سيستم موقعيت يابي جهاني (GPS) چیست؟ جی پی اس چگونه عمل می کند؟

سيستم موقعيت يابي جهاني   (GPS) چیست؟ جی پی اس چگونه عمل می کند؟

شايد درست در زماني كه بشر روي پاهاي خود ايستاد و روي زمين به گردش پرداخت در جستجوي راهي بود كه دريابد كجاست و به كجا مي رود؟

 

اين همان مساله‌اي است كه امروز ما با آن روبرو هستيم، اما تا به امروز هر سيستمي مشكلاتي داشته است. احتمالا انسانهاي اوليه مسيرشان را با توده هاي سنگ علامت گذاري مي كردند، اما اين راه حل فقط در اطراف محل زندگي به كار مي آيد، اگر برف و باران ببارد و نشان ها را بشوید، چه خواهد شد؟

هنگامي كه انسان به كشف اقيانوسها پرداخت، كار مشكل تر شد چرا كه جايي براي انباشتن سنگ وجود نداشت و تتنها چيزي كه مي توانستند روي آن حساب كنند ستاره ها بودند.متاسفانه ، ستاره ها آنچنان دورن دكه بدون توجه به اين كه در كجا هستند، كاملاً يكسان به نظر مي‌آيند. تنها راه استفاد هاز آنها اندازه گيري هاي بسيار دقيق است و اين اندازه گيري ها را مي توان فقط در شب و آن هم در شب هاي صاف انجام داد. حتي در ديانوردي و با بهترين ابزارها، مي توان با استفاده از ستاره ها، آنهم به طور تقريبي ، مشخص نمو دكه در كجا هستيم.

انسان امروز با استفاده از ابزارهاي الكترونيكي خود سيستم هاي جديدي را به كار گرفته است كه هر يك مشكلات خود را دارند. دريانوردان حتما درباره LORAN و DECCA چيزهايي شنيده اند. اينها سيستم هاي راديويي هستند كه براي آبهاي ساحلي كه در آنجا زنجيره هاي LORAN و DECCA وجود دارند مناسب هستند، اما بخش اعظم زمين را نمي پوشانند و دقت آنها بسته به تداخل‌هاي الكتريكي و اختلافات جغرافيايي، متفاوت است. سيستم جديد ديگري كه ماهواره ها را به كار مي گيرند، سيستمي موسوم به سيستم انتقالي است.

متاسفانه، ماهواره هايي كه اين سيستم از آنها استفاده مي كند در مدار بسيار پايين هستند و تعداد آنها نيز زياد نيست و در نتيجه گاهي ارتباط درستي وجود ندارد و از آنجا كه اين سيستم بر اساس اندازه گيري فركانس پايين داپلر(اندازه گيري با استفاد هاز انعكاس موج الكترومگنيك) كار مي كند، حتي حركات ناچيز گيرنده موجب بروز خطاهاي فاحش در تعيين موقعيت مي شود.

يك سيستم ناوبري جهاني است كه هر كس مي تواند از آن بهره گيرد. آمريكا واقعاً نياز داشت كه همه چيز را بداند و توان مالي تهيه صحيح سيستمر ا نيز داشت، پس چيزي كه به سيستم جهاني تعيين موقعيت  موسوم است رسيد. اين سيستم بر اساس يك صورت فلكي، متشكل از 24 ماهواره در مدار بسيار بالا كار مي كند. مي توان به آنها به چشم ستاره هاي ساخته دست انسان نگريست كه جانشين ستاره هايي شده اند كه به طور سنتي از آنها ناوبري استفاده مي شد.

