مقدمه‌اي بر GPS

          بهرام  نقدی  
            بازدید : 563
          پنجشنبه 25 شهریور 1389
           نظرات (0)
        

   تاريخچه GPS:
   GPS داراي تاريخچه بسيار مهيج و سير تکاملي جالبي مي‌باشد و اخيرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهي شده است. اما قبل از اين که بيشتر راجع به GPS بدانيم، لازم است مطالب بيشتري در مورد ناوبري(Navigation) بدانيم.

عکس بالا نشان دهنده يکي از اولين نقشه هايي است که توسط دريانوردان ترسيم شده است. تصوير بالا يک زاويه ياب(sextant) را نشان مي دهد

   ناوبري(Navigation) چيست؟
   از زمان ماقبل تاريخ مردم سعي مي کردند يک راه قابل اطمينان پيدا کنند که به آنها بگويد کجا هستند و حتي آنها را به جاييکه مي روند راهنمايي کرده و سپس به خانه بازگرداند.
   مردمان غارنشين وقتي که براي تهيه غذا به شکار مي رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه هاي کوچک براي علامت‌گذاري مسير خود استفاده مي کردند. ملوانان نيز ابتدا سواحل را به دقت دنبال مي کردند تا از گم شدنشان جلوگيري کنند.
   وقتي دريا نوردان اوليه در درياهاي باز(اقيانوس ها) کشتيراني کردند، دريافتند که مي‌توانند مسير خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسيم کنند. فنيقيهاي باستان از ستاره شمالي براي سفر به مصر و جزيره کرت استفاده مي‌کردند. بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اوديسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزيره کاليپسو " دب اکبر را سمت راست خود قرار بده".
   متأسفانه براي اوديسه و ديگر دريانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌هاي صاف قابل رؤيت هستند.
   پيشرفت مهم بعدي در امر ناوبري کشف قطب نماي مغناطيسي و دستگاه زاويه ياب(sextant) بود.
   عقربه قطب نما هميشه نقطه شمالي را نمايش مي دهد، بنابراين هميشه دانستن جهت مسيري که در آن حرکت مي‌کنيم را ممکن مي سازد.

GPS چيست؟
GPS يا (Global Positioning System) سيستم موقعيت ياب جهاني است و تنها سيستمي مي باشد که امروزه قادر است، موقعيت دقيق شما را بر روي زمين در هر زمان، درهر مکان و در هر هوايي مشخص کند. ماهواره هاي GPS، بيست و چهار ساعته در مداري به طول 11000 مايل دريايي بالاي زمين در حرکت بوده و پيوسته بوسيله ايستگاه‌هاي زميني در سراسر جهان نظارت مي‌شوند. ماهواره ها سيگنال‌هايي مي‌فرستند که براي هر کس با يک گيرنده GPS قابل شناسايي مي‌باشد. با به کارگيري گيرنده GPS مي توان موقعيت خود را با دقت بالا تعيين نمود(دقت مکاني در هر مکان از يک متر تا 100متر بسته به نوع تجهيزات متفاوت مي باشد).

   ارکان GPS:
   يک سيستم GPS داراي سه بخش است:
   شکل بالا بخش هاي مختلف يک سيستم GPS را به طور خلاصه نمايش مي‌دهد

1) بخش فضايي:
اين بخش شامل 24 ماهواره است که هر کدام به تنهايي داراي يک مدار 11000 مايل دريايي در بالاي زمين هستند. هر ماهواره حدودا 10سال يا بيشتر فعال مي‌باشد.
چرخش ماهواره‌هاي GPS به دور زمين، دو باردر روز و حدود 20200 کيلومتر، بالاي سطح زمين مي باشد. در هر زمان از شبانه روز حداقل 4 ماهواره يا بيشتر بالاي سر ما در آسمان قرار دارند. براي تخمين موقعيت به وسيله گيرنده به حداقل 4ماهواره نياز است.

