آب و هواشناسی Climatology
آب و هواشناسی- اقلیم ایران - تغییر اقلیم - اوزون - مطالب جالب و مفید - سخن بزرگان
۱۳٩٠/٢/٢٩ :: ٩:٠٧ ‎ب.ظ ::  نويسنده : سعید براتی

مقدمه: از گذشته موقعیت‌یابی جزو یکی از دغدغه‌های انسان بوده است. از گذاشتن سنگ‌چین گرفته تا محاسبات نجومی پیشرفته همه با هدف موقعیت‌یابی بوده است. امروزه با ورود تکنولوژی‌های نوین و به ویژه تکنولوژی‌های فضایی و ICT این امر به راحتی و سهولت قابل اجرا می‌باشد. همه شما با کلمه GPSآشنایی نسبی دارید، به ویژه در این روزها که کم‌کم این دستگاه وارد زندگی ما ایرانیان نیز شده و GPS در بازارهای کشور ما به فروش می‌رسد و استفاده از این دستگاه را در زندگی روزمره هم مشاهده می‌کنید. برای مثال چندی است بخشی از تاکسی‌های ویژه بانوان به این دستگاه مجهز شده‌اند و یا اینکه کلیه وسایل حمل و نقل عمی موظف به نصب آن شده‌اند در این مقاله نگاه مختصری داریم به این دستگاه و طرز عمل آن.

سیستم مکان‌یاب جهانی (
Global Positioning Systems) یا GPS یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره‌ای است که از شبکه‌ای با ۲۴ ماهواره ساخته شده است و در سال 1994 تمامی 24 ماهواره در مدار زمین قرار گرفت. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده با نام «ناو استار» و با بودجه‌ای بیش از 12 بیلیون دلار ساخته و اولین آنها در سال 1978 با موفقیت به فضا پرتاب شد و در مدار قرار داده شده است. این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده همگانی از آن آزاد و آغاز شد.


خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعت شبانه‌روز در دسترس است. پدیدآوردنگان این سیستم، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته‌اند و استفاده از آن کاملا رایگان می‌باشد. امروزه در کشورهای توسعه یافته از این سیستم جهت کمک به راهبری خودرو، کشتی و انواع وسایل نقلیه دیگر بهره‌گیری می‌شود. هر چه نقشه‌های منطقه‌ای که در حافظه گیرنده بارگذاری می‌شود دقیق‌تر باشد، سرویس‌هایی که از GPS می‌توان دریافت داشت نیز بهتر می‌شود.

برای نمونه می‌توان از
GPS مسیر نزدیک‌ترین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را پرسید و مسیر پیشنهادی را دنبال کرد. دقت مکان‌یابی این سیستم در حد چند متر است که بسته به کیفیت گیرنده تغییر می‌کند. از سیستم مکان یاب جهانی می‌توان در کاره‌هایی چون نقشه‌برداری و مساحی، پروژه‌های عمرانی، کوهنوردی، کایت سواری، سفر در مناطق ناشناخته، کشتی‌رانی و قایقرانی، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمین‌لرزه و هر فعالیت دیگر که نیازمند محل‌یابی باشد، بهره برد.

تاریخچه GPS:

تقریباً در اواسط دهه ۶۰ وزارتخانه‌های دفاع برخی از کشورها متوجه شدند که سیستم‌های ناوبری آن زمان از دقت مطلوبی برخوردار نیستند و به طور طبیعی، چشم‌ها به سمت فضای نزدیک زمین دوخته شد. اولین سیستم ناوبری ماهواره‌ای «ترنسیت» نام داشت. این پروژه وزارت دفاع آمریکا از شش ماهواره تشکیل شده بود و از مختصات خاصی بهره می‌برد. ماهواره بر روی یک مسیر خاصی حرکت کرده و بر روی فرکانس مشخصی، امواج را ارسال می‌نمود و یک سیگنال با یک فرکانس مشخص به گیرنده‌ها می‌رسید و موقعیت مکانی با اندازه‌گیری تغییر فرکانس محاسبه می‌شد. ماهواره‌ها امکان تغییر موقعیت هر نقطه از کره زمین را در هر یک ساعت و نیم و با دقتی برابر با ۲۰۰ متر فراهم می‌نمودند.

سیستم ماهواره‌ای  ترنسیت  تا سال ۱۹۹۶ به حیات خود ادامه داد. تولد سیستم موقعیت‌یابی جهانی یا به اختصار GPS در سال ۱۹۷۳ اتفاق افتاد. یعنی زمانی که وزارت دفاع آمریکا هماهنگ‌سازی سیستم‌های ناوبری را آغاز نمودند. زیرا سازمان‌های مختلف سیستم‌های متفاوتی را ایجاد کرده بودند که اکثراً با یکدیگر منطبق نبودند. این سیستم جدید تفاوت‌های مهمی با ترنسیت دارد، هر ماهواره چند ساعت اتمی با خود همراه دارد، موقعیت خود را همراه زمان دقیق، به صورت یک سیگنال ارسال می‌کند و سیستم ناوبری کاربر زمان استخراج شده از این سیگنال را مقایسه کرده و در سه نقطه موقعیت‌یابی می‌کند. ضمناً احتیاجی به هیچ گونه ساعت دقیقی در گیرنده نیست. تنها وقت در دوره‌های زمانی کوتاه مورد نیاز است.

