دانلود تحقیق تاریخچه GPS(سیستم موقعیت یاب جهانی )

تاریخچه GPS:
GPS دارای تاریخچه بسیار مهیج و سیر تکاملی جالبی می‌باشد و اخیرا استفاده از آن موجب اکتشافات قابل توجهی شده است.

اما قبل از این که بیشتر راجع به GPS بدانیم، لازم است مطالب بیشتری در مورد ناوبری(Navigation) بدانیم.
ناوبری(Navigation) چیست؟
از زمان ماقبل تاریخ مردم سعی می کردند یک راه قابل اطمینان پیدا کنند که به آنها بگوید کجا هستند و حتی آنها را به جاییکه می روند راهنمایی کرده و سپس به خانه بازگرداند.
مردمان غارنشین وقتی که برای تهیه غذا به شکار می رفتند، احتمالا از سنگ‌ها و شاخه های کوچک برای علامت‌گذاری مسیر خود استفاده می کردند.

ملوانان نیز ابتدا سواحل را به دقت دنبال می کردند تا از گم شدنشان جلوگیری کنند.
وقتی دریا نوردان اولیه در دریاهای باز(اقیانوس ها) کشتیرانی کردند، دریافتند که می‌توانند مسیر خود را با دنبال کردن ستاره‌ها ترسیم کنند.

فنیقیهای باستان از ستاره شمالی برای سفر به مصر و جزیره کرت استفاده می‌کردند.

بر طبق گفته هومر الهه آتنا به اودیسه گفته است که هنگام سفر کردن در جزیره کالیپسو دب اکبر را سمت راست خود قرار بده.
متأسفانه برای اودیسه و دیگر دریانوردان ستاره ها فقط در شب و تنها در شب‌های صاف قابل رؤیت هستند.
پیشرفت مهم بعدی در امر ناوبری کشف قطب نمای مغناطیسی و دستگاه زاویه یاب(sextant) بود.
عقربه قطب نما همیشه نقطه شمالی را نمایش می دهد، بنابراین همیشه دانستن جهت مسیری که در آن حرکت می‌کنیم را ممکن می سازد.
GPS چیست؟
GPS یا (Global Positioning System) سیستم موقعیت یاب جهانی است 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.

ماهواره هایGPS، بیست و چهار ساعته در مداری به طول 11000 مایل دریایی بالای زمین در حرکت بوده و پیوسته بوسیله ایستگاه‌های زمینی در سراسر جهان نظارت می‌شوند.

ماهواره ها سیگنال‌هایی می‌فرستند که برای هر کس با یک گیرنده GPS قابل شناسایی می‌باشد.

با به کارگیری گیرنده GPS می توان موقعیت خود را با دقت بالا تعیین نمود(دقت مکانی در هر مکان از یک متر تا 100متر بسته به نوع تجهیزات متفاوت می باشد).
دسته بندی دستگاههای GPS:
بطور کلی یک GPS را میتوان از یکی از 3 گروه ذیل دانست.
GPS MOUSE : هیچ صفحه یا دکمه ای ندارد اما توسط یکpc Laptop با نرم افزار مربوطه قابل استفاده سرویس GPSS می باشد.
دستگاههای این گروه مانند:
Garmin GPS 35
Delorme یا Rand Macnalley ( باقیمت های پایینتر)
قیمت این GPS ها حدود 75 تا 150 دلار آمریکا متغیر می باشد.

ولی فراموش نکنید که این نوع GPS ها حتماً به Laptop pc نیاز دارند.
Hand-Held GPS: این نوع دستگاهها می توانند بصورت سیار مورد استفاده قرار گیرند آنها خودشان یک‌صفحه کوچک جهت نمایش اطلاعات و چند دکمه دارند و در شکل ها و ترکیب های مختلفی عرضه می‌شوند و هیچگونه نیازی بهLaptop ندارند.

که بطور مثال میتوان مدل‌های با قیمت پائین Garmin شبیه Etrex, GPS12*l , GPS12 یا مدل های 315, 310 ازMagellan را نام برد.

تعدادی از اینها یک رابط NMEA و یک کابل رابط دارند قیمت با کابل ممکن است حدود 210 دلار به بالا باشد و ممکن است بعضی از کشورها ارزانتر هم موجود باشد.
یک GPS دستی ارزان قیمت با یک کابل رابط برای انتخاب و آغاز کار با GPS مناسب میباشد, حتی برای سرگرمی یا کار یا آشنایی شما با طرز کار و خدمات GPS.
High-End GPS products: این دستگاهها شامل یک صفحه نمایشگر بزرگتر و تعدادی نقشه میباشند و در بعضی از آنها شما بایستی مبلغ بیشتری جهت نقشه ها بپردازید.
قیمت این دستگاهها ممکن است بسته به نوع محصول بالاتر از 1500 دلار آمریکا باشد که نمونه هایی از آن مانند Blaupunkt PhihPs و Alpine میباشد.
GPS چگونه کار می‏کند؟
اصول اساسی GPS واقعاً‌ بسیار ساده است، اگر چه سیستم برخی از پیشرفته‏ترین ابزارهایی که تا حال ساخته شده را به کار می‏گیرد.

