آشنایی با جی.پی.اس (GPS) – بخش دوم (عملکرد سیستم)

ماهواره های GPS

در حال حاضر سیستم جی.پی.اس (GPS) شامل 28 ماهواره فعال است که در مداری به طول 11000 مایل دریایی بالای زمین در حرکت بوده و پیوسته بوسیله ایستگاه‌های زمینی در سراسر جهان نظارت می‌شوند. هرکدام ازاین ماهواره ها که NAVSTAR نیز نامیده میشوند 2000پوند وزن داشته ،دارای صفحات آفتابی به پهنای f=17  هستند و باسرعتی درحدود 108 مایل درثانیه به دور زمین میگردند.

این ماهواره ها که کل سطح کره زمین را بطور همزمان پوشش می دهند ، در 6 مدار بیضی شکل با زاویه میل 55 درجه نسبت به صفحه استوای زمین به دور زمین می چرخند و در ارتفاع 20800 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.زمان یکبار چرخش ماهواره های GPSبه دور زمین در حدود 12 ساعت نجومی است. به عبارتی در هر 24 ساعت خورشیدی در طول شبانه روز ماهواره دوبار از افق یک محل می گذرد.همان طور که می دانیم شبانه روز خورشیدی 4 دقیقه از شبانه روز نجومی بیشتر است لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره 4 دقیقه زودتر در افق یک محل ثابت طلوع می کند.

هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال می ماند وجایگزینی ماهواره ها بموقع انجام گشته و ماهواره های جایگزین به فضا پرتاب می گردند . برنامه شبکه جی.پی.اس (GPS) هم اکنون تا سال 2006 تنظیم وجایگزینی های لازمه ترتیب داده شده اند . مسیر گردش ماهواره ها آنها را بین عرض جغرافیایی 60 درجه شمالی و60 درجه جنوبی قرارمی دهد . این امر به معنی آن است که درهرنقطه از زمین ودرهرزمان می توان سیگنال های ماهواره أی را دریافت نمود. وهرچه به قطبهای شمال – جنوب نزدیک شویم نیز همچنان ماهواره های GPS را خواهیم دید . هرچند دقیقاً در بالای سرما نخواهند بود واین در دقت وصحت عمل آنها در این نقاط تاثیرمی گذارد .

انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از 50 وات است. این ماهواره ها نیروی خود راتوسط باتریهای خورشیدی که طول هرکدامشان 5.5 متر است از خورشید تامین می کنند. همچنین باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می کنند بهمراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر صحیح نگاه می دارد.

سیستم جی.پی.اس (GPS) چگونه کار میکند؟

به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد و برای تعیین موقعیت در هر یک از دو روش فوق می توان از روش های ایستا (STATIC) ، متحرک (KINEMATICS) و نیمه متحرک (SEMI-KINEMATIC) استفاده کرد.

در روش مطلق ، موقعیت نسبی نقطه نسبت به یک نقطه مختصات دار معلوم (X,Y,Z) بدست می آید. روش تعیین موقعیت نسبی به علت حذف خطاهای سیستماتیک موجود در اندازه گیری های GPSاز اهمیت خاصی برخوردار است و برای انجام آن نیاز به دو گیرنده جی.پی.اس (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 مستقر در ایستگاه های استقرار، یکی با مختصات معلوم و دیگری با مختصات مجهول،یکسان باشد. از روش تعیین موقعیت نسبی با لحساکثرا 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 3 ± متر می باشد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.

هر ماهواره  جی.پی.اس (GPS) بطور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:

1) امواج حامل :

  • موج حامل (L1) با فرکانس F1=1575.45 MHZ
  • موج حامل (L2) با فرکانس F2=1227.60 MHZ

2)کدهای اطلاعاتی(بصورت دودویی) :

  • کدغیر نظامی(کد C/A ) ؛ F=1.023 MHZ
  • کد دقیق (کدP ) ؛ F=10.23 MHZ
  • کد سری (کد Y) ؛ F=10.23 MHZ

برای رسین به حداکثر دقت و کارآیی GPS توسط یک گیرنده باید از گیرنده ای استفاده کرد که هر دو موج حاملL1وL2 و کدهای فوق را دریافت نموده وقابلیت آنتی اسپوفینگ(AS) داشته باشد؛ یعنی بتواند کد سری Y را به یک کدP وبالعکس تبدیل کند.

