GPSچیست؟

اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال 1978 با موفقیت به فضا پرتاب شد

تاریخچه
. هدف اصلی و اولیه از طراحی جی‌پی‌اس، اهداف نظامی بود، امـا از سال ۱۹۸۰ به بعد بـرای استفاده‌های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. در سال ۱۹۹۴ تمامی ۲۴ ماهواره در مدار زمین قرار گرفت.
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 بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها  ارتفاع اورتومتریک است که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌گردد. مقدار این اختلاف در بیشترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.

جی پی اس (GPS)  چگونه کار می کند؟
ماهواره های مربوط به این سیستم، در مداراتی دقیق هر روز ۲ بار بدور زمین می گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می کنند.
گیرنده های جی پی اس  این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می کنند. در واقع گیرنده، زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می کند.
از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می گردد. حال این عمل را با داده های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز، معین می کند.
گیرنده به دریافت اطلاعات همزمان از حداقل ۳ ماهواره برای محاسبه ۲ بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی، و همچنین دریافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است.
با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می نماید.
این محاسبه بر اساس قاعده ای ساده در ریاضیات که به آن trlateration گفته می شود ، انجام می گیرد .گیرنده GPS بر اساس همین اصل سه بعدی و با محاسبه فاصله خود از چهار ماهواره موقعیت خود را تشخیص می دهد . به این ترتیب که اگر در مرکز هر ماهواره و به شعاعی که GPS از آن فاصله دارد ، یک کره فرضی در نظر بگیریم ، GPS روی سطح هر کدام از این کره ها قرار می گیرد. بنابراین محل GPS ، محل تلاقی چهار کره فرضی است که دقیقا یک نقطه را مشخص می کند . محل تلاقی دو کره یک نقطه ، محل تلاقی کره سوم با دو کره قبلی دو نقطه و محل تلاقی کره چهارم با سه تای قبلی یک نقطه را مشخص خواهد کرد .
از کره زمین هم می توان به عنوان یکی از این کره ها استفاده کرد که از دو نقطه  از محل تلاقی سه کره بدست می آید ، معمولا فقط یکی روی سطح زمین خواهد بود به این ترتیب برای پیدا کردن موقعیت، سه ماهواره کافی است ولی برای بدست آوردن دقت بیشتر از تعداد بیشتری ( حداقل چهار ماهواره ) استفاده می شود .
GPS برای اندازه گیری فاصله خود از ماهواره ها از سیگنال های رادیویی استفاده می کند. این سیگنال ها در حقیقت امواج الکترومغناطیسی هستند که  با سرعت نور حرکت می کنند . گیرنده اگر بتواند مدت زمانی را که این سیگنالها در راه   بوده اند را محاسبه کند می تواند فاصله اش از هر ماهواره را تشخیص دهد . ماهواره ها از زمان مشخصی ( مثلا نیمه شب ) شروع به ارسال یک دنباله از کدها می کنند . گیرنده GPS هم از همان زمان دریافت این سلسله  از کدها را   شروع می کند .
هنگامی که سیگنال ارسالی از طرف ماهواره که حاوی آخرین کد در زمان ارسال است به GPS می رسد و GPS ، بر اساس دنباله ی کدهای خود می تواند متوجه تاخیر زمان کد دریافتی شده و به این ترتیب زمان سپری شده را محاسبه می کند .
حاصل ضرب این زمان در سرعت انتشار امواج، فاصله GPS از ماهواره است ، پس از بدست آمدن فاصله از چند ماهواره موقعیت در روی زمین توسط GPS تشخیص داده می شود.
هر گیرنده برای دریافت اطلاعات، همزمان حداقل از۳ ماهواره برای محاسبه ۲ بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی و همچنین دریافت اطلاعات، حداقل به ۴ ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه ی سرعت، جهت، مسیر پیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد
برای تعیین موقعیت در هر یک از دو روش فوق می توان از روش های ایستا (Static)، متحرک(Kinematics) و نیمه متحرک (Semi-Kinematics) استفاده کرد.
در روش مطلق ، موقعیت نسبی نقطه نسبت به یک نقطه با مختصات معلوم ((DELTA(X),DELTA(Y),DELTA(Z)) بدست می آید. روش تعیین موقعیت نسبی به علت حذف خطاهای سیستماتیک موجود در اندازه گیری های GPS از اهمیت خاصی برخوردار است و برای انجام آن نیاز به دو گیرنده GPS  می باشدکه بطور همزمان ماهواره های مشترک را مشاهده و اندازه گیری نمایند.
منظور از همزمانی ، بدین معنی است که شرایط اندازه گیری برای هر دو گیرنده ی مستقر در ایستگاه ها، یکی با مختصات معلوم و دیگری با مختصات مجهول،یکسان باشد.
از روش تعیین موقعیت نسبی با GPS اکثرا در کارهای نقشه برداری و گسترش          شبکه های ژئودزی استفاده می شود.
دقت تعیین مختصات مطلق با سیستم GPS  در حال حاضر در بهترین حالت ۳ ± متر می باشد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.