كار انجام شده بسيار مهم است. در واقع، تنها آمريكا بيش از 12 ميليارد دلار براي ساخت اين سيستم سرمايه گذاري كرده است. البته اين پول به درستي صرف شده است چرا كه اين سيستم واقعاً كارآمد مي باشد. ماهواره ها در چنان ارتفاعي قرار دارند ك هاز مشكلاتي كه سيستم هاي زميني با آنها روبرو مي باشند به دور هستند و از چنان فناوري (تكنولوژي) دقيقي بهره مي گيررند كه در طول 24 ساعت، مي توانند موقعيت هاي بسيار دقيق را در هر جايي تعيين كنند. در اندازه گيري هايي ك هاز دستگاه استفاده مي شود، افراد دقت اندازه گيري بهتري از اندازه گيري عرض يك خيابان به دست مي آورند، و در روش تفاضلي (ديفرانسيلي) كه بعداً خواهيم گفت، نقشه برداراني كه از GPS بهره مي گيرند انداره گيرهايي تا حد سانتي متر به دست مي آورند. از آنجايي كه GPS از آغاز و در اصل يك سيستم دفاعي بوده، طوري طراحي شده  كه در مقابل تداخل و ترافيك نفوذ ناپذير و مقاوم باشد. بنابراين مي توانيم انتظار داشته باشيم كه سيستمي توانمند باشد. كاربرد نوين و نيروي بالقوه اش از همه جالب تر است. با فناوري مدارات مجتمع الكترونيكي، امروزه گيرنده هاي GPS به سرعت كوچك و ارزان مي شون دكه توسط هر شخصي مورد استفاده قرار گيرند، يعني هر كسي در هر زماني توانايي تعيين اين كه كجاه ست را خواهد داشت. بالاخره يكي از نيازها و آرزوهاي اوليه انسان براورده شده است. اين خدمات جديد، به اندازه تلفن اساسي خواهد بود و در واقع يك كاربرد نوين مي باشد. درخواست ها نامحدودند كه بعضي از آنها بديهي هستند. ماشين هاي حمل و نقل، مقصدهايشان را به دقت تعيين خواهند كرد و اتومبيلهاي امدادي سريعتر عمل خواهند كرد. اتومبيلها، نقشه هاي الكترونيكي در اختيار خواهند داشت ك هراه رسيدن به هر مقصدي را بي درنگ به سرنشينان آنها نشان خواهند داد. از آنجا كه سيستم هر محلي را به صورت سه بعدي تعيين موقعيت مي كند براي هواپيماها نيز قابل استفاده خواهند بود. در واقع، بسياري تصور مي كنند GPS بهترين و ارزانترين راه براي طراحي سيستم جلوگيري از تصادفات هوايي خواهد بود.

هر نقطه در روي زمين ، يك آدرس(علامت ، نام) خاص خواهد داشتGPS اين امكان را مي دهد مه هر متر مربع از سطح زمين آدرس خاصي داشته باشد.

اين كاربرد نوين، يك استاندارد بين المللي را براي توصيف (تعيين) محلها و فواصل بوجود خواهد آورد و به ملت ها اين امكان را خواهد داد كه بسيار كارآمدتر از هر زماني، از منابع طبيعي شان بهره گيرند.

GPS چگونه كار مي كند؟

اصول اساسي GPS واقعا بسيار ساده است، اگر چه سيستم برخي از پيشرفته ترين ابزارهايي كه تا حال ساخته شده را به كار مي گيرد. براي درك بهتر، سيستم ر ا به پنج بخش تقسيم مي كنيم و هر بخش را جداگانه مورد بررسي قرار مي دهيم. ما با مفاهيم اصلي شروع كرده و بعضي از جزئيات را كنار مي گذاريم. سپس در تمام آنها نكات اصلي را بيان خواهيم كرد.

برخي از ويژگي هاي GPS

1-مثلث بندي(اندازه گيري با روش مثلث بندي) با ماهواره ها، اساس سيستم است.

2-براي اندازه گيري مثلثبندي، GPS فاصله را توسط زمان طي مسير به وسيله يك پيام راديويي اندازه مي گيرد.

3-براي اندازه گيري، زمان طي مسير، GPS به ساعت هاي بسيار دقيق نياز دارد.

4-وقتي كه فاصله تا ماهواره را دانستيم بايد بدانيم كه ماهواره در كجاي فضا قرار دارد.

5-هنگامي كه سيگنال (پيام) GPS از يونيسفر و اتمسفر (جو) زمين عبور مي كند در آن تاخير بوجود مي آيد.

مفهوم اساسي اندازه گيري ماهوارهاي

اساسGPS اندازه گيري ماهواره اي است، يعني به وسيله آن موقعيت خود را در روي زمين با اندازه گيري فاصله‌مان از يك گروه ماهواره تعيين مي كنيم. ماهواره ها به عنوان نقاط مرجع دقيق عمل مي كنند.

مفهوم اساسي GPS ساده است. فرض كنيم گم شده ايم و سعي داريم موقعيت خود را تعيين كنيم. اگر بدانيم كه فاصله ها از ماهواره A ، مثلاً 11 هزار مايل(17699 كيلومتر) است اين امر محل ما را در هستي تا حدودي معين مي كند.. اين فاصله به ما مي گويد كه ما بايد در يك حوزه كروي فرضي كه مركز آن ماهواره به شعاع 11 هزار مايل است باشيم.

