GPS

بسمه تعالی

تاریخچه

همه چیز با ماهواره Sputnik روسی آغاز شد؛ چیزی که در زمان جنگ سرد به عنوان یک شکست شناخت می شد، تبدیل به مبدلی برای یکی از مهمترین فناوری های قرن 20 و حتی شاید 21 تبدیل شد. درباره جی پی اس صحبت می کنیم و قصد داریم که تاریخچه جی پی اس را از ابتدای ساخت آن تا امروز مرور کنیم.

در اکتبر سال 1957 بود که دانشمندان در دانشگاه MIT متوجه شدند که فرکانس سیگنال های رادیویی دریافتی از یک ماهواره روسی به محز این که این ماهواره به زمین نزدیک می شود افزایش می یابد و با دور شدن آن کاهش می باید. این موضوع به دلیل تاثیر امواج رخ می داد، تقریبا شبیه به زمانی که شما در جایی ایستاده باشید یک ماشین بوق زنان از کنار شما رد شود در این صورت صدای بوق برای شما با تن متفاوتی جلوه خواهد کرد.

تاریخچه جی پی اس و سرآغاز آن

روسیه ماهواره Sputnik را در سال 1957 در حالی که جهان را متعجب کرده بود، پرتاب کرد. این موضوع ایده ای بزرگ برای دانشمندان بود. ماهواره ها از طریق فرکانس سیگنال های رادیویی که دریافت می شد قابل ردیابی بودن و به شکلی معکوس موقعیت دستگاه های دریافت کننده جی پی اس روی زمین هم با محاسبه مسافت آنها از ماهواره ها قابل اندازی گیری بود. به طور خلاصه، این مفهوم جی پی اس در ابتدای آغاز به کار آن بود.

دریافت کننده جی پی اس موجود در گوشی تلفن شما یا دستگاهی مسیریابی که در خودروی شما نصب است، موقعیت، سرعت حرکت و ارتفاع را با محاسبه مدت زمانی که طول می کشد تا سیگنال های رادیویی را از 4 یا تعداد بیشتری ماهواره شناور دریافت کند، انجام می دهد.

از زمان پرتاب ماهواره Sputnik جی پی اس مسیر طولانی را داشته تا به امروز رسیده است. در ادامه به تغییرات ایجاد شده در فناوری جی پی اس در نقاط زمانی مختلف می پردازیم. در حال حاضر به طور کلی 31 ماهواره جی پی اس در روز دو بار در مدار زمین می چرخد.

آغاز به کار جی پی اس در سال 1959

نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا اولین سیستم مسیریابی واقعی را با نام TRANSIT ساخت. این سیستم برای پیدا کردن زیر دریایی ها طراحی شده بود و در ابتدا با 6 ماهواره آغاز به کار کرد و در ادامه کار خود به 10 ماهواره جی پی اس ارتقا یافت. در آن زمان زیر دریایی ها می بایست حتی چندین ساعت صبر می کردند تا از ماهواره های جی پی اس سیگنال دریافت کنند، اما به مرور با دریافت سیگنال بی وقفه ازماهواره های جی پی اس وضع بهتری پیدا کرد.

ورود جی پی اس به روی زمین در سال 1963

کمپانی Aerospace Corporation برای ارتش تحقیقی را تکمیل کرد که طی آن قصد داشتند تا سیسستم متشکل از ماهواره های فضایی سیگنال های بی وقفه به دریافت کنندگانی بر روی زمین یا هوا بفرستند تا از این طریق بتوان حرکت وسایل نقلیه که حتی با سرعت بالایی در حال حرکت هستند را مکان یابی کرد.  نتیجه این تحقیق مفهومی از فناوری جی پی اس را آفرید که امروزه با آن سر و کار داریم. امروزه وسایل نقلیه مانند خودرو های سواری روی زمین مختصات جغرافیایی موقعیت مکانی دقیق را با محاسبه زمان های ارسال سیگنال های رادیویی از ماهواره های جی پی اس محاسبه می کنند.

آغاز به کار سیستم مکان یابی با 24 ماهواره در سال 1974

شاخه های مختلف ارتش، بعد از این که با سیستم مکان یاب جهانی در طی 11 سال گذشته کار کرده بودند، سیستم مکان یابی بر پایه 24 ماهواره را با پرتاب اولین ماهواره به نام NAVSTAR آغاز کردند. این ماهواره و چندین ماهوراه بعدی قرار بود که برای آزمایش فلسفه NAVSTAR مورد استفاده قرار بگیرند.

