فناوري تعيين موقعيت جغرافيايي بوسيله كامپيوتر GPS
 |
در گذشته، زمانی که تکنولوژی پیشرفته امروزی وجود نداشت، مردم وبخصوص
اشخاصی مانند سیاحان، جهانگردان و ...گاهی اوقات در یک گستره جغرافیایی و
بخصوص شهرها و کشورهای بیگانه، از مکان دقیق خود با خبر نبودند وحتی گاهی
نیز در بیابانها ودریاها مسیر خود را گم می کردند،
|
|
فناوري تعيين موقعيت جغرافيايي بوسيله كامپيوتر GPS
در گذشته، زماني كه
تكنولوژي پيشرفته امروزي وجود نداشت، مردم وبخصوص اشخاصي مانند سياحان،
جهانگردان و ...گاهي اوقات در يك گستره جغرافيايي و بخصوص شهرها و كشورهاي
بيگانه، از مكان دقيق خود با خبر نبودند وحتي گاهي نيز در بيابانها
ودرياها مسير خود را گم مي كردند، از سوي ديگر در دنياي قديم، استفاده از
ستارگان، قطب نما وساير عوامل طبيعي تا اندازه اي راهگشاي بشر بوده، ضمن
اينكه همه اين موارد،بطور كلي انسان عصر گذشته را مورد هدايت و راهنمايي
قرار مي داد، در حاليكه امروزه پيچيدگي هاي جغرافيايي، اعم از بافت شهر،
خيابان، و... اصولا زمينه استفاده از اينگونه روشها را تا حد زيادي منتفي
و بي معنا كرده است. به هر صورت در شرايط فعلي، با گسترش فناوري هاي
گوناگون، اين مشكل توسط يك سيستم ماهواره اي مدرن وپيشرفته، با نام و
عبارت(GPS(Global Position Systemكه به معناي سيستم موقعيت ياب جغرافيايي
مي باشد، رفع شده است. در حقيقت دنياي امروز، دنيايي است كه هيچ فردي در
آن گم نخواهد شد و همه چيز بر روي تمام نقاط زمين قابل شناسايي است واين
قدرت دستيابي به سيستم هاي شناسايي را ماهواره ها ودر اساس كامپيوترها، در
اختيار بشر قرار داده اند. امروزه دستگاه هايي به نام گيرنده هاي GPS با
قيمتي حدود 100 دلار يا كمتر و در اندازه هاي يك گوشي تلفن همراه، در
دسترس مي باشند كه با استفاده از آنها هميشه مي توانيد موقعيت دقيق خود را
بر روي هر نقطه از كره زمين بدست آوريد. اكثر شما نام GPS را به كرات
شنيده ايد، در واقع امروزه بيشتر دستگاههاي الكترونيكي قابل حمل،مانند
تلفن هاي همراه پيشرفته، كامپيوترهاي Laptop و PDAها را به سيستم GPS مجهز
مي كنند تا شخص دارنده سيستم هاي مذكور، هميشه موقعيت خود را بر روي نقشه
الكترونيكي رويت كند.
در اين مقاله ابتدا به كاربرد، مزايا و معايب اين
سيستم مي پردازيم و سپس بطور تخصصي، طرز كار و نحوه استفاده از آن را مورد
بررسي قرار مي دهيم.
GPS چيست ؟
معمولا وقتي مردم از GPS صحبت مي كنند، منظور آنها دستگاه GPS Receiver يا گيرنده GPS است، اما اين دستگاهها فقط نقش يك گيرنده
امواج
راديويي را بازي مي كنند و سيستم داخلي آنها چندان پيچيده نيست. ولي در
واقع GPS عبارتست از يك صورت فلكي كه مجموعه اي از 27 ماهواره است كه با
دقت هر چه تمام تر در مدار زمين به گردش در مي آيد.
فاصله بين اين 27
ماهواره و سرعت آنها به گونه اي طراحي شده كه هيچگاه تداخلي در كارشان
ايجاد نمي شود وتمام زمين را تحت پوشش خود قرار مي دهند. اين ماهواره ها
بطور دائم وشبانه روزي، امواج راديويي را به تمام سطوح زمين ارسال مي
كنند. اين امواج دائما فاصله بين ماهواره ها را گزارش مي دهند؛ به اين
ترتيب كه اگر يك گيرنده GPS بر روي زمين اين اطلاعات را دريافت كند، از
طريق آن قادر به شناسايي موقعيت خود مي باشد.
