می‌دانید که در کجا قرار گرفته‌اید؟‌

● نگاهی به سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS)
از گذشته موقعیت‌یابی جزو یكی از دغدغه‌های انسان بوده است. از گذاشتن سنگ‌چین گرفته تا محاسبات نجومی پیشرفته همه با هدف موقعیت‌یابی بوده است. امروزه با ورود تكنولوژی‌های نوین و به ویژه تكنولوژی‌های فضایی و ICT این امر به راحتی و سهولت قابل اجرا می‌باشد.
همه شما با كلمه GPSآشنایی نسبی دارید، به ویژه در این روزها كه كم‌كم این دستگاه وارد زندگی ما ایرانیان نیز شده و GPS در بازارهای كشور ما به فروش می‌رسد و استفاده از این دستگاه را در زندگی روزمره هم مشاهده می‌كنید.
برای مثال چندی است بخشی از تاكسی‌های ویژه بانوان به این دستگاه مجهز شده‌اند و یا اینكه كلیه وسایل حمل و نقل عمی موظف به نصب آن شده‌اند در این مقاله نگاه مختصری داریم به این دستگاه و طرز عمل آن.
● GPS چیست؟
سیستم مكان‌یاب جهانی (Global Positioning Systems) یا GPS یك سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره‌ای است كه از شبكه‌ای با ۲۴ ماهواره ساخته شده است و در سال ۱۹۹۴ تمامی ۲۴ ماهواره در مدار زمین قرار گرفت. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده با نام «ناو استار» و با بودجه‌ای بیش از ۱۲ بیلیون دلار ساخته و اولین آنها در سال ۱۹۷۸ 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 كره زمین در تمام ساعت شبانه‌روز در دسترس است. پدیدآوردنگان این سیستم، هیچ حق اشتراكی برای كاربران در نظر نگرفته‌اند و استفاده از آن كاملا رایگان می‌باشد. امروزه در كشورهای توسعه یافته از این سیستم جهت كمك به راهبری خودرو، كشتی و انواع وسایل نقلیه دیگر بهره‌گیری می‌شود. هر چه نقشه‌های منطقه‌ای كه در حافظه گیرنده بارگذاری می‌شود دقیق‌تر باشد، سرویس‌هایی كه از GPS می‌توان دریافت داشت نیز بهتر می‌شود.
برای نمونه می‌توان از GPS مسیر نزدیك‌ترین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را پرسید و مسیر پیشنهادی را دنبال كرد. دقت مكان‌یابی این سیستم در حد چند متر است كه بسته به كیفیت گیرنده تغییر می‌كند. از سیستم مكان یاب جهانی می‌توان در كاره‌هایی چون نقشه‌برداری و مساحی، پروژه‌های عمرانی، كوهنوردی، كایت سواری، سفر در مناطق ناشناخته، كشتی‌رانی و قایقرانی، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمین‌لرزه و هر فعالیت دیگر كه نیازمند محل‌یابی باشد، بهره برد.
● تاریخچه GPS
تقریباً در اواسط دهه ۶۰ وزارتخانه‌های دفاع برخی از كشورها متوجه شدند كه سیستم‌های ناوبری آن زمان از دقت مطلوبی برخوردار نیستند و به طور طبیعی، چشم‌ها به سمت فضای نزدیك زمین دوخته شد. اولین سیستم ناوبری ماهواره‌ای «ترنسیت» نام داشت. این پروژه وزارت دفاع آمریكا از شش ماهواره تشكیل شده بود و از مختصات خاصی بهره می‌برد. ماهواره بر روی یك مسیر خاصی حركت كرده و بر روی فركانس مشخصی، امواج را ارسال می‌نمود و یك سیگنال با یك فركانس مشخص به گیرنده‌ها می‌رسید و موقعیت مكانی با اندازه‌گیری تغییر فركانس محاسبه می‌شد. ماهواره‌ها امكان تغییر موقعیت هر نقطه از كره زمین را در هر یك 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 كه وزارت دفاع آمریكا هماهنگ‌سازی سیستم‌های ناوبری را آغاز نمودند. زیرا سازمان‌های مختلف سیستم‌های متفاوتی را ایجاد كرده بودند كه اكثراً با یكدیگر 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 یك سیگنال ارسال می‌كند و سیستم ناوبری كاربر زمان استخراج شده از این سیگنال را مقایسه كرده و در سه نقطه موقعیت‌یابی می‌كند. ضمناً احتیاجی به هیچ گونه ساعت دقیقی در گیرنده نیست. تنها وقت در دوره‌های زمانی كوتاه مورد نیاز است.
