جهت یابی، جلسه پنجم
اهداف: ---------------------------
وسائل مورد نیاز: --------------------
درس پنجم : محاسبات دستگاه GPS و دقت آن
همانطور که به خاطر دارید جلسه قبل به بحث و بررسی محاسبات یک گیرنده GPS برای تعیین موقعیتش پرداختیم. همچنین اشاره شد که فاصله محل گیرنده تا ماهواره با سنجش زمان سفر سیگنال رادیویی انجام می شود.
در یک زمان مشخص (به عنوان مثال نیمه شب)، ماهواره شروع به گسیل یک سری کد های دیجیتال می کند. گیرنده نیز در همان لحظه، کدهایی کاملا یکسان با ماهواره را اجرا می کند. هنگامی که سیگنال ماهواره به گیرنده می رسد، کد مربوط به ماهواره به دلیل مسافت طولانی که طی کرده از کدهای شاخص در گیرنده مقداری عقب می افتد. اختلاف زمان میان کدهای گیرنده و ماهواره که نشانگر مدت زمان سفر سیگنال است، به این ترتیب محاسبه می شوند.
گیرنده این اختلاف زمان 
را در سرعت سیگنال (سرعت نور) ضرب نموده و مسافت طی شده توسط سیگنال را ،که همان فاصله ماهواره است، با فرض حرکت سیگنال در خط مستقیم محاسبه می کند.
برای آن که این اندازه گیری انجام شود، گیرنده و ماهواره هر دو به ساعت هایی نیاز دارند که بتوانند تا دقت نانوثانیه با هم هماهنگ شوند. تنها ساعتی که می تواند چنین دقتی را داشته باشد، ساعت اتمی است که قیمتی در حدود 50هزار تا 100 هزار دلار دارد. حال در نظر بگیرید که نه تنها تمام ماهواره ها که تمام گیرنده های دیجیتال که در اختیار ما قرار می گیرند، باید مجهز به این ساعت ها باشند که به نظر می آید به خصوص برای مصرف روزمره کمی پر هزینه باشد!
اما کاری که در عمل انجام می شود این است:
ماهواره ها هر یک مجهز به ساعت اتمی هستند اما در گیرنده ها یک ساعت کوارتز معمولی که به طور دائم تنظیم می شود، قرار داده شده است. به زبان ساده، چون گیرنده همزمان سازی را با حداقل چهار ماهواره انجام می دهد، احتمال خطا بسیار پایین می آید و اگر در همزمان سازی با ماهواره اول دچار خطا شود، ماهواره دوم آن را در بازه کوچک تری محدود می کند. ماهواره سوم و چهارم نیز به همین صورت، بنابراین گیرنده به یک زمان مشترک بین تمام ماهواره ها می رسد که همان زمانی است که ساعت اتمی نشان می دهد. با این ترفند ساعت گیرنده بدون هزینه ای به دقت ساعت های اتمی می رسد!
بعد از این همزمان سازی و محاسبه فاصله ها، همان روند رسم کره ها و یافتن فصل مشترک آن ها (که در جلسه قبل گفته شد) آغاز می شود. نکته ای که جالب است شاید با وجود خطاهای اندازه گیری، سه کره بتوانند با هم به نقاط مشترک برسند اما برای چهار کره هرگز همچین حالتی روی نمی دهد! پس اگر چهار کره به یک نقطه مشترک برسند قطعا اندازه گیری ها درست بوده است.
خطاها:
تا اینجا دانستیم که چگونه یک گیرنده GPS بر اساس اطلاعات دریافتی از چهار ماهواره مرجع موقعیت خود را روی زمین مشخص می کند. این سیستم تقریبا خوب و دقیق کار می کند اما به هر حال خطاها اجتناب ناپذیر هستند.
به عنوان اولین خطا، گیرنده فرض را بر این می گذارد که سیگنال های رادیویی با سرعت یکنواخت (سرعت نور) از درون جو زمین عبور می کنند. این در حالی است اتمسفر زمین در عبور موج الکترومغناطیس از لایه های مختلفش، یک افت انرژی را ایجاد نموده و باعث کاهش سرعت آن و یک تاخیر زمانی کوچک می شود. این تاخیر کاملا به موقعیت گیرنده روی زمین بستگی دارد و میزان آن از نقطه ای به نقطه دیگر تغییر می کند و به همین دلیل اعمال آن در محاسبات مشکل است.
همچنین این خطا زمانی بیشتر می شود که موج رادیویی بر اثر برخورد نامنتظره به چیزی، مثلاً یک هواپیما، منعکس شود و دیرتر به گیرنده برسد. این باعث می شود که گیرنده به اشتباه ماهواره را دورتر در نظر بگیرد. از همه بدتر گاهی خود ماهواره اطلاعات نامربوط ارسال می کند خطای بزرگی را در موقعیت یابی ایجاد می کند.
این خطاها با استفاده از تکنیک هایی از جمله
تا حد زیادی اصلاح می شوند و دقت موقعیت یابی بسیار بالا برده می شود.
