سامانه موقعیت‌یاب جهانی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
چند نمونه از گیرنده‌های جی‌پی‌اس)

سامانهٔ موقعیت‌یابی جهانی یا جی‌پی‌اس (به انگلیسی: Global Positioning System) (با نماد اختصاری GPS) منظومه‌ای از ۲۴ ماهواره است که زمین را دور می‌زند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. راکت‌های کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها نوستار (NAVSTAR) نیز گفته می‌شود. جهت شناسایی موقعیت جغرافیایی آنها بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر امکان‌پذیر می‌سازد. این ماهواره‌ها از محاسبات ریاضی ساده‌ای برای پخش اطلاعات استفاده می‌کنند که به عنوان طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده‌های زمین ترجمه شده‌اند.

سیستم جی‌پی‌اس بدون وابستگی به گیرنده های تلفن یا اینترنت عمل می کند ، اگر چه با دسترسی به این منابع می توان اطلاعات دریافتی از این سیستم موقعیت یابی را مناسب تر و کاربردی تر کرد . سیستم جی‌پی‌اس می تواند توانایی های حیاتی در زمینه موقعیت یابی برای کاربران نظامی ، مدنی و یا کاربران عادی در سراسر جهان فراهم کند.

پروژه جی‌پی‌اس در سال 1973 و توسط ایالات متحده ، برای غلبه بر محدودیتهای سیستم های موقعیت یابی پیشین ، شروع شد. وزارت دفاع آمریکا سیستمی را توسعه داد که به شکل پیش فرض 24 ماهواره را به کار می برد. طراحی و توسعه و پشتیبانی این سیستم بر عهده وزارت دفاع ایالات متحده است.

جی‌پی‌اس در تمام شرایط به‌صورت ۲۴ ساعت در شبانه‌روز و در تمام دنیا قابل استفاده‌است، و هیچ‌گونه بهایی بابت این خدمات اخذ نمی‌شود. ماهواره‌های جی‌پی‌اس، هر روز دو بار در یک مدار دقیق دور زمین می‌گردند و سیگنال‌های حاوی اطلاعات را به زمین می‌فرستند.

سیستم‌های مشابهی نیز وجود دارند که در حال استفاده یا طراحی هستند. سیستم روسی گلوناس مهمترین آنهاست که تقریباً همزمان با جی‌پ‌اس تکامل یافته اما از سال ۲۰۰۸ به بهره‌برداری کامل رسیده است. اتحادیه اروپا، هند و چین نیز هر یک سیستم‌های مشابهی را در دست توسعه دارند.

تاریخچه[ویرایش]

اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی‌پی‌اس، اهداف نظامی بوده، اما از سال ۱۹۸۰ به بعد برای استفاده‌های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. این سیستم در سال 1995 و با تکمیل تعداد ماهواره ها به توان پیش بینی شده نهایی خود دست یافت . افتخار اختراع این سیستم به راجر ال استون ، ایوان ای گتینگ و برادفورد پارکینسون از آزمایشگاه فیزیک پیشرفته ایالات متحده تعلق دارد.

پیشرفتهای تکنولوژیکی و نیازهای جدید باعث تمایل زیادی برای ارتقا و مدرنیزه کردن سیستم موجود و توسعه نسل جدید ماهواره ها با عنوان جی‌پی‌اس بلوک 3 آ و نسل جدید سیستم های کنترل عملیاتی ( OCX ) شده اند . این تغییرات از سال 1998 با دستور کاخ سفید شروع شدند و در سال 2000 با تصویب کنگره آمریکا شروع به عملیاتی شدن کردند و در نهایت به جی‌پی‌اس 3 خواهند انجامید.

ConstellationGPS.gif

مشخصات فنی[ویرایش]

مشخصات کلی[ویرایش]

  • تکمیل کانال ۲۴ (NAVSTAR) عددی ماهواره‌ای: ۱۹۹۴
  • تکمیل کانال ۲۹ عددی ماهواره:
  • عرض هر ماهواره: ۱۸/۵ متر
  • طول باتری‌های خورشیدی: ۵/۵ متر

ساختار جی پی اس[ویرایش]

جی پی اس فعلی از سه بخش اساسی تشکیل شده است. این سه بخش اصلی عبارتند از : بخش فضایی ، بخش کنترل و بخش کاربر .

