موقعیت یابی جهانی : تاریخچه و فن آوری

[oldmagina 9,234]

بسم ا... الرحمن الرحیم

 

مقدمه :

در روزگاری که چندان هم از ما دور نیست، تنها راهنمای مسافران در دل بیابان ها، کوه ها و دریا ها آسمان بود. قافله های مسافرتی با نگریستن به غروب و طلوع خورشید و نیز با بررسی حرکت ستاره ها در آسمان شب جهت حرکت خود را پیدا می کردند.

در طی سالهای بعد  اگرچه ادوات مختلفی از جمله انواع قطب نماها، اسطرلاب ها، ارتفاع‌سنج و زاویه‌یاب به جهت یابی های مسافران کمک فراوانی می کرد اما باز پیچیدگی کار به گونه ای بود که انجام آن کار هر کسی نبود! در آن دوران کمتر کسی می توانست حتی با کمک این ابزارها به سنجش طول و عرض جغرافیایی منطقه بپردازد و هراس از گم شدن به ویژه در آب و هوای نابسامان یک ترس همیشگی بود.

 

جهت یابی بدون ابزار:

 

جهت یابی به کمک ستاره قطبی:

در بالاى قطب شمال (در فضا) ستاره ثابتى قرار دارد به نام به نام ستاره قطبى. منظور از ثابت این است که این ستاره بر روی محور کره آسمان قرار دارد و به همین دلیل از دید ناظر زمینی (که دقیقا ما هستیم!) تقریباً در آسمان چرخشی ندارد. این ستاره از دیرباز راهنمای بسیاری دریانوردان و مسافران بوده است. هنگامی که رو به ستاره قطبی بایستید در واقع رو به شمال کره زمین قرار گرفته اید.

 

اما چگونه می توان این ستاره را از میان میلیون ها نقطه نورانی آسمان شب تشخیص داد؟ ستاره قطبی از مجموعه ستارگان صورت فلکی دب اصغر است. براى پیدا کردن این ستاره می توان از صورت فلکی های دب اکبر و ذات الکرسى استفاده نمود. ستارگان دب اکبر هفت عدد می باشند که به شکل ملاقه قرار گرفته‌اند. اگر دو ستاره آخر یعنى لبه ملاقه را در نظر بگیریم و بوسیله یک خط فرضى آنها را به هم وصل نموده و پنج برابر امتداد دهیم این خط به ستاره قطبى می رسد.

 

 

به وسیله مجموعه ستارگان ذات الکرسى نیز می توان ستاره قطبى را پیدا کرد. این ستارگان به شکل W بوده که راس زاویه وسطى آن بسمت ستاره قطبى می باشد. این دو گروه ستارگان (دب اکبر و ذات الکرسى) نسبت به ستاره قطبى تقریباً مقابل یکدیگرند و اگر احتمالاً یکى از آنها معلوم نبود، دیگرى حتماً دیده می شود. و به این ترتیب در شب با یافتن ستاره قطبی جهت شمال برای شما مشخص می شود.

 

جهت یابی به کمک ماه:

برای جهت یابی توسط ماه ابتدا باید بدانیم که در نیمه ی اول ماه هستیم یا نیمه ی دوم ؛ روش تشخیص آن نیز به قرار زیر می باشد:

دو سر هلال ماه را با یک خط فرضی به هم متصل می کنیم و آن خط آنقدر ادامه می دهیم تا به زمین برسد اگر شکل بدست آمده از این کار p انگلیسی بود در نیمه ی اول ماه هستیم و اگر شکل بدست آمده q انگلیسی بود در نیمه ی دوم ماه قرار داریم. حال اگر در نیمه ی اول بودیم طرف کوژ (برآمده) هلال جهت مغرب را نشان می دهد و اگر در نیمه ی دوم ماه بودیم طرف مقعر ( تو رفتگی ) هلال مغرب را نشان می دهد.

 

 

روش دیگر برای جهت یابی با ماه استفاده از سایه است. در یک شب مهتابی چوبی را داخل زمین فرو کنید. با سنگ نوک سایه را علامت بگذارید. ده دقیقه بعد با سنگی دیگر نوک سایه جدید را علامت بگذارید و سپس این دو نقطه را به هم وصل کنید این خط مسیر شرق- غرب را نشان به شما نشان می دهد.

 

همچنین ماه می تواند جهت جنوب را نیز به ما نشان دهد. خطی را بین دو تیزی هلال ماه رسم کرده و آن را تا زمین امتداد دهید. انتها یا امتداد این خط نقطه جنوب را در موقعیت شما نشان می دهد.

 

جهت یابی به کمک خورشید :

همانطور که همگی می دانیم محل طلوع خورشید مشرق و محل غروب آن مغرب است . برای جهت یابی کافی است که بتوانیم یکی از جهات اصلی را پیدا کنیم آنگاه می توانیم با استفاده از رابطه ی معروف زیر سایر جهات را بیابیم : اگر دست راست به طرف مشرق باشد، آنگاه دست چپ مغرب را نشان می دهد دراین حالت روبرو شمال و پشت سر جنوب خواهد بود.

 

تا این جای کار همه چیز خوب است اما نکته این است که این مطلب فقط در اوایل بهار و پائیز صحیح است، یعنی‌در زمان های دیگر، محل طلوع و غروب خورشید نسبت به مشرق و مغرب مقداری انحراف دارد که البته قابل تصحیح است. به عنوان مثال در اول تابستان و زمستان، محل طلوع و غروب خورشید '' حداقل '' حدود 23.5 ( بیست و سه و نیم ) درجه با محل دقیق شرق و غرب فاصله دارد که این خطا به هیچ وجه قابل چشم پوشی‌نیست.

