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

GPS چيست؟
سيستم مكان‌ياب جهاني (Global Positioning Systems) يا GPS يك سيستم راهبري و مسيريابي ماهواره‌اي است كه از شبكه‌اي با ۲۴ماهواره ساخته شده است و در سال 1994 تمامي 24 ماهواره در مدار زمين قرار گرفت. اينماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ايالات متحده با نام «ناو استار» و با بودجه‌اي بيشاز 12 بيليون دلار ساخته و اولين آنها در سال 1978 با موفقيت به فضا پرتاب شد و درمدار قرار داده شده است. اين سيستم در ابتدا براي مصارف نظامي تهيه شد ولي از سال۱۹۸۰استفاده همگاني از آن آزاد و آغاز شد.
خدمات اين مجموعه در هر شرايط آبو 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 استفادهاز آن كاملا رايگان مي‌باشد. امروزه در كشورهاي توسعه يافته از اين سيستم جهت كمكبه راهبري خودرو، كشتي و انواع وسايل نقليه ديگر بهره‌گيري مي‌شود. هر چه نقشه‌هايمنطقه‌اي كه در حافظه گيرنده بارگذاري مي‌شود دقيق‌تر باشد، سرويس‌هايي كه از GPS مي‌توان دريافت داشت نيز بهتر مي‌شود.

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

تاريخچه GPS
تقريباً در اواسط دهه ۶۰وزارتخانه‌هاي دفاع برخي از كشورها متوجه شدند كه سيستم‌هاي ناوبري آن زمان از دقتمطلوبي 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 ازشش ماهواره تشكيل شده بود و از مختصات خاصي بهره مي‌برد. ماهواره بر روي يك مسيرخاصي حركت كرده و بر روي فركانس مشخصي، امواج را ارسال مي‌نمود و يك سيگنال با يكفركانس مشخص به گيرنده‌ها مي‌رسيد و موقعيت مكاني با اندازه‌گيري تغيير فركانسمحاسبه مي‌شد. ماهواره‌ها امكان تغيير موقعيت هر نقطه از كره زمين را در هر يك ساعتو 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 بهاختصار GPS در سال ۱۹۷۳ اتفاق افتاد. يعني زماني كه وزارت دفاع آمريكا هماهنگ‌سازيسيستم‌هاي ناوبري را آغاز نمودند. زيرا سازمان‌هاي مختلف سيستم‌هاي متفاوتي راايجاد كرده بودند كه اكثراً با يكديگر منطبق نبودند. اين سيستم جديد تفاوت‌هاي مهميبا ترنسيت دارد، هر ماهواره چند ساعت اتمي با خود همراه دارد، موقعيت خود را همراهزمان دقيق، به صورت يك سيگنال ارسال مي‌كند و سيستم ناوبري كاربر زمان استخراج شدهاز اين سيگنال را مقايسه كرده و در سه نقطه موقعيت‌يابي مي‌كند. ضمناً احتياجي بههيچ گونه ساعت دقيقي در گيرنده نيست. تنها وقت در دوره‌هاي زماني كوتاه مورد نيازاست.

