درباره GPS (سیستم موقعیت یاب جهانی)

 سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) یا (Global Positioning System) یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد؛ زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه، باران و نزولات جوی) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول 24 ساعت شبانه روز فعال است و در هر زمان ودر هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.

این سیستم از سال 1983 با پرتاب نخستین ماهواره GPS آغاز به کار نمود. با روی کار آمدن سیستم GPS تمام سیستمهای قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای از قبیل دور بینهای بالستیک، داپلر، N.N.S.S، SLR ،LLR، LONG-C ، SECOR  به تدریج از دور خارج شدند.

گیرنده GPS در تپه های ماسه ای، بیابانها یا سایر فضاهای باز و پهناور که لندفرم های مشخصی ندارند، وسیله ای ضروری می باشد و مشکل برگشت را حل خواهد کرد.

قابل ذکر است که مه و ابر و بارش، تأثیری بر سیگنالهای GPS ندارند و تا زمانی که گیرنده بتواند آسمان بالای سر خودرا به طوری که حداقل با 3 ماهواره در ارتباط باشد، ببیند، قابل استفاده خواهد بود. بنابراین این دستگاه برای غارها، جنگلهای انبوه، تنگه ها یا دره های باریک و مانند آنها، قابل استفاده نیست.

سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) یا (Global Positioning System) از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:

(قسمت اول) از حداقل  30 تا ۳۵ ماهواره تشکیل شده که که کل سطح کره زمین را به طور همزمان پوشش می دهند. هر ماهواره در فاصله ۱۸  تا 20 هزار کیلومتری از سطح دریا بوده و در هر ۲۴ ساعت شبانه روز دو بار به دور کره زمین گردش می کند. ماهواره های نسل آخر که جدید ترین نوع GPS است و سری Block2 و Block3 نامیده می شود، شامل ۱۶ ماهواره است که تا به امروز در مدار خود قرار گرفته اند. این ماهواره ها در یک شبکه با یکدیگر مرتبط می شوند و می توانند پارامترهای حرکتی خود را بدون نیاز به کنترل زمینی تجدید کنند.

برای تعیین موقعیت x و y  یا طول و عرض جغرافیایی (فی و لاندا) حداقل باید 3 ماهواره در آسمان محل باشد.در صورتی که مقدار پارامتر ارتفاع را نیز بخواهیم باید از 4 ماهواره استفاده کرد. امروزه در بعضی مکانهای ایران قادر به دریافت اطلاعات تا 10 ماهواره می باشیم و حداقل به 4 تا 5 ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم.

هر قدر تعداد ماهواره های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت.

* نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که GPS به ما می دهد با ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق می کند. ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشد که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد. مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متر می باشد.

هر ماهواره GPS به طور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:

1) امواج حامل شامل الف: موج حامل L1   ب: موج حامل L2

2)کدهای اطلاعاتی (به صورت دودویی) که شامل الف: کد غیرنظامی (کد C/A) ب: کد دقیق (کد P ) ج: کد سری (کد Y) می باشند.

3) پیام ماهواره (Message) که حامل اطلاعات زیر می باشد:

الف) اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعیت ماهواره می شود.

ب) اطلاعات مربوط به زمان

ج) اطلاعات شماره ماهواره

د) اطلاعات مربوط به ضریب دقت آرایش هندسی  ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و یا اگر زاویه هر دو ماهواره با هم 120 درجه باشد تعیین موقعیت محل دارای دقت بیشتری خواهد بود.)

لازم به ذکر است که بهترین و دقیق ترین گیرنده، گیرنده ایست که قابلیت دریافت کلیه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر یک را به طرقی جداگانه دریافت کند و ارزان ترین گیرنده هم گیرنده ایست که تنها قابلیت دریافت موج حامل L1 ، کد C/A (کد غیرنظامی) و پیام ماهواره (Message) را دارد.

