Warning: Declaration of tie_mega_menu_walker::start_el(&$output, $item, $depth, $args, $id = 0) should be compatible with Walker_Nav_Menu::start_el(&$output, $item, $depth = 0, $args = Array, $id = 0) in /home3/afgsaane/public_html/wp-content/themes/jarida/functions/theme-functions.php on line 1904
جی پی اس، GPS
خانه / مخابرات / جی پی اس (GPS)

جی پی اس (GPS)

مقدمه:

GPS که کوتاه شده عبارت Global Positioning System است یکی از بهترین و پرکاربردترین دستاوردهای علم و تکنولوژی مدرن است. این سیستم که از سه بخش فرستنده اطلاعات (ماهواره‌ها)، مراکز کنترل زمینی و گیرنده و پردازش کننده سیگنال‌ها(دستگاه‌های GPS و تلفن‌های همراه هوشمند) تشکیل شده است انقلابی در روش‌های مسیریابی در دنیا به حساب می‌آید.

با پیدایش این سیستم جدید، دقیق و بسیار سریع و در عین حال قابل استفاده با کمترین هزینه ممکن روند مسیریابی در جهان دچار تغییرات زیادی شد. این سیستم برای افراد بر روی زمین، بین زمین و هوا و حتی مناطقی نزدیک به مدارهای ماهواره‌ها نیز پاسخگو است. دریانوردان دیگر برای پیداکردن مسیر خود بسیار راحت‌تر عمل می‌کردند و در نتیجه سبب افزایش رغبت به این گونه سفرها و افزایش شدید مهاجرت در قرن اخیر گشت.

این سیستم که امروزه کاربرد وسیعی در قسمت‌های مختلف جامعه از کاربردهای روزمره برای مردم عادی تا مقاصد نظامی و … دارد در سال 1973 توسط وزارت دفاع امریکا ایده‌پردازی شد. سیستمی که بر مبنای تکنولوژی ماهواره‌ها و با هدف کمک به سربازان و نیروهای نظامی ایالات متحده و برای برطرف کردن مشکلات سیستم‌های قبلی راهیابی طراحی شده بود 3 سال بعد از شروع به کار خود گسترش یافت و مراحل تکامل خود را طی کرد.

در حالی که این تکنولوژی بسیار مفید در این دوران راه‌اندازی شده بود به راحتی دسترس عموم مردم نبود و برای دستیابی به آن باید از دستگاه‌هایی که صرفا جهت دریافت و پردازش اطلاعات ماهواره‌های مربوطه طراحی شده بودند استفاده می‌شد. اما طی چند سال اخیر با پیشرفت چشمگیر تکنولوژی تلفن‌های همراه هوشمند و قابلیت‌های بسیار زیاد آن‌ها این ابزار به راحتی در اختیار عموم مردم قرار گرفته است.

این سیستم به سه بخش قسمت فضایی (ماهواره‌ها)، قسمت کنترل زمینی و قسمت دریافت کننده توسط کاربر تقسیم می‌شود که در ادامه به بررسی هر قسمت می‌پردازیم.

GPS

GPS

بخش اول: قسمت فضایی(ماهواره‌های GPS)

با گذشت سال‌ها از دستیابی به تکنولوژی ماهواره در سال 1957 توسط اتحاد جماهیر شوروی و پس از آن در کشورهایی نظیر فرانسه و ایلات متحده امریکا و گسترش استفاده از امواج رادیویی، در سال 1973 وزارت دفاع امریکا تصمیم به طراحی و گسترش سیستم راهیابی ماهواره‌ای به منظور تسهیل عملیات‌های نظامی برای نظامیان گرفت. در ابتدا این سیستم با 11 ماهواره در حال گردش به دور زمین شروع به کار کرد و پس از مدتی در سال 1979 تصمیم به گسترش این سیستم گرفته شد و تعداد ماهواره‌ها به 18رسید. اما از آن‌جایی که هنوز کیفیت و کارایی مطلوبی نداشت این تعداد به 24 عدد افزایش یافت که از این تعداد 21 ماهواره برای ارسال اطلاعات و 3 ماهواره دیگر به عنوان جایگزین بودند. امروزه نزدیک به 30 ماهواره در حال فعالیت هستند.