تکمیل سیستم مکان یابی با 24 ماهواره بین سال های 1978 تا 1985

ارتش 11 ماهواره دیگر را برای آزمایش سیستم NAVSTAR پرتاب کرده است که آن را سیستم مکان یابی جهانی نامگذاری می کند. این ماهواره ها با خود ساعت های اتمی حمل می کردند تا با دقت بالایی زمان های ارسال را اندازی کنند. برخی از این ماهواره ها (از سال 1980) حسگر هایی را برای تشخیص پرتاب یا انفجار دستگاه های هسته ای طراحی شده بودند، به همراه داشتند.

پایان آزمایش های سیستم مکان یاب جهانی در سال 1989

بعد از سال ها آزمایش، نیروی هوایی در نهایت اولین ماهواره جی پی اس کاملا عملیاتی را به فضا پرتاب می کند. این ارگان برنامه داشت تا ماهواره را در یک شاتل فضایی پرتاب کند ولی بعد از بحران چلنجر در سال 1986 که برای فضانوردان اتفاق افتاد تصمیم خود را تغییر داد و از یک راکت Delta II به جای آن استفاده کرد.

ساختار جی‌پی‌اس

جی‌پی‌اس 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 پایه‌گذاری شده و توسعه یافته‌اند و اکنون نیز به کار خود ادامه می‌دهند. امواج منتشر شده از فضا توسط ماهواره‌های جی‌پی‌اس، توسط گیرنده‌های جی‌پی‌اس دریافت می‌شوند؛ این گیرنده‌ها 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 می‌روند.

• بخش فضایی (Space Segment): از ۲۴ تا ۳۲ ماهواره تشکیل شده است که در مدار میانی زمین (Medium Earth Orbit) قرار گرفته‌اند و همچنین شامل تأسیساتی هم می‌شود که برای آماده‌سازی و پرتاب آنها به کار می‌روند.
• 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 آنتنهای اختصاصی و اشتراکی برای سیستم و ایستگاه‌های پایش تشکیل شده است.
• بخش کاربری (User Segment): از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از جی‌پی‌اس کد گذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می‌کنند و صدها میلیون کاربر مدنی، عمومی یا علمی تشکیل شده است که از امکانات موقعیت یابی استاندارد استفاده می‌کنند.

 1.بخش فضایی

   اولین جزء از سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) ، بخش فضایی متشکل از 24 ماهواره است که در مدارهای دقیق و تقریباً دایره‌ای شکل قرار دارند و ارتفاع آنها از زمین در حدود 20200 کیلومتر است. چندین ماهواره اضافی نیز در مدار قرار دارند که نقش ماهواره‌های یدکی را بازی مي‌كنند و کاملاً عملیاتی هستند. بنابراین حتی اگر خرابی یا تعمیرهای دوره‌ای، یک یا چند ماهواره را برای مدتی از سرویس خارج کنند، صورت فلکی همواره باید شامل 24 ماهواره عملیاتی باشد.

ماهواره‌ها در شش صفحه مداری قرار گرفته‌اند. هر صفحه مداری برای اینکه بتواند مناطق قطبی را نیز پوشش دهد، دارای یک زاویه انحراف 55 درجه‌ای نسبت به صفحه استوا مي‌باشد. هر ماهواره، کره زمین را دو بار در شبانه‌روز دور می‌زند. در نتیجه، در هر زمان و از هر نقطه بر روی زمین یا نزدیک به زمین، حداقل 4 ماهواره در میدان دید قرار دارند. این امر بسیار مهم است زیرا یک گیرنده GPS به سیگنال‌های حداقل 4 ماهواره نیاز دارد تا بتواند موقعیت مکانی خود را در فضای سه‌بعدی تعیین کند.
شکل زیر صورت فلکی ماهواره‌های GPS را نشان می‌دهد.

هر ماهواره در فضا به منزله یک ایستگاه فرستنده رادیویی مستقل ناوبری است. هر یک از ماهواره‌های جی پی اس دائماً سیگنال‌های رادیویی کم قدرتی را منتشر می‌کنند که کار شناساندن ماهواره و ارائه اطلاعات درباره موقعیت مکانی آن در فضا، زمان‌بندی سیستم و ساير داده‌ها را انجام می‌دهند.
سیگنال‌ها با استفاده از دو فرکانس موج حامل در باند L که داراي بازه فرکانسی بسيار بالا هستند، منتشر می‌شوند که عبارتند از:

• (L1 (1575.42 MHz
• (L2 (1227.60 MHz

باران، مه و برف هیچ اثری بر روی این سیگنال‌ها ندارند و اين امر سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) را به یک سیستم قابل استفاده در همه فصول سال تبدیل نموده است.

