آشنایی با سیستم تعیین موقعیت جهانی ( GPS )

[SAEID 2,832]

آشنایی با سیستم تعیین موقعیت جهانی ( GPS )

قسمت اول

تعیین موقعیت بر مبنای فضا

زمانی طولانی از عصر پیشتازانی همچون داپلر که اندازه گیری زمین به زمین را به اندازیه گیری زمین به فضا تغییر داده بودند میگذرد. آمریکو وسپوس دریانوردی در قرن پانزدهم بود که نحوه اندازه گیری او در سحال برزیل و بر مبنای گزارش کریستف کلمب انجام شد. وسپوس همراه خود یک تقویم نجومی داشت که در آن زمانها و موقعیت ستارگان مختلف و وقایع سماوی بر مبنای زمان اندازه گیری شده در شهر فراره ایتالیا ترتیب یافته بود. بر این اساس در نیمه شب 23 اوت 1499 کره ماه باید در برابر زمین و کره مریخ قرار میگرفت. وسپوس تقاطع مذکور را در برزیل مشاهده کرد و متوجه شد که این تقارن شش و نیم ساعت بعد از آنچه که باید در فراره دیده میشد به وقع پیوسته است. لذا با استفاده از اختلاف زمان و اندازه پیرامون زمین که بطلمیوس بدست آورده بود توانست فاصله و طول جغرافیایی فراره را محاسبه کند. نتایج حاصل این بود که او در هندوستان نیست بلکه کریستف کلمب قاره جدیدی را کشف کرده بود که از آن پس به نام وسپوس (آمریکا) نام گذاری شد. وسپوس اولین کسی بود که به حقیقت کشف کریستف کلمب پی بد فقط به این دلیل که توانست موقعیت دقیق خود را با استفاده از اجرام سماری تعیین کند. تعیین موقعیت با این روش خطایی در حدود یک مایل را ارائه میکند.

ایده اساسی تعیین موقعیت بر مبنای فضا با استفاده از ماهوراه های ساخت بشر نخستین بار از اوایل سال 1960 توسط ایالات متحده و در ناسا شروع گردید. ترانزیت (TRANSIT) از اولین سیستمهای ماهواره ای و دارای کارایی موثر بود. این گروه ماهواره از زمان رهایی اش در سال 1967 کاربردهای تجاری و نقشه برداری و ژئودزی فراوانی یافت. از ویژگیهای ترانزیت این بود که برای پوشش کامل زمین به حداقل 6 ماهواره نیاز داشت و زمان انتظار برای کسب اطلاعات تا 1.5 ساعت بالغ میگشت. این ماهواره ها در مدارهای 1100 کیلومتری بالای زمین میچرخیدند. از دیگر ویژگیهای آن علاوه بر وقت گیری زیاد ، دقت کم ان بود که با ورود GPS مورد کم توجهی قرار گرفت. در سال 1974 به دنبال درخواست وزارت دفاع آمریکا برای ایجاد یک سیستم ناوبری فضایی ، تحقیقات در زمینه طراحی سیستم مطلوب آغاز گشت و در سال 1983 سیستم NAVSTAR GPS معرفی گردید و تا سال 1992 تکمیل شد. ناوبری و تعیین موضع اگر چه امروزه به عنوان یک ابزار مکمل ناوبری استفاده میشود ، اما انتظار میرود به زودی به وسیله اصلی ناوبری بدل گردد. در برابر توسعه و تکمیل GPS ، سیستم ناوبری ماهواره ای روسیه به نام GLONASS ایجاد و در پایان سال 1995 تکمیل گشت.


ایده اساسی در تعیین موقعیت

فرض کنید روی صفحه ای قرار داریم. اگر فاصله خود را با یک نقطه مشخص A اندازیه گیری کنیم و مختصات نقطه A را نیز بدانیم ، میتوانیم دایره ای به مرکز نقطه A و به شعاع فاصله اندازه گیری شده ترسیم کنیم. در این صورت مختصات موقعیت ما بر روی دایره ترسیم شده قرار دارد (شکل 1).

[align=center]





[/align]

اگر بر روی این صفحه دو نقطه مشخص A و B موجود باشد و فاصله خود را با هر یک از دو نقطه محاسبه کنیم مختصات موقعیت ما باید هم بر روی دایره ای به مرکز نقطه A و شعاع a واقع باشد و هم بر روی دایره ای به مرکز B و شعاع b . در نتیجه ما بر روی یکی از دو نقطه تلاقی دو دایره واقع هستیم (شکل 2). در صورتی که تعداد نقاط واقع بر صفحه به 3 افزایش یابد ، براحتی میتوان نشان داد که موقعیت دقیق ، بر روی صفحه بدست می آید و این از طریق سه دایره به مرکز آن نقاط معلوم و شعاعهای فواصل اندازه گیری شده تا آن نقاط می باشد (شکل3).

