مقدمه ای بر Gps ...

[Sharim]

سلام دوستان .
همون طور که میدونید gps در حال حاضر به کاربردی ترین وسیله در دست یک زمین شناس تبدیل شده
توی این تاپیک سعی میکنم مقدمه ای در مورد این ابزار مهم ارائه بدم ...

[Sharim]

تاريخچه GPS:

GPS داراي تاريخچه بسيار مهيج و سير تکاملي جالبي مي‌باشد و اخيرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهي شده است. اما قبل از اين که بيشتر راجع به GPS بدانيم، لازم است مطالب بيشتري در مورد ناوبري(Navigation) بدانيم.



عکس بالا نشان دهنده يکي از اولين نقشه هايي است که توسط دريانوردان ترسيم شده است. تصوير بالا يک زاويه ياب(sextant) را نشان مي دهد
ناوبري(Navigation) چيست؟

از زمان ماقبل تاريخ مردم سعي مي کردند يک راه قابل اطمينان پيدا کنند که به آنها بگويد کجا هستند و حتي آنها را به جاييکه مي روند راهنمايي کرده و سپس به خانه بازگرداند.

مردمان غارنشين وقتي که براي تهيه غذا به شکار مي رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه هاي کوچک براي علامت‌گذاري مسير خود استفاده مي کردند. ملوانان نيز ابتدا سواحل را به دقت دنبال مي کردند تا از گم شدنشان جلوگيري کنند.
وقتي دريا نوردان اوليه در درياهاي باز(اقيانوس ها) کشتيراني کردند، دريافتند که مي‌توانند مسير خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسيم کنند. فنيقيهاي باستان از ستاره شمالي براي سفر به مصر و جزيره کرت استفاده مي‌کردند. بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اوديسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزيره کاليپسو " دب اکبر را سمت راست خود قرار بده".

متأسفانه براي اوديسه و ديگر دريانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌هاي صاف قابل رؤيت هستند.
پيشرفت مهم بعدي در امر ناوبري کشف قطب نماي مغناطيسي و دستگاه زاويه ياب(sextant) بود.
عقربه قطب نما هميشه نقطه شمالي را نمايش مي دهد، بنابراين هميشه دانستن جهت مسيري که در آن حرکت مي‌کنيم را ممکن مي سازد

[Sharim]

GPS چيست؟

GPS يا (Global Positioning System) سيستم موقعيت ياب جهاني است و تنها سيستمي مي باشد که امروزه قادر است، موقعيت دقيق شما را بر روي زمين در هر زمان، درهر مکان و در هر هوايي مشخص کند. ماهواره هاي GPS، بيست و چهار ساعته در مداري به طول 11000 مايل دريايي بالاي زمين در حرکت بوده و پيوسته بوسيله ايستگاه‌هاي زميني در سراسر جهان نظارت مي‌شوند. ماهواره ها سيگنال‌هايي مي‌فرستند که براي هر کس با يک گيرنده GPS قابل شناسايي مي‌باشد. با به کارگيري گيرنده GPS مي توان موقعيت خود را با دقت بالا تعيين نمود(دقت مکاني در هر مکان از يک متر تا 100متر بسته به نوع تجهيزات متفاوت مي باشد).




ارکان GPS:

يک سيستم GPS داراي سه بخش است:
شکل بالا بخش هاي مختلف يک سيستم GPS را به طور خلاصه نمايش مي‌دهد

[Sharim]

1) بخش فضايي:

اين بخش شامل 24 ماهواره است که هر کدام به تنهايي داراي يک مدار 11000 مايل دريايي در بالاي زمين هستند. هر ماهواره حدودا 10سال يا بيشتر فعال مي‌باشد.

چرخش ماهواره‌هاي GPS به دور زمين، دو باردر روز و حدود 20200 کيلومتر، بالاي سطح زمين مي باشد. در هر زمان از شبانه روز حداقل 4 ماهواره يا بيشتر بالاي سر ما در آسمان قرار دارند. براي تخمين موقعيت به وسيله گيرنده به حداقل 4ماهواره نياز است.



بخش کنترل(نظارت):

بخش کنترل مغز GPS است. اين بخش اداره کننده تمامي ماهواره ها مي باشد.

اين بخش از ايستگاه‌هاي زميني تشکيل شده است(پنج عدد از آنها، در اطراف زمين قرار دارند) که ماهواره ها را از کارکرد درست مطمئن مي سازند.

