>>>سیستم تعیین موقعیت جهانی یا GPS (Global Positioning System)

سیستم تعیین موقعیت جهانی یا GPS (Global Positioning System)

نویسنده : | ۱۳۹۶-۶-۱۳ ۱۷:۰۱:۳۶ +۰۰:۰۰ ۳م شهریور, ۱۳۹۶|نقشه برداری|بدون ديدگاه

تاریخچه‌ای از سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)

   قبل از معرفی سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) ، به تاریخچه آن نگاه مختصری می‌اندازیم. از زمانی‌که انسان به فکر تعیین موقعیت خود و اجسام بر روی زمین افتاد تاکنون، تغییرات و پیشرفت‌های شگرفی در این زمینه رخ داده است. اما از نخستین کسانی که به فکر تعیین موقعیت جهانی از طریق اجرام آسمانی و فضا افتادند، می‌توان به «داپلر» اشاره کرد.
«آمریکو وسپوس» دریانوردی در قرن پانزدهم و در ساحل برزیل، بر مبنای گزارش «کریستف کلمب» ، جهت تعیین موقعیت خود، اندازه‌گیری هایی انجام داد. بر اساس مشاهدات وی، در نیمه شب 23 اوت 1499 کره ماه می‌بایست در برابر زمین و کره مریخ قرار می‌گرفت. وسپوس تقاطع مذکور را در برزیل مشاهده کرده و متوجه شد که این تقارن شش و نیم ساعت بعد از آنچه که باید در شهر فراره واقع در ایتالیا دیده می‌شد به وقوع پیوسته است.
لذا با استفاده از اختلاف زمان و اندازه پیرامون زمین که «بطلمیوس» بدست آورده بود توانست فاصله و طول جغرافیایی شهر فراره را محاسبه کند. تعیین موقعیت با این روش خطایی در حدود یک مایل را ارائه می‌نمود.
این اولین تجربه انسان برای تعیین موقعیت و محاسبه مختصات خود بر روی کره زمین بود. تا سالها بعد نیز راه دیگری جز استفاده از ستارگان برای تعیین موقعیت دقیق بر روی زمین وجود نداشت. برای تعیین موقعیت با این روش نیز نیاز به مشاهدات نجومی و استفاده از جداول زمانی ستارگان بود. اما به ناگاه سیستمی کارآمد با نام سیستم تعیین موقعیت جهانی وارد عرصه شد و معادلات را به کلی تغییر داد.

سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) راهکاری سودمند و دقیق برای تعیین موقعیت، بر مبنای فضا و استفاده از موقعیت دقیق ماهواره ها است.

سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) راهکاری سودمند و دقیق برای تعیین موقعیت، بر مبنای فضا و استفاده از موقعیت دقیق ماهواره ها است.

 

معرفی سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)

مفاهیم پایه تعیین موقعیت در فضای سه‌بعدی

   ایده اساسی تعیین موقعیت بر مبنای فضا با استفاده از ماهواره‌های ساخت بشر نخستین بار از اوایل سال 1960 توسط ایالات متحده و در ناسا شروع گردید. این ایده بر تکنیکی استوار است که در آن با دانستن فاصله نقطه موردنظر از چندین نقطه در فضا، میتوان مختصات آن را به دست آورد.

اگر در فضای سه‌بعدی فاصله خود را نسبت به یک نقطه مشخص (ماهواره) بدانیم، مکان هندسی موقعیت ما بر روی یک کره به مرکزیت نقطه معلوم و به فاصله گفته‌شده خواهد بود.

اگر علاوه بر اطلاعات قبل، فاصله خود را از نقطه معلوم دیگری داشته باشیم، مکان هندسی موقعیت ما بر روی تقاطع این دو کره، یعنی یک دایره، خواهد بود.

به‌همین‌ترتیب اگر فاصله خود را از سه نقطه یا سه ماهواره بدانیم، مکان هندسی ما محل تقاطع سه کره، یعنی دو نقطه، خواهد بود که همواره یکی از آن‌ها بر روی زمین منطبق خواهند بود.

اگر فرض را بر این بگذاریم که می‌خواهیم مختصات نقطه‌ای بر روی کره زمین را محاسبه کنیم، با داشتن سه ماهواره می‌توانیم تشخیص دهیم که کدامیک از آن دو نقطه (نقاط حاصل از تلاقی سه کره) بر روی سطح زمین منطبق است و تعیین موقعیت انجام می‌شود.
اما اگر بخواهیم درخصوص نقاط دیگری که در فضا قرار دارند صحبت کنیم، با افزودن داده‌های مربوط به ماهواره چهارم، شکی باقی نمی‌ماند و بادقت بالایی می‌توانیم موقعیت خود را در فضا معین کنیم.