3) پیام ماهواره(MESSAGE) با فرکانس F=1500 MHZ که حامل اطلاعات زیر می باشد:

  • اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعیت ماهواره می شود.
  • اطلاعات مربوط به زمان
  • اطلاعات شماره ماهواره
  • اطلاعات مربوط به ضریب دقت آرایش هندسی ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و یا اگرزاویه هر دو ماهواره با هم 120 درجه باشد تعیین موقعیت محل دارای دقت بیشتری خواهد بود.)

3 thumb آشنایی با جی.پی.اس (GPS)   بخش دوم (عملکرد سیستم)

مجموعه اطلاعات فوق یعنی امواج حامل،کدهای اطلاعاتی و پیام ماهواره ، همراه یکدیگر توسط مدولاسیون فاز بسمت زمین مخابره شده و گیرنده های زمینی که قابلیت ها و انواع متفاوتی دارندضمن دریافت مجموعه فوق پس از عملDE MODULATION هر بخش را برای منظور خاص خود مورد استفاده قرار می دهد.لازم به ذکر است که بهترین و دقیق ترین گیرنده ، گیرنده ایست که قابلیت

در یافت کلیه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر یک را به طرقی جداگانه دریافت کند و ارزان ترین گیرنده هم گیرنده ایست که تنها قابلیت دریافت موج حامل L1 و کدC/A و پیام ماهواره را دارد.لازم بذکر است که کد C/A فقط بر روی موج L1 مدوله میشود ولی کدP بر روی هر دو موج وجود دارد.

اما اگربخواهیم عملکرد این ماهواره ها بطور ساده تر را بررسی کنیم به نتایج زیر می رسیم:

  • سیگنـال هایی که هرماهولره ی GPSارسال میکند شـــــامــل یـــک کد شبه تصادفی Pseudo Random Code ، داده ای بنام ephemeris ویک داده تقویــــمی بنام almanac می باشد. کد شبه تصادفی مشخص کننده ماهواره ارسال کننده اطلاعات ( کد شتاسایی ماهواره ) می باشد.
  • هرماهواره باکدی مخصوص شناسایی می شود : RPN Random Code Pseudo این عددی است بین 1و 32 . این عدد درگیرنده هر GPS نمایش داده میشود .دلیل اینکه تعداد این شناسه ها بیش از 28 می باشد امکان تسهیل درنگهداری شبکه GPS باشد . زیرا ممکن است یک ماهواره پرتاب شود و شروع بکار نماید قبل از اینکه ماهواره قبلی از رده خارج شده باشد . به این دلیل ازیک عدد دیگر بین 1و 32 برای شناسایی این ماهواره جدیداستفاده می شود .
  • داده Ephemeris دائماً بوسیله ماهوارها ارسال میگردد وحاوی اطلاعاتی درمورد : وضعیت خود ماهواره ( سالم یا ناسالم ) و تاریخ وزمان فعلی می باشد . گیرنده GPS بدون وجود این بخش از پیام درمورد زمان وتاریخ فعلی درکی ندارد . این بخش پیام نکته اساسی برای تعین مکان می باشد.
  • Almanac داده أی را انتقال می دهد که نشان دهنده اطلاعات مداری برای هرماهواره وتمام ماهوارهای دیگر سیستم می باشد .

حال میتوان شیوه کار GPS را بهتر بررسی کرد . هرماهواره پیامی را ارسال می کند که بــطور ســــــاده می گوید :

من ماهواره شماره X هستم ، موقعیت فعلی من Y است ، و این پیام در زمان Z ارسال شده است.

هر چند که این شکل ساده شده پیام ارسالی است ولی می تواند کل طرز کار سیستم را بیان نماید . گیرنده GPS پیام را می خواند و داده های almanac و ephemeris را جهت استفاده بعدی ذخیــره می نماید . این اطـلاعـات می توانند برای تصحیح و یا تنظیم ساعت درونی GPS نیز به کار روند .

حال برای تعیین موقعیت ، گیرنده GPS زمانهای دریافت شده را با زمان خود مقایسه می کند. تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده GPS از ماهواره مزبور می باشد . این عملی است که دقیقاً یک گیرنده GPS انجام می دهد . با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر ، GPS می تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید . ( که آن را تعیین دو بعدی می نامند . ) و با تبادل با چهار ( و یا بیشتر ) ماهواره یک GPS می تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع می باشد . با انجام پشت سر هم این محاسبات ، GPS می تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید.

امروزه در بعضی مکان های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا 10 ماهواره می باشیم و حداقل به 4 تا 5 ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم.

