جی پی اس , کاربرد ها و ویژگی ها

مقدمهجی‌پی‌اس یا سیستم موقعیت‌یاب جهانی (Global Positioning Systems)، 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.قطب نماهایی که با نیروی مغناطیسی زمین جهت یابی می‌‌کنند، به تدریج جای خود را به گیرنده‌های جی‌پی‌اس خواهند داد؛ جی‌پی‌اس، سامانه‌ای است که به کمک گروهی از ماهواره‌ها جهت یابی می‌‌کند. ماهواره‌هایی که هرکدام در مدارهای خود به دور زمین در گردشند؛ این ماهواره‌ها با ایستگاه‌های ویژه‌ای بر روی زمین در تماس اند و همواره موقعیت آن‌ها در فضا مشخص است. دستگاه گیرنده جی‌پی‌اس شما، با ارتباط با تعدادی از این ماهواره ها، فاصله شمارا تا آن‌ها تعین می‌‌کند و سپس موقعیت دقیق شما روی زمین بدست می‌‌آید.در واقع اساس کار این سامانه، فرستادن سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بالا و به طور پیوسته است که زمان و مکان ماهواره را نسبت به زمین مشخص می‌‌کند و یک گیرنده جی‌پی‌اس روی زمین، با گرفتن این اطلاعات از سه ماهواره یا بیشتر، آن‌ها را پردازش می‌‌کند و موقعیت کاربر را در هر نقطه زمین، در هر ساعتی از شبانه روز و در هر وضعیت آب و هوایی به او نشان می‌‌دهد.با چندین اندازه گیری متعدد، گیرنده به محاسبه سرعت، مدت زمان سفر، فاصله شما تا مقصد، مختصات جغرافیایی (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا)، زمان طلوع و غروب خورشید و ماه (در تقویم نجومی)، تعداد ماهواره ها، زمان محلی و ... می‌‌پردازد و آن را در اختیار کاربر قرار می‌‌دهد. به طور میانگین، هشت ماهواره از 24 ماهواره، در اطراف هر نقطه از کره خاکی که باشید در آسمان گشت می‌‌زنند.هرچه گیرنده شما به ماهواره‌های بیشتری وصل شود، اطلاعات دقیق تری را برای شما محاسبه می‌‌کند. جی‌پی‌اس، در ابتدا تنها استفاده نظامی داشته است، ولی از سال 1980 به بعد تصمیم گرفته شد تا از آن در فعالیت‌های غیر نظامی هم استفاده شود ؛ تا جایی که امروزه حتی در ماهی گیری و شکار هم مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده‌اند.علاوه بر جی‌پی‌اس، دو سیستم کمابیش مشابه دیگر نیز وجود دارد: سیستم گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود و سیستم گالیله که کشورهای اروپائی آن را برای وابسته نبودن به سیستم آمریکائی جی‌پی‌اس ساخته اند.ماهواره‌های جی پی اس۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس در مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقاً طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تأمین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.در اینجا به برخی مشخصه‌های جالب این سیستم اشاره می‌‌کنیم:* اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود 42 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.جی‌پی‌اس چگونه کار می‌کند؟ماهواره‌های 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. در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال از ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌‌کند. از اختلاف این دو زمان، فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌‌گردد. این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با تقریب ناچیز معین می‌‌کند.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 اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.