برای درک آن بیائید سیستم را به پنج بخش حیاتی تقسیم کرده و هر بخش را جداگانه بررسی کنیم.

ما با مفاهیم اصلی شروع می‏کنیم و بعضی از جزئیات را کنار می گذاریم، سپس در تمام آنها نکات اصلی را بیان خواهیم نمود.
GPS ) در پنج مرحله ساده
1) مثلث‏بندی ( اندازه گیری ب روش مثلث‏بندی ) با ماهواره‏ها اساس سیستم است.
2) برای اندازه‏گیری مثلث‏بندی ، GPS فاصله را توسط زمان طی مسیر به وسیله یک پیام رادیوئی اندازه می‏گیرد.
3) برای اندازه‏گیری زمان طی مسیر، GPS به ساعت‏های بسیار دقیقی نیاز دارد.
4) وقتی که شما فاصله تا ماهواره را دانستید باید بدانید که ماهواره در کجای فضا قرار دارد.
5) هنگامی که سیکنال (پیام) GPS از یونیسفر و جو ( اتمسفر) ‌زمین عبور می‏کند در آن تاخیر به‏وجود می‏آید.

فضا، کاربر، کنترل( Space , User , Control ) سیستم GPS شامل 3 بخش،‌ فضا، کنترل و کاربری می‌باشد.

بخش فضایی شامل آرایش ماهواره‌ها در فضا با (Constellation) می‌باشد.

اولین سری این ماهواره‌ها در سال 1978 در مدار قرار داده شد.

و در سال 1986 توسعه و تکمیل آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS به علت جلوگیری از خطرات ناشی از عدم مسیریابی انجام پذیرفت.

در فوریه 1989 آرایش ماهواره‌ای سیستم GPS با 24 یا تعداد بیشتری ماهواره در مدار کامل و فعال گردید.

سیستم کنترل توسط ارتش آمریکا انجام می‌گیرد که ردیابی و نگهداری آنها را در مدار کنترل می‌نماید.

بخش کاربرها، شامل کاربرهای نظامی و شخصی هر دو می‌باشد.

کاربرهای نظامی از سیستم GPS به عنوان، مسیریابی،‌ شناسایی، و سیستم هدایت موشکی استفاده می‌نمایند و کاربرهای شخصی هم می‌توانند همانند نظامی‌ها و براساس نیاز از این سیستم استفاده کنند.

بخش فضایی( Space Segment ) ماهواره‌های GPS در حدود 900 kg وزن و 5 متر با نیل‌های خورشیدی طول دارند.

عمر مفید این ماهواره‌ها برای5/7 سال طراحی شده است اما اغلب مدت زمان بیشتری در مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پنل‌های خورشیدی نیروی اولیه را تهیه می‌نمایند و نیروی (تغذیه) ثانویه توسط باطری‌های Nicod تأمین می‌شود.

در هر ماهواره چهار ساعت (Clock) اتمی فوق‌العاده دقیق نصب گردیده است.

در سپتامبر 2001 تعداد ماهواره‌های مورد استفاده در مدار 27 عدد بوده است.

مدارات ماهواره‌ها( Satellite orbits ) شامل 6 مدار با فاصله 60 درجه و در هر مدار 4 ماهواره وجود دارد و این امکان را فراهم می‌سازد که با وجود اشکال و خرابی 2 ماهواره در هر مدار سیستم کار نرمال خود را انجام دهد.

هر سطح مداری شیبی برابر با 55 درجه با سطح مدار استوایی دارد.

ارتفاع زیاد مدار (km 20000) باعث ثابت ماندن ماهواره‌ها در مدارشان می‌شود.

همچنین ارتفاع زیاد ماهواره باعث پوشش منطقه وسیعی در روی زمین می‌شود.

ماهواره‌های GPS هر نقطه در روی زمین را 2 بار در روز پوشش می‌دهند (از هر نقطه در روی زمین دوبار در روز می‌گذرند).

سیگنال‌های ماهواره( Satellite Signals ) هر ماهواره یک سیگنال مسیریابی که شامل عناصر مداری، وضعیت ساعت (Clock)‌، زمان سیستم و وضعیت پیام‌ها می‌باشد را ارسال می‌نماید.

به علاوه یک تقویم نجومی (almanac) تهیه می‌شود که اطلاعات (تقریبی) را برای هر ماهواره فعال ارسال نماید.

سیگنال‌های رادیویی با سرعت نور منتشر می‌شوند.

سیصد هزار کیلومتر در ثانیه، مدت زمان 06/0 ثانیه طول می‌کشد که سیگنال ارسالی از ماهواره GPS به زمین برسد.

این سیگنال‌ها با قدرت کم (حدود 300 تا 350 وات در طیف مایکروویو) ارسال می‌گردند.

کد C/A (Coarse A qwsition Cood) برای استفاده کاربرهای شخصی در دسترس می‌باشد و به عنوان (SPS) (Standard Positining Service) مسیریابی استاندارد.

PPS یا Precise Positioning Service سرویس مکان یابی دقیق که منحصراً در دسترس کاربرهای نظامی و کاربرهای مجاز می‌باشد.

سیگنال‌های ماهواره به خط مستقیم جهت رسیدن و استفاده گیرنده‌های GPS نیازدارند.