   بخش کنترل(نظارت):
   بخش کنترل مغز GPS است. اين بخش اداره کننده تمامي ماهواره ها مي باشد.
   اين بخش از ايستگاه‌هاي زميني تشکيل شده است(پنج عدد از آنها، در اطراف زمين قرار دارند) که ماهواره ها را از کارکرد درست مطمئن مي سازند.
   ارتش آمريکا، بخش اصلي سايت کنترل در نيروي هوايي فالکون، واقع در کلورادو اسپرينگ(the Falcon Air Force Base in Colorado Springs) در آمريکا را اداره مي کند.
   ساختمان بخش کنترل، فالکونAFB.
   ايستگاه پيگيري و کنترل زميني، هاوايي.
   يک بار گردش به دور زمين در فضا برابر يک مدار مي باشد. هريک از ماهواره هاي GPS دوازده ساعت زمان نياز دارند تا يک بار مدار زمين را طي کنند. هر ماهواره به يک ساعت دقيق مجهز شده است که به آن اجازه مي دهد سيگنال هاي زوج را با يک پيام زماني بسيار دقيق مخابره کند(with a precise time message). دستگاه (قسمت) زميني، سيگنال مخابره شده از ماهواره (که با سرعت نور حرکت مي کند) را دريافت مي کند. حتي در اين سرعت، زمان رسيدن سيگنال به گيرنده قابل اندازه گيري مي باشد. تفاوت زماني ميان سيگنال فرستاده شده و زمان دريافت آن، مضربي از سرعت نور مي باشد که گيرنده را قادر مي سازد تا فاصله از ماهواره را محاسبه کند. براي اندازه گيري دقيق طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع، گيرنده زماني را که صرف مي شود تا سيگنال ها از چهار ماهواره جدا گانه به آن برسند را محاسبه مي‌کند.
   سيستم GPS مي‌تواند موقعيت هر جايي بر روي زمين يا بالاي زمين را با اندازه تقريبا 300 فوت(90 متر)، نمايش دهد.

) بخش کاربر:
   اين بخش از گيرنده‌هايي تشکيل شده که مي توان آن را در دست نگه داشت يا بر روي اتومبيل سوار نمود.
   با اين که GPS براي ارتش طراحي شده است ولي شمار کاربران شهري از کاربران نظامي بيشتر است. بعضي از کاربران اصلي GPS عبارتند از:
   - سرويس هاي اورژانس- مانند آتش نشاني، آمبولانس در تعيين موقعيت افراد آسيب ديده.
   - پي گيري وسايل نقليه - مانند نگهداري و پي گيري کاميونها، قطارها، اتوبوسها و غيره.
   - هوانوردي - خلبانان از آن براي راهبري هواپيماها استفاده مي کنند.
   - کشاورزي- کشاورزان از GPS براي کنترل بهتر محصولاتشان استفاده مي کنند.
   - جمع آوري داده هاي GIS- شهرها براي موقعيت سرويس هايشان مانند خطوط نيرو و لوله کشي آبها در خيابانها از آن استفاده مي کنند.

ماهيگيران و دريانوردان در دريا از آن جهت هدايت قايق‌ها يا تشخيص يک موقعيت در دريا استفاده مي‌کنند. در هدايت وسايل نقليه با استفاده از GPS براي رسيدن به مقصد، نياز به نقشه نيست.
گردشگران و کوهنوردان از آن استفاده مي کنند تا ميسر خود را پيدا کنند.

شکل فوق سه بخش اصلي يک سيستم GPS را نمايش مي‌دهد

   ماهواره‌ها در فضا:
   همانطور که گفته شد سيستم فضايي GPS از 24 ماهواره تشکيل شده است که هر يک از آنها، هر 11000 مايل دريايي در بالاي زمين را در مدت 12ساعت(يک مدار) طي مي‌کند.
   ماهواره‌ها در فضا به صورتي قرار مي‌گيرند که مي‌توانيم تقريبا 100 درصد از مواقع، سيگنال‌ها را از شش عدد آنها در هر نقطه روي زمين دريافت کنيم، زيرا جهت بدست آوردن بهترين اطلاعات مربوط به هر موقعيت، سيگنال‌هاي زيادي نياز است. همچنين ماهواره ها به ساعت‌هايي جهت نگهداري زمان دقيق مجهز هستند. اين دقت در حد سه نانو ثانيه(سه ميليارديوم ثانيه 000000003/0) بوده و بسيار مهم مي باشد، زيرا گيرنده بايد به درستي تعيين کند که سيگنال‌هايي که از هر ماهواره GPS مي رسد، از چه ارتفاعي گرفته شده است( اين اطلاعات براي محاسبه موقعيت گيرنده مورد استفاده قرار مي گيرد)

