سیستم موقعیت یاب ماهواره ای, GPS

مسیریابی اولیه توسط اجرام سماوی و قطب نماهای مغناطیسی انجام می گردید, با پیشرفت عدم و تكنولوژی امروزه از سیستم های پیشرفته ماهواره ای استفاده می شود

تاریخ مسیریابی قدمتی برابر با تاریخ تمدن بشر دارد. از همان روزهایی كه انسانها جهت تهیه غذا از محل زیستگاه خود (جنگل یا غارها) خارج شدند. نیاز به وسیله‌ای داشتند كه مسیر را به آنها نشان دهد،‌ برعكس بعضی از پرندگان و حیوانات كه بطور غریزی مسیر خود را مشخص می‌نمایند،‌ انسانها دارای چنین غریزه‌ای نیستند و همیشه نیاز به وسیله و ابزاری دارند كه مسیر را برایشان مشخص نماید.

در آغاز شروع مسافرت با كشتی این مسافرت‌ها منحصراً یا در امتداد رودخانه‌ها و یا موازی با ساحل انجام می‌گرفت و از علائم مشخص جهت راهنمایی استفاده می‌گردید.

كلمه Navigation از دو كلمه لاتین به معنی كشتی (Ship) و حركت (Move) گرفته شده است و اساساً به معنی پیدا نمودن مسیر در دریا می‌باشد.

اما بعدها با شروع مسافرت در فضا و خشكی این كلمه به مفهوم مسیریابی در هوا، ‌خشكی و دریا بكار برده شد. مسیریابی اولیه توسط اجرام سماوی و قطب‌نماهای مغناطیسی انجام می‌گردید، با پیشرفت عدم و تكنولوژی امروزه از سیستم‌های پیشرفته ماهواره‌ای استفاده می‌شود. ماهواره‌های مسیریاب قادر به مشخص نمودن طول و عرض جغرافیایی، ارتفاع از سطح دریا، سرعت، فاصله و زمان با دقت بسیار بالا می‌باشند.

NAVSTAR یكی از سیستم‌های ماهواره‌ای مسیریاب می‌باشد كه این اطلاعات را در اختیار قرار می‌دهد. این سیستم دقتی در ۱۵ متر را دارا می‌باشد. سیستم NAVSTAR جایگزین سیستم سری TRANSCT گردید كه اطلاعات مسیریابی را جهت استفاده‌های نظامی و كاربردهای غیرنظامی و مشخص تهیه می‌نمود. خصوصاً برای دریانوردی. یكی از مهمترین سیستم‌های مسیریاب ماهواره‌ای سیستم GPS می‌باشد كه در ذیل توضیح داده می‌شود.

● GPS چیست؟

GPS یا (Golobal Positining System) یك سیستم ماهواره‌ای است كه توسط وزارت دفاع امریكا ساخته شده است. و اطلاعات دقیقی از محل، و زمان را در سراسر دنیا در اختیار كاربرها قرار می‌دهد. سیستم GPS سیگنال‌هایی را ارسال می‌نماید كه توسط گیرنده‌های GPS دریافت می‌شود و موقعیت مكانی،‌ سرعت و زمان را در هر جای كره زمین در هر موقع از روز یا شب و در هر شرایط آب و هوایی محاسبه می‌نماید. سیستم مكان‌یاب جهانی یا GPS یك منبع ملی و مورد استفاده بین‌المللی برای یافتن موقعیت محل،‌ مسیریابی و زمان سنجی می‌باشد. و از سه قسمت تشكیل یافته است.

● فضا، كاربر، كنترل( Space , User , Control )

سیستم GPS شامل ۳ بخش،‌ فضا، كنترل و كاربری می‌باشد. بخش فضایی شامل آرایش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) می‌باشد. اولین سری این ماهواره‌ها در سال ۱۹۷۸ در مدار قرار داده شد. و در سال ۱۹۸۶ توسعه و تكمیل آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS به علت جلوگیری از خطرات ناشی از عدم مسیریابی انجام پذیرفت. در فوریه ۱۹۸۹ آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS با ۲۴ یا تعداد بیشتری ماهواره در مدار كامل و فعال گردید. سیستم كنترل توسط ارتش آمریكا انجام می‌گیرد كه ردیابی و نگهداری آنها را در مدار كنترل می‌نماید.

