کزاز الکترونیک

طراحی وساخت مدارات ساده تا پیشرفته الکترونیک ومعرفی قطعات

ماهواره چگونه کار می کنند.
ساعت ۱:۱٠ ‎ب.ظ روز شنبه ۱۳ اردیبهشت ۱۳٩۳   کلمات کلیدی:

 
 
 

ماهواره یا «قمر مصنوعی» به دستگاه‌های ساخت بشر گفته می‌شود که در مدارهایی در فضا به گرد زمین یا سیارات دیگر می‌چرخند.

نخستین ماهواره اسپوتنیک ۱ بود که در سال ۱۹۵۷ در مدار زمین قرار گرفت.

اهمیت ماهواره‌ها برای مخابرات و بررسی منابع زمینی و پژوهش و کاربردهای نظامی و جاسوسی روزافزون است.

نخستین ماهواره مخابراتی تله‌استار بود که در سال ۱۹۶۲ در مدار قرار گرفت و ارسال و دریافت برنامه‌های تلویزیونی را بین آمریکا و اروپا ممکن کرد.

ماهواره‌ها از نظر کاربرد به چهار دسته تقسیم بندی می‌‌شوند.

ماهواره‌های جاسوسی یا نظامی
ماهوارهای منابع طبیعی که شامل ماهواره‌های هواشناسی و ماهواره‌های منابع زمینی است.
ماهواره‌های تعیین موقعیت جهانی مانند جی پی اس
ماهواره‌های مخابراتی

ماهواره

ایده استفاده از ماهواره های ساخت دست بشر، برای اولین بار در پایان جنگ جهانی دوم بر سر زبان‌ها افتاد .دانشمند، ریاضی دان و نویسنده مشهور انگلیسی آرتور سی کلارک Arthur C Clarke یکی از بزرگ‌ترین خالقان داستان های تخیلی، برای اولین بار پیشنهاد قرار دادن یک ماهواره ارتباطی را در مدار ژیوسنکرون زمین Geostationary Orbit یا مدار کلارک که در فاصله تقریبا ۳۶۰۰۰ کیلومتری سطح زمین و بالای خط استوا (جایی که قابلیت دسترسی به تقریبا ۴۰٪ سطح زمین در آن مکان وجود دارد) قراردارد، را جهت پوشش سیگنال های رادیو یی و تلوزیونی را داد.

ماهواره ای که در مدار ژیوسنکرون زمین و در بالای خط استوا و هماهنگ با سرعت زمین و با زاویه ای ثابت، حرکت می کند، قسمت مشخصی از سطح زمین را بطور ثابت پوشش می دهد.از یک ایستگاه زمینی نیز بصورت یک نقطه ثابت، قابل رویت است .ماه، خورشید، و دیگر ستارگان و سیارات منظومه شمسی باعث تا ثیر گذاری بروی ماهواره در مدار خود می‌شود که احتمال جابخایی از مکان خود را دارد. برای جلوگیری از این مسیله، موتور های مخصوصی که بوسیله ایستگاه های زمینی کنترل می شوند، کمک می کنند که ماهواره‌ها در مکان خود ثابت باقی بمانند.

جهت برقراری ارتباط از یک ایستگاه زمینی، معمولاً احتیاج به یک دیش بزرگ که بنام Uplink Antenna معروف است، می باشد و باعث تمرکز اطلاعات ارسالی به ماهواره می‌شود . در ارتباط بین ماهواره و ایستگاه زمینی معمولاً از دو نوع موج و فرکانس متفاوت استفاده می‌شود .یکی برای Uplink و دیگری برای Downlink . دیش نصب شده بروی ماهواره، سیگنال ارسالی ازایستگاه زمینی را دریافت کرده و به یک دستگاه گیرنده می رساند و پس از یک سری پردازش، به فرستنده ماهواره انتقال میدهد و از طریق آنتن فرستنده ماهواره، مجدداً به سمت زمین باز تابش داده می‌شود .

سیگنال ارسالی به سطح زمین، بوسیله دیش های معمولی، دریافت و جمع آوری شده و به دستگاه گیرنده ماهواره، از طریق LNB انتقال پیدا می کند .

قدرت سیگنال دریافتی بر روی زمین، نسبت به فاصله و زاویه و …. ماهواره و نقطه گیرندگی، متفاوت بوده و بصورت یک الگوی خاص به نام سایه ماهواره یا footprint معرفی می‌شود .

همیشه قدرت سیگنال ماهواره در مرکز سایه، بیشترین مقدار را دارا می باشد و در گوشه ها، از کمترین مقدار، برخوردار است. توجه به این نکته لازم است که دریافت سیگنال در خارج است سایه، احتیاج به دیش های بزرگ تر، دارد . امواج سانتی متری، جهت ارسال سیگنال ماهواره به زمین، مورد استفاده قرار می گیرد که محدوده فرکانسی آنها بین ۳-۳۰ MHz می باشد .

دلیل اصلی استفاده از این امواج رادیویی کوتاه، انتشار راحت امواج و تاثیرات کم نویز و مزاحمت های فرکانسی است . البته فرکانسهای بالاتر از ۱۵ Ghz، بصورت وحشتناکی بوسیله اکسیژن هواوبخار آب تضعیف می گردند. ماهواره‌ها سیگنالهای ارسالی خود را بصورت قطبی و با دو حالت افقی و عمودی ارسال می کنندو گاهی اوقات نیز بصورت دورانی، چپ گرد و راست گرد. در سیستمهای دیجیتال، امکان ارسال DATA و چندین شبکه تلویزیونی و رادیویی بروی یک فرکانس وجود دارد .

لغت ماهواره طبق تعریف , به سفینه ای گفته می‌شود که درمداری به دوریک سیاره معمولاً زمین درحال گردش باشد. در عصری که ما در آن زندگی می کنیم , ماهواره وتکنولوژی وابسته به آن آنچنان درتاروپود جوامع بشری نفوذکرده وبه پیش می تازدکه نقش تعیین کننده آن درسیرتحولات تمدن بشری ,قابل توجه است .بخشی ازتحقیقات وپژوهشهای علمی -تخصصی که درآزمایشگاههای مسقتر در فضا انجام می‌شود , هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد. این تحقیقات که بسیارمتعدد ومتنوع است ,درتخصصهای پزشکی , داروسازی , مهندسی مواد, مهندسی ژنتیک ودهها مورددیگر, تا به حال دستاوردهای بسیار ارزنده ای را به جوامع بشری عرضه کرده است .ماهواره‌ها که در فضا درحال گردشند, می توانند اطلاعات باارزشی در اختیارانسان قرار دهند که منجربه تحولات شگرفی در زمینه های گوناگون شود. ماهواره های کشف منابع زمینی هواشناسی , مخابراتی , پژوهشی ونظامی ازاین نوعند.

اجزای سیستم ماهواره ای مخابرات

سیستم ماهواره ای مخابرات مجموعه ای است از ایستگاههای فضایی و ایستگاههای زمینی به منظور ایجادارتباطات رادیویی .بخشی ازاین سیستم ماهواره ای می تواند تنها ازیک ماهواره و .ایستگاههای زمینی مربوطه تشکیل می‌شود. این مجموعه , یک (شبکه ماهواره ای) نامیده می‌شود

ایستگاههای فضایی

ایستگاه فضایی شبکه ماهواره ای مخابرات , از ماهواره (بخش اصلی شبکه) و دستگاههای. جانبی تشکیل شده است

ساختمان ماهواره

ماهواره از دوبخش تجهیزات مخابراتی وغیرمخابراتی تشکیل شده است. زیرسیستمهای مخابراتی , آنتنها و تکرارکننده‌ها هستند. در بخش مخابراتی , دستگاهی وجود دارد که وظیفه تکرارکننده های رله رادیویی را .انجام می دهد و (ترانسپاندر) نام دارد ترانسپاندرها سیگنالهای فرستاده شده از زمین را دریافت وپس ازتقویت وتغییرفرکانس آنها را به زمین می فرستند.آنتنهای مربوط به این ترانسپاندرها طوری طراحی شده‌اند که فقط قسمت‌هایی ازسطح زمین را که. درون شبکه ماهواره ای قرار دارند, پوشش می دهد یک ماهواره معمولاً آنتنی همه جهته دارد که برای دریافت سیگنالهای فرمان صادره از زمین به کار می رود زیرا آنتنهای دیگر ماهواره احتمال دارد به سوی زمین نباشند. آنتن همه جهته همچنین برای کنترل سیستمهای فرعی در زمان پرتاب ماهواره و تعیین موقعیت آن به کارمی رود.بخش غیرمخابراتی ماهواره که در واقع قسمت پشتیبانی فنی آن است شامل سیستم کنترل حرارتی , سیستم کنترل موقعیت ومدار, ساختمان مکانیکی ,سیستم منبع تغذیه وموتور. اوج است

سیستم کنترل حرارتی ماهواره

این سیستم باید درجه حرارت دستگاهها و تجهیزات درون ماهواره را در حد متعادل و متعارف .حفظ کند

سیستم کنترل موقعیت ومدار

کنترل موقعیت ماهواره آن است که جهت تابش پرتو فرکانسهای رادیویی آنتن را برای منطقه .موردنظر درروی زمین ثابت نگه می دارد

ساختمان مکانیکی

ساختمان ماهواره باید به گونه ای طراحی شده باشد که بتواند نیروهایی را که بر اثر فشارهای دینامیکی در هنگام روشن شدن موتور و پرتاب وارد می‌شود , تحمل کند. بدنه ماهواره معمولاً از آلیاژ آلومینیوم سبک ساخته می‌شود که شامل سلولهای خورشیدی و منعکس کننده های آنتن نیز هست .این قسمت ازترکیب موادی مانند فیبرکربن که دارای استحکام وثبات ساختمانی خاصی است .ساخته می‌شود

سیستم منبع تغذیه

منبع اصلی تغذیه معمولاً سلولهای خورشیدی هستند. انرژی خورشیدی جذب شده برای شارژکردن .باتریهای ذخیره نیزمورداستفاده قرارمی گیرد.این باتریهاازنوع نیکل -کادمیم هستند

موتوراوج

نقش موتوراوج ایجاد مدار دایره ای شکل وجلوگیری ازانحرافات مداری ماهواره است .بعضی مواقع با.استفاده ازموتوراوج , ماهواره هارادرمدار ثابت مستقرمی کنند

ایستگاههای زمینی : ایستگاههای زمینی سیستمهای ماهواره ای مخابرات براساس نوع استفاده ازآنهاعبارت اند از: ایستگاههای ثابت ,ایستگاههای سیار.ایستگاههی زمینی ماهواره معمولاً ازچند قسمت تشکیل شده اند. آنتن , فرستنده , گیرنده , سیستمهای کنترل برقراری ارتباط ومنابع تغذیه مورد لزوم ایستگاه هر یک ازاجزای فوق شامل قسمت‌های مختلفی اند که متناسب با نوع ایستگاه زمینی , حجم وتجهیزات .آنها متفاوت خواهدبود