GPS از چه بخش‌هايي تشكيل شده است؟
سيستم موقعيت جهاني از سهبخش مجزا تشكيل شده است. اولين بخش سيستم شامل 24 ماهواره است كه در 20000 كيلومتريبالاي زمين در مدار مدور 12 ساعته مي‌چرخند. اين بدين معني‌ست كه هر ماهواره 12ساعت براي چرخش كامل به دور زمين به كار برده مي‌شود. به منظور كسب اطمينان ازاينكه ماهواره‌ها قادر به رديابي و تشخيص در هر نقطه از روي سطح زمين باشند، آنهابه 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 احاطهمي‌كنند مي‌شود. اين ماهواره‌ها علائم راديويي به زمين ارسال مي‌دارند كه شاملاطلاعاتي درباره زمين است. با استفادده از دريافت كننده زميني GPS، اين علائمدريافت و ارتفاع، طول جغرافيايي و عرض جغرافيايي (موقعيت جهاني) دريافت كننده راتعيين 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.
درهر علامت، توالي كدگذاري شده‌اي ارسال مي‌شود. با مقايسه توالي دريافت شده با توالياصلي، 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 (يونوسفرو تروپوسفر) مفيد هستند. علامت سومي نيز از ماهوراه به زمين ارسال مي‌شود كه شاملداده‌هايي درباره سلامت موقعيت ماهواره است.
دومين بخش سيستم GPS ايستگاهزميني است كه مانند وسائل مخابراتي ارسال كننده داده‌ها به مركز داده‌ها، شامل يكدريافت‌كننده و آنتن است. آنتن تك جهته در هر محل، كه بيشتر شبيه به آنتن راديويييك ماشين عمل مي‌كند، علائم ماهواره‌اي را جدا و بصورت جريان‌هاي الكتريكي به محلدريافت كننده ارسال مي‌كند. سپس دريافت كننده علائم را به كانال‌هاي طراحي شده براييك ماهواره و فركانس خاص در زماني خاص، جدا مي‌كند.
زماني كه علائم تفكيكشده باشد،‌ دريافت كننده مي‌تواند آنها را كدگذاري كرده و به فركانس‌هاي مجزا تبديلكند. با اين اطلاعات دريافت كننده موقعيت عمومي آنتن را تشخيص مي‌دهد (طولجغرافيايي، عرض جغرافيايي و ارتفاع). بعد از آن، داده‌هاي جمع‌آوري شده توسط دريافتكننده مي‌تواند مجدداً توسط دانشمندان فرآوري شده و چيزهاي متفاوتي از آنها مانندسري موقعيت‌هاي ديگر مطابق با همان آنتن و با دقت ميلي‌متري، بدستمي‌آيد.
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 داده‌هااز دريافت كننده آن ايستگاه‌ها، از سيستم‌هاي كامپيوتري خودكار استفاده مي‌كند. باكار بر روي داده‌هاي خام و ايجاد داده فرآوري شده دانشمندان جهان قادرند از آن برايكارهاي متفاوت استفاده كنند. تا زمانيكه محل‌هاي GPS جهاني توسط مركز متفاوت درسراسر دنيا ساخته و اداره مي‌شوند، مكان‌هاي مركزي داده‌هاي متفاوت زيادي وجوددارد.