 

منابع : 1  2  

[oldmagina 9,234]

جهت یابی با ابزار : 

 

قطب نمای مغناطیسی ( Compass)­:

قطب نمای مغناطیسی، که وسیله ای است برای یافتن جهت رو به شمال در موقع جهت یابی، اصولا یک عقربه مغناطیسی است که در جعبه ای آویزان بوده و می تواند آزادانه روی محوری بچرخد، عقربه با محور شمال جنوب میدان مغناطیسی زمین همراستا می شود.

 

 

ظاهرا کشف اینکه عقربه مغناطیسی همواره در امتداد شمال جنوب قرار می گیرد، در چین اتفاق افتاد و در کتاب لوون هنگ توضیح داده شده است. در قرن نهم، نیز قطب نماهای هم با عقربه شناور و هم قطب نماهای با عقربه چرخان که امروزه می شناسیم توسط چینی ها توسعه یافته اند . دریانوردان ایرانی این قطب نما ها را از چینی ها به دست آوردند و بعضی از آنها را با ونیزی ها معامله کردند.

 

در سال 1187 نویسنده انگلیسی الکساندر نکام ( 1217 تا 1157 ) توصیف می کند، که در کشتی نشانه ای وجود داشت که می توانست، حتی وقتی که ستاره قطبی زیر ابرها پنهان بود مسیر مورد تعقیب را نشان دهد.

 

 این دستگاه بعداز این دریانوردان را به مؤثرترین وجهی در داخل دریاها راهنمایی میکرد و آنان را مجاز می‌داشت که به سوی مجهولات روی آورند ودر واقع اکتشافات آن، دوران مسافرت‌های بزرگ دریایی را افتتاح کرد.

 

قطب نمای ژیروسکوپی (Gyro Compass)­:

قطب نمای ژیروسکوپی­ به سیستمی گفته می­شود که راستای هدینگ را در مقایسه با یک جهت مرجع معلوم، مانند شمال مغناطیسی، جغرافیایی یا هر راستای معلوم دیگری اعلام می­کند.

 

قطب نمای ژیروسکوپی در سال 1905 میلادی به وسیله ی دکتر هرمان آنشوتز کاموف طراحی شد و به مغناطیس وابستگی ندارد. قطب نما رو به یک جهت مشخص تنظیم می شود و به چرخش در می آید . پس از آن ، ژیروسکوپ هر تغییری که بکند، سوزن یا عقربه همواره رو به جهت اولیه باقی می ماند.

 

 

قطب نمای ژیروسکوپی­ امروزه به شکل­های مختلف و با قابلیت­ها و دقت­های مختلف ساخته می­شوند. استفاده از سنسورهای مغناطیسی، ژایروهای نرخی، ژایروهای مکانیکی آزاد، و …. در ساخت انواع قطب نماهای ژیروسکوپی­ها متداول شده ­اند.

 

قطب نماهای ژیروسکوپی­ ممکن است استاتیک یا دینامیکی باشد،  قابلیت استفاده در وسایل متحرک با شتاب­های قابل توجه را داشته باشد یا نه. ممکن است یک قطب نمای ژیروسکوپی خود تطبیق (Self-Align) باشد یا نباشد.

 

منظور از خودتطبیقی، این است که به کمک سنسورهایی که در اختیار دارد، سطح تراز را خود پیدا می­ کند و خطاهای ناشی از ناترازی را حذف می­کند. برخی قطب نماهایی ژیروسکوپی نیاز به مرجع دهی برای شروع کار هستند و برخی نیز شمال یابی خودکار انجام می­دهند.

 

منابع : 1  2  3

 

[oldmagina 9,234]

تشخیص موقعیت بر روی سطح زمین :

 

تعریف طول و عرض جغرافیایی :

برای تشخیص موقعیت ، زمین را به صورت قطاع های فرضی تقسیم بندی می کنند. قطاع هایی که از قطب ها کشیده می شوند و به هم میرسند، طول جغرافیایی را می سازند و قطاع هایی که عمود بر این خط ها و موازی استوا کشیده می شوند، عرض جغرافیایی.

 

به صورت قراردادی زمین را در راستای قطبین به 360 قطاع تقسیم می کنند که هر قطاع را یک درجه می خوانند. هر درجه خود به 60 قسمت دیگر تقسیم می شود که به هر قسمت یک دقیقه گفته می شود و به همین ترتیب هر دقیقه خود به 60 ثانیه تقسیم می شود. جهت تقریب ذهن؛ فاصله بین هر دو قطاع در بیشترین فاصله کمی بیشتر از 100 کیلومتر و فاصله هر دقیقه هم حدود 1.5 کیلومتر و در نهایت فاصله هر ثانیه حدود 30 متر می باشد.

 

باز هم به صورت قرارداری مبدا تقسیمات را نقطه ای در کشور انگلستان انتخاب کرده اند که بر اساس این قرارداد زمین به دو بخش شرقی و غربی تقسیم شده است. تمام قطاع های سمت راست مبدا را به صورت شرقی یا E و تمام نقاط سمت چپ را غربی یا W می گویند. به این ترتیب قطاع ها تا 180 درجه در هر سمت امتداد پیدا می کند. به عنوان مثال کشور ایران بر اساس این تعریف در حد فاصل قطاع های 44 درجه شرقی تا 63 درجه شرقی قرار دارد.

 

تمام تعریف های بالا برای قطاع های طولی زمین نیز صادق است. با این تفاوت که قطاع های طولی به جای 180 درجه تا 90 درجه تعریف شده اند. بخش های شمالی استوا را شمالی یا N تعریف و بخش های جنوبی را جنوبی یا S می گویند. به عنوان مثال ایران مابین قطاع های 25 درجه شمالی تا 39 درجه شمالی قرار دارد.

 

 

تشخیص موقعیت بر اساس تعاریف طول و عرض جغرافیایی :

تشخیص موقعیت بر اساس تعاریف طول و عرض گفته شده مدت ها ذهن دانشمندان را درگیر خود کرده بود.