آنتن ایستگاههای زمینی

به طور کلی آنتن فرستنده , انرژی الکتریکی حاصل از یک منبع را در فضا به صورت امواج الکترومغناطیسی پخش می کند. سپس آنتن گیرنده این امواج رامی گیردوبه انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در هر سیستم مخابرات رادیویی , آنتن نقش حساس و مهمی دارد, زیرا با انتخاب آنتنهای مناسب ونصب وتنظیم صحیح آنهامی توان تاحدزیادی بازدهی سیستم رابالا برد. علایم و سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره توسط آنتنهای بزرگ یا کوچک دریافت می‌شودوسپس به دستگاه تقویت کننده انتقال می یابد. ایستگاههای زمینی دارای دو نوع آنتن فرستنده و گیرنده به صورت بشقابی در اندازه های مختلــــــف هستنــــد. این آنتنها اطــــلاعات را به صورت امواج رادیویی به فضا می فرستند یا از فضا دریافت می کننـــد. آنتن ایستگا ههای زمینی در ابعــــاد بزرگ و ساختمان مکانیکی معینی ساخته می شوند که قطرنوع قدیمی آنها به بیش از ۳۰۰ تن می رسد. از آنجا که فرکانس مورد نظر برای سرویس ثابت ماهواره درمحدوده فرکانسهای مگاهرتزوگیگاهرتزاست

ماخذ:ARTMehr Eng.Group

اسپوتنیک ۱
اسپوتنیک ۱ (از روسی Cпутник به معنی ماهواره) اولین ماهواره ساخت انسان بود که در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ در مدار قرار گرفت. کشور شوروی با پرتاب این ماهواره به فضا در دوران جنگ سرد باعث شگفتی کشورهای غرب و ایالات متحده امریکا شد. پرتاب اسپوتنیک ۱ که بخشی از برنامه اسپوتنیک شوروی بود به آغاز عصر فضا و مسابقه فضائی منجر گردید.

مشخصات

این ماهواره به اندازه توپ بسکتبال و وزن آن در حدود ۸۳ کیلوگرم بود. اسپوتنیک ۱ دارای ۲ فرستنده رادیویی در طول موج‌های ۲۰ و ۴۰ مگاهرتز بود و در مداری بیضوی در ارتفاع متوسط ۲۵۰ کیلومتر به مدت ۹۸ دقیقه به دور کره زمین چرخید.

تلستار

 

 

 

تلستار نخستین ماهواره مخابراتی بود که در سال ۱۹۶۲ در مدار زمین قرار گرفت.

این ماهواره متعلق به شرکت ای‌تی‌اندتی بود و ناسا با یک موشک دلتا آن را به فضا پرتاب کرد.

 

 

 

تلستار برای مخابره برنامه‌های تلویزیونی طرح شده بود ولی به انتقال مکالمات تلفنی

نیز می‌پرداخت.

 

 

ماهواره ها چگونه کار میکنند 

 
مقدمه

لایه یونسفر در فرکانس حدود 30 مگا هرتز بصورت شفاف عمل می‌کند. علائم ارسالی بر روی این فرکانس مستقیما از میان آن می‌گذرد و در فضای بیرون گم می‌شوند. این فرکانسها همچنین در خط مستقیم دید حرکت می‌کنند. به این دلایل برای مقاصد ارتباطی آنها را باید به طریقه‌های گوناگون بکار گرفت. فرکانسهای 30 تا 300 مگاهرتز بسیار مفید و کارامد هستند، چون انتشار آنها با وجود محدود بودن پایدار است.

این امواج با چنین فرکانسی برای امواج تلویزیون کارآمدند، زیرا فرکانسهای بالای آنها اجازه حمل مقادیر فراوانی از اطلاعات مورد لزوم را می‌دهد و برای پخش صدای دارای کیفیت بالا نیز سودمند می‌باشد. علت این امر این است که در این محدوده از فرکانس برای کانالهای پهن جا وجود دارد. قسمتی از باند UHF را که بین 790 تا 960 مگاهرتز قرار دارد، می‌توان برای مرتبط ساختن ایستگاههایی با فاصله بیش از 320 کیلومتر به شیوه به اصطلاح پراکندگی در لایه تروپوسفر زمین بکار برد.

این شیوه به توانایی گیرنده دور دست در گرفتن بخش کوچکی از علائم فرکانس UHF که به دلیل ناپیوستگیهای بالای لایه تروپوسفر پراکنده شده بستگی دارد. یعنی علائم در جایی پراکنده می‌شوند که تغییرات شدید و تندی در ضریب شکست هوا وجود دارد.
امواج مایکروویو چه نوع امواجی هستند؟
فرکانسهای بین 3000 تا 12000 مگاهرتز برای رابطه‌ای در خط مستقیم که در آن پیام رسانی از طریق آنتنهایی بر فراز برجهای بلند ارسال می شود بکار می‌رود. ایستگاههای تکرار کننده را که ساختاری برج مانند دارند نیز در فواصل 40 تا 48 کیلومتری (معمولا بالای تپه‌ها) کار می‌گذارند. این ایستگاهها امواج را می گیرند تقویت می‌کنند و دوباره به مسیر خود می‌فرستند. بخش مربوط به امواج مایکروویو برای ارتباط مراکز پرجمعیت بسیار مفید است، چون فرکانس بالا به معنای آن است که امکان حمل باند عریضی از طریق مدولاسیون وجود دارد و این نیز به این معنی است که هزاران کانال تلفن را می‌توان روی یک فرکانس مایکروویو فرستاد.

باند عریض این نوع فرکانس اجازه می‌دهد که علائم ارسالی تلویزیون سیاه و سفید و تلویزیون رنگی بر روی یک موج حامل منفرد ارسال شوند و چون این امواج دارای طول موج بسیار کوتاه هستند، برای متمرکز کردن علائم رسیده می‌توان از بازتابنده‌های بسیار کوچک و اجزای هدایت مستقیم بهره گرفت.


ماهواره چیست؟
دستگاههای ارتباطی ماهواره‌ها در باند مایکروویو عمل می‌کنند، در واقع ماهواره‌ها صرفا ایستگاه مایکروویو غول پیکری است در مدار زمین که با کمک پایگاه زمینی بازپخش می‌شود. این مدار تقریبا دایره‌ای شکل در ارتفاع 36800 کیلومتری بالای خط استوا قرار دارد و در این فاصله سرعت ماهواره با سرعت زمین برابر است و نیروی خود را بوسیله سلولهای خورشیدی از خورشید می‌گیرد. نیروی جاذبه زمین شتاب زاویه شی قرار گرفته در مدار را دقیقا بی اثر می‌سازد. در این فاصله دور چرخش ماهواره‌ها با حرکت دورانی زمین کاملا همزمان و برابر است و باعث می‌شود ماهواره نسبت به نقطه مفروض روی زمین ثابت بماند.

ایستگاه زمینی در کشور اطلاعات را با فرکانس 6 گیگاهرتز ارسال می‌کند. این فرکانس فرکانس UPLINK نامیده می‌شود. سپس ماهواره امواج تابیده شده را گرفته و با ارسال آن به نقطه دیگر که بر روی فرکانس حامل متفاوت DownLink برابر 4 گیگا هرتز است عمل انتقال اطلاعات از فرستنده به گیرنده را انجام می‌دهد. در واقع ماهواره اطلاعات گرفته شده را به سمت مقصد تقویت و رله می‌کند. آنتن ماهواره ، ترانسپوندر نام دارد. از مدار همزمان با زمین هر نقطه از زمین بجز قطبین در Line of sight است و هر ماهواره می‌تواند تقریبا 40 % از سطح زمین را بپوشاند.




آنتن ماهواره‌ها را طوری می‌شود طراحی کرد که علائم پیام رسانی ضعیفتر به تمام این ناحیه فرستاده شود و یا علائم قویتر را در نواحی کوچکتری متمرکز کند. بر حسب مورد این امکان وجود دارد که از ایستگاه زمینی در کشوری فرضی به چندین ایستگاه زمینی دیگر واقع در کشورهای گوناگون علائم ارسال کرد. بطور مثال: وقتی برنامه‌ای تلویزیونی در تمام شهرها و دهکده‌های یک یا چند کشور پخش شود، در این حالت ماهواره ، ماهواره پخش برنامه است. ولی وقتی علائم ارسال ماهواره در سطح گسترده‌ای از زمین انتشار یابد، ایستگاههای زمینی باید آنتنهای بسیار بزرگ و پیچیده‌ای داشته باشند. هنگامی که علائم ارسالی ماهواره در محدوده کوچکترین متمرکز می‌شوند و به حد کافی قوی هستند، می توان از ایستگاههای زمینی کوچکتر ساده‌تر و ارزانتر استفاده کرد.
مکان ماهواره‌ها
از آنجایی که ماهواره‌ها برای جلوگیری از تداخل امواج رادیویی باید جدا از هم باشند، لذا شماره مکانهای مداری در مدار همزمان با زمین که امکان استفاده آن برای ارتباطات وجود دارد محدود است. از اینرو جای شگفتی نیست که وظیفه مدیریت در امور دستیابی به مدار و استفاده از فرکانسها برای انواع روز افزون و متنوع کاربردهای زمینی و ماهواره‌ای بوسیله شمار روز افزونی از کشورها بی‌نهایت دشوار شده است. از سویی استفاده از ماهواره‌ها در کشورهای متمدن و پیشرفته به عملکرد دقیق و عملیات روز به روز دقیقتر نه تنها از نظر بکار گیری شیوه خودشان ، بلکه از نظر همسایگانشان در مدار همزمان با زمین نیاز می‌باشد.

برخی از ماهواره‌ها نیز در مدار ناهمزمان با چرخش زمین (non - geosynchronous) قرار داده می‌شوند. در ماهواره‌های ناهمزمان با مدار زمین ، ماهواره دیگر در دید ایستگاه زمینی نیست، زیرا که سطح افق زمین را پشت سر می‌گذارد و از دیدرس خارج می‌شود. در نتیجه برای اینکه ارسال همواره ادامه یابد به چندین ماهواره از این نوع نیاز است و چون نگهداری و ادامه کار چنین شیوه ارتباطی بسیار پیچیده و گران است، لذا کاربران و متخصصان طراحی ماهواره‌ها بیشتر جذب ماهواره همزمان با زمین می‌شود.