ارتش آمريکا، بخش اصلي سايت کنترل در نيروي هوايي فالکون، واقع در کلورادو اسپرينگ(the Falcon Air Force Base in Colorado Springs) در آمريکا را اداره مي کند.

ساختمان بخش کنترل، فالکونAFB.
ايستگاه پيگيري و کنترل زميني، هاوايي.
يک بار گردش به دور زمين در فضا برابر يک مدار مي باشد. هريک از ماهواره هاي GPS دوازده ساعت زمان نياز دارند تا يک بار مدار زمين را طي کنند. هر ماهواره به يک ساعت دقيق مجهز شده است که به آن اجازه مي دهد سيگنال هاي زوج را با يک پيام زماني بسيار دقيق مخابره کند(with a precise time message). دستگاه (قسمت) زميني، سيگنال مخابره شده از ماهواره (که با سرعت نور حرکت مي کند) را دريافت مي کند. حتي در اين سرعت، زمان رسيدن سيگنال به گيرنده قابل اندازه گيري مي باشد. تفاوت زماني ميان سيگنال فرستاده شده و زمان دريافت آن، مضربي از سرعت نور مي باشد که گيرنده را قادر مي سازد تا فاصله از ماهواره را محاسبه کند. براي اندازه گيري دقيق طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع، گيرنده زماني را که صرف مي شود تا سيگنال ها از چهار ماهواره جدا گانه به آن برسند را محاسبه مي‌کند.
سيستم GPS مي‌تواند موقعيت هر جايي بر روي زمين يا بالاي زمين را با اندازه تقريبا 300 فوت(90 متر)، نمايش دهد.

[Sharim]

3) بخش کاربر:

اين بخش از گيرنده‌هايي تشکيل شده که مي توان آن را در دست نگه داشت يا بر روي اتومبيل سوار نمود.
با اين که GPS براي ارتش طراحي شده است ولي شمار کاربران شهري از کاربران نظامي بيشتر است. بعضي از کاربران اصلي GPS عبارتند از:
- سرويس هاي اورژانس- مانند آتش نشاني، آمبولانس در تعيين موقعيت افراد آسيب ديده.
- پي گيري وسايل نقليه - مانند نگهداري و پي گيري کاميونها، قطارها، اتوبوسها و غيره.

- هوانوردي - خلبانان از آن براي راهبري هواپيماها استفاده مي کنند.
- کشاورزي- کشاورزان از GPS براي کنترل بهتر محصولاتشان استفاده مي کنند.
- جمع آوري داده هاي GIS- شهرها براي موقعيت سرويس هايشان مانند خطوط نيرو و لوله کشي آبها در خيابانها از آن استفاده مي کنند.

[Sharim]

ماهيگيران و دريانوردان در دريا از آن جهت هدايت قايق‌ها يا تشخيص يک موقعيت در دريا استفاده مي‌کنند. در هدايت وسايل نقليه با استفاده از GPS براي رسيدن به مقصد، نياز به نقشه نيست.
گردشگران و کوهنوردان از آن استفاده مي کنند تا ميسر خود را پيدا کنند.

[Sharim]

شکل سه بخش اصلي يک سيستم GPS را نمايش مي‌دهد

[Sharim]

ماهواره‌ها در فضا:

همانطور که گفته شد سيستم فضايي GPS از 24 ماهواره تشکيل شده است که هر يک از آنها، هر 11000 مايل دريايي در بالاي زمين را در مدت 12ساعت(يک مدار) طي مي‌کند.

ماهواره‌ها در فضا به صورتي قرار مي‌گيرند که مي‌توانيم تقريبا 100 درصد از مواقع، سيگنال‌ها را از شش عدد آنها در هر نقطه روي زمين دريافت کنيم، زيرا جهت بدست آوردن بهترين اطلاعات مربوط به هر موقعيت، سيگنال‌هاي زيادي نياز است. همچنين ماهواره ها به ساعت‌هايي جهت نگهداري زمان دقيق مجهز هستند. اين دقت در حد سه نانو ثانيه(سه ميليارديوم ثانيه 000000003/0) بوده و بسيار مهم مي باشد، زيرا گيرنده بايد به درستي تعيين کند که سيگنال‌هايي که از هر ماهواره GPS مي رسد، از چه ارتفاعي گرفته شده است( اين اطلاعات براي محاسبه موقعيت گيرنده مورد استفاده قرار مي گيرد)




اولين ماهواره GPS در سال 1978 پرتاب شد. 10 ماهواره اول که Block I نام داشتند به منظور توسعه اين تکنولوژي(developmental satellites) فرستاده شدند. از سال 1989 تا 1993 ، 23 ماهواره هاي توليدي (production satellites) به نام Block II پرتاب شدند. پرتاب بيست و چهارمين ماهواره در سال 1994 اين سيستم را تکميل کرد.

