مقالات

جی پی اس چیست؟ (تعداد بازدید : 9103)

سیستم مكان یابی جهانی ( Global Positioning System ) یك سیستم هدایت (ناوبری) ماهواره ای اســت شـامل شبكه ای از 24 ماهواره در گردش كه درفاصله 11 هزارمایلی و در شش مدار مختلف قراردارند. در واقع یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره ای است که از شبکه ای با 24 ماهواره تشکیل شده است و این ماهواره‌ها 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.

(شکل1): 24 ماهواره که دور زمین در گردش هستند
ماهواره‌ها درحال حركت می‌باشند و درعرض 24 ساعت دوباركامل بـــرگرد زمیــن می‌گردنــــــد. (هر روز دوبار ) باسرعتی درحدود 108 مایل درثانیه. این ماهواره‌های جی پی اس به نام NAVSTAR شناخته می‌شوند.
لازمه هرگونه آشنایی با جی پی اس فراگیری ماهیت اصلی این ماهواره‌ها می‌باشد. اولین ماهواره جی پی اس درفوریه 1978 پرتاب شد وزن هر ماهواره تقریباً 2000 پوند و دارای صفحات آفتابی به پهنای 17 فوت می‌باشد و قدرت فرستنده آن 50 وات و یا كمتر است. هر ماهواره 2 سیگنال ارسال می‌كند: L1 و L2. GPS های غیر نظامی ‌از فركانس 42MHZ.1575 :L1 اسـتــفــاده می‌كنند. هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال می‌ماند وجایگزینی ماهواره‌ها به موقع انجام گشته و ماهواره‌های جایگزین به فضا پرتاب می‌گردند.مسیر گردش ماهواره‌ها آنها را بین عرض جغرافیایی 60 درجه شمالی و 60 درجه جنوبی قرار می‌دهد. این امر به معنی آن است كه درهرنقطه از زمین و درهر زمان می‌توان سیگنال های ماهواره ای را دریافت نمود وهرچه به قطبهای شمال – جنوب نزدیك شویم نیز همچنان ماهواره‌های جی پی اس را خواهیم دید. هرچند دقیقاً در بالای سر ما نخواهند بود واین در دقت وصحت عمل آنها در این نقاط تاثیر می‌گذارد. یكی از بزرگترین مزایای رهیابی به وسیله جی پی اس نسبت به روشهای دیگر زمینی بودن آن است كه این سیستم درهر شرایط جوی و بدون توجه به نوع كاربرد گیرنده جی پی اس به خوبی كار می‌كند.
24 عدد ماهواره (GPS) در مدارهایی به فاصله 24000 هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند.سرعت هریک 7000 مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تامین می‌کنند. همچنین باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می دارد.
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 می‌گردد.

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.

چگونگی کارکرد:

گیرنده‌های جی پی اس اطلاعات ماهواره ها را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می‌کنند. در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌کند. از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌گردد. حال این عمل را با داده های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز، معین می‌کند.
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 ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیر پیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطاعات مفید دیگر، می نماید.

گیرنده‌ها

بسته به نوع مصرف و بودجه می‌توانید از طیف وسیع گیرنده‌های جی پی اس بهره ببرید. همچنین، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب جهت ناحیه مورد استفاده تان، اطمینان حاصل کنید. امروزه بهای گیرنده‌های جی پی اس بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و هم اکنون در کشور ما (ایران) با بهایی معادل یک عدد گوشی متوسط موبایل نیز می‌توان گیرنده (GPS) تهیه کرد. در کشورهای توسعه یافته از این سیستم جهت کمک به راهبری خودرو، کشتی و انواع وسایل نقلیه بهره‌گیری می‌شود. 
هر چه نقشه های منطقه ای که در حافظه گیرنده بارگذاری می‌شود دقیق‌تر باشد، سرویس‌هایی که از جی پی اس می‌توان دریافت داشت نیز ارتقا می یابد. برای مثال، می‌توان از (GPS) مسیر نزدیکترین 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 می‌کند. از سیستم محل یابی جهانی می‌توان در کارهایی چون نقشه برداری، پروژه های عمرانی، کوهنوردی، کایت سواری، سفر در مناطق ناشناخته، کشتی رانی و قایقرانی، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمین لرزه و هر فعالیت دیگر که نیازمند محل یابی باشد، بهره برد.

