در این مقاله می خوانیم :
- معرفی سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) و تاریخچه ی گیرنده های ماهواره ای
- اجزای سیستم جی پی اس
- کاربرد های گیرنده های ماهواره ای
- مزایای سیستم GPS
- پردازش اطلاعات در جی پی اس ها
- اصول تعیین موقعیت با جی پی اس
- روش های نقشه برداری با کمک جی پی اس
سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)
معرفی سیستم تعیین موقعیت جهانی
سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS : Global Positioning System) یک سیستم ناوبری رادیویی-ماهواره ای بوده که اطلاعات مربوط به موقعیت دقیق سه بعدی و زمان را برای کاربرانی که به گیرنده های جی پی اس مجهز باشند فراهم می کند.
از این سیستم پیوسته می توان در کلیه نقاط سطح زمین بهره برده و شرایط آب و هوایی بر آن تاثیر ندارد.
با پيشرفت معجزه آساى علوم و فنون و ورود فن آورىهاى جديد در قلمرو فعاليت هاى علمى و نظامى و اکتشافى دنياى متحول امروزى روش هاى مکان يابى سنتى و قديمى جوابگوى نيازمندى هاى ناوبرى نظامى نبود، از اين رو دانشمندان علوم نظامى براى تأمين مقاصد خود ماهواره هايى را به فضا فرستادند و گیرنده هایی اختراع و بر روى ناوهاى دريايى وهواپيماهاى نظامى نصب کردند تا در هر نقطه از سطح زمين و در هر زمان دلخواه بتوان موقعيت آن نقطه را (برمبناى يک سيستم مختصات جهانى تعريف شده) تعيين نمود.
برای تعیین مختصات به کمک گیرنده های ماهواره ای، یک جی پی اس باید حداقل با 4 گیرنده ارتباط برقرار کرده، و با مشخص بودن موقعیت دقیق ماهواره ها، می توان مختصات آنتن گیرنده (نقطه ی مدنظر جهت تعیین مختصات) را از روش ترفیع فضایی (جلوتر توضیح داده شده است) تعیین کرد.
تاریخچه ی گیرنده های ماهواره ای (جی پی اس)
در سال 1960 پس از پرتاب ماهوارۀ اسپوتنیک توسط شوروی سابق، نخستین فعالیت در این زمینه صورت گرفت و وزارت دفاع آمریکا در یک رقابت علمی-نظامی، با پرتاب ماهواره هایی به فضا سیستم جدیدی را در نیروی دریایی خود پایه ریزی کرد.
از سال 1964 تا 1967 استفاده از این سیستم صرفا جنبۀ نظامی داشته و اجازه ی در دسترس قرار گرفتن آن برای مردم عادی وجود نداشت؛ سپس در سال 1973 سیستم جی پی اس برای استفادۀ عموم تحت توسعه قرار گرفت و خریداران گیرنده های ماهواره ای حق استفاده از آن را پیدا نمودند تا اینکه از سال 1983 از سیستم موقعیت یابی ماهواره ای به عنوان روشی برای حل مسائل نقشه برداری در جهان مطرح شد. امروزه این سیستم جایگزین تمام روش های موقعیت یابی قبلی شده است. با این حال همانطور که گفته شد اکثر کاربرد این سیستم، نظامی بوده و تنها درصد کوچکی از دقت موقعیت یابی آن در اختیار عموم مردم قرار می گیرد.
اين سيستم علاوه بر مکان يابى نقاط ثابت در روى زمين، قادر است اجسامى که در حال حرکت هستند، نظير اتومبيل، کشتى، هواپيما و … را لحظه به لحظه تعيين موقعيت کند. به این ترتیب نه تنها در زمینۀ مهندسی نقشه برداری، بلکه در شاخه های جغرافیا، محیط زیست، تکتونیک، ژئوفیزیک، حمل و نقل، ناوبری، ترافیک، سنجش از دور، شهرسازی و برنامه ریزی منطقه ای و… نیز کاربرد پیدا کرده است.