اکنون مثال خود را به فضای سه بعدی منتقل میکنیم. دوایر ترسیم شده قبلی جای خود را به کره های ترسیم شده خواهند داد لذا از ترسیم فقط یک کره ، سطح کره و از ترسیم و تلاقی دو کره ، فصل مشترک دو کره بصورت یک دایره بدست می آید. اگر سه کره ترسیم کنیم و تلاقی دهیم نقاط مشترک بین سه کره دو نقطه خواهد بود و اگر فاصله خود را با چهار نقطه معلوم در فضای سه بدی اندازه گیری کنیم و سپس چهار کره ترسیم کرده و تلاقی دهیم فقط یک نقطه واحد به دست خواهد آمد.

ایده اساسی در تعیین موقعیت این است که موقعیت دقیق حداقل 4 ماهواره در فضا را یافته و فاصله خود از آن ماهواره ها را بدست می آوریم تا بتوانیم موقعیت دقیق خود را محاسبه کنیم و دقت مکان یابی در این روش بستگی به به دقت مکانی ماهواره ها و دقت در فواصل اندازه گیری شده با ماهواره دارد.


اندازه گیری مسافت و مختصات مکانی ماهواره

مختصات مکانی هر ماهواره توسط خود آن ماهواره ارسال و توسط گیرنده دریافت میشود. این مختصات بصورت اطلاعات مداری به نام افمریس (Ephemeris) نامیده میشود.

[align=center][/align]

هر ماهواره GPS کد مخصوصی را ارسال میکند. گیرنده GPS در روی زمین نیز همان کد مخصوص را تولید خواهد کرد. برای همزمانی در تولید کدهای مذکور باید زمان طبق یک ساعت دقیق تنظیم گردد. کد دریافت شده توسط گیرنده با کد تولید شده گیرنده متناسب با فاصله ، تاخیر خواهد داشت. اندازه گیری تاخیر زمانی بین کد تولید شده و کد دریافت شده به اندازه گیری فاصله منجر میشود (شکل 4). سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلا 300,000000 است ، با فرض اینکه دقیقا کدهای تولید شده در ماهواره و گیرنده همزمان باشد و کد ارسالی از ماهوراه فقط از خلا عبور کند ، فاصله گیرنده تا ماهواره با حاصل ضرب زمان تاخیر تاخیر بین کد دریافت شده با کد تولید شده در گیرنده ، در سرعت امواج الکترومغناطیس در خلا برابر خواهد بود.


ادامه دارد ...
منبع : کتاب سیستمهای رادیویی در ناوبری هوایی

[Ahmad6644 8]

ممنون از ارسال پر بارت سعيد جان يه سئوال ، راهي براي از كار انداختن اين سيستم يا اختلال در كاراييش هست ؟

[SAEID 2,832]

تشکر قابلی نداشت. بله امکانش هست و راههای مختلفی جهت اختلال یا از کار انداختن GPS وجود دارد که به عنوان مثال اگر به مطلب دقت کنید برای تعیین موقعیت حداقل به سه ماهواره نیاز است که ایجاد اختلال در مسیر یکی باعث از کار افتادن کل سیستم میشود! اگر دوستان مایل باشن این بحث رو ادامه میدهیم چون خیلی جالب هست.

[VenomSnake 8,260]

استفاده كرديم اقا سعيد.ايا ايران براي از كار انداختن ماهواره هاي بيگانه كاري انجام داده؟يا بهتره بگم ايا ميتونه كاري انجام بده؟

[SAEID 2,832]

استفاده كرديم اقا سعيد.ايا ايران براي از كار انداختن ماهواره هاي بيگانه كاري انجام داده؟يا بهتره بگم ايا ميتونه كاري انجام بده؟

بله کارهایی صورت گرفته و چند روز صبر کنید بقیه قسمتها پست کنم متوجه نقاط ضعف تمام سیستمهای موقعیت یاب ماهواره ای خواهید شد. از کار انداختن GPS آنقدرها هم سخت نیست که نشه کاری نکرد هر چند زیاد هم ساده نیست!

