نقل قول:
salam ba tashakkor az maghaleye bahalet
نقل قول:
mikhastam bedoonam dar morede karbordhaye gps tooye khodroha etelaiee dari? l
motazere maghalehaye jadidet hastam
نیاکان ما مجبور بودند که اندازه گیریهای بسیار دقیقی را انجام دهند تا چیزی را از دست ندهند. آنها مجبور بودند که با مشقت فراوان نقشه های دقیق بکشند، از بناهای تاریخی کمک بگیرند و یاد بگیرند که در شب چگونه می توان ستاره ها را از هم تشخیص داد، تا بتوانند به وسیله آن موقعیت خود را بر روی زمین بدست آورند. اما امروزه تکنولوژی این امور را بسيارساده و آسان کرده اند و شما به راحتی می توانيد با پرداخت مبلغی کمتر از 100 دلار يک گيرنده جيبی GPS تهيه کنيد. دستگاهی که به شما می گويد که دقيقاً در کجای کره زمين قرار داريد. در واقع اگر شما يک گيرنده GPS داشته باشيد و آسمان نيز صاف باشد هيچگاه گم نخواهيد شدGPS مخفف کلمه Global Positioning System يا «سيستم موقعيت يابی جهانی» است که سالها پيش در سيستمهای ناوبری (Navigation) کشتی ها، هواپيماها و سفينه های فضايی مورد استفاده قرار می گرفته است. اما با پيشرفت تكنولوژي امكان استفاده آن به عنوان يك محصول تجاري و در دسترس عموم فراهم شده است
يكي از بيشترين كاربردهاي GPS در خودروهاي امروزي است كه خودروسازان را راغب به افزودن اين سيستم در محصولاتشان كرده است. بنابراين نتيجه ميگيريم تكنولوژي GPS آنقدر ارزان و اقتصادي شده است كه خودروسازان پذيرفته اند كه از آن در توليداتشان استفاده كنند مانند سيستم ترمز ABS كه سالها پيش از استفاده در خودروها، در سيستم ترمز هواپيماها مورد استفاده قرار مي گرفت
معمولاَ وقتي صحبت از GPS مي شود، منظور گيرنده GPS است. در واقع GPS صورت فلكي 27 ماهواره چرخنده به دور زمين است كه با مقاصد نظامي توسط ارتش آمريكا بر گرد سياره زمين نصب شده است. (24 ماهواره در حالت فعال و سه ماهواره اضافي در حالتي كه يكي از ماهواره ها از كار بيفتد)
هر يك از اين ماهواره ها با وزني حدود 3000 الي 4000 پوند كه با انرژي خورشيدي كار مي كنند در مداري به مسافت خدود 12000 مايل (19300 كيلومتر) دور زمين مي چرخند. مدارها به گونه اي تنظيم شده اند كه در هر زمان و هر نقطه از زمين حداقل چهار عدد از آنها قابل مشاهده در آسمان باشند (فراموش نكنيد كه با چشم مسلح)
وظيفه اصلي يك گيرنده GPS اينست كه موقعيت اين چهار ماهواره و يا بيشتر را در آسمان بيابد و سپس فاصله خود را از هر كدام محاسبه كرده و نهايتاَ با استفاده از اطلاعات بدست آورده، موقعيت خويش را روي كره زمين بدست آورد. نحوه محاسبه بر اساس يك اصل رياضي به نام Trilateration انجام مي شود. البته اين محاسبات همه در فضاي سه بعدي صورت مي گيرد اما براي فهم بهتر مطلب از فضاي دو بعدي شروع مي كنيم
تصور كنيد كه شما در جايي از كره زمين قرار داريد و واقعاَ گم شده ايد و فرض كنيد كه به هر دليلي هيچ نشانه اي نداريد كه در كجا قرار داريد. بنابراين مجبوريد كسي را پيدا كنيد و از او بپرسيد: «من كجا هستم؟» او مي گويد: «تو در 625 مايلي از شهر A قرار داري» اين جمله اطلاعات مفيدي به شما مي دهد اما كافي نيست. با اين جمله شما مي فهميد كه در نقطه اي از دايره اي قرار داريد كه به شعاع 625 مايلي از شهر A رسم شده است
سپس شخص ديگري به شما مي گويد: «شما 690 مايل از شهر B فاصله داريد»حالا شما مي توانيد جمله جديد را با جمله قبلي تركيب كرده و اطلاعات جديدي بدست آوريد. بايد دو دايره به شعاع 625 و 690 مايل طوري رسم كنيد كه همديگر را دو نقطه قطع كنند. شما روي يكي از اين دو نقطه قرار داريد
حال اگر شخص سومي پيدا شود و بگويد كه تو در 615 مايلي شهر C هستي، در اينصورت يكي از دو نقطه تقاطع دو دايره A و B حذف خواهد شد و بنابراين محل دقيق شما بدست مي آيد
از همين مفهوم ساده رياضي مي توان در فضاي سه بعدي استفاده كرد اما در اينحالت به جاي دايره با كره روبرو هستيم
Trilateration در فضای سه بعدی (3d)
اصول Trilateration در فضای سه بعدی تفاوت چندانی با Trilateration در فضای دو بعدی ندارد اما به تصویر کشیدن مساله در فضای سه بعدی کمی مشکل است. در واقع در مثال قبل شما بایستی به جای دایره در ذهنتان کره را تصویر کنید.
