جی پی اس چیست و چگونه کار می کند ؟

جی پی اس چیست و چگونه کار می کند ؟
جی‌پی‌اس یا سیستم موقعیت‌یاب جهانی (Global Positioning Systems)، یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره‌ای است که از شبکه‌ای با حداقل ۲۴ ماهواره تشکیل شده است. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده‌اند. جی‌پی‌اس در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد.
خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام شبانه‌روز در دسترس است و استفاده از آن رایگان است.
علاوه بر جی‌پی‌اس، دو سیستم کمابیش مشابه دیگر نیز وجود دارد: سیستم گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود و سیستم گالیله که کشورهای اروپائی آن را برای وابسته نبودن به سیستم آمریکائی جی‌پی‌اس ساخته اند.
قطب نماهایی که با نیروی مغناطیسی زمین جهت یابی می‌‌کنند، به تدریج جای خود را به گیرنده‌های جی‌پی‌اس خواهند داد؛ جی‌پی‌اس، سامانه‌ای است که به کمک گروهی از ماهواره‌ها جهت یابی می‌‌کند. ماهواره‌هایی که هرکدام در مدارهای خود به دور زمین در گردشند؛ این ماهواره‌ها با ایستگاه‌های ویژه‌ای بر روی زمین در تماس اند و همواره موقعیت آن‌ها در فضا مشخص است. دستگاه گیرندهٔ جی‌پی‌اس شما، با ارتباط با تعدادی از این ماهواره ها، فاصلهٔ شمارا تا آن‌ها تعین می‌‌کند و سپس موقعیت دقیق شما روی زمین بدست می‌‌آید.
در واقع اساس کار این سامانه، فرستادن سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بالا و به طور پیوسته است که زمان و مکان ماهواره را نسبت به زمین مشخص می‌‌کند و یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس روی زمین، با گرفتن این اطلاعات از سه ماهواره یا بیشتر، آن‌ها را پردازش می‌‌کند و موقعیت کاربر را در هر نقطهٔ زمین، در هر ساعتی از شبانه روز و در هر وضعیت آب و هوایی به او نشان می‌‌دهد.
با چندین اندازه گیری متعدد، گیرنده به محاسبهٔ سرعت، مدت زمان سفر، فاصلهٔ شما تا مقصد، مختصات جغرافیایی (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا)، زمان طلوع و غروب خورشید و ماه (در تقویم نجومی)، تعداد ماهواره ها، زمان محلی و ... می‌‌پردازد و آن را در اختیار کاربر قرار می‌‌دهد. به طور میانگین، هشت ماهواره از 24 ماهواره، در اطراف هر نقطه از کرهٔ خاکی که باشید در آسمان گشت می‌‌زنند.
هرچه گیرندهٔ شما به ماهواره‌های بیشتری وصل شود، اطلاعات دقیق تری را برای شما محاسبه می‌‌کند. جی‌پی‌اس، در ابتدا تنها استفادهٔ نظامی داشته است، ولی از سال 1980 به بعد تصمیم گرفته شد تا از آن در فعالیت‌های غیر نظامی هم استفاده شود ؛ تا جایی که امروزه حتی در ماهی گیری و شکار هم مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده‌اند.

سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS متشکل از 24 ماهواره است که درارتفاع 20000 کیلومتری ازسطح زمین قراردارند ودر 6 مدار که هرمدار 4 ماهواره قرارداد وبا زاویه میل 55 درجه وپر یود ساعتی 12 ساعته درگردشند .
هرماهوارهGPS دوموج با دو فرکانس درباند امواج الکترومغناطیسی (L1, L2 ) ارسال می کند موج L1 با فرکانس1575 MHZ و موج L2 با فرکانس1227 MHZ می باشد.
ماهواره‌های جی پی اس
۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس در مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقاً طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تأمین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.
در اینجا به برخی مشخصه‌های جالب این سیستم اشاره می‌‌کنیم:
* اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
* در سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددی NAVSTAR تکمیل گردید.
* عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است که پس از آن جایگزین می‌گردد.
* هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد و طول باتری‌های خورشیدی آن ۵.۵ متر است.
* انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است.
جی‌پی‌اس چگونه کار می‌کند
ماهواره‌های این سیستم، در مدارهای دقیق هر روز ۲ بار به‌دور زمین می‌‌گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می‌کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می‌کنند. در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال از ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌‌کند. از اختلاف این دو زمان، فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌‌گردد. این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با تقریب ناچیز معین می‌‌کند.
