سیستم ردیاب ماهواره ای gps

همه ماجرا از زمانی شروع شد که موشکهای اتحاد جماهیر شوروی سوسیالیستی در کوبا لو رفت و چنان ولوله ای سراسر امریکا را فرا گرفت که ارتش ایالات متحده آمریکا تصمیم گرفت تا سامانه ای را طراحی کند تا بوسیله آن مختصات و جزئیات نقطه به نقطه کره خاکی را در اختیار داشته باشد. لذا این سامانه به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده با نام (Global Positioning System) و یا همان GPS معروف تولید و در مدار قرار گرفت.
این سیستم در ابتدا فقط در انحصار ارتش بود اما در سال 1980 استفاده همگانی از آن آزاد و آغاز شد. خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعات شبانه روز در دسترس است. پدید آورندگان این سیستم هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن کاملا رایگان است.
در ذیل به برخی مشخصات جالب این سامانه اشاره می کنم:





در ایران نیز امسال برای اولین بار نیروی انتظامی خودروهای عمومی مسیر تهران – مشهد را مکلف به استفاده از GPS کرده است تا علاوه بر کنترل سرعت و کنترل مسیر حرکت ، این سیستم را در ایران مورد آزمایش قرار دهد. ترجمه ذیل توسط آقای جوزف داویز "Joseph Davis" در آگوست سال 2006میلادی نوشته شده است که از کتابخانه سلطنتی انگلستان استخراج نموده ام. 1- اولین ماهواره GPS در سال 1978 در مدار زمین قرار گرفت. 2- در سال 1994 شبکه 24 عددی NAVSTAR تکمیل شد. 3- عمر هر ماهواره حدودا 10 سال است که پس از آن جایگزین می شود. 4- هرماهواره حدود 2000پوند وزن دارد و درازای باطری خورشیدی آن 5.5متر است. 5- انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از 50وات می باشد.
سیستم ردیاب ماهواره ای GPS
اگر شما جزء افرادی هستید که مجبورید دائما در سفر باشید یا به مدت طولانی در شهرها و یا اطراف روستاها رانندگی کنید و اغلب بخاطر یافتن مسیر دچار مشکل میشوید، دستگاه ردیاب یا موقعیت یاب ماهواره ای " GPS " ، ابزاریست که می تواند برای شما فوق العاده مفید و حیرت انگیز باشد.


این دستگاه برای اولین بار در جهان توسط ایالات متحده آمریکا بمنظور مسائل استراتژیک و دفاعی مورد استفاده قرار گرفت، بعدها این سیستم در کشورهای اروپایی با نام گالیله "Galileo" و در کشور فدراسیون روسیه با نام گلونس "Glonass" مورد بهره برداری قرار گرفت، در ایالات متحده آمریکا هر شهروند می تواند بطور رایگان از این سیستم استفاده کند. البته شایان ذکر است که البته مدلهای اروپایی و روسی هرگز توانایی رقابت با "GPS" را ندارند ، هرچند روسیه بدلیل رقابت شدید خود با آمریکا تلاشهای زیادی را برای توسعه سیستم خود انجام داده است اما باز هم کاستی های فراوانی نسبت به مدل آمریکایی دارد.
سیستم ردیاب ماهواره ای از سه قسمت تشکیل یافته است:





برای کابران معمولی ارسال اطلاعات در زمان بسیار دقیق ضروری نیست اما وجود این امکان خود نعمتی است. ماهواره های مختلف هرکدام با نظم و ترتیب خاصی کار می کنند و هرگز اجازه نمی دهند که در ارسال اطلاعات به کاربران اخلال یا تداخلی بوجود آید، ماهواره ها بصورت هوشمند نزدیکترین را به مکان مورد نظر انتخاب کرده و اطلاعات از طریق آن ماهواره بدون کم و کاست فرستاده می شود. همانطوری که ذکر شد سیستم GPS اولین بار برای ارتش ایالات متحده آمریکا جهت کاربردهای نظامی ساخته شد تا بتوانند براحتی اهداف خود را در سراسر جهان نشانه گیری کرده و موشکهای خانمان برانداز خود را دقیق و بدون خطا روی هدف قفل نمایند، کاربرد دیگر این سامانه برای ارتش ایالات متحده آمریکا شناسایی موشکهای هوشمند بالستیک ، انبارهای مهمات زیرزمینی و مهمتر از همه شناسایی سلاحهای هسته ای در زرادخانه ها بود. اما با گذشت زمان بدلیل محسنات فوق العاده این سامانه، ارتش تصمیم گرفت تا بصورت محدود و استاندارد این سامانه را در اختیار عموم قرار دهد.




