اگر بخواهیم در مورد کلمه نقشه به یک مفهوم و بیان عامیانه اما دقیق اشاره کنیم می توانیم این بیان را داشته باشیم که در همیشه تاریخ نقشه انسان ها را به تدبیر و تدبر و فکر عمیق دعوت نموده و قبل از هزینه کردن، حرکت کردن و جابجائی انسان را متوجه بررسی نمودن ابعاد مختلف کارش نموده است.
نقشی که نقشه بازی می کند از جهت کاهش هزینه ها، بررسی همه جانبه، عدم اتلاف وقت، کاهش خطا و اشتباه، نقش برجسته و ویژه ای است.
حال بپردازیم به رشته نقشه برداری، نقشه برداری علمی است که ریاضی عملی را با فنون اندازه گیری و هنر ترسیم توأم نموده و بوسیله آن قطعاتی از سطح زمین را با کلیه عوارض آن درروی صفحه افقی نمایش می دهد.
نیاز بشر به بهره مندی از منابع زیرزمینی، زمینی، دریایی و هوایی سبب شده تا برای استفاده کامل از این منابع و جلوگیری از هزینه به توسعه علم نقشه برداری بپردازد و نیاز که مادر اختراع است، موجب پیشرفت این رشته شده است.
اکنون به جایی رسیده ایم که انجام هر نوع فعالیت در زمینه های عمرانی، اقتصادی، کشاورزی و نظامی از قبیل احداث سدها، کانال ها، راه ها، نیروگاههای برق، عملیات نظامی وغیره بی نیاز از علوم نقشه برداری نیست.
عناوین دروس و مطالبی که دراین رشته مورد مطالعه قرار می گیرد عبارتند از محاسبات فنی مبانی و عملیات نقشه برداری، ترازیابی، برداشت نقشه، روش های تعیین موقعیت عملیات مساحی، فتوگرامتری مقدماتی، کاربرد رایانه در نقشه برداری و کار با استرئوسکوپ و کار با دستگاه GPS برای تعیین موقعیت ماهواره ای دوربین های نقشه برداری( توتال استیشن، دیستومات دیجیتال، تئودولیت وینوژ)
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، از سوی دیگر در دنیای قدیم، استفاده از ستارگان، قطب نما وسایر عوامل طبیعی تا اندازه ای راهگشای بشر بوده، ضمن اینکه همه این موارد،بطور کلی انسان عصر گذشته را مورد هدایت و راهنمایی قرار می داد، در حالیکه امروزه پیچیدگی های جغرافیایی، اعم از بافت شهر، خیابان، و...
اصولا زمینه استفاده از اینگونه روشها را تا حد زیادی منتفی و بی معنا کرده است.
به هر صورت در شرایط فعلی، با گسترش فناوری های گوناگون، این مشکل توسط یک سیستم ماهواره ای مدرن وپیشرفته، با نام و عبارت GPS( Global Position System )که به معنای سیستم موقعیت یاب جغرافیایی می باشد، رفع شده است.
در حقیقت دنیای امروز، دنیایی است که هیچ فردی در آن گم نخواهد شد و همه چیز بر روی تمام نقاط زمین قابل شناسایی است واین قدرت دستیابی به سیستم های شناسایی را ماهواره ها ودر اساس کامپیوترها، در اختیار بشر قرار داده اند.
امروزه دستگاه هایی به نام گیرنده های GPS با قیمتی حدود 100 دلار یا کمتر و در اندازه های یک گوشی تلفن همراه، در دسترس می باشند که با استفاده از آنها همیشه می توانید موقعیت دقیق خود را بر روی هر نقطه از کره زمین بدست آورید.
اکثر شما نام GPS را به کرات شنیده اید، در واقع امروزه بیشتر دستگاههای الکترونیکی قابل حمل،مانند تلفن های همراه پیشرفته، کامپیوترهای Laptop و PDAها را به سیستم GPS مجهز می کنند تا شخص دارنده سیستم های مذکور، همیشه موقعیت خود را بر روی نقشه الکترونیکی رویت کند.
در این مقاله ابتدا به کاربرد، مزایا و معایب این سیستم می پردازیم و سپس بطور تخصصی، طرز کار و نحوه استفاده از آن را مورد بررسی قرار می دهیم.
چیست ؟
معمولا وقتی مردم از GPS صحبت می کنند، منظور آنها دستگاه GPS Receiver یا گیرنده GPS است، اما این دستگاهها فقط نقش یک گیرنده امواج رادیویی را بازی می کنند و سیستم داخلی آنها چندان پیچیده نیست.
ولی در واقع GPS عبارتست از یک صورت فلکی که مجموعه ای از 27 ماهواره است که با دقت هر چه تمام تر در مدار زمین به گردش در می آید.
فاصله بین این 27 ماهواره و سرعت آنها به گونه ای طراحی شده که هیچگاه تداخلی در کارشان ایجاد نمی شود وتمام زمین را تحت پوشش خود قرار می دهند.
این ماهواره ها بطور دائم وشبانه روزی، امواج رادیویی را به تمام سطوح زمین ارسال می کنند.
