ورود کاربر
ثبت نام کنید

نام کاربری :   رمز عبور  
کلمه عبورتان را فراموش کرده اید

سیستم GPS چیست؟

GPS ِیک سیستم متعلق به آمریکا است که سرویس هایی نظیر زمان بندی، ناوبری و موقعیت یابی را برای کاربران فراهم می کند. این سیستم از سه بخش تشکیل شده است: بخش فضایی، بخش کنترل و بخش مربوط به کاربر. نیروی هوایی آمریکا وظیفه توسعه و نگهداری بخش های فضایی و کنترل این سیستم را بر عهده دارد.

بخش فضایی


بخش فضایی از یک مجموعه 24 عددی ماهواره عملیاتی تشکیل شده است که سیگنال های یک طرفه که زمان و موقعیت ماهواره GPS را در اختیار می گذارند را انتقال می دهد.

بخش کنترل

این بخش از ایستگاه های کنترل و مشاهده جهانی تشکیل شده است که ماهواره ها را در مدار مناسب خود حفظ کرده و ساعت های آن ها را تنظیم می کنند. این بخش ماهواره های GPSرا ردیابی می کند و داده های ناوبری به روز شده را بارگذاری می کند همچنین سلامت و موقعیت مجموعه ماهواره ها را حفظ خواهد کرد.

بخش کاربری

این بخش شامل تجهیزات دریافت کننده GPS است که سیگنال ها را از ماهواره ها دریافت کرده و از اطلاعات منتقل شده در محاسبه زمان و موقعیت مکانی سه بعدی کاربر استفاده می کند.

معرفی کلی سیستم جی پی اس


نمونه مفهومی از جی پی اس Block II-F در مدار زمین
سیستم ناوبری جهانی یک سیستم ناوبری ماهواره ای فضایی است که اطلاعات زمانی و مکانی را در هر شرایط آب و هوایی برای نقطه ای روی زمین یا در فضا که میدان دید واضحی به حداقل 4 ماهواره GPS را داشته باشد فراهم می آورد. این سیستم قابلیت های حیاتی را برای نیروهای نظامی و کاربران غیر نظامی در سراسر دنیا به ارمغان می آورد. این سیستم بوسیله ی دولت آمریکا نگهداری می شود و در صورت داشتن یک دریافت کننده GPS به صورت رایگان در دسترس است.
این سیستم در سال 1973 به علت وجود محدودیت های زیاد سیستم های ناوبری قدیمی توسعه یافت و ایده های خود را از تعدادی از مطالعات طراحی مهندسی در دهه 60 میلادی دریافت کرد. GPS توسط وزارت دفاع آمریکا خلق شد و در ابتدا کار خود را با 24 ماهواره آغاز کرد و در 1994 به طور کامل راه اندازی شد.
وجود پیشرفت در فن آوری و نیاز روزافزون به این سیستم منجر به تلاش های زیادی برای مدرن کردن سیستم کنونی و تولید نسل بعدی ماهواره ها GPS3 و سیستم کنترل عملیاتی نسل آینده OCX شده است. بیانیه های صادره توسط کاخ سفید و معاون رئیس جمهور باعث شد این تغییرات در 1998 آغاز شوند. در سال 2000 کنگره آمریکا دستور به مدرن سازی این سیستم به سیستم GPS3 را صادر کرد.
علاوه بر GPS سیستم های دیگری نیز در حال توسعه هستند. سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی روسیه همزمان توسعه یافت اما تا اواسط دهه 2000 میلادی پوشش کاملی از جهان را ارایه نداد. سیستم های دیگری نیز مانند GALILEO, COMPASS و سیستم ماهواره ای ناوبری منطقه ای هند نیز موجود هستند.


تاریخچه

قسمتی از طراحی GPS بر اساس سیستم های هدایت رادیویی زمینی( ground based) مانند سیستم LORAN و قسمتی بر اساس سیستم Decca Navigation ( که در ابتدای دهه 40 میلادی گسترش یافت و در جنگ جهانی دوم به کار گرفته شد) پایه گذاری شده است.


