سامانه موقعیت‌یاب جهانی

سامانهٔ موقعیت‌یابی جهانی یا جی‌پی‌اس (به انگلیسی: Global Positioning System) (اختصاری GPS) منظومه‌ای از ۲۴ ماهواره است که زمین را دور می‌زند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. راکت‌های کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها نوستار (NAVSTAR) نیز گفته می‌شود. جهت شناسایی موقعیت جغرافیایی آن‌ها بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر امکان‌پذیر می‌سازد. این ماهواره‌ها از محاسبات ریاضی ساده‌ای برای پخش اطلاعات استفاده می‌کنند که به عنوان طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده‌های زمین ترجمه شده‌اند.

سیستم جی‌پی‌اس بدون وابستگی به گیرنده‌های تلفن یا اینترنت عمل می‌کند، اگر چه با این فناوری‌ها می‌توان اطلاعات دریافتی از این سیستم موقعیت‌یابی را مناسب تر و کاربردی تر کرد. سیستم جی‌پی‌اس می‌تواند توانایی‌های حیاتی در زمینه موقعیت‌یابی برای کاربران نظامی، مدنی یا کاربران عادی در سراسر جهان فراهم کند.

پروژه جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۳ و توسط ایالات متحده، برای غلبه بر محدودیتهای سیستم‌های موقعیت‌یابی پیشین، شروع شد. وزارت دفاع آمریکا سیستمی را توسعه داد که به شکل پیش‌فرض ۲۴ ماهواره را به کار می‌برد. طراحی و توسعه و پشتیبانی این سیستم بر عهده وزارت دفاع ایالات متحده است.

جی‌پی‌اس در تمام شرایط به‌صورت ۲۴ ساعت در شبانه‌روز و در تمام دنیا قابل استفاده‌است، و هیچ‌گونه بهایی بابت این خدمات اخذ نمی‌شود. ماهواره‌های جی‌پی‌اس، هر روز دو بار در یک مدار دقیق دور زمین می‌گردند و سیگنالهای حاوی اطلاعات را به زمین می‌فرستند.

سیستم‌های مشابهی نیز وجود دارند که در حال استفاده یا طراحی هستند. سیستم روسی گلوناس مهم‌ترین آنهاست که تقریباً هم‌زمان با جی‌پی‌اس تکامل یافته اما از سال ۲۰۰۸ به بهره‌برداری کامل رسیده‌است. اتحادیه اروپا، هند و چین نیز هر یک سیستم‌های مشابهی را در دست توسعه دارند.

چند نمونه از گیرنده‌های جی‌پی‌اس)

تاریخچه

اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی‌پی‌اس، اهداف نظامی بوده، اما از سال ۱۹۸۰ به بعد برای استفاده‌های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. این سیستم در سال ۱۹۹۵ و با تکمیل تعداد ماهواره‌ها به توان پیش‌بینی شده نهایی خود دست یافت. افتخار اختراع این سیستم به راجر ال استون، ایوان ای گتینگ و برادفورد پارکینسون از آزمایشگاه فیزیک پیشرفته ایالات متحده تعلق دارد.

پیشرفتهای تکنولوژیکی و نیازهای جدید باعث تمایل زیادی برای ارتقا و مدرنیزه کردن سیستم موجود و توسعه نسل جدید ماهواره‌ها با عنوان جی‌پی‌اس بلوک ۳ آ و نسل جدید سیستم‌های کنترل عملیاتی (OCX) شده‌اند. این تغییرات از سال ۱۹۹۸ با دستور کاخ سفید شروع شدند و در سال ۲۰۰۰ با تصویب کنگره آمریکا شروع به عملیاتی شدن کردند و در نهایت به جی‌پی‌اس ۳ خواهند انجامید.