امواج ماهواره ها متشکل ازامواج حامل باند L مدوله شده با یک کداستاندار کد C/A و یک کد دقیق کد P و یک کد دریانوردی ومختصات ماهواره به صورت توابع زمانی می باشد که در بر آن گیرنده های شخصی تفاوتهای زمانی بین وردوی کدهای C/A را اندازه گیری میکنند اگردراثر دخالت کنترل زمینی در انطباق زمانی خطایی بوجود نیاید گیرنده های شخصی از دقتی حدود 15 متر برخوردار خواهند شد.گیرنده های شخصی میزان خطا را تشخیص نمی دهند. بلکه بطورتصادفی بین 15تا 100 متر دقت تغییر می یابد .البته دخالت عمدی برروی گیرنده های نظامی اثر نمی گذارد .منبع خطای دیگر وجود که برروی فرکانس سیگنال گیرنده های شخصی اثرمی گذارد که دخالت یونسفر نامیده می شود .زمانی که یک سیگنال رادیویی ازبین الکترونها ی آزاد یونسفر عبورمی کند تاخیر اندکی بوجود می آید برحسب مدت زمانی تاخیر که بوسیله الکترون های آزاد بوجود می آید ماهواره‌های GPS کد P را روی دو موج رادیویی با فرکانس های مختلف ارسال می کند که L1,L2 نامیده می شود .یک سیگنال به هنگام عبور از یونسفر بیشتر از دیگری به تاخیر می افتد.روش تعیین موقعیت توسط GPSاگر فاصله ما از ماهواره 1 در حدود 10 کیلومتر باشد بنابراین مکان ما در فضا بر محیط دایره به مرکزیت ماهواره و شعاع 10 کیلومتر منطبق می باشد حال فرض می کنیم فاصله ما از ماهواره 2 درحدود 11 کیلومتر باشد در این حالت نیز مکان ما در فضا بر روی محیط کره ای به مرکز ماهواره 2 و شعاع 11 کیلومتر واقع است فصل مشترک این دو کره می تواند یک دایره باشد که مکان ما بطور قطع بر روی محیط این دایره قرار دارد .حال اگر ماهواره سوم را نیز درنظربگیریم که فاصله اش با ما 12 کیلومترباشد در این صورت فصل مشترک کره مربوط به ماهواره 3 با فصل مشترک کره های ماهواره ای 1و 2 حداکثر دو نقطه می باشد که قطعاً یکی از این دو تعیین مکان واقعی ما خواهد بود. اما بطور قطعی یکی از این دو نقطه نامعقول می باشد .از نظر تئوری با استفاده از 3 ماهواره می توانیم مکان خود را به دست آوریم ولی به دلیل فنی اگر چنانچه ماهواره چهارم را همانند ماهواره های 1و 2 انتخاب کنیم بطور قطع فصل مشترک این چهار کره یک نقطه خواهد بود و این نقطه مختصات مکانی ما را نشان می دهد.روش محاسبه مسافت از ماهوارهدر سیستم موقعیت یاب جهانی GPS قدم اساسی دانستن میزان مسافت از ماهواره است بنابراین استفاده از تکنیک های پیشرفته به منظور محاسبه مسافت امری اجتناب ناپذیر است ایده اصلی این موضوع بر اساس همان معادله سرعت نور در مدت زمان تاخیر استوار است سیستم GPS بدین صورت کارمی کند که گیرنده کاربر مدت زمانی را که طول میکشد تا امواج رادیویی ازماهواره به او برسد را اندازه گیری می کند.همانطور که می دانید امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می کند و بدین ترتیب با حاصل ضرب اندازه گیری شده در سرعت نور مسافت خود را تا ماهواره بدست می‌آورد و این کار حداقل بایستی برای 3 ماهواره مشخص، صورت گیرد بنابراین باید برای اندازه گیری زمان رسیدن به سیگنال از ساعتهای خیلی کوتاه باشند زیرا امواج با داشتن سرعت نور خیلی سریع حرکت می کنند.چرا جی پی اس ها دچار خطا می شوند؟