Gps و کاربردهای آن

[Mr.Engineer]

مقدمه
امروزه بسياري از اقشار جامعه از سيستم تعيين موقعيت جهاني (GPS)استفاده مي کنند اين سيستم ابتدا توسط ايالات متحده آمريکا بنيان گذاري شد و صرفا اهداف نظامي اين دولت را دنبال مي کرد اما با پيشرفت اين سيستم و قابليتهاي متنوع آن ، اين سيستم پس از استاندارد شدن دقت آن براي اهداف غير نظامي نيز به کار گرفته شد. GPS کاربران متنوعي را به خود جلب کرده است از جمله نقشه برداران ، خلبانان ، دريانوردان ، شکار چيان ، اسکي بازان و به طور کلي هر کسي که مي خواهد بداند ، در چه موقعيتي قرار دارد ، به چه سمتي حرکت مي کند ويا با چه سرعتي در حرکت است مي تواند از GPS استفاده کند.
GPS در همه جا قابل دسترس است مگر در مکانهاي که گيرنده GPS قادر به در يافت سيگنالها نباشد مانند غارها، اماکن زيرزميني و ...
در اين گزارش قصد داريم مطالبي در مورد نحوه کار GPS ، اجزاي آن ، خطاها ، کاربردها و ارتباط آن با GIS و مقايسه اين سيستم با ماهواره هاي تعيين موقعيت جهاني در ديگر کشورها ارائه کنيم.




سيستم ناوبري راديويي – ماهواره اي(NAVSTAR GPS ) ، که اطلاعات مربوط به موقعيت دقيق سه بعدي و زمان را براي استفاده کنندگاني که به گيرنده هاي خاص مجهز باشند،فراهم مي آورد..سيستم GPS از سال 1978 شروع به فعاليت کرده است. منظور از ايجاد اين سيستم کاربرد هاي نظامي بود، ليکن از سال 1983 به صورت روشي براي حل مسائل نقشه برداري و ژئودزي در جهان مطرح شد. امروزه اين سيستم جايگزين تمامي سيستمهاي تعيين موقعيت قبلي مانند سيستمهاي دوربينهاي باليستيک،داپلر،ايزشال و غيره شده است.مفهوم اساسي ناوبري،«اندازه گيري شبه فاصله »بين موقعيت زميني وحداقل4 ماهواره است . با مشخص بودن مختصات ماهواره در يک سيستم مرجع مناسب،مي توان مختصات آنتن گيرنده را به روش ترفيع فضايي تعيين کرد.GPS مانند ديگر سيستمهاي پيش از خود نقشه برداري زمين به زمين را به اندازه گيري از فضا به زمين تغيير داده است.
گيرنده GPS
گيرنده GPS

اجزاي GPS

سيستم تعيين موقعيت جهاني شامل 3 بخش اصلي است که هرکدام وظيفه خاصي را بر عهده دارند ، عبارتند از:
1-بخش فضايي که ماهواره هاي فعال هستند،
2-بخش کنترل که براي کنترل سيستم، زمان و پيش بيني مدار بکار مي رود،
3-بخش کاربر که به انواع گوناگون گيرنده ها مجهز هستند.


بخش فضايي
اين بخش شامل 24 ماهواره است (21 ماهواره فعال به اضافه 3 ماهواره جانشين). ارتفاع مدار اين ماهواره ها از سطح زمين در حدود 12000 مايل مي باشد ، اين فاصله باعث مي شود که هر ماهواره بتواند فضاي بيشتري را تحت پوشش قرار دهد به عنوان مثال ماهواره اي که در بالاي کشور کانادا قرار دارد اگر زاويه ارتفاعي آن 10 تا 15 درجه باشد در کشور يونان نيز مي توان از اين ماهواره استفاده کرد. نحوه قرار گيري ماهواره ها در مدارهايشان به گونه اي است که گيرنده GPS مي تواند در هر نقطه از سطح زمين و در هر زماني حداقل با 4 ماهواره در ارتباط باشد سرعت اين ماهواره ها برابر 7000 مايل بر ساعت است که به آنها اجازه مي دهد که در هر 12 ساعت يک با مدار خود به دور زمين را بپيمايند يعني هر ماهواره در روز دو بار زمين را دور مي زند.