تشخیص عرض جغرافیایی کار پیچیده ای نبود. با ابزارهای تقریبا ساده ای میشد زاویه ستاره قطبی را محاسبه کرد و همان زاویه، عرض جغرافیایی را به دست میداد. اما طول جغرافیایی صدها سال معمای غیرقابل حلی شده بود تا بالاخره یک ساعت ساز انگلیسی موفق به یافتن راه حلی ابتکاری شد. به این ترتیب که ساعتی دقیق را در مبدا حرکت مثلا انگلستان تنظیم می کرد و با محاسبه تفاوت زمان محلی با ساعت تنظیم شده توانست طول جغرافیایی محل را محاسبه کند.

 

تهیه نقشه مسطح از زمین ( Universal Transvers Mercator ): 

گرهارْدْ كِرْمِرْ (1512-1594) جغرافي‏دان بلژيكی كه به رسم معمول عصر خود، تخلّص لاتينی گراردوس مركاتور را براي خود برگزيده بود، به اين فكر افتاد كه برای تهیه نقشه مسطح از کره زمین  تصوير استوانه‏ ای را استفاده كند. بدين ترتيب كه وی استوانه ‏ای در نظر گرفت كه مقياس شعاع قاعده آن برابر شعاع كره زمين بود. وی چراغی را در مركز زمين فرض كرد كه نور اين چراغ، سايه قسمت‏های مختلف زمين را بر سطح استوانه مي‏ افكند. حال اگر استوانه گسترش يابد، نقشه از سطح كروی بر صفحه مستوی و صاف به وجود می‏ آید.

 

اين همان است كه به "تصوير مركاتور" تعبير مي‏شود. از ويژگي‏های اين نقشه اين كه، نصف النهارها به صورت عمودی و موازي يك‏ديگر هستند. اين نصف النهارها از دو طرف بر سطح كُره به تدريج به يك‏ديگر نزديك شده و در قطبين به هم ملحق مي‏گردند. امروزه بيشتر نقشه‏ های جغرافيايى بر طبق اصول تصوير مركاتور ترسيم مي‏شود. 

 

منابع : 1  2

[oldmagina 9,234]

عصر الکترونیک : 

 

سیستم LORAN : 

اسم این سیستم مخفف عنوان سامانه ناوبری برد بلند (long range navigation ) است . این سیستم در طی جنگ جهانی دوم توسط آمریکائیها ایجاد شد. 

 

این سیستم با برد تا 2400 کیلومتر و خطای ناوبری حدود چند ده کیلومتر عمل می کرد و ابتدا برای استفاده توسط کاروان کشتی های عبوری از اقیانوس آرام مورد استفاده قرار گرفت . کم کم و با گسترش جنگ این سیستم توسط بیشتر کشتیهای آمریکایی که در اقیانوس آرام سیر می کردند و همچنین هواپیماهای گشتی دور پرواز مورد استفاده قرار گرفت.

 

با ارتقای الکترونیک و نو آوریهای جدید ، در سالهای 1950 نیروی دریایی آمریکا برای تکمیل نسل جدیدی از این سیستم با عنوان Loran-B تلاش کرد که به علت مشکلات تکنیکی کار متوقف شد. در نهایت سیستمی با عنوان Cyclan که بعدها با عنوان Loran-C شناخته شد ، توسط نیروی هوایی ایالات متحده ساخته شد و توسط بقیه نیروهای نظامی امریکایی هم مورد استفاده قرار گرفت.

 

محدوده استفاده شده توسط این سیستم باند 160 متر رادیو آماتوری است. 

 

منبع : 1 

[Hassan26 0]

سلام.چجوری مطلب بفرستم به این سایت،لطفا راهنمایی ام کنید

[oldmagina 9,234]

سیستم GEE : 

در خلال جنگ جهانی دوم و توسط بریتانیا ایجاد شد و برای هدایت و مسیر یابی نیروی هوایی سلطنتی استفاده میشد.  این سامانه موقعیت یابی ، ساختمان و عملکردی مشابه سیستم LORAN داشت .این سیستم خطایی در حدود چند صد متر و بردی تا حدود 560 کیلومتر داشت. 

 

تفاوت اصلی این سیستم با LORAN در این بود که در این سیستم از امواج باند VHF استفاده میشد. بعد از پایان جنگ جهانی دوم ، زنجیره های جدیدی از این سیستم در سراسر اروپا ایجاد شد تا از این سیستم علاوه بر استفاده های نظامی ، برای هوانوردی غیر نظامی هم در اروپا استفاده شود . در اواخر سالهای دهه شصت کم کم این سیستم به پایان کار خود رسید و آخرین ایستگاه فعال آن در 1970 خاموش شد.

 

منبع :1 

 

سیستم DECCA :

این سیستم در خلال جنگ جهانی دوم و توسط نیروی دریایی سلطنتی بریتانیا به وجود آمد . این سیستم از فرکانسهای پائین در حدود 70 تا 129 کیلوهرتز را به کار میبرد . بعد از پایان جنگ این سیستم گسترش بیشتری یافت .

 

استفاده اولیه ای که از این سیستم انجام می شد برای موقعیت یابی در آبهای ساحلی بود و موقعیت دقیق تری نسبت به LORAN ارائه می داد . کشتیهای ماهیگیری بیشترین کاربران این سیستم بعد از جنگ محسوب می شدند ، اگر چه هواپیما ها هم از این سیستم استفاده می کردند.

 

بعدها این سیستم به صورت عمده ای در دریای شمال گسترش یافت و بیشتر مورد استفاده هلیکوپترهایی بود که برای سکوهای نفتی کار می کردند. علی رغم ارائه عمومی سیستم LORAN-C در سال 1974 برای کاربرد غیر نظامی ، این سیستم همچنان تا سالهای پایانی دهه 90 به کار خود ادامه داد و در نهایت با سیستم های جدیدتر ماهواره ای جایگزین شد.

