ماهواره‌های مسیریاب،‌ GPS

      تاریخ مسیریابی قدمتی برابر با تاریخ تمدن بشر دارد. از همان روزهایی که انسانها جهت تهیه غذا از محل زیستگاه خود (جنگل یا غارها) خارج شدند. نیاز به وسیله‌ای داشتند که مسیر را به آنها نشان دهد،‌ برعکس بعضی از پرندگان و حیوانات که بطور غریزی مسیر خود را مشخص می‌نمایند،‌ انسانها دارای چنین غریزه‌ای نیستند و همیشه نیاز به وسیله و ابزاری دارند که مسیر را برایشان مشخص نماید. در آغاز شروع مسافرت با کشتی این مسافرت‌ها منحصراً یا در امتداد رودخانه‌ها و یا موازی با ساحل انجام می‌گرفت و از علائم مشخص جهت راهنمایی استفاده می‌گردید.

      کلمه Navigation  از دو کلمه لاتین به معنی کشتی (Ship) و حرکت (Move) گرفته شده است و اساساً به معنی پیدا نمودن مسیر در دریا می‌باشد. اما بعدها با شروع مسافرت در فضا و خشکی این کلمه به مفهوم مسیریابی در هوا، ‌خشکی و دریا بکار برده شد. مسیریابی اولیه توسط اجرام سماوی و قطب‌نماهای مغناطیسی انجام می‌گردید، با پیشرفت عدم و تکنولوژی امروزه از سیستم‌های پیشرفته ماهواره‌ای استفاده می‌شود. ماهواره‌های مسیریاب قادر به مشخص نمودن طول و عرض جغرافیایی، ارتفاع از سطح دریا، سرعت، فاصله و زمان با دقت بسیار بالا می‌باشند.

NAVSTAR یکی از سیستم‌های ماهواره‌ای مسیریاب می‌باشد که این اطلاعات را در اختیار قرار می‌دهد. این سیستم دقتی در 15 متر را دارا می‌باشد. سیستم NAVSTAR جایگزین سیستم سری TRANSCT گردید که اطلاعات مسیریابی را جهت استفاده‌های نظامی و کاربردهای غیرنظامی و مشخص تهیه می‌نمود. خصوصاً برای دریانوردی.

یکی از مهمترین سیستم‌های مسیریاب ماهواره‌ای سیستم GPS می‌باشد که در ذیل توضیح داده می‌شود.

GPS چیست؟

GPS یا (Golobal Positining System) یک سیستم ماهواره‌ای است که توسط وزارت دفاع امریکا ساخته شده است. و اطلاعات دقیقی از محل، و زمان را در سراسر دنیا در اختیار کاربرها قرار می‌دهد. سیستم GPS سیگنال‌هایی را ارسال می‌نماید که توسط گیرنده‌های GPS دریافت می‌شود و موقعیت مکانی،‌ سرعت و زمان را در هر جای کره زمین در هر موقع از روز یا شب و در هر شرایط آب و هوایی محاسبه می‌نماید. سیستم مکان‌یاب جهانی یا GPS یک منبع ملی و مورد استفاده بین‌المللی برای یافتن موقعیت محل،‌ مسیریابی و زمان سنجی می‌باشد. و از سه قسمت تشکیل یافته است.

فضا، کاربر، کنترل( Space , User , Control )

سیستم GPS شامل 3 بخش،‌ فضا، کنترل و کاربری می‌باشد. بخش فضایی شامل آرایش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) می‌باشد. اولین سری این ماهواره‌ها در سال 1978 در مدار قرار داده شد. و در سال 1986 توسعه و تکمیل آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS به علت جلوگیری از خطرات ناشی از عدم مسیریابی انجام پذیرفت. در فوریه 1989 آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS با 24 یا تعداد بیشتری ماهواره در مدار کامل و فعال گردید. سیستم کنترل توسط ارتش آمریکا انجام می‌گیرد که ردیابی و نگهداری آنها را در مدار کنترل می‌نماید.

بخش کاربرها، شامل کاربرهای نظامی و شخصی هر دو می‌باشد. کاربرهای نظامی از سیستم GPS به عنوان، مسیریابی،‌ شناسایی، و سیستم هدایت موشکی استفاده می‌نمایند و کاربرهای شخصی هم می‌توانند همانند نظامی‌ها و براساس نیاز از این سیستم استفاده کنند.

بخش فضایی( Space Segment )

      ماهواره‌های GPS در حدود 900 kg وزن و 5 متر با نیل‌های خورشیدی طول دارند. عمر مفید این ماهواره‌ها برای5/7 سال طراحی شده است اما اغلب مدت زمان بیشتری در مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. پنل‌های خورشیدی نیروی اولیه را تهیه می‌نمایند و نیروی (تغذیه) ثانویه توسط باطری‌های Nicod تأمین می‌شود.

در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمی فوق‌العاده دقیق نصب گردیده است. در سپتامبر 2001 تعداد ماهواره‌های مورد استفاده در مدار 27 عدد بوده است.

مدارات ماهواره‌ها( Satellite  orbits )

      شامل 6 مدار با فاصله 60 درجه و در هر مدار 4 ماهواره وجود دارد و این امکان را فراهم می‌سازد که با وجود اشکال و خرابی 2 ماهواره در هر مدار سیستم کار نرمال خود را انجام دهد. هر سطح مداری شیبی برابر با 55 درجه با سطح مدار استوایی دارد. ارتفاع زیاد مدار (km 20000) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان می‌شود. همچنین ارتفاع زیاد ماهواره باعث پوشش منطقه وسیعی در روی زمین می‌شود.

ماهواره‌های GPS هر نقطه در روی زمین را 2 بار در روز پوشش می‌دهند (از هر نقطه در روی زمین دوبار در روز می‌گذرند).

سیگنال‌های ماهواره( Satellite Signals )

      هر ماهواره یک سیگنال مسیریابی که شامل عناصر مداری، وضعیت ساعت (Clock)‌، زمان سیستم و وضعیت پیام‌ها می‌باشد را ارسال می‌نماید. به علاوه یک تقویم نجومی (almanac) تهیه می‌شود که اطلاعات (تقریبی) را برای هر ماهواره فعال ارسال نماید. سیگنال‌های رادیویی با سرعت نور منتشر می‌شوند. سیصد هزار کیلومتر در ثانیه، مدت زمان 06/0 ثانیه طول می‌کشد که سیگنال ارسالی از ماهواره GPS به زمین برسد. این سیگنال‌ها با قدرت کم (حدود 300 تا 350 وات در طیف مایکروویو) ارسال می‌گردند.

کد C/A (Coarse A qwsition Cood) برای استفاده کاربرهای شخصی در دسترس می‌باشد و به عنوان (SPS) (Standard Positining Service)

 مسیریابی استاندارد.

      PPS یا Precise Positioning Service سرویس مکان یابی دقیق که منحصراً در دسترس کاربرهای نظامی و کاربرهای مجاز می‌باشد.

سیگنال‌های ماهواره  به خط مستقیم جهت رسیدن و استفاده گیرنده‌های GPS نیازدارند.

درخت، ساختمان،‌ کوه و حتی دست و یا بدن می‌تواند سیگنال‌های ماهواره‌ها را بلوکه نماید.

تقویم نجومی یا Almanac شامل اطلاعاتی راجع به مدارات 24 ماهواره می‌باشد. یک گیرنده GPS از تقویم نجومی که در پیام‌های دیتای ماهواره وجود دارد برای موقعیت هر ماهواره‌ای که ردیابی می‌کند استفاده می‌نماید. نرم افزار mission planning برای تهیه گراف و موقعیت ماهواره‌های قابل رؤیت و بهترین زمان بررسی در منطقه مخصوص،‌ از تقویم نجومی استفاده می‌نماید. تقویم نجومی برای مدت 30 روز معتبر می‌باشد،‌ اما هر بار که گیرنده GPS روشن می‌شود بطور اتوماتیک تقویم نجومی را دریافت می‌کند (در مدت زمان 15 دقیقه). استفاده از تقویم نجومی به روز یا up-to-date برای استفاده از ماهواره‌هایی که در دید گیرنده‌های GPS قرار می‌گیرند بسیار مهم می‌باشد.

بخش کنترل Control Segment

      بخش کنترل شامل پنج ایستگاه مونیتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوایی، کواجالین،‌ جزیره اسنشن، دیوگوگارسیا و کلورادو می‌باشد. ایستگاه (MCS) یا مرکز کنترل در کلورادو قرار دارد. ایستگاه‌های مونیتور، ماهوار‌های در معرض دید را ردیابی می‌نماید و اطلاعات فاصله را جمع‌آوری و این اطلاعات را در ایستگاه MCS تجزیه و تحلیل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص می‌نماید و پیام‌های هر ماهواره مکان‌یاب را به روز می‌نماید. اطلاعات به روز شده از طریق آنتن‌های زمینی به ماهواره‌ها ارسال می‌گردد. ماهواره‌های GPS   1- پیام‌های اطلاعاتی ماهواره (موقعیت و زمان)  2- تقویم نجومی  3- اصلاح مداری را که از ایستگاه MCS دریافت می‌نمایند، ارسال می‌کنند و گیرنده‌های GPS از تمامی این اطلاعات جهت محاسبه موقعیت استفاده می‌نمایید.

بخش کاربری User Segment

      بخش کاربری شامل گیرنده‌های GPS می‌باشد که موقعیت محل، سرعت و زمان دقیق را در همه جای دنیا مشخص می‌نماید. کاربردهای GPS تقریباً در تمامی زمینه‌ها، از حمل و نقل و کنترل منابع طبیعی و کشاورزی وجود دارد. بعنوان مثال:

- استفاده از GPS برای هدایت هلی‌کوپترها و مشخص نمودن محل‌های مورد نظر، خصوصاً در عملیات نجات آسیب‌دیدگان.

- استفاده از GPS جهت تهیه نقشه‌های کشاورزی.

- استفاده از GPS در مسیریابی هواپیماها و یا علامت گذاری مناطقی که باید سم‌پاشی شود.

- استفاده از GPS برای دریانوردی.

- استفاده از GPS برای مسیریابی در جنگل‌ها.

- ترکیبی از GPS/GIS جهت پیدا نمودن سریع‌ترین مسیر به مقصد استفاده می‌شود. حتی از GPS برای تحویل ساندویچ و پیتزا به منازل استفاده می‌گردد.

طریقه کار GPS چگونه است؟

      از اندازه‌گیری فاصله بین گیرنده و ماهواره استفاده می‌نماییم. ماهواره‌ها در نقاط مشخصی می‌باشند و گیرنده‌های GPS در روی زمین و منطقه ناشناخته‌ای هستند. امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می‌کنند. با ضرب زمان حرکت سیگنال از ماهواره تا گیرنده GPS درkm/s 300000 فاصله ی بین ماهواره و گیرنده مشخص می‌شود. اگر ما از محل 4 ماهواره اطلاع داشته باشیم و مقدار فاصله آنها از گیرنده مشخص گردد،‌ در یک فضای 3 بعدی می‌توان محل خود را محاسبه نمود.

12000 مایل شعاع کره‌ای می‌باشد که مرکز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها کروی و فاصله آنها تا زمین 12000 مایل است) محل یا موقعیت ما می‌تواند هر جای در روی این کره باشد.

      اندازه‌گیری دوم (ماهواره دومی)، سطح تقاطع دو کره یک دایره است بنابراین حالا می‌‌دانیم که محل ما جایی روی دایره است.

اندازه‌گیری سوم، 3 کره یکدیگر را فقط در 2 نقطه قطع می‌کند. یکی از دو نقطه به عنوان غیرقابل قبول حذف می‌شود. کامپیوترها در داخل گیرنده‌های GPS روش‌ها و تکنیک‌های مختلفی برای مشخص نمودن نقطه صحیح از نقطه غیرقابل قبول دارند.

اندازه‌گیری چهارم، Offset زمانی اختلاف بین همزمانی Clock ماهواره و Clock گیرنده می‌باشد. نصب ساعت‌های اتمی در گیرنده‌های GPS باعث گرانی بیش از حد آنها می‌شود، در گیرنده‌ها از ساعت‌های دقیق کوارتز استفاده می‌شود. اندازه‌گیری چهارم مقدار این Offset را جبران می‌نماید و نقطه صحیح را پیدا خواهد نمود. GPS سرعت را نیز اندازه‌گیری می‌کند که برای مسیریابی بسیار مهم است.

خطاهای GPS

      مدت زمان عبور سیگنال‌ها از لایه‌های یونسفروتروپسفر متغیر می‌باشد. وجود نویز باعث خطا یا تداخل در گیرنده می‌شود. خطاهای موقعیت مداری ممکن است در پارامترهای دیتا وجود داشته باشد. پارامترهای ماهواره بطور خلاصه سیستمی از موقعیت‌های ماهواره GPS در حوزه زمان می‌باشد. این اطلاعات مشخص می‌کنند که ماهواره در کجا و در چه موقع در هر نقطه‌ای باید باشد. تغییرات بسیار کمی در ساعت‌های اتمی خطاهای زیادی را باعث می‌شود. خطای یک نانو ثانیه‌ای در گیرنده‌های GPS در روی زمین 3/0 متر در محاسبه مکان خطا ایجاد می‌نماید.

      عبور چند مسیر سیگنال، محل ماهواره‌ها در فضا و SA باعث خط می گردند.

عبور چند مسیر سیگنال یا Multipath پدیده‌ای می‌باشد که آنتن‌های گیرنده سیگنال را از دو مسیر یا بیشتر دریافت می‌کند. اختلاف مسیری که سیگنال‌ها طی می‌نمایند باعث تداخل این سیگنال‌ها در آنتن گیرنده می‌گردد و باعث خطا می‌شود.

  پیکربندی یا محل ماهواره‌ها در فضا می‌تواند بر دقت مکان‌یابی ماهواره تاثیر گذارد.

GDOP یک اندازه‌گیری از کیفیت پیکربندی ماهواره می‌باشد و اشاره به این موضوع دارد که ماهواره‌هادر فضا با یکدیگر  در ارتباط هستند.

   SA یا Selective Avalibi lity خطاهای پارامتری و Clock مصنوعی را نشان می‌دهد و باعث خطای عمومی اندازه‌گیری از 70 الی 100 مترمی‌شود. SA در چهارم جولای 1991 فعال و در یکم می 2000 خاموش گردید.

  خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گیری و در نتیجه ایجاد کاربردهای جدید برای GPS و ارتقاء سطح زندگی مردم در اقصاء نقاط جهان می‌شود.

  توسعه تکنولوژی جدید این امکان را می‌دهد در مناطقی دقت GPS را کاهش دهند. ضمن اینکه این کاهش در نقاط دیگر دنیا غیر ضروری می‌باشد.