تاریخچه طرح GPS

از اوایل دهه ۶۰ میلادی، نیروی هوایی (USAF) و نیروی دریایی آمریکا (USN) همواره در حال مطالعه یا اقدام جهت دستیابی به یک سیستم ناوبری ماهواره ای بوده‌اند. نیروی دریایی دو طرح عمده Transit و Timation را در دست اقدام داشته‌است. Transit توسط آزمایشگاه‌های فیزیک کاربردی جان هاپکینز (APL) طراحی و در سال ۱۹۶۴ به حالت عملیاتی درآمد. این سیستم اکنون اطلاعات ناوبری سطح را به‌صورت ۲ بعدی (طول و عرض جغرافیایی) و بر مبنای اصول شیفت داپلر برای کاربران دریانوردی فراهم می‌آورد. سیستم Timation طرحی تحقیقاتی با فناوری پیشرفته از آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی آمریکا (NRL) بود که یک سیستم ناوبری دو بعدی (طول و عرض جغرافیایی) را بر مبنای زمان‌سنجی دقیق ارائه می‌کرد. در همین دوره زمانی، نیروی هوایی نیز تحقیقات پژوهشی را برای ارائه یک سیستم ناوبری سه بعدی (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع) به نام 621B انجام می‌داد. این سیستم بر مبنای فاصله‌یابی ماهواره ای به کمک «دنباله‌های دیجیتال قابل تکرار» و «نویز شبه تصادفی» (PRN) پایه‌ریزی شده بود.

مشخصات فنی

مشخصات کلی

• تکمیل کانال ۲۴ (NAVSTAR) عددی ماهواره‌ای: ۱۹۹۴
• تکمیل کانال ۲۹ عددی ماهواره:
• عرض هر ماهواره: ۱۸/۵ متر
• طول باتری‌های خورشیدی: ۵/۵ متر

ساختار جی‌پی‌اس

جی‌پی‌اس فعلی از سه بخش اساسی تشکیل شده‌است. این سه بخش اصلی عبارتند از: بخش فضایی، بخش کنترل و بخش کاربر.

قسمتهای کنترل و فضایی توسط نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا پایه‌گذاری شده و توسعه یافته‌اند و اکنون نیز به کار خود ادامه می‌دهند. امواج منتشر شده از فضا توسط ماهواره‌های جی‌پی‌اس، توسط گیرنده‌های جی‌پی‌اس دریافت می‌شوند؛ این گیرنده‌ها به وفور در اختیار انواع کاربران قرار دارند و برای محاسبه کردن موقعیت سه بعدی (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع) محل مورد نظر و زمان به کار می‌روند.

• بخش فضایی (Space Segment): از ۲۴ تا ۳۲ ماهواره تشکیل شده‌است که در مدار میانی زمین (Medium Earth Orbit) قرار گرفته‌اند و همچنین شامل تأسیساتی هم می‌شود که برای آماده‌سازی و پرتاب آن‌ها به کار می‌روند.
• بخش کنترل (Control Segment): از یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی MCU) Master Control Station)، یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی دیگر به عنوان پشتیبان، یک میزبان آنتنهای اختصاصی و اشتراکی برای سیستم و ایستگاه‌های پایش تشکیل شده‌است.
• بخش کاربری (User Segment): از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از جی‌پی‌اس کدگذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می‌کنند و صدها میلیون کاربر مدنی، عمومی یا علمی تشکیل شده‌است که از امکانات موقعیت‌یابی استاندارد استفاده می‌کنند.

بخش فضایی

بخش فضایی (Space Segment) از ماهواره‌های مستقر در مدار زمین تشکیل شده‌است که به اختصار ماشینهای فضایی (Space Vehicle) نیز نامیده می‌شوند. در طراحی اولیه جی‌پی‌اس بیست وچهار ماشین فضایی مورد نیاز بود که در هشت مدار دایره‌ای و در هر مدار حداکثر سه ماهواره قرار می‌گرفتند. بعدها این طرح تبدیل به شش مدار شد و در هر مدار حداکثر چهار ماشین فضایی در نظر گرفته شد.

نقشه شش مداری حداکثر ۵۵ درجه انحراف مداری دارد که هر مدار ۶۰ درجه فاصله از گره نزولی دارد. زمان مداری نصف یک روز نجومی است؛ معنی آن این است که روزانه حدود ۱۱ ساعت و ۵۸ دقیقه طول می‌کشد تا ماهواره از روی مکان قبلی یا تقریباً نزدیک آن عبور کند.

مدارها به شکلی تنظیم شده‌اند که در تمام ساعات شبانه روز و تقریباً از تمام نقاط سطح زمین، حداقل ۶ ماهواره در خط دید باشند. برای تحقق این موضوع فاصله یکسانی برای ماهواره‌های موجود در مدار مشترک در نظر گرفته نشده‌است. (۹۰ درجه با هم نیستند). اگر ساده‌تر در نظر بگیریم فاصله زاویه‌ای بین بین ماهواره‌ها به این شکل است: ۳۰، ۱۰۵، ۱۲۰، ۱۰۵ درجه که در مجموع ۳۶۰ درجه می‌شود.

