جستجوی سایت
Filters
بستن

مروری بر GPS

GPS یکی از شگفت‌انگیزترین صنایعی است که تاکنون توسط بشر طرح‌ریزی شده است. کاربردهای بی‌شمار GPS فواید فردی و جمعی بسیاری دارد. اما GPS واقعا چیست؟ سیستم موقعیت‌یابی جهانی یک سیستم مسیریابی ماهواره-محور می‌باشد. این سیستم از یک شبکه با 24 ماهواره تشکیل شده است. این ماهواره‌ها در فاصلۀ 11000 مایل دریایی در فضا و بر روی 6 مسیر مختلف مداری واقع شده‌اند. همچنین، این ماهواره‌ها همواره در حال حرکت هستند و در کمتر از 24 ساعت دو مدار کامل را به دور زمین تشکیل می‌دهند. با یک محاسبۀ سرانگشتی می‌توان فهمید که این به معنی سرعتی معادل با 2/6 کیلومتر در هر ثانیه می‌باشد!

ماهواره‌های GPS را با نام ماهواره‌های NAVSTAR نیز می‌شناسند. اولین ماهوارۀ GPS کار خود را در ماه فوریۀ 1978 در مدار زمین آغاز کرد. هر ماهواره حدود 1 تن وزن دارد و با احتساب پنل‌های خورشیدی حدود 5 متر طول دارند. توان فرستندۀ هر ماهواره نیز تنها در حدود 50 وات است (گاهی حتی کمتر!).

هر ماهواره بر روی 3 فرکانس اطلاعات خود را ارسال می‌کند و برای کاربردهای غیرنظامی از فرکانس L1، که 1575/42 مگاهرتز است، استفاده می‌شود. عمر هر ماهواره در حدود 10 سال تخمین زده می‌شود. ماهواره‌های جایگزین به صورت پیوسته ساخته شده و به مدار پرتاب می‌گردند. مدارهای ماهواره‌ها در فاصلۀ 25000 کیلومتری از مرکز زمین و حدود 20000 کیلومتری از سطح زمین واقع شده است.

مسیر مداری ماهواره‌های GPS حدودا بین عرض جغرافیایی 60 درجۀ شمالی و 60 درجۀ جنوبی واقع شده است. این بدین معنی است که شما می‌توانید سیگنال این ماهواره‌ها را در هر جایی از زمین و در هر زمانی دریافت نمایید. هر چه به قطب‌های زمین نزدیک‌تر شوید، زاویۀ شما نسبت به ماهواره‌ها بیشتر می‌شود و ماهواره‌ها دیگر مستقیما بالای سرتان نخواهند بود، اما همچنان قادر خواهید بود سیگنال دریافت کنید. از این رو با حرکت به سمت قطب‌ها ممکن است دقت GPS دستخوش تغییرات محسوسی شود، اما این تغییر  خللی در کار ایجاد نخواهد کرد. جالب است بدانید، GPS در هر نوع شرایط آب و هوایی کار می‌کند. فرقی نمی‌کند در کجای دنیا باشید و هوا بارانی یا آفتابی باشد، هرگاه به آن نیاز داشته باشید (یا در حال گم شدن باشید)، GPS به کمک شما شتافته و محل دقیقتان را به شما نشان می‌دهد.

حال سوالی دیگری مطرح می‌شود؛ ماهواره‌های GPS دقیقا چه اطلاعاتی را ارسال می‌کنند؟ سیگنال GPS حاوی یک "کد شبه اتفاقی" (Pseudo –random code)، Ephemeris و داده‌های تقویمی (Almanac data) می‌باشد. کد شبه اتفاقی به نوعی هویت و ID ماهوارۀ ارسال‌کنندۀ اطلاعات است. Ephemeris به صورت دائم توسط هر ماهواره ارسال شده و شامل اطلاعات مهمی همچون وضعیت ماهواره (سالم یا ناسالم) است و در نهایت داده‌های تقویمی اطلاعات مربوط به تاریخ و ساعت را ارسال می‌کند. اگر این قسمت از اطلاعات نباشد، گیرندۀ GPS شما قادر به تعیین تاریخ و زمان نخواهد بود و در نتیجه ماهواره قادر به تعیین موقعیت شما نخواهد بود. اطلاعات تقویمی نیز به گیرندۀ GPS اطلاعات مکان ماهواره‌ها در هر زمان از شبانه‌روز را می‌دهد. هر ماهواره اطلاعات تقویمی را ارسال کرده و در آن اطلاعات مداری خود و سایر ماهواره‌های موجود در سیستم را قرار می‌دهد. به زبان ساده‌تر، هر ماهواره پیامی مانند این ارسال می‌کند: "من ماهوارۀ X هستم و در حال حاضر در مکان Y قرار دارم و این پیام در زمان Z ارسال شده است". سپس گیرندۀ GPS شما اطلاعات Ephemeris و تقویمی را برای استفادۀ پیوسته ذخیره می‌کند. همچنین این اطلاعات برای تنظیم نمودن ساعت درونی گیرندۀ GPS نیز استفاده می‌شوند. پس همانطور که می‌توان دید، عملیات GPS وابستگی شدیدی به یک مرجع زمانی بسیار دقیق دارد. این مرجع زمانی را ساعت‌های اتمی درون هر ماهواره تامین می‌کنند.

