دانلود تحقیق تاریخچه GPS(سیستم موقعیت یاب جهانی )

تاریخچه GPS:
GPS دارای تاریخچه بسیار مهیج و سیر تکاملی جالبی می‌باشد و اخیرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهی شده است.

اما قبل از این که بیشتر راجع به GPS بدانیم، لازم است مطالب بیشتری در مورد ناوبری(Navigation) بدانیم.
ناوبری(Navigation) چیست؟
از زمان ماقبل تاریخ مردم سعی می کردند یک راه قابل اطمینان پیدا کنند که به آنها بگوید کجا هستند و حتی آنها را به جاییکه می روند راهنمایی کرده و سپس به خانه بازگرداند.
مردمان غارنشین وقتی که برای تهیه غذا به شکار می رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه های کوچک برای علامت‌گذاری مسیر خود استفاده می کردند.

ملوانان نیز ابتدا سواحل را به دقت دنبال می کردند تا از گم شدنشان جلوگیری کنند.
وقتی دریا نوردان اولیه در دریاهای باز(اقیانوس ها) کشتیرانی کردند، دریافتند که می‌توانند مسیر خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسیم کنند.

فنیقیهای باستان از ستاره شمالی برای سفر به مصر و جزیره کرت استفاده می‌کردند.

بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اودیسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزیره کالیپسو دب اکبر را سمت راست خود قرار بده.
متأسفانه برای اودیسه و دیگر دریانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌های صاف قابل رؤیت هستند.
پیشرفت مهم بعدی در امر ناوبری کشف قطب نمای مغناطیسی و دستگاه زاویه یاب(sextant) بود.
عقربه قطب نما همیشه نقطه شمالی را نمایش می دهد، بنابراین همیشه دانستن جهت مسیری که در آن حرکت می‌کنیم را ممکن می سازد.
GPS چیست؟
GPS یا (Global Positioning System) سیستم موقعیت یاب جهانی است و تنها سیستمی می باشد که امروزه قادر است، موقعیت دقیق شما را بر روی زمین در هر زمان، درهر مکان و در هر هوایی مشخص کند.

ماهواره هایGPS، بیست و چهار ساعته در مداری به طول 11000 مایل دریایی بالای زمین در حرکت بوده و پیوسته بوسیله ایستگاه‌های زمینی در سراسر جهان نظارت می‌شوند.

ماهواره ها سیگنال‌هایی می‌فرستند که برای هر کس با یک گیرنده GPS قابل شناسایی می‌باشد.

با به کارگیری گیرنده GPS می توان موقعیت خود را با دقت بالا تعیین نمود(دقت مکانی در هر مکان از یک متر تا 100متر بسته به نوع تجهیزات متفاوت می باشد).
دسته بندی دستگاههای GPS:
بطور کلی یک GPS را میتوان از یکی از 3 گروه ذیل دانست.
GPS MOUSE : هیچ صفحه یا دکمه ای ندارد اما توسط یکpc Laptop با نرم افزار مربوطه قابل استفاده سرویس GPSS می باشد.
دستگاههای این گروه مانند:
Garmin GPS 35
Delorme یا Rand Macnalley ( باقیمت های پایینتر)
قیمت این GPS ها حدود 75 تا 150 دلار آمریکا متغیر می باشد.

ولی فراموش نکنید که این نوع GPS ها حتماً به Laptop pc نیاز دارند.
Hand-Held GPS: این نوع دستگاهها می توانند بصورت سیار مورد استفاده قرار گیرند آنها خودشان یک‌صفحه کوچک جهت نمایش اطلاعات و چند دکمه دارند و در شکل ها و ترکیب های مختلفی عرضه می‌شوند و هیچگونه نیازی بهLaptop ندارند.

که بطور مثال میتوان مدل‌های با قیمت پائین Garmin شبیه Etrex, GPS12*l , GPS12 یا مدل های 315, 310 ازMagellan را نام برد.

تعدادی از اینها یک رابط NMEA و یک کابل رابط دارند قیمت با کابل ممکن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممکن است بعضی از کشورها ارزانتر هم موجود باشد.
یک GPS دستی ارزان قیمت با یک کابل رابط برای انتخاب و آغاز کار با GPS مناسب میباشد, حتی برای سرگرمی یا کار یا آشنایی شما با طرز کار و خدمات GPS.
High-End GPS products: این دستگاهها شامل یک صفحه نمایشگر بزرگتر و تعدادی نقشه میباشند و در بعضی از آنها شما بایستی مبلغ بیشتری جهت نقشه ها بپردازید.
قیمت این دستگاهها ممکن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500 دلار آمریکا باشد که نمونه هایی از آن مانند Blaupunkt PhihPs و Alpine میباشد.
GPS چگونه کار می‏کند؟
اصول اساسی GPS واقعاً‌ بسیار ساده است، اگر چه سیستم برخی از پیشرفته‏ترین ابزارهایی که تا حال ساخته شده را به کار می‏گیرد.

برای درک آن بیائید سیستم را به پنج بخش حیاتی تقسیم کرده و هر بخش را جداگانه بررسی کنیم.

