GPS

سامانه موقعیت‌یابی جهانی یا جی‌پی‌اس (به انگلیسی Global Positioning System) با نماد اختصاری GPS منظومه‌ای از ۲۴ماهواره است که زمین را دور می‌زند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. راکت‌های کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها نوستار (NAVSTAR) نیز گفته می‌شود. جهت شناسایی موقعیت جغرافیایی آنها بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر امکان‌پذیر می‌سازد. این ماهواره‌ها از محاسبات ریاضی ساده‌ای برای پخش اطلاعات استفاده می‌کنند که به عنوان طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده‌های زمین ترجمه شده‌اند.

GPS

سیستم جی‌پی‌اس بدون وابستگی به گیرنده‌های تلفن یا اینترنت عمل می‌کند، اگر چه با دسترسی به این منابع می‌توان اطلاعات دریافتی از این سیستم موقعیت یابی را مناسب تر و کاربردی‌تر کرد. سیستم جی‌پی‌اس می‌تواند توانایی‌های حیاتی در زمینه موقعیت یابی برای کاربران نظامی، مدنی و یا کاربران عادی در سراسر جهان فراهم کند.

پروژه جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۳ و توسط ایالات متحده، برای غلبه بر محدودیتهای سیستم‌های موقعیت یابی پیشین، شروع شد.وزارت دفاع آمریکا سیستمی را توسعه داد که به شکل پیش فرض ۲۴ ماهواره را به کار می‌برد. طراحی و توسعه و پشتیبانی این سیستم بر عهده وزارت دفاع ایالات متحده است.

جی‌پی‌اس در تمام شرایط به‌صورت ۲۴ ساعت در شبانه‌روز و در تمام دنیا قابل استفاده‌است، و هیچ‌گونه بهایی بابت این خدمات اخذ نمی‌شود. ماهواره‌های جی‌پی‌اس، هر روز دو بار در یک مدار دقیق دور زمین می‌گردند و سیگنالهای حاوی اطلاعات را به زمین می‌فرستند.

سیستم‌های مشابهی نیز وجود دارند که در حال استفاده یا طراحی هستند. سیستم روسی گلوناس مهمترین آنهاست که تقریباً همزمان با جی‌پی‌اس تکامل یافته اما از سال ۲۰۰۸ به بهره‌برداری کامل رسیده است. اتحادیه اروپا، هند و چین نیز هر یک سیستم‌های مشابهی را در دست توسعه دارند.

اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی‌پی‌اس، اهداف نظامی بوده، اما از سال ۱۹۸۰ به بعد برای استفاده‌های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. این سیستم در سال ۱۹۹۵ و با تکمیل تعداد ماهواره‌ها به توان پیش بینی شده نهایی خود دست یافت. افتخار اختراع این سیستم به راجر ال استون، ایوان ای گتینگ و برادفورد پارکینسون از آزمایشگاه فیزیک پیشرفته ایالات متحده تعلق دارد.

پیشرفتهای تکنولوژیکی و نیازهای جدید باعث تمایل زیادی برای ارتقا و مدرنیزه کردن سیستم موجود و توسعه نسل جدید ماهواره‌ها با عنوان جی‌پی‌اس بلوک ۳ آ و نسل جدید سیستم‌های کنترل عملیاتی (OCX) شده‌اند. این تغییرات از سال ۱۹۹۸ با دستور کاخ سفید شروع شدند و در سال ۲۰۰۰ با تصویب کنگره آمریکا شروع به عملیاتی شدن کردند و در نهایت به جی‌پی‌اس ۳ خواهند انجامید.

ساختار جی‌پی‌اس

جی‌پی‌اس فعلی از سه بخش اساسی تشکیل شده است. این سه بخش اصلی عبارتند از: بخش فضایی، بخش کنترل و بخش کاربر.

قسمتهای کنترل و فضایی توسط نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا پایه‌گذاری شده و توسعه یافته‌اند و اکنون نیز به کار خود ادامه می‌دهند. امواج منتشر شده از فضا توسط ماهواره‌های جی‌پی‌اس، توسط گیرنده‌های جی‌پی‌اس دریافت می‌شوند؛ این گیرنده‌ها به وفور در اختیار انواع کاربران قرار دارند و برای محاسبه کردن موقعیت سه بعدی (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع) محل مورد نظر و زمان به کار می‌روند.

