24 ماهواره که دور زمین در گردش هستند
سیستم محل یابی جهانی (Global Positioning Systems)، بک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره ای است که از شبکه ای با 24 ماهواره تشکیل شده است.
این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند.
این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال 1980 استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد.
خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعت شبانه روز در دسترس است.
پدید آوردنگان این سیستم، هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن رایگان است.
GPS چگونه کار می کند؟
ماهواره های این سیستم، در مداراتی دقیق هر روز 2 بار بدور زمین می گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می کنند.
گیرنده های GPS این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می کنند.
در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می کند.
از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می گردد.
حال این عمل را با داده های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز، معین می کند.
گیرنده به دریافت اطلاعات همزمان از حداقل 3 ماهواره برای محاسبه 2 بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی، و همچنین دریافت اطلاعات حداقل 4 ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است.
با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره ها 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، می نماید.
ماهواره های GPS
24 عدد ماهواره GPS در مدارهایی بفاصله 24000 هزار مایل از سطح دریا گردش می کنند.
هر ماهواره دقیقا طی 12 ساعت یک دور کامل بدور زمین می گردد.
24 عدد ماهواره GPS در مدارهایی بفاصله 24000 هزار مایل از سطح دریا گردش می کنند.
سرعت هریک 7000 مایل بر ساعت است.
این ماهواره ها نیروی خود را از خورشید تامین می کنند.
همچنین باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می کنند بهمراه دارند.
راکتهای کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر صحیح نگاه می دارد.
به این ماهواره ها NAVSTAR نیز گفته می شود.
در اینجا به برخی مشخصه های جالب این سیستم اشاره می کنیم: • اولین ماهواره GPS در سال 1978 یعنی حدود 35 سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
• در سال 1994 شبکه 24 عددی NAVSTAR تکمیل گردید.
• عمر هر ماهواره حدود 10 سال است که پس از آن جایگزین می گردد.
• هر ماهواره حدود 2000 پاوند وزن دارد و طول باتری های خورشیدی آن 5.5 متر است.
• انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از 50 وات است.
گیرنده GPS بسته به نوع مصرف و بودجه می توانید از طیف وسیع گیرنده های GPS بهره ببرید.
همچنین، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب و بروزجهت ناحیه مورد استفاده تان، اطمینان حاصل کنید.
امروزه بهای گیرنده های GPS بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و هم اکنون در کشور ما با بهایی معادل یک عدد گوشی متوسط موبایل نیز می توان گیرنده GPS تهیه کرد.
در کشورهای توسعه یافته از این سیستم جهت کمک به راهبری خودرو، کشتی و انواع وسایل نقلیه بهره گیری می شود.
هر چه نقشه های منطقه ای که در حافظه گیرنده بارگذاری می شود دقیق تر باشد، سرویسهایی که از GPS می توان دریافت داشت نیز ارتقا می یابد.
برای مثال، می توان از GPS مسیر نزدیکنرین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را سوال نمود و مسیر پیشنهادی را دنبال کرد.
دقت مکانیابی این سیستم در حد چند متر می باشد، که بسته به کیفیت گیرنده تغییر می کند.
از سیستم محلیابی جهانی می توان در کارههایی چون نقشه برداری و مساحی، پروژه های عمرانی، کوهنوردی، کایت سواری، سفر در مناطق ناشناخته، کشتی رانی و قایقرانی، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمینلرزه و هر فعالیت دیگر که نیازمند محلیابی باشد، بهره برد.
هر کس که بخواهد بداند کجاست و بکجا می رود به این سیستم نیازمند است، با توجه به نزول شدید بهای گیرنده های این سیستم، و افزایش امکانات آنها، این تکنولوژی در آینده نزدیک بیش از پیش در اختیار همگان قرار خواهد گرفت.
مزایای سیستم GPS × دقت بسیارزیاددرموقعیت یابی × داشتن پوشش جهانی × دارا بودن زمان بندی دقیق × نداشتن هیچ گونه هزینه برای استفاده کنندگان × تعیین سرعت درسه محور مختصات × قابلیت دسترسی همیشگی × قابلیت کاربردی در هرشرایط آب وهوایی × عدم محدودیت دربکارگیری همگانی × دقت نسبی IPPM برای طولهای کوتاه از1 تا 100 کیلومتر.