اجزای سیستم جی پی اس
سیستم جی پی اس دارای 3 بخش اصلی می باشد :
- بخش فضایی : ماهواره ها
- بخش کنترل : ارتباط و کنترل سیستم ارتباطی و اطلاعاتی گیرنده ها و ماهواره ها
- بخش کاربر : گیرنده های ماهواره ای
بخش فضایی
31 ماهواره ی موقعیت یاب در 6 مدار تقریبا دایره (بیضی) شکل و در فاصله ی 20200 – 26000 کیلومتری از سطح زمین بی وقفه در گردش هستند و امکان ثبت موقعیت دقیق شخص، حیوانات، اجسام و یا نقاط سطح زمین را برای ما فراهم میکنند. مدارهاى آنها طورى طرحريزى شده که تمام کرۀ زمین را پوشش می دهند به طوریکه در فضای متناظر با هر نقطه از کرۀ زمين اعم از خشکى و دريا حداقل چهار ماهواره در مدارهاى خود در گردش اند و اطلاعات مربوط به موقعيت مدارى خويش را نسبت به يک سيستم مختصات جهانى واحد به زمين ارسال مى کنند.
مدار های گردش این ماهواره ها با زاویۀ میل °55 و دوره گردش 11 ساعت و 56 دقیقه، هر روز 4 دقیق زودتر از روز قبل (نسبت به زمان جهانی) در وضعیت یکسانی قرار می گیرند.
هر یک از این ماهواره ها به سبب ارتفاع زیادشان بخش بزرگی از سطح کره زمین را پوشش داده و از آن سیگنال دریافت می کند به طوری که اگر یک ماهواره در بالای کشور کانادا باشد از این ماهواره در کشور یونان هم می توان استفاده کرد. مجموعه ی این ماهواره ها را NAVSTAR می نامیم.
امروزه علاوه بر موقعیت یابی ثابت، حالت های پیشرفته تری از موقعیت یابی نیز به روی کار آمده و موقعیت لحظه ای و زنده ی گیرنده ی جی پی اس را نیز رهگیری و نمایش می دهند.
دقت این گیرنده ها در ابتدا از برد 100 متر فراتر نمی رفت و در برخورد با موانع مرتفع مانند ساختمان ها و برج ها کارایی خود را از دست می داد. اما این دقت به مرور زمان افزایش پیدا کرده و تداخل های ایجاد شده در آن را به کمترین مقدار رسانده شده است.
الکتریسیتۀ موردنياز ماهواره ها از دو صفحه متشکل از باتری هاى خورشيدى که سطح 7.2 متر مربع را پوشش می دهد، تامین می گردد و باتری های نیکل-کادمیم انرژی مورد نیاز را ذخیره کرده، در زمان گرفتگی خورشیدی در دسترس ماهواره قرار می دهند؛ همچنین وزن هر ماهواره حدود 845 کیلوگرم است.
بخش کنترل
حرکت ماهواره ها در مدار حرکتشان همواره یکسان نیست و حرکتی مارپیچی، تحت اثر نیرو های وارده از سمت جاذبۀ زمین و ماه و در برخورد فوتون ها با ماهواره ایجاد می شود؛ بنابراین نقش ایستگاه های کنترل نقشی اساسی در ایجاد و برقراری ارتباطات بین گیرنده ها و ماهواره و همچنین مخابرۀ پیغام های ناوبری برای هر ماهواره دارد.
درحال حاضر مرکز اصلی کنترل فعاليت ماهواره هاى سيستم در يک پايگاه نيروى هوايى به نام فالکون در ايالت کلرادو قرار دارد. مأموريت مهم اين مرکز هماهنگ کردن پيغام هاى اطلاعاتى ماهواره هاست. به غير از اين ايستگاه کنترل اصلى که ايستگاه مادر ناميده مى شود، ايستگاه هاى کنترل ديگرى نيز ردگيرى حرکت ماهواره ها را به عهده دارند و اطلاعات مربوط به مسير پرواز و شرايط جوى را به ايستگاه کنترل اصلى مى فرستند. ايستگاه کنترل اصلى، اطلاعات مربوط به موقعيت ماهواره ها، رفتار ساعت هاى هر ماهواره، زمان و پیش بینی مدار را از پيش تعيين و ازطريق آنتن هاى زمينى ايستگاه به ماهواره ها ارسال مى نمايد. هماهنگى زمانى ماهواره ها نيز از وظايف بخش کنترل است که مستقیما بر اساس استاندارد زمانی رصدخانه نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا واقع در واشنگتن دی سی هماهنگ می شود.
بخش کاربر
اين بخش شامل انواع گيرنده هايى است که قادرند با ماهواره ها ارتباط برقرار کنند و از آنها سيگنال هاى حامل اطلاعات را دريافت نمايند. پس از ذخيره اطلاعات در حافظه گيرنده و انتقال آنها به نرم افزارهاى پردازش موردنظر، نقطه هاىی که آنتن گيرنده در آن قرار گرفته تعيين موقعيت مى شوند. نمونه هايى از گيرنده ها را در اين بخش مى بينيد.