حال اگر در همين زمان بدانيم كه از ماهواره ديگر، مثلاً ماهواره B ، 12 هزار مايل (19308 كيلومتر) فاصله داريم، اين موضوع موقعيت ما را دقيقتر تعيين مي كند، چرا كه در هستي تنها مكاني كه ما مي توانيم 11 هزار مايل با ماهواره A  ، و 12 هزار مايل B فاصله داشته باشيم، دايره ايست كه بين دو كره مشترك است.

حال اگر اندازه گيري فاصله از ماهواره سومي را نيز داشته باشيم مي توانيم موقعيت خود را به طور دقيق تعيين كنيم. اگر بدانيم كه در همان زمان از ماهواره C مثلاً 13 هزار مايل( 20917 كيلومتر) فاصله داريم، تنها در فضا دو نقطه هستند كه مي توانند درست باشند. اين دو نقطه، نقاطي هستند كه مي توانند درست باشند. اين دو نقطه، نقاطي هستند كه مي توانند درست باشند. اين دو نقطه، نقاطي هستند كه كره با شعاع 13 هزار مايل دايره اي را كه فصل مشترك دو كره با شعاع 11 و 12 هزار مايل است، قطع مي كند. با اندازه گيري فاصله از سه ماهواره مي توانيم موقعيتمان را تا حد رسيدن به دو نقطه تعيين كنيم(كمي بعد خواهيم ديد كه يك دليل فني براي انجام اندازه گيري ديگري لازم  است اما در حال حاضر از نظر تئوري، سه اندازه گيري كافي است).

براي اين كه دريابيم كه كدام يك از اين دو نقطه موقعيت درست و واقعي ما است بايد اندازه گيري چهارمي نيز از ماهواره اي ديگر داشته باشيم يا بتوانيم حدس بزنيم. ممكن است نقطه نادرست به زمين نزديك نباشد. در كامپيوتر هاي به كار رفته در گيرنده هاي GPS، تكنيك هاي مختلفي براي تشخيص نقطه صحيح از نقطه نادرست وجود دارند.

در ضمن ، در صورت مطمئن بودنا ز ارتفاع خود، مي توان يكي از گيرنده هاي ماهواره را حذف كرد يكي از كره ها را مي توان با كره اي كه مركز آن مركز زمين است و شعاعي به اندازه فاصله ما تا مركز زمين دارد، جايگزين كرد.

به هر حال اگر خواستيم كاملاً فني عمل كنيم، مثلثات مي گويد ما به چهار اندازه گيري ماهواره اي نياز داري متا بدون ابهام موقعيتمان را تعيين كنيم. اما در عمل اگر جوابهاي غير عادي را كنار بگذاريم تنها با سه اندازه گيري اين كار ميسر است و اصل اساسي كه در GPS وجود دارد، همين است يعني استفاه از ماهواره ها به عنوان نقاط مرجع براي تعيين موقعيت روي زمين از طريق مثلث بندي

اندازه گيري فاصله تا يك ماهواره

از آنجا كه اساس GPS، دانستن فاصله ما از ماهواره ها در فضا است، به روشي براي تعيين فاصله مان از آن ماهواره ها نياز داريم.

مساله اصلي در پس اندازه گيري فاصله يك شي تا يك ماهواره همان معادله قديمي سرعت و زمان مسافت است سيستم GPS مدت زماني را كه در طول مي كشد تا يك سيگنال راديوئي از ماهواره اي به ما برسد اندازه گرفته و سپس مسافت را از طريق اين زمان محاسبه مي كند.

امواج راديوئي باس رعت نور حركت مي كند(300 هزار كيلومتر در ثانيه). بنابراين اگر ما بتوانيم دريابيم كه دقيقاً ماهواره GPS در چه زماني شروع به ارسال پيام راديويي كرده و اين پيام چه هنگام به ما رسيده است، زمان طي شدن فاصله را خواهيم دانست. ما فقط اين زمان را به ثانيه تبديل كرده و آن را در 300 هزار كيلومتر در ثانيه ضرب مي كني متا فاصله ما از ماهواره به دست آيد.

حال بايستي ساعتهاي ما در تعيين زمان هاي خيلي كوتاه بسيار دقيق باشد، چرا كه نور داراي سرعت بسيار زيادي است. در واقع اگر يك ماهواره GPS درست در بالاي سر ما قرار داشته باشد، 06/0 ثانيه طول مي كشد تا پيام آن به ما برسد.