× تعیین سرعت درسه محور , زمان , تعیین فاصله سمت وگرای ونقطه مبداء .مقصود × توانایی دید همزمان با یک گیرنده ماهواره ابتدا اطلاعات وداده های ناوبی رابه پنج ایستگاه کنترل که درمناطق کلردواسپرینگ(5) کو آجالین (6) دیه گوگارسی)(7) آسنشن(8) و هاوایی (9) قراردارند ارسال می کند که درواقع این سیگنال ها ماهواره ها را ردیابی (10) می کنند.
سپس این ایستگاهها اطلاعات خودرا به ایستگاه کنترل ماهواره (ایستگاه اصلی که همان کلرادواسپرینگ می‌باشد) ارسال کنند که وظایف آن پردازش داده ها ارسال به ماهواره و نظارت برکنترل روزانه ماهواره است سپس این داده ها به سه آنت زمینی دیگر ارسال می شود که توسط این آنتها اطلاعات کنترل شده به ماهواره جهت تصحیح جهت ساعت ماهواره وفرامین ودستورات تله منزی ارسال می شود به این کار اصطلاحاً ataupload شدن ماهواره گفته می شود.
اصول کارگیری GPS وظیفه یک گیرنده GPS درست بعداز روشن شدن آن را می توان بصورت زیر خلاصه کرد.
الف) نرم افزار سیستم بایدبتواند ماهواره های موجود دردید کاربر را تعیین کند و سپس ازبین ماهواره ها , چهار ماهواره را که دارای بهترین آرایش هندسی هستند به منظورمینیمم شدن خطای فاصله منبعی انتخاب کند.
مل تعیین کابل ماهواره های موجود دردید کاربراغلب توسط اطلاعات قبلی موجود درحافظه خراب نشدنی دستگاه (14) انجام می شود اگرچنین اطلاعات معتبری درحافظه نباشد سیستم باید عمل جستجو را برروی تک تک 24 ماهواره GPS انجام داده ولیستی ازماهواره های در دیدتهیه کند که مسلماً این کاروقت زیادی ازگیرنده را پس ازروشن شدن به خوداختصاص می دهد .
ب) پس ازتعیین 4 ماهواره موردنظر بایدسیگنال آنها را بدست آوریم .این کار با ساختن کدشبه تصادفی نظیر کدماهواره موردنظر درگیرنده وانجام عمل همبستگی با سیگنال رسیده انجام می شود .کد داخلی گیرنده را آنقدر شیفت زمانی می دهیم تا خروجی همبستگی‌ساز ماکزیمم گردد.
دراین صورت کد بدلی وکد دریافتی ازماهواره کاملاً سنکرون هستند .به این عمل , جستجوی سیگنال ماهواره درحوزه زمان می گویند: لازم به ذکراست که بایستی عمل جستجو در حوزه فرکانس نیز انجام شود ازآنجا که ماهواره های GPS درمدار زمین ثابت (ژئو سنکرون)قرار نداشته ونسبت به زمین درحال حرکت هستند وهمچنین چون گیرنده نیز معمولاً روی یک جسم متحرک نظیراتومبیل ویا هواپیما نصب می شود درنتیجه فرکانس دقیق کاربر ارسالی به علت اثر دوپلر ,مشخص نیست پس باید فرکانس کاربر محلی را نیز آنقدر تغییر دهیم تا خروجی همبستگی ساز ازحد آستانه ای بیشتر شود.و نهایتاً فرکانس کاربر نیز با فرکانس دریافتی سنکرون شود .