اولين ماهواره GPS در سال 1978 پرتاب شد. 10 ماهواره اول که Block I نام داشتند به منظور توسعه اين تکنولوژي(developmental satellites) فرستاده شدند. از سال 1989 تا 1993 ، 23 ماهواره هاي توليدي (production satellites) به نام Block II پرتاب شدند. پرتاب بيست و چهارمين ماهواره در سال 1994 اين سيستم را تکميل کرد.
24 ماهواره GPS با مدار 11000 مايلي در بالاي زمين، در تمام شبانه روز به نظاميان و غير نظاميان خدمت رساني مي کنند. اين شبکه از ماهواره ها هسته اي از دقيق ترين سيستم ناوبري که تابه امروز ساخته شده است را مي سازد.

   ايستگاه‌هاي کنترل زميني و گيرنده‌ها:
   ايستگاه‌هاي کنترل زميني:
   کنترل GPS يا بخش زميني، از ايستگاه‌هاي محلي اطلاع دهنده اتوماتيک(خودکار) در نواحي مختلف اطراف زمين(هاوايي و ماژالين در اقيانوس آرام، ديگو گارسيا در اقيانوس هند، جزيره اسنشن در اقيانوس آرام و کولورادو اسپيرينگ در کولورادو )، يک ايستگاه اصلي در اشريور (فالکن) پايگاه هوايي کولورادو اسپيرينگ و چهار ايستگاه آنتن بزرگ که سيگنال ها را به سمت ماهواره ها ار سال مي کنند، تشکيل شده اند. همچنين اين ايستگاه ها، ماهواره هاي GPS را رديابي و اطلاع رساني مي‌کنند.

   گيرنده ها:
   گيرنده‌هاي GPS مي‌توانند توسط دست حمل شوند(GPS دستي) يا بر روي هواپيما، کشتي، تانک، زيردريايي، اتومبيل و کاميون نصب شوند. اين گيرنده ها سيگنال هاي ماهواره هاي GPS را دريافت، رمزگشايي و در نهايت آنها را پردازش مي‌کنند. امروزه بيشتر از 100 مدل گيرنده متفاوت با اندازه هاي مختلف در حال استفاده هستند(به اندازه يک تلفن بي سيم در گيرنده هاي دستي و حتي کوچک تر از آن در مدل هاي جديد ديده مي شوند).
   به عنوان نمونه دستگاه هاي دستي که به نيروهاي ارتش آمريکا در جنگ خليج فارس داده شد تنها 28 اونس وزن داشتند.
   GPS در پي‌جويي‌هاي صحرايي، اکتشاف نفت و گاز و شرکتهاي خدمات رفاهي(آب و برق و ...) جهت موقعيت يابي دقيق استفاده مي شود.

   چگونگي کارکرد GPS:
   اصلي که GPS به آن متکي مي‌باشد اندازه گيري فاصله(مسافت يا Range) ميان گيرنده و ماهواره است. همچنين ماهواره‌ها بدرستي اعلام مي‌كنند در کجاي مدار خود در بالاي زمين قرار دارند. GPS تقريبا به صورت زير کار مي کند:

   اگر فاصله درست يک پديده از يک ماهواره در فضا مشخص باشد مي توانيم بگوييم در جايي بر روي سطح فرضي کره‌اي با شعاع برابر فاصله تا شعاع ماهواره قرار دارد. اگر فاصله درست از دو ماهواره مشخص باشد، مي توان گفت در جايي بر روي خطي که از محل تقاطع دو کره مي گذرد قرار دارد و اگر سومين اندازه گيري هم موجود باشد، آنجا تنها دو نقطه وجود دارد که جسم مي تواند بر روي آن قرار بگيرد. يکي ازاين دو نقطه غير ممکن بوده و گيرنده GPS داراي متدهاي رياضي مي باشد که قادر است موقعيت غير ممکن را حذف نمايد.
   يک گيرنده GPS موقعيت مکاني را با استفاده از روشي بنام "برد ماهواره اي" يا Satellite ranging تخمين مي‌زند.
   يک گيرنده GPS هميشه مي تواند معين کند که پديده ها کجا قرار دارند، مشروط بر اين که دو نمونه کليدي از اطلاعات موجود باشد:
   1) فاصله بين گيرنده و هر ماهواره (حداقل 4 ماهواره يا بيشتر).
   2) موقعيت کامل هر يک از ماهواره ها در فضا.
   تصوير زير تا حدودي مي تواند نشانگر چگونگي کارکرد سيستم GPS باشد

   يک سيستم شگفت انگيز:
   سيستم GPS از ماهواره هايي تشکيل شده که مسيرهايشان توسط ايستگاه هاي زميني کنترل مي شوند. هر ماهواره‌اي سيگنال‌هاي راديويي توليد مي کند که اجازه مي دهد يک گيرنده، موقعيت ماهواره و فاصله بين ماهواره و گيرنده را تخمين بزند. گيرنده، اندازه گيري ها را براي محاسبه جايي بر روي يا بالاي کره زمين که کاربر يا جسم در آنجا قرار دارد به کار مي گيرد.
   شکل فوق شمايي کلي از عملکرد سيستم GPS و ارتباط آن با علوم ديگر را در اختيار ما قرار مي دهد.

   کاربردهاي GPS:
   GPS کاربردهاي فراواني در مسائل نظامي و زندگي شخصي افراد دارد.
   کاربردهاي نظامي GPS:
   اگرچه مجموعه فلکيماهواره GPS(مجموعه ماهواره هاي موجود در اطراف زمين) اخيرا تکميل شده است، ولي پيش از اين ثابت شد که کمکي بسيار ارزشمند براي ارتش آمريکا بوده است. تصور يک بيابان که وسعت زيادي داشته و گسترشي بي شکل از ماسه دارد باعث مي‌شود زمين براي مايل ها بسيار يکنواخت به نظر برسد. بدون يک سيستم ناوبري قابل اطمينان نيروهاي آمريکايي قادر نبودند مانور عمليات طوفان صحرا (Operation Desert Storm) را به انجام برسانند.
   به وسيله GPS، توانسته بودند به ميدان رفته و در طوفان شن يا حتي در شب مانور بدهند حتي موقعي که سربازان در آنجا قادر به زندگي نبودند. قبل از اتمام جنگ، بيش از 9000 گيرنده تجاري قابل حمل(پرتابل) در منطقه خليج توسط سربازان در حال استفاده بود. آنها توسط سربازان، وسايل نقليه، هلي کوپتر و حتي پانل‌هاي دستگاه هواپيما حمل مي‌شدند.
   گيرنده هاي GPS در چند نوع هواپيما قابل استفاده بودند، از جمله درشکاري F-16، سوخت رسان هوايي KC-135 و بمب‌افکن B-2 . کشتي هاي نيروي دريايي نيز از آنها براي پيدا کردن محل ملاقات‌ها، مين يابي و عمليات هوايي استفاده مي کردند.
   GPS تقريبا در تمام عمليات نظامي و سيستم هاي جنگ افزاري، مهم تلقي شده است. به علاوه در ماهواره ها از GPS براي بدست آوردن داده هاي خيلي دقيق مداري و کنترل جهت يابي سفينه هاي فضايي استفاده مي شود.
   GPS، پايه يک سيستم مختصات است که به آن سيستم ژئودتيک جهاني 1984 (Geodetic system 1984 Word) يا WGS 84گفته مي شود. اين سيستم شبيه خطوط طول و عرض جغرافيايي بوده روي نقشه هاي ديواري در مدرسه‌ها قابل رؤيت است. سيستم WGS 84 چارچوبي ساختاري براي تمام فعاليت‌هاي نظامي در دسترس قرار مي‌دهد که حتي واحدهاي نظامي را مي‌تواند در مانورشان هماهنگ سازد.
   تصوير فوق نيروهاي نظامي آمريکا را در حال استفاده از گيرنده GPS حين مانور نشان مي دهد.