امروزه همه شهروندان می توانند به سیستم GPS دسترسی داشته باشند و از اطلاعات آن بهره مند شوند. بسیاری از کشورها که برای مردم خود شرایط رفاهی مطلوبی را ایجاد کرده اند ، سیستم استاندارد GPS را در شهرهای خود بطور رایگان راه اندازی کرده اند.
بخشهای ترابری و حمل و نقل، هواپیماها، کشتی ها و انواع خودروهای سواری جزو کاربران پروپاقرص سیستم ردیاب جهانی GPS هستند ؛ همه کاربران من جمله خلبانان هواپیماهای بدون موتور ، معدن کاران و همه کسانی که در راه و مسیر هستند می توانند براحتی و با پرداخت هزینه ناچیز 100$ الی 200$ از این سامانه استفاده کنند.
گیرنده های GPS می توانند پهنای زمین، طول زمین ، ارتفاع و پستی و بلندی و مساحت زمین مورد نظر را برای کاربر مشخص کنند.اکنون مهندسان در حال تلاشند تا با توسعه این سیستم علاوه بر امکانات فوق ، امکان دیدن را نیز از این طریق فراهم سازند.




سیستم GPS هیجان و سادگی را هم زمان برای مردم به ارمغان آورده است، بر خلاف پیچیدگی زیاد سیستم ، استفاده از آن بسیار ساده و ابتدایی است، با این وجود، دیگر شما بهانه ای برای گم شدن و گم کردن نخواهید داشت. GPS"" یک سیستم ردیاب و موقعیت یاب است که با استفاده از ماهواره ها کار می کند، بعبارت دیگر مسیر یا مکان مورد نظر را با استفاده از اطلاعات آنلاین "online" ارسالی از ماهواره ها مشخص می کند و نیز توانایی شناسایی موقعیت را در هر لحظه در روی زمین یا در محدوده مداری دارد. 2- کنترل (CONTROL) : بخش کنترل سیستم، ردیاب ماهواره ای شامل همه ایستگاههای مستقر در روی زمین است ، این ایستگاههای کنترل زمینی در همه جای زمین پراکنده هستند، این ایستگاهها در مسیر حرکت ماهواره های سامانه GPS ساخته شده اند و با ساعت اتمی "Atomic Clock" ماهواره ها هماهنگ هستند ، ایستگاههای زمینی ارتفاع زمین از سطح دریا را با ماهواره ها مخابره می کنند. 3- کاربران (USERS) : این بخش که قسمت اصلی در بحث مورد نظر ماست، شامل همه شهروندان و قسمتهای نظامی می شود که خواهان استفاده از تکنولوژی GPS هستند.




24ماهواره ، سیستم GPS را پشتیبانی می کنند ، این ماهواره ها "Satellite" در 6مدار حول کره زمین در حال چرخش هستند ،۲۴ ماهواره ی GPS در مدارهایی بفاصله ۳۶۶۰۰ کیلومتری از سطح دریا گردش می کنند. هر ماهواره دقیقا طی ۱۲ ساعت با سرعت ۱۱ هزار کیلومتر بر ساعت یک دور کامل بدور زمین می گردد. این ماهواره ها نیروی خود را از خورشید تامین می کنند ولی باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه ی زمین حرکت می کنند بهمراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر درست نگاه می دارند. به این ماهواره ها NAVSTAR نیز گفته می شود. هر ماهواره یک ساعت اتمی دقیق به همراه دارد که اطلاعات را بطور دقیق وپیوسته به زمین ارسال می کنند.





