آشنایی با سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) و نحوه عملکرد آن

سیستم موقعیت یابی جهانی یا GPS می تواند موقعیت دقیق شما را در زمین و در هر زمانی و در هر موقعیت آب و هوایی نشان دهد. این سیستم از یک مجموعه 24 تایی ماهواره ای (حدود 6 قطعه زاپاس) تشکیل شده که 11 هزار میل دریایی بالای سطح زمین می چرخند و به طور مداوم سیگنال هایی به ایستگاههای زمینی می فرستند که عملکرد GPS را کنترل می کنند. سیگنال های ماهواره ای GPS همچنین توسط دریافت کننده های GPS مشخص می شود، که موقعیت مکانی خود شان را در هر جای زمین با کمتر از یک متر و تعیین فواصل از حداقل 3 ماهواره GPS محاسبه می کنند. هیچ سیستم راهیابی دیگر تاکنون آنقدر جهانی یا صحیح نبوده است. از اولین پرتاب در سال 1978، پیشرفت سیستم راهیابی جهانی به دهه 1960 برمی گردد یعنی زمانی که سازمان همکاری هوا و فضا بخش اصلی در مفهوم و پیشرفت GPS بود، تکنولوژی ای که به طور بارز قابلیت های نیروی نظامی مان را افزایش داد و هم چنان به دنبال کشف کاربردهای جدید در زندگی روزمره است. کمک کردیم تا GPS به عنوان یکی از مهیج ترین و انقلاب آورترین تکنولوژی های تاریخ معرفی شود و در گسترش و عملکرد آینده هم شرکت داشته باشد.

● اجزای GPS:

GPS سه بخش دارد: بخش فضایی، بخش کابر و بخش کنترل.
بخش فضا از یک مجموعه 24 تایی ماهواره تشکیل می شود (و حدود 6 قطعه اضافه که هر کدام 11 هزار میل دریایی بالای زمین در چرخش هستند). بخش کاربر از دریافت کننده که می توانید در دست خود بگیرید یا در یک وسیله جاسازی کنید مثل ماشین تان، تشکیل می شود. بخش کنترل از ایستگاه های زمینی (شش مورد از آنها در سرتاسر دنیا قرار گرفته اند) تشکیل شده اند که این اطمینان را ایجاد می کنند که ماهواره ها به طور صحیح کار می کنند. ایستگاه کنترل مرکزی در پایگاه نیروی هوایی Schriever نزدیک کلورادو اسپیرینگ قرار گرفته و کلرادو و سیستم را هدایت می کند. به منظور فهم بیشتر شما از GPS اجازه دهید در مورد سه بخش از این سیستم بحث کنیم. ماهواره ها، دریافت کننده ها و ایستگاههای زمینی و سپس بررسی کنیم که GPS چگونه کار می کند.

● مجموعه ماهواره ها
چرخش سفر فضایی به دور زمین است. ماهواره های GPS در عرض 12 ساعت به دور زمین می چرخند. هر ماهواره به یک ساعت اتمی خیلی دقیق مجهز شده طوری که زمان را به صورت نانوثانیه بیان می کند که 0000000003/0 یا سه بیلیون ام یک ثانیه است و این امکان را ایجاد می کند تا سیگنالهایش را با سیگنالهای هم زمان از ماهواره های دیگر به زمین می فرستد. سیگنال با سرعت نور به سمت زمین در حرکت است. حتی با این سرعت با یک زمان قابل توجه به هر دریافت کننده می رسد. تفاوت بین زمانی که سیگنال دریافت می شود و زمانی که فرستاده می شود، با سرعت نور ضرب می شود و دریافت کننده
می تواند فاصله تا ماهواره را محاسبه نماید. بر اینکه این مقیاس تا حد ممکن دقیق باشد، سیگنال های راهیابی GPS بطور خاص طراحی می شوند تا این قابلیت را برای دریافت کننده های GPS تسهیل کنند تا زمان ورود را اندازه گیری کنند و به تمام ماهواره ها اجازه دهند تا در فرکانس مشابه بدون فعالیت با یکدیگر عمل کنند. برای محاسبه دقیق طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع، دریافت کننده اجرای کنترل GPS از قبیل بخشهای کنترل، فضا و کاربر را اندازه گیری می کند. فاصله تا چهار ماهواره مجزا GPS با استفاده از چهار ماهواره، دریافت کننده موقعیت خودمان را محاسبه می کند و به ساعت اتمی هم در ماهواره نیاز نمی باشد.

● دریافت کننده ها
دریافت کننده GPS را می توانید در دست خود نگه دارید یا روی هواپیما، کشتی، تانک، زیردریایی، ماشین و کامیون نصب کنید. دریافت کننده ها و سیگنال های ماهواره ای GPS را شناسایی، رمزگشایی و پردازش می کند.
بیش از 100 مدل دریافت کننده مختلف استفاده می شود. دریافت کننده دستی به اندازه یک موبایل است و مدلهای جدیدتر،
کوچکتر می باشند و در یک ساعت مچی یا سرویس اطلاعات شخصی نصب می شوند. واحدهای GPS دستی در نیروهای مسلح آمریکا طی جنگ خلیج فارس فقط 28 اونس (کمتر از 3 پوند) بودند. از آن زمان به بعد، عملکردهای دریافت کننده ها به مدارهای بر هم مرتبط کاهش یافت که وزنی حدود یک اونس داشتند.