فرکانسهای بالای فرکانس مایکروویو چه نوع فرکانسهایی هستند؟
با کشف لیزر برای نخستین بار آن قسمت از محدوده فرکانسی که بالاتر از باند فرکانسهای مایکروویو بودند به منظور حمل پیامهای بی‌سیم در نظر گرفته شدند. پرتو های لیزری تحت تأثیر عواملی مانند مه - غبار — خرابی وضع هوا و روزهای بسیار داغ به شدت ضعیف می‌شوند. اگر چه لیزر برای حمل اطلاعات تا مسافتهای کوتاه خط ارتباطی بسیار عالی ایجاد می‌کند، ولی چون پرتو لیزر خاصیت هدایت شونده بالایی دارد باز داشتن یا سد کردن آن بسیار دشوار است. این امر سبب می‌شود برای ارتش و بعضی از مقاصد نظامی که شیوه‌های آنها باید دارای حفظ اسرار باشد بسیار سودمند است. در ضمن دستگاه لیزر برای کاربردهای ارتباط سیار از سبکی و قابلیت حمل خوبی برخوردار است.

برخلاف امواج رادیویی ، امواج نوری را نمی‌توان با ایجاد جریانهای متناوب در سیمها تولید کرد. آنها تنها با فرآیند‌هایی که داخل اتم روی می‌دهد بوجود می‌آیند. فناوری تار نوری مشابه موج رسان فلزی مایکروویو برای پرتو تابانی الکترومغناطیسی در ناحیه نور مرئی تعریف شده است. این شیوه بطور کلی شامل رشته‌ای شیشه‌ای با نازکی موی انسان است که از هدر رفتن انرژی نور در مسافت طولانی جلوگیری می‌کند. همچنین بر خلاف پرتوی نور معمولی پرتوی نور لیزری تکفام است، یعنی فقط دارای یک فرکانس تنها است. پرتوی لیزر دارای گستره پهن فرکانس است که خاصیت گسیختگی نور را ندارد، به همین دلیل آنها را می‌توان دقیقا به همان طریق که با فرکانسهای مایکروویو تعدیل می‌شوند و تغییر نوسان می‌دهند را با پیامهای تلفنی و اطلاعات و علائم تصویری تعدیل کرد.

به هر حال چون فرکانس آنها خیلی بالاتر است به تناسب آن می‌توان تعداد بیشتری از امواج و کانالها را انتقال دهند. بطور کلی مقایسه بین شیوه‌های مختلف ارسال امکان پذیر می‌باشد. روابط بین فرستنده و گیرنده خواه انتشار از روی سیم و خواه از هوا به نوع ساخت شیوه ارتباطی بستگی دارد و به همین ترتیب باند به فرکانس بکار رفته به شرایط حل مسأله ارتباطاتی وابسته است. بیشتر فرکانسهای در دسترس را مقررات ملی و توافقهای بین المللی تعیین می‌کنند. اگر چه تصمیمات مربوط به شیوه‌ها و نحوه ارسال امری فنی به شمار می‌آید، ولی در اکثر اوقات ملاحظات سیاسی آن را در بر می‌گیرد

 

 

شاید trilateration کمی پیچیده و سخت به نظر برسد، اما در واقع کاری بسیار ساده است. تصور کنید فردی به شما بگوید ۳۶۰ کیلومتر تا کرمان، ۷۲۰ کیلومتر تا بندرعباس و ۳۵۵ کیلومتر تا اصفهان فاصله دارید. با این اطلاعات شما می توانید روی نقشه مشخص کنید که در کدام شهر هستید که چنین فاصله ای از تمام این نقاط دارد.
نارنجی: ما اکنون هم در آینده زندگی می کنیم. دقت کرده اید که شما هر لحظه برای پیدا کردن موقعیت تان در هر نقطه دنیا تنها کافی است نگاهی به یک ابزار کوچک در کف دست تان بیندازید. فرقی ندارد که در وسط دریا باشید، میان صحرا باشید. مشغول گشت و گذار در جنگل های آمازون هستید یا اینکه در آسمان ها پرواز می کنید. دیگر لازم نیست که با ستارگان مسیرتان را بیابید یا اینکه نقشه خوانی و کار با قطب نما را آموزش ببینید.

تقریبا تمامی ابزارهای کوچک همراه شما با ارتباط سریع و رایگان ماهواره ای می توانند مختصات دقیق تان را در هر نقطه ای از کره زمین مشخص کنند. اما آیا تا کنون اندیشیده اید که ابزاری همگانی و به ظاهر ساده همچون GPS چگونه کار می کند؟

در واقع ابزارهای مجهز به GPS با ماهواره ها ارتباط برقرار نمی کنند و اطلاعاتی برای آنها ارسال نمی کنند. بلکه تنها به دریافت اطلاعات از ماهواره می پردازند. اطلاعاتی که دائما در حال ارسال توسط ماهواره است. و البته GPS تنها شیوه ای نیست که ابزارهای همراه می توانند موقعیت شما را تشخیص دهند.

به گمانم شما هم کنجکاو شده اید و سوالات زیادی در ذهن تان شکل گرفته است. پس در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید تا بیشتر به این موضوع پرداخته و شیوه کار GPS را مورد بررسی قرار دهیم.

از ماهواره ها تا کف دست شما

سیستم موقعیت یاب جهانی GPS توسط ایالات متحده آمریکا و با مقاصد نظامی تولید گردید، اما سرانجام استفاده از آن برای غیرنظامیان هم آزاد اعلام شد. حداقل ۲۴ ماهوراه GPS به صورت دائمی در مدار اطراف زمین در حال گردش بوده و مرتبا داده های لازم را به سمت زمین ارسال می کنند.

این ماهواره ها به صورتی در مدار قرار گرفته و نظم داده شده اند که همواره و در هر نقطه ای از زمین حداقل ۴ ماهواره در آسمان قابل مشاهده و در دسترس باشند. البته شما با چشم نمی توانید آنها را ببینید اما یک ارتباط رادیویی مستقیم میان محل قرارگیری شما با آنها وجود دارد. به همین دلیل است که برای استفاده از جی پی اس شما باید یک ارتباط بدون واسطه و مستقیم با آسمان بالای سرتان داشته باشید. و معمولا موانعی همچون ساختمان ها و تونل ها می توانند باعث قطع این سیگنال ها شوند.

ماهواره های GPS دائما در حال مخابره سیگنال های رادیویی به سمت زمین هستند. هر یک از این اطلاعات مخابره شده شامل موقعیت جغرافیایی ماهواره جی پی اس و زمان ارسال سیگنال است. هر ماهواره هم دارای یک ساعت اتمی درونی بوده و لذا زمان مخابره شده بسیار دقیق است.

جی پی اس چگونه موقعیت شما را مشخص می کند؟

یک دستگاه با جی پی اس داخلی (خواه یک جی پی اس ویژه ماشین یا یک اسمارت فون)‌ تنها به عنوان یک گیرنده GPS عمل می کند. در واقع دستگاه جی پی اس به هیچ عنوان برای تعیین موقعیت شما با ماهواره ها ارتباطی برقرار نمی کند. بلکه فقط به سیگنال های رادیویی که از سوی ماهواره ها در حال ارسال هستند، گوش می دهد.

یک گیرنده جی پی اس سیگنال های ارسالی توسط حداقل ۴ یا تعداد بیشتری از ماهواره ها را دریافت می کند. سیگنال ماهواره های نزدیک تر، زودتر دریافت می شوند. در حالی که سیگنال ماهوراه های دورتر، زمان بیشتری برای دریافت لازم دارند. البته این تفاوت زمانی بسیار کم است. اما بسته به موقعیت دستگاه گیرنده شما می تواند کمی طول بکشد.

با مقایسه میان زمانی که سیگنال ارسال شده و زمانی که سیگنال توسط دستگاه شما دریافت شده است، گیرنده می تواند مسافت تقریبی شما را از هر ۴ ماهواره تخمین بزند. سپس با trilateration یا سه جانبه گیری، گیرنده موقعیت دقیق خودش و در نتیجه شما را بر روی کره زمین مشخص می کند!

شاید trilateration کمی پیچیده و سخت به نظر برسد، اما در واقع کاری بسیار ساده است. تصور کنید فردی به شما بگوید ۳۶۰ کیلومتر تا کرمان، ۷۲۰ کیلومتر تا بندرعباس و ۳۵۵ کیلومتر تا اصفهان فاصله دارید. با این اطلاعات شما می توانید روی نقشه مشخص کنید که در کدام شهر هستید که چنین فاصله ای از تمام این نقاط دارد. و اگر به جای ۳ شهر به شما نام و فاصله با ۴ شهر را بگویند، این تخمین و پیدا کردن جای تان روی نقشه می تواند دقیق تر گردد. این همان کاری است که در هر بار استفاده شما از گیرنده جی پی اس، این دستگاه با دقت بسیار بالا انجام می دهد.

جایگزین های GPS

البته ماهواره جی پی اس تنها راهی نیست که ابزارهای همراه ما برای تخمین موقعیت فعلی مان از آن بهره می برند. بسیاری از اسمارت فون های امروزی از شیوه trilateration و اطلاعات توان دکل های مخابراتی هم برای پیدا کردن موقعیت استفاده می کنند. در این شیوه هم از تفاوت میان قدرت سیگنال های دریافتی از هر یک از دکل های مخابراتی اطراف تلفن همراه، زمان دریافت سیگنال از هر دکل و همچنین زاویه قرار گیری شما نسبت به آن دکل برای تخمین موقعیت فعلی تان استفاده می شود. البته دقت این روش به اندازه استفاده از ماهواره نیست، اما هنگامی که سیگنال های دریافتی ضعیف باشند و یا اینکه در فضای سرپوشیده باشید، کاربرد فراوانی دارد.

شیوه دیگر هم که در برخی از ابزارها و اسمارت فون های جدید استفاده می شود، بهره گیری از سیستم موقعیت یابی بر پایه WiFi یا WPS برای تعیین موقعیت مکانی است. ماشین های گوگل استریت که در گوشه و کنار دنیا مشغول رانندگی و ضبط تصاویر هستند، همزمان نام اکسس پوینت و مودم های وای فای اطراف خودشان، به همراه قدرت سیگنال هر یک را بر روی موقعیت های درون نقشه ثبت می کنند. علاوه بر این گوگل هر زمان که بتواند، اطلاعات دریافتی از اسمارت فون های متصل به شبکه های وای فای را که همزمان از شبکه موبایل یا جی پی اس استفاده کرده اند به سرور های خود اضافه می کند.

آنگاه هنگام استفاده از خدمات گوگل استریت و گوگل مپز بر روی موبایل تان، اسمارت فون شما به اسکن شبکه های بیسیم اطراف می پردازد. سپس لیستی از نام ها و قدرت سیگنال را به سرورهای گوگل می فرستد. گوگل با استفاده از پایگاه داده های خود و اطلاعات از قبل ثبت شده می تواند تخمین بزند که شما در نزدیکی کدام شبکه بیسیم قرار دارید، لذا به درستی موقعیت فعلی تان را تشخیص می دهد. این سیستم حتی در مکان های داخلی و سرپوشیده که جی پی اس جوابگو نیست هم نسبتا خوب عمل می کند.