کاربرد ها و مزایای جی پی اس
1.هدایتگری (ناوبری) : در گذشته موقعیت یابی مقصد، جهت حرکت و مسیر را با کمک آسمان، ستارگان، عوارض زمینی نشانه گذاری شده و… انجام می دادند و اگر هر کدام از این موارد از دسترس خارج می شدند امکان موقعیت یابی و مسیریابی برای شخص ممکن نبود؛ اما حالا با کمک جی پی اس و ارتباط با ماهواره ها در هر کجا که باشید می توانید موقعیت و همچنین بهترین مسیر را نسبت به مقصد خود مشاهده کنید.
2.مهندسی نقشه برداری و مدیریت پروژه : از روش هاى دقيق اين شيوه، مى توان براى کار هاى گوناگون استفاده نمود که عبارت اند از:
علم نقشه بردارى، بررسى جا به جايى سدها، بررسى فرونشينى يا خاکريزها، جمع آورى اطلاعات براى GIS مهندسى ارتباطات، مهندسى کشاورزى، اکتشافات طبيعى، پيشبينى هوا، بخار آب وديگر ترکيبات اتمسفر.
3.علوم نظامی : در علوم نظامى نيز GPS کاربرد بسيارى دارد؛ براى مثال، در هدايت نيروهاى نظامى به سمت اهداف از قبل تعيين شده، پرتاب موشک هاى دور برد با دقت بسيار بالا و ديگر اهداف نظامى خاص.
4.علمی : استفاده ی دقيق GPS دربررسى تکتونيک، زلزله و آتشفشان، بررسى محور دورانى زمين و بررسى سطح تراز آب هاى آزاد، همچنين براى بررسى آب شدن يخ ها، هوا شناسى، آب و هواى قاره اى، بررسى يونيسفر، نيز در آبشناسى (هيدرولوژى)، محيط شناسى و نمونه هاى بسيارى، کاربرد دارد.
5.پیش بینی هوا : با بررسى تأخير امواج ارسالى از ماهواره ها مى توان به بخار آب نقاط GPS مى توان اطلاعات شبکه موجود در فضا و ديگر ترکيبات موجود در اتمسفر پى برد. به وسيله بسيار مهمى براى شبيه سازى و مدل هاى پيشبينى هوا به دست آورد.
مزایای GPS
- توانايى کار در هر شرايط آب و هوايى
- توانايى کار در طول شبانه روز
- تهيۀ نقشه در مدت زمان کمتر
- داشتن دقت تعیین موقعیت بالا
اصول تعیین موقعیت با جی پی اس
سيستم مختصات مبناى مورد استفاده در کار با (GPS) که به طور خلاصه WGS84 نامیده مىشود، براى اولين بار در اواخر دهه ۱۹۵۰ در آژانس نقشه بردارى دفاع امريکا (DMA)، مورد استفاده قرار گرفته است. آژانس فوق درقسمت هاى مختلف دنيا نقشه ها و چارت هاى متفاوت تهيه نموده و تصميم گرفت، يک سيستم مبناى جهانى که بتواند براى کليهٔ محصولات فوق به عنوان «مرجع جهانى واحد» مورد استفاده قرار گيرد، طراحى نمايد که هدف از آن ابداع سيستم مختصات مبنا بود. هر کشورى تا مدتى قبل به طور مستقل سطح مبنايى براى خود انتخاب مى کرد. اين امر، باعث مى شد تا يک مکان يکسان، بر روى نقشه هاى کشور هاى مختلف، مختصات گوناگونى داشته باشد.
درحال حاضر تمام گيرنده هاى (GPS) مى توانند موقعيت ها را برحسب سيستم WGS84 گزارش دهند علاوه بر آن قادرند مختصات نقاط را از WGS84 به سطح مبناى نقشه هاى تهيه شده در کل جهان تبديل نمايند.
