تحقیق جی پی اس چیست چگونه کار کند

لینک دریافت فایل خرید پایین توضیحات

دسته بندی : وورد

نوع فایل :  .docx ( قابل ویرایش اماده پرینت )

تعداد : 5 صفحه

---

 قسمتی متن : 

جی پی اس چیست چگونه کار کند؟

رضا عبدالهی چهارده چریک

دانشگاه ازادا سلامی واحد ماهشهر-مهندسی کامپیوتر

[e-mail]

چکیده: جی پی اس یک سیستم موقعیت یاب جهانی است. سیستم چندین ماهواره تشکیل شده مدارات مختلف اطراف زمین قرار گرفتهاند.

این ماهوارهها طور مداوم اطلاعاتی زمین مخابره میکنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس اطلاعات دریافت کرده انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده نسبت زمین محاسبه می‌کنند. گیرنده محاسبات یک فضای سه بعدی توجه فاصله خود ماهوارهها انجام میدهد. اینکار گیرنده باید حداقل سه ماهواره تحت رویت خود داشته باشد. جی پی اس دارای مزایای بسیار زیادی میباشد.

واژههای کلیدی: سیستم موقعیت‌یاب جهانی، Global Positioning Systems، ناوبری.

مقدمه

جی‌پی‌اس سیستم موقعیت‌یاب جهانی (Global Positioning Systems)، یک سیستم راهبری مسیریابی ماهواره‌ای شبکه‌ای حداقل ۲۴ ماهواره تشکیل شده است. ماهواره‌ها سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته مدار زمین قرار داده شده‌اند. جی‌پی‌اس ابتدا مصارف نظامی تهیه ولی سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی ازاد اغاز شد.

سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS متشکل 24 ماهواره که درارتفاع 20000 کیلومتری ازسطح زمین قراردارند ودر 6 مدار که هرمدار 4 ماهواره قرارداد وبا زاویه میل 55 درجه وپر یود ساعتی 12 ساعته درگردشند. هرماهوارهGPS دوموج دو فرکانس درباند امواج الکترومغناطیسی (L1, L2 ) ارسال کند موج L1 فرکانس1575 MHZ  موج L2 فرکانس1227 MHZ  باشد.

ماهواره‌های جی پی اس

۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقا طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ مایل ساعت است. ماهواره‌ها نیروی خود خورشید تامین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی زمانهای خورشید گرفتگی مواقعی سایه زمین حرکت می‌کنند به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی ماهواره‌ها مسیر صحیح نگاه می‌دارد. ماهواره‌ها NAVSTAR گفته می‌شود.

در اینجا برخی مشخصه‌های جالب سیستم اشاره می‌‌کنیم:

    * اولین ماهواره جی‌پی‌اس سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش مدار زمین قرار گرفت.

   * سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددی NAVSTAR تکمیل گردید.    * عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال پس جایگزین می‌گردد.   * هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد طول باتری‌های خورشیدی ۵.۵ متر است.

    * انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر ۵۰ وات است.

جی‌پی‌اس چگونه کار می‌کند

ماهواره‌های سیستم، مدارهای دقیق هر روز ۲ بار به‌دور زمین می‌‌گردند اطلاعاتی زمین مخابره می‌کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس اطلاعات دریافت کرده انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده نسبت زمین محاسبه می‌کنند. واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال ماهواره زمان دریافت مقایسه می‌‌کند. اختلاف دو زمان، فاصله گیرنده ماهواره تعیین می‌‌گردد. عمل داده‌های دریافتی چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند بدین ترتیب محل دقیق گیرنده تقریب ناچیز معین می‌‌کند.

گیرنده دریافت اطلاعات هم‌زمان حداقل ۳ ماهواره محاسبه ۲ بعدی یافتن طول عرض جغرافیایی، همچنین دریافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است. ادامه دریافت اطلاعات ماهواره‌ها گیرنده اقدام محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده مقصد، زمان طلوع غروب خورشید بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.