لازم به ذكر است كه امواج
راديويي در GPS بر روي 2 فركانس ۱۲۲۸MHz و 1575MHz ارسال مي شود. اين
سيستم ارسال و دريافت امواج راديويي، شباهت زيادي به راديو هاي معمولي و
ديگر وسايل گيرنده امواج راديويي دارد. در حقيقت شما ميتوانيد راديوهاي
خانگي را يك گيرنده GPS فرض نماييد و 27 ماهواره موجود در فضا را نيز
Transmitterهاي صدا وسيما بپنداريد. در سيستم GPS به غير از اين 27
ماهواره، تعداد 3 عدد ماهواره اضافي بصورت يدكي وجود دارد كه در صورت بروز
نقص فني در يكي از ماهواره هاي اصلي، بلافاصله وظيفه آن به يكي از ماهواره
هاي يدكي سپرده مي شود. زيرا در صورت از كار افتادن يكي از ماهواره ها،
قطعا قسمتي از كره زمين از شناسايي GPS خارج مي شود و افراد دارنده گيرنده
GPS در نقاط كور، قادر به دريافت امواج راديويي نيستند. لازم به ذكر است
اگر 3 ماهواره يدكي مذكور در مدار زمين قرار نمي گرفت، با بروز مشكلي در
يكي از ماهواره هاي اصلي، مي بايست حتما ماهواره جديد به فضا پرتاب شود كه
اين خود زمان و هزينه زيادي را مي طلبد.
ماهواره هاي مورد بحث در فاصله
19300 كيلومتري زمين قرار دارند و روزي 2 بار به دور زمين مي گردند. نظم
قرار گرفتن اين ماهواره ها به گونه اي است كه هر گاه با استفاده از تلسكوپ
به آسمان نگاه كنيد، حداقل 4 عدد و شايد هم بيشتر از آنها را رويت خواهيد
كرد كه اين خود نشان دهنده حضور هميشگي اين سيستم در تمام دنيا مي باشد.
كاربرد GPS:
ايده
ايجاد ماهواره GPS توسط وزارت دفاع ايالات متحده امريكا در سال 1970 و در
جهت كمك به نيروهاي نظامي اين كشور در شناسايي هر چه بهتر مكانهاي مختلف
تعبيه و پياده سازي شد و اولين ماهواره GPS در سال 1978 در جو زمين قرار
گرفت. در واقع نيروهاي نظامي امريكايي در هر مكان، بلافاصله موقعيت خود را
از GPS در خواست مي كنند. بر همين اساس اشتباه در شناسايي محل مورد نظر
براي نيروهاي نظامي، در حد چند ميليمتر مي باشد. البته GPS علاوه بر
كاربرد نظامي، براي مصارف عمومي مانند دريانوردي نيز مورد استفاده قرار مي
گيرد كه البته ضريب خطاي نسبتا زيادي نسبت به مصارف نظامي امريكا دارد،
ولي بطور كلي اجازه استفاده براي عموم مردم ( براي مصارف غير نظامي ) از
اين سيستم در سال 1980 تصويب شد. نظاميان امريكايي براي استفاده از اين
سيستم از كد ( رمز عبور ) خاصي استفاده مي كنند، ولي افراد معمولي فقط
قادر به استفاده از GPS در مصارف غير نظامي ( عمومي ) هستند، زيرا به رمز
اين سيستم دستيابي ندارند و مسلما در سيستم عمومي كه در اختيار همه مردم
جهان قرار دارد، ضريب خطاي زيادي ( حداقل 15 متر ) وجود دارد.
شايد در
بعضي فيلم هاي پليسي ديده باشيد كه رديابي به مجرم متصل مي شود تا موقعيت
دقيق آن بر روي نقشه الكترونيكي رويت شود، خب اين عمل توسط سيستم GPS
انجام مي گيرد. امروزه اكثر هواپيماهاي مسافربري در سراسر جهان نيز به اين
سيستم مجهز شده اند كه خلبان ها با استفاده از آنها هيچگاه مسير صحيح
پرواز را گم نمي كنند. حتي امروزه اكثر كارخانه هاي توليد اتومبيل هاي
پيشرفته در جهان، از GPS و نقشه الكترونيكي در اتومبيل هايشان استفاده مي
كنند. در واقع اينگونه سيستم ها با استفاده از فناوري GPS قابل پياده سازي
است و استفاده از آن به صنعت خاصي محدود نمي شود. لازم به ذكر است كه بخش
Monitoring اين سيستم ها در اختيار وزارت دفاع امريكا قرار دارد، و دائما
هرگونه تبادل اطلاعات بين ماهواره هاي GPS و گيرنده ها در هر نقطه از
جهان، ثبت و بررسي مي شود تا استفاده از اين سيستم، توسط كشورهاي ديگر در
مراكز حساس مشخص گردد. ضمنا گيرنده هاي GPS علاوه بر نمايش نقشه
الكترونيكي از محل دقيق منطقه، قادر به محاسبه سرعت حركت جسم و حتي نمايش
حركت جسم نيز مي باشد.