ارتفاع مداری حداکثر حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتر است، یعنی شعاع مداری حداکثر ۲۶۶۰۰ کیلومتر است. هر ماشین فضایی، در هر روز نجومی دو بار و همان مسیر قبلی را نسبت به زمین می‌پیماید. این مسئله مخصوصاً هنگام ارتقا و تکمیل سیستم خیلی کمک‌کننده بود چرا که حتی فقط با ۴ ماهواره و جاگیری صحیح، هر چهار ماهواره در طی چند ساعت، از یک نقطه خاص قابل رویت بودند. برای عملیاتهای نظامی، تکرار گذرهای زمینی از یک منطقه می‌تواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.

در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سیستم جی‌پی‌اس حضور داشتند که ۳۱ عدد از آن‌ها فعال بودند. ماهواره‌های اضافی دقت محاسبات گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای اندازه‌گیری‌های دقیق را افزایش می‌دهند. با افزایش تعداد ماهواره‌ها چینش آن‌ها در مدارها به شکل ناهمسانی تغییر کرد. مزیت این شکل از چینش نسبت به فرم استاندارد این است که در صورت از دست رفتن یکی از ماشینها فضایی (عدم کارکرد صحیح)، در دسترس بودن سیستم کاهش نمی‌یابد و هنوز مورد اعتماد باقی می‌ماند. با وضعیت فعلی از هر نقطه زمین و در هر زمانی در حدود ۹ ماهواره به شکل هم‌زمان در خط دید قرار دارند. این امر باعث افزایش قابل توجه اعتماد به دقت، نسبت به حضور حداقل ۴ ماهواره، برای تعیین مکان می‌شود.

کنترل زمینی

بخش کنترل این بخش شامل ایستگاه‌های کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آن‌ها از طریق روش‌های کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها) و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره‌ای با امواج لیزر) بدست آمده‌است. این ایستگاه‌ها وظیفه تعقیب چندجمله‌ایِ ریاضی به طریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها) و موقعیت ماهواره‌ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدأ سیستم مختصات تقریباً در مرکز زمین قرار دارد) محاسبه می‌نماید.

تعداد این ایستگاه‌های زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم جی‌پی‌اس، قسمتِ کاربران سیستم است که خود شامل دو بخش است:

1. آنتن دریافت‌کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها
2. گیرنده (پردازش‌کننده اطلاعات دریافتی و تعیین‌کننده موقعیت محل آنتن)

نرم‌افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره‌های مرتبط با گیرنده را تعیین می‌کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می‌شود.

نکته مهمی که می‌بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که جی‌پی‌اس به ما می‌دهد با ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق می‌کند. ارتفاع جی‌پی‌اس نسبت به سطح مبنایی به نام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتریک است که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار این اختلاف در بیش‌ترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.

نام	مدت پرتاب	تعداد پرتاب شده شامل شکست خورده‌ها	در حال کار
Block I	۱۹۷۸–۱۹۸۵	۱۱	۰
Block II	۱۹۸۵–۱۹۹۰	۹	۰
Block IIA	۱۹۹۰–۱۹۹۷	۱۹	۱۵+۱۱
Block IIR	۱۹۹۷–۲۰۰۴	۱۲	۱۲
Block IIR-M	۲۰۰۵-	۳	۳
مجموع		۵۴ (بعلاوهٔ یک پرتاب نشده)	۳۰+۱
۱یک ماهوارهٔ آزمایشی

دقت اندازه‌گیری

دستگاه‌های جی پی اس انواع و مدل‌های گوناگونی دارند و در وسایل مختلفی استفاده می‌شوند؛ ولی یکی از جاهایی که بیشتر در آن استفاده می‌شود گوشیهای موبایل است که دقت آن در شرایط مختلف متفاوت است. به عنوان مثال:

فضای باز = بین ۳ تا ۷ متر

داخل ماشین = ۵ تا ۱۰ متر

داخل خانه ۲ طبقه = ۲۰ تا ۵۰ متر

داخل آپارتمان = ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر و در شرایطی قطع