 

منبع : 2 

 

سیستم OMEGA : 

این سیستم ، اولین سیستم موقعیت یاب رادیویی بود که تقریبا کل کره زمین را پوشش می داد . این سامانه توسط آمریکا و با همکاری شش کشور دیگر توسعه یافت . این سامانه به کشتی ها و هواپیماهایی که دارای گیرنده آن بودند اجازه می داد تا در هر جایی از کره زمین موقعیت خود را با تقریب خوبی مشخص کنند .

 

این سامانه از سیگنالهای رادیویی با فرکانس خیلی پائین 10 تا 14 کیلوهرتز (VLF) استفاده می کرد . از این سامانه اولین بار جهت ناوبری و جابجایی بمب‌های هسته‌ای در قطب شمال در روسیه استفاده شد و پس از موفقیت در این آزمایش، برای ناوبری زیردریایی‌ها نیز مناسب تشخیص داده شد. بر اساس محاسبات انجام شده قابلیت اعتماد به این سامانه حدود 95 درصد بود.

 

 این سیستم در سال 1974 عملیاتی شد و در سال 1997 با عملیاتی شدن سیستمهای ماهواره ای ، کنار گذاشته شد.

 

منبع : 3

 

[oldmagina 9,234]

سیستم LORAN-C : 

سیستم موقعیت یابی به روش رادیویی که اجازه می دهد یک گیرنده موقعیت خود را با دریافت و مقایسه امواج رادیویی ساطع شده از آنتنهای ثابت رادیویی ، به دست آورد.

 

LORAN-C برای اولین بار از ترکیب دو روش متفاوت برای ایجاد سیگنال استفاده کرد که نتیجه آن ، هم برد بلندی به دست میداد و هم جوابهای آن قابل اطمینان بودند . این خواص قبلا در نقطه مقابل هم طبقه بندی می شدند . البته این تکنیک یک طرف داستان بود ( فرستنده ) و در طرف دیگر ( گیرنده ) ابزارهای گرانبهایی قرار داشتند که برای پردازش سیگنالها استفاده می شدند .نتیجه این بود که بعد از معرفی این سیستم در سال 1957 میلادی ، اولین کاربر آن ارتش ایالات متحده بود.

 

در سالهای 1970 و بعد از معرفی ترانزیستورها ، لوازم الکترونیک مورد استفاده برای سیستم LORAN-C به شکل قابل ملاحظه ای کوچکتر شدند . این امر در گیرنده ها و با به کار بردن اولین میکرو کنترلها برای پردازش سیگنالها بیشتر نمود یافت. همین امر باعث قیمت پائین و کاربری آسان ، مخصوصا در گیرنده ها ، شد و در نهایت از سال 1974 کاربری این سیستم از یک سیستم نظامی صرف خارج شد و برای استفاده موم عرضه شد.

 

گیرنده تجاری LORAN-C

 

در سالهای اولیه دهه 1980 و با نصب واحدهای بیشتری از این سیستم در سراسر دنیا ، سیستم قدیمی LORAN ( همان نوع معروف به A ) جمع آوری شد و جای خود را به این سیستم داد.

 

در نهایت سیستم LORAN-C یکی از عمومی ترین و پرکاربرد ترین سیستمهای موقعیت یابی در نواحی بسیار وسیعی از آمریکای شمالی ، اروپا ، ژاپن و سراسر اقیانوس اطلس و آرام شد.

 

محل قرار گیری ایستگاههای LORAN در سراسر دنیا 

 

اتحاد جماهیر شوروی در همان زمان از سیستم مشابه دیگری به نام CHAYKA استفاده می کرد. 

 

بعد از راه اندازی سیستمهای ماهواره ای موقعیت یابی ، دوران افول این سیستم هم به سرعت شروع شد و کاربران آن شروع به کم شدن کردند. در سال 2010 سیستمهای موجود در کانادا و آمریکا برچیده شدند ، این امر همزمان در مورد ایستگاههای مشترک Loran-C/CHAYKA در روسیه هم اتفاق افتاد. زنجیره های دیگر فعال باقی ماندند که بعضی از آنها در طی سالهای بعد ارتقا هم پیدا کردند . در انتهای سال 2015 زنجیره مستقر در اروپا نیز خاموش شد. 

 

منبع : 1

[oldmagina 9,234]

نکته :

با توجه به این که در موضوع موقعیت یابی جهانی سیستم های زمین پایه مطرح شدند و از این به بعد به سیستمهای موقعیت یابی ماهواره ای میرسیم ، به نظرم لازم است که قبل از آن در مورد روشهای پایه ای که توسط آنها موقعیت یابی انجام می شود ، بپردازیم تا بتوانیم به شکل روشنتری بحث را ادامه دهیم.

 

Triangulation و Trilateration :

ارتباط مخابراتي بين دو گره مي تواند موقعيت جغرافيايي آنها را نيز نسبت به هم مشخص كند، براي نمونه فاصله ميان دو گره يا زوايايي كه نسبت به يك مرجع واحد با يكديگر مي سازند مي تواند موقعيت آنها را نسبت به هم مشخص كند. با استفاده از اين اطلاعات مقدماتي مي توان با دقت خوبي به موقعيت مطلق آنها دست پيدا كرد.

 

هنگامي كه از فاصله بين موجوديت ها استفاده شود به اين روش Lateration گويند و هنگامي كه از زاويه استفاده شود بدان Angulation مي گويند. براي استفاده از روش Lateration در يك صفحه لازم است يك گره فاصله دقيق خود را با (حداقل) 3 مرجع داشته باشد.با استفاده از اين 3 فاصله يك گره مي تواند محل طلاقي مكان هندسي نقاطي را كه از هر يك از مرجع ها به همان فاصله ازگره مذكور هستند بدست آورد.

