 خصوصاً درمناطقی مانند آسیا , اقیانوسه بودتعداد 18 میلیارد مسافر وبیش از 10000هواپیما ی درحال تردد درهرلحظه این نگرانی را تایید می نمود .لذا پیشنهاد شد که ازتکنولوژی ماهواره برای مبادله صوتی وداده های موردنیاز با خطوط ارتباطی مستقیم از هواپیمابه ماهواره وازآن طریق به کنترل ترافیک هوایی استفاده شود. دراین حالت محدودیت دید مستقیم درسیستم های (17) VHF و کیفیت درسیستم های (18) HF وجودندارد بعلاوه دریک مجموعه واحد می توان بصورت همزمان داده های ضروری هواپیما مانند مشخصات پرواز, ارتفاع , سرعت و جهت را نیز به کنترلر مراقب پرواز اطلاع داد واز این  طریق خطای انتقال صحیح اطلاعات ناشی از عوامل انسانی دروقوع سوانح را به کلی ازبین برد.

امروزه تئوری پرواز آزاد انقلابی درصنعت حمل ونقل هوایی بوجود آورده است درپرواز های آزاد با توجه به قابلیت انعطاف سیستم های ناوبری ونظارت می توان به جای استفاده ازمسیرهای ثابت هوایی آنها را بصورت کاملاً دینامیکی بهینه نمود این ایده جالب بهره برداری بسیارموثر ازفضا را دارد .بنابراین امروزه شرکت های بزرگ هواپیما سازی مشغول نصب سیستمهای GPS برروی هواپیما ها می باشند .

2- ناوبری دریایی : درناوبری دریایی برای تعیین مسیر , نقاط مبداء ومقصد وغیره از GPS می توان بهره گرفت .

د: کاربردهای همگانی :

سیستم موقعیت یاب GPS  کاربرهای همگانی نیز دارد که ازمهمترین این کاربردها می توان به موارد زیراشاره کرد.

1- حرکت درفضای باز: حرکت درمناطقی که راههای چندان مناسبی ندارد یا به کلی فاقد راه است .گیرنده GPS  بسیارارزشمند خواهدبود.
2- ماهیگیری
3- پروازبا گلایدر .
4- استفاده حرفه ای درعملیات زمینی
5- اسکی , کوهنوردی
6- قایقرانی
7- عملیات جستجو و نجات
8- حرکت اتومبیل درجاده
9- مسابقات اتومبیل رانی رالی

البته کاربرهای GPS روزبه روز بیشتروبیشتر می شود ونیزنباید این نکته را ازنظر دورداشت که این سیستم با تمام مزایای خودممکن است دچار اختلال گردد ویا گیرنده ای که دردست شماست دچارخرابی گردد .پس بایدروشهای موقعیت یابی کلاسیک را که کار با قطب نما ونقشه است ازیادنبرد واول این روش را یادگرفت وبعدبسراغ GPS رفت تا درمواقع نیازدچار وابستگی به سیستم موقعیت یابی جهانی نباشیم .

موفق وکامیاب باشین