هر قدر تعداد ماهواره های 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 می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی مقایسه یا سطح ژئوئید است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود 100 متر است.

یکی از عواملی که بر روی دقت عمل یک GPS اثــر می گذارد . شکل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به یکدیگر می باشد . (از نقطه نظر GPS )اگر یک GPS با چهار ماهواره تبادل نماید و هر چهار ماهواره در شمال و شرق GPS باشند طرح و هندسه این ماهوارها برای این GPS بسیار ضعیف میباشد و شاید GPS قادر نباشد مکان یابی نماید. زیرا تمام اندازه گیریهای فاصله در یک جهت عمومی قرار دارند. مثلث سازی ضعیف است وناحیه مشترک بدست آمده ازاشتراک این مسافت سنجی ها وسیع می باشد clip image0024 thumb آشنایی با جی.پی.اس (GPS)   بخش دوم (عملکرد سیستم)( مکانی که GPS برای مکان خود تصورمی کند بسیار وسیع می باشد ودر نتیجه تعیین دقیق محل آن ممکن نیست ) دراین موقعیتها حتی اگر GPS مکان یابی را انجام دهد وموقعیتی راگزارش نماید دقت آن نمی تواند زیاد خوب باشـــــــد ( کمتر از500-300 فیت ). اگر همین چهارماهواره درچهارجهت ( شمال ، جنوب ، شرق ، غرب ) وبا زوایای 90 درجه قرارداشته باشند طرح این چهار ماهواره برای GPS مزبور بهترین حالت می باشد چراکه جهات مسافت سنجی چهار جهت متفاوت و نقطه اشتراک این مسافت سنجی ها بسیار کوچک می باشد . وهرچه این نقطه اشتراک کوچکتر باشد به معنی آن است که بیشتر به نقطه واقعی حضورخود نزدیک شده ایم . دراین موقعیت دقت عمل کمتر از100فیت می باشد .

طرح وهندسه قرارگرفتن ماهواره ها هنگامیکه GPS نزدیکی ساختمانهای بلند، قلل کوهها ، دره های عمیق ویا در وسایل نقلیه قرارگرفته باشد به مساله مهمتری تبدیـل می گردد .اگر مانعی در رسیدن سیگنالهای بعضی از ماهواره ها وجود داشته باشد GPS می تواند از بقیه ماهواره ها بـــرای مکان یابی خود استفاده نماید. هرچه این موانع بیشتر و شدیدتر شوند مکان یابی نیز مشکل تر می گردد .

یک گیرنده GPS نه تنها ماهواره های قابل استفاده را تشخیص می دهد بلکه مکان آنها را درآسمان نیز تعین می کند . ( ارتفاع و زاویه ) منبع دیگرایجاد خطا ” چند مسیری ” می باشد .” چند مسیری” نتیجه انعکاس سیگنال رادیویی به وسیله یک شی می باشد . این پدیده باعث ایجاد تصاویر سایه دار در تلویزیونها می گردد هر چند در آنتنهای جدید این شکل به وجود نمی آید ، این پدیده در آنتنهای رو تلویزیونی قدیمی به وجود می آمد.

بروز این اختلال برای GPS ها به این شکل است که امواج بعد از انعکاس به وسیله اشیاء ( مانند ساختمانها یا زمین ) به آنتن GPS برسند . در این صورت سیگنال مسیر بیشتری را تا رسیدن به آنتن GPS طی می کند و این باعث می شود که GPS فاصله ماهواره را بیشتر از آنچه هست محاسبه نماید. که باعث ایجاد خطا در مکان یابی نهایی می گردد. در صورت بروز این اختلال تقریباً 15 فیت بر خطای نهایی افزوده می شود .منبع دیگری نیز برای ایجاد خطا ممکن است وجود داشته باشند . افزایش تاخیر ( delay ) به دلیل اثرات جوی نیز می تواند برروی دقت کار اثر بگذارد . همچنین خطاهای ساعت داخلی GPS. در هر دو این موارد گیرنده GPS طوری طراحی شده است که این اثرات را جبران نماید . ولی خطاهای کوچکی بر اساس همین اثرات همچنان بروز خواهند کرد .

در عمل ، دقت کار یک GPS غیر نظامی معمولی ، با توجه به تعداد ماهواره های تبادلی و طرح قرار گرفتن آنها بین 60 تا 225 فیت می باشد. GPS های پیچیده تر و گرانتر می توانند با دقتهایی در حد سانتیمتر کارکنند . ولی دقت یک GPS معمولی نیزمی تواند به کـــمک پـــردازشی بـــه نـــام DGPS Differential GPS به حدود 14 فیت یا کمتر برسد .سرویسهای DGPS با هزینه کمی قابل اشتراک می باشند . سیگنال تصحیحات DGPS توسط سازمان Army Corps Of Engineers و از ایستگاههای مخصوص ارسال می گردد .