 

با توجه به اينكه اندازه گيري فاصله در روش هاي موجود هيچگاه بي نقص نيست لذا نقطه برخورد نيز در اين حالت منحصر به فرد نخواهد بود و مي تواند تشكيل يك ناحيه را بدهد. براي حل اين مشكل مي توان از تعداد بيشتري مرجع استفاده كرد كه به مسئله Multilateration مي انجامد.

 

 

روش Angulation نيز بر اين اساس است كه در يك مثلث هنگامي كه فاصله و زواياي دو رأس معين باشد ، مي توان رأس سوم را از طلاقي دو ضلع باقي مانده محاسبه كرد. مشكل عدم دقت كافي در اندازه گيري هاي انجام شده در اين روش با استفاده از اندازه گيري هاي متعدد قابل حل خواهد بود.

 

 

منبع : 1

[oldmagina 9,234]

ناوبری بر اساس زمان :

فرض کنید دو ایستگاه رادیویی زمینی در فاصله معینی از یکدیگر (مثلاً 300 کیلومتر) قرار گرفته‌اند. در این صورت آنها با سرعت نور، دقیقاً 1 میلی ثانیه از هم فاصله دارند. هر دو ایستگاه با فرستنده یکسان مجهز شده‌اند و توانایی پخش یک پالس کوتاه در یک فرکانس خاص را دارا هستند. یکی از این ایستگاه‌ها که به آن ثانویه می‌گوییم نیز با یک گیرنده رادیویی مجهز شده‌است. وقتی که این گیرنده سیگنال ایستگاه دیگر (که به آن اصلی می‌گوییم) بشنود، سیستم پخش رادیویی خود را تغییر وضعیت می‌دهد (روشن می‌کند یا خاموش می‌کند). در نتیجه، ایستگاه اصلی می‌تواند هر مجموعه‌ای از پالس را منتشر کند، و ثانویه نیز پس از شنیدن آنها با 1 میلی ثانیه تأخیر آنها را بازپخش کند.

 

حال، یک گیرنده متحرک را در نظر بگیرید که در وسط خط واصل دو ایستگاه قرار گرفته‌است. این خط واصل را خط پایه می‌نامیم. با این فرض‌ها، سیگنال تولیدی باید 0.5 میلی ثانیه برای رسیدن به گیرنده تأخیر داشته باشد. با اندازه‌گیری این زمان، می‌توان مشخص کرد که فاصله از ایستگاه فرستنده دقیقاً برابر با 150 کیلومتر از هرکدام از ایستگاه‌ها است. اگر گیرنده در امتداد خط پایه تغییر محل دهد، زمان‌بندی سیگنال‌ها را تغییر می‌کند. به عنوان مثال، اگر تفاوت زمانی سیگنال از یکدیگر 0.25 و 0.75  میلی ثانیه باشد، گیرنده متحرک 75 کیلومتر از ایستگاهِ نزدیک، و 225 از ایستگاه دور فاصله خواهد داشت.

 

اگر گیرنده متحرک از خط پایه فاصله بگیرد، تأخیر زمانی از هر دو ایستگاه افزایش خواهد یافت. به عنوان مثال، اگر اندازه‌گیری زمان تأخیر 1 و 1.5 میلی ثانیه باشد، به معنی آن است که گیرنده300 کیلومتر از یک ایستگاه نزدیکتر و 450 کیلومتر از ایستگاه دورتر فاصله خواهد داشت. اگر یک دایره به شعاع 300 و 450 کیلومتر در اطراف دو ایستگاه ترسیم کنیم، دایره‌ها یکدیگر را در دو نقطه قطع می‌کنند. با استفاده از هر مرجع اطلاعات ناوبری دیگر، می‌توان یکی از این دو تقاطع را حذف کرد، و به این ترتیب محل دقیق خود را تعیین کرد. به عبارتی دیگر می‌توان گفت که نقطه تثبیت شد.

 

زمان مطلق و اختلاف زمانی :

یک مشکل عملی جدی با این رویکرد وجود دارد. به منظور اندازه‌گیری زمان دریافت سیگنال‌ها، گیرنده باید زمان دقیق ارسال سیگنال فرستاده شده را بداند. با استفاده از تکنولوژی‌های الکترونیکی مدرن این مسئله خیلی بی‌اهمیت است. چنین عملی از عهده سیستم‌های ناوبری مدرن، از جمله سیستمهای ماهواره ای بر می‌آید.

 

با این حال، در دهه1930 اندازه‌گیری دقیق زمان امکان‌پذیر نبود. ساخت ساعتی که به اندازه کافی از دقت و صحت مورد نیاز برخوردار باشد بسیار مشکل بود. حتی قابل حمل بودن نیز بر مشکل می‌افزود. به عنوان مثال یک نوسانگر کریستالی درای انحراف (یا لغزش) حدود 1 تا 2 ثانیه در یک ماه (معادل 1.4x10^-3 ثانیه در یک ساعت است) . با وجودی که این مقدار ممکن است کوچک به نظر برسد، اما با توجه به سرعت نور (3x10⁸ متر بر ثانیه)، این لغزش زمانی نشان دهنده یک رانش برابر با 400 متر در ساعت است. تنها با گذشت چند ساعت از شروع پرواز، چنین سیستمی عملاً غیرقابل استفاده‌است. جالب آنکه این مشکل تا پیش از معرفی ساعت اتمی (در دهه1960) در سیستم هوانوردی وجود داشت.