بخش كاربرها، شامل كاربرهای نظامی و شخصی هر دو می‌باشد. كاربرهای نظامی از سیستم GPS به عنوان، مسیریابی،‌ شناسایی، و سیستم هدایت موشكی استفاده می‌نمایند و كاربرهای شخصی هم می‌توانند همانند نظامی‌ها و براساس نیاز از این سیستم استفاده كنند.

۱) بخش فضایی( Space Segment )

ماهواره‌های GPS در حدود ۹۰۰ kg وزن و ۵ متر با نیل‌های خورشیدی طول دارند. عمر مفید این ماهواره‌ها برای۵/۷ سال طراحی شده است اما اغلب مدت زمان بیشتری در مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. پنل‌های خورشیدی نیروی اولیه را تهیه می‌نمایند و نیروی (تغذیه) ثانویه توسط باطری‌های Nicod تأمین می‌شود. در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمی فوق‌العاده دقیق نصب گردیده است. در سپتامبر ۲۰۰۱ تعداد ماهواره‌های مورد استفاده در مدار ۲۷ عدد بوده است.

▪ مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits )

شامل ۶ مدار با فاصله ۶۰ درجه و در هر مدار ۴ ماهواره وجود دارد و این امكان را فراهم می‌سازد كه با وجود اشكال و خرابی ۲ ماهواره در هر مدار سیستم كار نرمال خود را انجام دهد. هر سطح مداری شیبی برابر با ۵۵ درجه با سطح مدار استوایی دارد. ارتفاع زیاد مدار (km ۲۰۰۰۰) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان می‌شود. همچنین ارتفاع زیاد ماهواره باعث پوشش منطقه وسیعی در روی زمین می‌شود.

ماهواره‌های GPS هر نقطه در روی زمین را ۲ بار در روز پوشش می‌دهند (از هر نقطه در روی زمین دوبار در روز می‌گذرند).

▪ سیگنال‌های ماهواره( Satellite Signals )

هر ماهواره یك سیگنال مسیریابی كه شامل عناصر مداری، وضعیت ساعت (Clock)‌، زمان سیستم و وضعیت پیام‌ها می‌باشد را ارسال می‌نماید. به علاوه یك تقویم نجومی (almanac) تهیه می‌شود كه اطلاعات (تقریبی) را برای هر ماهواره فعال ارسال نماید. سیگنال‌های رادیویی با سرعت نور منتشر می‌شوند. سیصد هزار كیلومتر در ثانیه، مدت زمان ۰۶/۰ ثانیه طول می‌كشد كه سیگنال ارسالی از ماهواره GPS به زمین برسد. این سیگنال‌ها با قدرت كم (حدود ۳۰۰ تا ۳۵۰ وات در طیف مایكروویو) ارسال می‌گردند.

كد C/A (Coarse A qwsition Cood) برای استفاده كاربرهای شخصی در دسترس می‌باشد و به عنوان (SPS) (Standard Positining Service) مسیریابی استاندارد. PPS یا Precise Positioning Service سرویس مكان یابی دقیق كه منحصراً در دسترس كاربرهای نظامی و كاربرهای مجاز می‌باشد. سیگنال‌های ماهواره به خط مستقیم جهت رسیدن و استفاده گیرنده‌های GPS نیازدارند. درخت، ساختمان،‌ كوه و حتی دست و یا بدن می‌تواند سیگنال‌های ماهواره‌ها را بلوكه نماید.