امواج ماهواره متشکل ازامواج حامل باند L مدوله شده یک کداستاندار کد (C/A2ویک کد دقیق (کد P(3) ویک کددریانوردی ومختصات ماهواره صورت توابع زمانی باشد که دربر گیرنده شخصی تفاوتهای زمانی بین وردوی کدهای C/A اندازه گیری میکنند اگردراثر دخالت کنترل زمینی درانطباق زمانی خطایی بوجود نیاید گیرنده شخصی ازدقتی حدود 15 متر برخوردار خواهند شد.

مفهوم کلی ناوبری رادیویی بستگی انتقال همزمان سیگنالهای رادیویی دارد اگر سیگنالهای رادیویی دقیقا بطورهمزمان بطور فرستاده نشوند گیرنده نمی تواند بطوردقیق موقعیت محاسبه نماید کنترل زمینی دراثر تاثیرگذاری بعضی ازماهواره درارسال سیگنال C/A کمی قبل بعداز سایر ماهواره دخالت کند دخالت عمدی اصلی, هما ن دسترسی موردی (4) شمار رود.

گیرنده شخصی میزان خطا تشخیص نمی دهند. بلکه بطورتصادفی بین 15تا 100 متر دقت تغییر یابد .البته دخالت عمدی گیرنده نظامی اثر نمی گذارد .

منبع خطای دیگر وجود که فرکانس سیگنال گیرنده شخصی اثرمی گذارد که دخالت یونسفر نامیده شود .

زمانی که یک سیگنال رادیویی ازبین الکترونها ازاد یونسفر عبورمی کند تاخیر اندکی بوجود اید برحسب مدت زمانی تاخیر که بوسیله الکترون ازاد بوجود اید ماهواره‌های GPS کدP دوموج رادیویی فرکانس مختلف ارسال کند که L1,L2 نامیده شود.یک سیگنال هنگام عبور ازیونسفر بیشتر ازدیگری تاخیر افتد.

روش تعیین موقعیت توسط جی پی اس

اگرفاصله ما ازماهواره 1 درحدود 10 کیلومتر باشد بنابراین مکان ما درفضا برمحیط کرده مرکزیت ماهواره اوشعاع 10 کیلومتر منطبق باشد حال فرض کنیم فاصله ما ازماهواره 20 درحدود 11 کیلومتر باشد دراین حالت مکان ما درفضا محیط کره مرکز ماهواره 2 وشعاع 11 کیلومتر واقع  فصل مشترک دوکره تواند یک دایره باشد که مکان ما بطورقطع محیط دایره قراردارد .

حال اگر ماهواره سوم درنظربگیریم که فاصله اش ما 12 کیلومترباشد دراین صورت فصل مشترک کره مربوط ماهواره 3 فصل مشترک کره ماهواره 1و2 حداکثر دونقطه باشد که قطعا یکی ازاین دو مبین مکان واقعی ما خواهد بود.اما بطورقطعی یکی دو نقطه نامعقول باشد .

بطورمثال دارای ارتفاع بیشتری سطح زمین . لذا کامپیوترهای داخل گیرنده هایGPS استفاده ازتکنیک گوناگون قادر تشخیص نقطه غلط باشند.

ازنظر تئوری استفاده از3 ماهواره توانیم مکان خودرا دست اوریم ولی دلیل فنی اگرچنانچه ماهواره چهارم همانند ماهواره 1و2 انتخاب کنیم بطورقطع فصل مشترک چهار کره یک نقطه خواهد واین نقطه مختصات مکانی مارا نشان دهد استفاده کنندگانی که درارتفاعی مششخص قراردارند (مانندکشتی که درسطح دریا واقع باشند)به سهولت میتوانند استفاده ازدوماهواره مکان خودرا تعیین نمایند .

دراین حالت کره زمین توان جایگزین ماهواره سوم کردوازیک مرحله محاسبه مسافت صرفنظر نمود بدین ترتیب فرصت جهت انجام سایرمحاسبات قابل بهره برداری بوده وعملا مکان یابی افزایش یابد .

