Gps یا سیستم مکان يابي جهاني چيست؟

[Borna66]

GPS چيست؟

GPS یا سیستم مکان يابي جهاني ،یک سیستم ناوگانی ماهواره است كه از شبكه اي با 24 ماهواره ساخته شد و بوسیله ی سازمان دفاع آمريكا در مدار قرار گرفت. در ابتدا GPS براي مصارف نظامي به كار گرفته می شد اما در 1980 ، دولت آمريكا اين سيستم را براي استفاده هاي شخصي در نظر گرفت.GPS درهر شرايط آب و هوايي و در هر جاي دنيا ،در 24 ساعت شبانه روز قابل دسترسي است و هيچ حق اشتراك يا هزينه اي براي استفاده از GPS وجود ندارد.

GPS چگونه كار مي كند؟

ماهواره های GPS در يك مدار معين، زمين را دو بار در روز دور مي زنند و سیگنال های اطلاعاتی را به زمين ارسال مي كنند. دريافت كننده GPS اين اطلاعات را گرفته و براي محاسبه مكان دقيق كاربر از روش هاي هندسي استفاده مي كند. در اصل دريافت كننده ي GPS زمان ارسال سيگنال از ماهواره را با زمان دريافت سيگنال مقايسه مي كند. اختلاف زمان بازگو كننده ي ميزان فاصله ي ماهواره از دريافت كننده ي GPS است. با اندازه گيري فاصله، از تعدادی چند از ماهواره ها ،دريافت كننده مي تواند مكان كاربر را مشخص كرده و آن را روي نقشه ي الكترونيكي واحد نمايان كند.

يك دريافت كننده ي GPS با سیگنال هايی كه از حداكثر سه ماهواره دريافت مي كند، مي تواند مسير حركت و مختصات دو بعدي (طول و عرض) مكان را محاسبه كند. با در نظر گرفتن چهار يا بيشتر ماهواره ، دريافت كننده مي تواند مختصات سه بعدي (طول،عرض،ارتفاع) مكان كاربر را مشخص كند. زماني كه مكان كاربر مشخص شد ، GPS مي تواند ساير اطلاعات نظیر:سرعت،مسیر،فاصله ي پیموده شده،فاصله تا مقصد،زمان طلوع و غروب خورشید و ... را محاسبه کند



دقت GPS تا چه حد است؟

امروزه دريافت كننده هاي GPS داراي دقت بي نهايت بالايي هستند و اين امر را مديون طرح كانال چند گانه موازي هستيم. دريافت كننده هاي كانال 12 موازي گارمين به محض روشن شدن سرعت بالايي در برقراري رابطه با ماهواره دارد و اين ارتباط به طور مستمر بر قرار است و حتي درختان انبوه و آسمان خراش هاي بلند مانع برقراري ارتباط نمي شوند.كارخانه هاي اتمسفريك و ديگر چشمه هاي ايجاد خطا، روي دقت دريافت كننده ي GPS تاثير مي گذلرند. دريافت كننده هاي GPS گارمين داراي ميانگين دقت 15 متر مي با شند.دريافت كننده هاي GPS گارمين با قابليت سيستم افزايش عرض ناحيه دقت را با ميانگين كمتر از 3 متر بهبود مي بخشد. هيچ لوازم يدكي و يا حق الزحمه اي براي استفاده از سيستم افزايش عرض ناحيه احتياج نيست.كاربران مي توانند دقت را با كمك GPS تفاضلي بهتر كنند. به اين صورت كه سيگنال هاي GPS را تقويت مي كند و به ميانگين 3تا 5 متر مي رساند.گارد ساحلي آمريكا اغلب از سرويس تقويت كننده GPS تفاضلي استفاده مي كند. اين سيستم شامل شبكه اي از برج ها مي باشد كه سيگنال هاي GPS را دريافت كرده و سيگنالي تقويت شده به وسيله ي فرستنده هاي راديويي ارسال مي كنند. به منظور دريافت سيگنال هاي تقويت شده كاربران علاوه بر GPS به يك آنتن و دريافت كننده علايم گوناگون نياز دارند



سيستم ماهواره اي GPS :

24 ماهواره كه بخش فضايي GPS را شامل مي شوند در مداري با فاصله ي 12 هزار مايل از زمين قرار دارند. آنها پيوسته در حال حركت بوده و در كمتر از 24 ساعت دو دور كامل مي زنند. اين ماهواره ها با سرعت تقريبي 7 هزار مايل در ساعت حركت مي كنند.