  • بخش فضایی (Space Segment): از ۲۴ تا ۳۲ ماهواره تشکیل شده است که در مدار میانی زمین (Medium Earth Orbit) قرار گرفته‌اند و همچنین شامل تأسیساتی هم می‌شود که برای آماده‌سازی و پرتاب آنها به کار می‌روند.
  • بخش کنترل (Control Segment): از یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی MCU( Master Control Station) یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی دیگر به عنوان پشتیبان، یک میزبان آنتنهای اختصاصی و اشتراکی برای سیستم و ایستگاه‌های پایش تشکیل شده است.
  • بخش کاربری (User Segment): از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از جی‌پی‌اس کد گذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می‌کنند و صدها میلیون کاربر مدنی، عمومی یا علمی تشکیل شده است که از امکانات موقعیت یابی استاندارد استفاده می‌کنند.

بخش فضایی

بخش فضایی (Space Segment) از ماهواره‌های مستقر در مدار زمین تشکیل شده است که به اختصار ماشینهای فضایی (Space Vehicle) نیز نامیده می‌شوند. در طراحی اولیه جی‌پی‌اس بیست وچهار ماشین فضایی مورد نیاز بود که در هشت مدار دایره‌ای و در هر مدار حداکثر سه ماهواره قرار می‌گرفتند. بعدها این طرح تبدیل به شش مدار شد و در هر مدار حداکثر چهار ماشین فضایی در نظر گرفته شد.

نقشه شش مداری حداکثر ۵۵ درجه انحراف مداری دارد که هر مدار ۶۰ درجه فاصله از گره نزولی دارد. زمان مداری نصف یک روز نجومی است؛ معنی آن این است که روزانه حدود ۱۱ ساعت و ۵۸ دقیقه طول می‌کشد تا ماهواره از روی مکان قبلی یا تقریباً نزدیک آن عبور کند.

مدارها به شکلی تنظیم شده‌اند که در تمام ساعات شبانه روز و تقریباً از تمام نقاط سطح زمین، حداقل ۶ ماهواره در خط دید باشند. برای تحقق این موضوع فاصله یکسانی برای ماهواره‌های موجود در مدار مشترک در نظر گرفته نشده است. (۹۰ درجه با هم نیستند). اگر ساده‌تر در نظر بگیریم فاصله زاویه‌ای بین بین ماهواره‌ها به این شکل است: ۳۰، ۱۰۵، ۱۲۰، ۱۰۵ درجه که در مجموع ۳۶۰ درجه می‌شود.

ارتفاع مداری حداکثر حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتر است، یعنی شعاع مداری حداکثر ۲۶۶۰۰ کیلومتر است. هر ماشین فضایی، در هر روز نجومی دوبار و همان مسیر قبلی را نسبت به زمین می‌پیماید. این مسئله مخصوصاً هنگام ارتقا و تکمیل سیستم خیلی کمک کننده بود چرا که حتی فقط با ۴ ماهواره و جاگیری صحیح، هر چهار ماهواره در طی چند ساعت، از یک نقطه خاص قابل رویت بودند. برای عملیاتهای نظامی، تکرار گذرهای زمینی از یک منطقه می‌تواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.

در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سیستم جی‌پی‌اس حضور داشتند که ۳۱ عدد از آنها فعال بودند. ماهواره‌های اضافی دقت محاسبات گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای اندازه‌گیری‌های دقیق را افزایش می‌دهند. با افزایش تعداد ماهواره‌ها چینش آنها در مدارها به شکل ناهمسانی تغییر کرد. مزیت این شکل از چینش نسبت به فرم استاندارد این است که در صورت از دست رفتن یکی از ماشینها فضایی (عدم کارکرد صحیح)، در دسترس بودن سیستم کاهش نمی‌یابد و هنوز مورد اعتماد باقی می‌ماند. با وضعیت فعلی از هر نقطه زمین و در هر زمانی در حدود ۹ ماهواره به شکل همزمان در خط دید قرار دارند. این امر باعث افزایش قابل توجه اعتماد به دقت، نسبت به حضور حداقل ۴ماهواره، برای تعیین مکان می‌شود.

کنترل زمینی

بخش کنترل 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 ماهواره‌ای با امواج لیزر) بدست آمده‌است. این ایستگاه‌ها وظیفه تعقیب چندجمله‌ایِ ریاضی به طریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها) و موقعیت ماهواره‌ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدأ سیستم مختصات تقریباً در مرکز زمین قرار دارد) محاسبه می‌نماید.

تعداد این ایستگاه‌های زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم جی‌پی‌اس، قسمتِ کاربران سیستم است که خود شامل دو بخش است:

  • آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها
  • گیرنده (پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)

نرم‌افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره‌های مرتبط با گیرنده را تعیین می‌کند سپس با استفاده از حداقل ۴ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می‌شود.

نکته مهمی که می‌بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که جی‌پی‌اس به ما می‌دهد با ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق می‌کند. ارتفاع جی‌پی‌اس نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتریک است که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار این اختلاف در بیش‌ترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.

