اشاره: از گذشته موقعيت‌يابي جزو يكي از دغدغه‌هاي انسان بوده است. از گذاشتن سنگ‌چين گرفته تا محاسبات نجومي پيشرفته همه با هدف موقعيت‌يابي بوده است. امروزه با ورود تكنولوژي‌هاي نوين و به ويژه تكنولوژي‌هاي فضايي و ICT اين امر به راحتي و سهولت قابل اجرا مي‌باشد. همه شما با كلمه GPSآشنايي نسبي داريد، به ويژه در اين روزها كه كم‌كم اين دستگاه وارد زندگي ما ايرانيان نيز شده و GPS در بازارهاي كشور ما به فروش مي‌رسد و استفاده از اين دستگاه را در زندگي روزمره هم مشاهده مي‌كنيد. براي مثال چندي است بخشي از تاكسي‌هاي ويژه بانوان به اين دستگاه مجهز شده‌اند و يا اينكه كليه وسايل حمل و نقل عمي موظف به نصب آن شده‌اند در اين مقاله نگاه مختصري داريم به اين دستگاه و طرز عمل آن.

GPS چيست؟

سيستم مكان‌ياب جهاني (Global Positioning Systems) يا GPS يك سيستم راهبري و مسيريابي ماهواره‌اي است كه از شبكه‌اي با ۲۴ ماهواره ساخته شده است و در سال 1994 تمامي 24 ماهواره در مدار زمين قرار گرفت. اين ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ايالات متحده با نام «ناو استار» و با بودجه‌اي بيش از 12 بيليون دلار ساخته و اولين آنها در سال 1978 با موفقيت به فضا پرتاب شد و در مدار قرار داده شده است. اين سيستم در ابتدا براي مصارف نظامي تهيه شد ولي از سال ۱۹۸۰ استفاده همگاني از آن آزاد و آغاز شد.

خدمات اين مجموعه در هر شرايط آب و هوايي و در هر نقطه از كره زمين در تمام ساعت شبانه‌روز در دسترس است. پديدآوردنگان اين سيستم، هيچ حق اشتراكي براي كاربران در نظر نگرفته‌اند و استفاده از آن كاملا رايگان مي‌باشد. امروزه در كشورهاي توسعه يافته از اين سيستم جهت كمك به راهبري خودرو، كشتي و انواع وسايل نقليه ديگر بهره‌گيري مي‌شود. هر چه نقشه‌هاي منطقه‌اي كه در حافظه گيرنده بارگذاري مي‌شود دقيق‌تر باشد، سرويس‌هايي كه از GPS مي‌توان دريافت داشت نيز بهتر مي‌شود.

براي نمونه مي‌توان از GPS مسير نزديك‌ترين پمپ بنزين، تعميرگاه و يا ايستگاه قطار را پرسيد و مسير پيشنهادي را دنبال كرد. دقت مكان‌يابي اين سيستم در حد چند متر است كه بسته به كيفيت گيرنده تغيير مي‌كند. از سيستم مكان ياب جهاني مي‌توان در كاره‌هايي چون نقشه‌برداري و مساحي، پروژه‌هاي عمراني، كوهنوردي، كايت سواري، سفر در مناطق ناشناخته، كشتي‌راني و قايقراني، عمليات نجات هنگام وقوع سيل و زمين‌لرزه و هر فعاليت ديگر كه نيازمند محل‌يابي باشد، بهره برد.

تاريخچه GPS

تقريباً در اواسط دهه ۶۰ وزارتخانه‌هاي دفاع برخي از كشورها متوجه شدند كه سيستم‌هاي ناوبري آن زمان از دقت مطلوبي برخوردار نيستند و به طور طبيعي، چشم‌ها به سمت فضاي نزديك زمين دوخته شد. اولين سيستم ناوبري ماهواره‌اي «ترنسيت» نام داشت. اين پروژه وزارت دفاع آمريكا از شش ماهواره تشكيل شده بود و از مختصات خاصي بهره مي‌برد. ماهواره بر روي يك مسير خاصي حركت كرده و بر روي فركانس مشخصي، امواج را ارسال مي‌نمود و يك سيگنال با يك فركانس مشخص به گيرنده‌ها مي‌رسيد و موقعيت مكاني با اندازه‌گيري تغيير فركانس محاسبه مي‌شد. ماهواره‌ها امكان تغيير موقعيت هر نقطه از كره زمين را در هر يك ساعت و نيم و با دقتي برابر با ۲۰۰ متر فراهم مي‌نمودند.