البته سیستم GPS تنها شبکه ماهواره ها نیست که می تواند برای تشخیص موقعیت مورد استفاده قرار گیرد. روسیه سیستم اختصاصی خود با نام GLONASS را در اختیار دارد و چین هم سیستم خود با نام BDS را راه اندازی نموده است. اروپا هم مشغول کار بر روی جایگزین اختصاصی خود برای جی پی اس با نام Galileo است. از آنجایی که کنترل کامل ماهواره های جی پی اس اکنون در اختیار یک کشور است، به نظر می رسد که این چشم و هم چشمی و راه اندازی سیستم های موقعیت یابی اختصاصی روز به روز گسترش بیشتری هم پیدا کند.

جی پی اس به خودی خود یک تهدید و نگرانی از نظر حریم خصوصی به شمار نمی رود. برای مثال اگر شما یک دستگاه جی پی اس قدیمی روی ماشین تان داشته باشید، این ابزار اصلا قادر نخواهد بود که موقعیت شما را برای کسی مخابره و ارسال کند. اما هنگامی که جی پی اس با تکنولوژی های انتقال اطلاعات ادغام می شود می تواند یک مشکل بالقوه برای حریم خصوصی به شمار برود.

ابزارهای ردیاب GPS تنها از یک گیرنده جی پی اس استفاده نمی کنند، بلکه آنها اطلاعات جی پی اس را درون خود جمع آوری کرده و سپس آنها را از طرق گوناگون از جمله شبکه موبایل، ارتباط ماهواره ای یا حتی شبکه های اینترنت وای فای انتقال می دهند. و البته موبایل های امروزی به راحتی می توانند توسط سازندگان دستگاه و یا حتی برنامه نویسان خبره، اطلاعات جی پی اس شما را از طریق اینترنت به هر نقطه ای از دنیا مخابره کنند.
آیفون و آی پد حرکات شما را زیر نظر دارند

چرا سرعت اتصال جی پی اس در اسمارت فون های جدید بیشتر است؟

در واقع این به دلیل همان نیروی کمکی اسمارت فون های جدید است که این گونه سریع جی پی اس آنها را راه می اندازد. اگر دقت کرده باشید، اغلب اسمارت فون های جدید از A-GPS یا Assisted GPS بهره می برند. در اینجا شما با یک جی پی اس استاندارد سر و کار دارید که به شبکه سلولار یا همان شبکه موبایل منطقه ای تان هم متصل است و دسترسی دارد.

یکی از روش های افزایش کارایی توسط A-GPS، فراهم کردن سرعت بسیار بیشتر time to first fix یا TTFF برای گیرنده جی پی اس است. این اصطلاح در گیرنده های جی پی اس به مدت زمان لازم به دریافت اولین سیگنال، آماده سازی داده ها و محاسبه موقعیت گفته می شود. A-GPS با دریافت و ذخیره اطلاعات لازم در خصوص موقعیت ماهواره ها ( almanac ) از طریق شبکه های موبایل، باعث می شود که هنگام انجام TTFF، دانلود اطلاعات زیاد از طریق ماهواره لازم نباشد و سرعت اتصال بالا رود.

اگر دقت کرده باشید هنگام باز کردن گوگل مپز روی اسمارت فون تان، ابتدا یک دایره بزرگ موقعیت شما را نشان می دهد و آنگاه با استفاده از موقعیت دکل های مخابراتی و ماهواره های جی پی اس، این دایره کوچک تر شده و تخمین دقیق تری از مکان شما به نمایش در می آید. 

 

جی پی اس چیست و چگونه کار می کند ؟

 

جی‌پی‌اس,جی پی اس چیست,جی‌پی‌اس چگونه کار می کند

جی پی اس چیست و چگونه کار می کند ؟
جی‌پی‌اس یا سیستم موقعیت‌یاب جهانی (Global Positioning Systems)، یک سیستم راهبری و مسیریابی ماهواره‌ای است که از شبکه‌ای با حداقل ۲۴ ماهواره تشکیل شده است. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده‌اند. جی‌پی‌اس در ابتدا برای مصارف نظامی تهیه شد ولی از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی آن آزاد و آغاز شد.
خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام شبانه‌روز در دسترس است و استفاده از آن رایگان است.
علاوه بر جی‌پی‌اس، دو سیستم کمابیش مشابه دیگر نیز وجود دارد: سیستم گلوناس که دولت شوروی ساخته و اکنون به‌دست کشور روسیه اداره می‌شود و سیستم گالیله که کشورهای اروپائی آن را برای وابسته نبودن به سیستم آمریکائی جی‌پی‌اس ساخته اند.
قطب نماهایی که با نیروی مغناطیسی زمین جهت یابی می‌‌کنند، به تدریج جای خود را به گیرنده‌های جی‌پی‌اس خواهند داد؛ جی‌پی‌اس، سامانه‌ای است که به کمک گروهی از ماهواره‌ها جهت یابی می‌‌کند. ماهواره‌هایی که هرکدام در مدارهای خود به دور زمین در گردشند؛ این ماهواره‌ها با ایستگاه‌های ویژه‌ای بر روی زمین در تماس اند و همواره موقعیت آن‌ها در فضا مشخص است. دستگاه گیرندهٔ جی‌پی‌اس شما، با ارتباط با تعدادی از این ماهواره ها، فاصلهٔ شمارا تا آن‌ها تعین می‌‌کند و سپس موقعیت دقیق شما روی زمین بدست می‌‌آید.
در واقع اساس کار این سامانه، فرستادن سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بالا و به طور پیوسته است که زمان و مکان ماهواره را نسبت به زمین مشخص می‌‌کند و یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس روی زمین، با گرفتن این اطلاعات از سه ماهواره یا بیشتر، آن‌ها را پردازش می‌‌کند و موقعیت کاربر را در هر نقطهٔ زمین، در هر ساعتی از شبانه روز و در هر وضعیت آب و هوایی به او نشان می‌‌دهد.
با چندین اندازه گیری متعدد، گیرنده به محاسبهٔ سرعت، مدت زمان سفر، فاصلهٔ شما تا مقصد، مختصات جغرافیایی (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا)، زمان طلوع و غروب خورشید و ماه (در تقویم نجومی)، تعداد ماهواره ها، زمان محلی و ... می‌‌پردازد و آن را در اختیار کاربر قرار می‌‌دهد. به طور میانگین، هشت ماهواره از 24 ماهواره، در اطراف هر نقطه از کرهٔ خاکی که باشید در آسمان گشت می‌‌زنند.
هرچه گیرندهٔ شما به ماهواره‌های بیشتری وصل شود، اطلاعات دقیق تری را برای شما محاسبه می‌‌کند. جی‌پی‌اس، در ابتدا تنها استفادهٔ نظامی داشته است، ولی از سال 1980 به بعد تصمیم گرفته شد تا از آن در فعالیت‌های غیر نظامی هم استفاده شود ؛ تا جایی که امروزه حتی در ماهی گیری و شکار هم مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. این ماهواره‌ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده‌اند.