2.بخش کنترل

   بخش کنترل شامل 12 ایستگاه زمینی می‌باشد. موقعیت مکانی آنها در شکل زیر نشان داده شده است.

– پایگاه هوایی   Schriever   در کلرادو، به‌عنوان ایستگاه کنترل اصلی ایفای نقش می‌کند.
– جزیره استوایی  Ascension در اقیانوس اطلس جنوبی، دماغه کاناورال در فلوریدا، جزیره مرجانی دیه­گو گارسیا واقع در اقیانوس هند و جزیره مرجانی  Kwajalein در اقیانوس آرام نیز به‌عنوان ایستگاه آنتن زمینی (فرستنده) عمل می‌کنند.
– ایستگاه‌های پایش (گیرنده) نیز ابتدا در پایگاه هوایی  Schriever، جزیره استوایی  Ascension، هاوایی، جزیره دیه­گو گارسیا، جزیره Kwajalein در نظر گرفته شد. در سال 2005 نیز ایستگاه‌های جدیدی در آرژانتین، بحرین، انگلستان، اکوآدور، واشنگتن دی سی و استرالیا به آن‌ها اضافه شد.
لازم به ذکر است که یک ایستگاه کنترل اصلی موقتی پشتيبان در نزدیکی واشنگتن دی سی قرار دارد. یک ایستگاه کنترل اصلی جانشین دائمی نیز در پایگاه هوایی Vanderberg ایالت کاليفرنیا در دست احداث قرار دارد.

   ایستگاه‌های پایش مدام در حال رهگیری سیگنال‌های ناوبری از همه ماهواره‌ها بوده و دائماً این داده‌ها را به منظور پردازش، به ایستگاه کنترل اصلی ارسال می‌کنند. ایستگاه کنترل اصلی محاسبات مربوط به پیش‌بینی موقعیت مدار را برای هر ماهواره در صورت فلکی و نیز محاسبات مربوط به تصحیحات ساعت‌های ماهواره‌ها را انجام می‌دهد.

ایستگاه کنترل اصلی، داده‌های ساعت و مدار به‌روزرساني شده فوق‌الذکر را به چهار ایستگاه آنتن زمینی ارسال می‌کند. سپس این داده‌ها به منظور حفظ دقت سیستم روزی سه بار از این ایستگاه‌ها به هر ماهواره ارسال می‌شوند. ایستگاه‌های زمینی همچنین دستورات (رایانه‌ای) را به منظور مدیریت روزمره، به‌روزرسانی نرم‌افزار و تنظیمات مدار به ماهواره‌ها ارسال می‌کنند.

هر ماهواره همیشه در میدان دید حداقل دو ایستگاه زمینی و معمولاً در میدان دید سه ایستگاه زمینی می‌باشد.

3.بخش کاربر

   فلسفه وجود سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) ، مشخص كردن موقعیت کاربر است. سیستم جی پی اس این کار را به خوبی و به طور رایگان انجام می‌دهد. اما بايد به خاطر داشت که این سیستم، دو کاربره است: یعنی هم برای کاربران نظامی و هم برای کاربران غیرنظامی طراحی شده است.

• کاربران نظامی از قابلیت‌های خاص جی پی اس بهره‌مند هستند و کاربردهای مدنظر آنها با کاربردهای موردنظر کاربران غیرنظامی بسیار متفاوت است.
• کاربران غیرنظامی معمولاً از قابلیت‌های موقعیت‌یابی و زمان‌سنجی جی پی اس برای امور روزمره خود استفاده می‌کنند.

از کاربردهای مورد نظر سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) برای یک کاربر غیرنظامی مي‌توان به موارد زیر اشاره كرد:

• جلوگیری از گم شدن در صحرا، جنگل و علفزار
• مسیریابی به سمت رستوران در یک شهر غریب
• مشخص کردن موقعیت گوشه ساختمان در حال احداث
• کمک به سرویس‌دهي وسایل نقلیه خدماتی طبق برنامه
• هدایت کردن ماشین‌آلات کشاورزی در یک خط مستقیم
• کمک به ناوبری کشتی‌ها و هواپیماها
• و …

انواع GPS

گیرنده های GPS کلا از نظر کاربری به پنج گروه تقسیم می گردند:

1.دستی

گیرنده های GPS دستی دستگاه های کوچک به اندازه گوشی موبایل هستند که با دقت حدود 3 متر موقعیت کاربر را معین می نمایند. امکانات مختلفی روی مدل های متنوع این گیرنده ها ارائه می شود که برخی از آنها عبارتند از: 12 کانال دریافت اطلاعات از ماهواره، عمر باطری (قلمی آلکالاین) تا 36 ساعت، تا 500 نقطه حافظه (Landmark)، ثبت تا 10000 نقطه در 10 خط سیر (Track)، ثبت تا 50 مسیر (Route) در 125 شاخه، امکان اتصال به کامپیوتر، دارای Gameهای مختلف، قطب نمای الکترونیکی، ارتفاع سنج بارومتریک، پروفیل ارتفاعی، تا 24 مگا بایت حافظه نقشه، محاسبه مساحت، صفحه ناوبری هدایت 3 بعدی، آنتن جدا شونده، امکان اتصال به آنتن خارجی، هدایت خیابان به خیابان در مسیر، صفحه بزرگ رنگی.

2.هوائی

گیرنده های GPS هوائی مشابه دستگاه های دستی هستند، با این تفاوت که صفحات نمایش و امکانات نصب و همچنین اطلاعات داخل آنها برای استفاده روی هواپیما و یا بالگرد بهینه شده است.

3.دریائی

گیرنده های GPS دریائی نیز مشابه دستگاه های دستی هستند، با این تفاوت که صفحات نمایش و امکانات نصب و همچنین اطلاعات داخل آنها برای استفاده روی شناور ها و کشتی ها بهینه شده است.

4.دقیق

در گیرنده های GPS دقیق از روش های مختلفی استفاده می شود تا با اصلاح خطا، دقت دستگاه ها با 5 میلیمتر بالا رود. از این دستگاه ها برای برداشت های دقیق و نقشه برداری استفاده می شود. این دستگاه ها عموما به صورت ست های 2 یا 3 تائی ارائه شده و به کار می روند. قیمت این دستگاه ها با دستگاه های دستی اختلاف زیادی دارند. یکی از بهترین تولید کنندگان این توع GPS شرکت Ashtech از امریکاست .  

5. ردیابی

گیرنده های GPS مخصوص ردیابی بصورت بورد و آنتن جداگانه، و یا ماوس (بورد و آنتن با هم)، بدون صفحه نمایش و صفحه کلید ارائه می شوند.  از این دستگاه ها در سیستم های tracking و ردیابی استفاده شده.

کاربردها ی تخصصی

از اين اطلاعات براي ناوبري و هدايت هوايي، دريايي و زميني، نقشه برداري، آمار گيري، تهيه و اصلاح اطلاعات نقشه اي، نظارت بر حركت خودروه، تهيه نقشه از انديسهاي زميني، تعيين موقعيت محل برداشت نمونه هاي معدني، تهيه نقشه از مسير طي شده (پروفيل برداري)، پيدا كردن متحرك گم شده و يا به سرقت رفته، تعيين بهترين مسيرهاي حركت، به روز سازي نقشه هاي قديمي، تهيه اطلاعات ورودي براي سيستمهاي اطلاعات جغرافيايي (GIS)، تعيين مرز بندي مناطق زير كشت، پوشش گياهي، امداد و نجات در حوادث و موارد ديگر استفاده مي شود.

♦ نقشه برداری

♦ پروژه‌های عمرانی

♦ کوهنوردی

♦ کایت‌سواری

♦ سفر در مناطق ناشناخته

♦ کشتی‌رانی

♦ قایق‌رانی

♦ عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زلزله

♦ کنترل ترافیک

♦ تجاری

♦ دیگر سامانه‌ها

♦ ردیاب، دزدگیر ماهواره ای

یکی از مشکلاتی که برای مالکان خودرو پیش می آید مشکل امنیت خودرو از لحاظ سرقت می باشد.جهت برطرف نمودن این مسئله راه حل های مختلفی وجود دارد از قبیل دزدگیرها، سیستم های ضد سرقت و... ولی سارقان هر روز راه های جدیدی برای سرقت خودرو پیدا می کنند.

دزدگیر جی پی اس (دزدگیر ماهواره ای) به سیستمی گفته می شود که علاوه بر قابلیتهای رایج دزدگیر ماشین، این قابلیت را دارد که وضعیت و موقعیت دقیق خود را به مالک ماشین اطلاع دهد. همچنین با استفاده از سیم کارتی که روی آن قرار دارد هر گونه اتفاق مرتبط به امنیت خودرو نظیر ضربه، جابجایی ماشین، باز شدن درب ها یا روشن شدن ماشین را بدون محدودیت برد به صاحب ماشین اعلام می کند.