درخت، ساختمان،‌ کوه و حتی دست و یا بدن می‌تواند سیگنال‌های ماهواره‌ها را بلوکه نماید.

تقویم نجومی یا Almanac شامل اطلاعاتی راجع به مدارات 24 ماهواره می‌باشد.

یک گیرنده GPS از تقویم نجومی که در پیام‌های دیتای ماهواره وجود دارد برای موقعیت هر ماهواره‌ای که ردیابی می‌کند استفاده می‌نماید.

نرم افزار mission planning برای تهیه گراف و موقعیت ماهواره‌های قابل رؤیت و بهترین زمان بررسی در منطقه مخصوص،‌ از تقویم نجومی استفاده می‌نماید.

تقویم نجومی برای مدت 30 روز معتبر می‌باشد،‌ اما هر بار که گیرنده GPS روشن می‌شود بطور اتوماتیک تقویم نجومی را دریافت می‌کند (در مدت زمان 15 دقیقه).

استفاده از تقویم نجومی به روز یا up-to-date برای استفاده از ماهواره‌هایی که در دید گیرنده‌های GPS قرار می‌گیرند بسیار مهم می‌باشد.

بخش کنترل Control Segment بخش کنترل شامل پنج ایستگاه مونیتور در اقصا نقاط جهان شامل هاوایی، کواجالین،‌ جزیره اسنشن، دیوگوگارسیا و کلورادو می‌باشد.

ایستگاه (MCS) یا مرکز کنترل در کلورادو قرار دارد.

ایستگاه‌های مونیتور، ماهوار‌های در معرض دید را ردیابی می‌نماید و اطلاعات فاصله را جمع‌آوری و این اطلاعات را در ایستگاه MCS تجزیه و تحلیل و سپس مدارات ماهواره‌ها را مشخص می‌نماید و پیام‌های هر ماهواره مکان‌یاب را به روز می‌نماید.

اطلاعات به روز شده از طریق آنتن‌های زمینی به ماهواره‌ها ارسال می‌گردد.

ماهواره‌های GPS 1- پیام‌های اطلاعاتی ماهواره (موقعیت و زمان) 2- تقویم نجومی 3- اصلاح مداری را که از ایستگاه MCS دریافت می‌نمایند، ارسال می‌کنند و گیرنده‌های GPS از تمامی این اطلاعات جهت محاسبه موقعیت استفاده می‌نمایید.

بخش کاربری User Segment بخش کاربری شامل گیرنده‌های GPS می‌باشد که موقعیت محل، سرعت و زمان دقیق را در همه جای دنیا مشخص می‌نماید.

کاربردهای GPS تقریباً در تمامی زمینه‌ها، از حمل و نقل و کنترل منابع طبیعی و کشاورزی وجود دارد.

بعنوان مثال: - استفاده از GPS برای هدایت هلی‌کوپترها و مشخص نمودن محل‌های مورد نظر، خصوصاً در عملیات نجات آسیب‌دیدگان.

- استفاده از GPS جهت تهیه نقشه‌های کشاورزی.

- استفاده از GPS در مسیریابی هواپیماها و یا علامت گذاری مناطقی که باید سم‌پاشی شود.

- استفاده از GPS برای دریانوردی.

- استفاده از GPS برای مسیریابی در جنگل‌ها.

- ترکیبی از GPS/GIS جهت پیدا نمودن سریع‌ترین مسیر به مقصد استفاده می‌شود.

حتی از GPS برای تحویل ساندویچ و پیتزا به منازل استفاده می‌گردد.

طریقه کار GPS چگونه است؟

از اندازه‌گیری فاصله بین گیرنده و ماهواره استفاده می‌نماییم.

ماهواره‌ها در نقاط مشخصی می‌باشند و گیرنده‌های GPS در روی زمین و منطقه ناشناخته‌ای هستند.

امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می‌کنند.

با ضرب زمان حرکت سیگنال از ماهواره تا گیرنده GPS درkm/s 300000 فاصله ی بین ماهواره و گیرنده مشخص می‌شود.

اگر ما از محل 4 ماهواره اطلاع داشته باشیم و مقدار فاصله آنها از گیرنده مشخص گردد،‌ در یک فضای 3 بعدی می‌توان محل خود را محاسبه نمود.

12000 مایل شعاع کره‌ای می‌باشد که مرکز آن ماهواره است (پترن ماهواره‌ها کروی و فاصله آنها تا زمین 12000 مایل است) محل یا موقعیت ما می‌تواند هر جای در روی این کره باشد.

اندازه‌گیری دوم (ماهواره دومی)، سطح تقاطع دو کره یک دایره است بنابراین حالا می‌‌دانیم که محل ما جایی روی دایره است.

اندازه‌گیری سوم، 3 کره یکدیگر را فقط در 2 نقطه قطع می‌کند.

یکی از دو نقطه به عنوان غیرقابل قبول حذف می‌شود.

کامپیوترها در داخل گیرنده‌های GPS روش‌ها و تکنیک‌های مختلفی برای مشخص نمودن نقطه صحیح از نقطه غیرقابل قبول دارند.