اگر شما بدانید که در 10 مایلی از ماهواره A در آسمان قرار دارید، در اینصورت شما در هر جای کره ای به شعاع 10 مایل و به مرکز ماهواره A قرار خواهید داشت. همچنین اگر بدانید که در 15 مایلی ماهواره B قرار دارید، آنگاه با ترکیب دو داده فوق و ترسیم دو کره به شعاع 10 و 15 مایل، شما بر روی یک دایره که از تقاطع دو کره حاصل خواهد شد، واقعید. حال اگر از فاصله تان تا ماهواره سومی نیز مطلع شوید، کره دیگری به مساله اتان اضافه می شود که دایره قبلی را در دو نقطه قطع خواهد کرد و چون شما روی کره زمین قرار دارید، خود زمین می تواند کره چهارم مساله Trilateration باشد و بنابراین می توانید یکی از دو نقطه تقاطع را حذف کرده و نقطه دیگر موقعیت دقیق شما روی کره زمین خواهد بود.
از مطلب فوق می فهمیم که گیرنده های GPS برای بدست آوردن موقعیت دقیق شما فقط به اطلاعات سه ماهواره نیاز دارند اما در عمل به دو دلیل آنها از اطلاعات چهار و یا تعداد بیشتری ماهواره استفاده می کنند:
1) نادقیق بودن زمان سنج یا Clock گیرنده ها.
2) بدست آوردن اطلاعات اضافی نظیر ارتفاع.
اکنون این سوال پیش می آید که گیرنده GPS چگونه فاصله بین شما و ماهواره ها را اندازه می گیرد؟ واقعیت اینست که گیرنده GPS این کار را با تحلیل امواج رادیویی (دارای فرکانس بالا و توان کم) که از ماهواره ها فرستاده می شوند، انجام می دهد. این امواج همان امواج الکترومغناطیسی هستند که با سرعت نور یعنی 000/300 کیلومتر بر ثانیه در خلاء انتشار می یابند. با اندازه گیری زمان رسیدن امواج از ماهواره به گیرنده و ضرب آن در سرعت نور، فاصله گیرنده تا ماهواره بدست می آید، اما مساله به این سادگیها نیست.
اندازه گیری فاصله:
در یک زمان معین (مثلاً نیمه شب) ماهواره شروع به فرستادن یک سیگنال طولانی با الگویی دیجیتالی (Digital Pattern) می کند. به این سیگنال اصطلاحاً کد تصادفی - مجازی (Pseudo-Random Code) گفته می شود. گیرنده GPS نیز در همان زمان شروع به تولید همان سیگنال با همان الگو می کند. روشن است که وقتی سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره به گیرنده میرسد، پیش از آن سیگنالهای تولید شده توسط گیرنده اجراء شده اند. به عبارت دیگر سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره با یک تاخیر زمانی به گیرنده می رسند که مدت زمان تاخیر مبنای محاسبه فاصله خواهد بود. در این حال گیرنده با ضرب سرعت نور در زمان تاخیر بدست آمده، فاصله خود را از ماهواره بدست می آورد. البته در اینجا فرض بر اینست که سیگنالها در یک مسیر مستقیم حرکت می کنند.
با توجه به مطالب فوق به این نتیجه می رسیم که ماهواره و گیرنده باید همزمان یا Synchronized کار کنند؛ یعنی باید دارای زمان سنج یا Clock (با دقتهایی در حدود نانو ثانیه) باشند تا هر دو در یک زمان سیگنال تولید کنند و با استفاده از آن فاصله بصورت دقیق بدست آید.
چنین زمان سنجی دقیقی در محدوده نانو ثانیه تنها از زمان سنجهای اتمی (Atomic Clocks) بر می آید؛ یعنی زمان سنج اتمی هم در ماهواره و هم در گیرنده GPS باید باشد. اما جالب است بدانید که این زمان سنجها قیمتی در حدود پنجاه الی صد هزار دلار دارند. چنین قیمت بالایی البته برای یک ماهواره چیز زیادی نیست اما برای یک گیرنده جیبی صد دلاری که قرار است به صورت ارزان در دسترس عموم باشد، بسیار بالاست.