بطورخلاصه توان بیان کرد که مبنای کار GPS استفاده ازماهواره عنوان مرجعی جهت یافتن موقعیت درهرنقطه زمین باشد سایر مسایل سیستم صرفا جزئیات تکنیکی هستند که سرعت دقت وسهولت عمل موقعیت یابی کمک کند.

مزایای سیستم جی پی اس

× دقت بسیارزیاددرموقعیت یابی × داشتن پوشش جهانی × دارا بودن زمان بندی دقیق × نداشتن هیچ گونه هزینه استفاده کنندگان × تعیین سرعت درسه محور مختصات × قابلیت دسترسی همیشگی × قابلیت کاربردی هرشرایط اب وهوایی × عدم محدودیت دربکارگیری همگانی × دقت نسبی IPPM طولهای کوتاه از1 100 کیلومتر.× تعیین سرعت درسه محور , زمان، تعیین فاصله سمت وگرای ونقطه مبداء مقصود× توانایی دید همزمان یک گیرنده

ماهواره ابتدا اطلاعات وداده ناوبی رابه پنج ایستگاه کنترل که درمناطق کلردواسپرینگ(5) کو اجالین (6) دیه گوگارسی)(7) اسنشن(8) هاوایی (9) قراردارند ارسال کند که درواقع سیگنال ماهواره ردیابی (10) کنند.

سپس ایستگاهها اطلاعات خودرا ایستگاه کنترل ماهواره (ایستگاه اصلی که همان کلرادواسپرینگ می‌باشد) ارسال کنند که وظایف پردازش داده ارسال ماهواره و نظارت برکنترل روزانه ماهواره سپس داده سه انت زمینی دیگر ارسال شود که توسط انتها اطلاعات کنترل شده ماهواره جهت تصحیح ساعت ماهواره وفرامین ودستورات تله منزی ارسال شود کار اصطلاحا auto upload شدن ماهواره گفته شود.

انواع گیرنده‌های جی ‌پی ‌اس

گیرنده‌های جی‌پی‌اس انواع گوناگونی دارند انتخاب هرکدام ان‌ها بستگی موارد استفاده شما دارد؛ نمونه می‌‌خواهید داخل خودرو نصب کنید اینکه کوله پشتی خود قرار دهید گزینه‌های متعددی پیش شما می‌‌گذارد.

6-1- گیرنده‌های دستی جی‌پی‌اس _ نقشه بردار

همانطور نام گیرنده می‌‌اید گیرنده نقشه بردار قابلیت نمایش نقشه برخوردار است. گیرنده‌ها ابعاد بزرگ تری نسبت گیرنده‌های قبلی دارند. اتصال گیرنده یک رایانه شخصی نقشه دلخواهتان گیرنده می‌‌دهید.

6-2- گیرنده‌های جی‌پی‌اس خودرو

این گیرنده‌ها بزرگ تر گیرنده‌های دستی هستند نمایشگری نسبتا بزرگ دارند راننده هنگام رانندگی سادگی بخواند. گیرنده‌ها استفاده برق خودرو کار می‌کنند بنابراین تنها داخل خودرو قابل استفاده هستند. ویژگی جالبی معمولا دستگاه‌ها وجود دارد، راهنمایی‌های صوتی دستگاه راننده اجازه می‌‌دهد بدون اینکه چشم خود جاده بردارد، گوش دادن صدای دستگاه طبق نقشه پیش برود. قیمت دستگاه 500 دلار امریکا شروع می‌شود. بسیاری کارخانه‌های تولید خودرو سفارش مشتری، یک دستگاه جی‌پی‌اس خودروهای فروشی خود نصب می‌‌کنند. ان‌ها ثابت هستند زیبایی ایمنی بیشتری برخوردارند. قیمت تمام شده ان‌ها بیشتر گیرندهٔ جی‌پی‌اس بعدا خودتان خودرو نصب می‌‌کنید.