گیرنده به دریافت اطلاعات هم‌زمان از حداقل ۳ ماهواره برای محاسبه ۲ بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی، و همچنین دریافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.
امواج ماهواره ها متشکل ازامواج حامل باند L مدوله شده با یک کداستاندار کد (C/A2ویک کد دقیق (کد P(3) ویک کددریانوردی ومختصات ماهواره به صورت توابع زمانی می باشد که دربر آن گیرنده های شخصی تفاوتهای زمانی بین وردوی کدهای C/A را اندازه گیری میکنند اگردراثر دخالت کنترل زمینی درانطباق زمانی خطایی بوجود نیاید گیرنده های شخصی ازدقتی حدود 15 متر برخوردار خواهند شد.
مفهوم کلی ناوبری رادیویی بستگی به انتقال همزمان سیگنالهای رادیویی دارد اگر سیگنالهای رادیویی دقیقاً بطورهمزمان بطور فرستاده نشوند گیرنده نمی تواند بطوردقیق موقعیت را محاسبه نماید کنترل زمینی دراثر تاثیرگذاری بعضی ازماهواره ها درارسال سیگنال های C/A کمی قبل یا بعداز سایر ماهواره ها دخالت می کند دخالت عمدی اصلی , هما ن دسترسی موردی (4) به شمار می رود .
گیرنده های شخصی میزان خطا را تشخیص نمی دهند. بلکه بطورتصادفی بین 15تا 100 متر دقت تغییر می یابد .البته دخالت عمدی برروی گیرنده های نظامی اثر نمی گذارد .
منبع خطای دیگر وجود که برروی فرکانس سیگنال گیرنده های شخصی اثرمی گذارد که دخالت یونسفر نامیده می شود .
زمانی که یک سیگنال رادیویی ازبین الکترونها ی آزاد یونسفر عبورمی کند تاخیر اندکی بوجود می آید برحسب مدت زمانی تاخیر که بوسیله الکترون های آزاد بوجود می آید ماهواره‌های GPS کدP را روی دوموج رادیویی با فرکانس های مختلف ارسال می کند که L1,L2 نامیده می شود .یک سیگنال به هنگام عبور ازیونسفر بیشتر ازدیگری به تاخیر می افتد.
گیرنده های گران قیمت هردوفرکانس را ردیابی می کنند و اختلاف وردی بین L1,L2 اندازه می گیرند مدت زمان تاخیری را محاسبه می کنند که الکترونها ی آزاد ی بوجود می آورند وتصحیحات لازم را برای تاخیر یونسفر انجام می دهند. گیرنده های شخصی نمی توانند تاثیر دخالت یونسفر را تصحیح کنند زیرا کدهای C/A فقط برروی فرکانس L1 فرستاده می شوند نوعی گیرنده های تخصصی وجوددارد که به عنوان گیرنده های بدون کدشناخته شده اند ودقت فوق العاده ای دارند که درآن بطورغیرمستقیم ازکد P استفاده می شود گیرنده ها ارزش کدP را مشابه آنچه که گیرنده های نظامی تشخیص می دهند نمی شناسند بنابراین دقت آنها با استفاده ازروش های خاص پردازش سیگنال بدست می آید آنها کد P رابرای چندروز دریافت کرده وپردازش می نمایند وپس از انجام محاسباتی چندمی توانند موقعیت نقاطی را تهیه کند که با دقت mm 10 با استفاده از3یا4 ماهواره عملی می باشد .
البته این گیرنده بیشتر برای تعیین موقعیت درکارهای نقشه برداری بکار می رود زیرا بایدچند روزبطور مداوم درآن نقطه اطلاعات دریافت و پردازش شود.
روش تعیین موقعیت توسط GPS
اگرفاصله ما ازماهواره 1 درحدود 10 کیلومتر باشد بنابراین مکان ما درفضا برمحیط کرده به مرکزیت ماهواره اوشعاع 10 کیلومتر منطبق می باشد حال فرض می کنیم فاصله ما ازماهواره 20 درحدود 11 کیلومتر باشد دراین حالت نیز مکان ما درفضا برروی محیط کره ای به مرکز ماهواره 2 وشعاع 11 کیلومتر واقع است فصل مشترک این دوکره می تواند یک دایره باشد که مکان ما بطورقطع برروی محیط این دایره قراردارد .
حال اگر ماهواره سوم را نیز درنظربگیریم که فاصله اش با ما 12 کیلومترباشد دراین صورت فصل مشترک کره مربوط به ماهواره 3 با فصل مشترک کره های ماهواره ای 1و2 حداکثر دونقطه می باشد که قطعاً یکی ازاین دو مبین مکان واقعی ما خواهد بود.اما بطورقطعی یکی از این دو نقطه نامعقول می باشد .
