آشنايي با جي پي اس و نحوه کار آن

[.MohammadReza. 19850]

◄ جي پي اس (GPS) :

 

جي‌پي‌اس يا سيستم موقعيت‌ياب جهاني (Global Positioning Systems)، يک سيستم راهبري و مسيريابي ماهوارهاي است که از شبکه‌اي با حداقل ۲۴ ماهواره تشکيل شده است. اين ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ايالات متحده ساخته و در مدار زمين قرار داده شده‌اند. جي‌پي‌اس در ابتدا براي مصارف نظامي تهيه شد ولي از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومي آن آزاد و آغاز شد.

خدمات اين مجموعه در هر شرايط آب و هوايي و در هر نقطه از کره زمين در تمام شبانه‌روز در دسترس است و استفاده از آن رايگان است. علاوه بر جي‌پي‌اس، دو سيستم کمابيش مشابه ديگر نيز وجود دارد: سيستم گلوناس که دولت شوروي ساخته و اکنون به‌دست کشور روسيه اداره مي‌شود و سيستم گاليله که کشورهاي اروپائي آن را براي وابسته نبودن به سيستم آمريکائي جي‌پي‌اس ساخته اند.

 

 

 

 

◄ گلوناس :

 

گلوناس (GLONASS‬) يا سامانه هدايت ماهواره‌اي در دوران حاكميت شوروي و در واكنش به سامانه موقعيت يابي جهاني آمريكا جي پي اس ايجاد شد. اين سامانه در ابتدا ‪ ۲۴‬ماهواره داشت، اما پس از فروپاشي شوروي در سال ‪ ۱۹۹۱‬شمارها آن روبه كاهش نهاد.

دولت روسيه اعلام كرده اين سامانه در سال ‪ ۲۰۰۷‬ فعاليت خود را آغاز كند. به گفته مقامات روسي اين سامانه تا پايان سال ‪ ۲۰۰۹‬در سراسر جهان در دسترس قرار مي‌گيرد كه براي اينكار نياز به ‪ ۲۴‬ماهواره است.

در حال حاضر ‪ ۱۹‬ماهواره گلوناس در مدار زمين وجود دارد كه از اين تعداد فقط ‪ ۸‬ماهواره فعال هستند. سه ماهواره ديگر كه در ماه دسامبر پرتاب شدند به اين مجموعه اضافه مي‌شوند. روسيه قصد دارد اواخر امسال شش ماهواره گلوناس ديگر را به مدار زمين پرتاب كند.

 

 

 

◄ ماهواره هاي جي پي اس :

 

اين سيستم مجمو عه اي از 27 ماهواره است که به دور زمين در حال چرخشند. 24 ماهواره در حال کار هستند و 3 ماهواره اضافي هم هنگام بروز مشکل براي هر کدام از ماهواره هاي اصلي فعال مي شوند. فاصله ماهواره ها تا زمين حدود 12000 مايل است. سرعت اين ماهواره ها معادل 7000 مايل در ساعت مي باشد. هر ماهواره دقيقاً طي ۱۲ ساعت يک دور کامل بدور زمين مي‌‌گردد. سرعت هريک ۷۰۰۰ مايل بر ساعت است. اين ماهواره‌ها نيروي خود را از خورشيد تامين مي‌کنند. همچنين باتري‌هايي نيز براي زمانهاي خورشيد گرفتگي و يا مواقعي که در سايه زمين حرکت مي‌کنند به‌همراه دارند. راکتهاي کوچکي نيز ماهواره‌ها را در مسير صحيح نگاه مي‌دارد. به اين ماهواره‌ها NAVSTAR نيز گفته مي‌شود.

 

اولين ماهواره جي‌پي‌اس در سال ۱۹۷۸ يعني حدود ۳۵ سال پيش در مدار زمين قرار گرفت. در سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددي NAVSTAR تکميل گرديد. عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است که پس از آن جايگزين مي‌گردد. هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کيلوگرم وزن دارد و طول باتري‌هاي خورشيدي آن ۵.۵ متر است. انرژي مصرفي هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است.

 

هرماهوارهGPS دو موج با دو فركانس در باند امواج الكترومغناطيسي (L1, L2 ) ارسال مي كند موج L1 با فركانس1575 MHZ و موج L2 با فركانس1227 MHZ مي باشد.

 

 

 

 

◄ نحوه کار جي پي اس :

 

ماهواره‌هاي اين سيستم، در مدارهاي دقيق هر روز ۲ بار به‌دور زمين مي‌‌گردند و اطلاعاتي را به زمين مخابره مي‌کنند. گيرنده‌هاي جي‌پي‌اس اين اطلاعات را دريافت کرده و با انجام محاسبات هندسي، محل دقيق گيرنده را نسبت به زمين محاسبه مي‌کنند.

