معرفی:

سامانه موقعیت‌یابی جهانی (Global Positioning System) با سرواژه جی‌پی‌اس (GPS) سامانه‌ای برای یافتن موقعیت جغرافیایی در سراسر کره زمین است.

این سامانه از ۲۴ ماهواره تشکیل شده که زمین را دور می‌زنند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. راکتهای کوچکی این ماهواره‌ها را در مسیر درست نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها نَو اِستار (NAVSTAR) گفته می‌شود. این ماهواره‌ها از محاسبات ریاضی ساده‌ای برای ارسال اطلاعات استفاده می‌کنند که به عنوان طول و عرض و بلندی جغرافیایی در گیرنده‌های روی زمین نمایش داده می‌شوند.

سامانه GPS بدون وابستگی به سیستم مخابراتی یا اینترنت عمل می‌کند. اما با این فناوری‌ها می‌توان اطلاعات دریافتی از این سامانه موقعیت‌یاب را بهتر و کاربردی‌تر کرد. سامانه جی‌پی‌اس می‌تواند توانایی حیاتی در زمینه موقعیت‌یابی برای کاربری نظامی یا غیر نظامی در سراسر جهان فراهم کند.

پروژه جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۳ توسط ایالات متحده آمریکا برای غلبه بر محدودیت‌های سامانه‌های موقعیت‌یابی پیشین، آغاز شد. وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا سامانه‌ای را توسعه داد که به شکل پیش‌فرض ۲۴ ماهواره را به کار می‌گرفت. طراحی و توسعه و پشتیبانی این سامانه بر عهده وزارت دفاع ایالات متحده است.

GPS در هر زمان و در سراسر کره زمین قابل استفاده‌ است و هیچ هزینه‌ای برای این خدمات پرداخت نمی‌شود. ماهواره‌های جی‌پی‌اس، هر روز دو بار در یک مدار دقیق به دور زمین می‌چرخند و سیگنالهای اطلاعات را به زمین می‌فرستند.

تاریخچه:

از آغاز دهه ۱۹۶۰ (میلادی)، نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا و نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا همواره در حال بررسی یا اقدام برای دستیابی به یک سامانه ناوبری ماهواره‌ای بودند. نیروی دریایی دو طرح عمده Transit و Timation را در دست داشت. Transit توسط آزمایشگاه‌های فیزیک کاربردی جان هاپکینز (APL) طراحی و در سال ۱۹۶۴ به حالت عملیاتی درآمد. این سامانه اکنون اطلاعات ناوبری سطح را به‌صورت ۲ بعدی (طول و عرض جغرافیایی) و بر مبنای اصول شیفت داپلر برای کاربران دریانوردی فراهم می‌آورد. سامانه Timation طرحی پژوهشی با فناوری پیشرفته از آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده (NRL) بود که یک سامانه ناوبری دوبعدی (طول و عرض جغرافیایی) را بر مبنای زمان‌سنجی دقیق ارائه می‌کرد. در همین دوره زمانی، نیروی هوایی نیز پژوهشی را برای ارائه یک سامانه ناوبری سه‌بعدی (طول و عرض جغرافیایی و بلندی) به نام 621B انجام می‌داد. این سامانه بر مبنای فاصله‌یابی ماهواره‌ای به کمک «دنباله‌های دیجیتال قابل تکرار» و «نویز شبه تصادفی» (PRN) پایه‌ریزی شده بود.

نخستین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ با موفقیت به فضای بیرونی پرتاب شد. هدف اصلی و نخستین از طراحی جی‌پی‌اس، اهداف نظامی بود. اما از سال ۱۹۸۰ به بعد برای استفاده‌های غیرنظامی نیز در دسترس قرار گرفت. این سامانه در سال ۱۹۹۵ و با تکمیل شمار ماهواره‌ها به توان پیش‌بینی شده خود دست یافت. افتخار اختراع این سامانه به راجر ال استون، ایوان ای گتینگ و برادفورد پارکینسون از آزمایشگاه فیزیک پیشرفته ایالات متحده تعلق دارد.

در آغاز نیروی هوایی آمریکا تلاش کرد دو سیگنال دقیق و واضح برای استفاده نظامی و یک سیگنال ضعیف شده و با کیفیت پایین‌تر برای کاربردهای همگانی بفرستد. اما شرکت‌ها راه‌های هوشمندانه‌ای برای دریافت سیگنال‌های باکیفیت، پیدا کنند؛ زیرا دستیابی به سیگنال‌های باکیفیت، به توسعه کار این شرکت‌ها کمک می‌کرد. در نهایت در سال ۲۰۰۰ (میلادی) ریاست‌جمهوری بیل کلینتون سیگنال با کیفیت بالا را در اختیار همگان قرار داد.

نسل تازه GPS :

پیشرفت‌های فناوری و نیازهای تازه باعث تمایل زیادی برای ارتقا و به‌روزرسانی سامانه موجود و توسعه نسل تازه ماهواره‌ها با عنوان GPS بلوک ۳ آ و نسل تازه سامانه‌های کنترل عملیاتی (OCX) شده‌اند. این تغییرات از سال ۱۹۹۸ با دستور کاخ سفید آغاز شده و در سال ۲۰۰۰ با تصویب کنگره ایالات متحده آمریکا عملیاتی شدند و در نهایت به جی‌پی‌اس ۳ انجامید.