بطورمثال دارای ارتفاع بیشتری از سطح زمین است . لذا کامپیوترهای داخل گیرنده هایGPS با استفاده ازتکنیک های گوناگون قادر به تشخیص نقطه غلط می باشند.
ازنظر تئوری با استفاده از3 ماهواره می توانیم مکان خودرا به دست آوریم ولی به دلیل فنی اگرچنانچه ماهواره چهارم را همانند ماهواره های 1و2 انتخاب کنیم بطورقطع فصل مشترک این چهار کره یک نقطه خواهد بود واین نقطه مختصات مکانی مارا نشان می دهد استفاده کنندگانی که درارتفاعی مششخص قراردارند (مانندکشتی هایی که درسطح دریا واقع باشند)به سهولت میتوانند با استفاده ازدوماهواره مکان خودرا تعیین نمایند .
دراین حالت کره زمین را می توان جایگزین ماهواره سوم کردوازیک مرحله محاسبه مسافت صرفنظر نمود بدین ترتیب این فرصت جهت انجام سایرمحاسبات قابل بهره برداری بوده وعملاً مکان یابی افزایش می یابد.
بطورخلاصه می توان بیان کرد که مبنای کار GPS استفاده ازماهواره به عنوان مرجعی جهت یافتن موقعیت درهرنقطه زمین می باشد سایر مسایل این سیستم صرفاً جزئیات تکنیکی هستند که به سرعت و دقت وسهولت عمل موقعیت یابی کمک می کند.
روش محاسبه مسافت ازماهواره
درسیستم موقعیت یاب جهانی GPS قدم اساسی دانستن میزان مسافت ازماهواره است بنابراین استفاده ازتکنیک های پیشرفته به منظور محاسبه مسافت امری اجتناب ناپذیر است ایده اصلی این موضوع براساس همان معادله سرعت نوردرمدت زمان تاخیراستواراست سیستم GPS بدین صورت کارمی کند که گیرنده کاربر مدت زمانی را که طول میکشد تا امواج رادیویی ازماهواره به اوبرسد را اندازه گیری می کند.
همانطورکه می دانید امواج رادیویی با سرعت نورحرکت می کند وبدین ترتیب با حاصلضرب اندزه گیری شده درسرعت نور مسافت خود را تاماهواره بدست می‌آورد و این کارحداقل بایستی برای 3 ماهواره مشخص، صورت گیرد بنابراین باید برای اندزه گیری زمان رسیدن به سیگنال ازساعتهای خیلی کوتاه باشند زیرا امواج با داشتن سرعت نورخیلی سریع حرکت می کنند.
مثلاً اگرماهواره ای دقیقا دربالای سرما باشد حدود 60 میلی ثانیه طول می کشد تا امواج رادیویی آن به ما برسد دقت ساعت گیرنده های GPS حدود نانو ثانیه می باشد. یک اختلاف زمانی بین کپی کدGPS ایجاد شده دربرگیرنده بااصل کد رسیده ازماهواره وجود دارد که با ضرب کردن آن درسرعت نور, شبه فاصله به دست می آید این روش با هردو کد A/C,P امکان پذیرهستند .
کدهای تولیدشده دربرگیرنده ازساعت خودگیرنده منتج می شوند وکدهای ارسالی ماهواره نیز توسط ماهواره ایجاد میشود .
خطای زمانی درهردوساعت گیرنده وماهواره باعث می شود که فاصله اندازه گیری شده با فاصله هندسی بین ماهواره و گیرنده فرق داشته باشد این ساعتها بسیار دقیق وگران قیمت می‌باشند وماهواره ها جهت قابلیت اطمینان بیشتر دارای 4 ساعت اتمی هستند ولی در گیرنده ها به دلیل گران قیمت بودن این ساعتها نمی توان ازآنها استفاده نمود لذا ازساعتهای ارزانتری استفاده می شود که درعمل ایجاد اختلاف جزئی دراندازه گیری زمان می نمایند .البته با استفاده از راه حلهایی تصحیح صورت می گیرد:
مزایای سیستم GPS
× دقت بسیارزیاددرموقعیت یابی
× داشتن پوشش جهانی
× دارا بودن زمان بندی دقیق
× نداشتن هیچ گونه هزینه برای استفاده کنندگان
× تعیین سرعت درسه محور مختصات
× قابلیت دسترسی همیشگی
× قابلیت کاربردی در هرشرایط آب وهوایی
× عدم محدودیت دربکارگیری همگانی
× دقت نسبی IPPM برای طولهای کوتاه از1 تا 100 کیلومتر.