سیستم ژئودتیک جهانی 1984 (WGS84) سیستمی زمین-مرکز (ژئوسنتریک) می باشد و مبدا مختصات آن در مرکز زمین است. به این ترتیب محور z آن از قطب زمینی
از هر ماهواره GPS دو موج ( λ1 و λ2 ) با دو فرکانس 1227/60 و 1575/42 مگاهرتز مختلف به زمين ارسال مى شود و گيرنده هاى مستقر در روى زمين از طريق آنتن اين امواج را مى گيرند و در نتيجه ارتباط بين گيرنده و ماهواره ها برقرار مى شود. سیگنال λ1 حاوی دو نوع کد C/A و P و یک پیغام ناوبری (که برای هر ماهواره متفاوت است) و سیگنال λ2 تنها دارای کد P و پیغام ناوبری می باشد و طبق قاعدۀ کلی موج ها، هر چه فرکانس موج بیشتر (مشاهده کنید : گیرنده مولتی فرکانس سینگولار) باشد دقت بهتری در اندازه گیری فاصله حاصل خواهد شد. سیگنال های L1، L2 و L5 نیز پس از سال 2010 به این لیست اضافه شدند.
پس از برقرارى ارتباط، گيرنده بايستى ماهواره ها را رديابى کند (و اين بدان معناست که گيرنده موقعيت ماهواره ها را شناسايى مى نمايد). چنانچه با سه ماهواره ارتباط برقرار شود، گيرنده قادر است موقعيت دو بعدى محل استقرار را تعيين کند. براى يک تعيين موقعيت سه بعدى ارتباط، حداقل چهار ماهواره ضرورى است و ارتباط با ماهواره هاى بيشتر باعث کنترل محاسبات مى شود.
ارتباط با بيش از چهار ماهواره اين حسن را دارد که چنانچه گيرنده در کنار عوارض مرتفع (مانند صخره یا مثلا در جنگل قرارگرفته شد)، خطر قطع ارتباط وجود ندارد، چراکه در اين نوع مناطق زمانى از گيرنده اى استفاده مى شود که تنها با چهار ماهواره در ارتباط است. ممکن است بعضى از امواج به ناگاه قطع شوند،در اين صورت بايد منتظر ماند تا با ماهواره جديد ارتباط برقرار شود. در صورتى که اگر گيرنده از نوعى باشد که بيش از چهار ماهواره را رديابى مى کند، از دست دادن امواج يک ماهواره باعث ايجاد وقفه در کار نمی شود. ضمنا ارتباط با ماهواره چهارم باعث کنترل ارتباط با سه ماهواره ديگر نيز مى شود. زیرا برای محاسبۀ موقعيت گيرنده به راحتى اطلاعات را از بقيه ماهواره ها مى گيرد و مورد استفاده قرار مى دهد.
اگرچه فن آورى به کار رفته در ماهواره ها و گيرنده هاى زمينى سيستم GPS بسيار پيچيده است ولى اصول تعيين موقعيت نقاط در اين سيستم ساده و قابل درک مىباشد. در اين سيستم ماهواره ها در مدار هايى حول زمين در گردش هستند که موقعيت نقطه به نقطه اين مدارها در سيستم مختصات مبنا مشخص است و با استقرار گيرنده بر روى نقطه هاى نامعلوم در روى زمين و پس از برقرارى ارتباط، فاصله نقطه مذکور تا تمامى ماهواره هاى قابل مشاهده تعيين مى شود. سپس با مشخص بودن فواصل گيرنده از ماهواره ها به روشى که در نقشه بردارى «ترفیع فضايى» (بخوانید : ترفیع و تقاطع در نقشه برداری) نام دارد، موقعيت نقطه مجهول محاسبه مى گردد. در واقع هر نقطه زمينى محل تلاقى سه کره است که مرکز هر يک از اين کره ها در يک ماهواره است و شعاع آن برابر با فاصله آن ماهواره تا نقطه زمين مى باشد.
پردازش اطلاعات در GPS
هر گيرنده اى فرمت خاص خود را دارد و مشاهدات در آن بر اساس اين فرمت تعريف مى شوند لذا داده هاى جمع آورى شده ازانواع مختلف گيرنده ها نمى توانند با يک نرم افزار خاص پردازش شوند به عبارت ديگر هر نوع گيرنده نرم افزار خاص خود را داراست و داده هاى جمع آورى شده با آن تنها با نرم افزار خاص آن نوع گيرنده قابل تخليه و پردازش است. امروزه در بيشتر گيرنده هاى GPS نرم افزار تبديل از فرمت خاص گيرنده به فرمت Rinex وجود دارد. در واقع Rinex يک مبدل بين گيرنده ها و نرم افزار هاى مختلف پردازشگر است. اين فرمت 3 فايل زير را داراست :
- فايل مشاهدات
- فايل شرايط آب و هوایی
- فايل پيغام هاى ناوبرى
اطلاعات دريافتى از ماهواره:
– ساعت ماهواره
– شماره ماهواره و تعداد آنها
– موقعيت ماهوارهها
– شرايط آب و هواى جو
اطلاعات پس از دريافت در گيرنده پردازش و در هر لحظه موقعيت گيرنده را نشان مى دهد و براى داشتن دقت بهتر بايد از تمامى اطلاعات ذخيره شده و اعمال تصحيحات لازم استفاده نموده و توسط نرم افزار هاى پردازشگر مختصات دقيق نقاط استخراج مى گردد.
روش های نقشه برداری با کمک جی پی اس
روش های ایستایی و ایستایی سریع (استاتیک) :
استاتیک : در اين روش تنها مختصات نقاطى که گيرنده بر روى آنها مستقر است اندازه گيرى مى شود و براى نقاط با فواصل بلند (بيش از۲۰ کيلومتر) کاربرد دارد.
نقشه بردارى استاتيک يک روش استاندارد براى تعيين موقعيت نقاط با دقت هاى بالا و مناسب براى مناطق گسترده و شبکه نقاط کنترل کشورى و قاره اى و براى نظارت در جا به جايى و حرکات زمينى با زمان استقرار نسبتا طولانی (در حال حاضر 30 دقیقه) می باشد.
استاتیک سریع : در اين روش که براى فواصل تا ۱۵ کيلومتر کاربرد دارد، يک گيرنده روى نقطه هاى ثابت است و به عنوان ايستگاه مرجع موقتی عمل می کند و گیرنده دوم روی نقاط ديگر حرکت مى کند و در مدتى کوتاه با ماهواره ها در تماس است (۵ تا ۱۵ دقيقه) و جابجا مىشود. مى توان به هنگام حرکت سيستم را خاموش کرده و در مصرف باطرى صرفه جويى نمود. اين روش را مى توان درمورد نقشه بردارى هاى کنترلى، انبوه سازى و نقشه هاى تفضيلى به کار برد. همچنين مى توان به جاى پيمايش و مثلث بندى هاى سنتى از آن استفاده کرد. در شرايط مطلوب دقت اين روش ppm+۱ mm۱۰ ~۵ مى باشد.
روش نیمه کینماتیک (ایست – رو) : روشى است سريع که در آن، يک گيرنده روى نقطه معلوم قرار مى گيرد و گيرنده ديگر روى نقاط مجهول حرکت مى کند. زمان استقرار گيرنده متحرک کوتاه است (حداکثر يک دقيقه). و گيرنده ديگر روى نقاط مجهول حرکت مى کند. زمان استقرار گيرنده متحرک و در تمام مدت بدون خاموشى دستگاه گيرنده بايد با حداقل چهار ماهواره ارتباط داشته باشد. ضمنا در نقطه اول گيرنده متحرک نيازمند ۵ تا ده دقيقه همزمانى و توجيه است. (فیکس اولیه)
اين روش براى نقشه بردارى هاى محدود و فواصل کوتاه مناسب است. دقت اين روش ppm۱ + cm۱ براى دستگاه هاى دقيق مى باشد.
تفاوت روش هاى استاتيک سريع و ايست ــ رو به جز مدت زمان استقرار آن است که در روش استاتيک سريع وقتى که از يک نقطه به نقطه ديگر حرکت مى کنيم دستگاه بين راه خاموش است. درحالى که در روش ايست ــ رو لازم است همواره دستگاه روشن باشد. با حداقل چهار ماهواره در ارتباط باشد.
روش کینماتیک خالص (متحرک) : در این روش گیرنده در حین حرکت بین نقاط مورد نظر ارتباط با ماهواره را حفظ می کند ولی مختصات مسیر تعیین نمی شود. در اين روش پس از استقرار يک گيرنده روى نقطه معلوم، گيرنده ديگر بر روى وسيله متحرکى مانند اتومبيل يا کشتى و غيره قرار مى گيرد. در روش کينماتيک طرز عمل مانندروش ايست ــ رو است با اين تفاوت که بعد از (فيکس اوليه) گيرنده متحرک دائما در حرکت است و به صورت خودکار هر يک (يا چند) ثانيه يک بار عمل اندازه گيرى را انجام مى دهد. دراين روش نيز دستگاه گيرنده متحرک بايد دائما با حداقل چهار ماهواره در ارتباط باشد.
- همچنین مقاله های ” راهنمای خرید جی پی اس مولتی فرکانس “ و ” نقشه و نقشه برداری “ را بخوانید.
