آشنایی با سیستم تعیین موقعیت جهانی ( GPS )

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).







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.







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 ...