اصول کار سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS

اصول کار GPS بسیار ساده است. گرچه خود سیستم از پیشرفته‌ترین ابزارها و امکانات بهره می‌گیرد.
ماهواره ابتدا اطلاعات و داده‌های ناوبری را به پنج‌ ایستگاه کنترل که در منطقه کلراد و اسپرینگ – کواجالین – دیدگوگارسیا – آسنشن و‌هاوایی قرار دارند ارسال می‌کنند که درواقع‌این سیگنال‌ها ماهواره را ردیابی می‌کنند.‌ ایستگاه کنترل اصلی که در شهر کلرادو قرار دارد، وظایف آن پردازش داده‌ها – ردگیری ماهواره‌ها و آماده کردن اطلاعات برای ارسال به ماهواره و نظارت بر کنترل روزانه ماهواره‌ها است.
سپس‌این داده‌ها به سه آنتن زمینی دیگر ارسال می‌شود که توسط‌ این آنتن‌ها اطلاعات کنترل شده و به ماهواره ارسال می‌شود و ماهواره اطلاعات را بارگذاری (Data Upload) می‌نماید. و در نهایت اطلاعات اصلاح شده برای کاربرها ارسال می‌گردد.
6. بخشهای اصلی سیستم GPS:
GPS دارای سه بخش اصلی است.
الف- بخش فضایی ب- بخش کنترل زمینی ج- بخش کاربر یا گیرنده

نكته 1- آنتن‌های زمینی
• دیدگوگارسیا
• آسانسیون
• کوواجالین
نكته 2- ایستگاه کنترل اصلی در ‌ایالات کلروادو آمریکا
نكته 3- ایستگاه‌های کنترل و نظارت
1- کلرادو = آمریکا
2- کاناورال (قناری)
3- ‌هاوایی اقیانوس آرام
4- آسنشن – اقیانوس اطلس
5- دیدگوگارسیا – اقیانوس هند
6- کوواجالین – جزایر مارشال

 
الف- بخش فضایی سیستم GPS:

در حال حاضر سیستم تعیین موقعیت جهانی (G.P.S) متشکل از 24 ماهواره فعال (Navestar) به علاوه چند ماهواره کمکی (4 ماهواره) در 6 مدار تقریباً دایره‌ای با زاویه 55 درجه از یکدیگر قرار دارند.
دور گردش مداری 11 ساعت و 58 دقیقه بوده و ماهواره‌ها هر روز 4 دقیقه زودتر از روز قبل (نسبت به زمان جهانی) در وضعیت فضایی یکسان قرار می‌گیرند
این ماهواره‌ها به سبب ارتفاع زیاد خود (حدود 21000 کیلومتری) در بخش بزرگی از زمین دیده می‌شوند.
نیروی الکتریسیته مورد نیاز‌این ماهواره‌ها از طریق دو صفحه (تقریباً 2/7 مترمربع) متشکل از صفحات خورشیدی که مجهز به سیستم اتوماتیک تعقیب خورشید می‌باشد تأمین می‌گردد و زمان گرفتگی خورشید از باطری‌های نیکل کادمیوم موجود در ماهواره استفاده می‌شود.
عمر ماهواره‌ها در حدود 5 تا 7 سال و وزن آنها حدوداً 850 کیلوگرم می‌باشد.
ماهواره‌های GPS دارای دو باند و می‌باشند که با دو نوع کد (P-C/A) و یک پیغام ناوبری مدوله شده‌اند.
نوسان‌ساز اتمی ماهواره دارای یک فرکانس اصلی 23/10 مگاهرتس می‌باشد و فرکانس‌های دیگری که ماهواره می‌فرستد از‌این فرکانس اصلی مشتق می‌گردد که عبارتند از:
طول موج
طول موج

ب- بخش کنترل زمینی ماهواره GPS:

مرکز ماهواره‌ای‌این سیستم در پایگاه نیروی هوایی فالکون (Falcon) در‌ایالت کلرادو اسپیرینگ قرار دارد.
مأموریت عمده بخش کنترل، هماهنگی پیغام ناوبری ماهواره می‌باشد.
به همین منظور تعدادی‌ایستگاه ناظر (Monitoring) در تمام طول شبانه‌روزی ماهواره‌های در معرض دید را پی‌گیری و ردیابی (Track) می‌کنند.
این ‌ایستگاه‌ها در جزایر دیه‌گو گارسیا (Diego Garsia) - آسنسیون (Escension) در جنوب اقیانوس اطلس – کاواجلین (Kwajalein) در جزیره مارشال و‌هاوایی قرار گرفته‌اند.
ایستگاه اصلی در نزدیکی شهر کلرادو ‌ایجاد شده است. ‌ایستگاه‌های نظارت به طور مداوم تمام ماهواره‌های قابل دید را ردگیری کرده و اطلاعات جوی را همراه با اندازه‌گیری فاصله به ‌ایستگاه کنترل اصلی ارسال می‌دارند. ‌این ‌ایستگاه با استفاده از اطلاعات فوق، اطلاعات مشخص کننده موقعیت ماهواره در فضا و هم چنین رفتار ساعت‌های هر ماهواره را تعیین و پیغام‌های ناوبری را فرموله کرده به آنتن‌های زمینی انتقال داده و از طریق ‌این آنتن‌ها به ماهواره‌ها ارسال می‌کنند. هماهنگی زمان در ماهواره‌ها یکی از مهمترین وظایف بخش کنترل زمینی است که مستقیماً با استانداردهای زمان رصدخانه نیروی دریایی ‌ایالات متحده واقع در واشنگتن هماهنگ است.
به دلیل نحوه پذیرش آنتن‌های زمینی در دنیا (اکثر‌ ایستگاه‌های زمینی در نزدیکی خط استوا قرار داشتند و تقریباً با هم فاصله مساوی دارند).