با توجه به آنچه مطرح شد، متاسفانه در حال حاضر
در كشور ما فعاليت چنداني انجام نگرفته، و حتي بسياري از مردم عادي از
وجود اين سيستم و طرز كار آن با اطلاع نيستند. اين در حالي است كه در
كشورهاي پيشرفته حتي افراد عادي نيز از GPS استفاده مي كنند، ولي با توجه
به شرايط فعلي كشور ما، هنوز براي رسيدن عموم به اين فناوري، ظاهرا مدت
زماني در پيش خواهد بود.
طريقه محاسبه فاصله ها توسط گيرنده GPS :
همانطور
كه گفته شد، در هر لحظه حداقل چهار عدد از اين ماهواره ها در آسمان قابل
رويت است. بر همين اساس يك دستگاه GPS Receiver با دريافت امواج راديويي
متصاعد شده از ماهواره هاي مذكور و با ادغام اطلاعات و محاسبات عمليات
رياضي، قادر به شناسايي محل مورد نظر هستند. اين محاسبات رياضي در اين
سيستم ، Trilateration نام دارد و در فضاي سه بعدي بصورت مجازي انجام مي
گيرد.
سيستم زمان در محاسبات :
همانطور
كه اشاره شد، هر كدام از ماهواره هاي GPS بلا استفاده از امواج راديويي
مسافتها را مشخص مي كنند، ولي امواج به تنهايي قادر به شناسايي فاصله ها
نيستند، از اينرو براي محاسبه مسافت،از ساعت هاي بسيار دقيق اتمي در
ماهواره ها و همچنين گيرنده هاي GPS استفاده مي شود. در اين حالت زمان
ارسال هر سيگنال توسط ساعت اتمي موجود در ماهواره، به گيرنده GPS ارسال مي
شود، وگيرنده GPS نيز با ساعت داخلي خود تفاضل زماني را بدست آورده و
فاصله دقيق را كسب مي كند. همانطور كه متوجه شديد، در اين فناوري زمان
بسيار مهم است و بصورت نانو ثانيه محاسبه مي گردد.
البته ناگفته
نماند يكي از مشكلاتي كه در سيستم زمان وجود دارد، گرانقيمت بودن ساعت
اتمي مي باشد. بعبارت ديگر قيمت اين ساعت ها حدود 50 تا 100 هزار دلار است
كه فقط در ماهواره هاي GPS قرار مي گيرد، ولي در گيرنده هاي GPS به روي
زمين، از ساعت هاي معمولي ديجيتالي استفاده مي كنند. به همين دليل امكان
اختلال در سيستم زماني متصور است و از اين رو در گيرنده هاي GPS از ساعت
هايي كه دائما Reset مي شود و در واقع نقش كرنومتررا بازي مي كنند،
استفاده مي شود.
مشكلي مهمتر از قيمت زياد ساعت هاي اتمي در سيستم GPS نيز وجود دارد. همانطور كه مي دانيد سيگنالهاي راديويي از خارج از جو زمين، توسط ماهواره ها به زمين ارسال مي شود. اين امواج مي بايست از اتمسفر زمين عبور كنند و اتمسفر سرعت انتقال سيگنالها را كم مي كند. بنابراين امواج با تاخير چند صدم ثانيه اي به گيرنده هاي GPS مي رسند، اما گيرنده هاي GPS از وجود اتمسفر زمين خبر نداشته و محل ماهواره ارسال كننده امواج را دورتر از موقعيت حقيقي شناسايي مي كنند.