24 ماهواره GPS با مدار 11000 مايلي در بالاي زمين، در تمام شبانه روز به نظاميان و غير نظاميان خدمت رساني مي کنند. اين شبکه از ماهواره ها هسته اي از دقيق ترين سيستم ناوبري که تابه امروز ساخته شده است را مي سازد.

[Sharim]

ايستگاه‌هاي کنترل زميني و گيرنده‌ها:

ايستگاه‌هاي کنترل زميني:

کنترل GPS يا بخش زميني، از ايستگاه‌هاي محلي اطلاع دهنده اتوماتيک(خودکار) در نواحي مختلف اطراف زمين(هاوايي و ماژالين در اقيانوس آرام، ديگو گارسيا در اقيانوس هند، جزيره اسنشن در اقيانوس آرام و کولورادو اسپيرينگ در کولورادو )، يک ايستگاه اصلي در اشريور (فالکن) پايگاه هوايي کولورادو اسپيرينگ و چهار ايستگاه آنتن بزرگ که سيگنال ها را به سمت ماهواره ها ار سال مي کنند، تشکيل شده اند. همچنين اين ايستگاه ها، ماهواره هاي GPS را رديابي و اطلاع رساني مي‌کنند.






گيرنده ها:

گيرنده‌هاي GPS مي‌توانند توسط دست حمل شوند(GPS دستي) يا بر روي هواپيما، کشتي، تانک، زيردريايي، اتومبيل و کاميون نصب شوند. اين گيرنده ها سيگنال هاي ماهواره هاي GPS را دريافت، رمزگشايي و در نهايت آنها را پردازش مي‌کنند. امروزه بيشتر از 100 مدل گيرنده متفاوت با اندازه هاي مختلف در حال استفاده هستند(به اندازه يک تلفن بي سيم در گيرنده هاي دستي و حتي کوچک تر از آن در مدل هاي جديد ديده مي شوند).
به عنوان نمونه دستگاه هاي دستي که به نيروهاي ارتش آمريکا در جنگ خليج فارس داده شد تنها 28 اونس وزن داشتند.
GPS در پي‌جويي‌هاي صحرايي، اکتشاف نفت و گاز و شرکتهاي خدمات رفاهي(آب و برق و ...) جهت موقعيت يابي دقيق استفاده مي شود.

[Sharim]

چگونگي کارکرد GPS:

اصلي که GPS به آن متکي مي‌باشد اندازه گيري فاصله(مسافت يا Range) ميان گيرنده و ماهواره است. همچنين ماهواره‌ها بدرستي اعلام مي‌كنند در کجاي مدار خود در بالاي زمين قرار دارند. GPS تقريبا به صورت زير کار مي کند:






اگر فاصله درست يک پديده از يک ماهواره در فضا مشخص باشد مي توانيم بگوييم در جايي بر روي سطح فرضي کره‌اي با شعاع برابر فاصله تا شعاع ماهواره قرار دارد. اگر فاصله درست از دو ماهواره مشخص باشد، مي توان گفت در جايي بر روي خطي که از محل تقاطع دو کره مي گذرد قرار دارد و اگر سومين اندازه گيري هم موجود باشد، آنجا تنها دو نقطه وجود دارد که جسم مي تواند بر روي آن قرار بگيرد. يکي ازاين دو نقطه غير ممکن بوده و گيرنده GPS داراي متدهاي رياضي مي باشد که قادر است موقعيت غير ممکن را حذف نمايد.
يک گيرنده GPS موقعيت مکاني را با استفاده از روشي بنام "برد ماهواره اي" يا Satellite ranging تخمين مي‌زند.
يک گيرنده GPS هميشه مي تواند معين کند که پديده ها کجا قرار دارند، مشروط بر اين که دو نمونه کليدي از اطلاعات موجود باشد:
1) فاصله بين گيرنده و هر ماهواره (حداقل 4 ماهواره يا بيشتر).
2) موقعيت کامل هر يک از ماهواره ها در فضا.
تصوير زير تا حدودي مي تواند نشانگر چگونگي کارکرد سيستم GPS باشد.