آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی – بخش اول

در مقاله آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی ما به معرفی سامانه های موقعیت یابی جهانی و مختصری از تاریخته گیرنده های نقشه برداری می پردازیم.

سامانه موقعیت‌یابی جهانی یا جی ان اس اس به انگلیسی Global navigation satellite system ا نماد اختصاری GNSS که در قدیم با نام جی‌پی‌اس به انگلیسی Global Positioning System با نماد 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.

شناسایی موقعیت جغرافیایی گیرنده GNSS را با خطای اندازه گیری 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 زمینی ترجمه شده‌اند.

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

پروژه جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۳ و توسط ایالات متحده، برای غلبه بر محدودیتهای سیستم‌های موقعیت یابی پیشین، شروع شد. وزارت دفاع آمریکا سیستمی را توسعه داد که به شکل پیش فرض 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 رسیده است. اتحادیه اروپا، هند و چین نیز هر یک سیستم‌های مشابهی را در دست توسعه دارند.
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 پیش بینی 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 و نسل جدید سیستم‌های کنترل عملیاتی (OCX) شده‌اند. این تغییرات از سال ۱۹۹۸ با دستور کاخ سفید شروع شده اند و در سال ۲۰۰۰ با تصویب کنگره آمریکا عملیاتی شده اند و در نهایت به ۳۳ ماهواره جی‌پی‌اس خواهد رسید.
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 متراست.
جی‌پی‌اس فعلی از سه بخش اساسی تشکیل شده است. این سه بخش اصلی عبارتند از: بخش فضایی، بخش کنترل و بخش کاربر.

آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی گیرنده های GNSS ایستگاهی در نقشه برداری.

سمتهای 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 های اصلی GNSS

دستگاه های تعیین موقعیت GNSS از سه بخش اصلی تشکیل شده اند که عبارت اند از: بخش فضایی ، بخش کنترل و بخش کاربری.

آشنایی با بخش های مختلف دستگاه های موقعیت یاب GNSS به کاربران این امکان را می دهد تا درک صحیحی از این دستگاه و تکنولوژی های بکار رفته در آن را داشته باشند. این درک صحیح از بخش های مختلف دستگاه رابطه مستقیم با نیازهای یک کاربر در سطوح مختلف پروژه را دارد و زمینه ساز ایجاد فضایی کاملا صحیح از یک تعریف درست در مورد محدوده کاری این دستگاه ها در مسیر پروژه خواهد بود.

آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی و بخش های مختلف آن:

• بخش فضایی (Space Segment): از ۲۴ تا ۳۲ ماهواره تشکیل شده است 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.
  • از ماهواره های مستقر در مدار زمین تشکیل شده است که به اختصار ماشین های 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. آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی
  • مدارها به شکلی تنظیم شده اند 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 نشده است)۹۰ درجه با هم نیستند ( اگر ساده تر در نظر بگیریم فاصله زاویه ای بین ماهواره ها 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 دوبار و همان مسیر قبلی را نسبت به زمین میپیماید. این مسئله مخصوصاً هنگام ارتقا و تکمیل سیستم خیلی کمک کننده بود چرا که حتی فقط با ۴۴ ماهواره و جاگیری صحیح، هر چهار ماهواره در طی چند ساعت، از یک نقطه خاص قابل رویت بودند. برای عملیات های نظامی، تکرار گذرهای زمینی از یک منطقه میتواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.
  • در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سیستم جی پی اس حضور داشتند که ۳۱ عدد از آنها فعال بودند. ماهواره های اضافی دقت محاسبات گیرنده های جی پی اس برای اندازهگیری های دقیق را افزایش می دهند. با افزایش تعداد ماهواره ها 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 نمی یابد 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.
• 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 آنتن های اختصاصی و اشتراکی برای سیستم و ایستگاه‌های پایش تشکیل شده است. آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی
  • 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 آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب چندجمله ایِ ریاضی به طریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها) و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدأ سیستم مختصات تقریباً در مرکز زمین قرار دارد) محاسبه می نماید.تعداد این ایستگاه های 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.
• بخش کاربری (User Segment): از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از جی‌پی‌اس کد گذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می‌کنند و صدها میلیون کاربر مدنی، عمومی یا علمی تشکیل شده است که از امکانات موقعیت یابی استاندارد استفاده میکنند.
  • آخرین بخش از سیستم جی پی اس، قسمتِ کاربران سیستم است که خود شامل دو بخش است:
    • 1- آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها
    • 2-گیرنده (پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن
  • نرم افزار و ریزپردازنده داخل گیرنده GNSS فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره ماهواره موقعیت X وY و Z محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین میشود.نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد این است که ارتفاعی که جی پی اس به ما میدهد با ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند. ارتفاع جی پی اس نسبت به سطح مبنایی بنام 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 ۱۰۰۰ متر است. آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی
  • دقت اندازهگیری دستگاه های جی پی اس انواع و مدل های گوناگونی دارند و در وسایل مختلفی استفاده می شوند؛ ولی یکی از جاهایی که بیشتر در آن استفاده میشود گوشی های 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 مترداخل 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 موقعیّت یاب تعیین موقعیت است و این کار با دریافت امواج ماهواره های موقعیّت یاب که در مدارهایی به دور کره زمین در چرخش هستند، انجام می شود. برای تعیین موقعیت، گیرنده موقعیّت یاب زمان های دریافت شده را با زمان خود مقایسه میکند. تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده موقعیّت یاب از ماهواره مزبور میباشد. این عملی است که دقیقاً یک گیرنده موقعیّت یاب انجام می دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر، موقعیّت یاب میتواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید(که آن را تعیین دو بعدی می نامند) و با تبادل با چهار یا بیشتر، ماهواره یک موقعیّت یاب 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، موقعیّت یاب میتواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید امروزه در بعضی مکان های 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. آشنایی با سامانه موقعیت‌یابی جهانی 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 موقعیّت یاب به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند. ارتفاع موقعیّت یاب ارتفاع ژئودتیک است که نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی مقایسه اندازهگیری می شود، در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک یا ارتفاع از سطح ژئوئید می باشد که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد. مقدار اختلاف این دو مقیاس در بیشترین حالت حدود ۱۰۰ متر است. موقعیّت یاب اطلاعات موقعیتی را توسط اعداد و در یک سیستم مختصاتی بیان میکند. امروزه پر کاربردترین سیستم های مختصاتی Lat -Lon و UTM میباشند. دستگاه جی پی اس یک رایانه کوچک است که جهت انجام امور خاصی برنامه ریزی شده است؛ 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 جی پی اس 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 نظرشکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان، محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و برگرداندن شما از مسیر آمده را نیز میتواند انجام دهد.