سيستم ماهواره‌اي «ترنسيت» تا سال ۱۹۹۶ به حيات خود ادامه داد. تولد سيستم موقعيت‌يابي جهاني يا به اختصار GPS در سال ۱۹۷۳ اتفاق افتاد. يعني زماني كه وزارت دفاع آمريكا هماهنگ‌سازي سيستم‌هاي ناوبري را آغاز نمودند. زيرا سازمان‌هاي مختلف سيستم‌هاي متفاوتي را ايجاد كرده بودند كه اكثراً با يكديگر منطبق نبودند. اين سيستم جديد تفاوت‌هاي مهمي با ترنسيت دارد، هر ماهواره چند ساعت اتمي با خود همراه دارد، موقعيت خود را همراه زمان دقيق، به صورت يك سيگنال ارسال مي‌كند و سيستم ناوبري كاربر زمان استخراج شده از اين سيگنال را مقايسه كرده و در سه نقطه موقعيت‌يابي مي‌كند. ضمناً احتياجي به هيچ گونه ساعت دقيقي در گيرنده نيست. تنها وقت در دوره‌هاي زماني كوتاه مورد نياز است.

GPS از چه بخش‌هايي تشكيل شده است؟

سيستم موقعيت جهاني از سه بخش مجزا تشكيل شده است. اولين بخش سيستم شامل 24 ماهواره است كه در 20000 كيلومتري بالاي زمين در مدار مدور 12 ساعته مي‌چرخند. اين بدين معني‌ست كه هر ماهواره 12 ساعت براي چرخش كامل به دور زمين به كار برده مي‌شود. به منظور كسب اطمينان از اينكه ماهواره‌ها قادر به رديابي و تشخيص در هر نقطه از روي سطح زمين باشند، آنها به شش گروه چهارتايي تقسيم مي‌شوند.

هر گروه مسير متفاوتي را براي را دارد. اين امر باعث ايجاد صفحات مداري متفاوتي 6 گانه كه به طور كامل زمين را احاطه مي‌كنند مي‌شود. اين ماهواره‌ها علائم راديويي به زمين ارسال مي‌دارند كه شامل اطلاعاتي درباره زمين است. با استفادده از دريافت كننده زميني GPS، اين علائم دريافت و ارتفاع، طول جغرافيايي و عرض جغرافيايي (موقعيت جهاني) دريافت كننده را تعيين مي‌كند. علائم راديويي در 2 فركانس با باند كوتاه فرستاده مي‌شود (L-bond) باند كوتاه به فركانس‌هاي بين 390 تا 1550 مگاهرتز (MHz) اشاره مي‌كند.

در هر علامت، توالي كدگذاري شده‌اي ارسال مي‌شود. با مقايسه توالي دريافت شده با توالي اصلي، دانشمندان قادر به تعيين ميزان مسافت طي شده علامت از ماهواره به زمين هستند. تأخير علامت در شناسايي و مطالعه لايه‌هاي جوي كه سطح زمين را احاطه كردند (يونوسفر و تروپوسفر) مفيد هستند. علامت سومي نيز از ماهوراه به زمين ارسال مي‌شود كه شامل داده‌هايي درباره سلامت موقعيت ماهواره است.

دومين بخش سيستم GPS ايستگاه زميني است كه مانند وسائل مخابراتي ارسال كننده داده‌ها به مركز داده‌ها، شامل يك دريافت‌كننده و آنتن است. آنتن تك جهته در هر محل، كه بيشتر شبيه به آنتن راديويي يك ماشين عمل مي‌كند، علائم ماهواره‌اي را جدا و بصورت جريان‌هاي الكتريكي به محل دريافت كننده ارسال مي‌كند. سپس دريافت كننده علائم را به كانال‌هاي طراحي شده براي يك ماهواره و فركانس خاص در زماني خاص، جدا مي‌كند.