حال برای تعیین موقعیت شما، گیرندۀ GPS زمان ارسال سیگنال از ماهواره را با زمان دریافت آن توسط گیرندۀ GPS مقایسه می‌کند. این گیرنده‌‌ها که می‌توانند در نقش یک رهیاب یا یک ردیاب با ماهواره در ارتباط باشند، به صورت منفعلانه به دریافت سیگنال‌های ماهواره‌ها می‌پردازند. گیرنده‌های GPS به خودی خود سیگنالی ارسال نمی‌کنند و به دیدی باز و بدون مانع از آسمان نیاز دارند. بنابراین این گیرنده‌ها را می‌توان در فضای باز به صورت موثر مورد استفاده قرار داد. اختلاف زمانی به گیرندۀ GPS می‌گوید که ماهوارۀ مذکور در چه فاصله‌ای از گیرنده واقع شده است. اگر گیرنده این اندازه‌گیری فاصله را با چند ماهوارۀ دیگر نیز انجام دهد، قادر خواهد  بود با استفاده از روش مثلثی مکان خود را بیابد. این دقیقا همان کاری است که یک گیرندۀ GPS انجام می‌دهد. با استفاده از حداقل 3 ماهواره، گیرنده قادر خواهد بود طول و عرض جغرافیایی (یا مکان دوبعدی) خود را بیابد. با استفاده از 4 ماهواره گیرنده قادر خواهد بود مکان سه‌بعدی خود شامل طول، عرض و ارتفاع خود را تعیین نماید. با به‌روزرسانی مداوم مکان، گیرندۀ GPS قادر به تعیین سرعت و جهت حرکت (مسیر زمینی) نیز خواهد بود.

دقت یک عبارت نسبی است، به این معنی که برای برخی کاربردها دقت 10 متر یک دقت خوب محسوب شده در حالی که برای برخی دیگر از کاربردها دقت 1 سانتی‌متر مورد نیاز است. چند عامل می‌توانند بر روی دقت تاثیرگذار باشند، اما تنها زمانی قابل توجه خواهند بود که به دنبال دقت‌‌های بین 10 تا 15 متر باشیم. این عوامل شامل هندسۀ ماهواره‌ها (موقعیت نسبی هر ماهواره در آسمان)، چندمسیری (هنگامی که دریافت از ماهواره توسط ساختمان‌ها دچار بازتاب شده و از چند مسیر به گیرنده می‌رسد) و تاخیر انتشار ناشی از تاثیرات جوی می‌باشند. همچنین یک عامل دیگر که می‌تواند بر روی دقت تاثیرگذار باشد، خطای ساعت داخلی است.

حال بگذارید ببینیم هنگام استفاده از سیستم GPS دقیقا چه اتفاقی می‌افتد. هنگامی که یک گیرندۀ GPS روشن می‌شود، عملیات زیر باید اتفاق بیافتند تا گیرنده بتواند به اطلاعات موجود در یک سیگنال GPS دست پیدا کند و از این اطلاعات برای مسیریابی استفاده نماید:

1. تعیین ماهواره‌های قابل مشاهده برای آنتن.

2. تعیین داپلر تقریبی برای هر ماهوارۀ قابل مشاهده.

3. جستجو برای سیگنال هم در تاخیر و هم در فرکانس کد C/A.

4. شناسایی یک سیگنال برای تعیین تاخیر کد و فرکانس حامل.

5. دنبال کردن (ردیابی) تاخیر و فرکانس حامل کد C/A حین تغییر آن‌ها.

مراحل 1 تا 4 لیست بالا فرآیند اکتساب (acquisition) نام دارد. در مراحل 1 و 2، ماهواره‌های قابل مشاهده و میزان تقریبی جابه‌جایی داپلر با استفاده از زمان تقریبی، مکان تقریبی گیرنده و دادۀ تقویمی، پیدا می‌شوند. در مرحلۀ 3، که تقریبا بیشترین میزان محاسبه را به خود اختصاص می‌دهد، جستجو برای کد C/A اتفاق افتاده و شامل پیدا نمودن یک کپی دقیق از کد در گیرنده، که کاملا از لحاظ زمانی بر کد دریافت شده منطبق است، می‌شود.

سپس در مرحلۀ 4 سیگنال شناسایی شده و بعد از آن گیرنده به دنبال کردن فرکانس حامل و کد در مرحلۀ 5 می‌پردازد. گیرنده با این کار سیگنال‌های خطا را برای منطبق نگه داشتن کد کپی و کد دریافت شده، تولید نموده و گیرنده را بر روی فرکانس حامل صحیح نگه می‌دارد. به طور خلاصه می‌توان گفت که با انجام محاسبات کافی، هیچ محدودیتی برای میزان حساسیت اکتساب و دنبال نمودن سیگنال وجود ندارد.