GPS از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟

سیستم موقعیت جهانی از سه بخش مجزا تشکیل شده است. اولین بخش سیستم شامل 24 ماهواره است که در 20000 کیلومتری بالای زمین در مدار مدور 12 ساعته می‌چرخند. این بدین معنی‌ست که هر ماهواره 12 ساعت برای چرخش کامل به دور زمین به کار برده می‌شود. به منظور کسب اطمینان از اینکه ماهواره‌ها قادر به ردیابی و تشخیص در هر نقطه از روی سطح زمین باشند، آنها به شش گروه چهارتایی تقسیم می‌شوند.

هر گروه مسیر متفاوتی را برای را دارد. این امر باعث ایجاد صفحات مداری متفاوتی 6 گانه که به طور کامل زمین را احاطه می‌کنند می‌شود. این ماهواره‌ها علائم رادیویی به زمین ارسال می‌دارند که شامل اطلاعاتی درباره زمین است. با استفادده از دریافت کننده زمینی GPS، این علائم دریافت و ارتفاع، طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی (موقعیت جهانی) دریافت کننده را تعیین می‌کند. علائم رادیویی در 2 فرکانس با باند کوتاه فرستاده می‌شود (L-bond) باند کوتاه به فرکانس‌های بین 390 تا 1550 مگاهرتز (MHz) اشاره می‌کند.

در هر علامت، توالی کدگذاری شده‌ای ارسال می‌شود. با مقایسه توالی دریافت شده با توالی اصلی، دانشمندان قادر به تعیین میزان مسافت طی شده علامت از ماهواره به زمین هستند. تأخیر علامت در شناسایی و مطالعه لایه‌های جوی که سطح زمین را احاطه کردند (یونوسفر و تروپوسفر) مفید هستند. علامت سومی نیز از ماهوراه به زمین ارسال می‌شود که شامل داده‌هایی درباره سلامت موقعیت ماهواره است.

دومین بخش سیستم GPS ایستگاه زمینی است که مانند وسائل مخابراتی ارسال کننده داده‌ها به مرکز داده‌ها، شامل یک دریافت‌کننده و آنتن است. آنتن تک جهته در هر محل، که بیشتر شبیه به آنتن رادیویی یک ماشین عمل می‌کند، علائم ماهواره‌ای را جدا و بصورت جریان‌های الکتریکی به محل دریافت کننده ارسال می‌کند. سپس دریافت کننده علائم را به کانال‌های طراحی شده برای یک ماهواره و فرکانس خاص در زمانی خاص، جدا می‌کند.

زمانی که علائم تفکیک شده باشد،‌ دریافت کننده می‌تواند آنها را کدگذاری کرده و به فرکانس‌های مجزا تبدیل کند. با این اطلاعات دریافت کننده موقعیت عمومی آنتن را تشخیص می‌دهد (طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع). بعد از آن، داده‌های جمع‌آوری شده توسط دریافت کننده می‌تواند مجدداً توسط دانشمندان فرآوری شده و چیزهای متفاوتی از آنها مانند سری موقعیت‌های دیگر مطابق با همان آنتن و با دقت میلی‌متری، بدست می‌آید.

سومین بخش سیستم، مرکز داده‌ها است. نقش مرکز داده‌ها دو جنبه دارد. این بخش هم ایستگاه‌های GPS جهانی را کنترل می‌کند و هم برای تحلیل و اصلاح داده‌ها از دریافت کننده آن ایستگاه‌ها، از سیستم‌های کامپیوتری خودکار استفاده می‌کند. با کار بر روی داده‌های خام و ایجاد داده فرآوری شده دانشمندان جهان قادرند از آن برای کارهای متفاوت استفاده کنند. تا زمانیکه محل‌های GPS جهانی توسط مرکز متفاوت در سراسر دنیا ساخته و اداره می‌شوند، مکان‌های مرکزی داده‌های متفاوت زیادی وجود دارد.

GPS جگونه کار می‌کند؟

اصول اساسی GPS واقعاً‌ بسیار ساده است، اگر چه سیستم برخی از پیشرفته‏ترین ابزارهایی که تا حال ساخته شده را به کار می‏گیرد. برای درک آن باید سیستم را به پنج بخش حیاتی تقسیم کنیم:
1-  مثلث‏بندی (اندازه‌گیری به روش مثلث‏بندی) با ماهواره‏ها اساس سیستم است.
2- برای اندازه‏گیری مثلث‏بندی،
GPS فاصله را توسط زمان طی مسیر به وسیله یک پیام رادیوئی اندازه می‏گیرد.
3-  برای اندازه‏گیری زمان طی مسیر،
GPS به ساعت‏های بسیار دقیقی نیاز دارد.
4- وقتی که شما فاصله تا ماهواره را دانستید باید بدانید که ماهواره در کجای فضا قرار دارد.
5- هنگامی که پیام
GPS از یونیسفر و جو ‌زمین عبور می‏کند در آن تاخیر به‏وجود می‏آید.