«سیستم موقغیت یابی جهانی» برای این مشکل راه حلی ساده، روشن و موثر یافته است. هر ماهواره حاوی یک زمان سنج اتمی گران قیمت و بسیار دقیق است اما گیرنده ها از زمان سنجهای کوارتز (Quartz Clocks) که به طور معمول وجود دارند، استفاده می کنند با این تفاوت که گیرنده به جای سه ماهواره از اطلاعات چهار ماهواره و یا بیشتر استفاده می کند و موقعیت دقیق خویش را حدس می زند. اما چگونه؟
وقتي شما فاصله تان را از چهار ماهواره بدست مي آوريد در واقع مي توانيد چهار كره رسم كنيد كه همديگر را در يك نقطه قطع مي كنند. اگر شما فاصله ها را دقيق بدست نياوريد، باز هم اين چهار كره همديگر را قطع خواهند كرد اما نه در يك نقطه. اين دقيقاَ كاري است كه گيرنده GPS به خاصر نادقيق بودن زمان سنجش انجام مي دهد. در اين حالت گيرنده اطلاعات چهار ماهواره را تركيب كرده و با استفاده از تقويم نجومي (Almanac) كه در حافظه خود داراست موقعيت دقيق شما را محاسبه مي كند.
تقويم نجومي چيست؟ تقويم نجومي جدولي است در حافظه گيرنده هاي GPS كه در آن موقعيت هر ماهواره را در هر زمان به گيرنده اعلام مي كند. توجه داشته باشيد چون جهت و مدار حركتي ماهواره ها امري مشخص و قابل پيش بيني است، ايجاد چنين تقويمي كار مشكلي نيست و بنابراين گيرنده هميشه با استفاده از اين تقويم مي داند كه هر ماهواره در يك زمان معين در كجاي آسمان قرار دارد. (تذكر اين نكته لازم است كه برخي چيزها مانند نيروي جاذبه ماه و خورشيد ممكن است كه مدار حركتي ماهواره را دچار يك تغيير كوچكي كند كه آن هم قابل محاسبه و پيش بيني است و وزارت دفاع آمريكا اين تغييرات را به دقت زير نظر داشته و تصحيحات لازم را در تقويم نجومي اعمال مي كند.)
گيرنده GPS البته براي محاسبه دقيق موقعيت شما با چالشهاي ديگري نيز دست بگريبان است از جمله اينكه: در بالا فرض كرده ايم كه امواج با سرعت نور انتشار مي يابند در حاليكه اين مطلب در خلاء صحيح است؛ وقتي امواج الكترومغناطيس از لايه هاي جو زمين عبور مي كنند سرعتشان كاهش مي يابد؛ علاوه بر آن ممكن است امواج در ميانه راه به اشياء بزرگي نظير آسمان خراشها يا كوهها برخورد كنند و اطلاعات غلطي به گيرنده ارسال كنند؛ از همه مهمتر گاهي اوقات ماهواره ها به دلايلي اطلاعات غلط گزارش مي كنند. همه اين عوامل سبب عدم محاسبه دقيق موقعيت توسط گيرنده مي شود كه براي رفع اين مشكلات نوع ديگري از گيرنده ها به نام DGPS يا گيرنده تفاضلي توسعه داده شده است كه در اينجا از ذكر جزئيات بيشتر درباره آن خودداري مي گردد.
كاربردهاي GPS:
در قسمتهاي قبل دانستيم كه گيرنده GPS با استفاده از اطلاعات ارسال شده توسط حداقل چهار ماهواره و تركيب آنها با اطلاعات تقويم نجومي، موقعيت خود را روي زمين بدست مي آورد. وقتي گيرنده چنين اطلاعاتي را جهت بدست آوردن موقعيت محاسبه مي كند، اطلاعات اضافي ديگري نيز نظير عرض جغرافيايي (Latitude)، طول جغرافيايي (Longitude) و ارتفاع (Altitude) به شما مي دهد. براي اينكه گيرنده ها جذابيت بيشتري داشته باشند و همچنين ناوبري را آسان نمايند، اين اطلاعات خام به صورت يك نقشه (Map) در حافظه گيرنده ذخيره مي شود. همچنين گيرنده اين قابليت را دارد كه نقشه موجود در حافظه اش را به كامپيوتر منتقل كند. البته عكس اين مطلب هم امكان پذير است و آن اينكه يك نقشه از محل سكونتتان خريداري كرده و در حافظه گيرنده دانلود كنيد.