سیستم NAVSTAR دارای دقت بسیار بالایی است و به گونه ای طراحی شده تا دقیق ترین اطلاعات را در اختیار شما بگذارد. اما هماطنور که گفته شد هدف از اختراع جی پی اس کاربرد های نظامی بود، به همین دلیل راه هایی برای از کار انداختن آن نیز به وجود آمد. در ادامه به برخی از مهم ترین عوامل تاثیر گذار در خطای جی پی اس را معرفی می کنیم.1-سیگنال هایی که از طریق آن اطلاعات به ایستگاه زمینی می رسد بسیار آهسته هستند و گاهی شرایط بد اتمسفرها موجب به وجود آمدن خطا در ارسال اطلاعات می شوند.2-عواملی مانند وجود ساختمان های بلند انتقال اطلاعات را به ایستگاه های زمینی زمان بر می کند.3- در برخی مواقع دیده شده که موقعیت گزارش شده توسط ماهواره ها به درستی گزارش نمی شود این مسئله گاهی به این دلیل است که موقعیت مکانی کاربر دور از دسترسی ماهواره هاست.4- در بیشتر مواقع جی پی اس ها ردیابی مسیرهایی مانند زیر زمین و زیر آب را پوشش نمی دهد و در این شرایط هم کاربر با پیغام خطا مواجه می شود.مزایای سیستم GPS× دقت بسیارزیاد در موقعیت یابی× داشتن پوشش جهانی× دارا بودن زمان بندی دقیق× نداشتن هیچ گونه هزینه برای استفاده کنندگان× تعیین سرعت در سه محور مختصات× قابلیت دسترسی همیشگی× قابلیت کاربردی در هرشرایط آب وهوایی× عدم محدودیت در بکارگیری همگانی× دقت نسبی IPPM برای طولهای کوتاه از1 تا 100 کیلومتر.× تعیین سرعت در سه محور , زمان , تعیین فاصله سمت و گرای و نقطه مبداء و مقصد× توانایی دید همزمان با یک گیرندهانواع گیرنده‌های جی‌پی‌اسگیرنده‌های جی‌پی‌اس انواع گوناگونی دارند و انتخاب هرکدام از آن‌ها بستگی به موارد استفاده شما دارد؛ برای نمونه این که می‌‌خواهید در داخل خودرو آن را نصب کنید یا اینکه آن را در کوله پشتی خود قرار دهید گزینه‌های متعددی را پیش روی شما می‌‌گذارد.گیرنده بیسیک جی‌پی‌اس : این گیرنده‌ها در واقع از ساده‌ترین و کم قیمت‌ترین گونه‌ها هستند (اغلب کمتر از $100) یک گیرنده بیسیک (پایه) می‌‌تواند بسیار دقیق تر از گیرنده‌های گران قیمت باشد، اما باید این مساله را هم در نظر داشت که این گیرنده‌ها بسیاری از ویژگی‌های دستگاه‌های گران قیمت را ندارند. ویژگی قابل توجهی که کمبود آن بیشتر حس می‌شود، نداشتن قابلیت نقشه برداری یا Mapping است- موقعیت یابی؛ تعیین طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی که در واقع ویژگی اصلی یک گیرنده جی‌پی‌اس است.- تعیین جهت؛ با یک قطب نما ی الکترونیکی.- تعیین ارتفاع از سطح دریاهای آزاد؛ البته باید توجه داشت که دقت در اندازه گیری ارتفاع به خوبی دقت در موقعیت یابی نیست.- زمان دقیق.- موقعیت ماهواره‌ها و قدرت سیگنال ها.- توانایی محاسبه مسافت پیموده شده.- توانایی ذخیره سازی مسیر پیموده شده ؛ که با استفاده از نقطه گذاری در صفحه نمایشگر انجام می‌شود.- توانایی هدایت و مسیر یابی.- یافتن مسیری که در گذشته آن را پیموده اید.• گیرنده‌های دستی جی‌پی‌اس _ نقشه بردار: همانطور که از نام این گیرنده بر می‌‌آید گیرنده نقشه بردار از قابلیت نمایش نقشه برخوردار است. این گیرنده‌ها ابعاد بزرگ تری نسبت به گیرنده‌های قبلی دارند. با اتصال این گیرنده به یک رایانه شخصی نقشه دلخواهتان را به گیرنده می‌‌دهید. جزئیات نقشه نیز بستگی به اندازه و نیز رزولوشن نمایشگر دارد. این گیرنده‌ها فشارسنج، قطب نمای الکترونیکی، بازی و سالنامه هم دارند. اگرچه این گیرنده‌ها باید خیلی گران قیمت تر از نمونهٔ قبلی باشند، ولی افزایش قیمت نسبتاً کمی دارند و افزودن یک نمایشگر بزرگ تر برای شرکت تولید کننده هزینهٔ زیادی را در بر ندارد. قیمت این گیرنده‌ها از 150 دلار آمریکا شروع می‌شود. • گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای خودرو: این گیرنده‌ها بزرگ تر از گیرنده‌های دستی هستند و نمایشگری نسبتاً بزرگ دارند تا راننده در هنگام رانندگی