در جنگل = ۱۰۰ تا ۲۰۰ متر

داخل هواپیما = ۵۰ متر در شرایطی قطع نصفی

دم پنجره داخل هواپیما = ۱۵ تا ۳۰ متر

داخل تونل = قطع کامل

بر پشت بام آپارتمان = ۲ تا ۴ متر

زیر پل‌ها = قطع کامل

کاربردهای عمومی

اساس کار دستگاه موقعیّت‌یاب (جی.پی. اس) تعیین موقعیت است و این کار با دریافت امواج ماهواره‌های موقعیّت‌یاب که در مدارهایی به دور کره زمین در چرخش هستند، انجام می‌شود. برای تعیین موقعیت، گیرنده موقعیّت‌یاب زمان‌های دریافت شده را با زمان خود مقایسه می‌کند. تفاوت این دو مشخص‌کننده فاصله گیرنده موقعیّت‌یاب از ماهواره مزبور می‌باشد. این عملی است که دقیقاً یک گیرنده موقعیّت‌یاب انجام می‌دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر، موقعیّت‌یاب می‌تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید. (که آن را تعیین دو بعدی می‌نامند) و با تبادل با چهار (و یا بیشتر) ماهواره یک موقعیّت‌یاب می‌تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می‌باشد. با انجام پشت سر هم این محاسبات، موقعیّت‌یاب می‌تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید امروزه در بعضی مکان‌های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا ۱۰ ماهواره می‌باشیم و حداقل به ۴ تا ۵ ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم. هر قدر تعداد ماهواره‌های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت. نکته مهمی که می‌بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که موقعیّت‌یاب به ما می‌دهدبا ارتفاع موجود در نقشه‌ها و اطلس‌ها فرق می‌کند. ارتفاع موقعیّت‌یاب ارتفاع ژئودتیک است که نسبت به سطح مبنایی به نام بیضوی مقایسه اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که ارتفاع موجود در نقشه‌ها ارتفاع اورتومتریک یا ارتفاع از سطح ژئوئید می‌باشد که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود ۱۰۰ متر است. موقعیّت‌یاب اطلاعات موقعیتی را توسط اعداد و در یک سیستم مختصاتی بیان می‌کند. امروزه پر کاربردترین سیستم‌های مختصاتی Lat-Lon و UTM می‌باشند. دستگاه جی‌پی‌اس یک رایانه کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه‌ریزی شده‌است؛ بنابراین این رایانه با داشتن مختصات شما می‌تواند کارهای دیگری هم انجام بدهد. مثلاً می‌تواند زمان طلوع و غروب خورشید را در موقعیت شما بگوید. همچنین زمان طلوع و غروب ماه. شاید خیلی جالب باشد ولی جی‌پی‌اس می‌تواند زمان باقی‌مانده برای رسیدن به مقصد مورد نظر را با توجه به سرعت شما محاسبه کند. همچنین میانگین سرعت شما، بیشترین سرعت، میانگین سربالایی و سرازیری مسیر، سرعت عمودی، موقعیت منطقه از نظر شکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان، محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و برگرداندن شما از مسیر آمده را نیز می‌تواند انجام دهد.

این آنتن بر بام خانه‌ای نصب است که در آن آزمایش‌های علمی انجام می‌شود که به زمان‌سنجی دقیقی نیاز دارد

کاربردها ی تخصصی

• نقشنه‌برداری
• پروژه‌های عمرانی
• کوهنوردی
• کایت‌سواری
• سفر در مناطق ناشناخته
• کشتی‌رانی
• قایق‌رانی
• عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زلزله
• کنترل ترافیک
• تجاری

دیگر سامانه‌ها

• سامانهٔ گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود. این سامانه هم‌اکنون ۴۵٪ قابلیت مانور دارد و در سال ۲۰۰۸ به همراه کشور هند به‌طور کامل به بهره‌برداری رسیده‌است.
• سامانهٔ گالیلئو گسترش داده شده توسط اتحادیه اروپا و قرار است به همراه کشورهای اسراییل، هند، عربستان سعودی، کره جنوبی، اکراین، چین و مراکش تا سال ۲۰۱۰ به صورت مؤثر به کار گرفته شود.
• سامانهٔ بیدو (Beidou) که به صورت مستقل چین در حال گسترش می‌باشد
• سامانهٔ QZSS درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی
• سامانهٔ ماهواره‌ای موقعیت‌یابی ملی هند (IRNSS)

جستارهای وابسته

• ماهواره
• جهت‌یابی
• ابزار راهیابی جی‌پی‌اس

منابع

• سایت آموزش رایگان عمومی ارائه شده توسط دولت آمریکا
• ویکی‌پدیای انگلیسی