× تعیین سرعت درسه محور , زمان , تعیین فاصله سمت وگرای ونقطه مبداء .مقصود
× توانایی دید همزمان با یک گیرنده
ماهواره ابتدا اطلاعات وداده های ناوبی رابه پنج ایستگاه کنترل که درمناطق کلردواسپرینگ(5) کو آجالین (6) دیه گوگارسی)(7) آسنشن(8) و هاوایی (9) قراردارند ارسال می کند که درواقع این سیگنال ها ماهواره ها را ردیابی (10) می کنند.
سپس این ایستگاهها اطلاعات خودرا به ایستگاه کنترل ماهواره (ایستگاه اصلی که همان کلرادواسپرینگ می‌باشد) ارسال کنند که وظایف آن پردازش داده ها ارسال به ماهواره و نظارت برکنترل روزانه ماهواره است سپس این داده ها به سه آنت زمینی دیگر ارسال می شود که توسط این آنتها اطلاعات کنترل شده به ماهواره جهت تصحیح جهت ساعت ماهواره وفرامین ودستورات تله منزی ارسال می شود به این کار اصطلاحاً ataupload شدن ماهواره گفته می شود.
ماهواره‌های جی پی اس
۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس در مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقاً طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تأمین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.
در اینجا به برخی مشخصه‌های جالب این سیستم اشاره می‌‌کنیم:
* اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
* در سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددی NAVSTAR تکمیل گردید.
* عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است که پس از آن جایگزین می‌گردد.
* هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد و طول باتری‌های خورشیدی آن ۵.۵ متر است.
* انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است.
این بخش همان بخش ماهواره های موجود درفضا می باشد این ماهواره ها سیگنالهایی با مشخصات ذیل ارسال می کند دونوع اطلاعات مربوط به محاسبه نقاط عبارتند از:
1-اطلاعات تقویم نجومی مربوط به موقعیت تقویمی ماهواره ها می باشد با دریافت این اطلاعات سیستم گیرنده GPS ماهواره‌هایی که بهترین اطلاعات را ارسال می کنند تشخیص می دهد و انتخاب می کند( ازنظر موقعیت هندسی)
2) اطلاعات جدول نجومی برای عملیات ناوبری استفاده می شود و بسیار دقیق است این جداول نیز حاوی مختصات مکانی دقیق ماهواره ای GPS و زمان ساعت ماهواره ها می‌باشد.
دوکدC/A, P دقیق است و مربوط به مسائل نظامی است وکد C/A استفاده عمومی دارد و دقیق نمی باشد ماهواره GPS اطلاعات مذکور را توسط سیگنالهای با فرکانس 1575HZ )L1 و (1227GHZ) L2 ارسال می کنند هرماهواره دارای آنت هلیکس 12 آراه است قدرت سیگنال روی آنتن برای سیگنال dbLI 58 . برای سیگنال dbL2 /35 می باشد و قدرت آنت ماهواره بصورت ایزو تدوپیک حداقل db 50 می باشد کدهای C/A,P ازتنوع کدهای شبه تصادفی (13) هستند .
انواع گیرنده‌های جی‌پی‌اس
گیرنده‌های جی‌پی‌اس انواع گوناگونی دارند و انتخاب هرکدام از آن‌ها بستگی به موارد استفادهٔ شما دارد؛ برای نمونه این که می‌‌خواهید در داخل خودرو آن را نصب کنید یا اینکه آن را در کوله پشتی خود قرار دهید گزینه‌های متعددی را پیش روی شما می‌‌گذارد.
گیرندهٔ بیسیک جی‌پی‌اس _ بیسیک: این گیرنده‌ها در واقع از ساده‌ترین و کم قیمت‌ترین گونه‌ها هستند (اغلب کمتر از $100 us) یک گیرندهٔ بیسیک (پایه) می‌‌تواند بسیار دقیق تر از گیرنده‌های گران قیمت باشد، اما باید این مساله را هم در نظر داشت که این گیرنده‌ها بسیاری از ویژگی‌های دستگاه‌های گران قیمت را ندارند. ویژگی قابل توجهی که کمبود آن بیشتر حس می‌شود، نداشتن قابلیت نقشه برداری یا Mapping است که بعدا شرح داده خواهد شد. در زیر تعدادی از امکانات این گیرنده‌های ساده آمده است:
- موقعیت یابی؛ تعیین طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی که در واقع ویژگی اصلی یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس است.