 جی‌پی‌اس,جی پی اس چیست,جی‌پی‌اس چگونه کار می کند

 سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS متشکل از 24 ماهواره است 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 با دو فرکانس درباند امواج الکترومغناطیسی (L1, L2 ) ارسال می کند موج L1 با فرکانس1575 MHZ  و موج L2 با فرکانس1227 MHZ  می باشد.
ماهواره‌های جی پی اس
۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس در مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقاً طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تأمین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.
در اینجا به برخی مشخصه‌های جالب این سیستم اشاره می‌‌کنیم:
* اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
* در سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددی NAVSTAR تکمیل گردید.
* عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است که پس از آن جایگزین می‌گردد.
* هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد و طول باتری‌های خورشیدی آن ۵.۵ متر است.
* انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است.
جی‌پی‌اس چگونه کار می‌کند
ماهواره‌های این سیستم، در مدارهای دقیق هر روز ۲ بار به‌دور زمین می‌‌گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می‌کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس این اطلاعات را دریافت کرده و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق گیرنده را نسبت به زمین محاسبه می‌کنند. در واقع گیرنده زمان ارسال سیگنال از ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می‌‌کند. از اختلاف این دو زمان، فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می‌‌گردد. این عمل را با داده‌های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می‌کند و بدین ترتیب محل دقیق گیرنده را با تقریب ناچیز معین می‌‌کند.
گیرنده به دریافت اطلاعات هم‌زمان از حداقل ۳ ماهواره برای محاسبه ۲ بعدی و یافتن طول و عرض جغرافیایی، و همچنین دریافت اطلاعات حداقل ۴ ماهواره برای یافتن مختصات سه بعدی نیازمند است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره‌ها گیرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیرپیموده شده، فواصل طی شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر، می‌نماید.
امواج ماهواره ها متشکل ازامواج حامل باند L مدوله شده با یک کداستاندار کد (C/A2ویک کد دقیق (کد P(3) ویک کددریانوردی ومختصات ماهواره به صورت توابع زمانی می باشد که دربر آن گیرنده های شخصی تفاوتهای زمانی بین وردوی کدهای C/A را اندازه گیری میکنند اگردراثر دخالت کنترل زمینی درانطباق زمانی خطایی بوجود نیاید گیرنده های شخصی ازدقتی حدود 15 متر برخوردار خواهند شد.
مفهوم کلی ناوبری رادیویی بستگی به انتقال همزمان سیگنالهای رادیویی دارد اگر سیگنالهای رادیویی دقیقاً بطورهمزمان بطور فرستاده نشوند گیرنده نمی تواند بطوردقیق موقعیت را محاسبه نماید کنترل زمینی دراثر تاثیرگذاری بعضی ازماهواره ها درارسال سیگنال های C/A کمی قبل یا بعداز سایر ماهواره ها دخالت می کند دخالت عمدی اصلی , هما ن دسترسی موردی (4) به شمار می رود .
گیرنده های شخصی میزان خطا را تشخیص نمی دهند. بلکه بطورتصادفی بین 15تا 100 متر دقت تغییر می یابد .البته دخالت عمدی برروی گیرنده های نظامی اثر نمی گذارد .
منبع خطای دیگر وجود که برروی فرکانس سیگنال گیرنده های شخصی اثرمی گذارد که دخالت یونسفر نامیده می شود .
زمانی که یک سیگنال رادیویی ازبین الکترونها ی آزاد یونسفر عبورمی کند تاخیر اندکی بوجود می آید برحسب مدت زمانی تاخیر که بوسیله الکترون های آزاد بوجود می آید ماهواره‌های GPS کدP را روی دوموج رادیویی با فرکانس های مختلف ارسال می کند که L1,L2 نامیده می شود .یک سیگنال به هنگام عبور ازیونسفر بیشتر ازدیگری به تاخیر می افتد.
گیرنده های گران قیمت هردوفرکانس را ردیابی می کنند و اختلاف وردی بین L1,L2  اندازه می گیرند مدت زمان تاخیری را محاسبه می کنند که الکترونها ی آزاد ی بوجود می آورند وتصحیحات لازم را برای تاخیر یونسفر انجام می دهند. گیرنده های شخصی نمی توانند تاثیر دخالت یونسفر را تصحیح کنند زیرا کدهای C/A فقط برروی فرکانس L1 فرستاده می شوند نوعی گیرنده های تخصصی وجوددارد که به عنوان گیرنده های بدون کدشناخته شده اند ودقت فوق العاده ای دارند که درآن بطورغیرمستقیم ازکد P استفاده می شود گیرنده ها ارزش کدP را مشابه آنچه که گیرنده های نظامی تشخیص می دهند نمی شناسند بنابراین دقت آنها با استفاده ازروش های خاص پردازش سیگنال بدست می آید آنها کد P رابرای چندروز دریافت کرده وپردازش می نمایند وپس از انجام محاسباتی چندمی توانند موقعیت نقاطی را تهیه کند که با دقت mm 10 با استفاده از3یا4 ماهواره عملی می باشد .
البته این گیرنده بیشتر برای تعیین  موقعیت درکارهای نقشه برداری بکار می رود زیرا بایدچند روزبطور مداوم درآن نقطه اطلاعات دریافت و پردازش شود.
روش تعیین موقعیت توسط GPS
اگرفاصله ما ازماهواره 1 درحدود 10 کیلومتر باشد بنابراین مکان ما درفضا برمحیط کرده به مرکزیت ماهواره اوشعاع 10 کیلومتر منطبق می باشد حال فرض می کنیم فاصله ما ازماهواره 20 درحدود 11 کیلومتر باشد دراین حالت نیز مکان ما درفضا برروی محیط کره ای به مرکز ماهواره 2 وشعاع 11 کیلومتر واقع  است فصل مشترک این دوکره می تواند یک دایره باشد که مکان ما بطورقطع برروی محیط این دایره قراردارد .
حال اگر ماهواره سوم را نیز درنظربگیریم که فاصله اش با ما 12 کیلومترباشد دراین صورت فصل مشترک کره مربوط به ماهواره 3 با فصل مشترک کره های ماهواره ای 1و2 حداکثر دونقطه می باشد که قطعاً یکی ازاین دو مبین مکان واقعی ما خواهد بود.اما بطورقطعی یکی از این دو نقطه نامعقول می باشد .
بطورمثال دارای ارتفاع بیشتری از سطح زمین است . لذا کامپیوترهای داخل گیرنده هایGPS با استفاده ازتکنیک های گوناگون قادر به تشخیص نقطه غلط می باشند.
ازنظر تئوری با استفاده از3 ماهواره می توانیم مکان خودرا به دست آوریم ولی به دلیل فنی اگرچنانچه ماهواره چهارم را همانند ماهواره های 1و2 انتخاب کنیم بطورقطع فصل مشترک این چهار کره یک نقطه خواهد بود واین نقطه مختصات مکانی مارا نشان می دهد استفاده کنندگانی که درارتفاعی مششخص قراردارند (مانندکشتی هایی که درسطح دریا واقع باشند)به سهولت میتوانند با استفاده ازدوماهواره مکان خودرا تعیین نمایند .
دراین حالت کره زمین را می توان جایگزین ماهواره سوم کردوازیک مرحله محاسبه مسافت صرفنظر نمود بدین ترتیب این فرصت جهت انجام سایرمحاسبات قابل بهره برداری بوده وعملاً مکان یابی افزایش می یابد. 
بطورخلاصه می توان بیان کرد که مبنای کار GPS استفاده ازماهواره به عنوان مرجعی جهت یافتن موقعیت درهرنقطه زمین می باشد سایر مسایل این سیستم صرفاً جزئیات تکنیکی هستند که به سرعت و دقت وسهولت عمل موقعیت یابی کمک می کند.
روش محاسبه مسافت ازماهواره
درسیستم موقعیت یاب جهانی GPS قدم اساسی دانستن میزان مسافت ازماهواره است بنابراین استفاده ازتکنیک های پیشرفته به منظور محاسبه مسافت امری اجتناب ناپذیر است ایده اصلی این موضوع براساس همان معادله سرعت نوردرمدت زمان تاخیراستواراست سیستم GPS بدین صورت کارمی کند که گیرنده کاربر مدت زمانی را که طول میکشد تا امواج رادیویی ازماهواره به اوبرسد را اندازه گیری می کند.
همانطورکه می دانید امواج رادیویی با سرعت نورحرکت می کند وبدین ترتیب با حاصلضرب اندزه گیری شده درسرعت نور مسافت خود را تاماهواره بدست می‌آورد و این کارحداقل بایستی برای 3 ماهواره مشخص، صورت گیرد بنابراین باید برای اندزه گیری زمان رسیدن به سیگنال ازساعتهای خیلی کوتاه باشند زیرا امواج با داشتن سرعت نورخیلی سریع حرکت می کنند.
مثلاً اگرماهواره ای دقیقا دربالای سرما باشد حدود 60 میلی ثانیه طول می کشد تا امواج رادیویی آن به ما برسد دقت ساعت گیرنده های GPS حدود نانو ثانیه می باشد. یک اختلاف زمانی بین کپی کدGPS ایجاد شده دربرگیرنده بااصل کد رسیده ازماهواره وجود دارد که با ضرب کردن آن درسرعت نور, شبه فاصله به دست می آید این روش با هردو کد A/C,P امکان پذیرهستند .
کدهای تولیدشده دربرگیرنده ازساعت خودگیرنده منتج می شوند وکدهای ارسالی ماهواره نیز توسط ماهواره ایجاد میشود .
خطای زمانی درهردوساعت گیرنده وماهواره باعث می شود که فاصله اندازه گیری شده با فاصله هندسی بین ماهواره و گیرنده فرق داشته باشد  این ساعتها بسیار دقیق وگران قیمت می‌باشند وماهواره ها جهت قابلیت اطمینان بیشتر دارای 4 ساعت اتمی هستند ولی در گیرنده ها به دلیل گران قیمت بودن این ساعتها نمی توان ازآنها استفاده نمود لذا ازساعتهای ارزانتری استفاده می شود که درعمل ایجاد اختلاف جزئی دراندازه گیری زمان می نمایند .البته با استفاده از راه حلهایی تصحیح صورت می گیرد:
مزایای سیستم GPS