ما با مفاهیم اصلی شروع می‏کنیم و بعضی از جزئیات را کنار می گذاریم، سپس در تمام آنها نکات اصلی را بیان خواهیم نمود.
GPS ) در پنج مرحله ساده
1) مثلث‏بندی ( اندازه گیری ب روش مثلث‏بندی ) با ماهواره‏ها اساس سیستم است.
2) برای اندازه‏گیری مثلث‏بندی ، GPS فاصله را توسط زمان طی مسیر به وسیله یک پیام رادیوئی اندازه می‏گیرد.
3) برای اندازه‏گیری زمان طی مسیر، GPS به ساعت‏های بسیار دقیقی نیاز دارد.
4) وقتی که شما فاصله تا ماهواره را دانستید باید بدانید که ماهواره در کجای فضا قرار دارد.
5) هنگامی که سیکنال (پیام) GPS از یونیسفر و جو ( اتمسفر) ‌زمین عبور می‏کند در آن تاخیر به‏وجود می‏آید.

فضا، کاربر، کنترل( Space , User , Control ) سیستم GPS شامل 3 بخش،‌ فضا، کنترل و کاربری می‌باشد.

بخش فضایی شامل آرایش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) می‌باشد.

اولین سری این ماهواره‌ها در سال 1978 در مدار قرار داده شد.

و در سال 1986 توسعه و تکمیل آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS به علت جلوگیری از خطرات ناشی از عدم مسیریابی انجام پذیرفت.

در فوریه 1989 آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS با 24 یا تعداد بیشتری ماهواره در مدار کامل و فعال گردید.

سیستم کنترل توسط ارتش آمریکا انجام می‌گیرد که ردیابی و نگهداری آنها را در مدار کنترل می‌نماید.

بخش کاربرها، شامل کاربرهای نظامی و شخصی هر دو می‌باشد.

کاربرهای نظامی از سیستم GPS به عنوان، مسیریابی،‌ شناسایی، و سیستم هدایت موشکی استفاده می‌نمایند و کاربرهای شخصی هم می‌توانند همانند نظامی‌ها و براساس نیاز از این سیستم استفاده کنند.

بخش فضایی( Space Segment ) ماهواره‌های GPS در حدود 900 kg وزن و 5 متر با نیل‌های خورشیدی طول دارند.

عمر مفید این ماهواره‌ها برای5/7 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 2001 تعداد ماهواره‌های مورد استفاده در مدار 27 عدد بوده است.

مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits ) شامل 6 مدار با فاصله 60 درجه و در هر مدار 4 ماهواره وجود دارد و این امکان را فراهم می‌سازد که با وجود اشکال و خرابی 2 ماهواره در هر مدار سیستم کار نرمال خود را انجام دهد.

هر سطح مداری شیبی برابر با 55 درجه با سطح مدار استوایی دارد.

ارتفاع زیاد مدار (km 20000) 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 2 بار در روز پوشش می‌دهند (از هر نقطه در روی زمین دوبار در روز می‌گذرند).

سیگنال‌های ماهواره( Satellite Signals ) هر ماهواره یک سیگنال مسیریابی که شامل عناصر مداری، وضعیت ساعت (Clock)‌، زمان سیستم و وضعیت پیام‌ها می‌باشد را ارسال می‌نماید.

به علاوه یک تقویم نجومی (almanac) تهیه می‌شود که اطلاعات (تقریبی) را برای هر ماهواره فعال ارسال نماید.

سیگنال‌های رادیویی با سرعت نور منتشر می‌شوند.

سیصد هزار کیلومتر در ثانیه، مدت زمان 06/0 ثانیه طول می‌کشد که سیگنال ارسالی از ماهواره GPS به زمین برسد.

این سیگنال‌ها با قدرت کم (حدود 300 تا 350 وات در طیف مایکروویو) ارسال می‌گردند.

کد C/A (Coarse A qwsition Cood) برای استفاده کاربرهای شخصی در دسترس می‌باشد و به عنوان (SPS) (Standard Positining Service) مسیریابی استاندارد.

PPS یا Precise Positioning Service سرویس مکان یابی دقیق که منحصراً در دسترس کاربرهای نظامی و کاربرهای مجاز می‌باشد.

سیگنال‌های ماهواره به خط مستقیم جهت رسیدن و استفاده گیرنده‌های GPS نیازدارند.

درخت، ساختمان،‌ کوه و حتی دست و یا بدن می‌تواند سیگنال‌های ماهواره‌ها را بلوکه نماید.

تقویم نجومی یا Almanac شامل اطلاعاتی راجع به مدارات 24 ماهواره می‌باشد.

یک گیرنده GPS از تقویم نجومی که در پیام‌های دیتای ماهواره وجود دارد برای موقعیت هر ماهواره‌ای که ردیابی می‌کند 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 30 روز معتبر می‌باشد،‌ اما هر بار که گیرنده GPS روشن می‌شود بطور اتوماتیک تقویم نجومی را دریافت می‌کند (در مدت زمان 15 دقیقه).

استفاده از تقویم نجومی به روز یا up-to-date برای استفاده از ماهواره‌هایی که در دید گیرنده‌های GPS قرار می‌گیرند بسیار مهم می‌باشد.