بنابراين مشاهده مي كنيد كه با وجود ساعت هاي اتمي و محاسبات در حد نانو ثانيه، اتمسفر زمين باعث تاخير در ارسال امواج راديويي شده و اختلالي در سيستم GPS ايجاد مي كند و در اين حالت ضريب خطاي Trilateration بالا خواهد رفت. براي رفع اين مشكل، از ايستگاه هاي (DGPS (Differential GPS كه بر روي زمين و در مكانهاي مشخصي قرار دارند استفاده مي شود. اين ايستگاه ها فاصله دقيق بين ماهواره ها تا همان ايستگاه را مي دانند و در صورت بروز خطاي حاصل از اتمسفر زمين، اين خطا را توسط سيگنالهاي راديويي به دستگاه هاي گيرنده هاي GPS انتقال مي دهند تا آنها نيزازاين درصد خطا باخبر باشند. اما 2 نكته مهم در اين رابطه وجود دارد. اولين نكته اين است كه دستگاه هاي گيرنده GPS بايد مجهز به سيستم DGPS باشند و نكته دوم اين است كه ايستگاه هاي DGPS، امواج راديويي را درهمان منطقه و در اختيار گيرنده هاي GPS همان منطقه قرار مي دهند. زيرا ضخامت اتمسفر زمين در نقاط مختلف متفاوت مي باشد و از اين رو در هر ناحيه ، ايستگاه DGPS خاص همان ناحيه مي تواند قرار بگيرد. همچنين لازم به ذكر است كه ايستگاه هاي DGPS قابل حمل بوده و در هر ناحيه اي مي توانند مستقر شوند. از ديگر مشكلات گيرنده هاي GPS اين است كه در ساختمان ها نمي توان از آنها استفاده كرد، زيرا امواج راديويي متصاعد شده از ماهواره ها بدرستي از ساختمانها عبور نمي كنند و حتما مي بايست در محيط بدون پوشش، از گيرنده هاي GPS استفاده شود.
 |
در ابتدا قسمتهای یک گیرنده را شرح می دهیم و در ادامه به توضیح هر کدام خواهیم پرداخت .
بخشهای اصلی یک گیرنده GPS عبارتند از : 1_ آنتن با Preamplifier |
|
گيرنده هاي سيستم GPS
در ابتدا قسمتهاي يك گيرنده را شرح مي دهيم و در ادامه به توضيح هر كدام خواهيم پرداخت .
بخشهاي اصلي يك گيرنده GPS عبارتند از :
1_ آنتن با Preamplifier
2_ بخش RF ( Radio Frequency )
3_ بلوك رديابي سيگنال
4_واحد ورودي دستورات و واحد نمايش
5_واحد خروجي و ذخره داده ها
6 _منبع نيرو
آنتن :
آنتن گيرنده وسيله اي است جهت تبديل انرژي الكترومغناطيسي موج به جريان الكتريكي .
به عبارت ساده تر ، آنتن سيگنالهاي ماهواره هاي بالاي افق خود را دريافت و بعد از انكه نويزها را به كمك فيلتر هايي از ورودي سيگنالها برداشته آنها را به بخش RF انتفال مي دهد .
يك مشخصه اصلي در آنتها الگوي حصول (Gain Panern ( آنها مي باشد كه حساسيت آنها در دريافت سيگنالهايارسالي از زاويه ارتفاعي مشخصي را نشان مي دهد . بر طبق اين الگو انتنها موظف مي شوند كه سيگنالهاي ارسالي از ماهواره ها را تتا زائيه ارتفاعي مشخصي دريافت كنند . Gain آنتن بايد متناسب با نوع كاربرد گيرنده باشد . به عنوان مثال در كارهاي Static در مكانهاي شهري ، Gain آنتن بايد به گونه اي باشد كه امواج ارسالي از ماهواره ها با زاويه ارتفاعپايين را دريافت نكند (جهت اجتناب از بروز پديده چند مسيري ( Multipath ) ) و در كاربرد هاي ناوبري در دريا ها انتنهايي با Gain بالا نياز است تا امواج مربوط به ماهواره ها با زاويه ارتفاعي پايين را نيز دريافت كند .
توضيح : يكي از اثرات و خطاهايي كه در GPS با آن مواجه هستيم ، اثر چند مسيري
(Multipath ) مي باشد . اين پديده در اثر انعكاس امواج از سطح منعكس كننده مانند ساختمانها به وجود مي آيد . در اثر اين پديده آنچه گيرنده دريافت مي كند سيگنالي است كه از دو يا چند مسير مختلف به آن رسيده است . جهت اجتناب از اين مسئله معمولاً الگوي حصول آنتن را به گونه اي طراحي مي كنند كه سيگنالهاي ماهواره ها تا زاويه ارتفاعي مشخصي را رديابي نمايند كه به اين زاويه ارتفاعي Cut of angle مي گويند . معمولاً Cut of angle را 15 درجه اختيار مي كنند . يعني آنتنها سيگنالهاي ارسالي با زاويه ارتفاعي كمتر از 15 درجه را دريافت نمي كنند . الگوي خصول آنتن بايد به گونه اي باشد كه اجازه ورود سيگنالهاي چند مسيري را به گيرنده ندهد .