تقویم نجومی یا Almanac شامل اطلاعاتی راجع به مدارات ۲۴ ماهواره می‌باشد. یك گیرنده GPS از تقویم نجومی كه در پیام‌های دیتای ماهواره وجود دارد برای موقعیت هر ماهواره‌ای كه ردیابی می‌كند استفاده می‌نماید. نرم افزار mission planning برای تهیه گراف و موقعیت ماهواره‌های قابل رؤیت و بهترین زمان بررسی در منطقه مخصوص،‌ از تقویم نجومی استفاده می‌نماید. تقویم نجومی برای مدت ۳۰ روز معتبر می‌باشد،‌ اما هر بار كه گیرنده GPS روشن می‌شود بطور اتوماتیك تقویم نجومی را دریافت می‌كند (در مدت زمان ۱۵ دقیقه). استفاده از تقویم نجومی به روز یا up-to-date برای استفاده از ماهواره‌هایی كه در دید گیرنده‌های GPS قرار می‌گیرند بسیار مهم می‌باشد.

۲) بخش كنترل Control Segment

بخش كنترل شامل پنج ایستگاه مونیتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوایی، كواجالین،‌ جزیره اسنشن، دیوگوگارسیا و كلورادو می‌باشد. ایستگاه (MCS) یا مركز كنترل در كلورادو قرار دارد. ایستگاه‌های مونیتور، ماهوار‌های در معرض دید را ردیابی می‌نماید و اطلاعات فاصله را جمع‌آوری و این اطلاعات را در ایستگاه MCS تجزیه و تحلیل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص می‌نماید و پیام‌های هر ماهواره مكان‌یاب را به روز می‌نماید. اطلاعات به روز شده از طریق آنتن‌های زمینی به ماهواره‌ها ارسال می‌گردد. ماهواره‌های GPS ۱- پیام‌های اطلاعاتی ماهواره (موقعیت و زمان) ۲- تقویم نجومی ۳- اصلاح مداری را كه از ایستگاه MCS دریافت می‌نمایند، ارسال می‌كنند و گیرنده‌های GPS از تمامی این اطلاعات جهت محاسبه موقعیت استفاده می‌نمایید.

۳) بخش كاربری User Segment

بخش كاربری شامل گیرنده‌های GPS می‌باشد كه موقعیت محل، سرعت و زمان دقیق را در همه جای دنیا مشخص می‌نماید. كاربردهای GPS تقریباً در تمامی زمینه‌ها، از حمل و نقل و كنترل منابع طبیعی و كشاورزی وجود دارد. بعنوان مثال:

- استفاده از GPS برای هدایت هلی‌كوپترها و مشخص نمودن محل‌های مورد نظر، خصوصاً در عملیات نجات آسیب‌دیدگان.

- استفاده از GPS جهت تهیه نقشه‌های كشاورزی.

- استفاده از GPS در مسیریابی هواپیماها و یا علامت گذاری مناطقی كه باید سم‌پاشی شود.

- استفاده از GPS برای دریانوردی.

- استفاده از GPS برای مسیریابی در جنگل‌ها.

- تركیبی از GPS/GIS جهت پیدا نمودن سریع‌ترین مسیر به مقصد استفاده می‌شود. حتی از GPS برای تحویل ساندویچ و پیتزا به منازل استفاده می‌گردد.

● طریقه كار GPS چگونه است؟

از اندازه‌گیری فاصله بین گیرنده و ماهواره استفاده می‌نماییم. ماهواره‌ها در نقاط مشخصی می‌باشند و گیرنده‌های GPS در روی زمین و منطقه ناشناخته‌ای هستند. امواج رادیویی با سرعت نور حركت می‌كنند. با ضرب زمان حركت سیگنال از ماهواره تا گیرنده GPS درkm/s ۳۰۰۰۰۰ فاصله ی بین ماهواره و گیرنده مشخص می‌شود.

اگر ما از محل ۴ ماهواره اطلاع داشته باشیم و مقدار فاصله آنها از گیرنده مشخص گردد،‌ در یك فضای ۳ بعدی می‌توان محل خود را محاسبه نمود.