بخش کنترل Control Segment بخش کنترل شامل پنج ایستگاه مونیتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوایی، کواجالین،‌ جزیره اسنشن، دیوگوگارسیا و کلورادو می‌باشد.

ایستگاه (MCS) یا مرکز کنترل در کلورادو 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 مکان‌یاب را به روز می‌نماید.

اطلاعات به روز شده از طریق آنتن‌های زمینی به ماهواره‌ها ارسال می‌گردد.

ماهواره‌های GPS 1- پیام‌های اطلاعاتی ماهواره (موقعیت و زمان) 2- تقویم نجومی 3- اصلاح مداری را که از ایستگاه MCS دریافت می‌نمایند، ارسال می‌کنند و گیرنده‌های GPS از تمامی این اطلاعات جهت محاسبه موقعیت استفاده می‌نمایید.

بخش کاربری User Segment بخش کاربری شامل گیرنده‌های GPS می‌باشد که موقعیت محل، سرعت و زمان دقیق را در همه جای دنیا مشخص می‌نماید.

کاربردهای GPS تقریباً در تمامی زمینه‌ها، از حمل و نقل و کنترل منابع طبیعی و کشاورزی وجود دارد.

بعنوان مثال: - استفاده از GPS برای هدایت هلی‌کوپترها و مشخص نمودن محل‌های مورد نظر، خصوصاً در عملیات نجات آسیب‌دیدگان.

- استفاده از GPS جهت تهیه نقشه‌های کشاورزی.

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

- استفاده از GPS برای دریانوردی.

- استفاده از GPS برای مسیریابی در جنگل‌ها.

- ترکیبی 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 کار 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 حرکت می‌کنند.

با ضرب زمان حرکت سیگنال از ماهواره تا گیرنده GPS درkm/s 300000 فاصله ی بین ماهواره و گیرنده مشخص می‌شود.

اگر ما از محل 4 ماهواره اطلاع داشته باشیم و مقدار فاصله آنها از گیرنده مشخص گردد،‌ در یک فضای 3 بعدی می‌توان محل خود را محاسبه نمود.

12000 مایل شعاع کره‌ای می‌باشد که مرکز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها کروی و فاصله آنها تا زمین 12000 مایل است) محل یا موقعیت ما می‌تواند هر جای در روی این کره باشد.

اندازه‌گیری دوم (ماهواره دومی)، سطح تقاطع دو کره یک دایره است بنابراین حالا می‌‌دانیم که محل ما جایی روی دایره است.

اندازه‌گیری سوم، 3 کره یکدیگر را فقط در 2 نقطه قطع می‌کند.

یکی از دو نقطه به عنوان غیرقابل قبول حذف می‌شود.

کامپیوترها در داخل گیرنده‌های GPS روش‌ها و تکنیک‌های 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 کوارتز استفاده می‌شود.

اندازه‌گیری چهارم مقدار این Offset را جبران می‌نماید و نقطه صحیح را پیدا خواهد نمود.

GPS سرعت را نیز اندازه‌گیری می‌کند که 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 ممکن است در پارامترهای دیتا وجود داشته باشد.

پارامترهای ماهواره بطور خلاصه سیستمی از موقعیت‌های ماهواره GPS در حوزه زمان می‌باشد.

این اطلاعات مشخص می‌کنند که ماهواره در کجا و در چه موقع در هر نقطه‌ای باید باشد.

تغییرات بسیار کمی در ساعت‌های اتمی خطاهای زیادی را باعث می‌شود.

خطای یک نانو ثانیه‌ای در گیرنده‌های GPS در روی زمین 3/0 متر در محاسبه مکان 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 که آنتن‌های گیرنده سیگنال را از دو مسیر یا بیشتر دریافت می‌کند.

اختلاف مسیری که سیگنال‌ها طی می‌نمایند باعث تداخل این سیگنال‌ها در آنتن گیرنده می‌گردد و باعث خطا می‌شود.

پیکربندی یا محل ماهواره‌ها در فضا می‌تواند بر دقت مکان‌یابی ماهواره تاثیر گذارد.

GDOP یک اندازه‌گیری از کیفیت پیکربندی ماهواره می‌باشد و اشاره به این موضوع دارد که ماهواره‌هادر فضا با یکدیگر در ارتباط هستند.

SA یا Selective Avalibi lity خطاهای پارامتری و Clock مصنوعی را نشان می‌دهد و باعث خطای عمومی اندازه‌گیری از 70 الی 100 مترمی‌شود.

SA در چهارم جولای 1991 فعال و در یکم می 2000 خاموش گردید.

خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گیری و در نتیجه ایجاد کاربردهای جدید برای GPS و ارتقاء سطح زندگی مردم در اقصاء نقاط جهان می‌شود.

توسعه تکنولوژی جدید این امکان را می‌دهد در مناطقی دقت GPS را کاهش دهند.

ضمن اینکه این کاهش در نقاط دیگر دنیا غیر ضروری می‌باشد.

ارکان GPS: یک سیستم GPS دارای سه بخش است: شکل بالا