اندازه‌گیری چهارم، Offset زمانی اختلاف بین همزمانی Clock ماهواره و Clock گیرنده می‌باشد.

نصب ساعت‌های اتمی در گیرنده‌های GPS باعث گرانی بیش از حد آنها می‌شود، در گیرنده‌ها از ساعت‌های دقیق کوارتز استفاده می‌شود.

اندازه‌گیری چهارم مقدار این Offset را جبران می‌نماید و نقطه صحیح را پیدا خواهد نمود.

GPS سرعت را نیز اندازه‌گیری می‌کند که برای مسیریابی بسیار مهم است.

خطاهای GPS مدت زمان عبور سیگنال‌ها از لایه‌های یونسفروتروپسفر متغیر می‌باشد.

وجود نویز باعث خطا یا تداخل در گیرنده می‌شود.

خطاهای موقعیت مداری ممکن است در پارامترهای دیتا وجود داشته باشد.

پارامترهای ماهواره بطور خلاصه سیستمی از موقعیت‌های ماهواره GPS در حوزه زمان می‌باشد.

این اطلاعات مشخص می‌کنند که ماهواره در کجا و در چه موقع در هر نقطه‌ای باید باشد.

تغییرات بسیار کمی در ساعت‌های اتمی خطاهای زیادی را باعث می‌شود.

خطای یک نانو ثانیه‌ای در گیرنده‌های GPS در روی زمین 3/0 متر در محاسبه مکان خطا ایجاد می‌نماید.

عبور چند مسیر سیگنال، محل ماهواره‌ها در فضا و SA باعث خط می گردند.

عبور چند مسیر سیگنال یا Multipath پدیده‌ای می‌باشد که آنتن‌های گیرنده سیگنال را از دو مسیر یا بیشتر دریافت می‌کند.

اختلاف مسیری که سیگنال‌ها طی می‌نمایند باعث تداخل این سیگنال‌ها در آنتن گیرنده می‌گردد و باعث خطا می‌شود.

پیکربندی یا محل ماهواره‌ها در فضا می‌تواند بر دقت مکان‌یابی ماهواره تاثیر گذارد.

GDOP یک اندازه‌گیری از کیفیت پیکربندی ماهواره می‌باشد و اشاره به این موضوع دارد که ماهواره‌هادر فضا با یکدیگر در ارتباط هستند.

SA یا Selective Avalibi lity خطاهای پارامتری و Clock مصنوعی را نشان می‌دهد و باعث خطای عمومی اندازه‌گیری از 70 الی 100 مترمی‌شود.

SA در چهارم جولای 1991 فعال و در یکم می 2000 خاموش گردید.

خاموش نمودن SA باعث بالارفتن دقت اندازه‌گیری و در نتیجه ایجاد کاربردهای جدید برای GPS و ارتقاء سطح زندگی مردم در اقصاء نقاط جهان می‌شود.

توسعه تکنولوژی جدید این امکان را می‌دهد در مناطقی دقت GPS را کاهش دهند.

ضمن اینکه این کاهش در نقاط دیگر دنیا غیر ضروری می‌باشد.

ارکان GPS: یک سیستم GPS دارای سه بخش است: شکل بالا بخش های مختلف یک سیستم GPS را به طور خلاصه نمایش می‌دهد بخش فضایی: این بخش شامل 24 ماهواره است که هر کدام به تنهایی دارای یک مدار 11000 مایل دریایی در بالای زمین هستند.

هر ماهواره حدودا 10سال یا بیشتر فعال می‌باشد.

چرخش ماهواره‌های GPS به دور زمین، دو باردر روز و حدود 20200 کیلومتر، بالای سطح زمین می باشد.

در هر زمان از شبانه روز حداقل 4 ماهواره یا بیشتر بالای سر ما در آسمان قرار دارند.

برای تخمین موقعیت به وسیله گیرنده به حداقل 4ماهواره نیاز است.

بخش کنترل(نظارت): بخش کنترل مغز GPS است.

این بخش اداره کننده تمامی ماهواره ها می باشد.

این بخش از ایستگاه‌های زمینی تشکیل شده است(پنج عدد از آنها، در اطراف زمین قرار دارند) که ماهواره ها را از کارکرد درست مطمئن می سازند.

ارتش آمریکا، بخش اصلی سایت کنترل در نیروی هوایی فالکون، واقع در کلورادو اسپرینگ(the Falcon Air Force Base in Colorado Springs) در آمریکا را اداره می کند.

ساختمان بخش کنترل، فالکونAFB.

ایستگاه پیگیری و کنترل زمینی، هاوایی.

یک بار گردش به دور زمین در فضا برابر یک مدار می باشد.

هریک از ماهواره های GPS دوازده ساعت زمان نیاز دارند تا یک بار مدار زمین را طی کنند.

هر ماهواره به یک ساعت دقیق مجهز شده است که به آن اجازه می دهد سیگنال های زوج را با یک پیام زمانی بسیار دقیق مخابره کند(with a precise time message).

دستگاه (قسمت) زمینی، سیگنال مخابره شده از ماهواره (که با سرعت نور حرکت می کند) را دریافت می کند.

حتی در این سرعت، زمان رسیدن سیگنال به گیرنده قابل اندازه گیری می باشد.