قسمتهای کنترل و فضایی توسط نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا پایه گذاری شده و توسعه یافته اند و اکنون نیز به کار خود ادامه می دهند . امواج منتشر شده از فضا توسط ماهواره های جی پی اس ، توسط گیرنده های جی پی اس دریافت می شوند ؛ این گیرنده ها به وفور در اختیار انواع کاربران قرار دارند و برای محاسبه کردن موقعیت سه بعدی ( طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع ) محل مورد نظر و زمان به کار می روند.

بخش فضایی[ویرایش]

بخش فضایی (Space Segment) از ماهواره‌های مستقر در مدار زمین تشکیل شده است که به اختصار ماشینهای فضایی (Space Vehicle) نیز نامیده می‌شوند. در طراحی اولیه جی پی اس بیست وچهار ماشین فضایی مورد نیاز بود که در هشت مدار دایره‌ای و در هر مدار حداکثر سه ماهواره قرار می‌گرفتند. بعدها این طرح تبدیل به شش مدار شد و در هر مدار حداکثر چهار ماشین فضایی در نظر گرفته شد.

نقشه شش مداری حداکثر ۵۵ درجه انحراف مداری دارد که هر مدار ۶۰ درجه فاصله از گره نزولی دارد. زمان مداری نصف یک روز نجومی است؛ معنی آن این است که روزانه حدود ۱۱ ساعت و ۵۸ دقیقه طول می‌کشد تا ماهواره از روی مکان قبلی یا تقریباً نزدیک آن عبور کند.

مدارها به شکلی تنظیم شده‌اند که در تمام ساعات شبانه روز و تقریباً از تمام نقاط سطح زمین، حداقل ۶ ماهواره در خط دید باشند. برای تحقق این موضوع فاصله یکسانی برای ماهواره‌های موجود در مدار مشترک در نظر گرفته نشده است. (۹۰ درجه با هم نیستند). اگر ساده‌تر در نظر بگیریم فاصله زاویه‌ای بین بین ماهواره‌ها به این شکل است: ۳۰، ۱۰۵، ۱۲۰، ۱۰۵ درجه که در مجموع ۳۶۰ درجه می‌شود.

ارتفاع مداری حداکثر حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتر است، یعنی شعاع مداری حداکثر ۲۶۶۰۰ کیلومتر است. هر ماشین فضایی، در هر روز نجومی دوبار و همان مسیر قبلی را نسبت به زمین می‌پیماید. این مسئله مخصوصاً هنگام ارتقا و تکمیل سیستم خیلی کمک کننده بود چرا که حتی فقط با ۴ ماهواره و جاگیری صحیح، هر چهار ماهواره در طی چند ساعت، از یک نقطه خاص قابل رویت بودند. برای عملیاتهای نظامی، تکرار گذرهای زمینی از یک منطقه می‌تواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.

در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سیستم جی پی اس حضور داشتند که ۳۱ عدد از آنها فعال بودند. ماهواره‌های اضافی دقت محاسبات گیرنده‌های جی پی اس برای اندازه‌گیری‌های دقیق را افزایش می‌دهند. با افزایش تعداد ماهواره‌ها چینش آنها در مدارها به شکل ناهمسانی تغییر کرد. مزیت این شکل از چینش نسبت به فرم استاندارد این است که در صورت از دست رفتن یکی از ماشینها فضایی (عدم کارکرد صحیح)، در دسترس بودن سیستم کاهش نمی‌یابد و هنوز مورد اعتماد باقی می‌ماند. با وضعیت فعلی از هر نقطه زمین و در هر زمانی در حدود ۹ ماهواره به شکل همزمان در خط دید قرار دارند. این امر باعث افزایش قابل توجه اعتماد به دقت، نسبت به حضور حداقل ۴ ماهواره، برای تعیین مکان می‌شود.

کنترل زمینی[ویرایش]

بخش کنترل این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها) و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره‌ای با امواج لیزر) بدست آمده‌است. این ایستگاه‌ها وظیفه تعقیب چندجمله‌ایِ ریاضی به طریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها) و موقعیت ماهواره‌ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریباً در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می‌نماید.

تعداد این ایستگاههای زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم جی‌پی‌اس، قسمتِ کاربران سیستم است که خود شامل دو بخش است:

  1. آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها
  2. گیرنده (پردازش‌کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)

نرم‌افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره‌های مرتبط با گیرنده را تعیین می‌کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می‌شود.

نکته مهمی که می‌بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که جی‌پی‌اس به ما می‌دهد با ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق می‌کند. ارتفاع جی‌پی‌اس نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتریک است که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار این اختلاف در بیش‌ترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.