- تعیین جهت؛ با یک قطب نما ی الکترونیکی.
- تعیین ارتفاع از سطح دریاهای آزاد؛ البته باید توجه داشت که دقت در اندازه گیری ارتفاع به خوبی دقت در موقعیت یابی نیست.
- زمان دقیق.
- موقعیت ماهواره‌ها و قدرت سیگنال ها.
- توانایی محاسبهٔ مسافت پیموده شده.
- توانایی ذخیره سازی مسیر پیموده شده ؛ که با استفاده از نقطه گذاری در صفحهٔ نمایشگر انجام می‌شود.
- توانایی هدایت و مسیر یابی.
- یافتن مسیری که در گذشته آن را پیموده اید.
• گیرنده‌های دستی جی‌پی‌اس _ نقشه بردار: همانطور که از نام این گیرنده بر می‌‌آید گیرندهٔ نقشه بردار از قابلیت نمایش نقشه برخوردار است. این گیرنده‌ها ابعاد بزرگ تری نسبت به گیرنده‌های قبلی دارند. با اتصال این گیرنده به یک رایانه شخصی نقشهٔ دلخواهتان را به گیرنده می‌‌دهید. جزئیات نقشه نیز بستگی به اندازه و نیز رزولوشن نمایشگر دارد. این گیرنده‌ها فشارسنج، قطب نمای الکترونیکی، بازی و سالنامه هم دارند. اگرچه این گیرنده‌ها باید خیلی گران قیمت تر از نمونهٔ قبلی باشند، ولی افزایش قیمت نسبتاً کمی دارند و افزودن یک نمایشگر بزرگ تر برای شرکت تولید کننده هزینهٔ زیادی را در بر ندارد. قیمت این گیرنده‌ها از 150 دلار آمریکا شروع می‌شود. نقشه‌هایی که قابلیت بار کردن (upload) داشته باشند در یک سی‌دی قرار دارند که در هنگام خرید دستگاه به شما داده می‌شود. با استفاده از نصب نرم افزار نقشه در رایانه شخصی خود می‌‌توانید به انتخاب یک یا چند مسیر بپردازید و بعد از علامت گذاری نقشه آن را به گیرندهٔ نقشه بردار خود بدهید. ولی در این میان باید توجه کرد که دستگاه‌های دستی، ظرفیت محدودی دارند و تنها مقدار مشخصی از اطلاعات را می‌‌توانید در آن‌ها ذخیره کنید. مدل‌هایی از این گیرنده‌ها وجود دارند که می‌‌توان به آن‌ها کارت حافظه اضافه کرد (که معمولاً از حافظهٔ SD یا از حافظهٔ CF استفاده می‌شود). پس اگر به ذخیرهٔ مقدار بیشتری از اطلاعات نیاز دارید به یک کارت حافظه هم احتیاج پیدا می‌‌کنید. یک دستگاه پی‌دی‌ای
• گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای خودرو: این گیرنده‌ها بزرگ تر از گیرنده‌های دستی هستند و نمایشگری نسبتاً بزرگ دارند تا راننده در هنگام رانندگی به سادگی آن را بخواند. این گیرنده‌ها با استفاده از برق خودرو کار می‌کنند و بنابراین تنها در داخل خودرو قابل استفاده هستند. ویژگی جالبی که معمولاً در این دستگاه‌ها وجود دارد، راهنمایی‌های صوتی دستگاه است و به راننده اجازه می‌‌دهد بدون اینکه چشم خود را از جاده بردارد، با گوش دادن به صدای دستگاه طبق نقشه پیش برود. قیمت این دستگاه از 500 دلار آمریکا شروع می‌شود. بسیاری از کارخانه‌های تولید خودرو با سفارش مشتری، یک دستگاه جی‌پی‌اس بر روی خودروهای فروشی خود نصب می‌‌کنند. آن‌ها ثابت هستند و از زیبایی و نیز ایمنی بیشتری برخوردارند. قیمت تمام شدهٔ آن‌ها بیشتر از گیرندهٔ جی‌پی‌اس ای است که بعدا خودتان در خودرو نصب می‌‌کنید.
• گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای یک دستگاه پی‌دی‌ای: برتری استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای (PDA) به‌عنوان یک جی‌پی‌اس، نمایشگری بزرگ است که افزون بر راحتی در مطالعهٔ نقشه، جزئیات بیشتری را نیز قابل مشاهده می‌‌سازد. همچنین همانند جی‌پی‌اس‌هایی که در داخل خودرو نصب می‌‌شوند، می‌‌توانند به صورت صوتی راهنمایی کنند. برای استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای به‌عنوان جی‌پی‌اس و اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ جی‌پی‌اس چندین راه مختلف وجود دارد:
- استفاده از Sleeve: وسیله‌ای است که با قرار دادن پی‌دی‌ای در آن، عملکردهای متفاوتی را می‌‌توان برای پی‌دی‌ای فراهم ساخت. برای این کار به حافظهٔ CF و یا اسلات PCMCIA هم احتیاج داریم. یک Sleeve می‌‌تواند کارت حافظهٔ اضافی، باتری اضافی، یک دوربین و یک تلفن را به دستگاه شما متصل کند و مهم تر از همه به‌عنوان یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای دستگاه شما عمل کند. همچنین یک اسلات CF دیگر هم برای شما فراهم می‌‌کند که این اجازه را به شما می‌‌دهد تا بتوانید به کارهای دیگری در کنار استفاده از جی‌پی‌اس بپردازید. عملکرد یک Sleeve جی‌پی‌اس درست همانند عملکرد یک CF جی‌پی‌اس است.
- حافظهٔ CF: یکی از حافظه‌های متداول برای پی‌دی‌ای است که می‌‌تواند مستقیما به‌وسیلهٔ اسلات مخصوص CF که در پی‌دی‌ای وجود دارد یا با استفاده از Sleeve به دستگاه متصل شود. یک کارت CF جی‌پی‌اس انتخاب نسبتاً ارزان قیمتی است. ولی مشکلی در اینجا وجود دارد و آن این است که یک CF جی‌پی‌اس به سرعت باتری‌های پی‌دی‌ای شما را مصرف می‌‌کند و باید به فکر چاره باشید.
- بلوتوث جی‌پی‌اس: فن آوری بلوتوث این اجازه را به ما می‌‌دهد ارتباطی بدون سیم را بین چند دستگاه فراهم کنیم. شما می‌‌توانید پی‌دی‌ای خود را در دست گرفته و به گیرندهٔ جی‌پی‌اس ای که در کوله پشتی تان قرار داده اید بصورت بی سیم متصل شوید. استفاده از یک بلوتوث جی‌پی‌اس همچنین برای داخل خودرو بسیار مناسب است چرا که با قرار دادن آن در جلوی داشبورد دید بهتری از آسمان را برای گیرندهٔ تان فراهم می‌‌کنید. o اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ دستی جی‌پی‌اس با استفاده از کابل: به بیشتر گیرنده‌های دستی، کابلی جهت اتصال به پی‌دی‌ای وصل می‌شود. با این روش می‌‌توانید با قیمتی مناسب هم در داخل خودرو و هم در خارج آن از دستگاه موقعیت یاب خود استفاده کنید. دستگاه پی‌دی‌ای با نمایشگر خوب و نسبتاً بزرگی که دارد برای مشاهدهٔ نقشه‌ها مناسب است.
- اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ جی‌پی‌اس خودرو با استفاده از کابل: می‌‌توانید با انتخاب گیرنده‌ها ی موسوم به موشواره (mouse) برای خودرو و یک پی‌دی‌ای از یک جی‌پی‌اس خوب بهره مند شوید. اگر می‌‌خواهید از جی‌پی‌اس خود تنها درون خودرو استفاده کنید، این مورد بهترین انتخاب است. گیرندهٔ موشواره برق خود را از خودرو تأمین می‌‌کند و باتری‌های پی‌دی‌ای شما بیشتر دوام خواهند آورد. همچنین این گیرنده یک کابل دوشاخه (Y) دارد که برق پی‌دی‌ای شما را نیز تأمین می‌‌کند. گذشته از این ها، ویژگی بسیار خوب گیرنده‌های موشواره، حداقل قیمت آن‌ها است.
• گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای رایانه کیفی (لپ‌تاپ): تقریباً همانند یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای دستگاه پی‌دی‌ای است با این تفاوت که در اینجا دیگر نیازی به استفاده از Sleeve یا چیزی شبیه به آن نیست. بخاطر داشته باشید که اگر شما بخواهیداز یک CF جی‌پی‌اس به‌عنوان گیرندهٔ لَپ‌تاپ خود استفاده کنید، CF جی‌پی‌اس شما با اتصال مستقیم به لپ‌تاپ از آن بیرون می‌‌زند و بنابراین اگر بخواهید در حالی که روی صندلی خودرو نشسته اید از جی‌پی‌اس هم استفاده کنید ،گیرندهٔ جی‌پی‌اس شما دید خوبی از آسمان نخواهد داشت و به خوبی وضعیتی که گیرنده را مستقیما زیر آسمان قرار می‌‌دهید عمل نخواهد کرد.
