سیستم موقعیت یاب جهانی یا GPS چیست؟

تاریخ انتشار: 96/08/28
نمایش: 445
(1 رای)

GPS  چيست؟
GPS يا سيستم موقعيت ياب جهاني شبکه اي از ماهواره هاي در مدار زمين هستند که موقعيت دقيقشان را به زمين ارسال مي کنند. سيگنال ها توسط گيرنده هاي GPS (مانند دستگاه هاي ناوبري) دريافت مي شوند، و براي محاسبه دقيق موقعيت، سرعت و زمان وسايل نقليه استفاده مي شوند.

GPS به خاطر استفاده از آن در اوايل جنگ سرد توسط ايالات متحده شناخته شد. آمريکا در آن سال ها سيستم GPS را جهت جاسوسي هاي نظامي در وسعت جهاني توسعه داد.
با اين حال از همان اوايل دهه 1980 سيستم GPS به طور رايگان در اختيار عموم قرار گرفت و هر فردي که داراي يک دريافت کننده GPS باشد مي تواند از اين سيستم استفاده نمايد. خطوط هوايي، شرکت هاي حمل و نقل، شرکت هاي بازرگاني و رانندگان وسايل نقليه از سيستم GPS براي رديابي وسايل نقليه استفاده مي کنند، و بهترين و کوتاهترين مسير از نقطه A تا نقطه B را بررسي و دنبال مي کنند.
اولين سيستم GPS در دهه 1960 توسعه يافت تا کشتي ها بتوانند در اقيانوس ها با دقت بيشتري حرکت کنند. اولين سيستم شامل 5 ماهواره بود که به کشتي ها اجازه مي داد تا هر يک ساعت يک بار موقعيت خود را بسنجند. امروزه دستگاه هاي ناوبري قابل حمل به رانندگان وسايل نقيله اين امکان را مي دهند تا بتوانند موقعيت خود را با دقت چند متر بسنجند، که اين دقت براي حرکت در جاده ها کافي است. کاربردهاي نظامي داراي دقت بسيار بالاتري هستند به طوري که بتواند موقعيت را با دقت چند سانتيمتر سنجش کند.
سيستم موقعيت ياب جهاني NAVSTAR ايالات متحده (GPS) در حال حاظر تنها سيستم ماهواره اي ناوبري جهاني (GNSS) است که اطلاعات موقعيت يابي را در سطح جهاني ارايه مي دهد. اتحاديه اروپا نيز در حال راه اندازي سيستم موقعيت يابي جهاني خود که موسوم به Galileo است مي باشد و تا سال 2013 عملياتي خواهد شد. کشور چين داراي يک سيستم موقيعيت ياب محلي است که ممکن است در سطح جاني توسعه دهد، در حالي که کشور روسيه درحال بازسازي سامانه موقعيت ياب جهاني خود موسوم به GLONASS است.

سیستم GPS


تاريخچه GPS  
سيستم GPS در اصل براي استفاده نظامي و کاربردهاي جاسوسي در بهبوهه جنگ سرد (با الهام گرفتن از پرتاب فضاپيماي شوروي سابق موسوم به Sputnik در سال 1957) در اوايل دهخ 1960 طراحي و اجرا شد، سيستم موقعيت ياب جهاني يا GPS از مجموعه از ماهواره هايي که در يک ارتفاع ثابت از زمين به دور زمين در حال چرخش هسند تشکيل شده است و سيگنال هايي را به سمت گرنده هاي GPS که بر روي زمين هستند ارسال مي کند. اين سيگنال ها داراي داده هايي از موقعيت و زمان هستند که به کاربر جهت تعيين دقيق سرعت و موقعيت خود بر روي کره زمين کمک مي کند.
GPS ترانزيت اولين سيستم ماهواره اي بود که توسط ايالات متحده راه اندازي شد و توسط نيروي دريايي امريکا در سال 1960 آزمايش شد. تنها 5 ماهواره در مدار زمين به کشتي ها اجازه مي داد تا در هر ساعت موقعيت دقيق خود را بر روي دريا ثابت نمايند. در سال 1967 سيستم GPS ترانزيت با کمک ماهواره Timation موفق شد، که نشان داد که ساعت هاي اتمي مي توانند با دقت بسيار بالاتري در فضا عمل کنند. GPS. پس از آن به سرعت براي اهداف نظامي به طور کامل توسعه يافت و مجموع 11 ماهواره "بلوک" بين سالهاي 1978 تا 1985 راه اندازي شد.
در يک اتفاق که در سال 1987 رخ داد که در آن شوروي سابق يک هواپيماي جت مسافربري کره اي را منحدم کرد، ايالات متحده به همين بهانه تصميم گرفت تا سيستم GPS را در حوزه هاي غير نظامي از جمله در ناوگان حمل و نقل هوايي و کشتيراني و ترانزيت بين المللي براي موقعيت يابي توسعه دهد.
ارتقاء سيستم GPS به علت فاجعه فضاپيماي چلنجر که قرار بود براي بهبود شبکه GPS در سال 1986 به فضا پرتاب شود، به تعويق افتاد تا اينکه در سال 1989 اولين ماهواره بلوک2 به فضا ارسال شد. در تابستان سال 1993 ايالات متحده بيست و چهارمين ماهواره خود را نيز به مجموعه ماهواره هاي Navstar در مدار زمين مستقر کرد، تا اين مجموعه ماهواره تکميل شود. شبکه از 24 ماهواره که اکنون به عنوان سيستم موقعيت ياب جهاني يا GPS شناخته مي شود. هميشه 21 ماهواره در حال فعاليت است و 3 ماهاره نيز به عنوان پشتيبان در مدار قرار دارد که در سال 1995 به طور کامل عملياتي شد. امروزه سيستم GPS داراي حدود 30 ماهواره فعال در مدار زمين دارد.
امروزه GPS براي ده ها برنامه کاربردي ناوبري، پيدا کردن مسير براي رانندگان، نقشه کشي ها، تحقيقات زمين لرزه اي، مطالعات اقليمي و يک بازي خارج از منزل که به نام geocaching شناخته شده است استفاده مي شود.