طرح کلي از ماهواره GPS
نماي کلي ماهواره شکل زير طرح کلي از ماهواره GPS را نشان مي دهد. الکتريسيته مورد نياز اين ماهواره از دو صفحه متشکل از باطري هاي خورشيدي به مساحت 2/7 متر مربع تعيين مي شود. پانلهاي بزرگ و چرخهاي عکس العمل گشتاور به ثبات وضعيت ماهواره کمک مي کنند. در زمان گرفتگي خورشيد باطريهاي نيکل – کادميم انرژي مورد نياز را در اختيار ماهواره قرار مي دهند.وزن هر يک از اين ماهواره ها 845 کيلو گرم است. ماهواره هاي GPS دو موج حامل و را در فرکانسهاي يکسان، از بالا به صورت پيامها (سيگنالها ) ي موج بلند ( L ) مي فرستند که حاوي دو نوع کد C/A وP و يک پيغام ناوبري (که براي هر ماهواره فرق مي کند) به شکل مدوله شده است. فرکانس اصلي نوسان ساز اتمي ماهواره 23/10مگاهرتز است و فرکانسهاي ديگري که ماهواره مي فرستد از اين فرکانس اصلي مشتق مي شوند که عبارت اند از
= (10/23)(154)=1575/42مگاهرتز طول موج =19cm

L2=(10/23)(120)=1227/60مگاهرتز طول موج =24cm
قاعده کلي اين است که يک موج هر چه فرکانس بيشتري داشته باشد، دقت بهتري در اندازه گيري فاصله حاصل خواهد داشت.
سيگنال هر دو کد P و C/A و سيگنال تنها کد P را در بر مي گيرد.

ماهواره هاي GPS
ماهوارههاي GPS از دو راه شناسايي مي شوند:
الف)SVN (شماره وسيله فضايي)يا شماره NAVSTAR، که بر اساس زمان پرتاب تعيين شده است.
ب) PRN (Noise شبه تصادفي) Pseudo Random Noise يا SVID (شاخص وسيله فضايي) ، که به ترتيب مداري و آن قسمت خاص از کد P که به آن ماهواره اختصاص دارد، در ارتباط است.
هنگام رديابي يک ماهواره، اطلاعات مداري کل ماهواره ها توسط آن ماهواره نيز معلوم مي شود. اين رشته از دانسته ها فاقد کد هستند تا استفاده کننده بتواند ارتفاع ماهواره و موقعيت در زمان آني را به دست آورد.
همانطور که گفته شد ماهواره توسط SVN و PRN شناسايي مي شوند اين ماهواره هابر اساس همين کدها به Block I و Block II تقسيم مي شوند

Block I
ماهواره هاي شماره 1 تا 11 که از سال ا978 تا 1985 به فضا پرتاب شدند که به عنوان کلي Block I معرفي مي شوند. اين ماهواره ها همانطور که قبلا گفته شد در مدار هاي خود در يک دوره 12 ساعته زمين را دور مي زنند بلوک 2 هم اين گونه است نحوه قرار گيري نيز براي هر دو گروه يکسان است فقط ماهواره هاي بلوک 2 با يک انحراف زاويه اي 63 درجه اي نسبت به بلوک 1 قرار دارند .
هر کدام از اين ماهواره ها حاوي يک ساعت اتمي سزيوم و دو ساعت راديوم مي باشد عمر مفيد اين ماهواره ها 5 سال بوده است . جدول زير مشخصات اين ماهواره ها را نشان مي دهد

Block II
ماهواره هاي بلوک 2 که شامل سري هاي BLOCK II/IIA/IIR/IIR-M مي باشد
BLOCK IIاز svn 13 تا 21 هستند که از فبريه 1989 تا اکتبر 1990به فضا پرتاب شدند .انها به گونه اي طراحي شده بودند که مي توانستند 14 روز بدون ارتباط با بخش کنترل کار خود را انجام دهند .
BLOCK II از svn 22 تا 42 سري دوم ماهواره هاي فعال هستند اين سيستم به گونه اي طراحي شده است که 180 روز بدون تماس با بخش کنترل مي تواند به کار خود ادامه دهد در طي اين مدت خود مختاري مقدار خيلي کمي از دقت آن کاسته مي شود . اين سري ماهواره ها از نوامبر 1990 تا 1997 به فضا پرتاب شدند عمر مفيد ماهواره هاي بلوک 2 و A2، 3/7 سال است هرکدام از انها 4 ساعت اتمي داشته اند که 2تا از آنها سزيوم و 2 ساعت ديگر راديوم بوده اند .
BLOCK IIR که از svn 41 تا 62 که از جولاي 1997 تا سپتامبر 2005 به فضا پرتاب شده اند اين بلوک به گونه اي طراحي شده است که براي 14 روز بدون تماس با بخش کنترل و 180 روز به صورت اتوماتيک مي تواند پيامهاي نابري را به زمين ارسال کند عمر مفيد اين ماهواره ها 8/7 سال است و هر کدام 3 ساعت اتمي راديم دارند و قابليت SA و AS را نيز دارند . جدول زير مشخصات اين ماهواره ها را نشان مي دهد.