تفاوت زمانی میان سیگنال فرستاده شده و زمان دریافت آن، مضربی از سرعت نور می باشد که گیرنده را قادر می سازد تا فاصله از ماهواره را محاسبه کند.

برای اندازه گیری دقیق طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع، گیرنده زمانی را که صرف می شود تا سیگنال ها از چهار ماهواره جدا گانه به آن برسند را محاسبه می‌کند.

سیستم GPS می‌تواند موقعیت هر جایی بر روی زمین یا بالای زمین را با اندازه تقریبا 300 فوت(90 متر)، نمایش دهد.

بخش کاربر: این بخش از گیرنده‌هایی تشکیل شده که می توان آن را در دست نگه داشت یا بر روی اتومبیل سوار نمود.

با این که GPS برای ارتش طراحی شده است ولی شمار کاربران شهری از کاربران نظامی بیشتر است.

بعضی از کاربران اصلی GPS عبارتند از: - سرویس های اورژانس- مانند آتش نشانی، آمبولانس در تعیین موقعیت افراد آسیب دیده.

- پی گیری وسایل نقلیه - مانند نگهداری و پی گیری کامیونها، قطارها، اتوبوسها و غیره.

- هوانوردی - خلبانان از آن برای راهبری هواپیماها استفاده می کنند.

- کشاورزی- کشاورزان از GPS برای کنترل بهتر محصولاتشان استفاده می کنند.

- جمع آوری داده های GIS- شهرها برای موقعیت سرویس هایشان مانند خطوط نیرو و لوله کشی آبها در خیابانها از آن استفاده می کنند.

ماهیگیران و دریانوردان در دریا از آن جهت هدایت قایق‌ها یا تشخیص یک موقعیت در دریا استفاده می‌کنند.

در هدایت وسایل نقلیه با استفاده از GPS برای رسیدن به مقصد، نیاز به نقشه نیست.

گردشگران و کوهنوردان از آن استفاده می کنند تا میسر خود را پیدا کنند ماهواره‌ها در فضا: همانطور که گفته شد سیستم فضایی GPS از 24 ماهواره تشکیل شده است که هر یک از آنها، هر 11000 مایل دریایی در بالای زمین را در مدت 12ساعت(یک مدار) طی می‌کند.

ماهواره‌ها در فضا به صورتی قرار می‌گیرند که می‌توانیم تقریبا 100 درصد از مواقع، سیگنال‌ها را از شش عدد آنها در هر نقطه روی زمین دریافت کنیم، زیرا جهت بدست آوردن بهترین اطلاعات مربوط به هر موقعیت، سیگنال‌های زیادی نیاز است.

همچنین ماهواره ها به ساعت‌هایی جهت نگهداری زمان دقیق مجهز هستند.

این دقت در حد سه نانو ثانیه(سه میلیاردیوم ثانیه 000000003/0) بوده و بسیار مهم می باشد، زیرا گیرنده باید به درستی تعیین کند که سیگنال‌هایی که از هر ماهواره GPS می رسد، از چه ارتفاعی گرفته شده است( این اطلاعات برای محاسبه موقعیت گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد اولین ماهواره GPS در سال 1978 پرتاب شد.

10 ماهواره اول که Block I نام داشتند به منظور توسعه این تکنولوژی(developmental satellites) فرستاده شدند.

از سال 1989 تا 1993، 23 ماهواره های تولیدی (production satellites) به نام Block II پرتاب شدند.

پرتاب بیست و چهارمین ماهواره در سال 1994 این سیستم را تکمیل کرد.

24 ماهواره GPS با مدار 11000 مایلی در بالای زمین، در تمام شبانه روز به نظامیان و غیر نظامیان خدمت رسانی می کنند.

این شبکه از ماهواره ها هسته ای از دقیق ترین سیستم ناوبری که تابه امروز ساخته شده است را می سازد.

ایستگاه‌های کنترل زمینی و گیرنده‌ها: ایستگاه‌های کنترل زمینی: کنترل GPS یا بخش زمینی، از ایستگاه‌های محلی اطلاع دهنده اتوماتیک(خودکار) در نواحی مختلف اطراف زمین(هاوایی و ماژالین در اقیانوس آرام، دیگو گارسیا در اقیانوس هند، جزیره اسنشن در اقیانوس آرام و کولورادو اسپیرینگ در کولورادو)، یک ایستگاه اصلی در اشریور (فالکن) پایگاه هوایی کولورادو اسپیرینگ و چهار ایستگاه آنتن بزرگ که سیگنال ها را به سمت ماهواره ها ار سال می کنند، تشکیل شده اند.

همچنین این ایستگاه ها، ماهواره های GPS را ردیابی و اطلاع رسانی می‌کنند گیرنده ها: گیرنده‌های GPS می‌توانند توسط دست حمل شوندGPS (دستی) یا بر روی هواپیما، کشتی، تانک، زیردریایی، اتومبیل و کامیون نصب شوند.

این گیرنده ها سیگنال های ماهواره های GPS را دریافت، رمزگشایی و در نهایت آنها را پردازش می‌کنند.