مضافا اینکه ماهواره ها می توانند، پیام های الکترونیکی "Electronic Massage" را نیز به زمین ارسال می کنند ، این پیام های الکترونیکی می تواند شامل مکان ماهواره در مدار یا زمان ساعت اتمی و یا اطلاعات دقیق تری درباره مکان مورد نظر و بسیاری موارد دیگر باشد. 1- فضا (SPACE) : این قسمت که به بخش فضایی معروف است در خارج از جو زمین فعال است و توسط 24 ماهواره فعال همه کره زمین را جاروب می کند.


articles.ir

GPSابزاریست جهت تعیین موقعیت نقاط . با توجه به پیشرفت های تکنولوژی GPS و استفاده از این ابزار مهم در دنیا آگاهی از روشهای مختلف تعیین موقعیت توسط این سیستم ضروری بنظر می رسد.دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد. این سیستم از سال 1983 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 24 ساعت شبانه روز فعال است ودر هر زمان ودر هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.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 یعنی بصورت :

((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 به کمتراز 3 ± متر می رسد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

در حال حاضر سیستم GPS شامل 30 ماهواره است که کل سطح کره زمین را بطور همزمان پوشش می دهند و در 6 مدار بیضی شکل با زاویه میل 55 درجه نسبت به صفحه استوای زمین به دور زمین می چرخند و در ارتفاع 20400 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.زمان یکبار چرخش ماهواره های GPS به دور زمین در حدود 12 ساعت نجومی است. به عبارتی در هر 24 ساعت خورشیدی در طول شبانه روز ماهواره دوبار از افق یک محل می گذرد.همان طور که می دانیم شبانه روز خورشیدی 4 دقیقه از شبانه روز نجومی بیشتر است لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره 4 دقیقه زودتر در افق یک محل ثابت طلوع می کند. برای تعیین موقعیت x و y یا طول و عرض جغرافیایی (فی و لاندا) حداقل باید 3 ماهواره در آسمان محل باشد.در صورتی که مقدار پارامتر ارتفاع را نیز بخواهیم باید از 4 ماهواره استفاده کرد. امروزه در بعضی مکان های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا 10 ماهواره می باشیم و حداقل به 4 تا 5 ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم.

هر قدر تعداد ماهواره های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت.نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه

می گردد.

هر ماهواره GPS بطور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:

1) امواج حامل

الف) موج حامل (L1) با فرکانس f1=1500 MHZ

ب ) موج حامل (L2) با فرکانس f2=1200 MHZ

2)کدهای اطلاعاتی(بصورت دودویی) :

الف) کدغیر نظامی(کد C/A ) ؛ MHZ f=1.023

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.

3) 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 120 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 DeModulation 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.

در قسمت بالا درباره بخش فضایی سیستم GPS صحبت شد؛حال به سراغ بخش کنترل زمینی این سیستم می رویم : این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب ومشاهده شبانه روزی ماهواره های GPS را بر عهده دارند . این بخش بوسیله محاسبات ریاضی پیچیده از طریق محاسبه معادله پلی نومیال (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات ، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.

تعداد این ایستگاههای زمینی 5 عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو 4 ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم GPS ، قسمت USER یا کاربران سیستم می باشد که خود شامل دو بخش است:

الف) آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها

ب ) گیرنده(پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)

نرم افزار و میکروپروسسور داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده ه را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل 4 ماهواره موقعیت X وY و ارتفاع محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین میشود.

* نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متر می باشد.

گیرنده های GPS

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

گیرنده های GPS به دو دسته اصلی تقسیم می شوند :

الف) گیرنده های نظامی

ب ) گیرنده های غیر نظامی

گیرنده های غیر نظامی فقط می توانند افمریزهای ارسالی روی کد C/A را از ماهواره دریافت کنند ،لذا تعیین موقعیت مطلق توسط این دسته از گیرنده ها ضعیف می باشد.(در حدود 3 تا 5 متر).اما گیرنده های نظامی که اکثرا در اختیار ارتش آمریکا و کشورهای عضو پیمان ناتو می باشد قادر هستند که پارامترهای ارسال شده بوسیله کد P (پارامترهای دقیق) را نیز علاوه بر کد C/A استفاده کنند. دقت تعیین موقعیت با چنین گیرنده هایی بسیار بالاست و در حال حاضر استفاده از کد P وکد Y که مشکل تر از کد P است صرفا در اختیار نظامیان آمریکایی می باشد.البته از سال 2000 دقت سیستم GPS غیر نظامی با توجه به حذف خطای SA که وزارت دفاع آمریکا آن را عمدا همراه سایر موج ها از ماهواره های GPS به سمت گیرنده های غیر نظامی میفرستاد ، دقت تعیین موقعیت با گیرنده های دستی معمولی به 3 تا 5 متر رسیده است.البته برای کارهای دقیق ژئودزی و نقشه برداری با استفاده از گیرنده های دو فرکانسه(تفاضلی) به شیوه تعیین موقعیت نسبی میتوان به دقت در حد میلیمتر دست پیدا کرد. البته همین دقت 3 تا 5 متر گیرنده های دستی عادی هم نیازهای عمومی ناوبری(کوهنوردی و....) را بخوبی تامین میکند.البته هم اکنون با استفاده از سیستم WAAS دقت این گیرنده ها به بهتر از سه متر نیز می رسد .