ماهواره هاي GPS به كمك انرژي خورشيد كار مي كنند. در زمان خورشيد گرفتگي و زماني كه این انرژی وجود ندارد، آنها با بهره گیری از باطري هاي پشتيبان به كار خود ادامه مي دهند.علاوه بر این، راكت هاي تقويت كننده ي كوچك به كمك ماهواره آمده و آن را در مسير اصلي خود قرار مي دهند.

در اينجا به حقايق جالبي در مورد ماهواره هاي GPS اشاره مي كنيمالبته ناو استار نامي است كه سازمان دفاع آمريكا براي GPS انتخاب كرد.)

* اولين ماهواره ي GPS در سال 1978 به سوي مدار خود روانه شد.
* تمام 24 ماهواره در سال 1994 به راه افتادند.
* كارايي هر ماهواره حدود 10 سال است و جايگزين ها دائما در حال ساخته شدن و قرار گرفتن در مدار خود مي باشد.
* وزن يك ماهواره GPS در حدود دو هزار پند ( 907 کیلوگرم) است و زماني كه صفحات خورشيدي آن باز مي شود در حدود 17 فوت (8.18 متر) عرض دارد.
* قدرت فرستنده ها تنها50 وات يا كمتر است.


سيگنال چيست؟


ماهواره هاي GPS دو سيگنال راديويي كوتاه و قوي L1 و L2 را ارسال مي كنند. GPS هاي شخصي L1 را با فركانس 1575.42 مگا هرتز روي باند UHF دريافت مي كنند. اين سيگنال ها از ميان ابر و گاز و پلاستيك عبور مي كند اما از ميان جامدات ، ساختمان ها و كوه ها نمي تواند عبور كند.يك سيگنال GPS شامل سه بيت اطلاعات متفاوت است: يك كد تصادفي كاذب، اطلاعات زود گذر(يك روزه) و اطلاعات ساليانه.

* كد تصادفي كاذب به سادگي يك كد ID است كه ماهواره اي را كه در حال ارسال اطلاعات مي باشد را مشخص مي كند. شما مي توانيد اين عدد(كد) را هنگامي روي صفحه ماهواره واحد GPS گارمين خود ببينيد كه آن مشخص مي كند كدام يك از ماهواره ها در حال دريافت كردن آن است.

* اطلاعات زود گذر(يك روزه): مكاني را كه هر ماهواره GPS در هر ساعتي بايد داشته باشد را به دريافت كننده ي GPS نشان مي دهد.اين اطلاعات ارسال شده توسط هر ماهواره ، اطلاعات مداري مربوط به آن ماهواره و ساير ماهواره هاي واقع در سيستم را نشان مي دهد.

* اطلاعات ساليانه كه به وسيله هر ماهواره به طور پيوسته ارسال مي شود شامل اطلاعات مهمي در رابطه با وضع ماهواره (سالم يا خراب بودن)، زمان و اطلاعات رايج است. اين بخش از سيگنال براي مشخص كردن مكان بسيار ضروري است.

چشمه هايي كه بر سيگنال هاي GPS‌ تاثير گذاشته و باعث فاسد شدن (از بين رفتن) آنها شده و در نتيجه روي دقت و صحت اطلاعات تاثير گذار است به قرار زير مي باشد:

* تاخيرات تروپوسفر (پايين ترين بخش اتمسفر) و يونسفر (يون کره): سيگنال هاي ماهواره اي به هنگام عبور از اتمسفر كند مي شوند. سيستم GPS از مدلي ساختگي استفاده مي كند تا ميانگين تاخير را محاسبه و هر چند به طور جزيي اين نوع خطا را اصلاح كند.

* سيگنال هاي چند گانه:زماني رخ مي دهد كه سيگنال هاي GPS قبل از رسيدن به دريافت كننده توسط ساختمان هاي بلند يا سطوح سنگي بزرگ، منعكس مي شوند كه اين خود باعث افزايش زمان سفر و در نتيجه ايجاد خطا مي گردد
.
* خطاهاي زماني دريافت كننده: ساعت يك دريافت كننده همانند ساعت هاي اتمي ماهواره هاي GPS دقيق نيست بنابراين خطاي زيادي از لحاظ وقت و زمان ممكن است پيش آيد.