● ایستگاههای زمینی
بخش کنترل GPS متشکل از ایستگاههای زمینی متعدد می باشد که در سرتاسر جهان واقع شده است.

• ایستگاه کنترل مرکزی در پایگاه نیروی هوایی شریور (Schriever) در کلورادو.
• شش ایستگاه نظارتی بدون پرسنل: هاوایی و کواجه لاین در اقیانوس آرام، دیگو گارسیا در اقیانوس هند، جزیره اسنسن در اقیانوس اطلس، کیپ کاناورال، فلوریدا و کلورادو اسپیرینگ، کلورادو.
• چهار ایستگاه بزرگ با آنتن زمینی که دستورات و اطلاعات را به ماهواره ها می فرستند و تله متری آنها را جمع آوری می کنند. ایستگاههای نظارتی سیگنالهای راهیابی را پی گیری می کنند و دیتا خود را به ایستگاه کنترل اصلی می فرستند. در آنجا کنترل گرها هرگونه تنظیمات یا آپ دیت های سیگنال های راهیابی مورد نیاز برای راهیابی دقیق و ماهواره های آپ دیت شده مشخص می کنند (از طریق آنتن های زمینی). برای بهبود دقت سیستم، در سال 2005 ایستگاه کنترل مرکزی دیتا را از 6 ایستگاه نظارتی اضافه کرد که توسط آژانس ژئومکانی ملی (National Geo spatial – lutelliguno) به شش ایستگاه نظارتی GPS فرستاده شد.

● GPS چگونه کار می کند؟
اصل کلی در مورد GPS مقیاس مسافت (یا دامنه) بین ماهواره ها و دریافت کننده ها است. ماهواره ها دقیقا به ما می گویند که در چه وضعیتی از چرخه هستند و دنیا را به دریافت کننده می رسانند و موقعیت شان محاسبه می شود. عملکرد آنها به این صورت است: اگر بدانیم مسافت دقیق از یک ماهواره در فضا چقدر است، می دانیم که جایی در سطح یک موقعیت تصوری با شعاع برابر با فاصله تا شعاع ماهواره هستیم. اگر بدانیم که فاصله دقیق از دو ماهواره چقدر است، می دانیم که در جایی بین خط یعنی جایی که دو جسم خارجی (سیار) واقع شده اند، قرار داریم. و اگر برای بار سوم و چهارم فاصله را از دو یا چند ماهواره دیگر اندازه گیری کنیم، می توانیم موقعیت خود را مشخص کنیم. دریافت کننده GPS مقیاس دامنه ماهواره را پردازش می کند و موقعیتش را نشان می دهد. GPS از سیستمی هماهنگ به نام WGS 84 استفاده می کند که به معنای سیستم زمین سنجی جهانی است (1984).

به همه این امکان را می دهد تا نقشه هایی مانند مواردی که در مدرسه دیده اید، تهیه کنید و همگی از طریق قالب ارجاعی کلی برای خطوط عرضی جغرافیایی و طولی جغرافیایی استفاده می شود که موقعیت های مکانی و اشیاء را نشان می دهد. GPS از زمان موجود در لابراتوار دریایی امریکا در واشنگتن استفاده می کند تا تمام زمان بندی سیستم GPS را هم زمان کند. مانند کرنومتر هریسون که با زمان گرینویچ هماهنگ بود. اکنون بایستی تصویری واضح از سیستم GPS در اختیار داشته باشید.
می دانید که آن از ماهواره هایی تشکیل شده که مسیرهایشان توسط ایستگاههای زمینی کنترل می شود. هر ماهواره سیگنالهای رادیویی تولید می کند که دریافت کننده موقعیت مکانی و فاصله بین ماهواره و دریافت کننده را برآورد می کند. دریافت کننده از مقیاس هایی برای محاسبه موقعیت مکانی کاربر (بالا یا روی زمین) استفاده می کند.

