وبلاگ تخصصی مهندسین مرتع و آبخیزداری

GPS چیست؟

GPS یا سیستم مکان یابی جهانی ،یک سیستم ناوگانی ماهواره است که از شبکه ای با 24 ماهواره ساخته شد و بوسیله ی سازمان دفاع آمریکا در مدار قرار گرفت. در ابتدا GPS  برای مصارف نظامی به کار گرفته می شد اما در 1980 ، دولت آمریکا این سیستم را برای استفاده های شخصی در نظر گرفت.GPS  درهر شرایط آب و هوایی و در هر جای دنیا ،در 24 ساعت شبانه روز قابل دسترسی است و هیچ حق اشتراک یا هزینه ای برای استفاده از GPS وجود ندارد.

GPS چگونه کار می کند؟

ماهواره های GPS در یک مدار معین، زمین را دو بار در روز دور می زنند و سیگنال های اطلاعاتی را به زمین ارسال می کنند. دریافت کننده GPS این اطلاعات را گرفته و برای محاسبه مکان دقیق کاربر از روش های هندسی استفاده می کند. در اصل دریافت کننده ی GPS زمان ارسال سیگنال از ماهواره را با زمان دریافت سیگنال مقایسه می کند. اختلاف زمان بازگو کننده ی میزان فاصله ی ماهواره از دریافت کننده ی GPS است. با اندازه گیری فاصله، از تعدادی چند از ماهواره ها ،دریافت کننده می تواند مکان کاربر را مشخص کرده و آن را روی نقشه ی الکترونیکی واحد نمایان کند.

یک دریافت کننده ی GPS با سیگنال هایی که از حداکثر سه ماهواره دریافت می کند، می تواند مسیر حرکت و مختصات دو بعدی (طول و عرض) مکان را محاسبه کند. با در نظر گرفتن چهار یا بیشتر ماهواره ، دریافت کننده می تواند مختصات سه بعدی (طول،عرض،ارتفاع) مکان کاربر را مشخص کند. زمانی که مکان کاربر مشخص شد ، GPS می تواند سایر اطلاعات نظیر:سرعت،مسیر،فاصله ی پیموده شده،فاصله تا مقصد،زمان طلوع و غروب خورشید و ... را محاسبه کند.

دقت GPS تا چه حد است؟

امروزه دریافت کننده های GPS دارای دقت بی نهایت بالایی هستند و این امر را مدیون طرح کانال چند گانه موازی هستیم. دریافت کننده های کانال 12 موازی گارمین به محض روشن شدن سرعت بالایی در برقراری رابطه با ماهواره دارد و این ارتباط به طور مستمر بر قرار است و حتی درختان انبوه و آسمان خراش های بلند مانع برقراری ارتباط نمی شوند.کارخانه های اتمسفریک و دیگر چشمه های ایجاد خطا، روی دقت دریافت کننده ی GPS تاثیر می گذلرند.  دریافت کننده های GPS گارمین دارای میانگین دقت 15 متر می با شند.دریافت کننده های GPS گارمین با قابلیت سیستم  افزایش عرض ناحیه دقت را با میانگین کمتر از 3 متر بهبود می بخشد. هیچ لوازم یدکی و یا حق الزحمه ای برای استفاده از سیستم افزایش عرض ناحیه احتیاج نیست.کاربران می توانند دقت را با کمک GPS تفاضلی  بهتر کنند. به این صورت که سیگنال های GPS را تقویت می کند و به میانگین 3تا 5 متر می رساند.گارد ساحلی آمریکا اغلب از سرویس تقویت کننده GPS تفاضلی استفاده می کند. این سیستم شامل شبکه ای از برج ها می باشد که سیگنال های GPS را دریافت کرده و سیگنالی تقویت شده به وسیله ی فرستنده های رادیویی ارسال می کنند. به منظور دریافت سیگنال های تقویت شده کاربران علاوه بر GPS به یک آنتن و دریافت کننده علایم گوناگون نیاز دارند.

سیستم ماهواره ای GPS :

24 ماهواره که بخش فضایی GPS را شامل می شوند در مداری با فاصله ی 12 هزار مایل از زمین قرار دارند. آنها پیوسته در حال حرکت بوده و در کمتر از 24 ساعت دو دور کامل می زنند. این ماهواره ها با سرعت تقریبی 7 هزار مایل در ساعت حرکت می کنند.

ماهواره های GPS به کمک انرژی خورشید کار می کنند. در زمان خورشید گرفتگی و زمانی که این انرژی وجود ندارد، آنها با بهره گیری از باطری های پشتیبان به کار خود ادامه می دهند.علاوه بر این، راکت های تقویت کننده ی کوچک به کمک ماهواره آمده و آن را در مسیر اصلی خود قرار می دهند.

