GPS سیستم موقعیت دهنده جهانی

سیستم راهنمای ماهواره ای GPS جهت تعیین موقعیت دقیق و زمان مرجع اجسام در روی کره زمین یا در مدار بکار میرود . این سیستم مجموعه ای متشکل از 24 ماهواره است که در مدار زمین قرار گرفته اند.

سیستم فوق توسط وزارت دفاع امریکا راه اندازی شده و کنترل می گردد و در حال حاضر سرویس آن بصورت رایگان در دسترس همگان میباشد.این سیستم متشکل از سه بخش میباشد .

بخش فضائی: شامل مجموعه ماهواره ها

بخش کنترل: شامل ایستگاههای زمینی در سراسر دنیا (این بخش هدایت پرواز ماهواره ها، یکسان سازی ساعت اتمی آنها و ارسال اطلاعات جهت پخش توسط آنها را به عهده دارد).

بخش کاربران شامل دستگاههای گیرنده GPS جهت کاربردهای نظامی و تجاری میباشد. دستگاههای گیرنده قادرند با تفسیر سیگهالهای زمانی دریافت شده از ماهواره موقعیت خود را محاسبه نمایند.

هزینه نگهداری سالانه سیستم مشتمل به تعویض ماهواره های مستعمل در حدود 400,000,000 USD  میباشد . اولین مجموعه 24 ماهواره ای که سیستم فعلی را شکل داده (Block P) در 14 فوریه 1989 در مدار کره زمین قرار گرفت وپنجاه و دومین ماهواره این سیستم در 6 نوامبر 2004 در مدار زمین قرار گرفت.

تشریح سیستم GPS
این سیستم متشکل از 24 ماهواره قرار گرفته در شش سطح مداری میباشد. ماهواره های GPS ابتدایی توسط شرکت راکول ساخته شد که اولین ماهواره در سال 1978 و آخرین آن در سال 2004 به مدار زمین فرستاده شد . هر ماهواره محیط کره زمین را دوبار در روز در ارتقاع 20,200 km  از سطح زمین طی مینماید . ماهواره ها دارای ساعتهای اتمی دقیق میباشند و دائما" نسبت به ارسال زمان و سایر اطلاعات تکمیلی حرکت خود که از ایستگاههای زمینی گرفته اند اقدام مینمایند.
در عوض گیرنده های  GPS نیاز به ساعت دقیق نداشته ولی دارای یک ساعت پر ثبات بوده که با دریافت سیگنال از حداقل چهار ماهواره نسبت به محاسبه طول و عرض جغرافیایی و ارتقاع خود و زمان دقیق اقدام مینمایند. گیرنده با سنجش اختلاف بین زمان محلی و زمان اعلام شده ماهواره ها فاصله خود از آنها را محاسبه نموده و موقعیت خود ماهواره ها را نیز به کمک سیگهنالهای دریافتی و بانک اطلاعات داخلی خود بدست می آورد. گیرنده در محل تقاطع چهار کره حول ماهواره ها با شعاعی معادل فاصله خود از آنها (حاصلضرب اختلاف زمانی در سرعت امواج رادیویی)  قرار گرفته. گیرنده ساعت دقیق نداشته لذا قادر به تعیین تأخیر زمانی دقیق نبوده ولی میتواند اختلاف زمانهای ارسالی ماهواره ها را با دقت بالا اندازه گیری کند.

گیرنده برای تشخیص موقعیت دقیق خود حداقل نیاز به دریافت سیگنال از چهار ماهواره داشته که در صورت کمتر بودن قادر به تشخیص موقعیت دقیق خود نبوده و نیاز به اطلاعات بیشتر نظیر ارتفاع دارد.

با مشخص بودن ارتفاع ،سیگنالهای سه ماهواره نیز جهت تعیین موقعیت دقیق گیرنده کفایت میکند . زمانیکه بیش از چهار ماهواره در دسترس باشند در تئوری باید نقطه واحد تعیین گردد لیکن در عمل سطوح کروی به دلیل خطاهای گوناگون در یک نقطه متقاطع نخواهند شد و در این حالت از روش حداقل مجذورات جهت یافتن موقعیت بهینه استفاده میگردد که شامل محاسبات پیچیده ریاضی میباشد.