 

از سوی دیگر، اندازه‌گیری تفاوت بین دو سیگنال با دقت بالا ممکن بود. بخش عمده‌ای از توسعه تجهیزات مناسب در این راستا بین سال‌های 1935 و 1938 انجام شده‌است و به عنوان بخشی از تلاش برای استقرار رادار سیستم به ثمر نشست. بریتانیا به طور خاص، سرمایه‌گذاری قابل توجهی را در راه توسعه خود سیستم Chain Home انجام داده بود. صفحه نمایش راداری سیستم Chain Home که بر اساس اسیلوسکوپ ( یا اسیلوسکوپ که آنها در زمان شناخته شده بود) کار می‌کردند، پا به عرصه گذاشتند. پس از ارسال سیگنال توسط فرستنده‌ها، صفحه نمایش راداری شروع به رفت و برگشت (به منظور نمایش) می‌کرد. سیگنال بازگشتی تقویت شده و به صفحه نمایش فرستاده می‌شد، این عمل باعث ایجاد یک تصویر بر روی صفحه رادار (به انگلیسی blip) می‌شد. با اندازه‌گیری فاصله در امتداد جهت صورت (راستای) اسیلوسکوپ بین دو تصویر بر روی صفحه نمایش، زمان بین پخش و دریافت سیگنال را می‌توان اندازه‌گیری کرد؛ بنابراین محدوده هدف مشخص می‌شود.

 

با تغییر بسیار اندک، می‌توان همان صفحه نمایش را جهت بدست آوردن اختلاف زمانی بین دو سیگنال مجزا مورد استفاده قرار داد. در کاربرد ناوبری، به منظور تفکیک بین فرستنده اصلی و ثانویه، هر تعداد از روش‌های شناسایی که لازم باشد باید مورد استفاده قرار گیرد.

 

سیستم‌های عملی :

ماینت هارمز اولین کسی بود که برای ساخت سیستم‌های ناوبری هذلولی اقدام کرد. این پروژه در سال 1931 تحت عنوان musings به وجود آمد؛ که قسمتی از پروژه ارشد او در دانشکده ناوبری سیفارشوله در لوبک انجام شد. پس از اخذ مدرک دکتری در زمینه ریاضیات، فیزیک و ناوبری در دانشگاه Kaisertor در لوبک، هارمز تلاش کرد که با استفاده از فرستنده‌ها و گیرنده‌های ساده به پیاده‌ سازی سیستم ناوبری هذلولوی بپردازد. در 18 فوریه 1932 او به خاطر ابداعش، به دریافت Reichspatent-Nr. 546000 نائل شد.

 

منبع :1 

[MR9 113,601]

سلام علیکم 

 

سیستم GEE : 

در خلال جنگ جهانی دوم و توسط بریتانیا ایجاد شد و برای هدایت و مسیر یابی نیروی هوایی سلطنتی استفاده میشد.  این سامانه موقعیت یابی ، ساختمان و عملکردی مشابه سیستم LORAN داشت .این سیستم خطایی در حدود چند صد متر و بردی تا حدود 560 کیلومتر داشت. 

 

 

 

این سیستم ، بنده را یاد سلسله مقالاتی انداخت که حداقل 28 سال پیش ، در یک مجله  که بعدها بسته شد ، تحت عنوان " داستان جنگ الکترونیک" مطالعه کرده بودم . متاسفانه براثر اهمال شخصی بخشی از این سلسله مقالات از میان رفت ، اما بدلیل مطالعه مستمر بخشی زیادی از آن در حافظه مانده (بدلیل نثر فوق العاده و جذابی که داشت ) 

 

داستان این سیستم ناوبری ، طولانی است ، اما به شکل خلاصه ، نیروی هوایی سلطنتی ، برای بمباران دقیق اهداف در عمق خاک امپراتوری رایش ، این سیستم را توسعه داد اما برای مخفی ماندن آن از دید چشمان کنجکاو اطلاعات  نظامی لوفت وافه ، به شکل موازی ، و در کنار شبکه "گی" ، شبکه "جی " را هم بر سر زبانها انداخت تا افسران اطلاعاتی لوفت وافه را با توجه به شباهت در تلفظ این واژه  ،  به اشتباه بیافتند . علاوه برآن ، برای نخستین بار ، تجهیزات ناوبری  نصب شده بر روی بمب افکن های بریتانیایی به  سیستم تخریب اتوماتیک مجهز شدند تا در صورت سقوط ، تجهیزات آن بدست دشمن نیافتند ، هر چند ، خلاقیت خاص آلمان ها ، بازهم به کمک شان آمد و با سرهم کردن تجهیزات باقی مانده از حداقل 10 بمب افکن ساقط شده بریتانیایی ، یک سیستم کامل را بدست آورده و از همان برای فریب اسکادران های تهاجمی RAF استفاده می کردند . 

 

پی نوشت :

 

نکته جالب اینجاست که در یکی از قسمتهای سریال " ارتش سری" بصورت بسیار ظریفی بدین نکته پرداخته شد . 

[oldmagina 9,234]

Multilateration :

یک تکنیک موقعیت یابی است که بر اساس اندازه گیری فاصله از دو ایستگاه که در مکان مشخص و در زمانهای مشخص ، سیگنالهایی را انتشار می دهند ، عمل می کند.

بر خلاف اندازه گیری مطلق فاصله یا زاویه ، اندازه گیری اختلاف فاصله از دو ایستگاه باعث ایجاد تعداد نامحدودی از مکانهایی می شود که در اندازه گیری صدق می کنند. وقتی این مکانهای ممکن را رسم کنیم، یک منحنی هذلولی به دست می آید. برای مشخص کردن مکان دقیق بر روی منحنی ، Multilateration بر اندازه گیری های متعدد تکیه می کند. : یک اندازه گیری دوم به وسیله یک جفت متفاوت از ایستگاهها ، منحنی دومی را ایجاد خواهد کرد که با منحنی اول تلاقی می کند. وقتی که دو منحنی در یک صفحه رسم شوند ، گروه کوچکی از نقتط ممکن مشخص خواهند شد، این کار یک بهینه سازی ایجاد می کند.