GPS

GPS

Bradfor Parkinson, Rojer L. Easton  و  Ivan A. Getting به عنوان مخترعین این سیستم معرفی شده‌اند.

این ماهواره‌ها به نحوی اطراف جو زمین در حال حرکت‌ هستند که همیشه حداقل 4 ماهواره از هر نقطه‌ای روی زمین قابل مشاهده هستند. هر ماهواره با خود ساعتی اتمی با دقت 1 نانوثانیه حمل می‌کند و به طور مرتب سیگنال‌هایی ارسال می‌کند. یک دستگاه دریافت‌کننده این امواج با مقایسه کردن سیگنال‌هایی که از این ماهواره‌ها دریافت می‌کند و با دانستن موقعیت هر ماهواره با انجام محاسبات مثلثی قادر به تعیین موقعیت خود بر روی زمین است.

GPS

GPS

یک گیرنده GPS موقعیت خود را با زمان‌بندی دقیق سیگنال‌های فرستاده شده توسط ماهواره‌های GPS محاسبه می‌کند. هر ماهواره مرتبا پیام‌هایی ارسال می‌کند که حاوی این اطلاعات است:

  • زمانی که پیام ارسال شده است
  • موقعیت ماهواره هنگام ارسال پیام

گیرنده از این پیام‌ها استفاده می‌کند تا مدت زمان رسیدن هر پیام و فاصله هر ماهواره را با استفاده از سرعت نور محاسبه کند. هر کدام از این فاصله‌ها و موقعیت ماهواره‌ها یک کره را تعریف می‌کنند که هنگامی که موقعیت ماهواره‌ها درست باشد گیرنده روی سطح هر یک از این کره‌ها است. از این فاصله‌ها و مکان ماهواره‌ها برای تعیین موقعیت به وسیله‌ی معادلات موقعیت‌یابی استفاده می‌شود.

پیام‌هایی که از ماهواره‌ها به گیرنده ارسال می‌شوند برای طی این فاصله باید به فرکانس حامل تبدیل شوند. در طراحی مدل اولیه GPS دو فرکانس به کار برده شده است: یکی با فرکانس 1575.42 مگاهرتز (10.23 مگاهرتز  154) به نام L1 و دیگری با فرکانس 1227.60 مگاهرتز (10.23 مگاهرتز  120) به نام L2.

کد C/A با فرکانس L1 به عنوان یک سیگنال 1.023 مگاهرتزی با استفاده از تکنیک Bi-phase shift keying BPSK فرستاده می‌شود. کد P(Y) با هر دو فرکانس L1 و L2 به عنوان یک فرکانس 10.23مگاهرتزی با استفاده از همان روش BPSK فرستاده می‌شود.

گذشته از اطناب و افزایش مقاومت در برابر تراکم، یک مزیت مهم داشتن دو فرکانس ارسالی از یک ماهواره، قابلیت اندازه‌گیری مستقیم است که منجر به حذف خطای تاخیر یونسفر برای ماهواره می‌شود. بدون این چنین اندازه‌گیری، یک گیرنده GPS باید از یک مدل عمومی استفاده کند یا اصلاحیات یونسفری را از یک منبع دیگر دریافت کند (مثل Wide Area Augmentation System یا WGNOS).

پیشرفت‌های تکنولوژی در ماهواره‌های GPS و همچنین گیرنده‌ها باعث شده است که تاخیر یونسفری بزرگ‌ترین و تنها خطای باقی‌مانده در سیگنال‌ها باشد. گیرنده دارای قابلیت انجام این اندازه‌گیری‌ها می‌تواند به طور چشم‌گیری دقیق‌تر باشد و معمولا به عنوان گیرنده دو فرکانسی از آن یاد می‌شود.