این ایستگاهها در فرکانس KHZ .325- 283.5 کار می کنند تنها هزینه استفاده از این سرویس خریدن یک دامنه از این سیگنالها می باشد . با این کار یک گیرنده دیگر به GPS ما متصل می شود ( از طریق یک کابل سه رشته ای ) و عمل تصحیح را طبق یک روش استاندارد به نام ( RTCM SC-104 ) انجام می دهد . اشتراک سرویسهای DGPS از طریق امواج رادیویی FM نیز ممکن می باشد .

Что такое Seo-продвижение? e optimization) подразумевает проведение комплекса определенных мероприятий для достижения высоких позиций в выдаче создание сайта – компания “topodin”. разработка и продвижение сайта в поисковых системах. комплексная поддержка сайта и реклама в интернете: Раскрутка сайта Около 80% поискового трафика приходится на первую страницу результатов выдачи, то есть ТОП-10

ترتیبی که سایت تخصصی جی.آی.اس برای مطالعه سری جی.پی.اس (GPS) پیشنهاد می کند:

مطالب مرتبط

6 نظر

  1. مهدی

    سلام آقای مهندس
    با تشکر از توضیحات جامع شما
    ایا امکان تصحیح مختصات گیرنده های دستی Garmin Etrex 30 هم وجود داره ؟ دقت این گیرنده ها در فیلد در حالت اپتیموم ۳ متر و درحالت بهره گیری از GPS++ Glonas در بهترین حالت به ۲ متر میرسه که برای کارهایی از قبیل ثبت زمین دقت آن قابل قبول نیست و از طرفی نیاز به دقت گیرنده های دو یا سه فرکانسه نیز نمی باشد (+ قیمت بسیار بالای این دستگاه ها )

    با تشکر فراوان

    پاسخ
    1. ادمین

      سلام
      قبلا که با دو فرکانسه کار می کردیم از تلفیق اون با داده های ایستگاه ثابت GPS برای افزایش دقت استفاده می کردیم که فکر کنم این راه برای گیرنده های تک فرکانسه هم جواب بده. البته نیاز به پردازش بعدی (Post processing) و نرم افزار خاص خودش همچنان هست.
      ایستگاه ثابت GPS یک گیرنده قوی GPS هست که به طور شبانه روزی روشن هست و اطلاعات رو از ماهواره های جی پی اس می گیره. حالا اگه توی اون اپک زمانی که شما برداشت کردین اطلاعات متناظرش رو از ایستگاه ثابت بگیریم و با داده های گیرنده شما تلفیق کنیم دقت شما افزایش پیدا می کنه که میزان این افزایش دقت بستگی به فاصله شما تا ایستگاه ثابت داره.
      تا چند سال قبل میدونستم که تهران و اصفهان ایستگاه ثابت دارند اما الان…
      راه حل های دیگه ای هم هست مثل DGPS که نیاز به یک گیرنده دیگه داره.
      اگه کسی راه حل دیگه ای میشناسه ممنون میشم به ما هم بگه

      پاسخ
  2. جواد

    مطالب ارایه شده درخصوص نحوه عملکر سیستم gpsبرای من که بیش از دوساله که با gps های تک فرکانسه وبیش از ۱۰ساله که با gps های دستی کار میکنم خیلی مفید واقع شد.درضمن خیلی ممنون میشم اگه کسی درخصوص ضریب مقیاس منطقه ای تو ضیحات بیشتری ارایه کند.

    پاسخ
  3. حمید

    با عرض سلام وخسته نباشید.بنده یه سوال داشتم و کارم لنگه همین سواله
    یه جی چی اس دستی گارمین مدل etrex 30 دارم و میخام واحدشو به مختصات utm تغییر بدم لطفا کمکم کنید الان دستگاه فقطN و E رو به من میده لطفا کمک کنید.با تشکر

    پاسخ
  4. milad

    سلام : من مختصات دقیق رو می خوام برای quadqoter اینجوری که از توضیحات شما خوندم با جی پی اس نمی تونم حالت اتوپایلوت رو به کارببرم چون ضریب خطا جی پی اس تقریبا سه متر می شه آیا راه دقیقتری هست ؟

    پاسخ

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *