GPS چيست و چگونه كار مي كند؟

[hossein.]

علاوه بر جي‌پي‌اس، دو سيستم كمابيش مشابه ديگر نيز وجود دارد: سيستم گلوناس كه دولت شوروي ساخته و اكنون به‌دست كشور روسيه اداره مي‌شود و سيستم گاليله كه كشورهاي اروپائي آن را براي وابسته نبودن به سيستم آمريكائي جي‌پي‌اس ساخته اند.

قطب نماهايي كه با نيروي مغناطيسي زمين جهت يابي مي‌‌كنند، به تدريج جاي خود را به گيرنده‌هاي جي‌پي‌اس خواهند داد؛ جي‌پي‌اس، سامانه‌اي است كه به كمك گروهي از ماهواره‌ها جهت يابي مي‌‌كند. ماهواره‌هايي كه هركدام در مدارهاي خود به دور زمين در گردشند؛ اين ماهواره‌ها با ايستگاه‌هاي ويژه‌اي بر روي زمين در تماس اند و همواره موقعيت آن‌ها در فضا مشخص است. دستگاه گيرندهٔ جي‌پي‌اس شما، با ارتباط با تعدادي از اين ماهواره ها، فاصلهٔ شمارا تا آن‌ها تعين مي‌‌كند و سپس موقعيت دقيق شما روي زمين بدست مي‌‌آيد.

در واقع اساس كار اين سامانه، فرستادن سيگنال‌هاي راديويي با فركانس بالا و به طور پيوسته است كه زمان و مكان ماهواره را نسبت به زمين مشخص مي‌‌كند و يك گيرندهٔ جي‌پي‌اس روي زمين، با گرفتن اين اطلاعات از سه ماهواره يا بيشتر، آن‌ها را پردازش مي‌‌كند و موقعيت كاربر را در هر نقطهٔ زمين، در هر ساعتي از شبانه روز و در هر وضعيت آب و هوايي به او نشان مي‌‌دهد.

با چندين اندازه گيري متعدد، گيرنده به محاسبهٔ سرعت، مدت زمان سفر، فاصلهٔ شما تا مقصد، مختصات جغرافيايي (طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع از سطح دريا)، زمان طلوع و غروب خورشيد و ماه (در تقويم نجومي)، تعداد ماهواره ها، زمان محلي و ... مي‌‌پردازد و آن را در اختيار كاربر قرار مي‌‌دهد. به طور ميانگين، هشت ماهواره از 24 ماهواره، در اطراف هر نقطه از كرهٔ خاكي كه باشيد در آسمان گشت مي‌‌زنند.

هرچه گيرندهٔ شما به ماهواره‌هاي بيشتري وصل شود، اطلاعات دقيق تري را براي شما محاسبه مي‌‌كند. جي‌پي‌اس، در ابتدا تنها استفادهٔ نظامي داشته است، ولي از سال 1980 به بعد تصميم گرفته شد تا از آن در فعاليت‌هاي غير نظامي هم استفاده شود ؛ تا جايي كه امروزه حتي در ماهي گيري و شكار هم مورد استفاده قرار مي‌‌گيرد. اين ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ايالات متحده ساخته و در مدار زمين قرار داده شده‌اند.

سيستم تعيين موقعيت جهاني GPS متشكل از 24 ماهواره است كه درارتفاع 20000 كيلومتري ازسطح زمين قراردارند ودر 6 مدار كه هرمدار 4 ماهواره قرارداد وبا زاويه ميل 55 درجه وپر يود ساعتي 12 ساعته درگردشند .

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


ماهواره‌هاي جي پي اس

۲۴ عدد ماهواره جي‌پي‌اس در مدارهايي بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مايل از سطح دريا گردش مي‌كنند. هر ماهواره دقيقاً طي ۱۲ ساعت يك دور كامل بدور زمين مي‌‌گردد. سرعت هريك ۷۰۰۰ مايل بر ساعت است. اين ماهواره‌ها نيروي خود را از خورشيد تأمين مي‌كنند. همچنين باتري‌هايي نيز براي زمانهاي خورشيد گرفتگي و يا مواقعي كه در سايه زمين حركت مي‌كنند به‌همراه دارند. راكتهاي كوچكي نيز ماهواره‌ها را در مسير صحيح نگاه مي‌دارد. به اين ماهواره‌ها NAVSTAR نيز گفته مي‌شود.

در اينجا به برخي مشخصه‌هاي جالب اين سيستم اشاره مي‌‌كنيم:

* اولين ماهواره جي‌پي‌اس در سال ۱۹۷۸ يعني حدود ۳۵ سال پيش در مدار زمين قرار گرفت.
* در سال ۱۹۹۴ شبكه ۲۴ عددي NAVSTAR تكميل گرديد.
* عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است كه پس از آن جايگزين مي‌گردد.
* هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ كيلوگرم وزن دارد و طول باتري‌هاي خورشيدي آن ۵.۵ متر است.
* انرژي مصرفي هر ماهواره، كمتر از ۵۰ وات است.


جي‌پي‌اس چگونه كار مي‌كند

ماهواره‌هاي اين سيستم، در مدارهاي دقيق هر روز ۲ بار به‌دور زمين مي‌‌گردند و اطلاعاتي را به زمين مخابره مي‌كنند. گيرنده‌هاي جي‌پي‌اس اين اطلاعات را دريافت كرده و با انجام محاسبات هندسي، محل دقيق گيرنده را نسبت به زمين محاسبه مي‌كنند. در واقع گيرنده زمان ارسال سيگنال از ماهواره را با زمان دريافت آن مقايسه مي‌‌كند. از اختلاف اين دو زمان، فاصله گيرنده از ماهواره تعيين مي‌‌گردد. اين عمل را با داده‌هاي دريافتي از چند ماهواره ديگر تكرار مي‌كند و بدين ترتيب محل دقيق گيرنده را با تقريب ناچيز معين مي‌‌كند.

گيرنده به 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.

امواج ماهواره ها متشكل ازامواج حامل باند L مدوله شده با يك كداستاندار كد (C/A2ويك كد دقيق (كد P(3) ويك كددريانوردي ومختصات ماهواره به صورت توابع زماني مي باشد كه دربر آن گيرنده هاي شخصي تفاوتهاي زماني بين وردوي كدهاي C/A را اندازه گيري ميكنند اگردراثر دخالت كنترل زميني درانطباق زماني خطايي بوجود نيايد گيرنده هاي شخصي ازدقتي حدود 15 متر برخوردار خواهند شد.

مفهوم كلي ناوبري راديويي بستگي به انتقال همزمان سيگنالهاي راديويي دارد اگر سيگنالهاي راديويي دقيقاً بطورهمزمان بطور فرستاده نشوند گيرنده نمي تواند بطوردقيق موقعيت را محاسبه نمايد كنترل زميني دراثر تاثيرگذاري بعضي ازماهواره ها درارسال سيگنال هاي C/A كمي قبل يا بعداز ساير ماهواره ها دخالت مي كند دخالت عمدي اصلي , هما ن دسترسي موردي (4) به شمار مي رود .

گيرنده هاي شخصي ميزان خطا را تشخيص نمي دهند. بلكه بطورتصادفي بين 15تا 100 متر دقت تغيير مي يابد .البته دخالت عمدي برروي گيرنده هاي نظامي اثر نمي گذارد .

منبع خطاي ديگر وجود كه برروي فركانس سيگنال گيرنده هاي شخصي اثرمي گذارد كه دخالت يونسفر ناميده مي شود .

زماني كه يك سيگنال راديويي ازبين الكترونها ي آزاد يونسفر عبورمي كند تاخير اندكي بوجود مي آيد برحسب مدت زماني تاخير كه بوسيله الكترون هاي آزاد بوجود مي آيد ماهواره‌هاي GPS كدP را روي دوموج راديويي با فركانس هاي مختلف ارسال مي كند كه L1,L2 ناميده مي شود .يك سيگنال به هنگام عبور ازيونسفر بيشتر ازديگري به تاخير مي افتد.

گيرنده هاي گران قيمت هردوفركانس را رديابي مي كنند و اختلاف وردي بين L1,L2 اندازه مي گيرند مدت زمان تاخيري را محاسبه مي كنند كه الكترونها ي آزاد ي بوجود مي آورند وتصحيحات لازم را براي تاخير يونسفر انجام مي دهند. گيرنده هاي شخصي نمي توانند تاثير دخالت يونسفر را تصحيح كنند زيرا كدهاي C/A فقط برروي فركانس L1 فرستاده مي شوند نوعي گيرنده هاي تخصصي وجوددارد كه به عنوان گيرنده هاي بدون كدشناخته شده اند ودقت فوق العاده اي دارند كه درآن بطورغيرمستقيم ازكد P استفاده مي شود گيرنده ها ارزش كدP را مشابه آنچه كه گيرنده هاي نظامي تشخيص مي دهند نمي شناسند بنابراين دقت آنها با استفاده ازروش هاي خاص پردازش سيگنال بدست مي آيد آنها كد P رابراي چندروز دريافت كرده وپردازش مي نمايند وپس از انجام محاسباتي چندمي توانند موقعيت نقاطي را تهيه كند كه با دقت mm 10 با استفاده از3يا4 ماهواره عملي مي باشد .

البته اين گيرنده بيشتر براي تعيين موقعيت دركارهاي نقشه برداري بكار مي رود زيرا بايدچند روزبطور مداوم درآن نقطه اطلاعات دريافت و پردازش شود.


روش تعيين موقعيت توسط GPS

اگرفاصله ما ازماهواره 1 درحدود 10 كيلومتر باشد بنابراين مكان ما درفضا برمحيط كرده به مركزيت ماهواره اوشعاع 10 كيلومتر منطبق مي باشد حال فرض مي كنيم فاصله ما ازماهواره 20 درحدود 11 كيلومتر باشد دراين حالت نيز مكان ما درفضا برروي محيط كره اي به مركز ماهواره 2 وشعاع 11 كيلومتر واقع است فصل مشترك اين دوكره مي تواند يك دايره باشد كه مكان ما بطورقطع برروي محيط اين دايره قراردارد .

حال اگر ماهواره سوم را نيز درنظربگيريم كه فاصله اش با ما 12 كيلومترباشد دراين صورت فصل مشترك كره مربوط به ماهواره 3 با فصل مشترك كره هاي ماهواره اي 1و2 حداكثر دونقطه مي باشد كه قطعاً يكي ازاين دو مبين مكان واقعي ما خواهد بود.اما بطورقطعي يكي از اين دو نقطه نامعقول مي باشد .

بطورمثال داراي ارتفاع بيشتري از سطح زمين است . لذا كامپيوترهاي داخل گيرنده هايGPS با استفاده ازتكنيك هاي گوناگون قادر به تشخيص نقطه غلط مي باشند.

ازنظر تئوري با استفاده از3 ماهواره مي توانيم مكان خودرا به دست آوريم ولي به دليل فني اگرچنانچه ماهواره چهارم را همانند ماهواره هاي 1و2 انتخاب كنيم بطورقطع فصل مشترك اين چهار كره يك نقطه خواهد بود واين نقطه مختصات مكاني مارا نشان مي دهد استفاده كنندگاني كه درارتفاعي مششخص قراردارند (مانندكشتي هايي كه درسطح دريا واقع باشند)به سهولت ميتوانند با استفاده ازدوماهواره مكان خودرا تعيين نمايند .

دراين حالت كره زمين را مي توان جايگزين ماهواره سوم كردوازيك مرحله محاسبه مسافت صرفنظر نمود بدين ترتيب اين فرصت جهت انجام سايرمحاسبات قابل بهره برداري بوده وعملاً مكان يابي افزايش مي يابد .

بطورخلاصه مي توان بيان كرد كه مبناي كار GPS استفاده ازماهواره به عنوان مرجعي جهت يافتن موقعيت درهرنقطه زمين مي باشد ساير مسايل اين سيستم صرفاً جزئيات تكنيكي هستند كه به سرعت و دقت وسهولت عمل موقعيت يابي كمك مي كند.


روش محاسبه مسافت ازماهواره

درسيستم موقعيت ياب جهاني GPS قدم اساسي دانستن ميزان مسافت ازماهواره است بنابراين استفاده ازتكنيك هاي پيشرفته به منظور محاسبه مسافت امري اجتناب ناپذير است ايده اصلي اين موضوع براساس همان معادله سرعت نوردرمدت زمان تاخيراستواراست سيستم GPS بدين صورت كارمي كند كه گيرنده كاربر مدت زماني را كه طول ميكشد تا امواج راديويي ازماهواره به اوبرسد را اندازه گيري مي كند.

همانطوركه مي دانيد امواج راديويي با سرعت نورحركت مي كند وبدين ترتيب با حاصلضرب اندزه گيري شده درسرعت نور مسافت خود را تاماهواره بدست مي‌آورد و اين كارحداقل بايستي براي 3 ماهواره مشخص، صورت گيرد بنابراين بايد براي اندزه گيري زمان رسيدن به سيگنال ازساعتهاي خيلي كوتاه باشند زيرا امواج با داشتن سرعت نورخيلي سريع حركت مي كنند.

مثلاً اگرماهواره اي دقيقا دربالاي سرما باشد حدود 60 ميلي ثانيه طول مي كشد تا امواج راديويي آن به ما برسد دقت ساعت گيرنده هاي GPS حدود نانو ثانيه مي باشد. يك اختلاف زماني بين كپي كدGPS ايجاد شده دربرگيرنده بااصل كد رسيده ازماهواره وجود دارد كه با ضرب كردن آن درسرعت نور, شبه فاصله به دست مي آيد اين روش با هردو كد A/C,P امكان پذيرهستند .