انواع GPS

گیرنده های GPS کلا از نظر کاربری به پنج گروه تقسیم می گردند:

۱- دستی

گیرنده های GPS دستی دستگاه های کوچک به اندازه گوشی موبایل هستند که با دقت حدود ۳ متر موقعیت کاربر را معین می نمایند. امکانات مختلفی روی مدل های متنوع این گیرنده ها ارائه می شود که برخی از آنها عبارتند از: ۱۲ کانال دریافت اطلاعات از ماهواره، عمر باطری (قلمی آلکالاین) تا ۳۶ ساعت، تا ۵۰۰ نقطه حافظه (Landmark)، ثبت تا ۱۰۰۰۰ نقطه در ۱۰ خط سیر (Track)، ثبت تا ۵۰ مسیر (Route) در ۱۲۵ شاخه، امکان اتصال به کامپیوتر، دارای Gameهای مختلف، قطب نمای الکترونیکی، ارتفاع سنج بارومتریک، پروفیل ارتفاعی، تا ۲۴ مگا بایت حافظه نقشه، محاسبه مساحت، صفحه ناوبری هدایت ۳ بعدی، آنتن جدا شونده، امکان اتصال به آنتن خارجی، هدایت خیابان به خیابان در مسیر، صفحه بزرگ رنگی.

۲- هوائی

گیرنده های GPS هوائی مشابه دستگاه های دستی هستند، با این تفاوت که صفحات نمایش و امکانات نصب و همچنین اطلاعات داخل آنها برای استفاده روی هواپیما و یا بالگرد بهینه شده است.

۳- دریائی

گیرنده های GPS دریائی نیز مشابه دستگاه های دستی هستند، با این تفاوت که صفحات نمایش و امکانات نصب و همچنین اطلاعات داخل آنها برای استفاده روی شناور ها و کشتی ها بهینه شده است.

۴- دقیق

در گیرنده های GPS دقیق از روش های مختلفی استفاده می شود تا با اصلاح خطا، دقت دستگاه ها با ۵ میلیمتر بالا رود. از این دستگاه ها برای برداشت های دقیق و نقشه برداری استفاده می شود. این دستگاه ها عموما به صورت ست های ۲ یا ۳ تائی ارائه شده و به کار می روند. قیمت این دستگاه ها با دستگاه های دستی اختلاف زیادی دارند. یکی از بهترین تولید کنندگان این توع GPS شرکت Ashtech از امریکاست .  

۵- ردیابی

گیرنده های GPS مخصوص ردیابی بصورت بورد و آنتن جداگانه، و یا ماوس (بورد و آنتن با هم)، بدون صفحه نمایش و صفحه کلید ارائه می شوند.  از این دستگاه ها در سیستم های tracking و ردیابی استفاده شده

نحوه عملکرد GPS

ماهواره های این سیستم، در مداراتی دقیق هر روز ۲ بار بدور زمین می گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می کنند. گیرنده های GPS این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می کنند. در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می کند. از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می گردد. حال این عمل را با داده های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز ، معین می کند .

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 – ارتفاع-  نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت(قطب نما)، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می نماید

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 – ارتفاع-  نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت(قطب نما)، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می نماید.

منابع ایجاد خطا در سیستم تعیین موقعیت gps

۱.منابع خطای دستگاه یا گیرنده

الف.خطای ساعت گیرنده

ب.عدم اطمینان از موقعیت ایستگاه گیرنده

۲.خطای مشاهدات

الف.ابهام فاز

ب.چند مسیر(multi path)

ج.خطای اختلاف مرکز فاز و مرکز جرم ( هم برای آنتن گیرنده و هم برای آنتن فرستنده)

د.cycle slip : (جهش فاز) : قطعی فاز بین گیرنده و ماهواره به خصوص در تعیین موقعیت کینماتیک

۳.منابع خطای دستگاه ماهواره

الف.خطای ساعت ماهواره

ب.خطای مربوط به مدار ماهواره

خطای سودرنج:

در حالت عادی اگر از یک گیرنده استفاده کنیم هم گیرنده ی ثابت((Base و هم گیرنده ی متحرک((Rover دارای خطایی با بیشینه ی ۳۰متر می شوند اما وقتی از دو گیرنده استفاده می کنیم  این خطا اصلاح شده و به بیشینه ی ۵۰ سانتی متر می رسد.

نحوه ی حذف این خطا بدین گونه است که ایستگاه ثابت با در اختیار داشتن مختصات زمینی و مختصات کسب شده از GPS مقدار این خطا را محاسبه و به GPS  متحرک میفرستد(share می کند) معمولا از طریق موج رادیویی((VHF به دفتر و باقی محل ها فرستاده می شوند.

نویسنده و تهیه کننده : نگار قدیمی