مسئله اصلي در اندازه گيري مدت زمان طي مسير سيگنال راديوئي، آگاهي دقيق از زمان ارسال سيگنال توسط ماهوار است. براي انجام اين كار، طراحان سيستم GPS يك راه حل هوشمندانه پيدا كرده اند. ماهواره ها و گيرنده ها را همزمان (سنكرونيزه) كرده اند، بنابراين ماهواره و گيرنده ها كد يكساني را همزمان توليد مي كنند. تنها كاري را كه بايد انجام دهيم اين است كه كد را از ماهواره دريافت كنيم و سپس به عقب برگرديم. ببينيم چه مدت قبل گيرنده ما همين كد را توليد كرده است. اختلاف زمان، مدت زماني است كه صرف رسيدن سيگنال به ما شده است.

كدهاي به ظاهر تصادفي

سيستم GPS از اعداد استفاده نمي كند. ماهواره و گيرنده هر دوي ك سري كدهاي ديجيتالي بسيار پيچيده توليد مي كنند. كدها به اين دليل پيچيده هستند كه به راحتي و بدون ايجاد ابهام قابل مقايسه باشند. همچنين دلايل فني ديگري نيز براي پيچيده بودن كدها وجود دار دكه در مورد آنها صحبت خواهيم كرد. به هر حال، كدها آنچنان پيچيده هستند كه به ظاهر همچون زنجيره اي طولاني از شكل موجها(پالس هاي ) تصادفي هستند.

اگر چه آنها «واقعاً تصادفي» نيستند، آنها پالس هاي به «ظاهر تصادفي» هستند ك هبا دقت انتخاب شده اند و در هر ميلي ثانيه تكرار مي شوند. به همين دليل، اغلب به آنها كد «ظاهر اتفاقي» گفته مي شود.

به دست آوردن زمان دقيق

مي دانيم كه سرعت نور 300 هزار كيلومتر در ثانيه است. اگر ماهواره و گيرنده ما به اندازه 01/0 ثانيه ناهمزمان باشند و اندازه فاصله ما 300 كيلومتر باشد، چگونه در مي يابيم كه ماهواره و گيرنده هر دو واقعاً در يك زمان كدها را توليد مي كنند؟

حاقل در يك طرف مساله ساعت همزمان را به سادگي مي توان شرح داد. ماهواره ها داراي ساعت‌هاي اتمي خيلي دقيق و گرانقيمت هستند هر كدام آنها چهارساعت دارد و اين تنها به خاطر اطمينان از اين است كه هميشه يكي از آنها كار مي كند.

مثلثات ـ راه نجات

مثلثات مي‌گويد كه سه راه اندازه گيري كامل، موقعيت يك نقطه سه بعدي تعيين مي كند، پس چهار اندازه گيري ناكامل مي تواند خطاي زمان را از بين ببرد، چرا كه اين عدم دقت ثابت است. حال ممكن است اين مساله مانند بسياري از مسائل فني غامض و پيچيده به نظر آيد، اما مفهوم واقعاً ساده است و اين مساله آنقدر در GPS اساسي است كه ارزش صرف كمي وقت براي درك اين اصل را دارد. البته GPS يك سيستم  سه بعدي است، اما قاعده اي كه به بررسي آن مي پردازيم در فضا يدو بعدي و سه بعدي يكسان است.

فرض كنيم كه در واقع از ماهواره A، 4 ثانيه و از ماهواره B ، 6 ثانيه فاصله داريم، در فضاي دوبعدي اين فاصله براي تعيين موقعيت ما كافي است. اين نقطه «X» مي ناميم. پس «X» محل واقعي ما است. و اگر تمامي ساعت ها كاملا درست كار كنند، به آن دست مي يابيم اما حال اگر از گيرنده ناكامل كه يك ثانيه جلو است، استفاده كنيم، چه رخ خواهد داد؟ اين گيرنده فاصله تا ماهواره A را 5 ثانيه و تا ماهواره B را 7 ثانيه تعيين خواهد كرد اين مساله موجب ايجاد دو دايره مي شو دكه در نقطه ديگري تلاقي مي كنن دكه نقطه «XX» است. پس XX نقطه اي است كه گيرنده ناقص ما تعيين مي كند. احتمالاً ما مي فهميم كه چه چيزي در اين ميان نادرست است، اما محاسبات به ما چيزي نشان نمي دهد.