درنتیجه برای تعیین موقعیت خود حداقل نیازمند دریافت امواج چهار ماهواره و تعیین فاصله خود از آن‌ها هستیم. اگر تعداد ماهواره‌ها نیز بیشتر شود بر دقت تعیین مختصات افزوده خواهد شد. هندسه این ماهواره‌ها نیز بر روی دقت موقعیت محاسبه‌شده تأثیر می‌گذارد.
هندسه ماهواره‌ها با پارامتری به نام
DOP سنجیده می‌شود و هرچه زوایای مثلث‌های ایجادشده، پس از ترسیم خطوط بین ماهواره‌ها، به 60 درجه نزدیک‌تر باشد این پارامتر مناسب‌تر بوده و دقت تعیین مختصات افزایش خواهد یافت.

موقعیت نسبی ماهواره‌ها تاثیر مستقیمی بر دقت تعیین مختصات دارد

موقعیت نسبی ماهواره‌ها تاثیر مستقیمی بر دقت تعیین مختصات دارد

 

سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) از چه بخش‌هایی تشکیل شده است ؟

   سیستم تعیین موقعیت جهانی NAVSTAR یا GPS ، یک سیستم ناوبری رادیویی جهانی است که از یک صورت فلکی 24 ماهواره‌ای یا بیشتر، چندین ایستگاه کنترل زمینی و میلیون‌ها کاربر تشکیل شده است. سه جزء (قسمت) این سیستم یعنی بخش فضایی، زمینی و کاربر با یکدیگر کار می‌کنند تا با بهره‌گیری از ماهواره‌ها به عنوان نقاط مرجع ، موقعیت مکانی هر نقطه را در هر زمان به طور دقیق ارائه کنند.

1- بخش فضایی (ماهواره‌ها)

   اولین جزء از سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) ، بخش فضایی متشکل از 24 ماهواره است که در مدارهای دقیق و تقریباً دایره‌ای شکل قرار دارند و ارتفاع آنها از زمین در حدود 20200 کیلومتر است. چندین ماهواره اضافی نیز در مدار قرار دارند که نقش ماهواره‌های یدکی را بازی مي‌كنند و کاملاً عملیاتی هستند. بنابراین حتی اگر خرابی یا تعمیرهای دوره‌ای، یک یا چند ماهواره را برای مدتی از سرویس خارج کنند، صورت فلکی همواره باید شامل 24 ماهواره عملیاتی باشد.

پیشنهاد بعدی :  ZoneCollector : ابزاری دقیق برای جمع آوری داده های GIS

ماهواره‌ها در شش صفحه مداری قرار گرفته‌اند. هر صفحه مداری برای اینکه بتواند مناطق قطبی را نیز پوشش دهد، دارای یک زاویه انحراف 55 درجه‌ای نسبت به صفحه استوا مي‌باشد. هر ماهواره، کره زمین را دو بار در شبانه‌روز دور می‌زند. در نتیجه، در هر زمان و از هر نقطه بر روی زمین یا نزدیک به زمین، حداقل 4 ماهواره در میدان دید قرار دارند. این امر بسیار مهم است زیرا یک گیرنده GPS به سیگنال‌های حداقل 4 ماهواره نیاز دارد تا بتواند موقعیت مکانی خود را در فضای سه‌بعدی تعیین کند.
شکل زیر صورت فلکی ماهواره‌های GPS را نشان می‌دهد.

صورت فلکی ماهواره‌های سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)

صورت فلکی ماهواره‌های سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)

هر ماهواره در فضا به منزله یک ایستگاه فرستنده رادیویی مستقل ناوبری است. هر یک از این ماهواره‌ها دائماً سیگنال‌های رادیویی کم قدرتی را منتشر می‌کنند که کار شناساندن ماهواره و ارائه اطلاعات درباره موقعیت مکانی آن در فضا، زمان‌بندی سیستم و ساير داده‌ها را انجام می‌دهند.
سیگنال‌ها با استفاده از دو فرکانس موج حامل در باند L که داراي بازه فرکانسی بسيار بالا هستند، منتشر می‌شوند که عبارتند از:

  • (L1 (1575.42 MHz
  • (L2 (1227.60 MHz

باران، مه و برف هیچ اثری بر روی این سیگنال‌ها ندارند و اين امر سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) را به یک سیستم قابل استفاده در همه فصول سال تبدیل نموده است.

2- بخش کنترل (ایستگاه‌های کنترل زمینی)

   بخش کنترل شامل 12 ایستگاه زمینی می‌باشد. موقعیت مکانی آنها در شکل زیر نشان داده شده است.