GPS

مولفه‌های  x , y , z  مکان ماهواره و زمان ارسال پیام به صورت [xi, yi, zi, ti] نشان داده می‌شوند که اندیس i نشان دهنده شماره ماهواره است و مقادیر 1, 2, …, n را می‌پذیرد که n>=4 (حداقل تعداد ماهواره‌ها باید 4 عدد باشد). اگر زمان دریافت پیام که با ساعت روی ماهواره مشخص شده  باشد، زمان درست دریافت پیام       gps-formol1          است که b بایاس (تاخیر) ساعت دریافت کننده است. مدت زمان ارسال پیام         gps-formol2        است. با درنظرگرفتن سرعت ارسال پیام به مقدار سرعت نور c، مسافت طی شده             gps-formol3          است. با دانستن فاصله گیرنده تا ماهواره و مکان ماهواره، می‌توان گفت که گیرنده روی سطح یک کره به مرکز مکان ماهواره و به شعاعی برابر با فاصله ماهواره از گیرنده است. در نتیجه گیرنده نزدیک یا بر روی محل تقاطع سطوح چهار یا تعداد بیشتری کره است (در حالت ایده‌آل و بدون خطا، گیرنده بر روی محل تقاطع سطوح کرات است).

GPS

گیرنده برای محاسبه موقعیت خود چهار مجهول دارد که سه مجهول مربوط به مولفه‌های مکان ماهواره و چهارمین مولفه تاخیر یا بایاس ساعت است. معادلات سطوح کره به صورت زیر است:

 GPS

زمانی که بیش از چهار ماهواره در دسترس هستند، می‌توان از اطلاعات چهار مورد یا بیشتر از بهترین ماهواره‌ها (با در نظر گرفتن تعداد کانال‌ها، قابلیت پردازش و دقت هندسی) برای محاسبات استفاده کرد. برای در نظر گرفتن اطلاعات بیش از چهار ماهواره باید با روش حداقل مربعات معادلات را حل کرد. مکان گیرنده در یک سیستم خاص یا به صورت طول و عرض جغرافیایی بیان می‌شود.

GPS

نقش علوم جدید در این تکنولوژی

دقت این روش موقعیت‌یابی در حدود 5 تا 10 متر و فقط با چند ثانیه اختلاف قابل دریافت است که بسیار قابل توجه است. برای رسیدن به چنین دقتی ساعت‌های ماهواره‌ها باید با اختلافی کمتر از 20 تا 30 نانوثانیه با یکدیگر تنظیم باشند. اما از آنجایی که دائما نسبت به نقاط روی زمین در حال حرکت هستند تاثیرات پیش بینی شده توسط نظریه‌های نسبیت عام و خاص نیز باید در نظر گرفته شوند تا به مقدار خطای ایده‌آل رسید.

یک ناظر از روی زمین ماهواره‌ها را در حال حرکت نسبت به خود می‌بیند، پس طبق پیش‌بینی نظریه‌ی نسبیت خاص باید ساعت‌ها را کندتر در حال کار ببیند. نظریه نسبیت خاص پیش‌بینی می‌کند که ساعت اتمی در حال حرکت در ماهواره به دلیل تاثیر تاخیر زمانی ناشی از حرکت نسبی آنها باید به مقدار 7 میکروثانیه به ازای هر روز عقب بیفتد.

از این گذشته ماهواره‌ها در مدارهایی بالای زمین قرار دارند که انحنای فضازمان در آنجا کمتر از مقدار این انحنا روی سطح زمین است؛ زیرا هر چه به مرکز جرم زمین نزدیک‌تر می‌شویم، انحنای فضازمان بیشتر می‌شود. یک پیش‌بینی نظریه‌ی نسبیت عام این است که ساعت‌های نزدیک‌تر به اجسام سنگین‌تر به نظر کندتر از آنهایی که دورتر از اجسام سنگین هستند کار می‌کنند. بر همین اساس ساعت‌های ماهواره‌هایی که از روی سطح زمین مشاهده می‌شوند باید به نظر سریع‌تر از ساعت‌های مشابه روی زمین کار کنند. محاسبات مبتنی بر نظریه‌ی نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که ساعت‌هایی که در ماهواره‌های GPS وجود دارند باید تقریبا 45 میکرو ثانیه در روز جلو بیفتند.