حال با استفاده از روش مثلثاتي، اندازه گيري ديگري به محاسبات اضافه مي كينيم. در مثال دو بعدي، اندازه گيري سومي انجام مي دهيم، در واقعيت ( اگر ساعت هاي كاملا دقيقي داشته باشيم) ماهواره C ، 8 ثانيه با ما فاصله دارد. موقعيت ها مانند تصوير (1) خواهند بود.

اين طرح ، موقعيت را همان گونه كه هست ترسيم كرده است. تمامي سه دايره در نقطه X تلاقي مي كنند، چرا كه اين سه دايره فاصله هاي حقيقي تا سه ماهواره را نشان مي دهند.

حال خطاي يك ثانيه اي را به طرح اضافه مي كني متا ببينيم چه خواهد شد. خطوط راه راه، شبه فاصله ها را نشان مي دهند. عبارت شبه برد در دايره هاي GPS براي توصيف فاصله هايي كه داراي خطا هستند (معمولا خطاهاي زماني) به كار مي رود. دقت كنيدكه دو دايره A,B در نقطه XX تلاقي مي كنند ولي دايره C در جايي به دور از اين نقطه است. پس نقطه اي كه پنج ثانيه از A ، 7 ثانيه از B و 9 ثانيه از C فاصله داشته باشد، وجود ندارد. هيچ راه فيزيكي براي تلاقي اين سه اندازه گيري وجود ندارد.

كامپيوترهاي كوچك داخل گيرنده هاي GPS طئري برنامه ريزي شده اندك ه وقتي يك سري اندازه كه نمي توانند در يك نقطه تلاقي كنن درا دريافت مي كنند، در مي يابند كه در جايي اشتباهي رخ داده است و آنها مي پندارند كه ساعت داخلي شان ايراد دارد پس كامپيوتر شروع به كم كردن و يا اضافه كردن به زمان مي كند، يعني مقدار مساوي به تمامي اندازه ها مي افزايد و يا از آنها مي كاهد تا به جوابي برسد كه تمامي اندازه ها در يك نقطه تلاقي مي كنند . واز اينجا در مي يابد كه ساعتش يك ثانيه جلو است.

در واقع، كامپيوتر بدون هدف به دنبال پاسخ نمي گردد. كامپيوترها در اين مسئله از جبر كمك مي گيرند، مساله قديمي چهار معادله و چهار مجهول به سرعت خطاي ساعت را محاسبه مي كند. اما راه حل همان است. با اضافه كردن يك اندازه گيري ديگر مي توانيم خطايي را كه ممكن است ساعت گيرنده ما داشته باشد، از بين ببريم.

اندازه گيري دقيق سه بعدي، به چهار ماهواره نياز دارد. در فضاي سه بعدي، اين بدين معني است كه براي از بين بردن خطا به چهار اندازه گيري نيازمنديم. اين عددي شاخص است كه بايد به خاطر داشت چرا كه مفهوم آن اين است كه تا زماني كه چهار ماهواره در بالاي افق و در اطراف نباشد، نمي توان موقعيت دقيق را به دست آورد. در طي روز، ساعاتي وجود دارند كه در آن هنگام، كمتر از چهار ماهواره بالاي سر ما هستند . طي اين ساعات GPS نمي تواند دقيقا تعيين موقعيت كند، به همين دليل بعضي از مرد ماز گيرنده هايي استفاده مي كنن دكه يك سيستم GPS را همراه با نوع ديگري از سيستم هاي ناوبري مانند LORAN را در خود دارند. تركيب اين دو، يك دقت نزديك به GPS را ارائه خواهد داد. چرا كه هنگام وجود ماهواره ها در آسمان از واحد سيستم GPS استفاده شده و يك نقطه مرجع دقيق براي LORAN ارائه مي دهد. سپس، مانند LORAN هنگامي كه ماهواره‌ها در زير افق قرار دارند LORAN مي تواند دقت زيادي را ارائه دهد.

نياز به چهار اندازه گيري، تاثير زيادي بر روش طراحي گيرنده هاي GPS دارد. اما اصل اساسي و بسيار مهمي كه از اين مسائل منتج مي شود، اين است كه براي يك اندازه‌گيري موقعيت مداوم و درست، به گيرنده اي با حداقل چهار كانال نياز است، يعني گيرنده اي كه همزمان هر كانال را به يكي از ماهواره ها اختصاص دهد.