 

Multilateration یک تکنیک عمومی در سیستمهای موقعیت یابی رادیویی است و معمولا با نام موقعیت یابی هذلولی شناخته می شود. راه اندازی سیستمهایی که از این روش استفاده می کنند ، نسبتا آسان است . دلیل اصلی هم این است که این سیستم ها نیازی به استفاده از ساعت مشترک ( بین گیرنده و فرستنده ) ندارند. تفاوت در زمان سیگنالها را می توان به شکل دیداری و با استفاده از یک اسیلوسکوپ مشخص کرد. این روش اساس یک سری از سیستمهای موقعیت یابی پر کاربرد بود که از دوران جنگ جهانی دوم و شروع به کار سیستم Gee شروع به کار کردند و سیستمهای مشابه و متعدد دیگری هم در طی سالهای بعد به وجود آمدند.

 

در دهه 1980 و با ظهور میکروپروسسورها ساخت و استفاده از دستگاههای استفاده کننده این سیستم خیلی آسان تر شد و باعث شد استفاده از این سیستم ها به راحتی عمومیت یابد. عمومی ترین سیستم موقعیت یابی هذلولی ، سیستم LORAN-C بود که تقریبا در سراسر دنیا استفاده می شد که در نهایت در سال 2010 متوقف شد . بعضی از این سیستمها هنوز هم به کار خود ادامه می دهند ولی با گسترش استفاده از سامانه های موقعیت یابی ماهواره ای ، اکنون این سیستمها مازاد به نظر می رسند.

 

باید توجه کرد که Multilateration را با تکنیکهای Trilateration یا  Triangulation اشتباه نگیریم. Trilateration از اندازه گیری زمان مطلق انتشار امواج از سه منبع مختلف استفاده می کند و Triangulation با اندازه گیری زاویه ها سر و کار دارد. هر دو تای این سیستمها هم در سیستمهای موقعیت یابی رادیویی به کار می روند.

 

منبع : 1

[oldmagina 9,234]

عصر ماهواره : 

 

سیستم Transit :

این سیستم که به عنوان NAVASAT یا ( NNSS ( Navy Navigation Satellite System هم شناخته می شود ، اولین سیستم هدایت ماهواره ای بود که به شکل عملیاتی به راه افتاد. این سیستم ابتدا برای نیروی دریایی ایالات متحده طراحی شد تا اطلاعات دقیق مکانی را برای زیردریایی های حامل موشک بالستیک پولاریس ، فراهم نماید. بعد از راه اندازی ، این سیستم برای کشتیها نیز به کار برده می شد و برای نقشه برداری دریایی و زمینی نیز استفاده می شد. این سیستم از سال 1964 به بعد به شکل پیوسته خدمات موقعیت یابی ماهواره ای را ابتدا برای زیر دریایی های پولاریس و در نهایت برای مردم عادی ارائه کرد.

 

پروتوتایپ ماهواره ترنزیت 1

در این پروژه 4 تا 7 ماهواره در مدارهای دایره‌ای شکل که فاصله آنها از زمین حدود 1100 کیلومتر بود قرار گرفتند که امواج خود را در فرکانس‌های 150 و 400 مگاهرتز به زمین ارسال می‌نمودند. این سامانه بر اساس روش داپلر طراحی گردیده بود و مختصات دو بعدی به کاربر ارایه می‌نمود. 

 

خطای جانمایی اولیه این سیستم در حدود 25 متر بود . نقشه بردارانی که سیستم transit را برای جانمایی عوارض خاص به کار می بردند ، برای این کار از متوسط به دست آمده از تصحیح های متعدد انجام شده توسط این سیستم استفاده می کردند ؛ تا حدی که گاهی به دقت زیر یک متر هم دست می یافتند. در حقیقت ارتفاع کوه اورست در اواخر دهه 1980 ، با استفاده از گیرنده Transit  تصحیح شد تا بر اساس آن سایر عوارض زمینی مجاور نیز نقشه برداری مجدد گردند.

 

هزاران کشتی ، ناوچه و قایق جنگی از سال 1967 تا 1991 از این سیستم استفاده می کردند. در سال 1970 شوروی شروع به پرتاب ماهواره برای سیستم موقعیت یابی ماهواره ای خود کرد. سیستم Parus نظامی بود و Tsikada  برای استفاده غیر نظامی به کار رفت . این سیستم ها هنوز در کنار نسل جدید خودشان ، GLONASS در حال استفاده هستند.

 

با شروع استفاده از( GPS (Global Positioning System ، سیستم Transit از رده خارج شد و سرویس موقعیت یابی اش را از سال 1996 متوقف کرد. ارتقای الکترونیک اجازه داد که سیستم GPS بتواند به شکل موثری تصحیح های متعدد را یکجا انجام دهد و این کار به شکل عمده ای پیچیدگی مشخص کردن موقعیت را کاهش داد . همچنین سیستم GPS ماهواره های بیشتری را نسبت به Transit  به کار می برد که اجازه می دهد این سیستم به شکل پیوسته مورد استفاده قرار بگیرد، در صورتی که سیستم Transit قادر به انجام هر تصحیح در هر یک ساعت یا بیشتر بود.

 

سیستم Transit از سال 1996 به بعد برای استفاده به عنوان سیستم مونیتورینگ یونوسفریک نیروی دریایی (NIMS) به کار میرود.