به سادگی آن را بخواند. این گیرنده‌ها با استفاده از برق خودرو کار می‌کنند و بنابراین تنها در داخل خودرو قابل استفاده هستند. ویژگی جالبی که معمولاً در این دستگاه‌ها وجود دارد، راهنمایی‌های صوتی دستگاه است و به راننده اجازه می‌‌دهد بدون اینکه چشم خود را از جاده بردارد، با گوش دادن به صدای دستگاه طبق نقشه پیش برود. قیمت این دستگاه از 500 دلار آمریکا شروع می‌شود. • گیرنده جی‌پی‌اس برای یک دستگاه پی‌دی‌ای: برتری استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای (PDA) به ‌عنوان یک جی‌پی‌اس ، نمایشگری بزرگ است که افزون بر راحتی در مطالعه نقشه، جزئیات بیشتری را نیز قابل مشاهده می‌‌سازد. همچنین همانند جی‌پی‌اس‌هایی که در داخل خودرو نصب می‌‌شوند، می‌‌توانند به صورت صوتی راهنمایی کنند. برای استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای به‌عنوان جی‌پی‌اس و اتصال پی‌دی‌ای به گیرنده جی‌پی‌اس چندین راه مختلف وجود دارد:- استفاده از Sleeve : وسیله‌ای است که با قرار دادن پی‌دی‌ای در آن، عملکردهای متفاوتی را می‌‌توان برای پی‌دی‌ای فراهم ساخت. برای این کار به حافظه CF و یا اسلات PCMCIA هم احتیاج داریم. یک Sleeve می‌‌تواند کارت حافظه اضافی، باتری اضافی، یک دوربین و یک تلفن را به دستگاه شما متصل کند و مهم تر از همه به‌عنوان یک گیرنده جی‌پی‌اس برای دستگاه شما عمل کند. همچنین یک اسلات CF دیگر هم برای شما فراهم می‌‌کند که این اجازه را به شما می‌‌دهد تا بتوانید به کارهای دیگری در کنار استفاده از جی‌پی‌اس بپردازید. عملکرد یک Sleeve جی‌پی‌اس درست همانند عملکرد یک CF جی‌پی‌اس است.- حافظه CF: یکی از حافظه‌های متداول برای پی‌دی‌ای است که می‌‌تواند مستقیما به‌وسیله اسلات مخصوص CF که در پی‌دی‌ای وجود دارد یا با استفاده از Sleeve به دستگاه متصل شود. یک کارت CF جی‌پی‌اس انتخاب نسبتاً ارزان قیمتی است. ولی مشکلی در اینجا وجود دارد و آن این است که یک CF جی‌پی‌اس به سرعت باتری‌های پی‌دی‌ای شما را مصرف می‌‌کند و باید به فکر چاره باشید.- بلوتوث جی‌پی‌اس: فن آوری بلوتوث این اجازه را به ما می‌‌دهد ارتباطی بدون سیم را بین چند دستگاه فراهم کنیم. شما می‌‌توانید پی‌دی‌ای خود را در دست گرفته و به گیرنده جی‌پی‌اس ای که در کوله پشتی تان قرار داده اید بصورت بی سیم متصل شوید. استفاده از یک بلوتوث جی‌پی‌اس همچنین برای داخل خودرو بسیار مناسب است چرا که با قرار دادن آن در جلوی داشبورد دید بهتری از آسمان را برای گیرنده تان فراهم می‌‌کنید. - اتصال پی‌دی‌ای به گیرنده دستی جی‌پی‌اس با استفاده از کابل: به بیشتر گیرنده‌های دستی، کابلی جهت اتصال به پی‌دی‌ای وصل می‌شود. با این روش می‌‌توانید با قیمتی مناسب هم در داخل خودرو و هم در خارج آن از دستگاه موقعیت یاب خود استفاده کنید. دستگاه پی‌دی‌ای با نمایشگر خوب و نسبتاً بزرگی که دارد برای مشاهده نقشه‌ها مناسب است- اتصال پی‌دی‌ای به گیرنده جی‌پی‌اس خودرو با استفاده از کابل: می‌‌توانید با انتخاب گیرنده‌ها ی موسوم به موشواره (mouse) برای خودرو و یک پی‌دی‌ای از یک جی‌پی‌اس خوب بهره مند شوید. اگر می‌‌خواهید از جی‌پی‌اس خود تنها درون خودرو استفاده کنید، این مورد بهترین انتخاب است.