زماني كه علائم تفكيك شده باشد،‌ دريافت كننده مي‌تواند آنها را كدگذاري كرده و به فركانس‌هاي مجزا تبديل كند. با اين اطلاعات دريافت كننده موقعيت عمومي آنتن را تشخيص مي‌دهد (طول جغرافيايي، عرض جغرافيايي و ارتفاع). بعد از آن، داده‌هاي جمع‌آوري شده توسط دريافت كننده مي‌تواند مجدداً توسط دانشمندان فرآوري شده و چيزهاي متفاوتي از آنها مانند سري موقعيت‌هاي ديگر مطابق با همان آنتن و با دقت ميلي‌متري، بدست مي‌آيد.

سومين بخش سيستم، مركز داده‌ها است. نقش مركز داده‌ها دو جنبه دارد. اين بخش هم ايستگاه‌هاي GPS جهاني را كنترل مي‌كند و هم براي تحليل و اصلاح داده‌ها از دريافت كننده آن ايستگاه‌ها، از سيستم‌هاي كامپيوتري خودكار استفاده مي‌كند. با كار بر روي داده‌هاي خام و ايجاد داده فرآوري شده دانشمندان جهان قادرند از آن براي كارهاي متفاوت استفاده كنند. تا زمانيكه محل‌هاي GPS جهاني توسط مركز متفاوت در سراسر دنيا ساخته و اداره مي‌شوند، مكان‌هاي مركزي داده‌هاي متفاوت زيادي وجود دارد.

GPS جگونه كار مي‌كند؟

اصول اساسي GPS واقعاً‌ بسيار ساده است، اگر چه سيستم برخي از پيشرفته‏ترين ابزارهايي كه تا حال ساخته شده را به كار مي‏گيرد. براي درك آن بايد سيستم را به پنج بخش حياتي تقسيم كنيم:
1) مثلث‏بندي (اندازه‌گيري به روش مثلث‏بندي) با ماهواره‏ها اساس سيستم است.
2) براي اندازه‏گيري مثلث‏بندي، GPS فاصله را توسط زمان طي مسير به وسيله يك پيام راديوئي اندازه مي‏گيرد.
3) براي اندازه‏گيري زمان طي مسير، GPS به ساعت‏هاي بسيار دقيقي نياز دارد.
4) وقتي كه شما فاصله تا ماهواره را دانستيد بايد بدانيد كه ماهواره در كجاي فضا قرار دارد.
5) هنگامي كه پيام GPS از يونيسفر و جو ‌زمين عبور مي‏كند در آن تاخير به‏وجود مي‏آيد.
دستگاه گيرنده GPS هم یک دستگاه صرفاً گیرنده می‌باشد که اطلاعات به دست آمده از ماهواره‌های اطراف زمین را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و PIV شما را محاسبه می‌کنند. P=Position منظور موقعییت شما در هر نقطه از کره خاکی و فضای اطراف آن است، T= Time منظور زمان محلی دقیق و با دقت فوق‌العاده بالا در همان منطقه‌ای که شما هستید و V=Velocity منظور سرعت لحظه‌ای شماست که آن را با دقت فوق العاده بالا محاسبه می‌کند.

گيرنده‌هاي GPS اطلاعات ارسالي از ماهواره‌ها را دريافت كرده و با انجام محاسبات هندسي، محل دقيق گيرنده را روي كره زمين محاسبه مي‌كنند. در واقع گيرنده زمان فرستاده سيگنال توسط ماهواره را با زمان دريافت آن مقايسه مي‌كند. از اختلاف اين دو زمان فاصله گيرنده از ماهواره تعيين مي‌گردد. حال اين عمل را با داده‌هاي دريافتي از چند ماهواره ديگر تكرار مي‌كند و بدين ترتيب محل دقيق گيرنده را با اختلافي ناچيز در مي‌بابد.