دستگاه گیرنده GPS هم یک دستگاه صرفاً گیرنده می‌باشد که اطلاعات به دست آمده از ماهواره‌های اطراف زمین را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و PIV شما را محاسبه می‌کنند. P=Position منظور موقعییت شما در هر نقطه از کره خاکی و فضای اطراف آن است، T= Time منظور زمان محلی دقیق و با دقت فوق‌العاده بالا در همان منطقه‌ای که شما هستید و V=Velocity منظور سرعت لحظه‌ای شماست که آن را با دقت فوق العاده بالا محاسبه می‌کند.

گیرنده‌های GPS اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را روی کره زمین محاسبه می‌کنند. در واقع گیرنده زمان فرستاده سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌کند. از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌گردد. حال این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز در می‌بابد.

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 نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطاعات مفید دیگر می‌نماید.

 ماهواره‌ای GPS:

 24 ماهواره در بخش‌های مختلف فضای زمین در مداری خاص با فاصله حدود 12000 مایلی بالای سر ما قرار گرفته است. آنها با یک سرعت ثابت در حرکتند و هر ماهواره دقیقا طی ۱۲ ساعت با سرعت ۱۱ هزار کیلومتر بر ساعت یک دور کامل به دور زمین می‌گردد. وزن هر ماهواره GPS حدود 907 کیلوگرم است و ابعاد آن 18/5 متر است. هر ماهواره برای 10 سال مأموریت ساخته می‌شود و پس از طی این زمان حتماً بایستی ماهواره دیگری جایگزین گردد. انرژی ماهواره‌های GPS از طریق صفحه‌های خورشیدی تعمین می‌شود.

هچنین آنها مجهز به باطری‌های قابل شارژ اتوماتیک برای زمان‌های بارندگی یا خورشید گرفتگی می‌باشند که در آن زمان هم پروسه تامین انرژی مختل نشود. همچنین
 
rocket booster‌های کوچک روی هر ماهواره آنها را در یک مسیر پروازی صحیح نگهداری می‌کنند. برای تنظیم دقیق زمان هم در داخل هر کدام از این ماهواره‌ها 4 ساعت اتمی قرار داده‌اند تا مطمئن باشیم که در یک لحظه بخصوص حداقل یکی از آنها کار می‌کند.

دسته‌بندی دستگاه‌های GPS:

بسته به نوع مصرف و بودجه می‌توانید از گستره زیادی از گیرنده‌های GPS بهره ببرید. همچنین، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب و به روز (up-to-date) برای منطقه مورد استفاده‌تان، اطمینان حاصل کنید. امروزه بهای گیرنده‌های GPS بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده و هم اکنون در اروپا انواع معمولی این گیرنده‌ها را با بهایی برابر با یک گوشی متوسط موبایل نیز می‌توان تهیه کرد. بطور کلی یک GPS را می‌توان از یکی از 3 گروه ذیل دانست:

GPS MOUSE : این نوع دستگاه هیچ صفحه یا دکمه‌ای ندارد اما توسط یک pc Laptop با نرم‌افزار مربوطه قابل استفاده سرویس GPS می‌باشد. دستگاه‌های این گروه با قیمت‌های پایین‌ترقابل خرید و فروشند و قیمت این GPSها حدود 75 تا 150 دلار آمریکا متغیر می‌باشد. ولی فراموش نکنید که این نوع GPSها حتماً به Laptop یا pc نیاز دارند.

Hand-Held GPS :این نوع دستگاه‌ها می‌توانند به صورت سیار مورد استفاده قرار گیرند. آنها خودشان یک صفحه کوچک جهت نمایش اطلاعات و چند دکمه دارند و در شکل‌ها و ترکیب‌های مختلفی عرضه می‌شوند و هیچگونه نیازی به Laptop ندارند. تعدادی از اینها یک رابط NMEA و یک کابل رابط دارند قیمت با کابل ممکن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممکن است بعضی از کشورها ارزان‌تر هم موجود باشد. یک GPS دستی ارزان قیمت با یک کابل رابط برای انتخاب و آغاز کار با GPS مناسب می‌باشد، حتی برای کار یا آشنایی شما با طرز کار و خدمات GPS.

 
High-End GPS products: این دستگاه‌ها شامل یک صفحه نمایشگر بزرگ‌تر و تعدادی نقشه می‌باشند و در بعضی از آنها شما بایستی مبلغ بیشتری جهت نقشه‌ها بپردازید. قیمت این دستگاه‌ها ممکن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500 دلار آمریکا باشد.

 

 



موضوع مطلب : سیستم مکان‌یاب جهانی




موضوعات
پيوندها
RSS Feed