در این سیستم (WAAS) ایستگاه های زمینی سیگنالهای تصحیح شده GPS را تامین کرده و دقت بیشتری در تعیین موقعیت به شما می دهد . این سیستم شامل 25 ایستگاه مرجع زمینی است که که در سرتاسر ایالات متحده قرار دارند و وظیفه کنترل اطلاعات ماهواره های GPS را بعهده دارند . دو ایستگاه واقع شده در سواحل ، اطلاعات ایستگاه های مرجع زمینی را جمع آوری کرده و پیام های مربوط به تصحیحات GPS را تهیه می کنند . این تصحیحات ناشی از مدار ماهواره های GPS، تاخیر سیگنال و ...بخاطر اختلالات جوی می باشد و پیام تصحیح توسط یکی از دو ایستگاه زمینی ماهواره ای مخابره می شود . اطلاعات مربوطه با نوع سیگنال GPS سازگار بوده بطوری که تمام GPS های دارای سیستم WAAS قادر به دریافت این اطلاعات می باشند .

نمونه ای از کاربردهای سیستم GPS

پیش بینی زلزله (در حال حاضر برای پیش بینی زلزله بیش از 1200عدد GPS در ژاپن نصب شده و همچنین فقط در اطراف شهر لس آنجلس آمریکا ،250عدد GPS در حال اندازه گیری و فعالیت 24 ساعته هستند.) ، نقشه برداری ، کاداستر ، کنترل امور مربوط به حمل و نقل و ترافیک ، کنترل حرکات تکتونیکی زمین ، کنترل جابجایی سدها و برج های بلند، پیش بینی وضع هوا (از طریق اندازه گیری میزان انرژی موج فرستاده شده از سوی GPS پس از عبور از لایه های جو و ابرهای موجود در منطقه مورد نظر) ، ناوبری (زمینی،هوایی،دریایی) ، هیدروگرافی(آبنگاری) ، تعیین موقعیت سکوهای دریایی نفتی،تعیین موقعیت جزیره های مرجانی، مین یابی ، SCAN کردن دریا ، بروز رسانی سیستم های تعیین موقعیت اینرشیال ، استفاده جهت کنترل ماهواره های سنجش از دور(Remote Sensing) و..............

مورد ذکر شده در بالا بخشی از مجموعه کاربردهای فراوان سیستم تعیین موقعیت جهانی(GPS)بود.البته روسها نیز سیستمی مشابه GPS با نام GLONASS دارند که ازنظر کارآیی و توان عملیاتی بدلیل تعداد کم ماهواره های حاضر در مدار در حال حاضر به پای سیستم GPS نمی رسد.البته گیرنده های مشترک GPS-GLONASS در حال حاضر در بازار یافت می شوند. اتحادیه اروپا نیز در حال ساخت یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای با نام گالیله میباشد که طبق پیش بینی ها تا سال 2008 آماده بهره برداری و استفاده عموم خواهد شد که گیرنده های تلفیقی آن با GPS از دقت بهتری برخوردار خواهند بود ...

در زمانهایی که احتمال ارسال امواج پارازیت بر روی گیرنده های GPS می رود به هیچ عنوان نباید روی داده های ارائه شده توسط گیرنده های غیر نظامی حساب باز کرد.در ایران نیز یکی از کارخانجات نظامی دولتی اقدام به ساخت پارازیت انداز GPS نموده که البته دارای برد زیادی نیست.