گيرنده به دريافت اطلاعات همزمان از حداقل ۳ ماهواره براي محاسبه ۲ بعدي و يافتن طول و عرض جغرافيايي و همچنين دريافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره براي يافتن مختصات سه بعدي نيازمند است. با ادامه دريافت اطلاعات از ماهواره‌ها گيرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسيرپيموده شده، فواصل طي شده، فاصله باقي مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشيد و بسياري اطاعات مفيد ديگر مي‌نمايد.

ماهواره‌اي GPS

24 ماهواره در بخش‌هاي مختلف فضاي زمين در مداري خاص با فاصله حدود 12000 مايلي بالاي سر ما قرار گرفته است. آنها با يك سرعت ثابت در حركتند و هر ماهواره دقيقا طي ۱۲ ساعت با سرعت ۱۱ هزار كيلومتر بر ساعت يك دور كامل به دور زمين مي‌گردد. وزن هر ماهواره GPS حدود 907 كيلوگرم است و ابعاد آن 18/5 متر است. هر ماهواره براي 10 سال مأموريت ساخته مي‌شود و پس از طي اين زمان حتماً بايستي ماهواره ديگري جايگزين گردد. انرژي ماهواره‌هاي GPS از طريق صفحه‌هاي خورشيدي تعمين مي‌شود.

هچنين آنها مجهز به باطري‌هاي قابل شارژ اتوماتيك براي زمان‌هاي بارندگي يا خورشيد گرفتگي مي‌باشند كه در آن زمان هم پروسه تامين انرژي مختل نشود. همچنين
rocket booster‌هاي كوچك روي هر ماهواره آنها را در يك مسير پروازي صحيح نگهداري مي‌كنند. براي تنظيم دقيق زمان هم در داخل هر کدام از این ماهواره‌ها 4 ساعت اتمی قرار داده‌اند تا مطمئن باشیم که در یک لحظه بخصوص حداقل یکی از آنها کار می‌کند.

دسته‌بندي دستگاه‌هاي GPS

بسته به نوع مصرف و بودجه مي‌توانيد از گستره زيادي از گيرنده‌هاي GPS بهره ببريد. همچنين، بايد از در دسترس بودن نقشه مناسب و به روز (up-to-date) براي منطقه مورد استفاده‌تان، اطمينان حاصل كنيد. امروزه بهاي گيرنده‌هاي GPS بطور چشمگيري كاهش پيدا كرده و هم اكنون در اروپا انواع معمولي اين گيرنده‌ها را با بهايي برابر با يك گوشي متوسط موبايل نيز مي‌توان تهيه كرد. بطور كلي يك GPS را مي‌توان از يكي از 3 گروه ذيل دانست:

GPS MOUSE: اين نوع دستگاه هيچ صفحه يا دكمه‌اي ندارد اما توسط يك pc Laptop با نرم‌افزار مربوطه قابل استفاده سرويس GPS مي‌باشد. دستگاه‌هاي اين گروه با قيمت‌هاي پايين‌ترقابل خريد و فروشند و قيمت اين GPSها حدود 75 تا 150 دلار آمريكا متغير مي‌باشد. ولي فراموش نكنيد كه اين نوع GPSها حتماً به Laptop يا pc نياز دارند.

Hand-Held GPS: اين نوع دستگاه‌ها مي‌توانند به صورت سيار مورد استفاده قرار گيرند. آنها خودشان يك صفحه كوچك جهت نمايش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكل‌ها و تركيب‌هاي مختلفي عرضه مي‌شوند و هيچگونه نيازي به Laptop ندارند. تعدادي از اينها يك رابط NMEA و يك كابل رابط دارند قيمت با كابل ممكن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممكن است بعضي از كشورها ارزان‌تر هم موجود باشد. يك GPS دستي ارزان قيمت با يك كابل رابط براي انتخاب و آغاز كار با GPS مناسب مي‌باشد، حتي براي كار يا آشنايي شما با طرز كار و خدمات GPS.

High-End GPS products: اين دستگاه‌ها شامل يك صفحه نمايشگر بزرگ‌تر و تعدادي نقشه مي‌باشند و در بعضي از آنها شما بايستي مبلغ بيشتري جهت نقشه‌ها بپردازيد. قيمت اين دستگاه‌ها ممكن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500 دلار آمريكا باشد.