جی پی اس چیست و چگونه کار میکند؟

جی‌پی‌اس یا سیستم موقعیت‌یاب جهانی ، یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهوارهای است که از شبکه‌ای با حداقل ۲۴ ماهواره تشکیل شده است. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده‌اند. جی‌پی‌اس در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد.خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام شبانه‌روز در دسترس است و استفاده از آن رایگان است. علاوه بر جی‌پی‌اس، دو سیستم کمابیش مشابه دیگر نیز وجود دارد: سیستم گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌ دست کشور روسیه اداره می‌شود و سیستم گالیله که کشورهای اروپائی آن را برای وابسته نبودن به سیستم آمریکائی جی‌پی‌اس ساخته اند.گلوناس (GLONASS):گلوناس یا سامانه هدایت ماهواره‌ای در دوران حاکمیت شوروی و در واکنش به سامانه موقعیت یابی جهانی آمریکا جی پی اس ایجاد شد. این سامانه در ابتدا ۲۴ ماهواره داشت، اما پس از فروپاشی شوروی در سال ۱۹۹۱ شمار آنها رو به کاهش نهاد.ماهواره های جی پی اساین سیستم مجمو عه ای از ۲۷ ماهواره است که به دور زمین در حال چرخشند. ۲۴ ماهواره در حال کار هستند و ۳ ماهواره اضافی هم هنگام بروز مشکل برای هر کدام از ماهواره های اصلی فعال می شوند. فاصله ماهواره ها تا زمین حدود ۱۲۰۰۰ مایل است. سرعت این ماهواره ها معادل ۷۰۰۰ مایل در ساعت می باشد. هر ماهواره دقیقا طی ۱۲ ساعت یک دور کامل به دور زمین می‌‌گردد. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تامین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی نیز برای زمان های خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به‌ همراه دارند. راکت های کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت. در سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددی NAVSTAR تکمیل گردید. عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است که پس از آن جایگزین می‌گردد. هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد و طول باتری‌های خورشیدی آن ۵٫۵ متر است. انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است.نحوه کار جی پی اسماهواره‌های این سیستم، در مدارهای دقیق هر روز ۲ بار به ‌دور زمین می‌‌گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می‌کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می‌کنند. این محاسبه بر اساس قاعده ای ساده در ریاضیات که به آن trlateration گفته می شود، انجام می گردد. گیرنده GPS بر اساس همین اصل سه بعدی و با محاسبه فاصله خود از چهار ماهواره موقعیت خود را تشخیص می دهد. به این ترتیب که اگر به مرکز هر ماهواره و به شعاعی که GPS از آن فاصله دارد، یک کره فرضی در نظر بگیریم GPS روی سطح هر کدام از این کره ها قرار می گیرد. بنابراین محل GPS محل تلاقی چهار کره فرضی است که دقیقا یک نقطه را مشخص می کنند. محل تلاقی دو کره یک دایره، محل تلاقی کره سوم با دو کره قبلی دو نقطه و محل تلاقی کره چهارم با سه تای قبلی یک نقطه را مشخص خواهد کرد. از کره زمین هم می توان به عنوان یکی از این کره ها استفاده کرد چرا که از دو نقطه ای که از محل تلاقی سه کره بدست می آید.معمولا فقط یکی روی سطح زمین خواهد بود به این ترتیب برای پیدا کردن موقعیت حتی سه ماهواره هم کافی است ولی برای بدست آوردن دقت بیشتر از تعداد بیشتری (حداقل چهار ماهواره) استفاده می شود. جی پی اس برای اندازه گیری فاصله خود از ماهواره ها از سیگنال های رادیویی استفاده می کند. این سیگنال ها که در حقیقت امواج الکترومغناطیس هستند با سرعت نور حرکت می کنند. اگر گیرنده بتواند مدت زمانی را که این سیگنال ها در راه بوده اند را محاسبه کند می تواند فاصله اش از هر ماهواره را تشخیص دهد. ماهواره ها از زمان مشخصی (مثلا نیمه شب) شروع به ارسال یک دنباله از کدها می کنند. گیرنده GPS هم از همان زمان ایجاد این دنباله از کدها را شروع می کند.هنگامی که سیگنال ارسالی از طرف ماهواره که حاوی آخرین کد در زمان ارسال است به GPS می رسد. GPS بر اساس دنباله کدهای خود می تواند متوجه تاخیر زمانی کد دریافتی شده و به این ترتیب زمان سپری شده را محاسبه می کند. حاصل ضرب این زمان در سرعت انتشار امواج فاصله GPS از ماهواره است، پس از بدست آمدن فاصله از چند ماهواره موقعیت در روی زمین توسط GPS تشخیص داده می شود.هر گیرنده برای 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، مسیر پیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.انواع گیرنده جی پی اسدستگاههای GPS در سه گروه زیر تقسیم بندی می شوند:۱) GPS MOUSE: هیچ صفحه یا دکمه ای ندارد اما توسط یک pc Laptop با نرم افزار مربوطه قابل استفاده سرویس GPSS می باشد. دستگاه های این گروه مانند: Garmin GPS 35 Delorme یا Rand Macnalley (با قیمت های پایین تر) قیمت این GPS ها حدود ۷۵ تا ۱۵۰ دلار آمریکا متغیر می باشد. ولی فراموش نکنید که این نوع GPS ها حتماً به Laptop pc نیاز دارند.۲) Hand-Held GPS: این نوع دستگاهها می توانند بصورت سیار مورد استفاده قرار گیرند آنها خودشان یک‌صفحه کوچک جهت نمایش اطلاعات و چند دکمه دارند و در شکل ها و ترکیب های مختلفی عرضه می‌شوند و هیچگونه نیازی به Laptop ندارند. که بطور مثال می توان مدل‌های با قیمت پائین Garmin شبیه Etrex, GPS12*l , GPS12 یا مدل های ۳۱۵, ۳۱۰ از Magellan را نام برد. تعدادی از اینها یک رابط NMEA و یک کابل رابط دارند قیمت با کابل ممکن است حدود ۲۱۰ 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 می باشد، حتی برای سرگرمی یا کار یا آشنایی شما با طرز کار و خدمات GPS.۳) High-End GPS products: این دستگاه ها شامل یک صفحه نمایشگر بزرگتر و تعدادی نقشه می باشند و در بعضی از آنها شما بایستی مبلغ بیشتری جهت نقشه ها بپردازید. قیمت این دستگاه ها ممکن است بسته به نوع محصول بالاتر از ۱۵۰۰ دلار آمریکا باشد که نمونه هایی از آن مانند Blaupunkt PhihPs و Alpine می باشد.از کاربرد های مهم ماهواره های موقعیت یابی ، میتوان به استفاده در دستگاه های ردیاب خودرو اشاره کرد.