به این ترتیب بعد از مجموع این مراحل یک گیرنده GPS استاندارد می تواند مجموعه ای بسیار دقیق از اطلاعات مکانی تان را در اختیارتان قرار دهد.
از جمله:
طول و عرض جغرافیایی شما و ارتفاعتان از سطح دری
نقشه محل قرارگیری شما (بر اساس اطلاعات محلی ثبت شده در حافظه دستگاه)
میزان جابه جایی شما
مقدار مسافتی که پیموده اید
سرعت لحظه ای شما
سرعت متوسط شما
نقشه دقیق مسیری که پیموده اید
زمان تخمینی رسیدن شما به مقصد
جالب است که بدانید:
سیستم مكان یابی جهانی Global Positioning System شـامل شبكه ای از 24-27 ماهواره درگردش كه در فاصله 20هزار كیلومتری و در شش مدار مختلف قراردارند. ماهواره ها با سرعت خطی درحدود 174 کیلومتر در ثانیه درحال حركت بوده و در عرض 24 ساعت دوباركامل برگرد زمین می گردند. البته تنها 24 عدد از این 27 ماهواره در شبکه عملیاتی هستند و 3 ماهواره به عنوان یدک در مدار قرار گرفته اند تا در صورت نیاز و خرابی شبکه اصلی وارد مدار شوند.
هر یک از این ماهواره ها که انرژی خود را با کمک صفحات خورشیدی تامین می کنند در مداری به ارتفاع 19300 کیلومتر از سطح زمین قرار گرفته اند. ماهواره های GPS به نام NAVSTA شناخته می شوند و پیوسته به وسیله ایستگاه‌های زمینی در سراسر جهان نظارت می‌شوند. ماهواره ها سیگنال‌هایی با قدرت 50 وات ویا كمتر 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 10 متر بسته به نوع تجهیزات متفاوت می باشد. اولین ماهواره GPS درفوریه 1978 پرتاب شد . وزن هر ماهواره تقریباً 900 کیلوگرم و دارای صفحات آفتابی به پهنای 5 متر می باشد. هر ماهواره حدوداً 10 سال فعال می ماند و جایگزینی ماهواره ها به موقع انجام خواهد گرفت و ماهواره های جایگزین به فضا پرتاب می گردند. برنامه شبكه GPS هم اكنون تا سال 2015 تنظیم و جایگزینی های لازمه ترتیب داده شده اند. مسیر گردش ماهواره ها آنها را بین عرض جغرافیایی 60 درجه شمالی و 60 درجه جنوبی قرارمی دهد. این امر به معنی آن است كه در هر نقطه از زمین و درهرزمان می توان سیگنال های ماهواره ای را دریافت نمود. و هرچه به قطبهای شمال - جنوب نزدیك شویم نیز همچنان ماهواره های GPS را خواهیم دید. هر چند دقیقاً در بالای سر ناظر نخواهند بود که این در دقت و صحت عمل آنها در این نقاط تأثیر می گذارد.
جستجو:
امروزه فناوری GPS در بسیاری از حوزه های زندگی از جمله در نگهداری از کودکان و سالمندان، مراقبت از بیماران و ... کاربرد یافته است. در اینترنت به جستجو بپردازید و گزارشی از این تأثیرات تهیه نمایید.
پیشنهادی برای ادامه کار:
بسیاری از حیوانات به طور غریزی کار جهت یابی را بدون استفاده از هیچ وسیله ای انجام می دهند. زنبور هرگز کندو را گم نمی کند، پرندگان از مسافت های طولانی بدون خطا هر ساله مهاجرت می کنند و یا ماهی ها کیلومترها راه را برای رسیدن به مقصد مشخص شنا می کنند و هرگز در این مسیرها دچار اشتباه نمی شوند. حیوانات برای این منظور از ترکیبی از حواس بینایی و بویاییشان در کنار گیرنده های مغناطیسی ذاتی که دارند، استفاده می کنند و جهتگیری خود را تنظیم می نمایند. جهت یابی حیوانات روش های بسیار متنوعی را شامل می شود. تعدادی از این روش ها توسط بشر مورد بررسی قرار گرفته و همواره الهام بخش بسیاری از اختراعات او در این زمینه بوده است.
آیا انسان نیز می تواند روزی اینگونه جهت یابی کند؟
آیا می توان با استفاده از مکانیزم جهت یابی حیوانات این امر را بهینه تر نماییم؟
آیا می توان با دقت در روش کار این حیوانات، ابزارهای جهت یابی جدید ساخت؟
این ها همه سوال هایی است که یافتن پاسخ آنها توسط شما می توان منجر به یک تحقیق و مطالعه بسیار جذاب شود!
مقاله زیر نیز می تواند به شما در شروع کار کمک کند.
تکلیف:
دستگاه های گیرنده GPS در سه نوع کلی هستند.
GSP Mouse
Hand-Held GPS
High-End GPS Products
در مورد هر یک از این مدل ها جستجو نموده و اطلاعات خود را به صورت اسلاید در کلاس برای دوستانتان ارائه دهید.
محل بازدید/ اردو/ خرید: ------------------
منابع مطالعه: -------------------------