× دقت بسیارزیاددرموقعیت یابی
× داشتن پوشش جهانی
× دارا بودن زمان بندی دقیق
× نداشتن هیچ گونه هزینه برای استفاده کنندگان
× تعیین سرعت درسه محور مختصات
× قابلیت دسترسی همیشگی
× قابلیت کاربردی در هرشرایط آب وهوایی
× عدم محدودیت دربکارگیری همگانی
× دقت نسبی IPPM برای طولهای کوتاه از1 تا 100 کیلومتر.
× تعیین سرعت درسه محور , زمان , تعیین فاصله سمت وگرای ونقطه مبداء .مقصود
× توانایی دید همزمان با یک گیرنده
ماهواره ابتدا اطلاعات وداده های ناوبی رابه پنج ایستگاه کنترل که درمناطق کلردواسپرینگ(5) کو آجالین (6) دیه گوگارسی)(7) آسنشن(8) و هاوایی (9) قراردارند ارسال می کند که درواقع این سیگنال ها ماهواره ها را ردیابی (10) می کنند.
سپس این ایستگاهها اطلاعات خودرا به ایستگاه کنترل ماهواره (ایستگاه اصلی که همان کلرادواسپرینگ می‌باشد) ارسال کنند که وظایف آن پردازش داده ها ارسال به ماهواره و نظارت برکنترل روزانه ماهواره است سپس این داده ها به سه آنت زمینی دیگر ارسال می شود که توسط این آنتها اطلاعات کنترل شده به ماهواره جهت تصحیح جهت ساعت ماهواره وفرامین ودستورات تله منزی ارسال می شود به این کار اصطلاحاً ataupload شدن ماهواره گفته می شود.
ماهواره‌های جی پی اس
۲۴ عدد ماهواره جی‌پی‌اس در مدارهایی بفاصله ۲۴۰۰۰ هزار مایل از سطح دریا گردش می‌کنند. هر ماهواره دقیقاً طی ۱۲ ساعت یک دور کامل بدور زمین می‌‌گردد. سرعت هریک ۷۰۰۰ مایل بر ساعت است. این ماهواره‌ها نیروی خود را از خورشید تأمین می‌کنند. همچنین باتری‌هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می‌کنند به‌همراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره‌ها را در مسیر صحیح نگاه می‌دارد. به این ماهواره‌ها NAVSTAR نیز گفته می‌شود.
در اینجا به برخی مشخصه‌های جالب این سیستم اشاره می‌‌کنیم:
* اولین ماهواره جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ یعنی حدود ۳۵ سال پیش در مدار زمین قرار گرفت.
* در سال ۱۹۹۴ شبکه ۲۴ عددی NAVSTAR تکمیل گردید.
* عمر هر ماهواره حدود ۱۰ سال است که پس از آن جایگزین می‌گردد.
* هر ماهواره حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد و طول باتری‌های خورشیدی آن ۵.۵ متر است.
* انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از ۵۰ وات است.
 این بخش همان بخش ماهواره های موجود درفضا می باشد این ماهواره ها سیگنالهایی با مشخصات ذیل ارسال می کند دونوع اطلاعات مربوط به محاسبه نقاط عبارتند از:
 1-اطلاعات تقویم نجومی مربوط به موقعیت تقویمی ماهواره ها می باشد با دریافت این اطلاعات سیستم گیرنده GPS ماهواره‌هایی که بهترین اطلاعات را ارسال می کنند تشخیص می دهد و انتخاب می کند( ازنظر موقعیت هندسی)
2) اطلاعات جدول نجومی برای عملیات ناوبری استفاده می شود و بسیار دقیق است این جداول نیز حاوی مختصات مکانی دقیق ماهواره ای GPS و زمان ساعت ماهواره ها می‌باشد.
دوکدC/A, P دقیق است و مربوط به مسائل نظامی است وکد C/A استفاده عمومی دارد و دقیق نمی باشد ماهواره GPS اطلاعات مذکور را توسط سیگنالهای با فرکانس 1575HZ )L1 و (1227GHZ)  L2 ارسال می کنند هرماهواره دارای آنت هلیکس 12 آراه است قدرت  سیگنال روی آنتن برای سیگنال dbLI 58 . برای سیگنال dbL2 /35 می باشد و قدرت آنت ماهواره بصورت ایزو تدوپیک حداقل db 50 می باشد کدهای C/A,P ازتنوع کدهای شبه تصادفی (13) هستند .
انواع گیرنده‌های جی‌پی‌اس
گیرنده‌های جی‌پی‌اس انواع گوناگونی دارند و انتخاب هرکدام از آن‌ها بستگی به موارد استفادهٔ شما دارد؛ برای نمونه این که می‌‌خواهید در داخل خودرو آن را نصب کنید یا اینکه آن را در کوله پشتی خود قرار دهید گزینه‌های متعددی را پیش روی شما می‌‌گذارد.
گیرندهٔ بیسیک جی‌پی‌اس _ بیسیک: این گیرنده‌ها در واقع از ساده‌ترین و کم قیمت‌ترین گونه‌ها هستند (اغلب کمتر از $100 us) یک گیرندهٔ بیسیک (پایه) می‌‌تواند بسیار دقیق تر از گیرنده‌های گران قیمت باشد، اما باید این مساله را هم در نظر داشت که این گیرنده‌ها بسیاری از ویژگی‌های دستگاه‌های گران قیمت را ندارند. ویژگی قابل توجهی که کمبود آن بیشتر حس می‌شود، نداشتن قابلیت نقشه برداری یا Mapping است که بعدا شرح داده خواهد شد. در زیر تعدادی از امکانات این گیرنده‌های ساده آمده است:
- موقعیت یابی؛ تعیین طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی که در واقع ویژگی اصلی یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس است.
- تعیین جهت؛ با یک قطب نما ی الکترونیکی. 
- تعیین ارتفاع از سطح دریاهای آزاد؛ البته باید توجه داشت که دقت در اندازه گیری ارتفاع به خوبی دقت در موقعیت یابی نیست. 
- زمان دقیق. 
- موقعیت ماهواره‌ها و قدرت سیگنال ها. 
- توانایی محاسبهٔ مسافت پیموده شده. 
- توانایی ذخیره سازی مسیر پیموده شده ؛ که با استفاده از نقطه گذاری در صفحهٔ نمایشگر انجام می‌شود. 
- توانایی هدایت و مسیر یابی.
- یافتن مسیری که در گذشته آن را پیموده اید.
• گیرنده‌های دستی جی‌پی‌اس _ نقشه بردار: همانطور که از نام این گیرنده بر می‌‌آید گیرندهٔ نقشه بردار از قابلیت نمایش نقشه برخوردار است. این گیرنده‌ها ابعاد بزرگ تری نسبت به گیرنده‌های قبلی دارند. با اتصال این گیرنده به یک رایانه شخصی نقشهٔ دلخواهتان را به گیرنده می‌‌دهید. جزئیات نقشه نیز بستگی به اندازه و نیز رزولوشن نمایشگر دارد. این گیرنده‌ها فشارسنج، قطب نمای الکترونیکی، بازی و سالنامه هم دارند. اگرچه این گیرنده‌ها باید خیلی گران قیمت تر از نمونهٔ قبلی باشند، ولی افزایش قیمت نسبتاً کمی دارند و افزودن یک نمایشگر بزرگ تر برای شرکت تولید کننده هزینهٔ زیادی را در بر ندارد. قیمت این گیرنده‌ها از 150 دلار آمریکا شروع می‌شود. نقشه‌هایی که قابلیت بار کردن (upload) داشته باشند در یک سی‌دی قرار دارند که در هنگام خرید دستگاه به شما داده می‌شود. با استفاده از نصب نرم افزار نقشه در رایانه شخصی خود می‌‌توانید به انتخاب یک یا چند مسیر بپردازید و بعد از علامت گذاری نقشه آن را به گیرندهٔ نقشه بردار خود بدهید. ولی در این میان باید توجه کرد که دستگاه‌های دستی، ظرفیت محدودی دارند و تنها مقدار مشخصی از اطلاعات را می‌‌توانید در آن‌ها ذخیره کنید. مدل‌هایی از این گیرنده‌ها وجود دارند که می‌‌توان به آن‌ها کارت حافظه اضافه کرد (که معمولاً از حافظهٔ SD یا از حافظهٔ CF استفاده می‌شود). پس اگر به ذخیرهٔ مقدار بیشتری از اطلاعات نیاز دارید به یک کارت حافظه هم احتیاج پیدا می‌‌کنید. یک دستگاه پی‌دی‌ای
• گیرنده‌های جی‌پی‌اس برای خودرو: این گیرنده‌ها بزرگ تر از گیرنده‌های دستی هستند و نمایشگری نسبتاً بزرگ دارند تا راننده در هنگام رانندگی به سادگی آن را بخواند. این گیرنده‌ها با استفاده از برق خودرو کار می‌کنند و بنابراین تنها در داخل خودرو قابل استفاده هستند. ویژگی جالبی که معمولاً در این دستگاه‌ها وجود دارد، راهنمایی‌های صوتی دستگاه است و به راننده اجازه می‌‌دهد بدون اینکه چشم خود را از جاده بردارد، با گوش دادن به صدای دستگاه طبق نقشه پیش برود. قیمت این دستگاه از 500 دلار آمریکا شروع می‌شود. بسیاری از کارخانه‌های تولید خودرو با سفارش مشتری، یک دستگاه جی‌پی‌اس بر روی خودروهای فروشی خود نصب می‌‌کنند. آن‌ها ثابت هستند و از زیبایی و نیز ایمنی بیشتری برخوردارند. قیمت تمام شدهٔ آن‌ها بیشتر از گیرندهٔ جی‌پی‌اس ای است که بعدا خودتان در خودرو نصب می‌‌کنید.
• گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای یک دستگاه پی‌دی‌ای: برتری استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای (PDA) به‌عنوان یک جی‌پی‌اس، نمایشگری بزرگ است که افزون بر راحتی در مطالعهٔ نقشه، جزئیات بیشتری را نیز قابل مشاهده می‌‌سازد. همچنین همانند جی‌پی‌اس‌هایی که در داخل خودرو نصب می‌‌شوند، می‌‌توانند به صورت صوتی راهنمایی کنند. برای استفاده از یک دستگاه پی‌دی‌ای به‌عنوان جی‌پی‌اس و اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ جی‌پی‌اس چندین راه مختلف وجود دارد:
- استفاده از Sleeve: وسیله‌ای است که با قرار دادن پی‌دی‌ای در آن، عملکردهای متفاوتی را می‌‌توان برای پی‌دی‌ای فراهم ساخت. برای این کار به حافظهٔ CF و یا اسلات PCMCIA هم احتیاج داریم. یک Sleeve می‌‌تواند کارت حافظهٔ اضافی، باتری اضافی، یک دوربین و یک تلفن را به دستگاه شما متصل کند و مهم تر از همه به‌عنوان یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای دستگاه شما عمل کند. همچنین یک اسلات CF دیگر هم برای شما فراهم می‌‌کند که این اجازه را به شما می‌‌دهد تا بتوانید به کارهای دیگری در کنار استفاده از جی‌پی‌اس بپردازید. عملکرد یک Sleeve جی‌پی‌اس درست همانند عملکرد یک CF جی‌پی‌اس است.