GPS

با در نظر گرفتن این دو تاثیر نسبیتی درمی‌یابیم که ساعت‌های موجود در ماهواره‌های GPS باید به مقدار 38 میکروثانیه در روز جلو بیفتند که ممکن است مقدار کوچکی به نظر بیاید، ولی دقت بالایی که برای GPS لازم است به خطایی در حد نانوثانیه احتیاج دارد. و 38 میکروثانیه یعنی 38000 نانوثانیه! اگر این تاثیرات به درستی در نظر گرفته نشوند، یک دستگاه مسیریاب بر پایه‌ی GPS به مقدار 2 دقیقه اختلاف زمانی خواهد داشت و در مقیاس جهانی به مقدار 10 کیلومتر در روز به مقدار خطای موقعیت‌یابی اضافه می‌شود و این سیستم دیگر بی استفاده خواهد بود.

مهندسینی که این سیستم را طراحی کردند هنگام طراحی و قرار دادن ماهواره‌ها این تاثیرات نسبیتی را به درستی در نظر گرفتند. برای مثال برای خنثی کردن تاثیر نسبیتی عام در یک مدار، آنها فرکانس ساعت‌ها را قبل از فرستادن به فضا مقداری کم کردند تا هنگامی که در مدار قرار گرفتند با سرعت صحیحی نسبت به پایگاه‌های GPS روی زمین کار کنند. گذشته از این، هر دریافت‌کننده‌ی GPS یک میکروکامپیوتر داخلی همراه با تجهیزاتی دیگر در اختیار دارد که محاسبات نسبیتی لازم را برای تعیین موقعیت کاربر انجام می‌دهد.

کاربرد نظریه‌های نسبیت البرت اینشتین در این بخش از تکنولوژی شاهدی است بر این که نظریه‌های نسبیت تنها یک مفهوم انتزاعی و ریاضی نیستند، بلکه فهم آن‌ها امری حیاتی برای به درستی کار کردن سیستم موقعیت‌یاب جهانی است.

بخش دوم: مرکز کنترل زمینی

بخش کتنرل از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:

  1. پایگاه کتنرل اصلی (master control station)
  2. پایگاه کنترل اصلی جایگزین
  3. چهار آنتن اختصاصی زمینی
  4. شش ایستگاه مانیتور اختصاصی

بخش اول می‌تواند به منظور دستورات و قابلیت کنترل بیشتر به آنتن‌های زمینی قسمت کنترل شبکه ماهواره‌ای نیروی هوایی ایالات متحده و قسمت مانیتورینگ آژانس جغرافیایی ملی امریکا دسترسی داشته باشد. مسیر پرواز ماهواره‌ها توسط پایگاه‌های نیروی هوایی امریکا در شهرهای مختلف از جمره کلرادو، هاوایی و … دنبال می‌شوند. این اطلاعات به بخش فرماندهی فضایی نیروی هوایی ایالات متحده ارسال می‌شود که با گروه‌های عملیات فضایی دوم نیروی هوایی امریکا فعالیت می‌کند. سپس این مرکز به طور مرتب به وسیله آنتن‌های اختصاصی یا اشتراکی زمینی با هر ماهواره ارتباط برقرار می‌کند تا اطلاعات موقعیت‌یابی را به روز کند. این آپدیت‌ها ساعت‌های اتمی ماهواره‌ها را در طول چند نانوثانیه تنظیم می‌کنند.

بخش کنترل عملی (Operational Control Segment) دائما به عنوان بخش کنترل اطلاعات ذخیره شده عمل می‌کند و قابلیت‌هایی عملی برای پشتیبانی از کاربران GPS فراهم می‌کند و GPS را در حال اجرای عملیات در محدوده‌ی خاصی نگه می‌دارد.

OCS تا زمانی که بخش جدید و نسل پیشرفته‌تر سیستم کنترل عملی GPS (OCX) به صورت کامل گسترش‌یافته و عملی نشده است به کار خود ادامه خواهد داد.

قابلیت‌های جدید ارائه شده توسط OCX نقطه عطفی برای انقلاب در توانایی‌های عملیاتی GPS و قادر ساختن فرماندهی فضایی نیروی هوایی ایالات متحده برای بهبود خدمات GPS برای نیروهای نظامی ایالات متحده، کارکنان غیر نظامی و بخش عظیمی از کاربران بومی امریکا و مردم سرتاسر جهان خواهد بود.