این امواج دائما فاصله بین ماهواره ها را گزارش می دهند؛ به این ترتیب که اگر یک گیرنده GPS بر روی زمین این اطلاعات را دریافت کند، از طریق آن قادر به شناسایی موقعیت خود می باشد.
لازم به ذکر است که امواج رادیویی در GPS بر روی 2 فرکانس ????MHz و 1575MHz ارسال می شود.
این سیستم ارسال و دریافت امواج رادیویی، شباهت زیادی به رادیو های معمولی و دیگر وسایل گیرنده امواج رادیویی دارد.
در حقیقت شما میتوانید رادیوهای خانگی را یک گیرنده GPS فرض نمایید و 27 ماهواره موجود در فضا را نیز Transmitterهای صدا وسیما بپندارید.
در سیستم GPS به غیر از این 27 ماهواره، تعداد 3 عدد ماهواره اضافی بصورت یدکی وجود دارد که در صورت بروز نقص فنی در یکی از ماهواره های اصلی، بلافاصله وظیفه آن به یکی از ماهواره های یدکی سپرده می شود.
زیرا در صورت از کار افتادن یکی از ماهواره ها، قطعا قسمتی از کره زمین از شناسایی GPS خارج می شود و افراد دارنده گیرنده GPS در نقاط کور، قادر به دریافت امواج رادیویی نیستند.
لازم به ذکر است اگر 3 ماهواره یدکی مذکور در مدار زمین قرار نمی گرفت، با بروز مشکلی در یکی از ماهواره های اصلی، می بایست حتما ماهواره جدید به فضا پرتاب شود که این خود زمان و هزینه زیادی را می طلبد.
ماهواره های مورد بحث در فاصله 19300 کیلومتری زمین قرار دارند و روزی 2 بار به دور زمین می گردند.
نظم قرار گرفتن این ماهواره ها به گونه ای است که هر گاه با استفاده از تلسکوپ به آسمان نگاه کنید، حداقل 4 عدد و شاید هم بیشتر از آنها را رویت خواهید کرد که این خود نشان دهنده حضور همیشگی این سیستم در تمام دنیا می باشد.
کاربرد GPS: ایده ایجاد ماهواره GPS توسط وزارت دفاع ایالات متحده امریکا در سال 1970 و در جهت کمک به نیروهای نظامی این کشور در شناسایی هر چه بهتر مکانهای مختلف تعبیه و پیاده سازی شد و اولین ماهواره GPS در سال 1978 در جو زمین قرار گرفت.
در واقع نیروهای نظامی امریکایی در هر مکان، بلافاصله موقعیت خود را از GPS در خواست می کنند.
بر همین اساس اشتباه در شناسایی محل مورد نظر برای نیروهای نظامی، در حد چند میلیمتر می باشد.
البته GPS علاوه بر کاربرد نظامی، برای مصارف عمومی مانند دریانوردی نیز مورد استفاده قرار می گیرد که البته ضریب خطای نسبتا زیادی نسبت به مصارف نظامی امریکا دارد، ولی بطور کلی اجازه استفاده برای عموم مردم ( برای مصارف غیر نظامی ) از این سیستم در سال 1980 تصویب شد.
نظامیان امریکایی برای استفاده از این سیستم از کد ( رمز عبور ( خاصی استفاده می کنند، ولی افراد معمولی فقط قادر به استفاده از GPS در مصارف غیر نظامی ( عمومی ) هستند، زیرا به رمز این سیستم دستیابی ندارند و مسلما در سیستم عمومی که در اختیار همه مردم جهان قرار دارد، ضریب خطای زیادی ( حداقل 15 متر ) وجود دارد.
شاید در بعضی فیلم های پلیسی دیده باشید که ردیابی به مجرم متصل می شود تا موقعیت دقیق آن بر روی نقشه الکترونیکی رویت شود، خب این عمل توسط سیستم GPS انجام می گیرد.
امروزه اکثر هواپیماهای مسافربری در سراسر جهان نیز به این سیستم مجهز شده اند که خلبان ها با استفاده از آنها هیچگاه مسیر صحیح پرواز را گم نمی کنند.
حتی امروزه اکثر کارخانه های تولید اتومبیل های پیشرفته در جهان، از GPS و نقشه الکترونیکی در اتومبیل هایشان استفاده می کنند.
در واقع اینگونه سیستم ها با استفاده از فناوری GPS قابل پیاده سازی است و استفاده از آن به صنعت خاصی محدود نمی شود.
لازم به ذکر است که بخش Monitoring این سیستم ها در اختیار وزارت دفاع امریکا قرار دارد، و دائما هرگونه تبادل اطلاعات بین ماهواره های GPS و گیرنده ها در هر نقطه از جهان، ثبت و بررسی می شود تا استفاده از این سیستم، توسط کشورهای دیگر در مراکز حساس مشخص گردد.
ضمنا گیرنده های GPS علاوه بر نمایش نقشه الکترونیکی از محل دقیق منطقه، قادر به محاسبه سرعت حرکت جسم و حتی نمایش حرکت جسم نیز می باشد.