دلایل بروز خطا در این سیستم عبارتند از:
1.      زمان محلی که توسط گیرنده تولید می شود

2.    سرعت امواج رادیوئی ضمن عبور از جو زمین کاهش می یابد

3.     گیرنده در حال حرکت میباشد

گیرنده در جهت غلبه بر مشکل اول با جابجائی زمان محلی ( و نهایتاً تغییر شعاع کره ها )  باعث میگردد تا کره ها نهایتاٌ در یک نقطه متقاطع شوند . اغلب گیرنده ها به مجرد تنظیم ساعت خود با ساعت محلی با انجام محاسبات ریاضی تاخیر ناشی از عبور از جو زمین را جبران نموده و البته این خطا زمانیکه ماهواره در بالای سر واقع باشد کمترین و با نزدیک شدن  ماهواره به افق بیشتر میگردد چرا که طول مسیر حرکت سیگنالها در جو افزایش مییابد از آنجاکه گیرنده معمولاً متحرک میباشد برخی از آنها سعی میکنند جهت جبران خطای مربوطه بجای کره از تکه خطوط استفاده مینمایند .

گیرنده شامل یک واحد محاسباتی جهت محاسبه تاثیر این خطاهاست و ماهواره ها نیز ضمن ارسال اطلاعات لازمه به گیرنده کمک میکنند تا سرعت دقیق پخش نمودن را تخمین بزند سیستمهای گیرنده دقیق از هر دو فرکانسهای L1   و L2  جهت تعیین تاخیر اتمسفری بهره میگیرند .

بدلیل وجود منابع تاخیری خاص نظیر اتمسفر که بسته به میزان فرکانس امواج رادیویی بر سرعت آنها تاثیر میگذارد  , گیرندههای دو فرکانسی میتوانند اثرات واقعی آنرا برروی امواج اندازه گیری و جبران نمایند .

جهت سنجش اختلاف زمانی بین ماهواره ها و گیرنده , ماهواره ها یک کد 1023 بیتی ساختگی ارسال نموده که گیرنده با اطلاع از فرمت آن یک کد اولیه تشکیل داده و با تغییر آنرا به کد دریافتی نزدیک میکند.

ماهوارههای مختلف از کدهای متفاوتی استفاده نموده بدین ترتیب قادر به ارسال اطلاعات با فرکانس یکسان بوده که گیرنده قادر به تشخیص آنها مییباشد این یک کاربر از دسترسی چند جانبه توسط کد زنی (CDMA) میباشد.


GPS انواع
انواع گیرنده امواج رادیویی GPS مشتمل بر فرکانسهای ذیل میباشد :

1.     (L1=1575.42 MHz) این فرکانس جهت کاربردهای عمومی یافتن تقریبی (C/A)  و کدهای رمز شده P(y) بکار میرود.

2.     (L2=1227.60 MHz) این فرکانس عمدتاً جهت تهیه کدهای رمز شده P(y) بکار رفته که کد رمز آنها توسط دولت آمریکا کنترل و بطور روزانه تغییر می یابد و عموماً جهت کاربردهای نظامی بکار میرود.

برخی از سازندگان گیرنده های دقیق روش هایی جهت بکارگیری این سیگنالها بطور محدود ابداع نموده اند که به رغم موجود نبودن کد رمز امکان بکارگیری آنها را جهت افزایش دقت و رفع خطای اتمسفری فراهم میآورد .

3.     (L3=1381.05 MHz) این فرکانس در کاربردهای خاص نظیر کشف پرتابه های موشکی , انفجارات اتمی و سایر وقایع همراه با اشعه مادون قرمز شدید بکار میرود .

4.     (L4=1841.40 MHz) این فرکانس در حال بررسی است و جهت امکان اصلاح بیشتر خطاهای اتمسفری بکار میرود .

5.    (L5=1176.45 MHz) این فرکانس در کاربردهای امدادرسانی شهری بکار میرود.