اصول کارگیری GPS
وظیفه یک گیرنده GPS درست بعداز روشن شدن آن را می توان بصورت زیر خلاصه کرد.
الف) نرم افزار سیستم بایدبتواند ماهواره های موجود دردید کاربر را تعیین کند و سپس ازبین ماهواره ها , چهار ماهواره را که دارای بهترین آرایش هندسی هستند به منظورمینیمم شدن خطای فاصله منبعی انتخاب کند.
مل تعیین کابل ماهواره های موجود دردید کاربراغلب توسط اطلاعات قبلی موجود درحافظه خراب نشدنی دستگاه (14) انجام می شود اگرچنین اطلاعات معتبری درحافظه نباشد سیستم باید عمل جستجو را برروی تک تک 24 ماهواره GPS انجام داده ولیستی ازماهواره های در دیدتهیه کند که مسلماً این کاروقت زیادی ازگیرنده را پس ازروشن شدن به خوداختصاص می دهد .
ب) پس ازتعیین 4 ماهواره موردنظر بایدسیگنال آنها را بدست آوریم .این کار با ساختن کدشبه تصادفی نظیر کدماهواره موردنظر درگیرنده وانجام عمل همبستگی با سیگنال رسیده انجام می شود .کد داخلی گیرنده را آنقدر شیفت زمانی می دهیم تا خروجی همبستگی‌ساز ماکزیمم گردد. دراین صورت کد بدلی وکد دریافتی ازماهواره کاملاً سنکرون هستند .به این عمل , جستجوی سیگنال ماهواره درحوزه زمان می گویند:
لازم به ذکراست که بایستی عمل جستجو در حوزه فرکانس نیز انجام شود ازآنجا که ماهواره های GPS درمدار زمین ثابت (ژئو سنکرون)قرار نداشته ونسبت به زمین درحال حرکت هستند وهمچنین چون گیرنده نیز معمولاً روی یک جسم متحرک نظیراتومبیل ویا هواپیما نصب می شود درنتیجه فرکانس دقیق کاربر ارسالی به علت اثر دوپلر ,مشخص نیست پس باید فرکانس کاربر محلی را نیز آنقدر تغییر دهیم تا خروجی همبستگی ساز ازحد آستانه ای بیشتر شود.و نهایتاً فرکانس کاربر نیز با فرکانس دریافتی سنکرون شود .
ج) پس از عمل جستجو وارد مرحله ردیابی سیگنال می شویم دراین مرحله اولاً هدف این است که سیگنال سنکرون تولید شده دربرگیرنده همچنان با سیگنال ماهواره سنکرون بماند این عمل توسط یک حلقه کنترلی خاص تحت عنوان COSTASLOOP که درواقع یک نوع خاص (15) VCO انجام می شود .ثانیاً عملیات دمودلاسیون (16) BPSK سیگنال رسیده اطلاعات ناوبری D(t) و عملیات شبه فاصله سنجی (تعین فاصله کاربر وماهواره توسط زمان انتشار سیگنال ) نیز دراین مرحله انجام شود.
د) مراحل بوت بایدعیناً برای 3 ماهواره دیگر انجام شود. درنهایت چهار شبه فاصله که ازمراحل فوق محاسبه شده است دراختیار داریم . حال نرم افزار گیرنده بایدبتواند به کمک این چهارشنبه فاصله یک دستگاه چهار معادله وچهار مجهول را حل کند واین معادلات طول وعرض جغرافیایی, ارتفاع وهمچنین زمان دقیق را بدست آورد ازمراحل چهارگانه فوق مراحل الف و د بیشتر به جنبه های نرم افزاری یک گیرنده برمی گردد.
کاربردهای GPS چیست؟
بطورکلی ازمهمترین زمینه های کاربد GPS می توان به مواردزیر اشاه کرد.
الف – درزمینه های نظامی
1- کاربردهوایی : ازهدایت موشک ها تا تمام هواپیماهای جنگنده و بمب افکن , هلی کوپتر .موشک کروز , چتر بازی و پروازهای نظامی و ....
2- کاربرد های دریایی: زیردریایی , کشتی و تمام انواع قایق ها ودریانوردی نظامی .