بسياري از كاربردها، نياز به چنين دقت آني ندارند. براي آنها يك گيرنده ارزانتر و يك كاناله كفايت مي كند. يك گيرنده يك كاناله مجبور خواهد بود چهار اندازه گيري را از چهار ماهواره را پشت سر هم انجام دهد تا بتواند تعيين موقعيت كند. كل عمليات مي تواند بين 2 تا 30 ثانيه انجام شو دكه براي بسياري از كاربردها به اندازه كافي سريع است.

متاسفانه در اين نوع گيرنده، مساله تعيين سرعت وجود دار دكه يكي از كاربردهاي منحصر به  به فرد سيستم LORAN  است كه سرعت شما را به دقت اندازه مي گيرد و هر حركت گيرنده در زماني كه در بين چهار مرحله در حال اندازه گيري است بر دقت اندازه گيري تاثير خواهد گذارد. يكي ديگر از معايب گيرنده هاي تك كاناله هنگامي رخ مي نمايد كه ماهواره ها پيام هاي اطلاعات سيستم شان را مي فرستد. خواندن اين پيا مها 30 ثانيه وقت مي برد پس هر بار كه ماهواره جديدي خوانده مي شود كار ناوبري متوقف مي شود. راه حل عمومي ، يك گيرنده سه كاناله است. كه يك كانال محاسبات اندازه گيري زمان را آماده مي كند و در همين زمان دو كانال ديگر بر روي ماهواره بعدي كه بايد اندازه گيري شود به صورت راديويي قفل مي كنند. وقتي كهد و كانال اول كار اندازه گيري زمان را به پايان رساندند، بدون اتلاف وقت و يا نياز به شنيدن شرايط پيام، به روي ماهواره بعدي دفته و عمليات قفل كردن را بر روي آن آغاز مي كند.

اين مساله، سرعت اندازه گيري رديفي (پشت سرهم) را بسيار بالا برده و با اين سيستم تعيين موقعيت مداوم قابل اجرا خواهد بود. فايده ديگر سيستم اين است كه دستگاه سه كاناله مي تواند طوري برنامه ريزي شو دكه با هشت ماهواره مرتبط باشدكه اگر ماهواره اي بلوكه شده باشد. ماهواره ديگري بدون ايجاد وقفه در روند ناوبري جانشين آن شود.

دانستن محل ماهواره ها در فضا

تا حال در تمامي بحث هايمان فرض كرده‌ايم كه مي‌دانيم تمامي ماهواره‌ها دقيقا  كجا هستند، پس مي توانيم به صورت مثلثاتي موقعيتمان را نسبت به آنها تعيين كنيم. اما چگونه مي دانيم چيزي كه در ارتفاع 11 هزار مايلي(17699 كيلومتري) در فضاست، كجا قرار دارد؟

اين ارتفاع 11 هزار مايلي، در اين مورد دقيقاً سودمند است. چيزي كه به اندازه كافي بالا باشد از اتمسفر زمين به دور است. يعني پيش بيني هاي مدارهاي ماهواره ها بسيار دقيق خواهد بود، مانند ماه كه ميليون ها سال است بدون بروز تغيير فاحشي در حركتش به دور اين سياره قديمي چرخيده است ماهواره‌هاي GPS نيز به صورتي قابل پيش بيني در مدار قرار مي گيرند. هر ماهواره، بر اساس طرح مادر (اصلي GPS) در مداري بسيار دقيق قرار داده شده است. مدارها از پيش شناخته شده هستند. در واقع بعضي از گيرنده هاي GPS بر روي زمين، يك تقويم نجومي برنامه ريزي شده درون حافظه گامپيوترشان دارند كه به آنها مي گويد هر ماهواره در زمان داده شده در كجاي آسمان قرار دارد.

اين مدل رياضي مدارها به خودي خود بسيار دقيق است و ماهواره GPS دائماً كنترل مي شوند. اين يكي از دلايلي است كه ماهواره هاي مزبور، برخلاف ماهواره هاي تلويزيوني در مدار همزمان با زمين(Geo-Synchronous) قرار داده نشده اند . از آنجا كه اين ماهواره ها هر 12 ساعت يك بار زمين را دور مي زنند، روزي دوبار از مقابل يكي از ايستگاه هاي كنترل عبور مي كنند. اين مساله اين امكان را ميدهد كه ارتفاع، موقعيت و سرعت آنها به دقت اندازه گيري شوند. اختلافاتي كه به دنبال آن هستند، خطاهاي «روزانه تقويم نجومي» ناميده مي شود. اين خطاها معمولا بسيار ناچيز هستند و علت بروز آنها چيزهايي مثل جاذبه ماه و خورشيد و اثر تشعشعات خورشيدي بر ماهواره است. يك بار كه موقعيت ماهواره اي اندازه گرفته شده،اين اطلاعات جزئي را همراه با اطلاعات زماني اش ارسال مي كند.