جی.پی.اس (GPS)
سیستم مکان یابی جهانی ( Global Positioning System ) یک سیستم هدایت  ناوبری  ماهواره ای اســت و تنها سیستمی می باشد که امروزه قادر است، موقعیت دقیق شما را بر روی زمین در هر زمان، درهر مکان و در هر هوایی مشخص کند. این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار قرار داده شده اند.
اولین ماهواره GPS در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۰ سال پیش ، در مدار زمین قرار گرفت. این سیستم در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی از آن آزاد و آغاز شدو سرانجام در سال ۱۹۹۴ شبکه ای شامل۲۴ ماهواره تشکیل گردیدکه امروزه تعداد آنها به عدد ۲۸ رسیده است  دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد.
با روی کار آمدن سیستمGPS  تمام سیستم های قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای ازقبیل دور بین های بالستیک ، داپلر ،N.N.S.S  ، SLR  ،LLR  ،LONG-C  ، SECOR ، به تدریج از دور خارج شدند.
GPS یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد؛ زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه و باران و نزولات جوی ) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول ۲۴ ساعت شبانه روز فعال است ودر هر زمان ودر هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.

سامانه موقعیت‌یاب جهانی
چند نمونه از گیرنده‌های جی‌پی‌اس
جی‌پی‌اس (GPS: Global Positioning System) سیستم موقعیت یاب جهانی، منظومه‌ای از ۲۴ ماهواره است که زمین را دور می‌زند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد و توسط وزارت دفاع ایالات متحده پشتیبانی می‌شود. راکت‌های کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره ها نوستار (NAVSTAR) نیز گفته می‌شود. طول جهت شناسایی موقعیت جغرافیایی آنها بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر امکان‌پذیر می‌باشد. این ماهواره ها از محاسبات ریاضی ساده‌ای برای پخش اطلاعات استفاده می‌کنند که به عنوان طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده‌های زمین ترجمه شده‌اند. جی‌پی‌اس در تمام شرایط به‏صورت ۲۴ ساعت در شبانه‏روز و در تمام دنیا قابل استفاده است، 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.
با توجه به نزول شدید بهای گیرنده‌های این سیستم و افزایش امکانات آنها، این فناوری در آینده نزدیک بیش از پیش در اختیار همگان قرار خواهد گرفت.

کاربردهای عمومی
دستگاه جی‌پی‌اس یک رایانه کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده‌است. بنابراین این رایانه با داشتن مختصات شما می‌تواند کارهای دیگری هم انجام بدهد.
مثلا 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 ودر هر نقطه ازجهان ، محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و بر گرداندن شما از مسیر آمده را نیز می‌تواند محاسبه کند.
کاربرد ها ی تخصصی
نقشه برداری پروژه‌های عمرانی
کوهنوردی
کایت سواری
سفر در مناطق ناشناخته
کشتی رانی
قایق رانی
عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زلزله
کنترل ترافیک دیگر سامانه‌ها
سامانه گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود. این سامانه هم اکنون ۴۵درجه قابلیت مانور دارد و قرار بود تا سال ۲۰۰۸ به همراه کشور هند به طور کامل به بهره برداری برسد.
سامانه گالیله گسترش داده شده توسط اتحادیه اروپا می باشد و قرار است به همراه کشورهای هند، عربستان سعودی، کره جنوبی، اکراین، چین و مراکش و رژیم اشغالگر قدس تا سال ۲۰۱۰ به صورت موثر به کار گرفته شود.
سامانه بیدو (Beidou) که به صورت مستقل در کشور چین در حال گسترش می‌باشد
سامانه QZSS درژاپن برای پوشش بهتر جزایر ژاپنی
سامانه ماهواره‌ای موقعیت یابی ملی هند (IRNSS)

مهمترین کاربرد های جی پی اس چیست؟
جی پی اس ها دارای کاربردهای متنوعی در زمین ، دریا و هوا می باشند، اساساً جی پی اس در هر جایی قابل استفاده است مگر در نقاطی که امکان وصول امواج ماهواره درآنها نباشد. در نهایت باید گفت هرکسی که می خواهد بداند که درکجا قراردارد، راهش به چه سمتی است، و یا با چه سرعتی درحرکت است می تواند از یک جی پی اس استفاده کند.
کاربردهای هوایی جی پی اس در رهیابی برای هوانوردی تجاری می باشد.
در دریا نیز ماهیگیران، قایقهای تجاری، و دریا نوردان حرفه ای از جی پی اس برای رهیابی استفاده می کنند.
استفاده های زمینی جی پی اس بسیار گسترده تر می باشد:
مراکز علمی از جی پی اس برای استفاده از قابلیت و دقت زمان سنجی اش واطلاعات مکانی اش استفاده می کنند.
نقشه برداران از جی پی اس برای توسعه منطقه کاری خود بــــهره می گیرند.
استفاده های تفریحی و ورزشی از جی پی اس  نیز به تعداد تمام ورزشهای تفریحی متنوع است. به عـنوان مثال برای شکارچیان، برف نوردان، کوهنوردان و سیاحان و …
استفاده های تفریحی و ورزشی در خودروها نیز وجود دارد ، جی پی اس به عنوان ردیاب و مسیر یاب مورد توجه واحد های گوناگون حمل ونقل نیز قرار دارد.