6-3- گیرنده جی‌پی‌اس یک دستگاه پی‌دی‌ای

برتری استفاده یک دستگاه پی‌دی‌ای (PDA) به‌عنوان یک جی‌پی‌اس، نمایشگری بزرگ افزون راحتی مطالعه نقشه، جزئیات بیشتری قابل مشاهده می‌‌سازد. همچنین همانند جی‌پی‌اس‌هایی داخل خودرو نصب می‌‌شوند، می‌‌توانند صورت صوتی راهنمایی کنند.

6-4- گیرنده جی‌پی‌اس رایانه کیفی (لپ‌تاپ)

تقریبا همانند یک گیرنده جی‌پی‌اس دستگاه پی‌دی‌ای تفاوت اینجا دیگر نیازی استفاده Sleeve چیزی شبیه نیست. بخاطر داشته باشید اگر شما بخواهیداز یک CF جی‌پی‌اس به‌عنوان گیرنده لپ‌تاپ خود استفاده کنید، CF جی‌پی‌اس شما اتصال مستقیم لپ‌تاپ بیرون می‌‌زند بنابراین اگر بخواهید حالی صندلی خودرو نشسته اید جی‌پی‌اس استفاده کنید ،گیرنده جی‌پی‌اس شما دید خوبی اسمان نخواهد داشت خوبی وضعیتی گیرنده مستقیما زیر اسمان قرار می‌‌دهید عمل نخواهد کرد.

اصول بکارگیری جی پی اس

وظیفه یک گیرنده GPS درست بعداز روشن شدن توان بصورت زیر خلاصه کرد.

الف) نرم افزار سیستم بایدبتواند ماهواره موجود دردید کاربر تعیین کند سپس ازبین ماهواره , چهار ماهواره که دارای بهترین ارایش هندسی هستند منظورمینیمم شدن خطای فاصله  منبعی انتخاب کند.

عامل تعیین کابل ماهواره موجود دردید کاربراغلب توسط اطلاعات قبلی موجود درحافظه خراب نشدنی دستگاه انجام شود اگرچنین اطلاعات معتبری درحافظه نباشد سیستم باید عمل جستجو تک تک 24 ماهواره GPS انجام داده ولیستی ازماهواره دیدتهیه کند که مسلما کاروقت زیادی ازگیرنده پس ازروشن شدن خوداختصاص دهد.

ب) پس ازتعیین 4 ماهواره موردنظر بایدسیگنال انها بدست اوریم .این کار ساختن کدشبه تصادفی نظیر کدماهواره موردنظر درگیرنده وانجام عمل همبستگی سیگنال رسیده انجام شود.کد داخلی گیرنده انقدر شیفت زمانی دهیم خروجی همبستگی‌ساز ماکزیمم گردد. دراین صورت کد بدلی وکد دریافتی ازماهواره کاملا سنکرون هستند .به عمل , جستجوی سیگنال ماهواره درحوزه زمان گویند:

لازم ذکراست که بایستی عمل جستجو حوزه فرکانس انجام شود ازانجا که ماهواره GPS درمدار زمین ثابت (ژئو سنکرون)قرار نداشته ونسبت زمین درحال حرکت هستند وهمچنین چون گیرنده معمولا یک جسم متحرک نظیراتومبیل ویا هواپیما نصب شود درنتیجه فرکانس دقیق کاربر ارسالی علت اثر دوپلر ,مشخص نیست پس باید فرکانس کاربر محلی انقدر تغییر دهیم خروجی همبستگی ساز ازحد استانه بیشتر شود.و نهایتا فرکانس کاربر فرکانس دریافتی سنکرون شود .

ج) پس عمل جستجو وارد مرحله ردیابی سیگنال شویم دراین مرحله اولا هدف که سیگنال سنکرون تولید شده دربرگیرنده همچنان سیگنال ماهواره سنکرون بماند عمل توسط یک حلقه کنترلی خاص تحت عنوان COSTASLOOP که درواقع یک نوع خاص VCO انجام شود .ثانیا عملیات دمودلاسیون BPSK سیگنال رسیده اطلاعات ناوبری D(t) عملیات شبه فاصله سنجی (تعین فاصله کاربر وماهواره توسط زمان انتشار سیگنال) دراین مرحله انجام شود.