[SAEID 2,832]

قسمت دوم

سیستم GPS


سیستم GPS از سه بخش تشکیل شده که عبارتند از:

الف) ماهواره ها

بخش ماهواره ای سیستم از 21 ماهواره اصلی و 3 ماهواره یدکی واقع در مدار زمین تشکیل میشود. این ماهواره ها در 6 مدار جداگانه که با صفحه استوا زاویه 55 درجه میسازند قرار گرفته اند. مدار ماهواره ها بیضی شکل بوده و با سرعتی نزدیک 4.5 کیلومتر بر ثانیه در حرکت هستند (شکل 5). این ماهواره ها به سبب ارتفاع زیادشان در بخش بزرگی از زمین دیده میشوند. الکتریسیته مورد نیاز از دو صفحه متشکل از باطریهایی با سلولهای خورشیدی به سطح 7.2 متر مربع تامین میگردد (شکل6).

مشخصات عمومی ماهواره ها عبارتند از:

نام ، NAVSTAR
سازنده ، Rackwell International
ارتفاع پرواز ، 20183 کیلومتر
وزن ، 860 کیلوگرم
اندازه ، 7.2 متر مربع با صفحات خورشیدی
زمان پیمودن دور کره زمین ، 12 ساعت نجومی (11 ساعت و 58 دقیقه)
صفحه مداری ، با صفحه استوا زاویه 55 درجه میسازد
عمر تخمینی ، 7 سال
[align=center]



[/align]

ب) کنترل کننده سیستم

بخش کنترل کننده از 5 ایستگاه تشکیل شده است. وظایف عمده ایستگاهها عبارتند از:

کنترل وضعیت سلامت ماهواره ها
تعیین موقعیت ماهواره ها
کنترل رفتار ساعت اتمی هر ماهواره
تزریق پیامهای ناوبری به کلیه ماهواره ها

ایستگاههای کنترل ، موقعیت لحظه ای ماهواره را تعقیب کرده و با استفاده از آن اطلاعات موقعیتهای آینده ماهواره را پیش بینی میکنند. در این ایستگاهها همچنین اطلاعاتی نیز در مورد شرایط جوی جمع آوری میشود. از این اطلاعات جهت تعیین دقیق تاخیر حاصل از عبور امواج رادیویی از جو استفاده میشود (شکل 7).
[align=center]

[/align]
ایستگاههای پنجگانه در مکانهای هاوائی واقع در اقیانوس آرام ، کلرادو اسپرینگز در آمریکا ، اسنسیون در اقیانوس اطلس ، دیگه گارسیا در اقیانوس هند و کواجالین در اقیانوسیه قرار دارد.

سه ایستگاه اسنسیون ، دیگو گارسیا و کواجالین میتوانند به ماهواره ها پیام مخابره کنند. این پیامها شامل موقعیتهای جدید ماهواره ها ، تصحیح ساعت و اطلاعات دیگر است. همچنین کلیه دستوراتی که به ماهواره ها داده میشود از طریق این سه ایستگاه صورت میگیرد. ایستگاه کلرادو اسپرینگز ایستگاه اصلی اس. اطلاعات حاصل از تعقیب ماهواره ها از کلیه ایستگاههای دیگر جمع آوری و به این ایستگاه مخابره میشوند. محاسبات مربوط به موقعیت هر ماهواره و تصحیح ساعت آن در این محل صورت میگیرد.

تغییر و یا تنظیم موقعیت ماهواره ها از جمله فرامین این ایستگاه است. جایگزین کردن ماهواره های جدید بجای یک ماهواره از کار افتاده نیز از طریق دستورات این ایستگاه انجام میشود.


ج) گیرنده های GPS

یک گیرنده GPS قادر به انجام چهار کار اساسی است.

- موقعیت دقیق محل استقرار را محاسبه کند.
- موقعیت یک نقطه را از روی نقشه به حافظه آن وارد کرده و بعد توسط محاسبه موقعیت محل استقرار به آن نقطه هدایت کند.
- میتواند اطلاعات مربوط به هر نقطه را که گیرنده در آن حضور دارد به حافظه سپرده تا در صورتی که مراجعت از مکانی به آن نقاط مورد نظر باشد قادر به یافتن مسیر بازگشت باشد.
- با محاسبه مستمر موقعیت یک متحرک جهت حرکت متحرک را نسبت به شمال یافته و سرعت متوسط حرکت را محاسبه کرده و زمان رسیدن به مقصد مشخص شده را با توجه به سرعت بدست آمده تخمین میزند.

تواناییهای فوق سبب شده GPS در کاربردهای زیر نقش اساسی ایفا کند.