قیمت گیرنده های GPS موجود در بازار ایران از 100000 تومان شروع می شود و به40میلیون تومان هم می رسد. تعدادی از شرکت های سازنده این گیرنده ها عبارتند از:

MAGELLAN , Trimble , Garmin , THALES , Ashtech

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 درهرشرایط 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
ماهواره ابتدا اطلاعات وداده های ناوبی رابه پنج ایستگاه کنترل که درمناطق کلردواسپرینگ(5) کو آجالین (6) دیه گوگارسی)(7) آسنشن(8) و هاوایی (9) قراردارند ارسال می کند که درواقع این سیگنال ها ماهواره ها را ردیابی (10) می کنند.
سپس این ایستگاهها اطلاعات خودرا به ایستگاه کنترل ماهواره (ایستگاه اصلی که همان کلرادواسپرینگ می‌باشد) ارسال کنند که وظایف آن پردازش داده ها ارسال به ماهواره و نظارت برکنترل روزانه ماهواره است سپس این داده ها به سه آنت زمینی دیگر ارسال می شود که توسط این آنتها اطلاعات کنترل شده به ماهواره جهت تصحیح جهت ساعت ماهواره وفرامین ودستورات تله منزی ارسال می شود به این کار اصطلاحاً at upload شدن ماهواره گفته می شود.

چگونه کار می‌کند

. ماهواره‌های 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.
امواج ماهواره ها متشکل از ....
امواج حامل باند L مدوله شده با یک کداستاندار کد (C/A2ویک کد دقیق (کد P(3) ویک کددریانوردی ومختصات ماهواره به صورت توابع زمانی می باشد که دربر آن گیرنده های شخصی تفاوتهای زمانی بین وردوی کدهای C/A را اندازه گیری میکنند اگردراثر دخالت کنترل زمینی درانطباق زمانی خطایی بوجود نیاید گیرنده های شخصی ازدقتی حدود 15 متر برخوردار خواهند شد. مفهوم کلی ناوبری رادیویی بستگی به انتقال همزمان سیگنالهای رادیویی دارد اگر سیگنالهای رادیویی دقیقاً بطورهمزمان فرستاده نشوند گیرنده نمی تواند بطوردقیق موقعیت را محاسبه نماید کنترل زمینی دراثر تاثیرگذاری بعضی ازماهواره ها درارسال سیگنال های C/A کمی قبل یا بعداز سایر ماهواره ها دخالت می کند دخالت عمدی اصلی , هما ن دسترسی موردی (4) به شمار می رود .
گیرنده های شخصی میزان خطا را تشخیص نمی دهند. بلکه بطورتصادفی بین 15تا 100 متر دقت تغییر می یابد .البته دخالت عمدی برروی گیرنده های نظامی اثر نمی گذارد .
منبع خطای دیگر وجود که برروی فرکانس سیگنال گیرنده های شخصی اثرمی گذارد که دخالت یونسفر نامیده می شود .
زمانی که یک سیگنال رادیویی ازبین الکترونها ی آزاد یونسفر عبورمی کند تاخیر اندکی بوجود می آید برحسب مدت زمانی تاخیر که بوسیله الکترون های آزاد بوجود می آید ماهواره‌های GPS کدP را روی دوموج رادیویی با فرکانس های مختلف ارسال می کند که L1,L2 نامیده می شود .یک سیگنال به هنگام عبور ازیونسفر بیشتر ازدیگری به تاخیر می افتد.
گیرنده های گران قیمت هردوفرکانس را ردیابی می کنند و اختلاف وردی بین L1,L2 اندازه می گیرند مدت زمان تاخیری را محاسبه می کنند که الکترونها ی آزاد ی بوجود می آورند وتصحیحات لازم را برای تاخیر یونسفر انجام می دهند. گیرنده های شخصی نمی توانند تاثیر دخالت یونسفر را تصحیح کنند زیرا کدهای C/A فقط برروی فرکانس L1 فرستاده می شوند نوعی گیرنده های تخصصی وجوددارد که به عنوان گیرنده های بدون کدشناخته شده اند ودقت فوق العاده ای دارند که درآن بطورغیرمستقیم ازکد P استفاده می شود گیرنده ها ارزش کدP را مشابه آنچه که گیرنده های نظامی تشخیص می دهند نمی شناسند بنابراین دقت آنها با استفاده ازروش های خاص پردازش سیگنال بدست می آید آنها کد P رابرای چندروز دریافت کرده وپردازش می نمایند وپس از انجام محاسباتی چندمی توانند موقعیت نقاطی را تهیه کند که با دقت mm 10 با استفاده از3یا4 ماهواره عملی می باشد .
البته این گیرنده بیشتر برای تعیین موقعیت درکارهای نقشه برداری بکار می رود زیرا بایدچند روزبطور مداوم درآن نقطه اطلاعات دریافت و پردازش شود.