با توجه به آنچه مطرح شد، متاسفانه در حال حاضر در کشور ما فعالیت چندانی انجام نگرفته، و حتی بسیاری از مردم عادی از وجود این سیستم و طرز کار آن با اطلاع نیستند.
این در حالی است که در کشورهای پیشرفته حتی افراد عادی نیز از GPS استفاده می کنند، ولی با توجه به شرایط فعلی کشور ما، هنوز برای رسیدن عموم به این فناوری، ظاهرا مدت زمانی در پیش خواهد بود.
طریقه محاسبه فاصله ها توسط گیرنده GPS همانطور که گفته شد، در هر لحظه حداقل چهار عدد از این ماهواره ها در آسمان قابل رویت است.
بر همین اساس یک دستگاه GPS Receiver با دریافت امواج رادیویی متصاعد شده از ماهواره های مذکور و با ادغام اطلاعات و محاسبات عملیات ریاضی، قادر به شناسایی محل مورد نظر هستند.
این محاسبات ریاضی در این سیستم ، Trilateration نام دارد و در فضای سه بعدی بصورت مجازی انجام می گیرد.
سیستم زمان در محاسبات : همانطور که اشاره شد، هر کدام از ماهواره های GPS بلا استفاده از امواج رادیویی مسافتها را مشخص می کنند، ولی امواج به تنهایی قادر به شناسایی فاصله ها نیستند، از اینرو برای محاسبه مسافت،از ساعت های بسیار دقیق اتمی در ماهواره ها و همچنین گیرنده های GPS استفاده می شود.
در این حالت زمان ارسال هر سیگنال توسط ساعت اتمی موجود در ماهواره، به گیرنده GPS ارسال می شود، وگیرنده GPS نیز با ساعت داخلی خود تفاضل زمانی را بدست آورده و فاصله دقیق را کسب می کند.
همانطور که متوجه شدید، در این فناوری زمان بسیار مهم است و بصورت نانو ثانیه محاسبه می گردد.
البته ناگفته نماند یکی از مشکلاتی که در سیستم زمان وجود دارد، گرانقیمت بودن ساعت اتمی می باشد.
بعبارت دیگر قیمت این ساعت ها حدود 50 تا 100 هزار دلار است که فقط در ماهواره های GPS قرار می گیرد، ولی در گیرنده های GPS به روی زمین، از ساعت های معمولی دیجیتالی استفاده می کنند.
به همین دلیل امکان اختلال در سیستم زمانی متصور است و از این رو در گیرنده های GPS از ساعت هایی که دائما Reset می شود و در واقع نقش کرنومتررا بازی می کنند، استفاده می شود.
محدودیت های GPS: مشکلی مهمتر از قیمت زیاد ساعت های اتمی در سیستم GPS نیز وجود دارد.
همانطور که می دانید سیگنالهای رادیویی از خارج از جو زمین، توسط ماهواره ها به زمین ارسال می شود.
این امواج می بایست از اتمسفر زمین عبور کنند و اتمسفر سرعت انتقال سیگنالها را کم می کند.
بنابراین امواج با تاخیر چند صدم ثانیه ای به گیرنده های GPS می رسند، اما گیرنده های GPS از وجود اتمسفر زمین خبر نداشته و محل ماهواره ارسال کننده امواج را دورتر از موقعیت حقیقی شناسایی می کنند.
بنابراین مشاهده می کنید که با وجود ساعت های اتمی و محاسبات در حد نانو ثانیه، اتمسفر زمین باعث تاخیر در ارسال امواج رادیویی شده و اختلالی در سیستم GPS ایجاد می کند و در این حالت ضریب خطای Trilateration بالا خواهد رفت.
برای رفع این مشکل، از ایستگاه های( DGPS ( Differential GPS که بر روی زمین و در مکانهای مشخصی قرار دارند استفاده می شود.
این ایستگاه ها فاصله دقیق بین ماهواره ها تا همان ایستگاه را می دانند و در صورت بروز خطای حاصل از اتمسفر زمین، این خطا را توسط سیگنالهای رادیویی به دستگاه های گیرنده های GPS انتقال می دهند تا آنها نیزازاین درصد خطا باخبر باشند.
اما 2 نکته مهم در این رابطه وجود دارد.
اولین نکته این است که دستگاه های گیرنده GPS باید مجهز به سیستم DGPS باشند و نکته دوم این است که ایستگاه های DGPS، امواج رادیویی را درهمان منطقه و در اختیار گیرنده های GPS همان منطقه قرار می دهند.
زیرا ضخامت اتمسفر زمین در نقاط مختلف متفاوت می باشد و از این رو در هر ناحیه ، ایستگاه DGPS خاص همان ناحیه می تواند قرار بگیرد.
همچنین لازم به ذکر است که ایستگاه های DGPS قابل حمل بوده و در هر ناحیه ای می توانند مستقر شوند.
از دیگر مشکلات گیرنده های GPS این است که در ساختمان ها نمی توان از آنها استفاده کرد، زیرا امواج رادیویی متصاعد شده از ماهواره ها بدرستی از ساختمانها عبور نمی کنند و حتما می بایست در محیط بدون پوشش، از گیرنده های GPS استفاده شود