۱۲۰۰۰ مایل شعاع كره‌ای می‌باشد كه مركز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها كروی و فاصله آنها تا زمین ۱۲۰۰۰ مایل است) محل یا موقعیت ما می‌تواند هر جای در روی این كره باشد. اندازه‌گیری دوم (ماهواره دومی)، سطح تقاطع دو كره یك دایره است بنابراین حالا می‌‌دانیم كه محل ما جایی روی دایره است.

اندازه ‌گیری سوم، ۳ كره یكدیگر را فقط در ۲ نقطه قطع می‌كند. یكی از دو نقطه به عنوان غیرقابل قبول حذف می‌شود. كامپیوترها در داخل گیرنده‌های GPS روش‌ها و تكنیك‌های مختلفی برای مشخص نمودن نقطه صحیح از نقطه غیرقابل قبول دارند.

اندازه‌گیری چهارم، Offset زمانی اختلاف بین همزمانی Clock ماهواره و Clock گیرنده می‌باشد. نصب ساعت‌های اتمی در گیرنده‌های GPS باعث گرانی بیش از حد آنها می‌شود، در گیرنده‌ها از ساعت‌های دقیق كوارتز استفاده می‌شود. اندازه‌گیری چهارم مقدار این Offset را جبران می‌نماید و نقطه صحیح را پیدا خواهد نمود. GPS سرعت را نیز اندازه‌گیری می‌كند كه برای مسیریابی بسیار مهم است.

● خطاهای GPS

مدت زمان عبور سیگنال‌ها از لایه‌های یونسفروتروپسفر متغیر می‌باشد. وجود نویز باعث خطا یا تداخل در گیرنده می‌شود. خطاهای موقعیت مداری ممكن است در پارامترهای دیتا وجود داشته باشد. پارامترهای ماهواره بطور خلاصه سیستمی از موقعیت‌های ماهواره GPS در حوزه زمان می‌باشد.

این اطلاعات مشخص می‌كنند كه ماهواره در كجا و در چه موقع در هر نقطه‌ای باید باشد. تغییرات بسیار كمی در ساعت‌های اتمی خطاهای زیادی را باعث می‌شود. خطای یك نانو ثانیه‌ای در گیرنده‌های GPS در روی زمین ۳/۰ متر در محاسبه مكان خطا ایجاد می‌نماید. عبور چند مسیر سیگنال، محل ماهواره‌ها در فضا و SA باعث خط می گردند.

عبور چند مسیر سیگنال یا Multipath پدیده‌ای می‌باشد كه آنتن‌های گیرنده سیگنال را از دو مسیر یا بیشتر دریافت می‌كند. اختلاف مسیری كه سیگنال‌ها طی می‌نمایند باعث تداخل این سیگنال‌ها در آنتن گیرنده می‌گردد و باعث خطا می‌شود. پیكربندی یا محل ماهواره‌ها در فضا می‌تواند بر دقت مكان‌یابی ماهواره تاثیر گذارد.

GDOP یك اندازه‌گیری از كیفیت پیكربندی ماهواره می‌باشد و اشاره به این موضوع دارد كه ماهواره‌هادر فضا با یكدیگر در ارتباط هستند. SA یا Selective Avalibi lity خطاهای پارامتری و Clock مصنوعی را نشان می‌دهد و باعث خطای عمومی اندازه‌گیری از ۷۰ الی ۱۰۰ مترمی‌شود. SA در چهارم جولای ۱۹۹۱ فعال و در یكم می ۲۰۰۰ خاموش گردید.

خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گیری و در نتیجه ایجاد كاربردهای جدید برای GPS و ارتقاء سطح زندگی مردم در اقصاء نقاط جهان می‌شود. توسعه تكنولوژی جدید این امكان را می‌دهد در مناطقی دقت GPS را كاهش دهند. ضمن اینكه این كاهش در نقاط دیگر دنیا غیر ضروری می‌باشد.

مهندس ترابیان