يك گيرنده نه تنها موقعيت شما را روي نقشه نشان مي دهد بلكه مسيري را كه رانندگي كرده ايد را نيز بدقت دنبال مي كند. اگر هنگام ترك مبداء، گيرنده GPS را روشن كنيد، گيرنده از آن لحظه شروع به تبادل اطلاعات با ماهواره ها كرده و مسير حركت شما را رديابي مي كند و علاوه بر آن اطلاعات ارزشمند زير را با كمك زمان سنج داخل آن برايتان محاسبه مي نمايد:
· چند كيلومتر از مبداء تاكنون حركت كرده ايد. (Odometer)
· چه مدت زمان در حال رانندگي هستيد.
· سرعت حال حاضرتان چقدر است؟ (Speedometer)
· سرعت متوسطه تان تا به اينجا چقدر بوده است؟
· ترسيم يك دنباله روي نقشه كه نشان مي دهد دقيقاَ از كجا شروع به حركت كرده ايد.
· تخميني از زمان رسیدن به مقصد در صورتي كه سرعت حال حاضرتان را ثابت نگاه داريد.
توجه داشته باشيد كه براي بدست آوردن مورد آخري گيرنده نياز به داشتن مختصات مقصد شما دارد. اين مطلب ما را به قابليت ديگري از گيرنده به عنوان «وارد كردن اطلاعات مكاني» رهنمون مي سازد.
اغلب گيرنده ها بخشي از فضاي حافظه اشان را به ذخيره كردن ديتاهاي ناوبري كه توسط كاربر وارد مي شود اختصاص مي دهند. اين امر كارايي گيرنده ها را افزايش مي دهد، زيرا به شما اجازه مي دهد كه اطلاعات نقاطي از زمين را در حافظه ضبط كنيد. اولين كار براي اين منظور وارد كردن مختصات «نقطه راه» (Waypoint) است. منظور از «نقطه راه» يك مكان مشخص روي زمين مي باشد. به دو روش مي توان مختصات «نقطه راه» را در حافظه گيرنده ذخيره كرد:
· هنگامي كه در آن مكان هستيد به گيرنده بگوييد كه مختصات «نقطه راه» را ذخيره كند.
· نقطه اي را روي نقشه (اعم از نقشه داخل حافظه گيرنده و يا نقشه ديگر) مشخص كرده و مختصات آن نقطه را به عنوان «نقطه راه» وارد حافظه گيرنده كنيد.
«نقطه راه» به شما اين امكان را مي دهد كه از گيرنده به طرق مختلف استفاده كنيد. با استفاده از اين قابليت مي توانيد هر مكان معيني را كه به آن علاقمند هستيد در حافظه گيرنده ذخيره كرده و بعداً در صورت نياز مجدداً فراخواني نماييد. به عنوان مثال نقاط زير مكانهايي هستند كه ما معمولاً علاقمند هستيم كه در حافظه گيرنده آنها را داشته باشيم:
· مكانهاي مناسب براي تفريح و چادر زدن
· فروشگاههاي خوب كنار جاده اي
· مكانهاي خوش منظر
· مكاني كه خودرو خود را آنجا پارك كرده ايد. (براي اين مورد توجه داشته باشيد كه گيرنده بايد از نوع دستی (جیبی) و همراه خودتان باشد نه از نوع گيرنده نصب شده بر روي خودرو)
· ....
همچنين با تركيب تعدادي از نقاط راه مي توان يك مسير (Route) ايجاد كرد. يك روش براي استفاده از اين قابليت به اين ترتيب است كه بايد به طور منظم نقاط راهي را كه در طول يك مسافرت داشته ايد در حافظه گيرنده ذخيره كنيد. بنابراين براي برگشت و يا در مسافرتهاي آينده در همين مسير به راحتي از اين نقاط مي توانيد استفاده كنيد. همچنين اگر فرصت داريد قبل از مسافرت مي توانيد با گيرنده، مسير حركت خود را تعيين كرده و روي آن تعدادي دلخواه «نقطه راه» ايجاد كنيد.
در حقيقت، قلب يك گيرنده تنها كاري كه مي كند اينست كه مختصات دقيق شما را بدست مي آورد. اما وقتي اين ايده ساده با اطلاعات جغرافيايي تركيب مي شود، كاربردهاي بسياري نظير ناوبري نظامي، نقشه برداري، موقعيت يابي و ... پيدا مي كند كه ما در بالا بخشي از آنها را ذكر كرديم.
با تشکر از وحید رضا محمدی
payam-khodro.blogfa.com