• گیرنده جی‌پی‌اس برای رایانه کیفی (لپ‌تاپ): تقریباً همانند یک گیرنده جی‌پی‌اس برای دستگاه پی‌دی‌ای است با این تفاوت که در اینجا دیگر نیازی به استفاده از Sleeve یا چیزی شبیه به آن نیست. بخاطر داشته باشید که اگر شما بخواهیداز یک CF جی‌پی‌اس به‌عنوان گیرنده لَپ‌تاپ خود استفاده کنید، CF جی‌پی‌اس شما با اتصال مستقیم به لپ‌تاپ از آن بیرون می‌‌زند و بنابراین اگر بخواهید در حالی که روی صندلی خودرو نشسته اید از جی‌پی‌اس هم استفاده کنید ،گیرنده جی‌پی‌اس شما دید خوبی از آسمان نخواهد داشت و به خوبی وضعیتی که گیرنده را مستقیما زیر آسمان قرار می‌‌دهید عمل نخواهد کرد.کاربردهای GPS چیست؟بطورکلی از مهمترین زمینه های کاربرد GPS می توان به موارد زیر اشاه کرد:الف – در زمینه های نظامی1- کاربرد هوایی : ازهدایت موشک ها تا تمام هواپیماهای جنگنده و بمب افکن , هلی کوپتر .موشک کروز , چتر بازی و پروازهای نظامی و ....2- کاربرد های دریایی: زیردریایی , کشتی و تمام انواع قایق ها ودریانوردی نظامی .3- کابردهای زمینی : مکان توپخانه ها, ناوبری خودروها , هدایت پیاده نظام , سیستم موشک زمین به زمین , شناخت نوع وجنس خاک .ب: کاربرد های نقشه برداری :از GPS به طریق مختلف درنقشه برداری می توان استفاده کرد. مهمترین کاربردهای GPS درنقشه برداری عبارتند از :1- نقشه برداری هیدرو گرافیک .2- نقشه برداری سینما تیکی خیلی دقیق برروی زمین .3- فتو گرامتری بدون کنترل زمینی4- انبوه سازی شبکه ژئو دتیک5- نقشه برداری کارامتری6-فتو گرامتری بصورت REAL .TIMEج: کاربردهای تجاری :1-ناوبری هوایی : دردهه هشتاد , چهل سال پس از کنوانسیون شیکاگو که منجر به تأسیس سازمان بین المللی هواپیماهای کشوری ایکائو گردید نگرانی جامعه هواپیمایی ازمحدودیتهای سیستم های ناوبری موجود به طور روزافزونی افزایش یافت .امروزه تئوری پرواز آزاد انقلابی درصنعت حمل ونقل هوایی بوجود آورده است درپرواز های آزاد با توجه به قابلیت انعطاف سیستم های ناوبری ونظارت می توان به جای استفاده ازمسیرهای ثابت هوایی آنها را بصورت کاملاً دینامیکی بهینه نمود این ایده جالب بهره برداری بسیارموثر ازفضا را دارد .بنابراین امروزه شرکت های بزرگ هواپیما سازی مشغول نصب سیستمهای GPS برروی هواپیما ها می باشند .2- ناوبری دریایی : درناوبری دریایی برای تعیین مسیر , نقاط مبداء ومقصد وغیره از GPS می توان بهره گرفت .د: کاربردهای همگانی :سیستم موقعیت یاب GPS کاربرهای همگانی نیز دارد که ازمهمترین این کاربردها می توان به موارد زیراشاره کرد.1- حرکت درفضای باز: حرکت درمناطقی که راههای چندان مناسبی ندارد یا به کلی فاقد راه است . گیرنده GPS بسیار ارزشمند خواهدبود.2- ماهیگیری3- پروازبا گلایدر .4- استفاده حرفه ای درعملیات زمینی5- اسکی ,کوهنوردی6- قایقرانی7- عملیات جستجو و نجات8- حرکت اتومبیل درجاده9- مسابقات اتومبیل رانی رالینتیجهالبته کاربرهای GPS روزبه روز بیشتر و بیشتر می شود و نیز نباید این نکته را از نظر دور داشت که این سیستم با تمام مزایای خود ممکن است دچار اختلال گردد و یا گیرنده ای که در دست شماست دچار خرابی گردد . پس باید روشهای موقعیت یابی کلاسیک را که کار با قطب نما و نقشه است از یاد نبرد و اول این روش را یاد گرفت و بعد بسراغ GPS رفت تا در مواقع نیاز دچار وابستگی به سیستم موقعیت یابی جهانی نباشیم .البته مطالب گفته شده در این مقاله بطور کامل تمام جزئیات را مورد بررسی قرار نداده . زیرا بسیاری از موارد مسائل فنی و یا محرمانه سیستم می باشد که کمتر در دسترس افراد عادی می باشد و نیز بررسی آن نیاز به دانستن بسیاری از روابط پیچیده فیزیک و.... دارد.منابع و ماخذ : ویکی پدیا , بیتوته , شلرراهنما : استاد یعقوبی