برنامه هاي کاربردي GPS
اگر چه در ابتدا براي برنامه هاي نظامي و اطلاعاتي در اوايل جنگ سرد در دهه 1960 طراحي شده بود،ولي GPS دردهه 1980 براي استفاده در برنامه هاي غير نظامي منتشر شد. امروزه ميليون ها کاربر از ناوبري ماهواره اي براي يافتن راه خود از نقطهA  به B  استفاده مي کنند.
تصوير GPS واضح ترين برنامه براي GPS ناوهاي ماهواره اي در خودروها، هواپيما و کشتي ها است. اين اجازه را مي دهد تا هر کسي با يک گيرنده GPS سرعت و موقعيت خود را در زمين، هوا و يا دريا با دقت باور نکردني تعيين کند. رانندگان مي توانند از دستگاه هاي ناوبري قابل حمل استفاده کنند تا مسير را دنبال کنند، مشکلات ترافيکي مسيرهاي اطراف را پيدا کنند و با نرم افزارهاي فرعي هشدارهاي ترافيکي و اخطارها را در مکان هاي امنيتي دريافت کنند.
GPS نيز براي استفاده هاي ديگر در دسترس است: مسافرين مي توانند از گيرنده هاي GPS استفاده کنند تا اطمينان حاصل کنند که مسير انتخاب شده خود را دنبال کرده و به نقطه مورد نظر مي رسند. در حالي که گيمرها مي توانند در geocaching شرکت کنند،در واقع يک نوع جست وجوگر گنج عصر ديجيتال است که از سيگنال هاي دقيق GPS براي کمک به بازيکنان براي رديابي يک گنج پنهان استفاده مي کنند.
استفاده از GPS درخدمات اورژانسي، به عنوان مثال، از GPS نه تنها براي يافتن مسير در حوادث ناگهاني حتي قبل از رسيدن به محل وقوع حادثه استفاده مي کنند، وهمچنين به پرسنل مسئول پيگيري اجازه مي دهند به سرعت صحنه حادثه را پيدا کنند. در زماني که موضوع زندگي يا مرگ در ميان باشد اين ويژگي ميتواند براي تيم هاي جستجو و غريق نجات و در شرايط بد آب و هوايي مفيد باشد.
دانشمندان و مهندسان برنامه هايي براي گيرنده هاي GPS در آزمايش هاي علمي و نظارت بر فعاليت هاي زمين شناسي مانند لرزش زمين، زمين لرزه ها و اسرار آتشفشاني دارند. آنها مي توانند از دستگاه هاي  GPSبا موقعيت استراتژيک استفاده کنند تا آنها را در رديابي تغييرات آب و هوايي و ساير پديده ها کمک کند. اساسا هم اکنون مي توان ازGPS براي توليد نقشه هاي بسيار دقيق استفاده کرد.