* خطاهاي مداري : اطلاعات يك روزه ممكن است كه مكان نادرستي از ماهواره را گزارش دهد كه باعث ايجاد خطا مي شود.

* تعدادي از ماهواره هاي قابل رويت ،ساختمان ها، ترن،موانع الكترونيكي و حتي بعضي اوقات درختان انبوه مي توانند سدي در برابر سيگنال ها شوند كه منجر به ايجاد خطا شده و يا مكان يابي غير ممكن مي گردد
.
* هندسه ماهواره ها: اشاره به موقعيت نسبي ماهواره ها در هر زماني دارد. يك مثال كه در مورد هندسه ماهواره ها وجود دارد زماني است كه ماهواره ها در زاويه هاي عريض در ارتباط با هم قرار دارند. زماني كه ماهواره ها روي يك خط و يا گروهي كوچك قرار دارند هندسه ضعيفي را ايجاد مي كنند.

* فساد عمدي سيگنال ماهواره: قابليت استفاده از ماهواره هاي برگزيده (كه به مخفف SA گفته مي شود) كه يك فساد عمدي در سيگنال ها است ، زماني به وسيله ي سازمان دفاع آمريكا وضع شد. SA براي اين در نظر گرفته شده است تا دشمن نظامي نتواند سيگنال هاي فوق العاده دقيق GPS استفاده كند.دولت آمريكا SA را در ماه مه 2000 قطع كرد تا دقت دريافت كننده هاي GPS هاي شخصي را افزايش دهد

گردآونده:طه-Borna66

[shima_glk]

ما اکنون هم در آینده زندگی می کنیم. دقت کرده اید که شما هر لحظه برای پیدا کردن موقعیت تان در هر نقطه دنیا تنها کافی است نگاهی به یک ابزار کوچک در کف دست تان بیندازید. فرقی ندارد که در وسط دریا باشید، میان صحرا باشید. مشغول گشت و گذار در جنگل های آمازون هستید یا اینکه در آسمان ها پرواز می کنید. دیگر لازم نیست که با ستارگان مسیرتان را بیابید یا اینکه نقشه خوانی و کار با قطب نما را آموزش ببینید.

تقریبا تمامی ابزارهای کوچک همراه شما با ارتباط سریع و رایگان ماهواره ای می توانند مختصات دقیق تان را در هر نقطه ای از کره زمین مشخص کنند. اما آیا تا کنون اندیشیده اید که ابزاری همگانی و به ظاهر ساده همچون GPS چگونه کار می کند؟

در واقع ابزارهای مجهز به GPS با ماهواره ها ارتباط برقرار نمی کنند و اطلاعاتی برای آنها ارسال نمی کنند. بلکه تنها به دریافت اطلاعات از ماهواره می پردازند. اطلاعاتی که دائما در حال ارسال توسط ماهواره است. و البته GPS تنها شیوه ای نیست که ابزارهای همراه می توانند موقعیت شما را تشخیص دهند.

از ماهواره ها تا کف دست شما

سیستم موقعیت یاب جهانی GPS توسط ایالات متحده آمریکا و با مقاصد نظامی تولید گردید، اما سرانجام استفاده از آن برای غیرنظامیان هم آزاد اعلام شد. حداقل ۲۴ ماهوراه GPS به صورت دائمی در مدار اطراف زمین در حال گردش بوده و مرتبا داده های لازم را به سمت زمین ارسال می کنند.

این ماهواره ها به صورتی در مدار قرار گرفته و نظم داده شده اند که همواره و در هر نقطه ای از زمین حداقل ۴ ماهواره در آسمان قابل مشاهده و در دسترس باشند. البته شما با چشم نمی توانید آنها را ببینید اما یک ارتباط رادیویی مستقیم میان محل قرارگیری شما با آنها وجود دارد. به همین دلیل است که برای استفاده از جی پی اس شما باید یک ارتباط بدون واسطه و مستقیم با آسمان بالای سرتان داشته باشید. و معمولا موانعی همچون ساختمان ها و تونل ها می توانند باعث قطع این سیگنال ها شوند.