امروزه بیشتر از 100 مدل گیرنده متفاوت با اندازه های مختلف در حال استفاده هستند(به اندازه یک تلفن بی سیم در گیرنده های دستی و حتی کوچک تر از آن در مدل های جدید دیده می شوند).

به عنوان نمونه دستگاه های دستی که به نیروهای ارتش آمریکا در جنگ خلیج فارس داده شد تنها 28 اونس وزن داشتند.

GPS در پی‌جویی‌های صحرایی، اکتشاف نفت و گاز و شرکتهای خدمات رفاهی (آب و برق و ...) جهت موقعیت یابی دقیق استفاده می شود.

کاربرد اخیراً یک محقق در یک نظرسنجی در جهت اهداف تحقیقی سوالی را درباره GPS مطرح کرده است.

این به نظر موضوع جالبی جهت بررسی در این ماه می‌باشد.

برای شمایی که هیچ تجربه‌ای در این زمینه ندارید، در فهم کاربردهای تحقیقی غیرنظامی کمک زیادی می‌کند.

سیستم مختصات جهانی (GPS) در اصول بوسیله وزارت دفاع دولت ایالات متحده در جهت کمک به نیروهای ارتش ایجاد شد.

این سیستم مجموعه‌از این ماهواره‌های فلکی با سیستم‌های الکترونیکی مختلف و ایستگاه‌های کنترل زمینی است.

ماهواره‌های مختلف سیگنال‌های رادیویی را که بوسیله واحدهای GPS برنامه‌ریزی شده و قابل دریافت است را انتقال می‌دهد.

پس از بسته شدن نطفه آن در ارتش این سیستم توسعه یافت و قسمت‌هایی از آن همچنین در دسترس جامعه جهانی و بخش تجاری غیرنظامی قرار گرفت.

واحدهای GPS به طور اساسی 2 گیرنده رادیویی هستند، لذا باید مسیر دیدی به سمت ماهواره‌ها در جهت دریافت سیگنال‌های ماهواره‌ای داشته باشد.

هر مانعی باعث محدودیت کارکرد و قابلیت اطمینان آن می‌شود.

اولین مانع زمین است.

ماهواره‌ها در مداری به دور زمین هستند، لذا دسترسی آنها در ساعات مختلف روز در نقاط مختلف دنیا تغییر می‌کند.

برخی از آنها اصلاً در یک مکان خاص قابل مشاهده نیستند.

موانع تنها به این محدود نمی‌شوند.

کوه‌ها، تونل‌ها، ساختمان‌های بلند، بدنه اتومبیل‌ها و ....، همه می‌توانند سیگنال‌های رادیویی را بلوکه کند و یا لااقل قدرت آنها را کاهش دهد.

اگر واحد GPS نتواند سیگنال‌های رادیویی را دریافت نماید، نمی‌تواند موقعیت را تعیین نماید.

گیرنده‌ها حداقل باید دو سیگنال رادیویی را برای انجام هر محاسبه موقعیتی دریافت نمایند.

با دریافت سیگنال‌های بیشتر قابلیت اطمینان محاسبات بالا می‌رود.

گیرنده‌های ماهواره‌ای، با اطلاعات اساسی درباره ماهواره‌ها و مناطق جغرافیایی برنامه‌ریزی می‌شوند.

واحدهای کم‌هزینه‌تر جهت کار در مناطق محدودتری از قبیل آمریکای شمالی عمل می‌کنند، در حالی که واحدهای گرانتر بر روی دکل شبکه جهانی عمل می‌کنند.

واحدهای GPS گران قیمت قبل از اینکه بتوانند کار کنند، نیاز به ورودی کاربری در رابطه با مناطق جغرافیایی و قاره‌ها دارند و راهنمای دستورالعمل کاربر شامل این اطلاعات اساسی است.

همانند یک واحد GPS گیرنده‌های GPS بوسیله منبع نیرو محدود می‌شوند.

شرایط محیطی از قبیل گرما و رطوبت می‌تواند در عملکرد این واحد محدودیت ایجاد نماید.

تا این مرحله ما با محدودیت‌ها آشنا شدیم: قدرت دید منابع، برنامه‌نویسی بانک اطلاعاتی داخلی، منابع نیرو و ضریب اطمینان اجزاء الکترونیکی.

کاربرد سرمایه‌گذاری GPS با ملاحظات قانونی آغاز شد و کاربرد سرویس‌های اصلی GPS تحت این قانون مجاز گردید.

اما آیا این مانعی برای قانون استراق سمع است؟

پاسخ در بیشتر موارد خیر است،‌ اما نه در همه مواقع.

سه کلید جهت تفسیر مشروعیت آن تعریف حقوقی GPS وسایل ارتباطی و ذخیره‌سازی و انتظار منطقی از اختفا در شرح کاربرد آن است.

یک نمونه از کاربرد آن این است که زمانی که حرکتی وجود ندارد، نمی‌تواند توصیف کند.

این طبقه‌بندی از آنجایی مهم است که قانون استراق سمع ابزار حرکتی را از تعریف ارتباطات الکترونیکی مستثناء می‌کند.

تحت 18 USC 2510 یک ارتباط الکترونیکی شامل سیگنال‌های رادیویی و سیستم‌های ذخیره‌سازی الکترومغناطیسی است.