● GPS از چه بخش‌هایی تشكیل شده است؟
سیستم موقعیت جهانی از سه بخش مجزا تشكیل شده است. اولین بخش سیستم شامل ۲۴ ماهواره است كه در ۲۰۰۰۰ كیلومتری بالای زمین در مدار مدور ۱۲ ساعته می‌چرخند. این بدین معنی‌ست كه هر ماهواره ۱۲ ساعت برای چرخش كامل به دور زمین به كار برده می‌شود. به منظور كسب اطمینان از اینكه 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 ۶ گانه كه به طور كامل زمین را احاطه می‌كنند می‌شود. این ماهواره‌ها علائم رادیویی به زمین ارسال می‌دارند كه شامل اطلاعاتی درباره زمین است. با استفادده از دریافت كننده زمینی GPS، این علائم دریافت و ارتفاع، طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی (موقعیت جهانی) دریافت كننده را تعیین می‌كند. علائم رادیویی در ۲ فركانس با باند كوتاه فرستاده می‌شود (L-bond) باند كوتاه به فركانس‌های بین ۳۹۰ تا ۱۵۵۰ مگاهرتز (MHz) اشاره می‌كند.
در هر علامت، توالی كدگذاری 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 كه سطح زمین را احاطه كردند (یونوسفر و تروپوسفر) مفید هستند. علامت سومی نیز از ماهوراه به زمین ارسال می‌شود كه شامل داده‌هایی درباره سلامت موقعیت ماهواره است.
دومین بخش سیستم GPS ایستگاه زمینی است كه مانند وسائل مخابراتی ارسال كننده داده‌ها به مركز داده‌ها، شامل یك دریافت‌كننده و آنتن است. آنتن تك جهته در هر محل، كه بیشتر شبیه به آنتن رادیویی یك ماشین عمل می‌كند، علائم ماهواره‌ای را جدا و بصورت جریان‌های الكتریكی به محل دریافت كننده ارسال می‌كند. سپس دریافت كننده علائم را به كانال‌های طراحی شده برای یك ماهواره و فركانس خاص در زمانی خاص، جدا می‌كند.
زمانی كه علائم تفكیك شده باشد،‌ دریافت كننده می‌تواند آنها را كدگذاری كرده و به فركانس‌های مجزا تبدیل كند. با این اطلاعات دریافت كننده موقعیت عمومی آنتن را تشخیص می‌دهد (طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع). بعد از آن، داده‌های جمع‌آوری شده توسط دریافت كننده 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، مركز داده‌ها است. نقش مركز داده‌ها دو جنبه دارد. این بخش هم ایستگاه‌های GPS جهانی را كنترل می‌كند و هم برای تحلیل و اصلاح داده‌ها از دریافت كننده آن ایستگاه‌ها، از سیستم‌های كامپیوتری خودكار استفاده می‌كند. با كار بر روی داده‌های خام و ایجاد داده فرآوری شده دانشمندان جهان قادرند از آن برای كارهای متفاوت استفاده كنند. تا زمانیكه محل‌های GPS جهانی توسط مركز متفاوت در سراسر دنیا ساخته و اداره می‌شوند، مكان‌های مركزی داده‌های متفاوت زیادی وجود دارد.