   استفاده هاي GPS در زندگي روزمره:
   سيستم GPS جهت نيازهاي نظامي وزارت دفاع پيشرفت نمود. اما امروزه دائما روش‌هاي جديدي براي استفاده از امکانات آن ابداع مي شود. همانطور که قبلا گفته شد اين سيستم در هواپيماها و کشتي‌ها استفاده مي شود، اما روش‌هاي زياد ديگري امروزه براي استفاده از GPS وجود دارد.

   به عنوان مثال در جريان ساخت تونل زير زميني کانال انگلستان، کارکنان انگليسي و فرانسوي از دو انتهاي تونل در مقابل هم شروع به حفاري کردند. يک گروه از داور(Dover) انگلستان و يکي ديگر در کالاييس (Calais) فرانسه. آنها براي بررسي موقعيت خود در طول مسير به گيرنده هاي GPS بيرون تونل تكيه داشته و مطمئن بودند که در قسمت مرکزي تونل با يکديگر ملاقات مي کنند، در غير اين صورت تونل کج مي‌شد.
   مي توان يک اتومبيل را با يک سيستم نمايشگر ويدئويي در داشبورد آن تصور کرد. در حال حاضر رديابي وسيله نقليه يکي از کاربرد هاي در حال رشد GPS مي باشد. تجهيزات GPS در ناوگان وسايل نقليه، سيستم هاي حمل و نقل عمومي، کاميون‌هاي حمل بار استفاده مي شود، حتي پيک‌هاي خدماتي از اين گيرنده‌ها براي نشان دادن موقعيت خود در تمام مواقع استفاده مي کنند.
   GPS در نجات زندگي نيز کمک مي کند، بيشتر واحدهاي پليس، آتشنشاني و خدمات اورژانس(اضطراري) پزشکي از گيرنده‌هاي GPS در ماشين هاي خود جهت تعيين نزديک‌ترين مرکز اورژانس که بتواند سريع ترين واکنش ممکن را نسبت به وضعيت زندگي يا سلامتي نشان دهد، استفاده مي کنند.
   اين شکل يک زيست‌شناس را نشان مي‌دهد که از گيرنده GPS دستي براي پروژه تحقيقاتي حيات وحش استفاده مي کند
   شرکت‌هاي نقشه برداري و زمين‌پيمايي نيز هميشه از GPS استفاده مي‌کنند. در حوضه مديريت حيات وحش، به گونه‌اي از لاک‌پشت‌ها که در معرض انقراض نسل بودند، گيرنده هاي GPS متصل کردند. همچنين فرستنده هايي براي کمک به تعيين الگوي توزيع جمعيت و يافتن منابع بيماري، به کار گرفته شد.
   امروزه بالن هاي مجهز به GPS بر سوراخ هاي لايه اوزون در مناطق قطبي نظارت مي کنند، و با استفاده از گيرنده هاي GPS کيفيت هوا را گزارش مي‌كنند.
   همچنين شناورها داده هاي روانه هاي نفتي را با استفاده از GPS رديابي مي کنند. باستان‌شناسان و اکتشاف‌کنندگان نيز از اين سيستم استفاده مي کنند.
   هر کس به گيرنده GPS مجهز شود با داشتن يک نقطه مرجع و استفاده از GPS مي‌تواند موقعيت‌هاي ديگر را پيدا کند.
   آينده GPS خارج از تصور است. کاربردهاي جديد به صورت نمودهايي از تکنولوژي ادامه مي‌يابند و ماهواره هاي GPS مانند ستاره هايي دست ساز در آسمان، انسان را به خوبي به قرن بيست و يکم هدايت خواهند كرد.

   نرم افزارهاي GPS:
   نرم‌افزارهاي GPS عبارتند از:

نرم‌افزارهاي GPS
نرم‌افزارهاي GPS شماره هاي 4_5_6_7

نرم‌افزارهاي GPS :
نرم‌افزارهاي GPS شماره هاي 8_9_10_11_12