سرگذشت


نیروی هوایی آمریکا در حال بررسی جی پی اس در بخش کنترل
در سال 1956 یک فیزیکدان آلمانی- آمریکایی به نام Friedwordt Winterberg یک آزمایش نسبت کل (general relativity) را با استفاده از ساعت های اتمی دقیق که در ماهواره های مصنوعی جاگذاری شده بودند پیشنهاد داد. ( برای دستیابی به دقت بالا، GPS از مفهوم نسبیت کل برای تصحیح ساعت های اتمی ماهواره ها استفاده می کند) اشتیاق مضاعف برای استفاده از GPS زمانی بیشتر شد که شوری در سال 1957 نخستین ماهواره ساخته شده به دست بشر را راه اندازی کرد ( ماهواره Sputnik). دو فیزیکدان آمریکایی به نام های William Guier و George Weiffenbach در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز تصمیم به مشاهده امواج رادیویی انتقالی از ماهواره Sputnik گرفتند. بعد از گذشت ساعاتی دریافتند که بواسطه اثر Doppler آن ها قادر به شناسایی مکان ماهواره در مدار مدور خود هستند. در بهار سال بعد، frank Mcclure ( دستیار مدیر آزمایشگاه کاربردی) از Guier وWeiffenbach درخواست کرد که به بررسی مسئله ی معکوس یعنی شناسایی مکان شخصی که از ماهواره استفاده می کند در روی زمین بپردازند. این موضوع منجر به توسعه سیستم انتقال ( Transit System) شد.
اولین سیستم ماهواره ای موقعیت یابی( Transit) که توسط نیروی دریایی آمریکا مورد استفاده قرار گرفت در سال 1960 با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفت. این سیستم 5 ماهواره را به کار گرفته بود که می توانست موقعیت جغرافیایی را تقریباً یک بار در ساعت فراهم آورد.
در سال 1967 ، نیروی دریایی آمریکا ماهواره ای را توسعه داد که توانایی ساخت ساعت های دقیق را با استفاده از جی پی اس فراهم می ساخت. در دهه ی 70، سیستم موقعیت یابی امگا ( که بر اساس مقایسه فاز سیگنال انتقالی که از جفت ایستگاه ها بنا شده است) تبدیل به اولین سیستم موقعی یابی رادیویی جهانی شد. محدودیت های این سیستم منجر به افزایش نیازها برای یک سیستم موقعیت یاب جهانی با دقت بالاتر شد.
در حالی که نیازهای گسترده ای برای موقعیت یابی دقیق در بخش های شهری و نظامی وجود داشت، به نظر نمی رسید که این نیازها توجیه کننده ی میلیاردها دلار هزینه هایی که می بایستی در تحقیقات، توسعه و راه اندازی ماهواره های موقعیت یابی خرج شوند، باشند. در طول جنگ سرد یکی از عواملی که از دیدگاه کنگره ی آمریکا توجیه کننده ی این هزینه ها بود تهدیدات هسته ای علیه موجودیت این کشور بود و همین امر باعث شد که در این تحقیقات سرمایه گذاری شود.
موقعیت یابی دقیق زیردریایی های ایالات متحده را قادر می سازد تا قبل از پرتاب موشک های بالستیک موقعیت دقیق خود را شناسایی کنند. نیروی هوایی آمریکا هم نیازمند سیستم موقعیت یاب دقیق تر و مطمئن تر بود. بنابراین نیروی دریایی آمریکا و نیروی هوایی این کشور به طور همزمان در حال گسترش فن آوری های نوین برای برطرف کردن این مشکل بودند.
در سال 1960 نیروی هوایی سیستم موقعیت یابی رادیویی را به نام MOSAIC (سیستم قابل حمل برای کنترل دقیق موشک های بالستیک قاره پیما) که در اصل یک 3-D LORAN بود پیشنهاد کرد. به دنبال همین مطالعه پروژه 57 که بنیان گذار مفهوم GPS بود در سال 1963 شروع به کار کرد. در همان سال مفهوم GPS تحت عنوان پروژه B621 (که در بر دارنده بسیاری از اصول GPS کنونی بود) ادامه یافت. آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی توسط ماهواره های Timation(موقعیت یاب زمانی) پیشرفت های بسیاری را ادامه داد.
یگان دیگری از نیروهای مسلح ایالات متحده یکی دیگر از بنیان گذاران GPS بود. در سال 1964 ارتش آمریکا اولین ماهواره SECOR خود را در مدار قرار داد. سیستم SECOR شامل سه انتقال دهنده زمینی( ground-based ) از مکان های معلوم می باشد که سیگنال ها را به ماهواره در مدار ارسال می کند .
چهارمین ایستگاه زمینی در یک موقعیت نا معلوم نیز می تواند توسط همان سیگنال ها مکان دقیق خود را تصحیح کند. آخرین ماهواره SECOR در تاریخ 1969 شروع به کار کرد. پس از گذشت چند دهه در همان اوایل استفاده از GPS، استفاده عمومی و مردمی از این تکنولوژی مورد استقبال قرار گرفت.
فناوری GPS می تواند به عنوان تکامل سیستم SECOR در نظر گرفته شود وقتیکه فرستنده های زمینی به مدار منتقل شدند.