 

ایستگاه‌های کنترل زمینی GPS در سراسر جهان

ایستگاه‌های کنترل زمینی GPS در سراسر جهان

پایگاه هوایی  Schriever در کلرادو، به‌عنوان ایستگاه کنترل اصلی ایفای نقش می‌کند.
– جزیره استوایی  Ascension در اقیانوس اطلس جنوبی، دماغه کاناورال در فلوریدا، جزیره مرجانی دیه­گو گارسیا واقع در اقیانوس هند و جزیره مرجانی  Kwajalein در اقیانوس آرام نیز به‌عنوان یستگاه آنتن زمینی (فرستنده) عمل می‌کنند.
– ایستگاه‌های پایش (گیرنده) نیز ابتدا در پایگاه هوایی  Schriever، جزیره استوایی  Ascension، هاوایی، جزیره دیه­گو گارسیا، جزیره Kwajalein در نظر گرفته شد. در سال 2005 نیز ایستگاه‌های جدیدی در آرژانتین، بحرین، انگلستان، اکوآدور، واشنگتن دی سی و استرالیا به آن‌ها اضافه شد.
لازم به ذکر است که یک ایستگاه کنترل اصلی موقتی پشتيبان در نزدیکی واشنگتن دی سی قرار دارد. یک ایستگاه کنترل اصلی جانشین دائمی نیز در پایگاه هوایی Vanderberg ایالت کاليفرنیا در دست احداث قرار دارد.

   ایستگاه‌های پایش مدام در حال رهگیری سیگنال‌های ناوبری از همه ماهواره‌ها بوده و دائماً این داده‌ها را به منظور پردازش، به ایستگاه کنترل اصلی ارسال می‌کنند. ایستگاه کنترل اصلی محاسبات مربوط به پیش‌بینی موقعیت مدار را برای هر ماهواره در صورت فلکی و نیز محاسبات مربوط به تصحیحات ساعت‌های ماهواره‌ها را انجام می‌دهد.

ایستگاه کنترل اصلی، داده‌های ساعت و مدار به‌روزرساني شده فوق‌الذکر را به چهار ایستگاه آنتن زمینی ارسال می‌کند. سپس این داده‌ها به منظور حفظ دقت سیستم روزی سه بار از این ایستگاه‌ها به هر ماهواره ارسال می‌شوند. ایستگاه‌های زمینی همچنین دستورات (رایانه‌ای) را به منظور مدیریت روزمره، به‌روزرسانی نرم‌افزار و تنظیمات مدار به ماهواره‌ها ارسال می‌کنند.

هر ماهواره همیشه در میدان دید حداقل دو ایستگاه زمینی و معمولاً در میدان دید سه ایستگاه زمینی می‌باشد.

 

3- بخش کاربر  (همه گیرنده‌های روی زمین)

   فلسفه وجود سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) ، مشخص كردن موقعیت کاربر است. سیستم مذكور این کار را به خوبی و به طور رایگان انجام می‌دهد. اما بايد به خاطر داشت که این سیستم، دو کاربره است: یعنی هم برای کاربران نظامی و هم برای کاربران غیرنظامی طراحی شده است.

  • کاربران نظامی از قابلیت‌های خاص این سیستم بهره‌مند هستند و کاربردهای مد نظر آنها با کاربردهای مورد نظر کاربران غیرنظامی بسیار متفاوت است.
  • کاربران غیرنظامی معمولاً از قابلیت‌های موقعیت‌یابی و زمان‌سنجی برای امور روزمره خود استفاده می‌کنند.

از کاربردهای مورد نظر سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) برای یک کاربر غیرنظامی مي‌توان به موارد زیر اشاره كرد:

  • جلوگیری از گم شدن در صحرا، جنگل و علفزار
  • مسیریابی به سمت رستوران در یک شهر غریب
  • مشخص کردن موقعیت گوشه ساختمان در حال احداث
  • کمک به سرویس‌دهي وسایل نقلیه خدماتی طبق برنامه
  • هدایت کردن ماشین‌آلات کشاورزی در یک خط مستقیم
  • کمک به ناوبری کشتی‌ها و هواپیماها
  • و …

جهت آشنایی بیشتر با نحوه کار سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) و جزئیات بیشتر در این مورد، مطالب بعدی ما را که در آینده منتشر خواهد شد، دنبال نمایید.

درباره نویسنده :

علیرضا امیری

کارشناس مهندسی عمران – نقشه برداری

کارشناس ارشد سیستمهای اطلاعات مکانی

ثبت ديدگاه