ماهواره های GPS دائما در حال مخابره سیگنال های رادیویی به سمت زمین هستند. هر یک از این اطلاعات مخابره شده شامل موقعیت جغرافیایی ماهواره جی پی اس و زمان ارسال سیگنال است. هر ماهواره هم دارای یک ساعت اتمی درونی بوده و لذا زمان مخابره شده بسیار دقیق است.

جی پی اس چگونه موقعیت شما را مشخص می کند؟

یک دستگاه با جی پی اس داخلی (خواه یک جی پی اس ویژه ماشین یا یک اسمارت فون)‌ تنها به عنوان یک گیرنده GPS عمل می کند. در واقع دستگاه جی پی اس به هیچ عنوان برای تعیین موقعیت شما با ماهواره ها ارتباطی برقرار نمی کند. بلکه فقط به سیگنال های رادیویی که از سوی ماهواره ها در حال ارسال هستند، گوش می دهد.

یک گیرنده جی پی اس سیگنال های ارسالی توسط حداقل ۴ یا تعداد بیشتری از ماهواره ها را دریافت می کند. سیگنال ماهواره های نزدیک تر، زودتر دریافت می شوند. در حالی که سیگنال ماهوراه های دورتر، زمان بیشتری برای دریافت لازم دارند. البته این تفاوت زمانی بسیار کم است. اما بسته به موقعیت دستگاه گیرنده شما می تواند کمی طول بکشد.
با مقایسه میان زمانی که سیگنال ارسال شده و زمانی که سیگنال توسط دستگاه شما دریافت شده است، گیرنده می تواند مسافت تقریبی شما را از هر ۴ ماهواره تخمین بزند. سپس با trilateration یا سه جانبه گیری، گیرنده موقعیت دقیق خودش و در نتیجه شما را بر روی کره زمین مشخص می کند!

شاید trilateration کمی پیچیده و سخت به نظر برسد، اما در واقع کاری بسیار ساده است. تصور کنید فردی به شما بگوید ۳۶۰ کیلومتر تا کرمان، ۷۲۰ کیلومتر تا بندرعباس و ۳۵۵ کیلومتر تا اصفهان فاصله دارید. با این اطلاعات شما می توانید روی نقشه مشخص کنید که در کدام شهر هستید که چنین فاصله ای از تمام این نقاط دارد. و اگر به جای ۳ شهر به شما نام و فاصله با ۴ شهر را بگویند، این تخمین و پیدا کردن جای تان روی نقشه می تواند دقیق تر گردد. این همان کاری است که در هر بار استفاده شما از گیرنده جی پی اس، این دستگاه با دقت بسیار بالا انجام می دهد.

[shima_glk]

جایگزین های GPS

البته ماهواره جی پی اس تنها راهی نیست که ابزارهای همراه ما برای تخمین موقعیت فعلی مان از آن بهره می برند. بسیاری از اسمارت فون های امروزی از شیوه trilateration و اطلاعات توان دکل های مخابراتی هم برای پیدا کردن موقعیت استفاده می کنند. در این شیوه هم از تفاوت میان قدرت سیگنال های دریافتی از هر یک از دکل های مخابراتی اطراف تلفن همراه، زمان دریافت سیگنال از هر دکل و همچنین زاویه قرار گیری شما نسبت به آن دکل برای تخمین موقعیت فعلی تان استفاده می شود. البته دقت این روش به اندازه استفاده از ماهواره نیست، اما هنگامی که سیگنال های دریافتی ضعیف باشند و یا اینکه در فضای سرپوشیده باشید، کاربرد فراوانی دارد.

شیوه دیگر هم که در برخی از ابزارها و اسمارت فون های جدید استفاده می شود، بهره گیری از سیستم موقعیت یابی بر پایه WiFi یا WPS برای تعیین موقعیت مکانی است. ماشین های گوگل استریت که در گوشه و کنار دنیا مشغول رانندگی و ضبط تصاویر هستند، همزمان نام اکسس پوینت و مودم های وای فای اطراف خودشان، به همراه قدرت سیگنال هر یک را بر روی موقعیت های درون نقشه ثبت می کنند. علاوه بر این گوگل هر زمان که بتواند، اطلاعات دریافتی از اسمارت فون های متصل به شبکه های وای فای را که همزمان از شبکه موبایل یا جی پی اس استفاده کرده اند به سرور های خود اضافه می کند.