کاربردهای زمینی:

نقشه برداری و ژئودزی ، کاداستار ، تعیین جابجایی و Deformation و هدایت زمینی

کاربردهای دریایی:

تعیین موقعیت سکوهای نفتی ، نقشه برداری جزیره های زیر آبی ، جستجو و نجات ، تعیین جذر و مد ، تعیین بنادر و لنگرگاهها و هدایت کشتی به بنادر

کاربردهای هوایی:

فتوگرامتری ، تعیین موقعیت ماهواره ای Remote Sensing ، هدایت هواپیماهای بدون سرنشین و هدایت هواپیماها و موشکها

گیرنده های GPS سیستمهایی غیرفعال هستند. یعنی سیستمهایی هستند که فقط اطلاعات را دریافت میکنند و اطلاعاتی ارسال نمیکنند. لذا از نقطه نظر نظامی مطلوب بوده چون دشمن از موقعیت گیرنده آگاه نمیشود. همچنین میتواند در هدایت نیروهای پیاده و واحدهای زرهپوش در بیابانهای بی عارضه و تعیین موقعیت دقیق موضع پرتاب موشکهای زمین به زمین کمک فوق العاده ای نماید.

گیرنده های GPS در ابعاد متفاوت با وزنی کمتر از نیم کیلوگرم میتوانند با محاسبه پیوسته موقعیت جسم در حال حرکت سرعت جسم حامل گیرنده را تخمین زده ، حرکت او را بدست آورده و انحراف آن از شمال مغناطیسی را نمایش داده و در نهایت زمان رسیدن به مقصد مورد نظر را با بدست آوردن موقعیت و سرعت تخمینی ارائه نمایند.

غیرفعال بودن GPS سبب صرفه جویی زیاد در باطری شده و بسیاری از گیرنده های فوق را در برابر ضربه ، شوک ، آب و ... مقاوم میکند. برای اینکه گیرنده های GPS و ماهواره بتوانند همزمان کدهای مربوطه را تولید کنند در گیرنده و ماهواره ساعتهای دقیقی بکار رفته است. این سبب میگردد همواره GPS بتواند وقت دقیق محلی را نیز ارائه کرده و حتی ساعت طلوع و غروب خورشید را با استفاده از زمان و موقعیت گیرنده محاسبه و اعلام کند.

گیرنده های GPS از سه قسمت آنتن ، RF و دیجیتال تشکیل شده است.


آنتن

آنتن گیرنده های GPS انواع مختلفی دارد اما آنتنهای GPS همگی دارای پلاریزاسیون دایروی هستند. در اینجا به چند آتن اشاره میشود:

- آنتن تک قطبی یا دو قطبی: این آنتنها برای اینکه عملکرد خوبی داشته باشند احتیاج به یک صفحه زمین دارند و تک فرکانس هستند.

- آنتن هلیکس چهار قطبی: این آنتن تک فرکانس است و نسبت به آنتنهای تک قطبی پیچیده تر بوده اما دارای گین بالاتر بوده و نیاز به صفحه زمین ندارد.

- آنتن میکرواستریپ: ساختمان ساده و کم حجمیدارد و برای کارهای هوایی مناسب است و میتواند در دو فرکانس کار کند ولی دارای گین کمی است.

- آنتن هلیکس مخروطی: میتواند در دو فرکانس کار کند و دارای گین بالایی است اما ابعاد آن بزرگ بوده و برای کارهای هوایی مناسب نیست زیرا اگر برای دریافت یسگنال ماهواره ای در افق به سمت آنها قرار گیرد قادر به پیدا کردن ماهواره های بالای سر نیست.

- آنتنهای میکرواستریپ به سبب کوچکی میتوانند مستقیما به موازات آسمان نگه داشته شود و میتواند هر ماهوراه ای را که در بالای سر قرار داشته باشد پیدا کند. ماهواره ها باید حداقل 10 درجه در بالای سطح افق قرار داشته باشند تا با این آنتن ردیابی شوند. برای دریافت سیگنالهای ماهواره باید ماهواره ها درد دید باشند. هوای بارانی و برفی و طوفانی از رسیدن امواج جلوگیری نمیکنند اما موانعی همچون درختان ، صخره ها ، ساختمان بلند و نیز بودن گیرنده در داخل ساختمان ، اتومبیل و هواپیما و ... از رسیدن امواج جلوگیری میکند. لذا در صورت استفاده در یک متحرک مانند هواپیما به آنتن خارجی نیازمند هستیم. در اینصورت آنتن باید فعال باشد تا سیگنالها را قبل از انتقال از طریق کابل به گیرنده تقویت کند.

[align=center][/align]


ادامه دارد ...
منبع : کتاب سیستمهای رادیویی در ناوبری هوایی