- حافظهٔ CF: یکی از حافظه‌های متداول برای پی‌دی‌ای است که می‌‌تواند مستقیما به‌وسیلهٔ اسلات مخصوص CF که در پی‌دی‌ای وجود دارد یا با استفاده از Sleeve به دستگاه متصل شود. یک کارت CF جی‌پی‌اس انتخاب نسبتاً ارزان قیمتی است. ولی مشکلی در اینجا وجود دارد و آن این است که یک CF جی‌پی‌اس به سرعت باتری‌های پی‌دی‌ای شما را مصرف می‌‌کند و باید به فکر چاره باشید.
- بلوتوث جی‌پی‌اس: فن آوری بلوتوث این اجازه را به ما می‌‌دهد ارتباطی بدون سیم را بین چند دستگاه فراهم کنیم. شما می‌‌توانید پی‌دی‌ای خود را در دست گرفته و به گیرندهٔ جی‌پی‌اس ای که در کوله پشتی تان قرار داده اید بصورت بی سیم متصل شوید. استفاده از یک بلوتوث جی‌پی‌اس همچنین برای داخل خودرو بسیار مناسب است چرا که با قرار دادن آن در جلوی داشبورد دید بهتری از آسمان را برای گیرندهٔ تان فراهم می‌‌کنید. o اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ دستی جی‌پی‌اس با استفاده از کابل: به بیشتر گیرنده‌های دستی، کابلی جهت اتصال به پی‌دی‌ای وصل می‌شود. با این روش می‌‌توانید با قیمتی مناسب هم در داخل خودرو و هم در خارج آن از دستگاه موقعیت یاب خود استفاده کنید. دستگاه پی‌دی‌ای با نمایشگر خوب و نسبتاً بزرگی که دارد برای مشاهدهٔ نقشه‌ها مناسب است. 
- اتصال پی‌دی‌ای به گیرندهٔ جی‌پی‌اس خودرو با استفاده از کابل: می‌‌توانید با انتخاب گیرنده‌ها ی موسوم به موشواره (mouse) برای خودرو و یک پی‌دی‌ای از یک جی‌پی‌اس خوب بهره مند شوید. اگر می‌‌خواهید از جی‌پی‌اس خود تنها درون خودرو استفاده کنید، این مورد بهترین انتخاب است. گیرندهٔ موشواره برق خود را از خودرو تأمین می‌‌کند و باتری‌های پی‌دی‌ای شما بیشتر دوام خواهند آورد. همچنین این گیرنده یک کابل دوشاخه (Y) دارد که برق پی‌دی‌ای شما را نیز تأمین می‌‌کند. گذشته از این ها، ویژگی بسیار خوب گیرنده‌های موشواره، حداقل قیمت آن‌ها است.
 • گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای رایانه کیفی (لپ‌تاپ): تقریباً همانند یک گیرندهٔ جی‌پی‌اس برای دستگاه پی‌دی‌ای است با این تفاوت که در اینجا دیگر نیازی به استفاده از Sleeve یا چیزی شبیه به آن نیست. بخاطر داشته باشید که اگر شما بخواهیداز یک CF جی‌پی‌اس به‌عنوان گیرندهٔ لَپ‌تاپ خود استفاده کنید، CF جی‌پی‌اس شما با اتصال مستقیم به لپ‌تاپ از آن بیرون می‌‌زند و بنابراین اگر بخواهید در حالی که روی صندلی خودرو نشسته اید از جی‌پی‌اس هم استفاده کنید ،گیرندهٔ جی‌پی‌اس شما دید خوبی از آسمان نخواهد داشت و به خوبی وضعیتی که گیرنده را مستقیما زیر آسمان قرار می‌‌دهید عمل نخواهد کرد.
اصول کارگیری GPS
وظیفه یک گیرنده GPS درست بعداز روشن شدن آن را می توان بصورت زیر خلاصه کرد.
الف) نرم افزار سیستم بایدبتواند ماهواره های موجود دردید کاربر را تعیین کند و سپس ازبین ماهواره ها , چهار ماهواره را که دارای بهترین آرایش هندسی هستند به منظورمینیمم شدن خطای فاصله  منبعی انتخاب کند.
مل تعیین کابل ماهواره های موجود دردید کاربراغلب توسط اطلاعات قبلی موجود درحافظه خراب نشدنی دستگاه (14) انجام می شود اگرچنین اطلاعات معتبری درحافظه نباشد سیستم باید عمل جستجو را برروی تک تک 24 ماهواره GPS انجام داده ولیستی ازماهواره های در دیدتهیه کند که مسلماً این کاروقت زیادی ازگیرنده را پس ازروشن شدن به خوداختصاص می دهد .
ب) پس ازتعیین 4 ماهواره موردنظر بایدسیگنال آنها را بدست آوریم .این کار با ساختن کدشبه تصادفی نظیر کدماهواره موردنظر درگیرنده وانجام عمل همبستگی با سیگنال رسیده انجام می شود .کد داخلی گیرنده را آنقدر شیفت زمانی می دهیم تا خروجی همبستگی‌ساز ماکزیمم گردد. دراین صورت کد بدلی وکد دریافتی ازماهواره کاملاً سنکرون هستند .به این عمل , جستجوی سیگنال ماهواره درحوزه زمان می گویند:
لازم به ذکراست که بایستی عمل جستجو در حوزه فرکانس نیز انجام شود ازآنجا که ماهواره های GPS درمدار زمین ثابت (ژئو سنکرون)قرار نداشته ونسبت به زمین درحال حرکت هستند وهمچنین چون گیرنده نیز معمولاً روی یک جسم متحرک نظیراتومبیل ویا هواپیما نصب می شود درنتیجه فرکانس دقیق کاربر ارسالی به علت اثر دوپلر ,مشخص نیست پس باید فرکانس کاربر محلی را نیز آنقدر تغییر دهیم تا خروجی همبستگی ساز ازحد آستانه ای بیشتر شود.و نهایتاً فرکانس کاربر نیز با فرکانس دریافتی سنکرون شود .
ج) پس از عمل جستجو وارد مرحله ردیابی سیگنال می شویم دراین مرحله اولاً هدف این است که سیگنال سنکرون تولید شده دربرگیرنده همچنان با سیگنال ماهواره سنکرون بماند این عمل توسط یک حلقه کنترلی خاص تحت عنوان COSTASLOOP که درواقع یک نوع خاص (15) VCO انجام می شود .ثانیاً عملیات دمودلاسیون (16) BPSK سیگنال رسیده اطلاعات ناوبری D(t) و عملیات شبه فاصله سنجی (تعین فاصله کاربر وماهواره توسط زمان انتشار سیگنال ) نیز دراین مرحله انجام شود.
د) مراحل بوت بایدعیناً برای 3 ماهواره دیگر انجام شود. درنهایت چهار شبه فاصله که ازمراحل فوق محاسبه شده است دراختیار داریم . حال نرم افزار گیرنده بایدبتواند به کمک این چهارشنبه فاصله یک دستگاه چهار معادله وچهار مجهول را حل کند واین معادلات طول وعرض جغرافیایی, ارتفاع وهمچنین زمان دقیق را بدست آورد ازمراحل چهارگانه فوق مراحل الف و د بیشتر به جنبه های نرم افزاری یک گیرنده برمی گردد.
کاربردهای GPS چیست؟
بطورکلی ازمهمترین زمینه های کاربد GPS می توان به مواردزیر اشاه کرد.
 الف – درزمینه های نظامی
1- کاربردهوایی : ازهدایت موشک ها تا تمام هواپیماهای جنگنده و بمب افکن , هلی کوپتر .موشک کروز , چتر بازی و پروازهای نظامی و ....
2- کاربرد های دریایی: زیردریایی , کشتی و تمام انواع قایق ها ودریانوردی نظامی .
3- کابردهای زمینی :  مکان توپخانه ها, ناوبری خودروها , هدایت پیاده نظام , سیستم موشک زمین به زمین , شناخت نوع وجنس خاک .
ب: کاربرد های نقشه برداری :
 از GPS به طریق مختلف درنقشه برداری می توان استفاده کرد .مهمترین کاربردهای GPS درنقشه برداری عبارتنداز :
1) نقشه برداری هیدرو گرافیک .
2) نقشه برداری سینما تیکی خیلی دقیق برروی زمین .
3) فتو گرامتری بدون کنترل زمینی
4) انبوه سازی شبکه ژئو دتیک
5) نقشه برداری کارامتری
6) فتو گرامتری بصورت REAL .TIME
ج: کاربردهای تجاری :
1)ناوبری هوایی : دردهه هشتاد , چهل سال پس از کنوانسیون شیکاگو که منجر به تأسیس سازمان بین المللی هواپیماهای کشوری ایکائو گردید نگرانی جامعه هواپیمایی ازمحدودیتهای سیستم های ناوبری موجود به طور روزافزونی افزایش یافت .
 پیش بینی های به عمل آمده نیز نشان دهنده رشدسریع مسافرت های هوایی تاسال 2001 خصوصاً درمناطقی مانند آسیا , اقیانوسه بودتعداد 18 میلیارد مسافر وبیش از 10000هواپیما ی درحال تردد درهرلحظه این نگرانی را تایید می نمود .لذا پیشنهاد شد که ازتکنولوژی ماهواره برای مبادله صوتی وداده های موردنیاز با خطوط ارتباطی مستقیم از هواپیمابه ماهواره وازآن طریق به کنترل ترافیک هوایی استفاده شود. دراین حالت محدودیت دید مستقیم درسیستم های (17) VHF و کیفیت درسیستم های (18) HF وجودندارد بعلاوه دریک مجموعه واحد می توان بصورت همزمان داده های ضروری هواپیما مانند مشخصات پرواز, ارتفاع , سرعت و جهت را نیز به کنترلر مراقب پرواز اطلاع داد واز این  طریق خطای انتقال صحیح اطلاعات ناشی از عوامل انسانی دروقوع سوانح را به کلی ازبین برد.
امروزه تئوری پرواز آزاد انقلابی درصنعت حمل ونقل هوایی بوجود آورده است درپرواز های آزاد با توجه به قابلیت انعطاف سیستم های ناوبری ونظارت می توان به جای استفاده ازمسیرهای ثابت هوایی آنها را بصورت کاملاً دینامیکی بهینه نمود این ایده جالب بهره برداری بسیارموثر ازفضا را دارد .بنابراین امروزه شرکت های بزرگ هواپیما سازی مشغول نصب سیستمهای GPS برروی هواپیما ها می باشند .
2- ناوبری دریایی : درناوبری دریایی برای تعیین مسیر , نقاط مبداء ومقصد وغیره از GPS می توان بهره گرفت .
د: کاربردهای همگانی :
سیستم موقعیت یاب GPS  کاربرهای همگانی نیز دارد که ازمهمترین این کاربردها می توان به موارد زیراشاره کرد.
1- حرکت درفضای باز: حرکت درمناطقی که راههای چندان مناسبی ندارد یا به کلی فاقد راه است .گیرنده GPS  بسیارارزشمند خواهدبود.
2- ماهیگیری
3- پروازبا گلایدر .
4- استفاده حرفه ای درعملیات زمینی
5- اسکی , کوهنوردی
6- قایقرانی
7- عملیات جستجو و نجات
8- حرکت اتومبیل درجاده
9- مسابقات اتومبیل رانی رالی
البته کاربرهای GPS روزبه روز بیشتروبیشتر می شود ونیزنباید این نکته را ازنظر دورداشت که این سیستم با تمام مزایای خودممکن است دچار اختلال گردد ویا گیرنده ای که دردست شماست دچارخرابی گردد .پس بایدروشهای موقعیت یابی کلاسیک را که کار با قطب نما ونقشه است ازیادنبرد واول این روش را یادگرفت وبعدبسراغ GPS رفت تا درمواقع نیازدچار وابستگی به سیستم موقعیت یابی جهانی نباشیم .
 البته مطالب گفته شده دراین مقاله بطور کامل تمام جزئیات را موردبررسی قرار نداده .زیرا بسیاری ازموارد مسائل فنی ویا محرمانه سیستم می باشد که کمتر دردسترس افرادعادی می باشد و نیز بررسی آن نیاز به دانستن بساری ازروابط پیچیده فیزیک و.... دارد.