سیستم ماهواره ای GPS: 24 مارهواره در بخش های مختلف فضای زمین در مداری خاص با فاصله حدود 12000 مایلی بالای سر ما قرار گرفته است.

آنها با یک سرعت ثابت در حرکتند و در هر 24 ساعت دوبار دور زمین را با سرعتی معادل 7000 مایل در ساعت می گردند.

ماهواره های GPS توسط انرژی خورشید تغذیه میشوند آنها مجهز به باطریهای قابل شارژ اتوماتیک برای زمانهای بارندگی یا خورشید گرفتگی می باشند.

راکت‌های کوچک روی هر ماهواره آنها را دریک مسیر پروازی صحیح نگهداری می کنند.

سیگنال‌ها بد نیست راجع به سیگنال‌های GPS هم بحثی داشته باشیم: ماهواره‌های GPS دو سیگنال رادیویی کم انرژی را می‌فرستد.

GPS L1,L2های عمومی از L1 با فرکانس 1575,42 مگاهرتز در باند UHF استفاده می‌کنند.

سیگنال‌ها به صورت line of sight حرکت می‌کنند.

به این معنی که آنها از ابرها، شیشه و پلاستیک عبور می‌کنند.

اما از جامدات مثل ابرها و ساختمان‌ها نمی‌توانند عبور کنند.

هر سیگنال GPS شامل سه نوع مختلف اطلاعات است: داده‌های روزانه؛ شبه کدها؛ داده‌های سالیانه.

شبه کد یک ID است که مشخص می‌کند کدام ماهواره اطلاعات را ارسال می‌کند.

داده‌های موقت (روزانه) که دائماً توسط ماهواره‌ها ارسال می‌شود، شامل اطلاعات مهمی از وضعیت ماهواره‌ها (سلامت آن)، تاریخ و ساعت فعلی می‌باشد.

این بخش سیگنال برای تعیین وضعیت مرزی ضروری است.

داده‌های عمومی (سالیانه) به گیرنده GPS می‌گوید که هر ماهواره GPS در هر ساعت روز باید کجا باشد.

هر ماهواره GPS، داده‌های عمومی را ارسال می‌کند تا اطلاعات چرخشی آن ماهواره و سایر ماهواره‌ها مشخص شود.

دلایل خطای سیگنال‌های GPS فاکتورهایی که سیگنال‌های GPS را تنزل می‌دهد و در نتیجه روی دقت تاثیر می‌گذارد، شامل موارد زیر است: تاخیرهای Ionoshere, troposphere: سیگنال‌های ماهواره‌ها به صورت تدریجی اتمسفر را طی می‌کنند.

سیستم GPS یک مدل داخلی و غیرقابل انتقال را به کار می‌برد که میانگین تاخیر را برای یک اصلاح این اشتباه بکار می‌گیرد.

چند مسیره شدن سیگنال: این رویداد وقتی اتفاق می‌افتد که سیگنال GPS از اجسام مختلف مثل ساختمان‌ها یا سطوح صخره‌ای بزرگ منعکس شود، قبل از اینکه به گیرنده برسد، این مساله زمان سیر سیگنال را زیاد می‌کند که باعث تولید اشکال می‌شود.

ایرادهای زمانی گیرنده: ساعت داخلی گیرنده خیلی دقیق نیست، یعنی مثل ساعت اتمی که در ماهواره‌ها کار گذاشته شده، عمل نمی‌کند.

این امر موجب اشتباهات ناچیزی می‌شود.

ایرادهای مداری یا فلکی: این مشکل به مشکلات موقتی هم معروف است که در زمان گزارش وضعیت ماهواره مشکلاتی را ایجاد می‌کند.

تعداد ماهواره‌های قابل مشاهده: به هر تعداد ماهواره‌ای که گیرنده GPS بتواند ببیند، دقت آن بالاتر می‌رود.

ساختمان‌ها، عوارض زمین، نفوذهای الکترونیکی یا حتی برگ درختان موجب اشکالاتی در پیدا کردن موقعیت یا حتی پیدا نکردن موقعیت می‌شود.

بخش‌های GPS در خانه‌ها، زیر آب و زیر زمین کار نمی‌کند.

اشکال هندسی ماهواره‌ها: این مشکل به مکان نسبی ماهواره در هر زمانی برمی‌گردد.

هندسه مطلوب ماهواره وقتی است که ماهواره‌ها در زوایای وسیعی نسبت به هم قرار گیرد.

هندسه ضعیف، از قرار گرفتن ماهواره‌ها در یک خط، یا در جایی که مانع ورود هواست، ناشی می‌شود.

کاربرد GPS و مزایا و معایب آن در فضانوردی امروزه، تاثیرهای چند مسیری، یکی از جدیترین تهدیدها، برای بررسی دقت در RGPSها بر اساس فضانوردی است.

چند مسیری، یک پدیده‌ای است که نشان می‌دهد یک سیگنال از طریق چند مسیر چگونه به مقصد می‌رسد که البته این کار با توجه به اثر بازگشت و تفاضل موج‌های الکترومغناطیسی صورت می‌پذیرد.

