GPS 

GLOBAL POSITIONING SYSTEM
سیستم موقعیت یاب جهانی

 

سامانهٔ موقعیت یابی جهانی یا جی پی اس (به انگلیسی: Global Positioning System) (با نماد اختصاری GPS) منظوم های از ۲۴ ماهواره است که زمین را دور می زند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. راکت های کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر صحیح نگاه می دارد. به این ماهواره هانوستار (NAVSTAR) نیز گفته می شود. جهت شناسایی موقعیت جغرافیایی آنها بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر امکانپذیر می سازد. این ماهواره ها از محاسبات ریاضی ساده ای برای پخش اطلاعات استفاده می کنند که به عنوان طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده های زمین ترجمه شده اند.

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

پروژه جی پی اس GPS در سال ۱۹۷۳ و توسط ایالات متحده، برای غلبه بر محدودیت های سیستم های موقعیت یابی پیشین، شروع شد. وزارت دفاع آمریکا سیستمی را توسعه داد که به شکل پیش فرض ۲۴ ماهواره را به کار می برد. طراحی و توسعه و پشتیبانی این سیستم بر عهده وزارت دفاع ایالات متحده است.

جی پی اس GPS در تمام شرایط به صورت ۲۴ ساعت در شبانه روز و در تمام دنیا قابل استفاده است، و هیچگونه بهایی بابت این خدمات اخذ نمی شود. ماهواره های جی پی اس GPS، هر روز دو بار در یک مدار دقیق دور زمین می گردند و سیگنال های حاوی اطلاعات را به زمین می فرستند.

سیستم های مشابهی نیز وجود دارند که در حال استفاده یا طراحی هستند. سیستم روسی گلوناسGLONASS مهمترین آنهاست که تقریباً همزمان با جی پی اس GPS تکامل یافته اما از سال ۲۰۰۸ به بهره برداری کامل رسیده است. اتحادیه اروپا، هند و چین نیز هر یک سیستم های مشابهی را در دست توسعه دارند.

اولین ماهواره جی پی اس GPS در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی پی اس GPS، اهداف نظامی بوده، اما از سال ۱۹۸۰ به بعد برای استفاده های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. این سیستم در سال ۱۹۹۵ 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.پیشرفت های تکنولوژیکی و نیازهای جدید باعث تمایل زیادی برای ارتقا و مدرنیزه کردن سیستم موجود و توسعه نسل جدید ماهواره ها با عنوان جی پی اس GPS بلوک ۳ آ A3 و نسل جدیدسیستم های کنترل عملیاتی (OCX) شده اند. این تغییرات از سال ۱۹۹۸ با دستور کاخ سفیدشروع شدند و در سال ۲۰۰۰ با تصویب کنگره آمریکا شروع به عملیاتی شدن کردند و در نهایت به جی پی اس ۳(GPS 3) خواهند انجامید.

 

 

مشخصات کلی

  • 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 GPS



جی پی اس GPS فعلی از سه بخش اساسی تشکیل شده است. این سه بخش اصلی عبارتند از:بخش فضایی، بخش کنترل و بخش کاربر.
قسمت های 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 GPS، توسط گیرنده های جی پی اس GPS 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 (SPACE SEGMENT):
    از ۲۴ تا ۳۲ ماهواره تشکیل شده است که در مدار میانی زمین (Medium Earth Orbit) قرار گرفته اند و همچنین شامل تأسیساتی هم می شود که برای آماده سازی و پرتاب آنها به کار می روند.

  • بخش کنترل (CONTROL SEGMENT):
    از یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی MCU) Master Control Station)، یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی دیگر به عنوان پشتیبان، یک میزبان آنتن های اختصاصی و اشتراکی برای سیستم و ایستگاه های پایش تشکیل شده است.

  • بخش کاربری (USER SEGMENT):
    از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از جی پی اس GPS کد گذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می کنند و صدها میلیون کاربر مدنی، عمومی یا علمی تشکیل شده است که از امکانات موقعیت یابی استاندارد استفاده می کنند.

آشنایی با بخش فضایی (SPACE SEGMENT): 

از ماهواره های مستقر در مدار زمین تشکیل شده است که به اختصار ماشین های فضایی (Space Vehicle) نیز نامیده می شوند. در طراحی اولیه جی پی اس GPS بیست وچهار ماشین فضایی مورد نیاز بود که در هشت مدار دایره ای و در هر مدار حداکثر سه ماهواره قرار می گرفتند. 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 شده ا ند 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 ماهواره های موجود در مدار مشترک در نظر گرفته نشده است. (۹۰ درجه با هم نیستند). اگر ساده تر در نظر بگیریم فاصله زاویه ای بین بین ماهواره ها به این شکل است: ۳۰، ۱۰۵، ۱۲۰، ۱۰۵ درجه که در مجموع ۳۶۰ درجه می شود. 

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 می پیماید. 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 می تواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.


در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سیستم جی پی اس GPS حضور داشتند که ۳۱ عدد از آنها فعال بودند. ماهواره های اضافی دقت محاسبات گیرنده های جی پی اس GPS برای اندازه گیری های دقیق را افزایش می دهند. با افزایش تعداد ماهواره ها 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 نمی یابد و هنوز مورد اعتماد باقی می ماند. 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 می شود.