نکته دیگر آنستکه سلاعت اتمی ماهواره ها برروی زمان GPS ( شمارش ثانیه ها از مبداء زمانی نیمه شب پنجم ژانویه 1980 ) تنظیم شده که بدلیل عدم پیروی از ثانیه های  Leap جلوتر از UTC میباشد به همین دلیل گیرنده ها , با اعمال یک ضریب اصلا ح زمانی ( که بطور منظم همرا با سایر اطلاعات از ملاهواره ها دریافت می کنند ) قادرند خود را با زمان محلی متناظر با مکان خود تنظیم نمایند .

ساعتهای اتمی ماهواره ها به دلیل آنکه  تحت تاثیر قوانین نسبیت خاص و عام قرار گرفته اند با سرعتی کمتر از ساعتهای روی زمین کار میکنند ( تاخیر در حدود 36 میکرو ثانیه در روز که به روشهای الکترونیکی تصحیح میگردد .

این جابجائی زمانی اثبات تئوری نسبیت در جهان واقعیت بوده که بطور دقیق در تئوری نسبیت انیشتین پیش بینی گردیده بود.

کاربرد ها GPS
هدف نظامی اولیه هدایت و کنترل پیشرفته نیروها بکمک قابلیت برتر جهت تعیین موقیت دقیق اهداف در گشت زنی ها و جنگهای گروهی میباشد . این ماهواره ها همچنین آشکارسازهای انفجارهای اتمی را  که بخش اصلی سیستم کشف انفجار اتمی آمریکا را تشکیل می دهد حمل مینمایند.

این سیستم توسط شمار بسیاری از مردم که بطور رایگان از سرویس موقعیت یاب جهانی استفاده مینمایند بکار میرود.

قیمت پائین گیرندها در حدود 100 تا 200 دلار که براحتی در دسترس همگان بوده در ترکیب با یک موبایل , PDA یا کامپیوتر بسیار قابل استفاده است این سیستم بعنوان یک هدایت کننده در هواپیما , کشتی و انواع ماشینها  )از قبیل ماشین آلات کشاورزی و کامیونهای معدنی و خودروها) قابل استفاده است.

ابزارهای GPS دستی جهت کوهنوردی و پیاده روی به کار رفته و خلبانهای گلایدر نیز سیگنالهای دریافتی را جهت تعیین مقصد خود در مسابقات بکار می برند.

در اول ماه می سال 2000 بیل کلینتون رئیس جمهور وقت امریکا اعلام کرد که دسترسی انتخابی لغو خواهد شد ولی همچنان جهت اهداف نظامی بکار گرفته میشود . بطوریکه دسترسی دستگاههای GPS تجاری به امواج مربوطه در یک ناحیه جنگی یا آماده باش برداشته شده در حالیکه نیروهای نظامی همچنان دسترسی کامل دارند در واقع تعداد ناچیز دستگاههای GPS نظامی در مقایسه با شما ر بسیار دستگاههای تجاری بواسطه کاربران شخصی سبب لغو دسترسی انتخابی در زمان جنگ خلیج فارس شد .

بهرحال نگرانی اروپا در خصوص سطح کنترل برروی شبکه  GPS و رواج تجارتی آن منجر به طرح ایجاد سیستم موقعیت یابی گالیله گردید. روسیه نیز هم اکنون یک سیستم مستقل به نام (GLOBAL NAVIGATION SYSTEM) GLONASS تاسیس نموده که با داشتن تنها 12 ماهواره فعال در سال2004 ازکارآیی محدودی برخوردار است.

کاربرهای نظامی و تجاری خاص هنوز از برخی مزایای فنی این سیستم از قبیل اتصال ماهوارهای سریع و دقت بالا بهره میبرند. دقت بالا عمدتا" ناشی از امکان بکارگیری هر دو فرکانسهای L2-L1 و جبران اثر تأخیری اتمسفری میباشد. ضمنا" دستگاههای گیرنده تجاری دارای محدودیت و ارتفاع و سرعت حرکت بوده که مانع از بکار گیری آنها در تجسس پیشرفته و جنگهای بالستیک میگردد.

منبع :  http://www.msp-co.com/GPS-FR.htm

با تشکر از صابر عزیز