مفهوم اولیه GPS


تصویری از مجموعه 24 جی پی اس در حال حرکت در مدار های خود دور زمین
یک دریافت کننده GPS موقعیت خود را بر اساس زمان بندی دقیق سیگنال های فرستاده شده توسط ماهواره GPS که کیلومتر ها بالاتر از زمین قرار دارد محاسبه می کند. هر ماهواره به طور دائم پیام هایی را که شامل زمان پیام ارسال شده و موقعیت ماهواره در زمان پیام ارسالی است، منتقل می کند.
دریافت کننده از پیام هایی که دریافت می کند برای مشخص کردن زمان انتقال هر پیام استفاده کرده و فاصله از هر ماهواره را با استفاده از سرعت نور اندازه گیری می کند. هر کدام از این مسافت ها و موقعیت های مکانی ماهواره معرف یک کره است. دریافت کننده زمانی که فواصل و موقعیت های مکانی ماهواره صحیح هستند بر روی هر کدام از این کره ها قرار می گیرند. این فواصل و موقعیت های مکانی ماهواره برای محاسبه موقعیت دریافت کننده با استفاده از معادلات موقعیت یابی به کار گرفته می شوند. سپس این موقعیت که معمولا" به وسیله یک نقشه متحرک یا عرض جغرافیایی و طول جغرافیایی است نمایش داده می شود. اطلاعات ارتفاع نیز ممکن است از این قضیه تبعیت کند. تعداد زیادی از واحد های سیستم GPS اطلاعاتی نظیر جهت و سرعت (که از تغییرات موقعیت مکانی محاسبه شده اند) را نشان می دهد. در یک سیستم GPS متعارف تعداد 4ماهواره یا بیشتر ه بایستی برای نتیجه دقیق حضورداشته باشند. سطوح 4 کره معمولا" یکدیگر را قطع نمی کنند، به واسطه این مسئله می توان با اطمینان گفت که زمانی که معادلات موقعیت یابی برای یافتن نقطه تقاطع حل شوند، نتیجه موقعیت دریافت کننده با در نظر گرفتن اختلاف بین زمان نگه داشته شده به وسیله ساعت نصب شده بر روی دریافت کننده و زمان واقعی محلی خواهد بود که این مسئله نیاز به یک ساعت بزرگ،گران و پر مصرف را حذف می کند. این زمان محاسبه شده بسیار دقیق جهت نمایش دادن به کار می رود وکاربرد های زیادی در سیستم GPS داشته که شامل زمان انتقال، زمان بندی سیگنال های ترافیکی و انطباق زمانی ایستگاه های تلفن همراه می باشند.

اگرچه برای یک فرایند معمولی 4 ماهواره نیازاست، در مواقع خاص از تعداد کمتری ماهواره نیز استفاده می شود. اگر یک متغیر معلوم باشد یک دریافت کننده می تواند موقعیت مکانی خود را بااستفاده از 3 ماهواره دیگر مشخص کند. به عنوان مثال یک کشتی یا هواپیما ممکن است ارتفاع مشخصی داشته باشند. برخی دریافت کننده های GPS ممکن است از مفروضات و اطلاعات اضافی مانند استفاده مجدد از عرض جغرافیایی مشخص، موقیت یابی به وسیله محاسبه، موقعیت یابی بی تحرک (inertial navigation) یا اطلاعات کامپیوتری وسیله نقلیه برای دادن یک موقعیت مکانی هنگامی که کمتر از تعداد 4 ماهواره حضور داشته باشند استفاده کنند.

کاربردها

در حالی که GPS اصالتا" یک پروژه نظامی است این سیستم کاربردهای مهم نظامی و همچنین غیر نظامی گسترده ای نیز دارد. فناوری GPS به یک ابزار مفید برای تجارت، دانش، ردیابی و نقشه برداری تبدیل شده است. زمان دقیق GPS فعالیت های روزمره نظیر استفاده از سیستم بانکی، شبکه تلفن همراه و حتی کنترل شبکه سرا سری برقی که به وسیله کنترل از راه دور همزمان شده است را سهولت بخشیده است.