● GPS جگونه كار می‌كند؟
اصول اساسی GPS واقعاً‌ بسیار ساده است، اگر چه سیستم برخی از پیشرفته‏ترین ابزارهایی كه تا حال ساخته شده را به كار می‏گیرد. برای درك آن باید سیستم را به پنج بخش حیاتی تقسیم كنیم:
۱) مثلث‏بندی (اندازه‌گیری به روش مثلث‏بندی) با ماهواره‏ها اساس سیستم است.
۲) برای اندازه‏گیری مثلث‏بندی، GPS فاصله را توسط زمان طی مسیر به وسیله یك پیام رادیوئی اندازه می‏گیرد.
۳) برای اندازه‏گیری زمان طی مسیر، GPS به ساعت‏های بسیار دقیقی نیاز دارد.
۴) وقتی كه شما فاصله تا ماهواره را دانستید باید بدانید كه ماهواره در كجای فضا قرار دارد.
۵) هنگامی كه پیام GPS از یونیسفر و جو ‌زمین عبور می‏كند 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 كرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را روی كره زمین محاسبه می‌كنند.
در واقع گیرنده زمان فرستاده سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌كند. از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌گردد. حال این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تكرار می‌كند 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
۲۴ ماهواره در بخش‌های مختلف فضای زمین در مداری خاص با فاصله حدود ۱۲۰۰۰ مایلی بالای سر ما قرار گرفته است. آنها با یك سرعت ثابت در حركتند و هر ماهواره دقیقا طی ۱۲ ساعت با سرعت ۱۱ هزار كیلومتر بر ساعت یك دور كامل به دور زمین می‌گردد. وزن هر ماهواره GPS حدود ۹۰۷ كیلوگرم است و ابعاد آن ۱۸/۵ متر است. هر ماهواره برای ۱۰ 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 اتوماتیك برای زمان‌های بارندگی یا خورشید گرفتگی می‌باشند كه در آن زمان هم پروسه تامین انرژی مختل نشود. همچنین
rocket booster‌های كوچك روی هر ماهواره آنها را در یك مسیر پروازی صحیح نگهداری می‌كنند. برای تنظیم دقیق زمان هم در داخل هر کدام از این ماهواره‌ها ۴ 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 كنید. امروزه بهای گیرنده‌های GPS بطور چشمگیری كاهش پیدا كرده و هم اكنون در اروپا انواع معمولی این گیرنده‌ها را با بهایی برابر با یك گوشی متوسط موبایل نیز می‌توان تهیه كرد. بطور كلی یك GPS را می‌توان از یكی از ۳ گروه ذیل دانست:
GPS MOUSE: این نوع دستگاه هیچ صفحه یا دكمه‌ای ندارد اما توسط یك pc Laptop با نرم‌افزار مربوطه قابل استفاده سرویس GPS می‌باشد. دستگاه‌های این گروه با قیمت‌های پایین‌ترقابل خرید و فروشند و قیمت این GPSها حدود ۷۵ تا ۱۵۰ دلار آمریكا متغیر می‌باشد. ولی فراموش نكنید كه 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 یك صفحه كوچك جهت نمایش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكل‌ها و تركیب‌های مختلفی عرضه می‌شوند و هیچگونه نیازی به Laptop ندارند. تعدادی از اینها یك رابط NMEA و یك كابل رابط دارند قیمت با كابل ممكن است حدود ۲۱۰ دلار به بالا باشد و ممكن است بعضی از كشورها ارزان‌تر هم موجود باشد.
یك GPS دستی ارزان قیمت با یك كابل رابط برای انتخاب و آغاز كار با GPS مناسب می‌باشد، حتی برای كار یا آشنایی شما با طرز كار و خدمات GPS.
High-End GPS products: این دستگاه‌ها شامل یك صفحه نمایشگر بزرگ‌تر و تعدادی نقشه می‌باشند و در بعضی از آنها شما بایستی مبلغ بیشتری جهت نقشه‌ها بپردازید. قیمت این دستگاه‌ها ممكن است بسته به نوع محصول بالاتر از ۱۵۰۰ دلار آمریكا باشد.

یاشار بهمند

منبع : اخبار فن‌آوری اطلاعات ایتنا