ج) پس از عمل جستجو وارد مرحله ردیابی سیگنال می شویم دراین مرحله اولاً هدف این است که سیگنال سنکرون تولید شده دربرگیرنده همچنان با سیگنال ماهواره سنکرون بماند این عمل توسط یک حلقه کنترلی خاص تحت عنوان COSTASLOOP که درواقع یک نوع خاص (15) VCO انجام می شود .ثانیاً عملیات دمودلاسیون (16) BPSK سیگنال رسیده اطلاعات ناوبری D(t) و عملیات شبه فاصله سنجی (تعین فاصله کاربر وماهواره توسط زمان انتشار سیگنال ) نیز دراین مرحله انجام شود.
د) مراحل بوت بایدعیناً برای 3 ماهواره دیگر انجام شود.
درنهایت چهار شبه فاصله که ازمراحل فوق محاسبه شده است دراختیار داریم .
حال نرم افزار گیرنده بایدبتواند به کمک این چهارشنبه فاصله یک دستگاه چهار معادله وچهار مجهول را حل کند واین معادلات طول وعرض جغرافیایی, ارتفاع وهمچنین زمان دقیق را بدست آورد ازمراحل چهارگانه فوق مراحل الف و د بیشتر به جنبه های نرم افزاری یک گیرنده برمی گردد.
کاربردهای GPS چیست؟
بطورکلی ازمهمترین زمینه های کاربد GPS می توان به مواردزیر اشاه کرد.
الف – درزمینه های نظامی 1- کاربردهوایی : 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 عبارتنداز : 1) نقشه برداری هیدرو گرافیک .
2) نقشه برداری سینما تیکی خیلی دقیق برروی زمین .
3) فتو گرامتری بدون کنترل زمینی 4) انبوه سازی شبکه ژئو دتیک 5) نقشه برداری کارامتری 6) فتو گرامتری بصورت REAL .TIME ج: 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 .
پیش بینی های به عمل آمده نیز نشان دهنده رشدسریع مسافرت های هوایی تاسال 2001 خصوصاً درمناطقی مانند آسیا , اقیانوسه بودتعداد 18 میلیارد مسافر وبیش از 10000هواپیما ی درحال تردد درهرلحظه این نگرانی را تایید می نمود .لذا پیشنهاد شد که ازتکنولوژی ماهواره برای مبادله صوتی وداده های موردنیاز با خطوط ارتباطی مستقیم از هواپیمابه ماهواره وازآن طریق به کنترل ترافیک هوایی استفاده شود.
دراین حالت محدودیت دید مستقیم درسیستم های (17) VHF و کیفیت درسیستم های (18) HF وجودندارد بعلاوه دریک مجموعه واحد می توان بصورت همزمان داده های ضروری هواپیما مانند مشخصات پرواز, ارتفاع , سرعت و جهت را نیز به کنترلر مراقب پرواز اطلاع داد واز این طریق خطای انتقال صحیح اطلاعات ناشی از عوامل انسانی دروقوع سوانح را به کلی ازبین برد.
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 بسیارارزشمند خواهدبود.
2- ماهیگیری 3- پروازبا گلایدر .
4- استفاده حرفه ای درعملیات زمینی 5- اسکی , کوهنوردی 6- قایقرانی 7- عملیات جستجو و نجات 8- حرکت اتومبیل درجاده 9- مسابقات اتومبیل رانی رالی البته کاربرهای GPS روزبه روز بیشتروبیشتر می شود ونیزنباید این نکته را ازنظر دورداشت که این سیستم با تمام مزایای خودممکن است دچار اختلال گردد ویا گیرنده ای که دردست شماست دچارخرابی گردد .پس بایدروشهای موقعیت یابی کلاسیک را که کار با قطب نما ونقشه است ازیادنبرد واول این روش را یادگرفت وبعدبسراغ GPS رفت تا درمواقع نیازدچار وابستگی به سیستم موقعیت یابی جهانی نباشیم .
البته مطالب گفته شده دراین مقاله بطور کامل تمام جزئیات را موردبررسی قرار نداده .زیرا بسیاری ازموارد مسائل فنی ویا محرمانه سیستم می باشد که کمتر دردسترس افرادعادی می باشد و نیز بررسی آن نیاز به دانستن بساری ازروابط پیچیده فیزیک و....
دارد.
ماهواره‌های جی پی اس ۲۴ 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 ۳۵ 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.
این بخش همان بخش ماهواره های