کاربرد های نظامی و غیر نظامی

کاربردهای غیر نظامی

بسیاری از کاربردهای غیر نظامی از یک یا چند جز اساسی سیستم GPS استفاده می کنند که عبارتند از : مکان ، حرکت نسبی و زمان انتقال.

-علم نجوم : داده های مربوط به یکسان سازی موقعیتی و یکسان سازی زمانی در علم ستاره شناسی و محاسبات مکانیک فضایی به کار گرفته می شود. از GPS همچنین در علم نجوم آماتور نیز استفاده می شود، به عنوان مثال در یافتن سیاره های خارج از منظومه شمسی.

-نقشه کشی : از GPS به طور گسترده در نقشه کشی نظامی و غیر نظامی استفاده می شود.

-شبکه تلفن همراه : از GPS در شبکه های تلفن همراه به خصوص برای مشاهده و تشخیص مکانی که تماس اضطراری گرفته شده استفاده گسترده ای می شود. اولین گیرنده ها و فرستنده های مجهز به سیستم یکپارچه GPS در اواخر دهه 90 میلادی شروع به کار کردند. شورای ارتباطات فدرال آمریکا در سال 2002 وجود این سیستم را روی گیرنده ها و فرستنده ها و همچنین برج ها به منظور ردیابی مکانی اشخاصی که به شماره تلفن اضطراری 911 تماس می گیرند الزامی کرد.

-کاهش آثار ناشی از بلایای طبیعی : از توانایی های مکان یابی و زمان بندی این سیستم در کاهش اثرات ناشی از بلایای طبیعی استفاده می شود.

-ردیابی ناوگان های حمل و نقل دولتی : از این سیستم در شناسایی، مکان یابی و ایجاد ارتباط بین یک یا چند وسیله نقلیه متعلق به ناوگان حمل و نقل آژانس های دولتی استفاده می شود.

-ردیابی وسایل نقلیه، ردیابی اشخاص و ردیابی حیوانات اهلی : از سیستم GPS در ردیابی اشخاص ، وسایل نقلیه و حیوانات خانگی استفاده گسترده ای می شود. این وسیله به اشخاص ، وسایل نقلیه و قلاده حیوانات خانگی متصل می شوند و مکان آن ها را به طور دائم گزارش می کنند.

-Geotagging : این سیستم با تبدیل کردن مختصات مکانی به فرمت های دیجیتالی نظیر عکس ها در تهیه رویه نقشه ها کاربرد دارند.

-مشخص کردن موقعیت مکانی هواپیما

-جی پی اس در معدن: از جی پی اس جهت بهبود عملیات معدنی استفاده میشود همانند استفاده در حفاری، ردیابی خودرو، عملیات نجات .

-جی پی اس در تور: استفاده جهت نمایش و یا ثبت نقاط دلخواه.

-استفاده در سرگرمی

-استفاده به عنوان رهیاب: با استفاده از این سیستم می توانید بهینه مسیر به مقصد، پیدا کردن محل های مورد نظر در نزدیک ترین موقعیت و .. اشاره کرد. -سیستم های ناوبری : ناوبرها از GPS برای محاسبات جهت یابی و تعیین سرعت دقیق استفاده می کنند.

-علوم ربوتیک : ربات های خود ناوبر (self-navigating ) از حسگر های GPS که قادر به محاسبه طول و عرض جغرافیایی، زمان وسرعت استفاده می کنند.

-نقشه برداری : نقشه بردارها اطلاعات دقیق مکانی را برای رسم نقشه و مشخص کردن مرزهای املاک و خانه ها به کار می گیرند.

-مطالعات لایه های زمین : سیستم GPS قادر به اندازه گیری دقیق حرکت گسل ها به هنگام زلزله می باشند.

محدودیت های کاربردهای غیر نظامی :
دولت آمریکا محدودیت هایی را برای کاربران غیرنظامی سیستم GPS وضع کرده است. همه ی دریافت کننده های GPS که قادر به استفاده از سیستم در ارتفاع بالای 18 کیلومتر و همچنین سرعت بالای 515 متر بر ثانیه می باشند نیاز به مجوز صادرات وزارت کشور آمریکا را دارند. به عنوان مثال انواع موشک ها و بمب هایی که از راه دور کنترل می شوند جز این دسته قرار می گیرند.