 

 

 

تعداد ماهواره های جی پی اس GPS

 

 

کنترل زمینی (CONTROL SEGMENT):

بخش کنترل این بخش شامل ایستگاه های کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روش های کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها) و روش SLR (فاصله سنجی ماهوارهای با امواج لیزر) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب چندجمله ایِ ریاضی به طریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها) و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدأ سیستم مختصات تقریباً در مرکز زمین قرار دارد) محاسبه می نماید.

تعداد این ایستگاه های 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 جی پی اس GPS، قسمتِ کاربران سیستم است که خود شامل دو بخش است:

  1. آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها
  2. گیرنده (پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیینکننده موقعیت محل آنتن)

نرم افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می شود.

نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که جی پی اس GPS به ما می دهد با ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق می کند. ارتفاع جی پی اس GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک است که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد. مقدار این اختلاف در بیشترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.

دقت جی پی اس GPS
دستگاه های جی پی اس GPS انواع و مدل های گوناگونی دارند و در وسایل مختلفی استفاده می شوند؛ ولی یکی از جاهایی که بیشتر در آن استفاده می شود گوشی های موبایل است که دقت آن در شرایط مختلف متفاوت است. به عنوان مثال:

فضای باز = بین ۳ تا ۷ متر

داخل ماشین = ۵ تا ۱۰ متر

داخل خانه ۲ طبقه = ۲۰ تا ۵۰ متر

داخل آپارتمان = ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر و در شرایطی قطع

در جنگل = ۱۰۰ تا ۲۰۰ متر

داخل هواپیما = ۵۰ متر در شرایطی قطع نصفی

دم پنجره داخل هواپیما = ۱۵ تا ۳۰ متر

داخل تونل = قطع کامل

بر پشت بام آپارتمان = ۲ تا ۴ متر

زیر پل ها = قطع کامل 

 

 

کاربردهای عمومی

 

اساس کار دستگاه موقعیّت یاب (جی پی اس GPS) تعیین موقعیت است و این کار با دریافت امواج ماهواره های موقعیّت یاب که در مدارهایی به دور کره زمین در چرخش هستند، انجام می شود. برای تعیین موقعیت، گیرنده موقعیّت یاب زمانهای دریافت شده را با زمان خود مقایسه می کند. تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده موقعیّت یاب از ماهواره مزبور می باشد. این عملی است که دقیقاً یک گیرنده موقعیّت یاب انجام می دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر، موقعیّت یاب میتواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید. (که آن را تعیین دو بعدی می نامند) و با تبادل با چهار (و یا بیشتر) ماهواره یک موقعیّت یاب می تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می باشد. با انجام پشت سر هم این محاسبات، موقعیّت یاب میتواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید امروزه در بعضی مکانهای ایران قادر به دریافت اطلاعات تا ۱۰ ماهواره و حتی بیشتر می باشیم و حداقل به ۴ تا ۵ ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم. هر قدر تعداد ماهواره های 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 می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که موقعیّت یاب به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق می کند. ارتفاع موقعیّت یاب ارتفاع ژئودتیک است که نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی مقایسه اندازه گیری می شود، در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک یا ارتفاع از سطح ژئوئید می باشد که از سطح دریاهای آزاد محاسبه میگردد. مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود ۱۰۰ متر است. موقعیّت یاب اطلاعات موقعیتی را توسط اعداد و در یک سیستم مختصاتی بیان می کند. امروزه پر کاربردترین سیستمهای مختصاتی Lat-Lon و UTM میباشند. [۱] دستگاه جی پی اس GPS یک رایانهکوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده است؛ بنابراین این رایانه با داشتن مختصات شما می تواند 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 جی پی اس GPS 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 برگرداندن شما از مسیر آمده را نیز می تواند انجام دهد.

 

 

کاربردها ی تخصصی:

  • نقشه برداری
  • پروژه های عمرانی
  • کوهنوردی
  • کایت سواری
  • سفر در مناطق ناشناخته
  • کشتیرانی
  • قایقرانی
  • عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زلزله
  • کنترل ترافیک
  • تجاری
  •  

 

دیگر سامانه ها:

 

  • سامانهٔ گلوناس GLONASS :

  • که دولت شوروی ساخته و اکنون به دست کشور روسیه اداره می شود. این سامانه هم اکنون ۴۵٪ قابلیت مانور دارد و در سال ۲۰۰۸ به همراه کشور هند به طور کامل به بهره برداری رسیده است.
  • سامانهٔ گالیلئو GALILEO:

  • گسترش داده شده توسط اتحادیه اروپا و قرار است به همراه کشورهای اسراییل، 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 می باشد
  • سامانهٔ QZSS :

درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی

  • سامانهٔ IRNSS:

ماهوارهای موقعیت یابی ملی هند (IRNSS)

مقایسه:

 The Global Positioning System (GPS), originally Navstar GPS, is a space-based radionavigation system owned by the United States government and operated by the United States Air Force. It is a global navigation satellite system that provides geolocation and time information to a GPS receiver anywhere on or near the Earth where there is an unobstructed line of sight to four or more GPS satellites.[3]

The GPS does not require the user to transmit any data, and it operates independently of any telephonic or internet reception, though these technologies can enhance the usefulness of the GPS positioning information. The GPS provides critical positioning capabilities to military, civil, and commercial users around the world. The United States government created the system, maintains it, and makes it freely accessible to anyone with a GPS receiver.