هر کس که بخواهد بداند کجاست و به کجا می رود به این سیستم نیازمند است، با توجه به کاهش شدید بهای گیرنده‌های این سیستم و افزایش امکانات آنها، این تکنولوژی در اینده نزدیک بیش از پیش در اختیار همگان قرار خواهد گرفت.

چگونگی تبادل اطلاعات

سیگنـال (GPS) شـــــامــل : یـــك كد شبه تصادفی Pseudo Random Code، داده ای بنام ephemeris و یك داده تقویــــمی‌بنام almanac می‌باشد.
كد شبه تصادفی مشخص كننده ماهواره ارسال كننده اطلاعات ( كد شتاسایی ماهواره ) می‌باشد. هر ماهواره با كدی مخصوص شناسایی می‌شود : RPN Random Code Pseudo این عددی است بین 1و 32. این عدد درگیرنده هر جی پی اس نمایش داده می‌شود. دلیل اینكه تعداد این شناسه ها بیش از 24 می‌باشد امكان تسهیل در نگهداری شبكه جی پی اس (GPS) باشد. زیرا ممكن است یك ماهواره پرتاب شود و شروع بكار نماید قبل از اینكه ماهواره قبلی از رده خارج شده باشد. به این دلیل ازیك عدد دیگر بین 1و 32 برای شناسایی این ماهواره جدید استفاده می‌شود.
داده Ephemeris دائماً به وسیله ماهوارها ارسال می‌گردد وحاوی اطلاعاتی درمورد : وضعیت خود ماهواره (سالم یا ناسالم) و تاریخ و زمان فعلی می‌باشد. گیرنده جی پی اس بدون وجود این بخش از پیام درمورد زمان و تاریخ فعلی دركی ندارد. این بخش پیام نكته اساسی برای تعین مكان می‌باشد.
Almanac داده ای را انتقال می‌دهد كه نشان دهنده اطلاعات مداری برای هر ماهواره وتمام ماهواره های دیگر سیستم می‌باشد. حال میتوان شیوه كار جی پی اس (GPS) را بهتر بررسی كرد. هر ماهواره پیامی‌را ارسال می‌كند كه بــطور ســــــاده می‌گوید :
من ماهواره شماره X هستم، موقعیت فعلی من Y است و این پیام در زمان Z ارسال شده است.
هر چند كه این شكل ساده شده پیام ارسالی است ولی می‌تواند كل طرز كار سیستم را بیان نماید. گیرنده جی پی اس پیام را می‌خواند و داده های almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدی ذخیــره می‌نماید. این اطـلاعـات می‌توانند برای تصحیح و یا تنظیم ساعت درونی نیز به كار روند.
حال برای تعیین موقعیت، گیرنده جی پی اس زمانهای دریافت شده را با زمان خود مقایسه می‌كند. تفاوت این دو مشخص كننده فاصله گیرنده جی پی اس از ماهواره مزبور می‌باشد. این عملی است كه دقیقاً یك گیرنده جی پی اس انجام می‌دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر، جی پی اس می‌تواند طول و عرض جغرافیایی مكان خود را تعیین نماید( كه آن را تعیین دو بعدی می‌نامند) و با تبادل با چهار ماهواره و یا بیشتر یك جی پی اس می‌تواند موقعیت سه بعدی مكان خود را تعیین نماید كه شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می‌باشد. با انجام پشت سر هم این محاسبات، جی پی اس می‌تواند سرعت و جهت حركت خود را نیز به دقت مشخص نماید.
یكی از عواملی كه بر روی دقت عمل یك جی پی اس اثــر می‌گذارد. شكل قرار گرفتن ماهواره‌ها نسبت به یكدیگر می‌باشد. (از نقطه نظر GPS ) 
اگر یك GPS با چهار ماهواره تبادل اطلاعات نماید و هر چهار ماهواره در شمال و شرق جی پی اس باشند طرح و هندسه این ماهوارها برای این جی پی اس بسیار ضعیف میباشد و شاید جی پی اس قادر به مكان یابی نباشد زیرا تمام اندازه گیریهای فاصله ای، در یك جهت عمومی‌ قرار دارند، یعنی مكانی كه برای محل خود تصورمی‌كند بسیار وسیع می‌باشد ودر نتیجه تعیین دقیق آن ممكن نیست. در این موقعیتها حتی اگر جی پی اس مكان یابی را انجام دهد و موقعیتی راگزارش نماید دقت آن نمی‌تواند زیاد خوب باشـــــــد ( كمتر از500-300 فیت ). اگر همین چهار ماهواره در چهارجهت ( شمال، جنوب، شرق، غرب ) و با زوایای 90 درجه قرارداشته باشند طرح این چهار ماهواره برای جی پی اس مزبور بهترین حالت می‌باشد چرا كه جهات مسافت سنجی چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراك این مسافت سنجی ها بسیار كوچك می‌باشد وهرچه این نقطه اشتراك كوچكتر باشد به معنی آن است كه بیشتر به نقطه واقعی حضور خود نزدیك شده ایم. دراین موقعیت دقت عمل كمتر از 100 فیت می‌باشد.
طرح وهندسه قرارگرفتن ماهواره‌ها هنگامیكه جی پی اس در نزدیكی ساختمانهای بلند، قلل كوهها، دره های عمیق و یا در وسایل نقلیه قرارگرفته باشد به مساله مهمتری تبدیـل می‌گردد. اگر مانعی در رسیدن سیگنالهای بعضی از ماهواره‌ها وجود داشته باشد جی پی اس می‌تواند از بقیه ماهواره‌ها بـــرای مكان یابی خود استفاده نماید. هرچه این موانع بیشتر و شدیدتر شوند مكان یابی نیز مشكل‌تر می‌گردد.