مشخصات فنی:

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 متر

ساختار GPS:

جی‌پی‌اس امروزی از سه بخش اساسی بخش فضایی، بخش کنترل زمینی و بخش کاربر تشکیل شده‌ است. بخش‌های کنترل زمینی 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 در اختیار انواع کاربران قرار دارند و برای محاسبه موقعیت سه‌بعدی (طول و عرض جغرافیایی و بلندی) محل مورد نظر و زمان به کار می‌روند.

• بخش فضایی (Space Segment): از ۲۴ تا ۳۲ ماهواره تشکیل شده 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.
• بخش کنترل زمینی (Control Segment): از یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی MCU) Master Control Station)، یک ایستگاه اصلی کنترل زمینی دیگر به عنوان پشتیبان، یک میزبان آنتنهای اختصاصی و اشتراکی برای سامانه و ایستگاه‌های پایش تشکیل شده‌است.
• بخش کاربری (User Segment): از صدها هزار کاربر نظامی آمریکایی و متحدان آن که از جی‌پی‌اس کدگذاری شده برای تعیین موقعیت دقیق استفاده می‌کنند و صدها میلیون کاربر مدنی، عمومی یا علمی تشکیل شده‌است که از امکانات موقعیت‌یابی استاندارد استفاده می‌کنند.

1) بخش فضایی:

بخش فضایی (Space Segment) از ماهواره‌های مستقر در مدار زمین تشکیل شده‌است که به اختصار ماشین‌های فضایی (Space Vehicle) نیز نامیده می‌شوند. در طراحی نخستین 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 شش‌مداری 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.

مدارها به شکلی تنظیم شده‌اند که در همه ساعات شبانه روز و تقریباً از همه نقاط سطح زمین، دستکم ۶ ماهواره در خط دید باشند. برای دستیابی به این موضوع، فاصله یکسانی برای ماهواره‌های موجود در مدار مشترک در نظر گرفته نشده‌است (با هم ۹۰ درجه نیستند). اگر ساده‌تر در نظر بگیریم فاصله زاویه‌ای بین بین ماهواره‌ها به شکل ۳۰، ۱۰۵، ۱۲۰، ۱۰۵ درجه است که در مجموع ۳۶۰ درجه می‌شود.

بلندی مداری حداکثر حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتر است، یعنی شعاع مداری حداکثر ۲۶۶۰۰ کیلومتر است. هر ماشین فضایی، در هر روز نجومی دو بار و همان مسیر قبلی را نسبت به زمین می‌پیماید. این مسئله مخصوصاً هنگام ارتقا و تکمیل سامانه خیلی کمک‌کننده بود. چرا که حتی فقط با ۴ ماهواره و جاگیری درست، هر چهار ماهواره در طی چند ساعت، از یک نقطه خاص قابل دید بودند. برای عملیات‌های نظامی، تکرار گذرهای زمینی از یک منطقه می‌تواند منجر به اطمینان از پوشش خوب منطقه نبرد باشد.

در فوریه ۲۰۱۶، ۳۲ ماهواره در سامانه GPS حضور داشتند که ۳۱ ماهواره، فعال بودند. ماهواره‌های اضافی، دقت محاسبات گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای اندازه‌گیری‌های دقیق را افزایش می‌دهند. با افزایش شمار ماهواره‌ها 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 درست)، کارایی سامانه، کاهش نمی‌یابد. با وضعیت امروزی از هر نقطه زمین و در هر زمانی در حدود ۹ ماهواره به شکل هم‌زمان در خط دید قرار دارند. این امر باعث افزایش چشمگیر اعتماد به دقت، نسبت به حضور دستکم ۴ ماهواره، برای تعیین مکان می‌شود.

2) کنترل زمینی:

بخش کنترل، 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 آمده‌است. این ایستگاه‌ها وظیفه تعقیب چندجمله‌ایِ ریاضی به طریق کمترین مربعات، پارامترهای مداری (افمریزها) و موقعیت ماهواره‌ها را نسبت به یک سامانه مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدأ سامانه مختصات تقریباً در مرکز زمین قرار دارد) محاسبه می‌نماید.

شمار این ایستگاه‌های زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی آن با نام «کلرادو اسپرینگ» در آمریکا قرار دارد و ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند.

3) بخش کاربری GPS :

آخرین بخش از سامانه جی‌پی‌اس، بخش کاربران سامانه است که خود شامل دو بخش است:

1. آنتن دریافت‌کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره‌ها
2. گیرنده (پردازش‌کننده اطلاعات دریافتی و تعیین‌کننده موقعیت محل آنتن)

نرم‌افزار و ریزپردازنده درون گیرنده، فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره‌های مرتبط با گیرنده را تعیین می‌کند. سپس با استفاده از دستکم ۴ ماهواره موقعیت طول و عرض و بلندی، محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین می‌شود.

نکته مهم، این است که ارتفاعی که GPS به ما می‌دهد با ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق می‌کند. ارتفاع جی‌پی‌اس نسبت به سطح مبنایی به نام بیضوی مبنا است. در حالی که بلندی موجود در نقشه‌ها بلندی اورتومتریک است که از سطح دریاهای آزاد محاسبه می‌شود. اندازه این اختلاف در بیش‌ترین حالت در حدود ۱۰۰ متر است.