ماهواره GPS نه تنها كد به ظاهر تصادفي را براي مقاصد زمان گيري ارسال مي كنند بلكه يك پيام اطلاعاتي در مورد موقعيت مداري دقيق و سلامتي سيستمشان را نيز ارسال مي كنند. تمام گيرنده هاي GPS از اين اطلاعات و اطلاعات تقويم نجومي درونيشان براي تعيين دقيق موقعيت ماهواره بهره مي گيرند.

مشخصات ماهواره هايGPS

نام ماهواره : ناواستار

سازنده:Rockwell International

ارتفاع 10900 مايل دريايي «1/538،17 كيلومتر»

وزن: 1900 پوند (در مدار) «7/860 كيلو گرم»

اندازه: 17 فوت «18/5 متر» با صفحه هاي خورشيدي باز

دوره مداري: 12 ساعت

مدار حركتي: 55 درجه نسبت به سطح استوا

غير مفيد تعيين شده :5/7 سال

صورت فلكي: 24 ماهواره‌اي

 

سيستم موقعيت يابي جهاني QPS مبتني بر موقعيت يابي راديويي ماهواره‌اي و زمان انتقال است. اين سيستم توسط دايره دفاعي آمريكا طراحي، سرمايه‌گذاري ، گسترش و به كار انداخته شده همچنين GPS استفاده مهمي در اجتماعهاي غير نظامي دارد كه باعث مي‌شود كساني كه در آن استفاده مي‌كنند گسترش يابند.

انگيزه آغاز به كار GPS در سال 1973 در وزارت دفاع آمريكا آغاز شد. شروع توسعه GPS تغييرات آب و هوا در طول 24 ساعت و لزوم سيستمي براي موقعيت يابي در جهان براي كمك به موقعيت‌يابي‌هاي لازم براي مجمع نيروهاي مسلح آمريكا و متحدان آن بود.

تركيب سيگنالهاي GPS

پايه سيگنالهاي GPS در سيگنالهاي حامل L-Band مي‌باشد. آنها توسط ضرب فركانس مبناي MHZ23/10 در 120 و 150 توليد مي‌شوند كه نتيجه آن دو موج حامل ماركوويو L-Band مي‌باشد كه در شكل نشان داده شده است. فركانس دو موج به عبارت زير است :

FL1 = F0*154=1575/42 MHZ

FL2=F0*120=1227/6 MHZ

آنها امواج فركانس راديويي هستند كه به صورت تزويج شده با يكديگر به اتمسفر با فاصله زياد فرستاده مي‌شوند ولي نمي‌توانند در اشياء جامد نفوذ كنند. ملاحظه به اينكه همه GPSهاي ماهواره‌اي امواج حامل را در همان دو فركانس L-Band مخابره مي‌كنند «غيرمشابه با سيستمهاي GLONASS كه فركانسهاي متفاوت حول فركانس هر ماهواره است» . به هر حال امواج حامل L-Band مدوله مي‌شوند به وسيله دو روش navigation , renging cod message دو نامگذاري در renging code  در GPS عبارتند از :

1) C/A  code : clear/access يا coarse/acquision كه به scode نيز موسوم است.

2) p.code : precies code يا private code كه اين نامگذاري‌ها نظامي و بقيه عمومي هستند. موج حامل با فركانس FL1 توسط هر دو كد گذاري C/A و P ولي FL2 فقط توسط كدگذاري  P مدوله مي‌شود.

در زير اين سياست مسخره ، Pcode از طريق مدوله سازي توسط بيشتر كدهاي محرمانه wcode كدگذاري مي‌شود تا كدگذاري جديدي به نام Y code توليد گردد. هر دوي سيگنالهاي حامل داراي پيغامهاي هوانوردي هستند.