منبع ایجاد خطا "چند مسیری بودن" می‌باشد. "چند مسیری" نتیجه انعكاس سیگنال رادیویی به وسیله یك شی می‌باشد. این پدیده باعث ایجاد تصاویر سایه دار در تلویزیونها می‌گردد هر چند در دستگاه های جدید این مشكل به وجود تا حدود زیادی حل شده است. بروز این اختلال برای جی پی اس ها زمانی است كه امواج بعد از انعكاس به وسیله اشیاء ( مانند ساختمانها یا زمین ) به آنتن جی پی اس برسند. در این صورت سیگنال مسیر بیشتری را تا رسیدن به آنتن جی پی اس طی می‌كند و این باعث می‌شود كه جی پی اس فاصله ماهواره را بیشتر از آنچه هست محاسبه نماید كه باعث ایجاد خطا در مكان یابی نهایی می‌گردد. در صورت بروز این اختلال تقریباً 15 فیت بر خطای نهایی افزوده می‌شود.
منبع دیگر ایجاد خطا افزایش تاخیر ( delay ) به دلیل اثرات جوی است که می‌تواند برروی دقت كار اثر بگذارد و یا خطاهای ساعت داخلی جی پی اس. در هر دو این موارد گیرنده جی پی اس طوری طراحی شده است كه این اثرات را جبران نماید ولی خطاهای كوچكی بر اساس همین اثرات همچنان بروز خواهند كرد.
در عمل، دقت كار یك جی پی اس غیر نظامی‌معمولی، با توجه به تعداد ماهواره‌های تبادلی و طرح قرار گرفتن آنها بین 60 تا 225 فیت می‌باشد. جی پی اس های پیچیده تر و گرانتر می‌توانند با دقت هایی در حد سانتیمتر كاركنند ولی دقت یك جی پی اس معمولی می‌تواند به كـــمك پـــردازشی بـــه نـــام DGPS Differential GPS به حدود 14 فیت یا كمتر برسد. سرویسهای DGPS با هزینه كمی ‌قابل اشتراك می‌باشند. سیگنال تصحیحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ایستگاههای مخصوص ارسال می‌گردد. این ایستگاهها در فركانس KHZ.325- 283.5 كار می‌كنند تنها هزینه استفاده از این سرویس خریدن یك دامنه از این سیگنالها می‌باشد. با این كار یك گیرنده دیگر از طریق یك كابل سه رشته ای به GPS ما متصل می‌شود و عمل تصحیح را طبق یك روش استاندارد به نام ( RTCM SC-104 ) انجام می‌دهد. 