(قسمت دوم) شامل مراکز کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و برای نظارت بر مدار ماهواره ها، همزمان کردن زمان بین ماهواره ها و هماهنگ کردن آنها به کار می رود. البته اطلاعات ارسال شده از ماهواره ها را می توان به راحتی از مراکز کنترل تغییر داد یا کامل تر تجزیه و تحلیل کرد. تعداد این ایستگاههای زمینی 5 عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار دارد و 4 ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند.

(قسمت سوم) سیستم موقعیت یاب جهانی هم همان گیرنده های GPS هستند که اندکی از یک گوشی تلفن همراه بزرگ ترند. جالب اینکه هزینه نگهداری این سیستم موقعیت یاب که شامل افزایش ماهواره های جدید هم می شود، سالانه نزدیک به یک میلیارد دلار است، حال آنکه کاربران هیچ پولی نمی پردازند.

این قسمت شامل دو بخش است:

       الف) آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها

       ب) گیرنده (پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)

نرم افزار و میکروپروسسور داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده را تعیین می کند، سپس با استفاده از حداقل 4 ماهواره موقعیت X و Y و ارتفاع محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می شود.

گیرنده های GPS

    به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد. به طور کلی دقت تعیین مختصات مطلق با سیستم GPS در حال حاضر در بهترین حالت به کمتر از  3± متر می رسد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.

انواع گیرنده های GPS

گیرنده های GPS به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

الف) گیرنده های نظامی       ب) گیرنده های غیر نظامی

گیرنده های نظامی به دلیل امکان استفاده از کلیه کدهای اطلاعاتی (که قبلاً ذکر شد) بسیار دقیق تر از گیرنده های غیرنظامی هستند. دقت گیرنده های دستی معمولی (غیرنظامی) حدود 3 تا 5 متر می باشد. البته برای کارهای دقیق نقشه برداری می توان به دقت در حد میلیمتر دست پیدا کرد. اما همین دقت 3 تا 5 متر گیرنده های دستی عادی هم نیازهای عمومی ناوبری (کوهنوردی و ...) را به خوبی تامین می کند.

نمونه ای از کاربردهای سیستم GPS : پیش بینی  زلزله - پیش بینی وضع هوا - ناوبری (زمینی، هوایی، دریایی) - نقشه برداری - کنترل امور مربوط به حمل و نقل و ترافیک - مین یابی - SCAN کردن دریا و ... .

قیمت گیرنده های GPS  موجود در بازار ایران از 100000 تومان شروع می شود و به 40 میلیون تومان هم می رسد. تعدادی از شرکت های سازنده این گیرنده ها عبارتند از: MAGELLAN, Trimble, Garmin, THALES, Ashtech

معرفی قابلیتهای GPS

گیرنده های GPS انواع مختلفی دارند، اما معمولاً علائم و اصطلاحات آنها شبیه هم است. به عنوان مثال، صفحات اصلی یک گیرنده GPS مدل eTrex Summit از کمپانی Garmin در شکل 1 قابل مشاهده است. در صفحهُ Sky View ، موقعیت ماهواره ها و قدرت سیگنالهای دریافتی از آنها را می توان دید. در صفحهُ Map ، موقعیت مکانی خود و نقاط مورد نظر و یا مسیر طی شده (Track) ، قابل مشاهده است. در صفحه Pointer ، جهت حرکت به همراه سایر اطلاعات جغرافیایی بیان می شود. در صفحه Trip Computer ، سایر اطلاعات سفر مثل زمان و سرعت و ... و در صفحه Elevation ، اطلاعات مربوط به ارتفاع و در صفحه Menu ، تنظیمات دستگاه و داده ها ، قابل بررسی می باشد. 