كدهاي توليدشده دربرگيرنده ازساعت خودگيرنده منتج مي شوند وكدهاي ارسالي ماهواره نيز توسط ماهواره ايجاد ميشود .

خطاي زماني درهردوساعت گيرنده وماهواره باعث مي شود كه فاصله اندازه گيري شده با فاصله هندسي بين ماهواره و گيرنده فرق داشته باشد اين ساعتها بسيار دقيق وگران قيمت مي‌باشند وماهواره ها جهت قابليت اطمينان بيشتر داراي 4 ساعت اتمي هستند ولي در گيرنده ها به دليل گران قيمت بودن اين ساعتها نمي توان ازآنها استفاده نمود لذا ازساعتهاي ارزانتري استفاده مي شود كه درعمل ايجاد اختلاف جزئي دراندازه گيري زمان مي نمايند .البته با استفاده از راه حلهايي تصحيح صورت مي گيرد:


مزاياي سيستم GPS

× دقت بسيارزياددرموقعيت يابي
× داشتن پوشش جهاني
× دارا بودن زمان بندي دقيق
× نداشتن هيچ گونه هزينه براي استفاده كنندگان
× تعيين سرعت درسه محور مختصات
× قابليت دسترسي هميشگي
× قابليت كاربردي در هرشرايط آب وهوايي
× عدم محدوديت دربكارگيري همگاني
× دقت نسبي IPPM براي طولهاي كوتاه از1 تا 100 كيلومتر.
× تعيين سرعت درسه محور , زمان , تعيين فاصله سمت وگراي ونقطه مبداء .مقصود
× توانايي ديد همزمان با يك گيرنده

ماهواره ابتدا اطلاعات وداده هاي ناوبي رابه پنج ايستگاه كنترل كه درمناطق كلردواسپرينگ(5) كو آجالين (6) ديه گوگارسي)(7) آسنشن(8) و هاوايي (9) قراردارند ارسال مي كند كه درواقع اين سيگنال ها ماهواره ها را رديابي (10) مي كنند.

سپس اين ايستگاهها اطلاعات خودرا به ايستگاه كنترل ماهواره (ايستگاه اصلي كه همان كلرادواسپرينگ مي‌باشد) ارسال كنند كه وظايف آن پردازش داده ها ارسال به ماهواره و نظارت بركنترل روزانه ماهواره است سپس اين داده ها به سه آنت زميني ديگر ارسال مي شود كه توسط اين آنتها اطلاعات كنترل شده به ماهواره جهت تصحيح جهت ساعت ماهواره وفرامين ودستورات تله منزي ارسال مي شود به اين كار اصطلاحاً ataupload شدن ماهواره گفته مي شود.


ماهواره‌هاي جي پي اس

۲۴ عدد ماهواره جي‌پي‌اس در مدارهايي بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مايل از سطح دريا گردش مي‌كنند. هر ماهواره دقيقاً طي ۱۲ ساعت يك دور كامل بدور زمين مي‌‌گردد. سرعت هريك ۷۰۰۰ مايل بر ساعت است. اين ماهواره‌ها نيروي خود را از خورشيد تأمين مي‌كنند. همچنين باتري‌هايي نيز براي زمانهاي خورشيد گرفتگي و يا مواقعي كه در سايه زمين حركت مي‌كنند به‌همراه دارند. راكتهاي كوچكي نيز ماهواره‌ها را در مسير صحيح نگاه مي‌دارد. به اين ماهواره‌ها NAVSTAR نيز گفته مي‌شود.

در اينجا به برخي مشخصه‌هاي جالب اين سيستم اشاره مي‌‌كنيم:

* اولين ماهواره جي‌پي‌اس در سال ۱۹۷۸ يعني حدود ۳۵ سال پيش در مدار زمين قرار گرفت.
* در سال ۱۹۹۴ شبكه ۲۴ عددي NAVSTAR تكميل گرديد.
* عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است كه پس از آن جايگزين مي‌گردد.
* هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ كيلوگرم وزن دارد و طول باتري‌هاي خورشيدي آن ۵.۵ متر است.
* انرژي مصرفي هر ماهواره، كمتر از ۵۰ وات است.