گالیله

آژانس فضايي اروپا با پرتاب نخستين ماهواره گاليله به مدار زمين، ‌گامي جدي در جهت طراحي و ساخت سيستم ماهواره‌ اي موقعيت ياب جهاني برداشت .
به گزارش سرويس «فن‌آوري» خبرگزاري دانشجويان ايران (ايسنا)، سيستم موقعيت ياب جهاني گاليله، شبكه‌اي متشكل از 30 ماهواره خواهد بود كه بر اساس كارايي اين ماهواره‌ها، اطلاعات دقيقي در خصوص زمان و مكان در اختيار كاربران بر روي زمين و حتي در هوا و فضا قرار خواهد گرفت. اين پروژه ماهواره‌اي پيشرفته ارزشي بالغ بر 3/4 ميليارد يورو (معادل 4 ميليارد دلار و 3/2 ميليارد پوند) دارد كه از محل سرمايه‌گذاري‌هاي خصوصي و دولتي تامين شده و لقب پر هزينه‌ترين پروژه فضايي تاريخ را به خود گرفته است.
نخستين ماهواره از سري ماهواره‌ها در 28 دسامبر (هفتم دي ماه 84) به مدار زمين پرتاب شده است. اين پرتاب به وسيله يك موشك «سويوز» ساخت روسيه و از پايگاه‌ فضايي «بايكونور قزاقستان» صورت گرفته است. قرار بوده است كه ماهواره دوم از اين سري ماهواره‌ها در سال 2006 ميلادي به فضا پرتاب شود. طبق برنامه‌ريزي‌هاي صورت گرفته اين ماهواره‌ها با استفاده از فن‌وري‌هاي پيشرفته روز، در اطراف زمين مستقر مي‌شوند
اين سيستم موقعيت ياب جهاني همچنين شامل ساعت‌هاي اتمي، به عنوان قلب هر گونه سيستم موقعيت ياب جهاني خواهد بود.