C/A و P Y code تهيه مي‌شوند كه گيرنده GPS يك راه اندازه‌گيري پايه از طريق ماهواره را انجام دهد . كدكننده‌ها مشخصات نويز متغييري دارند ولي معمولاً به وسيله كدهايي دودويي با الكوريتم رياضي توليد مي‌شوند كه به آن نويز تصادفي كاذب يا PRN گفته مي‌شود.

C/A و P code الگوريتمي را توليد مي‌كنند كه توسط تغيير مكان فيدبك ساده پايه‌گذاري مي‌شود. برنامه ثبت شده در C/A code نماينده هر ماهواره GPS مي‌باشد (بسياري مواقع مقداري كدهاي PRN در ماهواره‌هاي LD استفاده مي‌شوند) هر C/A code يك chip ، 1023 از دنباله دودويي طولاني است كه با نرخ *** 023/1 ميليون كه همان MHZ 023/1 مي‌باشد. بنابراين C/A code ها هر ميلي ثانيه متناوباً تكرار مي‌شوند.

اجزاي يك GPS

اجزاي يك GPS نوعي مي‌تواند اينگونه باشد :

آنتن و پيش تقويت كننده : آنتن استفاده شده در گيرنده GPS داراي مشخصات گيرنگي و …

بنابراين نياز نيست مانند آنتن ماهواره مقابل منبع سيگنال باشد. آنتنهاي GPS خيلي فشرده و تنوع فرستنده معمولاً سازندگان به مجتمع ساختن آنتن با قطعات گيرندة اكترونيكي تمايل دارند.

گيرندة راديويي و پردازنده : قسمت RF شامل پردازش سيگنال و گيرنده است. GPSهاي مختلف روشهاي پردازشي متفاوتي را بكار مي‌برند. يك پردازنده قوي بكار رفته در GPS وظيفه پردازش سيگنال را بر عهده دارد.

واحد كنترل درگاه : قسمت كنترل عملگري را جهت همكاري با پروسسور فعال مي‌كند . اندازه و شكل به نحو گسترده‌ای در گيرنده‌هاي مختلف متفاوت است. از گيرنده گرفته تا صفحه كليد و صفحه نمايش همگي تحت واحد كنترل هستند.

قسمت ضبط : بعضي از GPSهاي منحصراً براي مرور كردن اطلاعات ضبطي طراحي شده‌اند. اطلاعات گرفته شده بايد به طريقي ذخيره شوند در حالت كاربرد ITS نظير ثبت حركت يك متحرك فقط موقعيت و سرعت مي‌تواند ثبت شود.

روشهاي ذخيره‌سازي متنوعي در قديم استفاده شده شامل نوار ، ديسك ، نوار كامپيوتري و غيره … اما امروزه اكثراً از RAM يا كارتهاي حافظه قابل جابه‌جايي استفاده مي‌شود.

منبع تغذيه : GPSهاي قابل حمل امروزي ولتاژ DC كمي نياز دارند. گرايش به سمت بازده بالا دليل استفاده از باطري‌هاي Nicad بجاي باطريهاي خارجي اسيدي انباره‌اي است.

آنتن :

كار آنتن تبديل انرژي آورده شده توسط امواج به جريان الكتريكي است كه قابل پردازش توسط گيرنده باشد.

ملاحظات بسياري براي طراحي آنتن رعايت مي‌شود:

1- آنتن بايد قادر به جذب امواج بسيار ضعيف باشد.

2- از آنجايي كه امواج داراي قطبيت دايروي هستند آنتن بايد داراي همين قطبيت باشد.

3- الگوي بهره آنتن كه توانايي قسمت RF را بهبود مي‌بخشد تا گيرندگي را فقط منحصر به سيگنالهايي نظير سيگنالهاي با قطبيت دست راستي باشد.

4- يك مركز الكتريكي پايدار باشد.

5- كم هزينه و قابل اعتماد نيز باشد.

انواع آنتن :

a : تك پل

b : داي پل

c : حلقوي

d : مايكرواستريپ : كه عمومي‌ترين نوع آنتن GPS براي كاربردهاي ناوبري است.

چه امتیازی به این مقاله می دهید؟
1
2
3
4
5
averageامتیاز: 5
sigmaمجموع آرا: 2

ایشان مولف مقالات سایت چگانه هستند

تعداد کل مقالات: 14
تعداد کل نظرات : 0
تعداد کل آرا: 14
تعداد کل بازدیدها: 75


نظرات کاربران


(فیلد اجباری)
(فیلد اجباری)
(فیلد اجباری)