تعداد ماهواره‌ها[ویرایش]

نام مدت پرتاب تعداد ماهواره‌های پرتاب شده شامل شکست خورده‌ها درحال کار
Block I ۱۹۷۸-۱۹۸۵ ۱۱ ۰
Block II ۱۹۸۵-۱۹۹۰ ۹ ۰
Block IIA ۱۹۹۰-۱۹۹۷ ۱۹ ۱۵+۱۱
Block IIR ۱۹۹۷-۲۰۰۴ ۱۲ ۱۲
Block IIR-M ۲۰۰۵- ۳ ۳
مجموع ۵۴ (بعلاوهٔ یک پرتاب نشده) ۳۰+۱
۱یک ماهوارهٔ آزمایشی

کاربردها[ویرایش]

کاربردهای عمومی[ویرایش]

اساس کار دستگاه موقعیّت‌یاب (جی. پی. اس) تعیین موقعیت است و این کار با دریافت امواج ماهوارههای موقعیّت‌یاب که در مدارهایی به دور کره زمین در چرخش هستند، انجام میشود. برای تعیین موقعیت، گیرنده موقعیّت‌یاب زمانهای دریافت شده را با زمان خود مقایسه می‌کند. تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده موقعیّت‌یاب از ماهواره مزبور می‌باشد. این عملی است که دقیقاً یک گیرنده موقعیّت‌یاب انجام می‌دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر، موقعیّت‌یاب می‌تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید. (که آن را تعیین دو بعدی می‌نامند .) و با تبادل با چهار (و یا بیشتر) ماهواره یک موقعیّت‌یاب می‌تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می‌باشد. با انجام پشت سر هم این محاسبات، موقعیّت‌یاب می‌تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید امروزه در بعضی مکان‌های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا ۱۰ ماهواره می‌باشیم و حداقل به ۴ تا ۵ ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم. هر قدر تعداد ماهواره‌های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت. نکته مهمی که می‌بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که موقعیّت‌یاب به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق می‌کند. ارتفاع موقعیّت‌یاب ارتفاع ژئودتیک است که نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی مقایسه اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتریک یا ارتفاع از سطح ژئوئید می‌باشد که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود ۱۰۰ متر است. موقعیّت‌یاب اطلاعات موقعیتی را توسط اعداد و در یک سیستم مختصاتی بیان میکند. امروزه پر کاربردترین سیستمهای مختصاتی Lat-Lon و UTM میباشند.[۱] دستگاه جی‌پی‌اس یک رایانه کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده‌است. بنابراین این رایانه با داشتن مختصات شما می‌تواند کارهای دیگری هم انجام بدهد. مثلاً می‌تواند زمان طلوع و غروب خورشید را در موقعیت شما بگوید. همچنین زمان طلوع و غروب ماه. شاید خیلی جالب باشد ولی جی‌پی‌اس می‌تواند زمان باقی‌مانده برای رسیدن به مقصد مورد نظر را با توجه به سرعت شما محاسبه کند. همچنین میانگین سرعت شما، بیشترین سرعت، میانگین سربالایی و سرازیری مسیر، سرعت عمودی، موقعیت منطقه از نظر شکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان، محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و بر گرداندن شما از مسیر آمده را نیز می‌تواند انجام دهد.

این آنتن بر بام خانه‌ای نصب است که در آن آزمایش‌های علمی انجام می‌شود که به زمان‌سنجی دقیقی نیاز دارد

کاربردها ی تخصصی[ویرایش]

دیگر سامانه‌ها[ویرایش]

  • سامانهٔ گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود. این سامانه هم اکنون ۴۵٪ قابلیت مانور دارد و در سال ۲۰۰۸ به همراه کشور هند به طور کامل به بهره‌برداری رسیده‌است.
  • سامانهٔ گالیلئو گسترش داده شده توسط اتحادیه اروپا و قرار است به همراه کشورهای اسرائیل، هند، عربستان سعودی، کره جنوبی، اکراین، چین و مراکش تا سال ۲۰۱۰ به صورت مؤثر به کار گرفته شود.
  • سامانهٔ بیدو (Beidou) که به صورت مستقل چین در حال گسترش می‌باشد
  • سامانهٔ QZSS درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی
  • سامانهٔ ماهواره‌ای موقعیت یابی ملی هند (IRNSS)

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

پیوند به بیرون[ویرایش]