GPS جگونه كار مي‌كند؟
اصول اساسي GPS واقعاً‌ بسيار سادهاست، اگر چه سيستم برخي از پيشرفته‏ترين ابزارهايي كه تا حال ساخته شده را به كارمي‏گيرد. براي درك آن بايد سيستم را به پنج بخش حياتي تقسيم كنيم:
1) مثلث‏بندي (اندازه‌گيري به روش مثلث‏بندي) باماهواره‏ها اساس سيستم است.
2) براي اندازه‏گيري مثلث‏بندي، GPS فاصله را توسط زمان طي مسير به وسيله يك پيامراديوئي اندازه مي‏گيرد.
3) براي اندازه‏گيري زمان طي مسير، GPS به ساعت‏هايبسيار دقيقي نياز دارد.
4) وقتي كه شما فاصله تا ماهواره را دانستيد بايد بدانيدكه ماهواره در كجاي فضا قرار دارد.
5) هنگامي كه پيام GPS از يونيسفر و جو ‌زمينعبور مي‏كند در آن تاخير به‏وجود مي‏آيد.
دستگاه گيرنده GPS هم یک دستگاهصرفاً گیرنده می‌باشد که اطلاعات به دست آمده از ماهواره‌های اطراف زمین را موردتجزیه و تحلیل قرار داده و PIV شما را محاسبه می‌کنند. P=Position منظور موقعییتشما در هر نقطه از کره خاکی و فضای اطراف آن است، T= Time منظور زمان محلی دقیق وبا دقت فوق‌العاده بالا در همان منطقه‌ای که شما هستید و V=Velocity منظور سرعتلحظه‌ای 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، محلدقيق گيرنده را روي كره زمين محاسبه مي‌كنند. در واقع گيرنده زمان فرستاده سيگنالتوسط ماهواره را با زمان دريافت آن مقايسه مي‌كند. از اختلاف اين دو زمان فاصلهگيرنده از ماهواره تعيين مي‌گردد. حال اين عمل را با داده‌هاي دريافتي از چندماهواره ديگر تكرار مي‌كند و بدين ترتيب محل دقيق گيرنده را با اختلافي ناچيز درمي‌بابد.
گيرنده به دريافت اطلاعات همزمان از حداقل ۳ ماهواره براي محاسبه ۲بعدي و يافتن طول و عرض جغرافيايي و همچنين دريافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره براييافتن مختصات سه بعدي نيازمند است. با ادامه دريافت اطلاعات از ماهواره‌ها گيرندهاقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسيرپيموده شده، فواصل طي شده، فاصله باقي مانده تامقصد، زمان طلوع و غروب خورشيد و بسياري اطاعات مفيد ديگرمي‌نمايد.
ماهواره‌اي GPS
24 ماهواره در بخش‌هاي مختلف فضاي زميندر مداري خاص با فاصله حدود 12000 مايلي بالاي سر ما قرار گرفته است. آنها با يكسرعت ثابت در حركتند و هر ماهواره دقيقا طي ۱۲ ساعت با سرعت ۱۱ هزار كيلومتر برساعت يك دور كامل به دور زمين مي‌گردد. وزن هر ماهواره GPS حدود 907 كيلوگرم است وابعاد آن 18/5 متر است. هر ماهواره براي 10 سال مأموريت ساخته مي‌شود و پس از طياين زمان حتماً بايستي ماهواره ديگري جايگزين گردد. انرژي ماهواره‌هاي GPS از طريقصفحه‌هاي خورشيدي تعمين مي‌شود.
هچنين آنها مجهز به باطري‌هاي قابل شارژاتوماتيك براي زمان‌هاي بارندگي يا خورشيد گرفتگي مي‌باشند كه در آن زمان هم پروسهتامين انرژي مختل نشود. همچنين
rocket booster‌هاي كوچك روي هر ماهواره آنها رادر يك مسير پروازي صحيح نگهداري مي‌كنند. براي تنظيم دقيق زمان هم در داخل هر کداماز این ماهواره‌ها 4 ساعت اتمی قرار داده‌اند تا مطمئن باشیم که در یک لحظه بخصوصحداقل یکی از آنها کار می‌کند.
دسته‌بندي دستگاه‌هاي GPS
بسته بهنوع 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 مورداستفاده‌تان، اطمينان حاصل كنيد. امروزه بهاي گيرنده‌هاي GPS بطور چشمگيري كاهشپيدا كرده و هم اكنون در اروپا انواع معمولي اين گيرنده‌ها را با بهايي برابر با يكگوشي متوسط موبايل نيز مي‌توان تهيه كرد. بطور كلي يك GPS را مي‌توان از يكي از 3گروه ذيل دانست:

GPS MOUSE: اين نوع دستگاه هيچ صفحه يا دكمه‌ايندارد 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 دستگاه‌هامي‌توانند به صورت سيار مورد استفاده قرار گيرند. آنها خودشان يك صفحه كوچك جهتنمايش اطلاعات و چند دكمه دارند و در شكل‌ها و تركيب‌هاي مختلفي عرضه مي‌شوند وهيچگونه نيازي به Laptop ندارند. تعدادي از اينها يك رابط NMEA و يك كابل رابطدارند قيمت با كابل ممكن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممكن است بعضي از كشورهاارزان‌تر هم موجود باشد. يك GPS دستي ارزان قيمت با يك كابل رابط براي انتخاب وآغاز 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 نمايشگربزرگ‌تر و تعدادي نقشه مي‌باشند و در بعضي از آنها شما بايستي مبلغ بيشتري جهتنقشه‌ها بپردازيد. قيمت اين دستگاه‌ها ممكن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500دلار آمريكا باشد.