سیگنال چندمسیری، مسیر طولانی‌تری را نسبت به سیگنال مستقیم برای رسیدن به گیرنده طی می‌کند.

در نتیجه اگر سیگنال چندمسیری دنبال شود، ممکن است غلط‌هایی تولید گردد.

بنابراین، این مطالب باعث می‌شود که سیگنال حامل و کد سیگنال GPS خراب شود و نتیجه پایانی ، پایین آمدن دقت و کم شدن بازدهی است.

حامل اتوماتیک انتقال (ATV) از GPS برای مسیریابی در طول کارهای نزدیک و قرارهای نظامی با ایستگاه جهانی فضانوردی استفاده می‌شود.

مفهوم چندمسیری همچنان در این قرارگاه نظامی باقی است.

چون دنبال کننده و هدف آنتن‌های GPS توسط یک سری دیوارهای بزرگ آهنی محاصره شده است.

اگرچه مطالعات این بخش برای فهمیدن اعمال کلی GPS است، هدف ATV به ایستگاه جهانی فضانوردی، یک سناریوی ماموریتی واقعی است که برای مدل کردن مفهوم و تاثیرهای چندمسیری روی گیرنده‌های GPS برای دنبال کردن غلط‌هاست.

فعالیت‌های دیگر تحلیل و بررسی چندمسیری در سطح دریافت کننده، آنالیز چندمسیری برای شاتل MIR مربوط به ماموریت RVD و یک سری آنالیزهای مشاهده‌ای برای آنتن‌های GPS مربوط به ISS, ATV.

دقت GPSهایی که بر اساس مسیریاب‌ها عمل می‌کنند، به مفهوم مطرح شده در مسیریاب‌ها، سطوح واقعی در فضانوردهای ATV, ISS و کارهای ممکن چندمسیری در تکنیک‌های تقسیم وابسته است.

در آنتن‌های ATV، غلط‌های چندمسیری بالایی اتفاق می‌افتد که در اندازه‌گیری‌های GPS بدست آمده‌اند.

غلط‌ها گاهی به بیش از 100 متر در PR و یک چهارم طول موج در سیگنال حامل می‌رسد.

ادامه خط سیر ATV برای تاثیرهای چند مسیری آزاد و غیرموثر است.

داخل مسیر صوری ATV/ISS، مسیریاب نسبی GPS بکار برده شده می‌شود تا سنسوری که در بخش وعده‌گاه بکار برده می‌شود، بتواند در هدف نهایی بکار رود.

با توجه به مقداردهی درست RVS، دقت و صحت RGPS در ایستگاه S3 بایستی برای نیازمندی‌های با دقت بالا تکمیل شود.

با مراجعه به گروه ماموریتی ATV/ISS، نقطه نگهداری مرجع S3 در فاصله 250 متری قرار می‌گیرد و GPS نسبی باید دقت 22/2 را در محل برآورده نماید.

با درنظر گرفتن این نیازمندی‌ها و باردهی که با الگوریتم‌های مختلف مسیریابی تعیین می‌شود و با تکنیک‌های متفاوت تقسیم چندمسیری، نتایج زیر بدست می‌آید: فقط مفهوم مسیریابی kinematic می‌تواند همه نیازهای مربوط به آنالیز سطوح چندمسیری را تکمیل کند، البته با یا بدون بکارگیری تکنیک‌های تقسیم چندمسیری.

پردازش مفهوم مسیریابی در SD-RGPS در فاز حامل، می‌تواند نیازهای مربوط به همه سطوح آنالیز شده چندمسیری را وقتی که تکنیک‌های تقسیم چند مسیری بکار رود، تکمیل نماید.

دقت موقعیت یابی GPS: دقت موقعیت یابی GPS از 10متر تا چند سانتی‌متر بسته به نوع گیرنده GPS و استفاده از آن دارد.

درحقیقت همه مردم به GPS های با دقت بالا نیاز ندارند.

در واقع هر استفاده‌ای نیاز به یک دقت متفاوت دارد و همچنین هر سطحی از دقت دارای" معایب" و" محاسنی" می‌باشد.

به طور کلی عوامل مؤثر در دقت موقعیت یابی GPS را می توان به شرح زیر نام برد: 1) نوع و مدل گیرنده GPS(مدل‌های مختلف میزان دقت متفاوتی دارند که بسته به قیمت آن، دقت بالاتر می رود).

2) نوع استفاده از GPS(برای برخی کارها نیاز به دقت بالا می باشد، در صورتی که در برخی دیگر این دقت بالا ضرورتی ندارد).

خطاهای GPS: تمامی موقعیت‌های GPS ها، 100% دقیق نیستند، بنابراین باید خطاهایی در آنها موجود باشد.

دو انتخاب وجود دارد تا میزان خطاها را بسته به نیاز کاربر تقلیل دهد: الف) استفاده از گیرنده های GPS متفاوت ب) روش‌های گوناگون بدست آوردن موقعیت برای مثال، نقشه‌برداران نیاز به دقت بالایی در اندازه گیری یک قسمت دارند.

از سوی دیگر، مکان منزل شما در یک نقشه به دقت پایین تری نیاز دارد.

بعضی از خطاها که بر روی دقت موقعیت GPS اثر می گذارند در ذیل آورده شده اند.