 

منبع : 1

[oldmagina 9,234]

موقعیت سیستم های مهم موجود ماهواره ای در مدار زمین :

 

بعد از طراحی و اجرای پروژه‌های موقعیت یابی ماهواره ای و موفقیت نسبی آنها و همچنین با پیشرفت الکترونیک و تکنولوژی کشورهای آمریکا و روسیه ( وارث ابرقدررت سابق شوروی ) سیستمهای موقعیت یابی ماهواره ای جدیدی به وجود آوردند . در همین راستا کشورهای پیشرفته غیر از آمریکا و شوروی نیز به فکر ابداع یک سامانه موقعیت‌یاب و ناوبری جهانی برای خود افتادند تا وابستگی خود را به این دو کشور در این زمینه کاهش دهند و یا از بین ببرند.  بر این اساس اتحادیه اروپا، چین و ژاپن فعالیت‌هایی را آغاز نمودند. 

 

در حال حاضر سامانه موقعیت‌یاب جهانی موسوم به GPS که متعلق به کشور آمریکا می‌باشد، جایگاه ویژه‌ای بین کاربران نظامی و غیرنظامی یافته است. سامانه موقعیت‌یاب جهانی روسیه با عنوان GLONASS تقریبا تکمیل شده است و سرویسهای غیر نظامی نیز ارائه می کند ، سیستم اتحادیه اروپا با عنوان GALILEO و سیستم چینی با عنوان BEIDUE از دیگر سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی‌اند که در حال تکامل هستند.

 

 

 

منبع عکس : 1

به لطف خدا در پستهای بعدی به بررسی سیستمهای موقعیت یابی ماهواره ای موجود و طرز عملکرد آنها خواهیم پرداخت.

[oldmagina 9,234]

سیستم موقعیت یابی جهانی ( GPS ) :

Global Positioning System  که با عنوان NavaStar هم شناخته می شود یک سیستم ماهواره ای موقعیت یابی جهانی است ( GNSS ) که اطلاعات زمانی و مکانی را در تمام شرایط آب و هوایی ، در هر موقعیتی در سطح یا نزدیک سطح زمین ، فراهم می آورد، به شرطی که خط دید مستقیم و مسدود نشده ای به 4 عدد یا بیشتر از ماهواره های GPS در دسترس باشد . 

 

 

سیستم GPS بدون وابستگی به گیرنده های تلفن یا اینترنت عمل می کند ، اگر چه با دسترسی به این منابع می توان اطلاعات دریافتی از این سیستم موقعیت یابی را مناسب تر و کاربردی تر کرد . سیستم GPS می تواند توانایی های حیاتی در زمینه موقعیت یابی برای کاربران نظامی ، مدنی و یا کاربران عادی در سراسر جهان فراهم کند.

 

 

پروژه GPS در سال 1973 و توسط ایالات متحده ، برای غلبه بر محدودیتهای سیستم های موقعیت یابی پیشین ، شروع شد. وزارت دفاع آمریکا سیستمی را توسعه داد که به شکل پیش فرض 24 ماهواره را به کار می برد. این سیستم در سال 1995 و با تکمیل تعداد ماهواره ها به توان پیش بینی شده نهایی خود دست یافت . افتخار اختراع این سیستم به راجر ال استون ، ایوان ای گتینگ و برادفورد پارکینسون از آزمایشگاه فیزیک پیشرفته ایالات متحده تعلق دارد.

 

 

پیشرفتهای تکنولوژیکی و نیازهای جدید باعث تمایل زیادی برای ارتقا و مدرنیزه کردن سیستم موجود و توسعه نسل جدید ماهواره ها با عنوان GPS BlockIIIA و نسل جدید سیستم های کنترل عملیاتی ( OCX ) شده اند . این تغییرات از سال 1998 با دستور کاخ سفید شروع شدند و در سال 2000 با تصویب کنگره آمریکا شروع به عملیاتی شدن کردند و در نهایت به GPSIII خواهند انجامید.

 

 

نکته جالب: 

 

دانشمندان پیش بینی کردند که به علت ارتفاع ماهواره ها از سطح زمین و اثر جاذبه ای ، ناظر زمینی هر روز احساس خواهد کرد که ساعت ماهواره ها 38 میکرو ثانیه سریعتر است . این امر می تواند باعث بروز اشکال محاسباتی در حدود 10 کیلومتر در روز شود . در طراحی GPS این اختلاف در نظر گرفته شده است و به صورت پیش فرض تصحیح می شود. 

 

منبع : 1

[oldmagina 9,234]

ساختار GPS :

GPS فعلی از سه قسمت اساسی تشکیل شده است. این سه قسمت اصلی عبارتند از : قسمت فضایی  ، قسمت کنترل   و قسمت کاربر  .

 

قسمتهای کنترل و فضایی توسط نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا پایه گذاری شده اند و توسعه یافته اند و اکنون نیز به کار خود ادامه می دهند . امواج منتشر شده از فضا توسط ماهواره های جی پی اس ، توسط گیرنده های جی پی اس دریافت می شوند ؛ این گیرنده ها به وفور در اختیار انواع کاربران قرار دارند و برای محاسبه کردن موقعیت سه بعدی ( طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع ) محل مورد نظر و زمان به کار می روند.

 

• بخش فضایی ( Space Segment ) : از 24 تا 32 ماهواره تشکیل شده است که در مدار میانی زمین ( Medium Earth Orbit ) قرار گرفته اند و همچنین شامل تاسیساتی هم می شود که برای آماده سازی و پرتاب آنها به کار می روند.
• بخش کنترل (  Control Segment ) : از یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی MCU ) Master Control Station ) ، یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی دیگر به عنوان پشتیبان ، یک میزبان آنتنهای اختصاصی و اشتراکی برای سیستم و ایستگاههای پایش تشکیل شده است.
• بخش کاربری ( User Segment ) : از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از GPS کد گذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می کنند و صدها میلیون کاربر مدنی عمومی یا علمی تشکیل شده است که از امکانات موقعیت یابی استاندارد استفاده می کنند .

 

 

منبع : 1