اين بخش همان بخش ماهواره هاي موجود درفضا مي باشد اين ماهواره ها سيگنالهايي با مشخصات ذيل ارسال مي كند دونوع اطلاعات مربوط به محاسبه نقاط عبارتند از:

1-اطلاعات تقويم نجومي مربوط به موقعيت تقويمي ماهواره ها مي باشد با دريافت اين اطلاعات سيستم گيرنده GPS ماهواره‌هايي كه بهترين اطلاعات را ارسال مي كنند تشخيص مي دهد و انتخاب مي كند( ازنظر موقعيت هندسي)

2) اطلاعات جدول نجومي براي عمليات ناوبري استفاده مي شود و بسيار دقيق است اين جداول نيز حاوي مختصات مكاني دقيق ماهواره اي GPS و زمان ساعت ماهواره ها مي‌باشد.

دوكدC/A, P دقيق است و مربوط به مسائل نظامي است وكد C/A استفاده عمومي دارد و دقيق نمي باشد ماهواره GPS اطلاعات مذكور را توسط سيگنالهاي با فركانس 1575HZ )L1 و (1227GHZ) L2 ارسال مي كنند هرماهواره داراي آنت هليكس 12 آراه است قدرت سيگنال روي آنتن براي سيگنال dbLI 58 . براي سيگنال dbL2 /35 مي باشد و قدرت آنت ماهواره بصورت ايزو تدوپيك حداقل db 50 مي باشد كدهاي C/A,P ازتنوع كدهاي شبه تصادفي (13) هستند .


انواع گيرنده‌هاي جي‌پي‌اس

گيرنده‌هاي جي‌پي‌اس انواع گوناگوني دارند و انتخاب هركدام از آن‌ها بستگي به موارد استفادهٔ شما دارد؛ براي نمونه اين كه مي‌‌خواهيد در داخل خودرو آن را نصب كنيد يا اينكه آن را در كوله پشتي خود قرار دهيد گزينه‌هاي متعددي را پيش روي شما مي‌‌گذارد.

گيرندهٔ بيسيك جي‌پي‌اس _ بيسيك: اين گيرنده‌ها در واقع از ساده‌ترين و كم قيمت‌ترين گونه‌ها هستند (اغلب كمتر از 0 us) يك گيرندهٔ بيسيك (پايه) مي‌‌تواند بسيار دقيق تر از گيرنده‌هاي گران قيمت باشد، اما بايد اين مساله را هم در نظر داشت كه اين گيرنده‌ها بسياري از ويژگي‌هاي دستگاه‌هاي گران قيمت را ندارند. ويژگي قابل توجهي كه كمبود آن بيشتر حس مي‌شود، نداشتن قابليت نقشه برداري يا Mapping است كه بعدا شرح داده خواهد شد. در زير تعدادي از امكانات اين گيرنده‌هاي ساده آمده است:

- موقعيت يابي؛ تعيين طول جغرافيايي و عرض جغرافيايي كه در واقع ويژگي اصلي يك گيرندهٔ جي‌پي‌اس است.
- تعيين جهت؛ با يك قطب نما ي الكترونيكي.
- تعيين ارتفاع از سطح درياهاي آزاد؛ البته بايد توجه داشت كه دقت در اندازه گيري ارتفاع به خوبي دقت در موقعيت يابي نيست.
- زمان دقيق.
- موقعيت ماهواره‌ها و قدرت سيگنال ها.
- توانايي محاسبهٔ مسافت پيموده شده.
- توانايي ذخيره سازي مسير پيموده شده ؛ كه با استفاده از نقطه گذاري در صفحهٔ نمايشگر انجام مي‌شود.
- توانايي هدايت و مسير يابي.
- يافتن مسيري كه در گذشته آن را پيموده ايد.

• گيرنده‌هاي دستي جي‌پي‌اس _ نقشه بردار: همانطور كه از نام اين گيرنده بر مي‌‌آيد گيرندهٔ نقشه بردار از قابليت نمايش نقشه برخوردار است. اين گيرنده‌ها ابعاد بزرگ تري نسبت به گيرنده‌هاي قبلي دارند. با اتصال اين گيرنده به يك رايانه شخصي نقشهٔ دلخواهتان را به گيرنده مي‌‌دهيد.

[A * L * O * N * E b * o * y]

اینایی رو ک گفتی راسته؟

[poya]

نه بس دروغه خوب معلومه كه راسته.اصلا تو مطلبو خوندي؟

[MR_mamali]

میشه همه ی این ها رو توی دو خط خلاصه کنی . من حال خوندن ندارم

[hossein.]

هروقت تو برام شاهنامه رو توی یک خط برام خلاصه کردی منم خلاصه میکنم.خوب هر کلمه ادامه دهنده جمله ایه و هر جمله بیان کننده مطلبه پس راه خلاصه کردن نداره