اطلاعات کافی در مورد gps

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.

قتی 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؟
سیستم مکان یابی جهانی ( Global Positioning System ) یک سیستم هدایت ( ناوبری ) ماهواره ای اســت و تنها سیستمی می باشد که امروزه قادر است، موقعیت دقیق شما را بر روی زمین در هر زمان، درهر مکان و در هر هوایی مشخص کند. . این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند. اولین ماهواره GPS در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شدوسرانجام در سال ۱۹۹۴ شبکه ای شامل۲۴ ماهواره تشکیل گردیدکه امروزه تعداد آنها به عدد ۲۸ رسیده است.

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. دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد. این سیستم از سال ۱۹۸۳ با پرتاب نخستین ماهواره GPS آغاز بکار نمود.

با روی کار آمدن سیستم GPS تمام سیستم های قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای از قبیل دور بین های بالستیک،داپلر،N.N.S.S ، SLR ،LLR ،LONG-C ،SECOR، به تدریج از دور خارج شدند.GPS یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد؛ زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه وباران و نزولات جوی ) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول ۲۴ ساعت شبانه روز فعال است ودر هر زمان ودر هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد. روسها نیز سیستمی مشابه GPS با نام GLONASS دارند که البته ازنظر کارآیی و توان عملیاتی در حال حاضر به پای سیستم GPS نمی رسد.

البته گیرنده های مشترک GPS-GLONASS در حال حاضر در بازار ایران یافت می شونددرضمن اتحادیه اروپا نیز در حال ساخت یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای با نام گالیله میباشد که طبق پیش بینی ها تا سال ۲۰۰۸ آماده بهره برداری و استفاده عموم خواهد شد. طبق ادعای اتحادیه اروپا محدودیت های موجود در سیستم GPS در گالیله وجود نخواهد داشت.

ماهواره های GPS :

در حال حاضر سیستم GPS شامل ۲۸ ماهواره فعال است که در مداری به طول ۱۱۰۰۰ مایل دریایی بالای زمین در حرکت بوده و پیوسته بوسیله ایستگاه‌های زمینی در سراسر جهان نظارت می‌شوند. هرکدام ازاین ماهواره ها که NAVSTAR نیز نامیده میشوند ۲۰۰۰پوند وزن داشته ،دارای صفحات آفتابی به پهنای f=17 هستندوباسرعتی درحدود ۱۰۸ مایل درثانیهبه دورزمین میگردند. این ماهواره ها که کل سطح کره زمین را بطور همزمان پوشش می دهند ، در ۶ مدار بیضی شکل با زاویه میل ۵۵ درجه نسبت به صفحه استوای زمین به دور زمین می چرخند و در ارتفاع ۲۰۸۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.زمان یکبار چرخش ماهواره های GPS به دور زمین در حدود ۱۲ ساعت نجومی است. به عبارتی در هر ۲۴ ساعت خورشیدی در طول شبانه روز ماهواره دوبار از افق یک محل می گذرد.

همان طور که می دانیم شبانه روز خورشیدی ۴ دقیقه از شبانه روز نجومی بیشتر است لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره ۴ دقیقه زودتر در افق یک محل ثابت طلوع می کند. هر ماهواره حدوداً ۱۰ سال فعال می ماند وجایگزینی ماهواره ها بموقع انجام گشته و ماهواره های جایگزین به فضا پرتاب می گردند . برنامه شبکه GPS هم اکنون تا سال ۲۰۰۶ تنظیم وجایگزینی های لازمه ترتیب داده شده اند . مسیر گردش ماهواره ها آنها را بین عرض جغرافیایی ۶۰ درجه شمالی و۶۰ درجه جنوبی قرارمی دهد . این امر به معنی آن است که درهرنقطه از زمین ودرهرزمان می توان سیگنال های ماهواره أی را دریافت نمود. وهرچه به قطبهای شمال – جنوب نزدیک شویم نیز همچنان ماهواره های GPS را خواهیم دید . هرچند دقیقاً در بالای سرما نخواهند بود واین در دقت وصحت عمل آنها در این نقاط تاثیرمی گذارد .

انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است. این ماهواره ها نیروی خود راتوسط باتریهای خورشیدی که طولش هرکدامشان ۵٫۵ متر است 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.
سیستمGPS چگونه کار میکند؟

به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد و برای تعیین موقعیت در هر یک از دو روش فوق می توان از روش های ایستا (Static) ، متحرک(Kinematics) و نیمه متحرک (Semi-Kinematics) استفاده کرد. در روش مطلق ، موقعیت نسبی نقطه نسبت به یک نقطه مختصات دار معلوم ((DELTA(X),DELTA(Y),DELTA(Z)) بدست می آید. روش تعیین موقعیت نسبی به علت حذف خطاهای سیستماتیک موجود در اندازه گیری های GPS از اهمیت خاصی برخوردار است و برای انجام آن نیاز به دو گیرنده GPS می باشدکه بطور همزمان ماهواره های مشترک را مشاهده و اندازه گیری نمایند.

منظور از همزمانی ، بدین معنی است که شرایط اندازه گیری برای هر دو گیرنده مستقر در ایستگاه های استقرار، یکی با مختصات معلوم و دیگری با مختصات مجهول،یکسان باشد. از روش تعیین موقعیت نسبی با GPS اکثرا در کارهای نقشه برداری و گسترش شبکه های ژئودزی استفاده می شود.دقت تعیین مختصات مطلق با سیستم GPS در حال حاضر در بهترین حالت ۳ ± متر می باشد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.
هر ماهواره GPS بطور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:
۱) امواج حامل
الف) موج حامل (L1) با فرکانس f1=1500 MHZ
ب) موج حامل (L2) با فرکانس f2=1200 MHZ

۲)کدهای اطلاعاتی(بصورت دودویی)
الف) کدغیر نظامی(کد C/A ) ؛ f=1.023 MHZ
ب) کد دقیق (کد P ) ؛ f=10.23 MHZ
ج) کد سری (کد Y) ؛ f=10.23 MHZ

برای رسین به حداکثر دقت و کارآیی GPS توسط یک گیرنده باید از گیرنده ای استفاده کرد که هر دو موج حامل L1 و L2 و کدهای فوق را دریافت نموده وقابلیت آنتی اسپوفینگ (AS) داشته باشد؛ یعنی بتواند کد سری Y را به یک کد P وبالعکس تبدیل کند.

۳) پیام ماهواره(Message) با فرکانس f=1500 MHZ که حامل اطلاعات زیر می باشد:
الف) اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعیت ماهواره می شود.
ب) اطلاعات مربوط به زمان
ج) اطلاعات شماره ماهواره
د) اطلاعات مربوط به ضریب دقت آرایش هندسی ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و یا اگرزاویه هر دو ماهواره با هم ۱۲۰ درجه باشد تعیین موقعیت محل دارای دقت بیشتری خواهد بود.) مجموعه اطلاعات فوق یعنی امواج حامل،کدهای اطلاعاتی و پیام ماهواره ، همراه یکدیگر توسط مدولاسیون فاز بسمت زمین مخابره شده و گیرنده های زمینی که قابلیت ها و انواع متفاوتی دارندضمن دریافت مجموعه فوق پس از عمل De Modulation هر بخش را برای منظور خاص خود مورد استفاده قرار می دهد.

لازم به ذکر است که بهترین و دقیق ترین گیرنده ، گیرنده ایست که قابلیت در یافت کلیه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر یک را به طرقی جداگانه دریافت کند و ارزان ترین گیرنده هم گیرنده ایست که تنها قابلیت دریافت موج حامل L1 ،کدC/A و پیام ماهواره را دارد.لازم بذکر است که کد CA فقط بر روی موج L1 مدوله میشود ولی کد P بر روی هر دو موج وجود دارد.
اما اگربخواهیم عملکرد این ماهواره ها بطور ساده تر را بررسی کنیم به نتایج زیر می رسیم: سیگنـال هایی که هرماهولره ی GPSارسال میکند شـــــامــل یـــک کد شبه تصادفی Pseudo Random Code ، داده ای بنام ephemeris ویک داده تقویــــمی بنام almanac می باشد. کد شبه تصادفی مشخص کننده ماهواره ارسال کننده اطلاعات ( کد شتاسایی ماهواره ) می باشد. هرماهواره باکدی مخصوص شناسایی می شود : RPN Random Code Pseudo این عددی است بین ۱و ۳۲ . این عدد درگیرنده هر GPS نمایش داده میشود .دلیل اینکه تعداد این شناسه ها بیش از ۲۸ می باشد امکان تسهیل درنگهداری شبکه GPS باشد .

زیرا ممکن است یک ماهواره پرتاب شود و شروع بکار نماید قبل از اینکه ماهواره قبلی از رده خارج شده باشد . به این دلیل ازیک عدد دیگر بین ۱و ۳۲ برای شناسایی این ماهواره جدید استفاده می شود .