(شکل ۱)

تعریف واژه ها:

عملکرد  Go To

با استفاده از این عملکرد، گیرنده شخص را به یک waypoint که قبلاً مشخص کرده است هدایت می کند. به این صورت که صفحه نمایش، جهت صحیح حرکت به آن نقطه را نشان می دهد و اطلاعات دیگری که بیان می دارد که حرکت تا چه حد در مسیر صحیح صورت می گیرد. دنبال کردن صفحه نمایش راهنما بسیار آسان است زیرا کافیست در جهتی که اشاره می کند، حرکت صورت گیرد. همچنین اطلاعات دیگر مانند فاصله تا مقصد و زمان رسیدن به آن و ... قابل مشاهده است.

عملکرد Route

 همانطور که گفته شد، Route  تشکیل شده از چند waypoint است که به دنبال هم آمده اند. با انتخاب عملکرد Route  برای ناوبری، شخص این امکان را می یابد که بعد از رسیدن به waypoint اول، به طور اتوماتیک به waypoint  بعدی که قبلاَ در Route تعریف شده، هدایت شود. بدین صورت می توان مسیرهایی که خط مستقیم نیستند و نقاطی دارند که لازم است تغییر جهت داده شود را بصورت Route تعریف کرد و با استفاده از GPS در آن مسیر حرکت نمود.

عملکرد Track back

از آنجا که دستگاه GPS می تواند مسیری را که طی کرده اید به صورت اتوماتیک ثبت کند(Auto Tracking) ، برای استفاده از عملکردTrack back ، می توان از یک Track که قبلاَ ذخیره شده است استفاده نمود؛ به طوری که می توان دوباره آن مسیر طی شده را از مبداَ تا مقصد یا برعکس با کمک GPS طی نمود و دستگاه در این حالت، شما را در مسیر قبلاً طی شده هدایت کرده و میزان انحراف از مسیر را مشخص می سازد.

ضمناً اگر دستگاه شما قادر باشد که نمودار ارتفاع را هم نمایش دهد، مانندeTrex Summit) )، می توانید در صفحه Track Log مربوط به ارتفاع، مسیر طی شده را از لحاظ ارتفاع بررسی کنید.

عملکرد Sight ‘N Go

با استفاده ازاین عملکرد، شخض می تواند که جهت حرکت مستقیم به یک عارضه طبیعی (مثل یک قله) را به صورت چشمی به وسیله GPS علامت گذاری کرده و با قفل شدن این گرا درGPS ، گیرنده شما را همیشه در آن جهت هدایت کرده و همزمان میزان انحراف شما را از مسیر مستقیم منتهی به آن نقطه Off course بر روی صفحه Pointer ، نشان می دهد.

قطب نما و ارتفاع سنج:

در اغلب گیرنده های معمولیGPS ، اطلاعات جهت حرکت و میزان ارتفاع، توسط سیگنالهای ماهواره به دست می آیند؛ به طوری که برای داشتن اطلاعاتی مانند قطب نما، حتماً بایستی شخص حرکت کند (حداقل چند متر) تا گیرنده بتواند جهت شمال و جنوب را به طور صحیح نشان دهد. اما گیرنده هایی هم هستند که مجهز به قطب نمای الکترونیکی مغناطیسی هستند و بدون نیاز به سیگنال ماهواره و حرکت کردن، جهت شمال و جنوب را نشان می دهند.

در مورد سنجش ارتفاع، گیرنده باید حداقل با 4 ماهواره در ارتباط باشد تا بتواند ارتفاع را محاسبه کند که البته معمولاً دقت آن کمتر از مختصات افقی می باشد؛ اما گیرنده هایی هم تولید شده­اند که دارای سنسور ارتفاع سنج بارومتریک هستند و می توانند بدون نیاز به ماهواره هم ارتفاع را نشان داده و حتی با وارد کردن ارتفاع صحیح نقاطی که برای ما مشخص است، درجه بندی شوند
.

گردآورنده: حمیده میرحسین زاده

منابع:

http://toutal.mihanblog.com/post/84

http://pezeshkan.org/?p=13118

http://www.irandeserts.com/55.htm