يك مشخصه ديگر آنتنها ، استحكام مركز فاز آنها مي باشد . مركز الكتروني آنتنها بايد بر مركز فيزيكي آنها نزديك باشد و همچنين بايد نسبت به دوران هم غير حساس باشد . اين مسئله به خصوص در كاربردهايي كه آنتن در حال حركت است اهميت زيادي دارد . براي آنتنهاي مورد استفاده در كاربردهاي دقيق تعيين موقعيتي ، مركز فاز آنتن يعني مركز آلكتريكي آن كه موقعيت به آن منسوب مي شود بايد از استحكام بالايي برخوردار باشد .
انواع آنتنهاي GPS :
بايد ذكر كنم كه انواع مختلفي از آنتنها در سيتم GPS مورد بهره برداري قرار مي گيرند اما عمده آنها عبارتند از :
Dipoles يا Monopole
Quadrifila helix يا Volutes
Spiral helix
Micro strip
Choke ring
لازم به ذكر است كه برخي از آنتنهاي ذكر شده مانند Micro strip به يك Ground Plane نياز دارند كه معمولاً اين نياز با قطعات فلزي كه المانهاي آنتن Micro strip روي آن قرار مي گيرد مرتفع مي شود .
خصوصيات آنتنها :
Dipoles يا Monopole :
_ به يك Ground Plane نياز دارد
_ تك فركانسه هستند
_ عمده مزيت آنها اين است كه اندازه آنها كوچك بوده و به آساني قابل ساخت هستند
_ اندازه Ground Plane مي تواند به گونه اي طراحي شود كه خطاي چند مسيري را كاهش دهد .
Quadrifila helix يا Volutes
_ به Ground Plane نياز ندارند
_ تك فركانسه هستند
_ از نقطه نظر ساخت پيچيده تر از گيرنده هاي Dipole مي باشند
_ Gain Pattern خوبي دارند
Spiral helix
_ دو فركانسه هستند
_ Ground Plane خوبي دارد
_ مركز فاز اين آنتنها از استحكام خوبي برخوردار نيست
Micro strip
_ ممكن است تك فركانسه يا دو فركانسه باشند
_ از نقطه نظر ساخت ساده هستند
_ با داشتن مقطع كوچك براي كاربردهاي ناوبري ايده آل هستند
_ عيب عمده اين آنتنها اين است كه Gain ياييني دارند
Choke ring
_ عموماً دو فركانسه هستند
_ به يك Ground Plane نياز دارند
_ شامل چندين حلقه متحدالمركز به محور قائم آنتن هستند
_ Ground Plane به گونه اي طراحي شده اند كه اثر چند مسيري را كاهش مي دهند .
بخش Radio Frequency :
بخش RF بخش اصلي آنتن و در واقع قلب گيرنده مي باشد . وظيفه اصلي اين بخش ، تبديل فركانسهاي سيگنال در يافتي در آنتن به فركانس پايين تر كه فركانس متوسط IF يا فركانس بيت مي باشد .
يك قسمت مهم در اين بخش ، تعداد كانالها و به عبارت ديگر تعداد ماهواره هايي است كه مي توانند به طور همزمان رديابي شوند . در گيرنده هاي قديمي ، تعداد كانالها محدود بود و رديابي ماهواره ها به صورت متوالي روي همان كانال صورت مي گرفت ( حدود هر 20 ثانيه يك ماهواره تعقيب مي شد و در انتهاي اين زمان ماهواره بعدي تعقيب مي شد ). امروزه بيشتر گيرنده ها ، ماهواره ها را در كانالهاي جداگانه رديابي مي كنند و رديابي ماهواره ها به صورت پيوسته صورت مي گيرد . گيرنده هاي چند كاناله ، دقت بيشتري دارند و نسبت به گم كردن سيگنال و قطع Lock غير حساس تر هستند ، اما داراي باياسهاي بين كانالي مي باشد كه اين باياسها در گيرنده هاي مدرن مي تواند به طور كامل كاليبره شده و در سطح كمتر از 1/0 ميليمتر نگه داشته شوند .
المنهاي اصلي بخش RF عبارتند از :
_ اسيلاتورها ، براي توليد فركانس مرجع
_ فيلتر ها ، براي حذف فركانسهاي ناخواسته
_ Mixer ها ، جهت ضرب فركانسها در هم