گلوناس

گلوناس نوعی سیستم هدایت ماهواره‌ای است که توسط کشور روسیه ساخته شده و می‌تواند جایگزین و مکملي براي سيستم جی‌پی‌اس امريكا و نمونه‌های دیگر آن در اروپا با نام سیستم موقعیت‌یاب گالیله و سیستم هدایت قطب‌نما در چین باشد.
ارتش روسیه ابتدا با هدف تشخیص موقعیت زمانی و تعيین سرعت به منظور هدایت موشک‌های بالستیک، گلوناس را راه‌اندازی کرد. در واقع گلوناس نسل دوم سیستم هدایت ماهواره‌ای روسیه است. نسل اول این سیستم، تسیکلون نام داشت و حدودا یک یا دو ساعت زمان نیاز داشت تا با پردازش سیگنال‌ها بتواند موقعیت دقیق را تشخیص دهد، اما هم اکنون به محض اینکه گیرنده، سیگنال ماهواره‌ای را دریافت می‌کند، موقعیت دقیق مشخص می‌شود. شاکله اصلی گلوناس را بیست و چهار ماهواره تشکیل می‌دهد. بیست و یک ماهواره برای انتقال سیگنال‌ها و سه ماهواره دیگر به عنوان ماهواره‌های یدک در مدار قرار دارند. از پنجم مارس 2010 سیستم گلوناس بیست و سه ماهواره دارد که هجده ماهواره آن فعال بوده، سه ماهواره در فاز عملیاتی و دو ماهواره دیگر هم در حال نگهداری و تعمیر مي‌باشد. این سیستم نیاز به هجده ماهواره برای پوشش تمام خاک روسیه و بیست و چهار ماهواره برای پوشش کل زمین دارد. گلوناس امکان دستیابی به مختصات اجسام متحرک و ثابت روی زمین را فراهم می‌سازد. علاوه بر کاربردهای نظامی، این سیستم می‌تواند به شهروندان عادی در تمام نقاط دنیا نیز خدمات دهد.
مقایسه سیستم روسی و سیستم آمریکایی
در جی‌پی‌اس تمامی کدها برای هر ماهواره منحصر به فرد و یگانه می باشند، در صورتی که در سیستم گلوناس کد یگانه‌ای برای تمامی ماهواره‌های سیستم به‌کار برده می‌شوند. برای استفاده‌کنندگان شخصی و غیرنظامی دقت قابل دستیابی از طریق گلوناس نسبت به دقت‌های ارایه شده توسط سیستم جی‌پی‌اس بیشتر است زیرا خطای عمدی اس‌ای در مورد ماهواره‌های گلوناس ارسال نمی‌شود. ( اس‌ای خطایی عمدی است که توسط وزرات دفاع آمریکا از طریق ایجاد خطا در ساعت ماهواره (نوع 8) و ایجاد خطا در اطلاعات مداری (نوع 3) در سیستم جی‌پی‌اس قرار گرفته است و فعالیت این پدیده از 25 مارس 1990 آغاز شد و ماهواره‌های بلوک دوم را تحت تأثیر قرار داد. البته استفاده‌کنندگان مجاز از گیرنده‌های مخصوصی که قادر به حذف این اثر هستند، استفاده می‌کنند. به اين ترتيب براي استفاده‌کنندگان غیرمجاز سیستم، دقت تا 100 متر (در سطح) و 156 متر (ارتفاعی) کاهش مي‌يابد. دولت آمریکا تصمیم گرفت که از اول می 2000 این اثر را از روی سیستم بردارد و از این تاریخ به بعد مشاهدات و اندازه گیری‌های جی‌پی‌اس با دقت بالاتری برای استفاده کنندگان غیرمجاز سیستم امکان‌پذیر شد.)
به دلیل اینکه باند فرکانسی سیستم گلوناس وسیع تر از سیستم جی‌پی‌اس است تداخل امواج ناشی از تشعشعات مغناطیسی جو زمین بسیار زیاد‌تر است لذا برای کاهش وسعت باند فرکانسی، طرح فرکانس انتقالی خاصی برای ماهواره‌های گلوناس پیش‌بینی و اجرا می‌شود. هم چنین زمان جی‌پی‌اس با زمان یو‌تی‌سی یا زمان اتمی و جهانی واشنگتن مرتبط است و زمان گلوناس با زمان اتمی ایستگاه مسکو یا یو‌تی‌سی‌اس‌یو ارتباط دارد که این اختلاف می‌تواند به چندین میکرو‌ثانیه نیز برسد. دو سیستم برای مقاصد نظامی طراحی شده‌اند. معایب سیستم جی‌پی‌اس در مقابل سیستم مشابه روسی عبارتند از:
- اجرای خطای عمدی اس‌ای بر روی ماهواره‌ها
- اطلاعات مداری منتشر شده ماهواره‌ها در جی‌پی‌اس هر ساعت به روز می‌شود ولی در سیستم روسی هر 30 دقیقه به روز می‌شود.
بیشتر یا تمام هواپیماهای روسی که در کشور ما نیز پرواز می‌کنند نظیر توپولف 154، آنتونوف و ایلیوشین نیز از این سیستم پیشرفته روسی استفاده می‌کنند.
جمع‌بندي
کارشناسان معتقدند تحلیل عملیات نظامی ارتش روسيه طی جنگ پنج روزه در قفقاز در افزایش اعتبار مالی گلوناس بی‌تاثیر نبوده است. یکی از اعضای آکادمی امور فضانوردی روسیه می‌گوید: مسئله تکمیل مالی برنامه گلوناس مدت‌هاست که مطرح شده اما رقم تصویب شده بیش از انتظار بود. این مسئله بعد از جنگ اخیر حاکی از تمایل مقامات روسيه جهت تسریع در تجهیز ارتش به سیستم‌های جهانی ردیابی است. اين كشور نتوانست در اوستیای جنوبی از تسلیحات فوق مدرن استفاده كند چرا که برای این منظور باید سیستم ماهواره‌ای مستقر مي‌نمود و ردیابی ماهواره‌ای برای نیروهای مسلح عملا وجود نداشت. بر اساس همین گفته‌ها می‌توان به این نتیجه رسید که روسیه در پیشبرد اهداف امنیتی و نظامی خود خواهان استقلال از دیگر قدرت‌ها و تکنولوژی‌های آنهاست و به همین منظور در پی احیای سیستم گلوناس، با سرعتی بیشتر از زمان شوروی است.

سایت سامانه ردیاب هوشیار
تاریخ: ۱۳۹۳/۰۶/۱۰
منبع: پیشگامان صنعت طاها

آدرس دفتر مرکزی: 
تهران - سهروردی شمالی - تقاطع میرزای زینالی - پلاک 312- واحد 5

تلفن دفتر مرکزی :
  86030536-88895129(9821+)   

             Email : info@pstaha.com

تماس با ما در          

Copyright © pishgaman sant taha. All Rights Reserved