 

اين محاسبه بر اساس قاعده اي ساده در رياضيات که به آن trlateration گفته مي شود ، انجام مي گردد.گيرنده GPS بر اساس همين اصل سه بعدب و با محاسبه فاصله خود از چهار ماهواره مقعيت خود را تشخيص مي دهد. به اين ترتيب که اگر به مرکز هر ماهواره و به شعاعي که GPS از آن فاصله دارد. يک کره فرضي در نظر بگيريم GPS روي سطح هر کدام از اين کره ها قرار مي گيرد. بنابراين محل GPS محل تلاقي چهار کره فرضي است که دقيقا يک نقطه را مشخص مي کنند. محل تلاقي دو کره يک دايره ، محل تلاقي کره سوم با دو کره قبلي دو نقطه و محل تلاقي کره چهارم با سه تاي قبلي يک نقطه را مشخص خواهد کرد. از کره زمين زمين هم مي توان به عنوان يکي از اين کره ها استفاده کرد چرا که از دو نقطه اي که از محل تلاقي سه کره بدست مي آيد. معمولا فقط يکي روي سطح زمين خواهد بود به اين ترتيب براي پيدا کردن موقعيت حتي سه ماهواره هم کافي است ولي براي بدست آوردن دقت بيشتر از تعداد بيشتري ( حداقل چهار ماهواره ) استفاده مي شود. GPS براي اندازه گيري فاصله خود از ماهواره ها از سيگنال هاي راديويي استفاده مي کند. اين سيگنال ها که در حقيقت امواج الکترومغناطيس هستند با سرعت نور حرکت مي کنند. اگر گيرنده بتواند مدت زماني را که اين سيگنال ها در ره بوده اند را محاسبه کند مي تواند فاصله اش از هر ماهواره را تشخيص دهد. ماهواره ها از زمان مشخصي ( مثلا نيمه شب ) شروع به ارسال يک دنباله از کدها مي کنند. گيرنده GPS هم از همان زمان ايجاد اين دنباله از کدها را شروع مي کند. هنگامي که سيگنال ارسالي از طرف اهواره که حاوي آخرين کد در زمان ارسال است به GPS مي رسد. GPS بر اساس دنباله کدهاي خود مي تواند متوجه تاخير زماني کد دريافتي شده و به اين ترتيب زمان سپري شده را محاسبه شده را محاسبه مي کند. حاصل ضرب اين زمان در سرعت انتشار امواج فاصله GPS از ماهواره است ، پس از بدست آمدن فاصله از چند ماهواره موقعيت در روي زمين توسط GPS تشخيص داده مي شود.

هر گيرنده براي دريافت اطلاعات همزمان از حداقل ۳ ماهواره براي محاسبه ۲ بعدي و يافتن طول و عرض جغرافيايي، و همچنين دريافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره براي يافتن مختصات سه بعدي نيازمند است. با ادامه دريافت اطلاعات از ماهواره‌ها گيرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسيرپيموده شده، فواصل طي شده، فاصله باقي مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشيد و بسياري اطلاعات مفيد ديگر، مي‌نمايد.

 

 

 

◄ کنترل زميني سيستم GPS :

اين بخش شامل ايستگاههاي کنترل زميني است که داراي مختصات معلوم هستند و موقعيت آنها از طريق روشهاي کلاسيک تعيين موقعيت نظير روش VLBI (تعيين فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجي ماهواره اي با امواج ليزر ) بدست آمده است. اين ايستگاه ها وظيفه تعقيب ومشاهده شبانه روزي ماهواره هاي GPS را بر عهده دارند. اين بخش بوسيله محاسبات رياضي پيچيده از طريق محاسبه معادله پلي نوميال (Polynomials) رياضي بطريق کمترين مربعات ، پارامترهاي مداري (افمريزها)و موقعيت ماهواره ها را نسبت به يک سيستم مختصات ژئودتيک ژئوسنتريک (مبدا سيستم مختصات تقريبا در مرکززمين قرار دارد.) محاسبه مي نمايد.

تعداد اين ايستگاههاي زميني 5 عدد است که ايستگاه اصلي با نام کلرادو اسپرينگ در آمريکا قرار داردو 4 ايستگاه فرعي ديگر در نقاط ديگر کره زمين مستقر هستند.

 

 

 

◄ انواع گيرنده جي پي اس :

 

دستگاههاي GPS در سه گروه زير تقسيم بندي مي شوند :

 

1 ) GPS MOUSE : هيچ صفحه يا دكمه اي ندارد اما توسط يكpc Laptop با نرم افزار مربوطه قابل استفاده سرويس GPSS مي باشد.دستگاههاي اين گروه مانند:Garmin GPS 35 Delorme يا Rand Macnalley ( باقيمت هاي پايينتر)قيمت اين GPS ها حدود 75 تا 150 دلار آمريكا متغير مي باشد. ولي فراموش نكنيد كه اين نوع GPS ها حتماً به Laptop pc نياز دارند.

 

2 ) Hand-Held GPS: اين نوع دستگاهها مي توانند بصورت سيار مورد استفاده قرار گيرند آنها خودشان يك‌صفحه كوچك جهت نمايش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكل ها و تركيب هاي مختلفي عرضه مي‌شوند و هيچگونه نيازي بهLaptop ندارند. كه بطور مثال ميتوان مدل‌هاي با قيمت پائين Garmin شبيه Etrex, GPS12*l , GPS12 يا مدل هاي 315, 310 ازMagellan را نام برد. تعدادي از اينها يك رابط NMEA و يك كابل رابط دارند قيمت با كابل ممكن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممكن است بعضي از كشورها ارزانتر هم موجود باشد. يك GPS دستي ارزان قيمت با يك كابل رابط براي انتخاب و آغاز كار با GPS مناسب ميباشد, حتي براي سرگرمي يا كار يا آشنايي شما با طرز كار و خدمات GPS.

 

3 ) High-End GPS products: اين دستگاهها شامل يك صفحه نمايشگر بزرگتر و تعدادي نقشه ميباشند و در بعضي از آنها شما بايستي مبلغ بيشتري جهت نقشه ها بپردازيد. قيمت اين دستگاهها ممكن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500 دلار آمريكا باشد كه نمونه هايي از آن مانند Blaupunkt PhihPsوAlpine ميباشد