کاربردهای سیستم GPS


GPS چگونه کار ميکند؟
در سيستم GPS سه بخش وجود دارد: يک مجموعه ماهواره که از 24 تا 32 ماهواره تشکيل شده است و در اطراف زمين و در مدار حدوداً 20000 کيلومتري زمين قرار دارند، يک ايستگاه کنترل اصلي و 4 ايستگاه کنترل و نظارت و يک گيرنده GPS مانند يک دستگاه در داخل اتومبيل.
هر يک از ماهواره هايي که در مدار قرار دارند اجازه مي دهد که گيرنده حداقل 4 ماهواره عملياتي را شناسايي کند. ماهواره ها سيگنال هاي مايکرويو را به گيرنده ارسال مي کنند که در آنجا کامپيوتر از اين سيگنال ها براي محاسبه فاصله دقيق از هر کدام از 4 ماهواره و سپس موقعيت دقيق خود (که به صورت مثلثي شکل نشان داده مي شود) بر روي کره زمين در نزديکترين مکان تا کمتر از چند متر مشخص ميکند.
در حقيقت براي اجراي اين فرايند سه جانبه فقط از خروجي سيگنال از سه ماهواره کافيست. براي محاسبه موقعيت روي زمين بر مبناي فاصله خود با سه ماهواره. سيگنال ماهواره چهارم يک سيگنال اضافه است که براي تاييد محاسبات اوليه استفاده مي شود. اگر موقعيت محاسبه شده از فاصله ماهواره هاي "A-B-D" مطابق با محاسبه بر مبناي ماهواره هاي "A-B-C" نباشد آنگاه ترکيبات ديگر آزمايش مي شوند تا نتيجه سازگار و صحيح به دست آيد.
فرايند اندازه گيري فاصله بين ماهواره تا گيرنده GPS بر مبناي سيگنال بهنگام است. به عنوان مثال دقيقاً در ساعت 16:45 ممکن است ماهواره سيگنال خود را منتشر کند. دستگاه گيرنده GPS هم شروع به اجراي همان توالي تصادفي در ساعت 16:45 به وقت محلي ميکند، اما به صورت توالي منتشر نميکند. وقتي گيرنده سيگنال را از ماهواره هاي مختلف دريافت مي کند، يک زمان تاخير وجود خواهد داشت چرا که مايکرويو يک زمان (که کسري از ثانيه است) را براي انتقال از ماهواره به گيرنده ديجيتال نياز دارد. زمان تاخير به آساني قابل تبديل به فاصله (بين گيرنده تا ماهواره) است. تفاوت کمي بين سيگنال هاي هر ماهواره وجود دارد که از آن براي محاسبه موقعيت گيرنده هاي GPS استفاده مي شود.

نحوه کارکرد سیستم GPS


سيستم GPS از چه سيگنالي استفاده ميکند؟
در حال حاضر بين 27 تا 32 ماهوره موقعيت يابي جهاني (GPS) در مدار زمين قرار دارد. از اين تعداد، سه ماهواره به عنوان پشتيبان هستند. هر ماهواره يک سيگنال GPS مشخصي را ارسال مي کند که با امواج راديويي و در  بخش مايکرويو طيف الکترومغناطيسي منتقل مي شود.
هر ماهواره GPS به صورت پيوسته يک پيام ناوبري با سرعت 50 بيت بر ثانيه را انتشار مي دهد که بر روي فرکانس حامل مايکرويو با فرکانس تقريباً 1600 مگاهرتز است. به عنوان مثال براي مقايسه، راديو FM با فرکانس 87.5 و 108 مگاهرتز و شبکه هاي واي فاي با فرکانس حدود 5000 و 2400 مگاهرتز کار مي کنند. تمام ماهواره ها در فرکانس 1575.42 (در سيگنال L1) و فرکانس 1227.6 (در سيگنال L2) مگاهرتز کار مي کنند.
سيگنال GPS "زمان هفته" دقيق را با توجه به ساعت اتمي که بر روي ماهواره نصب است ارايه مي دهد. شماره هفته GPS و گزارش سلامتي ماهواره به طوري که اگر معيوب باشد مي توان آن را کاهش داد. هر ارسال 30 ثانيه طول ميکشد و 1500 بيت داده را منتقل مي کند. اين مقدار کمي از داده ها با "ترتيب تصادفي سرعت بالا" يا (PRN) که براي هر ماهواره متفاوت است رمزگذاري مي شود. گيرنده هاي GPS کدهاي PRN هر ماهواره را ميشناسند پس تنها نمي تواند رمز گشايي کند اما مي تواند ماهواره هاي مختلف را تشخيص دهد.

سیگنال های مورد استفاده در سیستم GPS

نظرات کاربران
(0)
هیچ دیدگاهی وجود ندارد
دیدگاه خود را بنویسید
*
*