انواع گیرنده‌های GPS
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. در زیر تعدادی از امکانات این گیرنده‌های ساده آمده است:
- موقعیت یابی؛ ....
تعیین طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی که در واقع ویژگی اصلی یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس است.
- تعیین جهت؛ با یک قطب نما ی الکترونیکی.
- تعیین ارتفاع از سطح دریاهای آزاد؛ البته باید توجه داشت که دقت در اندازه گیری ارتفاع به خوبی دقت در موقعیت یابی نیست.
- زمان دقیق.
- موقعیت ماهواره‌ها و قدرت سیگنال ها.
- توانایی محاسبهٔ مسافت پیموده شده.
- توانایی ذخیره سازی مسیر پیموده شده ؛ که با استفاده از نقطه گذاری در صفحهٔ نمایشگر انجام می‌شود.
- توانایی هدایت و مسیر یابی.
- یافتن مسیری که در گذشته آن را پیموده اید.

کاربردهای gps چیست؟


بطورکلی ازمهمترین زمینه های کاربد 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 .
البته مطالب گفته شده دراین مقاله بطور کامل تمام جزئیات را موردبررسی قرار نداده .زیرا بسیاری ازموارد مسائل فنی ویا محرمانه سیستم می باشد که کمتر دردسترس افرادعادی می باشد و نیز بررسی آن نیاز به دانستن بساری ازروابط پیچیده فیزیک و.... دارد.

اصول کارگیری GPS
وظیفه یک گیرنده GPS درست بعداز روشن شدن آن را می توان بصورت زیر خلاصه کرد.
الف) نرم افزار سیستم بایدبتواند ماهواره های موجود دردید کاربر را تعیین کند و سپس ازبین ماهواره ها , چهار ماهواره را که دارای بهترین آرایش هندسی هستند به منظورمینیمم شدن خطای فاصله منبعی انتخاب کند.
مل تعیین کابل ماهواره های موجود دردید کاربراغلب توسط اطلاعات قبلی موجود درحافظه خراب نشدنی دستگاه (14) انجام می شود اگرچنین اطلاعات معتبری درحافظه نباشد سیستم باید عمل جستجو را برروی تک تک 24 ماهواره GPS انجام داده ولیستی ازماهواره های در دیدتهیه کند که مسلماً این کاروقت زیادی ازگیرنده را پس ازروشن شدن به خوداختصاص می دهد .
ب) پس ازتعیین 4 ماهواره موردنظر بایدسیگنال آنها را بدست آوریم .این کار با ساختن کدشبه تصادفی نظیر کدماهواره موردنظر درگیرنده وانجام عمل همبستگی با سیگنال رسیده انجام می شود .کد داخلی گیرنده را آنقدر شیفت زمانی می دهیم تا خروجی همبستگی‌ساز ماکزیمم گردد. دراین صورت کد بدلی وکد دریافتی ازماهواره کاملاً سنکرون هستند .به این عمل , جستجوی سیگنال ماهواره درحوزه زمان می گویند:
لازم به ذکراست که بایستی عمل جستجو در حوزه فرکانس نیز انجام شود ازآنجا که ماهواره های GPS درمدار زمین ثابت (ژئو سنکرون)قرار نداشته ونسبت به زمین درحال حرکت هستند وهمچنین چون گیرنده نیز معمولاً روی یک جسم متحرک نظیراتومبیل ویا هواپیما نصب می شود درنتیجه فرکانس دقیق کاربر ارسالی به علت اثر دوپلر ,مشخص نیست پس باید فرکانس کاربر محلی را نیز آنقدر تغییر دهیم تا خروجی همبستگی ساز ازحد آستانه ای بیشتر شود.و نهایتاً فرکانس کاربر نیز با فرکانس دریافتی سنکرون شود .
ج) پس از عمل جستجو وارد مرحله ردیابی سیگنال می شویم دراین مرحله اولاً هدف این است که سیگنال سنکرون تولید شده دربرگیرنده همچنان با سیگنال ماهواره سنکرون بماند این عمل توسط یک حلقه کنترلی خاص تحت عنوان COSTASLOOP که درواقع یک نوع خاص (15) VCO انجام می شود .ثانیاً عملیات دمودلاسیون (16) BPSK سیگنال رسیده اطلاعات ناوبری D(t) و عملیات شبه فاصله سنجی (تعین فاصله کاربر وماهواره توسط زمان انتشار سیگنال ) نیز دراین مرحله انجام شود.
د) مراحل بوت بایدعیناً برای 3 ماهواره دیگر انجام شود. درنهایت چهار شبه فاصله که ازمراحل فوق محاسبه شده است دراختیار داریم . حال نرم افزار گیرنده بایدبتواند به کمک این چهارشنبه فاصله یک دستگاه چهار معادله وچهار مجهول را حل کند واین معادلات طول وعرض جغرافیایی, ارتفاع وهمچنین زمان دقیق را بدست آورد ازمراحل چهارگانه فوق مراحل الف و د بیشتر به جنبه های نرم افزاری یک گیرنده برمی گردد.