GPS OCX همچنین باعث کاهش هزینه‌ها و خطرات تخصصی برنامه خواهد شد. این برنامه به منظور کاهش 50 درصدی هزینه‌ها از راه‌هایی مانند معماری نرم‌افزارهای کارآمد طراحی شده است. علاوه بر این، انتظار می‌رود که GPS OCX برای ارتقا میلیون‌ها دلار کمتر از OCS هزینه و چهار برابر توانایی بیشتر داشته باشد.

یک پایگاه مانیتورینگ GPS

یک پایگاه مانیتورینگ GPS

بخش سوم: دستگاه‌های دریافت‌کننده GPS

گیرنده‌های GPS در انواع مختلفی وجود دارند از قبیل دستگاه‌هایی که در اتومبیل‌ها نصب می‌شوند تا تلفن‌های همراه هوشمند، ساعت‌ها و دستگاه‌های مختص GPS.

گیرنده‌های GPS در خدمت هزاران نظامی امریکایی و میلیون‌ها نفر از شهروندان عادی قرار دارد. به طور کلی، دریافت‌کننده‌های GPS از یک آنتن، یک پردازشگر و یک ساعت بسیار پایدار تشکیل شده‌اند. هر گیرنده‌ای با تعداد ماهواره‌هایی که می‌تواند سیگنال آن‌ها را دریافت کند مشخص می‌شود. در اصل، این تعداد به چهار یا پنج ماهواره محدود بود، اما در سال‌های اخیر با پیشرفت چشمگیر این سیستم، گیرنده‌های GPS 12 تا 20 کانال مختلف را دریافت می‌کنند.

گیرنده‌ها ممکن است دارای یک ورودی برای تصحیح‌های دیفرانسیلی با استفاده از RTCM SC-104 باشند. این ورودی معمولا به صورت یک پورت RS-232 با سرعت 4800 بیت بر ثانیه است. در حقیقت اطلاعات با سرعتی کمتر فرستاده می‌شود که دقت سیگنال ارسالی با استفاده از RTCM را محدود می‌کند. گیرنده‌هایی با دریافت‌کننده‌های DGPS داخلی می‌توانند بسیار بهتر از گیرنده‌هایی با دیتای RTCM خارجی عمل کنند. همانند سال 2006 حتی بخش‌های کم هزینه معمولا شامل گیرنده‌های Wide Area Augmentation System هستند.

بسیاری از گیرنده‌ها می‌توانند اطلاعات موقعیت را به یک کامپیوتر یا دستگاه‌های دیگر که از پرتکل NMEA 0183 استفاده می‌کنند قرار دهند. هرچند این پرتکل رسما به وسیله انجمن ملی نیروی دریایی تعریف شده است، مرجع‌هایی از این پرتکل به منظور اجازه دادن به ابزارهای منبع باز مانند GPSD برای خواندن پرتکل بدون نقض قوانین دارایی‌های معقول از آرشیوهای عمومی تغییر یافته است. پرتکل‌های مرتبط با دارایی‌های دیگری نیز وجود دارند مانند پرتکل‌های SiRF و MTK. گیرنده‌ها می‌توانند با دستگاه‌های دیگر از راه‌هایی شامل یک ارتباط سریالی، USB و یا Bluetooth ارتباط برقرار کنند.

منابع:

http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System

http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit5/gps.html

http://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals

درباره عنایت الله جوادی

مهندسی برق مخابرات

2 دیدگاه

  1. با سلام. تشکر از شما بخاطر این مقاله .من در مورد الکترونیک مولکولی مطالب و مقاله می خواهم اگر امکانش هست برایم بفرستید

دیدگاهتان را ثبت کنید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شدعلامتدارها لازمند *

*

theme
رفتن به بالا

Warning: Parameter 1 to W3_Plugin_TotalCache::ob_callback() expected to be a reference, value given in /home3/afgsaane/public_html/wp-includes/functions.php on line 3510