د) مراحل بوت بایدعینا 3 ماهواره دیگر انجام شود. درنهایت چهار شبه فاصله که ازمراحل فوق محاسبه شده دراختیار داریم. حال نرم افزار گیرنده بایدبتواند کمک چهارشنبه فاصله یک دستگاه چهار معادله وچهار مجهول حل کند واین معادلات طول وعرض جغرافیایی, ارتفاع وهمچنین زمان دقیق بدست اورد ازمراحل چهارگانه فوق مراحل الف بیشتر جنبه نرم افزاری یک گیرنده برمی گردد.

8- کاربردهای جی پی اس

8-1- درزمینه نظامی

1- کاربردهوایی: ازهدایت موشک تمام هواپیماهای جنگنده بمب افکن، هلی کوپتر، موشک کروز، چتر بازی پروازهای نظامی ....

2- کاربردهای دریایی: زیردریایی، کشتی تمام انواع قایق دریانوردی نظامی.

3- کابردهای زمینی: مکان توپخانهها، ناوبری خودروها، هدایت پیاده نظام، سیستم موشک زمین زمین، شناخت نوع وجنس خاک.

8-2- کاربرد نقشه برداری

 از GPS طریق مختلف درنقشه برداری توان استفاده کرد. مهمترین کاربردهای GPS درنقشه برداری عبارتنداز :

1) نقشه برداری هیدرو گرافیک .2) نقشه برداری سینما تیکی خیلی دقیق زمین .3) فتو گرامتری بدون کنترل زمینی 4) انبوه سازی شبکه ژئو دتیک 5) نقشه برداری کارامتری6) فتو گرامتری بصورت REAL .TIME

8-3- کاربردهای تجاری

1) ناوبری هوایی : دردهه هشتاد , چهل سال پس کنوانسیون شیکاگو که منجر تاسیس سازمان بین المللی هواپیماهای کشوری ایکائو گردید نگرانی جامعه هواپیمایی ازمحدودیتهای سیستم ناوبری موجود طور روزافزونی افزایش یافت .

  پیش بینی عمل امده نشان دهنده رشدسریع مسافرت هوایی تاسال 2001 خصوصا درمناطقی مانند اسیا , اقیانوسه بودتعداد 18 میلیارد مسافر وبیش 10000هواپیما درحال تردد درهرلحظه نگرانی تایید نمود .لذا پیشنهاد که ازتکنولوژی ماهواره مبادله صوتی وداده موردنیاز خطوط ارتباطی مستقیم هواپیمابه ماهواره وازان طریق کنترل ترافیک هوایی استفاده شود. دراین حالت محدودیت دید مستقیم درسیستم (17) VHF کیفیت درسیستم (18) HF وجودندارد بعلاوه دریک مجموعه واحد توان بصورت همزمان داده ضروری هواپیما مانند مشخصات پرواز, ارتفاع , سرعت جهت کنترلر مراقب پرواز اطلاع داد واز این  طریق خطای انتقال صحیح اطلاعات ناشی عوامل انسانی دروقوع سوانح کلی ازبین برد.

امروزه تئوری پرواز ازاد انقلابی درصنعت حمل ونقل هوایی بوجود اورده درپرواز ازاد توجه قابلیت انعطاف سیستم ناوبری ونظارت توان جای استفاده ازمسیرهای ثابت هوایی انها بصورت کاملا دینامیکی بهینه نمود ایده جالب بهره برداری بسیارموثر ازفضا دارد .بنابراین امروزه شرکت بزرگ هواپیما سازی مشغول نصب سیستمهای GPS هواپیما باشند .

2- ناوبری دریایی : درناوبری دریایی تعیین مسیر , نقاط مبداء ومقصد وغیره GPS توان بهره گرفت .

8-4- کاربردهای همگانی

سیستم موقعیت یاب GPS  کاربرهای همگانی دارد که ازمهمترین کاربردها می توان موارد زیراشاره کرد.

1- حرکت درفضای باز: حرکت درمناطقی که راههای چندان مناسبی ندارد کلی فاقد راه .گیرنده GPS  بسیارارزشمند خواهدبود.