3- کابردهای زمینی : مکان توپخانه ها, ناوبری خودروها , هدایت پیاده نظام , سیستم موشک زمین به زمین , شناخت نوع وجنس خاک .
ب: کاربرد های نقشه برداری :
از GPS به طریق مختلف درنقشه برداری می توان استفاده کرد .مهمترین کاربردهای GPS درنقشه برداری عبارتنداز :
1) نقشه برداری هیدرو گرافیک .
2) نقشه برداری سینما تیکی خیلی دقیق برروی زمین .
3) فتو گرامتری بدون کنترل زمینی
4) انبوه سازی شبکه ژئو دتیک
5) نقشه برداری کارامتری
6) فتو گرامتری بصورت REAL .TIME
ج: کاربردهای تجاری :
1)ناوبری هوایی : دردهه هشتاد , چهل سال پس از کنوانسیون شیکاگو که منجر به تأسیس سازمان بین المللی هواپیماهای کشوری ایکائو گردید نگرانی جامعه هواپیمایی ازمحدودیتهای سیستم های ناوبری موجود به طور روزافزونی افزایش یافت .
پیش بینی های به عمل آمده نیز نشان دهنده رشدسریع مسافرت های هوایی تاسال 2001 خصوصاً درمناطقی مانند آسیا , اقیانوسه بودتعداد 18 میلیارد مسافر وبیش از 10000هواپیما ی درحال تردد درهرلحظه این نگرانی را تایید می نمود .لذا پیشنهاد شد که ازتکنولوژی ماهواره برای مبادله صوتی وداده های موردنیاز با خطوط ارتباطی مستقیم از هواپیمابه ماهواره وازآن طریق به کنترل ترافیک هوایی استفاده شود. دراین حالت محدودیت دید مستقیم درسیستم های (17) VHF و کیفیت درسیستم های (18) HF وجودندارد بعلاوه دریک مجموعه واحد می توان بصورت همزمان داده های ضروری هواپیما مانند مشخصات پرواز, ارتفاع , سرعت و جهت را نیز به کنترلر مراقب پرواز اطلاع داد واز این طریق خطای انتقال صحیح اطلاعات ناشی از عوامل انسانی دروقوع سوانح را به کلی ازبین برد.
امروزه تئوری پرواز آزاد انقلابی درصنعت حمل ونقل هوایی بوجود آورده است درپرواز های آزاد با توجه به قابلیت انعطاف سیستم های ناوبری ونظارت می توان به جای استفاده ازمسیرهای ثابت هوایی آنها را بصورت کاملاً دینامیکی بهینه نمود این ایده جالب بهره برداری بسیارموثر ازفضا را دارد .بنابراین امروزه شرکت های بزرگ هواپیما سازی مشغول نصب سیستمهای GPS برروی هواپیما ها می باشند .
2- ناوبری دریایی : درناوبری دریایی برای تعیین مسیر , نقاط مبداء ومقصد وغیره از GPS می توان بهره گرفت .
د: کاربردهای همگانی :
سیستم موقعیت یاب GPS کاربرهای همگانی نیز دارد که ازمهمترین این کاربردها می توان به موارد زیراشاره کرد.
1- حرکت درفضای باز: حرکت درمناطقی که راههای چندان مناسبی ندارد یا به کلی فاقد راه است .گیرنده GPS بسیارارزشمند خواهدبود.
2- ماهیگیری
3- پروازبا گلایدر .
4- استفاده حرفه ای درعملیات زمینی
5- اسکی , کوهنوردی
6- قایقرانی
7- عملیات جستجو و نجات
8- حرکت اتومبیل درجاده
9- مسابقات اتومبیل رانی رالی
البته کاربرهای GPS روزبه روز بیشتروبیشتر می شود ونیزنباید این نکته را ازنظر دورداشت که این سیستم با تمام مزایای خودممکن است دچار اختلال گردد ویا گیرنده ای که دردست شماست دچارخرابی گردد .پس بایدروشهای موقعیت یابی کلاسیک را که کار با قطب نما ونقشه است ازیادنبرد واول این روش را یادگرفت وبعدبسراغ GPS رفت تا درمواقع نیازدچار وابستگی به سیستم موقعیت یابی جهانی نباشیم .
البته مطالب گفته شده دراین مقاله بطور کامل تمام جزئیات را موردبررسی قرار نداده .زیرا بسیاری ازموارد مسائل فنی ویا محرمانه سیستم می باشد که کمتر دردسترس افرادعادی می باشد و نیز بررسی آن نیاز به دانستن بساری ازروابط پیچیده فیزیک و.... دارد.