مدیریت ناوگان حمل و نقل

در اصطلاح به عملیات نظارت و مدیریت خودروهای یک شرکت و یا یک سازمان مدیریت ناوگان گفته می شود. مدیریت ناوگان میتواند شامل انواع خودروهای سواری و سنگین باشد. موارد استفاده از سیستم مدیریت ناوگان معمولاً شامل موارد زیر می باشد:

♦ ردیابی و عیب یابی خودرو

♦ سرویس تعمیر و نگهداری خودرو

♦ مدیریت سلامت و امنیت مدیریت

♦ مدیریت مصرف سوخت ناوگان

♦ مدیریت و برنامه ریزی برای رانندگان

مدیریت ناوگان کمک می کند که شرکتها از سیستم حمل و نقل خود اطمینان حاصل کنند و خطرات احتمالی که کسب و کارشان را تهدید می کند به حداقل برسانند. همچنین از مزایای دیگر آن میتوان به بهبود بهره وری، کاهش هزینه های حمل و نقل و تطابق کامل با استانداردها و قوانین کشور اشاره نمود.عملیات مدیریت ناوگان هم بر روی خودروهای اختصاصی و هم بر روی ناوگان تحت کنترل شرکت، قابل اجرا است.

کاربردها

♦ ردیابی و عیب یابی خودرو

♦ کیفیت رانندگی

♦ نرم افزار مدیریت ناوگان

♦ مدیریت شناورها

♦ کنترل و حفظ امنیت

مزایا و معایب GPS برای نقشه برداری زمین

سیستم موقعیت یابی جهانی دنیای نقشه برداری زمین را از بسیاری جهات تغییر داد که بیشتر آنها خوب بودند. با این حال، برخی از معایب برای این نوع تجهیزات وجود دارد. در اینجا خلاصه ای سریع از مزایا و معایب نقشه برداری زمین با GPS آورده شده است:

مزایا

•      سطح دقت بالاتری نسبت به روش های مرسوم نقشه برداری ارائه می دهد
•      محاسبات بسیار سریع و با دقت بالایی انجام می شود
•      فن آوری GPS محدود به محدودیت هایی مانند دید بین ایستگاه ها نیست
•      نقشه برداران زمین می توانند اجزای GPS را برای جمع آوری سریع و دقیق داده ها به راحتی حمل کنند
•      برخی از سیستم های GPS می توانند برای تحویل داده ها در زمان واقعی ارتباط بی سیم برقرار کنند

معایب

•      تجهیزات نقشه برداری زمینی GPS برای دریافت سیگنال ماهواره ای نیاز به دید واضح از آسمان دارند
•      تداخل شاخ و برگ های متراکم و سایر ساختارها می تواند عملکرد و ارتباطات را محدود کند
•      تمام تجهیزات نقشه برداری GPS در معرض خرابی باتری های مرده و نقص سیستم هستند
•      ممکن است تجهیزات خاصی مورد نیاز باشد و ممکن است پرهزینه باشد .

چالش‌های سیستم ردیابی

علیرغم مزایای سیستم ردیابی، برخی از چالش های مرتبط با این فناوری وجود دارد که عبارتند از:

عمر باتری ردیاب: ردیاب اگر که به باتری خودرو متصل نباشد به باتری داخلی خود متکی است و طول عمر باتری می‌تواند ردیابی را بهینه کند و بیشتر این عملیات انجام شود. در حالی که برخی از ردیاب ها عمر باتری طولانی دارند همانند باتری ردیاب آهنربایی که در برخی مواقع تا 30 روز نیز روشن می‌مانند، برخی دیگر نیاز به شارژ مکرر دارند پس در زمان خرید این مورد را حتما مورد بررسی قرار دهید.

قدرت سیگنال جی پی اس ردیاب: ردیاب برای به دست آوردن اطلاعات موقعیت مکانی به دید واضحی از آسمان نیاز دارند تا به ماهواره‌ها متصل شود و این مسئله می‌تواند در مناطقی با پوشش ماهواره ای ضعیف یا محیط های شهری متراکم یک چالش باشد.

هزینه ردیاب: هزینه ردیاب بسته به ویژگی ها و قابلیت دستگاه می تواند متفاوت باشد. برخی از ردیاب ها ممکن است گران باشند، که ممکن است پذیرش آنها را در برخی صنایع محدود کند اما در کل این سیستم می‌تواند در هزینه‌های دیگر شرکت بسیار صرفه جویی و کمک کند.

حریم خصوصی داده ها: ردیاب های GPS داده های مکان را جمع آوری می کنند که می تواند اطلاعات حساسی باشد. نگرانی هایی در مورد نحوه ذخیره، دسترسی و استفاده از این داده ها وجود دارد، به ویژه در مواردی که از ردیاب ها برای نظارت بر افراد استفاده می شود.