ج- بخش کاربر (گیرنده‌های دستی – خودرویی – هوایی – دریایی):

این بخش از انواع مختلف در بازار وجود دارد و کاربران می‌توانند بر مبنای نیاز خود با کاربردی دستی – خودرویی – هوایی – دریایی با قابلیت‌های مختلف تهیه‌ نمایند و اساس کار آنها تقریباً مشابه و بشرح زیر می‌باشد.
سیگنال‌های ارسالی از ماهواره پس از تصحیح، توسط آنتن دریافت و بعد از تقویت به واحدهای بررسی‌کننده سیگنال‌های حامل و کد وارد شده، سپس به بخش پردازشگر و حافظه وارد می‌شود.
باتوجه به نرم افزارهای خاص که برای پردازش اطلاعات می‌باشد، اطلاعات دریافتی از ماهواره‌ها پردازش محاسبات لازم را انجام و نهایتاً طول و عرض جغرافیایی با سایر اطلاعات درگیرنده تعیین می‌گردد.
در استفاده موثر از گیرنده GPS عوامل زیادی در دقت تعیین مختصات و ارتباط با ماهواره‌ها مؤثر هستند، که می‌توان ضریب تعدیل دقت – ضریب کیفیت هندسی و ضریب کیفیت سیگنال را نام برد.

7. خطاهای GPS:

* خطای مسیر (مدار ماهواره‌ای)
* خطای زمان (ساعت گیرنده و ماهواره)
* خطای یونسفر و تروپوسفر (لایه‌های جوی تأثیرگذار بر سیگنالها و امواج مخابراتی)
* خطای مولتی لپ (چند مسیری)
* خطای اندازه‌گیری گیرنده
* خطای SA (حدود 30 متر)‌این خطا توسط DGPS حذف می‌شود.

8. قسمت‌های تشکیل دهنده GPS بخش کاربر (نوع دستی):

* قاب * آنتن گیرنده و تقویت کننده
* صفحه کلید * واحد پردازشگر سیگنال‌های موج حامل و کد
* صفحه‌نمایش * نوسان ساز
* منبع تغذیه (باطری) * حافظه ذخیره اطلاعات (نقطه نشانی‌ها)
* آنتن خارجی * پورت اتصال به رایانه
* جلد چرمی و پایه نگهدارنده

9. کاربردهای GPS:

کاربردهای مهم GPS عبارتند از: کاربرد نظامی – کاربرد تجاری (همگانی)

الف. کاربرد نظامی:
درگیرنده‌های نظامی دقت مسطحاتی تا یک متر می‌باشد.
این کاربرد پوشش وسیعی داشته و در هوا – زمین و دریا به کاربران کمک می‌نماید.

* کاربری هوایی

بمب‌باران توسط هواپیما – هدایت و تصحیح موشک‌های دوربرد – هلی‌کوپتر و چتربازی
* کاربری زمینی
تعیین مکان ادوات نظامی – ناوبری خودروهای نظامی – هدایت و تصحیح آتش توپخانه و هدایت افراد
* کاربری دریایی:
زیردریایی – کشتی‌ها و انواع قایق‌ها – عملیات مین‌یابی

ب. کاربرد تجاری (همگانی)

در گیرنده‌های تجاری شخصی دقت مسطحاتی بین 15 تا 100 متر می‌باشد.
1) کاربری هوایی:
ناوبری هواپیماهای تجاری – ردیابی هواپیما – بالگردها – بالن‌ها – کایت سواری و ...
2) کاربری زمینی:
* توسط افراد (راهنمایان جهانگردی، مهندسی و نقشه برداران، اکتشاف و زمین‌شناسی کنترل افراد، راهپیمایی، کوه نوردی، طبیعت گردی و تفریحی، اسکی، امداد و نجات
* توسط وسایل نقلیه زمینی (دوچرخه – موتور – انواع خودروها و ...)
به منظور ناوبری – ردیابی – هدایت خودروها و موقعیت‌یابی و کنترل آنها

3) کاربری دریایی:
توسط قایق‌ها – کشتی‌ها به منظور ناوبری دریایی – هدایت و کنترل – ردیابی و موقعیت‌یابی – ماهیگیری – تعیین موقعیت جزایر مرجانی – تعیین موقعیت سکوی نفتی. برای ادامه، به کتاب مراجعه کنید.