بخش کنترل
همانطور که از نام آن پيداست کنترل ماهواره هاي GPS ، که در واقع همان ردگيري ماهواره ها است و همچنين کنترل ساعت GPS در اين قسمت انجام مي شود اين بخش شامل 3 قسمت مي باشد که عبارتند از:
1-ايستگاه هاي ناظر
2-ايستگاه کنترل اصلي
3-آنتنهاي زميني
اولين قسمت ايستگاه هاي ناظر هستند و شامل 4 ايستگاه مي باشند که ماهواره هاي در معرض ديد را در تمام مدت شبانه روز ردگيري مي کنند. اين ايستگاه ها در جزاير ديه گوگارسيا، اسنسيون در جنوب اقيانوس اطلس، کواجالين در جزاير مارشال،و هاوايي قرار گرفته اند اين بخش به صورت اتوماتيک عمل کرده ، تمام ماهواره هاي قابل رويت خود را ردگيري مي کند و اندازه گيريهاي فاصله را همراه با اطلاعات جوي به بخش دوم يا ايستگاه کنترل مرکزي ارسال مي دارند . ايستگاه کنترل مرکزي با استفاده از اطلاعات مذکور افه مريسها ( اطلاعات مشخص کننده موقعيت ماهواره ها در فضا را در زمان آني)و رفتار ساعتهاي هر ماهواره را از پيش تعيين و پيغامهاي ناوبري را فرموله مي کند. اين پيغامها به بخش سوم يا همان آنتنهاي زميني انتقال مي يابد و بر روي باند S به ماهواره هاي قابل رويت ارسال مي شود.
هماهنگي زماني ماهواره ها يکي از مهمترين وظايف بخش کنترل است که مستقيما بر اساس استاندارد زماني رصدخانه نيروي دريايي ايلات متحده آمريکا واقع در «واشنگتن دي سي» هماهنگ مي شود.


محل ايستگاه هاي مشاهداتي بخش کنترل. مرکز کنترل اصلي در پايگاه نيروي هوايي فالکون در ايالت کلرادو قرار دارد.





دقت در GPS
سيستم تعيين موقعيت جهاني در حقيقت يک سيستم ناوبري نظامي که مسئوليت آن با وزارت دفاع آمريکاست بنابراين از ابتداي توسعه اين سيستم، اين مطلب بيان شده است که تنها درصدي از دقت نهايي سيستم در دسترس کاربران غيرنظامي قرار مي گيرد. به همين خاطراز سرويس موقعيت ياب استاندارد SPS(Standard Positioning Service) براي کاربران غير نظامي استفاده شد اکثر گيرنده ها مي توانند سيگنالهاي SPS را دريافت کنند دقت اين سيستم توسط وزارت دفاع آمريکا کنترل مي شود. دقت سيگنالهاي SPS در حالت افقي 100 متر ، در حالت عمودي 156 متر ، و از نظر زماني تا 340 نانو ثانيه دقت دارد .اين استاندارد ها در سال 1999 توسط اتحاديه ناوبري راديويي تعيين شد.در سال 2001 اين استاندارد ها در حالت افقي به 36 متر و در حالت عمودي به 77 متر رسيد.
براي محدود کردن دقت از روش دسترسي انتخابي (SA) و ارسال پيامهاي جعلي (AS) استفاده مي شود. ابتدا روش AS را براي محدود کردن دقت سيستم بکار مي بردند .AS کدP را مي پوشاند و به اين منظور از يک کد حفاظت شده به نام Y بهره مي گيرد، که تنها کاربران مجاز توانايي استفاده از آن را در زمان فعال بودن AS دارند.در ابتدا انتظار مي رفت که AS بتواند به تنهايي سيستم را محافظت کند، اما در عمل آشکار شد که دقت تعيين موقعيت از طريق کد C/A نيز در حدود 20تا 40 متر است. از اين رو روش دومي به نام SA ايجاد شد.

SA در حقيقت خطاي عمدي است که وزارت دفاع آمريکا در مدار و ساعت ماهواره هاي GPS ايجاد مي کند و به دو روش فعال مي شود:
- وارد کردن اشتباه در اطلاعات مربوط به موقعيت و مدار ماهواره (شيوه )
- بي ثبات کردن سيستماتيک (سامانه اي) ساعت ماهواره (شيوه )
اما گروهي از کاربران که شامل کليه نيروهاي مسلح آمريکا ، سازمان اطلاعات و امنيت اين کشور و يکسري از شهروندان منتخب که بطور خاصي توسط دولت آمريکا تاييد مي شوند مي توانند از سيستم تعيين موقعيت دقيق (Precise Positioning Service)PPS استفاده نمايند اين کاربران مجاز با استفاده از ابزار و کليدهاي مخفي ، همچنين گيرنده هاي مجهز به PPS از اين سيستم استفاده مي کنند دقت اين سيستم در حالت افقي 22 متر ، در حالت عمودي 7/27 مترمي باشد و تا 200 نانو ثانيه در واحد زمان دقيق است.
امروزه با پيشرفت علوم فضايي و تکنولوژي در گيرنده هاي GPS دقت اين سيستم تا حد زيادي نسبت به قبل بالا رفته ، به طوري که خطاي افقي اين سيستم به حدود متر رسيده است .

کلیه ی ارسالهای این مقاله از گرفته شده اند.