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. برای استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای به‌عنوان جی‌پی‌اس و اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ جی‌پی‌اس چندین راه مختلف وجود دارد:
- استفاده از Sleeve: وسیله‌ای است که با قرار دادن پی‌دی‌ای در آن، عملکردهای متفاوتی را می‌‌توان برای پی‌دی‌ای فراهم ساخت. برای این کار به حافظهٔ CF و یا اسلات PCMCIA هم احتیاج داریم. یک Sleeve می‌‌تواند کارت حافظهٔ اضافی، باتری اضافی، یک دوربین و یک تلفن را به دستگاه شما متصل کند و مهم تر از همه به‌عنوان یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای دستگاه شما عمل کند. همچنین یک اسلات CF دیگر هم برای شما فراهم می‌‌کند که این اجازه را به شما می‌‌دهد تا بتوانید به کارهای دیگری در کنار استفاده از جی‌پی‌اس بپردازید. عملکرد یک Sleeve جی‌پی‌اس درست همانند عملکرد یک CF جی‌پی‌اس است.
- حافظهٔ CF: یکی از حافظه‌های متداول برای پی‌دی‌ای است که می‌‌تواند مستقیما به‌وسیلهٔ اسلات مخصوص CF که در پی‌دی‌ای وجود دارد یا با استفاده از Sleeve به دستگاه متصل شود. یک کارت CF جی‌پی‌اس انتخاب نسبتاً ارزان قیمتی است. ولی مشکلی در اینجا وجود دارد و آن این است که یک CF جی‌پی‌اس به سرعت باتری‌های پی‌دی‌ای شما را مصرف می‌‌کند و باید به فکر چاره باشید.
- بلوتوث جی‌پی‌اس: فن آوری بلوتوث این اجازه را به ما می‌‌دهد ارتباطی بدون سیم را بین چند دستگاه فراهم کنیم. شما می‌‌توانید پی‌دی‌ای خود را در دست گرفته و به گیرندهٔ جی‌پی‌اس ای که در کوله پشتی تان قرار داده اید بصورت بی سیم متصل شوید. استفاده از یک بلوتوث جی‌پی‌اس همچنین برای داخل خودرو بسیار مناسب است چرا که با قرار دادن آن در جلوی داشبورد دید بهتری از آسمان را برای گیرندهٔ تان فراهم می‌‌کنید. o اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ دستی جی‌پی‌اس با استفاده از کابل: به بیشتر گیرنده‌های دستی، کابلی جهت اتصال به پی‌دی‌ای وصل می‌شود. با این روش می‌‌توانید با قیمتی مناسب هم در داخل خودرو و هم در خارج آن از دستگاه موقعیت یاب خود استفاده کنید. دستگاه پی‌دی‌ای با نمایشگر خوب و نسبتاً بزرگی که دارد برای مشاهدهٔ نقشه‌ها مناسب است.
- اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ جی‌پی‌اس خودرو با استفاده از کابل: می‌‌توانید با انتخاب گیرنده‌ها ی موسوم به موشواره (mouse) برای خودرو و یک پی‌دی‌ای از یک جی‌پی‌اس خوب بهره مند شوید. اگر می‌‌خواهید از جی‌پی‌اس خود تنها درون خودرو استفاده کنید، این مورد بهترین انتخاب است. گیرندهٔ موشواره برق خود را از خودرو تأمین می‌‌کند و باتری‌های پی‌دی‌ای شما بیشتر دوام خواهند آورد. همچنین این گیرنده یک کابل دوشاخه (Y) دارد که برق پی‌دی‌ای شما را نیز تأمین می‌‌کند. گذشته از این ها، ویژگی بسیار خوب گیرنده‌های موشواره، حداقل قیمت آن‌ها است.