در اینجا به حقایق جالبی در مورد ماهواره های GPS اشاره می کنیم:(البته ناو استار نامی است که سازمان دفاع آمریکا برای GPS انتخاب کرد.)

سیگنال چیست؟

ماهواره های GPS دو سیگنال رادیویی کوتاه و قوی L1 و L2 را ارسال می کنند. GPS های شخصی L1 را با فرکانس 1575.42 مگا هرتز روی باند UHF دریافت می کنند. این سیگنال ها از میان ابر و گاز و پلاستیک عبور می کند اما از میان جامدات ، ساختمان ها و کوه ها نمی تواند عبور کند.یک سیگنال GPS  شامل سه بیت اطلاعات متفاوت است: یک کد تصادفی کاذب، اطلاعات زود گذر(یک روزه) و اطلاعات سالیانه.

• کد تصادفی کاذب به سادگی یک کد ID است که ماهواره ای را که در حال ارسال اطلاعات می باشد را مشخص می کند. شما می توانید این عدد(کد) را هنگامی روی صفحه ماهواره واحد GPS گارمین خود ببینید که آن مشخص می کند کدام یک از ماهواره ها در حال دریافت کردن آن است.
• اطلاعات زود گذر(یک روزه): مکانی را که هر ماهواره GPS در هر ساعتی باید داشته باشد را به دریافت کننده ی GPS نشان می دهد.این اطلاعات ارسال شده توسط هر ماهواره ، اطلاعات مداری مربوط به آن ماهواره و سایر ماهواره های واقع در سیستم را نشان می دهد.
• اطلاعات سالیانه  که به وسیله هر ماهواره به طور پیوسته ارسال می شود شامل اطلاعات مهمی در رابطه با وضع ماهواره (سالم یا خراب بودن)، زمان و اطلاعات رایج است. این بخش از سیگنال برای مشخص کردن مکان بسیار ضروری است.

چشمه هایی که بر سیگنال های GPS‌ تاثیر گذاشته و باعث فاسد شدن (از بین رفتن) آنها شده و در نتیجه روی دقت و صحت اطلاعات تاثیر گذار است به قرار زیر می باشد:

• تاخیرات تروپوسفر (پایین ترین بخش اتمسفر) و یونسفر (یون کره): سیگنال های ماهواره ای به هنگام عبور از اتمسفر کند می شوند. سیستم GPS از مدلی ساختگی استفاده می کند تا میانگین تاخیر را محاسبه و هر چند به طور جزیی این نوع خطا را اصلاح کند.
• سیگنال های چند گانه:زمانی رخ می دهد که سیگنال های GPS قبل از رسیدن به دریافت کننده توسط ساختمان های بلند یا سطوح سنگی بزرگ، منعکس می شوند که این خود باعث افزایش زمان سفر و در نتیجه ایجاد خطا می گردد.
• خطاهای زمانی دریافت کننده: ساعت یک دریافت کننده همانند ساعت های اتمی ماهواره های GPS دقیق نیست بنابراین خطای زیادی از لحاظ وقت و زمان ممکن است پیش آید.
• خطاهای مداری : اطلاعات یک روزه ممکن است که مکان نادرستی از ماهواره را گزارش دهد که باعث ایجاد خطا می شود.
• تعدادی از ماهواره های قابل رویت ،ساختمان ها، ترن،موانع الکترونیکی و حتی بعضی اوقات درختان انبوه می توانند سدی در برابر سیگنال ها شوند که منجر به ایجاد خطا شده و یا مکان یابی غیر ممکن می گردد.
• هندسه ماهواره ها: اشاره به موقعیت نسبی ماهواره ها در هر زمانی دارد. یک مثال که در مورد هندسه ماهواره ها وجود دارد زمانی است که ماهواره ها در زاویه های عریض در ارتباط با هم قرار دارند. زمانی که ماهواره ها روی یک خط و یا گروهی کوچک قرار دارند هندسه ضعیفی را ایجاد می کنند.
• فساد عمدی سیگنال ماهواره: قابلیت استفاده از ماهواره های برگزیده (که به مخفف SA گفته می شود) که یک فساد عمدی در سیگنال ها است ، زمانی به وسیله ی سازمان دفاع آمریکا وضع شد. SA برای این در نظر گرفته شده است تا دشمن نظامی نتواند سیگنال های  فوق العاده دقیق GPS استفاده کند.دولت  آمریکا SA را در  ماه مه 2000 قطع کرد تا دقت دریافت کننده های GPS های شخصی را افزایش دهد.