کاربرد های نظامی

ناوبری : سیستم GPS سرباز ها را قادر می سازد که هدف های خود را حتی در شرایط هوای تاریک یا منطقه ی ناآشنا بیابند و حرکت گروه را با اطمینان در مسیر پشتیبانی می کند. در نیروهای مسلح ایالات متحده آمریکا فرماندهان از سیستم کمک رسانی دیجیتالی فرماندهان استفاده می کنند و افسران با درجه پایین تر سیستم کمک رسانی دیجیتالی سربازان را به کار می گیرند.
ردیابی هدف : بسیاری از سلاح های مختلف نظامی از GPS در ردیابی اهداف بالقوه هوایی و زمینی قبل از حمله به آن ها استفاده می کنند. این سیستم های نظامی مختصات هدف را به موشک ها می دهند و آن ها را قادر به تعقیب دقیق هدف می سازند. همچنین هواپیماهای نظامی ( به خصوص هواپیماهایی که وظیفه هوا به زمین را دارند) به منظور شناسایی موقعیت اهداف از سیستم GPS استفاده می کنند.
عملیات جستجو و نجات : خلبان های سقوط کرده توسط سیستم GPS بسیار سریعتر شناسایی و پیدا می شوند.
عملیات گشت زنی : با استفاده از این سیستم می توان حرکت گشت زن ها را بهتر مدیریت کرد.

سرویس های جی پی اس


ماهواره های جی پی اس سرویس هایی را برای کاربران نظامی و غیر نظامی فراهم می آورند. سرویس های غیر نظامی به صورت رایگان و پیوسته در همه ی جهان در دسترس کاربران است. سرویس های نظامی در اختیار نیروهای مسلح آمریکا و آژانس های مجاز دولتی است.

سرویس های اضافی


سیستم ها و تکنیک های اضافی متنوعی از GPS به منظور افزایش کارایی سیستم و برآورده کردن نیازهای کاربران در دسترس می باشد. این سیستم ها دسترسی ، دقت و صحت سیگنال را بالا برده و کارایی بهتری از GPS را به کاربران سرویس غیر نظامی ارایه می دهد.

کارایی


کارایی فوق العاده GPS در طی سال های زیاد اطمینان زیادی را نسبت به این سیستم برای میلیون ها کاربر عادی به ارمغان آورده است. این قابلیت اطمینان در گذشته وجود داشته و در آینده نیز وجود خواهد داشت.

آینده جی پی اس

دولت آمریکا قرار است برنامه گسترده ای به منظور مدرن سازی GPS که شامل اجرای دومین و سومین سیگنال غیر نظامی روی ماهواره های GPS است را عملیاتی کند. سیگنال دوم دقت سرویس های غیر نظامی را افزایش خواهد داد و کاربردهای امنیتی را پشتیبانی خواهد کرد. سیگنال سوم غیر قابلیت های سرویس های غیر نظامی را باز هم بیشتر افزایش خواهد داد و اساسا" برای امن کردن بیشتر زندگی مانند صنعت هوانوردی طراحی شده است.

سایر سیستم های ماهواره ای


مقایسه GPS , GLONASS , Galileo و COMPASS
سایر سیستم های ماهواره ای موجود و یا درحال توسعه به شرح زیر است.

  • GLONASS: سیستم ماهواره ای روسی که در حال حاضر کاملاً در حال استفاده است.
  • Galileo: سیستم ماهواره ای اروپایی و چند کشور همکار. برنامه ریزی شده که در سال 2014 شروع به کار کند و در سال 2019 به صورت کامل استفاده شود.
  • Beidou: سیستم ماهواره ای چینی (مخصوص استفاده محلی) در حال حاضر قابل استفاده در آسیا و خاورمیانه.
  • COMPASS: سیستم ماهواره ای چینی(مخصوص استفاده کلی) برنامه ریزی شده در سال 2020 شروع به کار کند.
  • IRNSS: سیستم ماهواره ای محلی هند، برنامه ریزی شده در سال 2014 هند و شمال دریای هند را پوشش دهی کند.
  • QZSS: سیستم ماهواره ای محلی ژاپنی، محدوده پشتیبانی آسیا و اقیانوس هاست.