● GPS امروزی چگونه کار می کند؟ ( کاربردهای نظامی GPS)
گرچه سیستم GPS به طورکامل در 1994 بوجود آمد، به اثبات رسید که برای نیروی نظامی آمریکا یک کمک ارزش مند بود.تصویر سازی بیابان با عرض وتوسعه بی اندازه ماسه را نشان می داد.این ناحیه در فاصله مایل ها یکسان است.بدون یک سیستم راهیابی قابل اعتماد ، نیروهای آمریکایی نمی توانستند مانورهای عملیاتی طوفان بیابانی را انجام دهند.به وسیله GPS سربازان می توانستند به همه جا بروند ودر طوفان شن یا در شب هنگام وقتی سربازان عراقی ساکن آنجا این امکان را نداشتند، مانورهای عملیاتی شان را اجرا کنند.بیش از 1000 دریافت کننده تجاری پرتابل برای مصرف آنها خریداری شد.تقاضا آنقدر زیاد بود که قبل از پایان درگیری، بیش از 9000 دریافت کننده ی تجاری در منطقه ی خلیج استفاده می شد.آنها توسط سربازان روی زمین حمل می شدند و به وسایل، هلی کوپتر وپانل های ابزار هواپیما متصل بودند.دریافت کننده های GPS در چندین هواپیما شامل جنگنده های F 16 ،تانکرهای هوایی KC 135 وبمب افکن های B 52 نصب می شدند. کشتی های دریایی از GPS برای محل اجتماع،مین روبی وعملیات هوایی استفاده می کردند. GPS برای تمام عملیات نظامی وسیستم های سلاحی دارای اهمیت بود.همچنین در ماهواره ها استفاده می شد تا اطلاعات چرخش درست را بدست آورد وجهت گیر سفینه فضایی را کنترل کنند.

● GPS در زندگی روزمره :
سیستم GPS برای برآورده کردن نیازهای نظامی ساخته شد، ولی روش های جدید برای استفاده از قابلیت هایش در زندگی روزمره به طور دائم بدست آمد.همان طور که خواندید، سیستم در هواپیما وکشتی به کار برده می شود ولی روش های دیگری هم وجود دارد که می توان از GPS استفاده کرد. ما فقط چند مورد از کاربردهای گسترده اش را به شما می گوییم. GPS برای نجات زندگی و اموال مردم به کار برده می شود.در سال 2002 به امدادگران کمک کرد تا یک چاه حفر کنند ومعدنچی های گرفتار در Somerset PA را نجات دهند.بسیاری از واحد های پلیس ،آتش نشانی ، اورژانس وپزشکی از دریافت کننده های GPS استفاده می کنند تا ماشین پلیس،کامیون آتش نشانی یا آمبولانس نزدیک به یک اورژانس را بیابند ودر واقع سریع ترین پاسخ ممکن را در موقعیت های مرگ وزندگی فراهم می کند.هواپیمای مجهز به GPS می تواند به سرعت محیط جنگل آتش گرفته را پیدا کند وناظرین مربوطه نقشه ای به روز تهیه می کنند و آتش نشانان را با امنیت کامل به نقاط آتش گرفته می فرستند.

نقشه کشی، بازسازی وشرکت های تحقیقاتی به طورگسترده از GPS استفاده می کنند.طی ساخت تونل کانال انگلیس، کارکنان بریتانیایی وفرانسوی از پایانه های مخالف شروع به حفاری کردند یکی از داور(Dover) انگلستان ویکی از کالایس فرانسه آنها به دریافت کننده های GPS خارج از تونل اعتماد داشتند، طوری که موقعیت آنها را در طول مسیر کنترل می کرد واین اطمینان را می داد که آنها در وسط یکدیگر را ملاقات می کنند.در غیر این صورت تونل ممکن بود از مسیرش منحرف شود. GPS به مجریان معدن این امکان را می دهد تا تجهیزات معدن را با ایمنی راهیابی کنند، حتی وقتی قدرت دید مشکل باشد. مثال ماشین با یک نمایشگر ویدئو روی داشبورد را به یاد می آورید؟ ردیابی وسیله یکی از کاربردهای روبه رشد GPS در دنیای امروز است.وسایل مجهز به GPS، سیستم های حمل ونقل عمومی،کامیون های تحویل کالا خدمات مسافربری از دریافت کننده استفاده می کنند تا موقعیت شان را در هر زمان هم از لحاظ ضرورت وهم از لحاظ ایمنی راننده تامین کنند.تولید کنندگان خودرو نمایشگرها نقشه متحرک با راهنمای GPS را تهیه می کنند که گزینه ای جدید روی خودروهای تولیدی می باشد.نمایشگر می تواند از محل نصب خود برداشته شود وبه خانه برده شود تا یک سفر را طراحی کنید.شرکت های ماشین اجاره ای وسایل مجهز به GPS دارند که مسیرهای راننده را روی صفحه نمایش واز طریق دستور العمل های صوتی ترکیبی ارائه می دهند.

تصور کنید که دیگر در زمان تعطیلات گم نمی شوید، مهم نیست که کجا هستید.بالن های مجهز به GPS سوراخ های موجود در لایه ازن را در مناطق قطبی بررسی می کنند تا کیفیت هوایی منطقه ی خاص را ارزیابی کنند .ردیاب های شناور ،کشتی های نفت را با استفاده از GPS پیدا می کنند تا عملیات تصفیه اعمال شود.باستان شناسان، زیست شناسان وکاشفان با استفاده از این سیستم خرابی های باستانی، کوچ گله حیوانات وانواع گونه های در معرض خطر مثل گوسفند دریایی، پلنگ سفید وپانداهای بزرگ پیدا می کنند. آینده GPS به اندازه تصور شما نامحدود است.کاربردهای جدید با پیشرفت تکنولوژی ادامه دارد. GPS ، ماهواره مانند ستاره های آسمان، ما را به قرن 21 ام هدایت می کنند.