آنگاه هنگام استفاده از خدمات گوگل استریت و گوگل مپز بر روی موبایل تان، اسمارت فون شما به اسکن شبکه های بیسیم اطراف می پردازد. سپس لیستی از نام ها و قدرت سیگنال را به سرورهای گوگل می فرستد. گوگل با استفاده از پایگاه داده های خود و اطلاعات از قبل ثبت شده می تواند تخمین بزند که شما در نزدیکی کدام شبکه بیسیم قرار دارید، لذا به درستی موقعیت فعلی تان را تشخیص می دهد. این سیستم حتی در مکان های داخلی و سرپوشیده که جی پی اس جوابگو نیست هم نسبتا خوب عمل می کند.

البته سیستم GPS تنها شبکه ماهواره ها نیست که می تواند برای تشخیص موقعیت مورد استفاده قرار گیرد. روسیه سیستم اختصاصی خود با نام GLONASS را در اختیار دارد و چین هم سیستم خود با نام BDS را راه اندازی نموده است. اروپا هم مشغول کار بر روی جایگزین اختصاصی خود برای جی پی اس با نام Galileo است. از آنجایی که کنترل کامل ماهواره های جی پی اس اکنون در اختیار یک کشور است، به نظر می رسد که این چشم و هم چشمی و راه اندازی سیستم های موقعیت یابی اختصاصی روز به روز گسترش بیشتری هم پیدا کند.

جی پی اس به خودی خود یک تهدید و نگرانی از نظر حریم خصوصی به شمار نمی رود. برای مثال اگر شما یک دستگاه جی پی اس قدیمی روی ماشین تان داشته باشید، این ابزار اصلا قادر نخواهد بود که موقعیت شما را برای کسی مخابره و ارسال کند. اما هنگامی که جی پی اس با تکنولوژی های انتقال اطلاعات ادغام می شود می تواند یک مشکل بالقوه برای حریم خصوصی به شمار برود.

ابزارهای ردیاب GPS تنها از یک گیرنده جی پی اس استفاده نمی کنند، بلکه آنها اطلاعات جی پی اس را درون خود جمع آوری کرده و سپس آنها را از طرق گوناگون از جمله شبکه موبایل، ارتباط ماهواره ای یا حتی شبکه های اینترنت وای فای انتقال می دهند. و البته موبایل های امروزی به راحتی می توانند توسط سازندگان دستگاه و یا حتی برنامه نویسان خبره، اطلاعات جی پی اس شما را از طریق اینترنت به هر نقطه ای از دنیا مخابره کنند.

چرا سرعت اتصال جی پی اس در اسمارت فون های جدید بیشتر است؟

در واقع این به دلیل همان نیروی کمکی اسمارت فون های جدید است که این گونه سریع جی پی اس آنها را راه می اندازد. اگر دقت کرده باشید، اغلب اسمارت فون های جدید از A-GPS یا Assisted GPS بهره می برند. در اینجا شما با یک جی پی اس استاندارد سر و کار دارید که به شبکه سلولار یا همان شبکه موبایل منطقه ای تان هم متصل است و دسترسی دارد.

یکی از روش های افزایش کارایی توسط A-GPS، فراهم کردن سرعت بسیار بیشتر time to first fix یا TTFF برای گیرنده جی پی اس است. این اصطلاح در گیرنده های جی پی اس به مدت زمان لازم به دریافت اولین سیگنال، آماده سازی داده ها و محاسبه موقعیت گفته می شود. A-GPS با دریافت و ذخیره اطلاعات لازم در خصوص موقعیت ماهواره ها ( almanac ) از طریق شبکه های موبایل، باعث می شود که هنگام انجام TTFF، دانلود اطلاعات زیاد از طریق ماهواره لازم نباشد و سرعت اتصال بالا رود.

اگر دقت کرده باشید هنگام باز کردن گوگل مپز روی اسمارت فون تان، ابتدا یک دایره بزرگ موقعیت شما را نشان می دهد و آنگاه با استفاده از موقعیت دکل های مخابراتی و ماهواره های جی پی اس، این دایره کوچک تر شده و تخمین دقیق تری از مکان شما به نمایش در می آید.