 

 

ماهواره

 
 
ماهواره مخابراتی میل‌استار

ماهواره[۱]، یا قمر مصنوعی، به دستگاه‌های ساخت بشر گفته می‌شود که در مدارهایی در فضا به گرد زمین یا سیارات دیگر می‌چرخند.

اهمیت ماهواره‌ها برای مخابرات و بررسی منابع زمینی و پژوهش وکاربردهای نظامی و جاسوسی روزافزون است. بخشی از پژوهشهای علمی و تخصصی که در آزمایشگاه‌های مستقر در فضا انجام می‌شود، هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد.

نخستین ماهواره فضایی جهان اسپوتنیک-۱ (به معنی همسفر-۱ به زبان روسی) بود که در تاریخ ۱۲ مهر ۱۳۳۶ (۴ اکتبر ۱۹۵۷) به مدار زمین پرتاب شد. پرتاب اسپوتنیک-۱ به مدار زمین آغازگر عصر فضا و مسابقه فضاییشد.

اولین ماهوارهٔ ایالات متحده برای تقویت کردن مخابرات "پروژهٔ اسکور" در سال ۱۹۵۸ بود که از یک نوار برای ضبط و پخش پیام‌های صوتی استفاده می‌کرد. این ماهواره برای پخش پیام تبریک کریسمس رئیس جمهور آمریکا "آیزن هاور" به سراسر دنیا استفاده می‌شد. در سال ۱۹۶۰ ناسا ماهوارهٔ "اکو" را پرتاب کرد. تل استار اولین ماهوارهٔ فعال مخابرهٔ مستقیم ماهواره‌ای تجاری بود. وابسته‌های به "ای تی اند تی"به عنوان بخشی از توافق چند ملیتی بین "ای تی اند تی"، آزمایشگاه‌های تلفن بل، ناسا، ادارهٔ پست عمومی بریتانیا و دفتر پست ملی فرانسه برای گسترش ارتباطات ماهواره‌ای، آن ماهواره را از "کیپ کارناوال" در ۱۰ ژوئیه ۱۹۶۲ توسط ناسا پرتاب کردند. اولین و مهم ترین برنامهٔ ماهواره‌های مخابراتی در تلفن بلند برد میان قاره‌ای بود. پیشرفت‌ها در کابل‌های مخابراتی زیردریایی با استفاده از فیبرهای نوری باعث کاهش استفاده از ماهواره‌ها برای تلفن‌های ثابت در اواخر قرن بیستم شد، ولی هنوز برخی اقلیم‌ها و یا قسمت‌هایی از برخی کشورها بودند که خطوط زمینی مخابرات در آنها اندک بود یا موجود نبود مانند قطب جنوب، به علاوهٔ بخش عظیمی از استرالیا، آمریکای جنوبی، آفریقا، کانادای شمالی، چین، روسیه و گرین لند. بعد از اینکه سرویس تلفن راه دور تجاری با استفاده از مخابرات ماهواره‌ای ایجاد شد، یک میزبان از دیگر ارتباطات راه دور تجاری با ماهواره‌های مشابه در سال ۱۹۷۹ شامل موبایل ها ی ماهواره‌ای، رادیوی ماهواره‌ای، تلویزیون ماهواره‌ای و دسترسی اینترنتی ماهوارهٔ تطبیق شد. اولین تطابق‌ها برای بیشتر سرویس‌ها در دههٔ ۱۹۹۰ اتفاق افتاد و درحالیکه قیمت گذاری برای کانال‌های تقویت کنندهٔ ماهواره‌ای ادامه می‌یافت به طور قابل توجهی افت کرد.[۲]

 

 

کاربرد ماهواره‌ها

به سفینه‌ای گفته می‌شود که در مداری، به دور یک سیاره (معمولاً زمین) در حال گردش باشد.

در عصری که ما در آن زندگی می‌کنیم، ماهواره و تکنولوژی وابسته به آن، آنچنان در تاروپود جوامع بشری نفوذ کرده و به پیش می‌تازد، که نقش تعیین کننده آن در سیر تحولات تمدن بشری، قابل توجه‌است.

بخشی از تحقیقات و پژوهش‌های علمی - تخصصی، که در آزمایشگاه‌های مسقتر در فضا انجام می‌شود، هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد. این تحقیقات، که بسیار متعدد و متنوع است، در تخصص‌های پزشکی، داروسازی، مهندسی مواد،مهندسی ژنتیک و ده‌ها مورد دیگر، تا به حال دستاوردهای بسیار ارزنده‌ای را به جوامع بشری عرضه کرده‌است.

ماهواره‌ها که در فضا درحال گردشند، می‌توانند اطلاعات باارزشی در اختیار انسان قرار دهند که منجر به تحولات شگرفی، در زمینه‌های گوناگون شود. ماهواره‌های کشف منابع زمینی، هواشناسی، مخابراتی، پژوهشی و نظامی از این نوع می‌باشند.

تاریخچه


ظاهراً نخستین اشاره به ماهواره در ادبیات، نوشته‌ای از ادوارد اورت هیل است. او در سال ۱۸۶۹ در داستانی بنام «ماه آجری» از ماهواره‌ای حامل انسان نام برده که به دور زمین می‌گردد.

ژول ورن نیز در داستان «میلیون‌های بگم» در سال ۱۸۷۹ از گلوله توپی نام می‌برد که بطور ناخواسته در مدار زمین به گردش درآمده‌است.

کنستانتین تسیولکوفسکی نیز در رساله خود بنام «اکتشاف فضای کیهانی با وسائل عکس‌العملی» در میان انبوهی از اندیشه‌های نو در مورد فضانوردی، از ماهواره نیز نام می‌برد.

شروع قرن بیستم

در سال ۱۹۴۵ نویسنده مشهور بریتانیایی آرتور سی کلارک یکی از بزرگ‌ترین خالقان داستانهای علمی–تخیلی، برای اولین بار پیشنهاد قرار دادن یک ماهواره ارتباطی را در مدار ژئوسنکرون یا مدار کلارک که در فاصله تقریباً ۳۶۰۰۰ کیلومتری سطح زمین و بالایخط استوا قراردارد را جهت پوشش سیگنال‌های رادیویی و تلویزیونی داد. از این مدار امکان دسترسی به تقریباً ۴۰٪ سطح زمین وجود دارد.

جنگ جهانی دوم

ایده استفاده از ماهواره‌های ساخت دست بشر، برای اولین بار در پایان جنگ جهانی دوم بر سر زبان‌ها افتاد.

رقابت فضایی
نوشتار اصلی: رقابت فضایی

اولین ماهواره مصنوعی، اسپوتنیک ۱ (Sputnik ۱) بود که توسط شوروی در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ شروع به کار کرد. که این باعث به راه افتادن یک رقابت فضایی بین شوروی و آمریکا شد. آمریکا نیز اولین ماهواره خود را در ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ به فضا پرتاب کرد. بزرگترین ماهواره مصنوعی که هم اکنون به دور زمین می‌چرخد ایستگاه بین‌المللی فضایی می‌باشد.

نخستین پرتاب توسط کشور
کشورسال پرتابنخستین ماهواره
Flag of the Soviet Union.svg اتحاد جماهیر شوروی (Flag of Russia.svg روسیه) ۱۹۵۷ اسپوتنیک ۱
Flag of the United States.svg ایالات متحده آمریکا ۱۹۵۸ اکسپلورر ۱
Flag of France.svg فرانسه ۱۹۶۵ آستریکس
Flag of Japan.svg ژاپن ۱۹۷۰ اسومی
Flag of the People's Republic of China.svg چین ۱۹۷۰ دونک فانگ هونگ ۱
Flag of the United Kingdom.svg بریتانیا ۱۹۷۱ پراسپرو ایکس-۳
Flag of India.svg هند ۱۹۸۰ روهینی
Flag of Israel.svg اسرائیل ۱۹۸۸ اوفک-۱
Flag of Ukraine.svg اوکراین ۱۹۹۵ سیچ-۱
Flag of Iran.svg ایران ۲۰۰۹ امید ۱

وضعیت ماهواره و زمین

ماهواره‌ای که در مدار ژئوسنکرون و در بالای خط استوا و هماهنگ با سرعت زمین و با زاویه‌ای ثابت، حرکت می‌کند، قسمت مشخصی از سطح زمین را بطور ثابت پوشش می‌دهد، و از یک ایستگاه زمینی نیز بصورت یک نقطه ثابت، قابل رویت است.

ماه، خورشید، و دیگر ستارگان و سیارات منظومه شمسی باعث تاثیر گذاری بروی ماهواره در مدار خود می‌شود که احتمال جابجایی از مکان خود را دارد. برای جلوگیری از این مسیله، موتورهای مخصوصی که بوسیله ایستگاه‌های زمینی کنترل می‌شوند، کمک می‌کنند که ماهواره‌ها در مکان خود ثابت باقی بمانند.

ارتباط با زمین

جهت برقراری ارتباط از یک ایستگاه زمینی، معمولاً احتیاج به یک دیش بزرگ که بنام Uplink Antenna معروف است، می‌باشد و باعث تمرکز اطلاعات ارسالی به ماهواره می‌شود.

در ارتباط بین ماهواره و ایستگاه زمینی معمولاً از دو نوع موج و فرکانس متفاوت استفاده می‌شود. یکی برای Uplink و دیگری برای Downlink. دیش نصب شده بروی ماهواره، سیگنال ارسالی ازایستگاه زمینی را دریافت کرده و به یک دستگاه گیرنده می‌رساند و پس از یک سری پردازش، به فرستنده ماهواره انتقال می‌دهد و از طریق آنتن فرستنده ماهواره، مجدداً به سمت زمین باز تابش داده می‌شود.

امواج ارسالی

سیگنال ارسالی به سطح زمین، بوسیله دیش‌های معمولی، دریافت و جمع آوری شده و به دستگاه گیرنده ماهواره، از طریق ال ان بی، انتقال پیدا می‌کند. قدرت سیگنال دریافتی بر روی زمین، نسبت به فاصله و زاویه و... ماهواره و نقطه گیرندگی، متفاوت بوده و بصورت یک الگوی خاص به نام سایه ماهواره یا footprint معرفی می‌شود.

همیشه قدرت سیگنال ماهواره در مرکز سایه، بیشترین مقدار را دارا می‌باشد و در گوشه‌ها، از کمترین مقدار، برخوردار است. توجه به این نکته لازم است که دریافت سیگنال در خارج از سایه، احتیاج به دیش‌های بزرگ تر، دارد. امواج سانتی متری، جهت ارسال سیگنال ماهواره به زمین، مورد استفاده قرار می‌گیرد که محدوده فرکانسی آنها بین ۳-۳۰ MHz می‌باشد.

دلیل اصلی استفاده از این امواج رادیویی کوتاه، انتشار راحت امواج و تاثیرات کم نویز و مزاحمت‌های فرکانسی است. البته فرکانسهای بالاتر از ۱۵ Ghz، بصورت وحشتناکی بوسیله اکسیژن هوا و بخار آب تضعیف می‌گردند.

ماهواره‌ها، سیگنالهای ارسالی خود را بصورت قطبی و با دو حالت افقی و عمودی ارسال می‌کنند و گاهی اوقات نیز، بصورت دورانی، چپ گرد و راست گرد. در سیستمهای دیجیتال، امکان ارسال دیتا و چندین شبکه تلویزیونی و رادیویی بروی یک فرکانس وجود دارد.

انواع ماهواره

ماهواره ضد سلاح

ماهواره ضد سلاح، که بعضی مواقع ماهواره‌های کشنده نیز خوانده می‌شوند، ماهواره‌هایی هستند که برای خراب کردن ماهواره‌های دشمن و دیگر سلاح‌های مداری و اهداف دیگر طراحی شده‌اند. که هم آمریکا و هم روسیه، از این نوع ماهواره، در اختیار دارند.

ماهواره‌های ستاره‌شناختی

ماهواره‌های ستاره‌شناختی که برای مشاهده فاصله سیاره‌ها وکهکشان‌ها و دیگر اشیای خارجی فضا، استفاده می‌شود.

ماهواره‌های زیستی

ماهواره‌های زیستی، ماهواره‌هایی هستند که برای حمل ارگانیسم‌های زنده، طراحی شده‌اند. عموماً برای آزمایش‌های علمی استفاده می‌شوند.

ماهواره‌های مخابراتی

ماهواره‌های مخابراتی، ماهواره‌هایی هستند که برای اهداف ارتباط راه دور، در فضا قرار گرفته‌اند. ماهواره‌های مخابراتی مدرن، نوعاً ازمدارهای زمین‌همگام، مولنیا (Molniya) و پایین‌زمینی استفاده می‌کنند.

ماهواره‌های مینیاتوری

ماهواره‌های مینیاتوری، ماهواره‌هایی هستند که دارای وزن کم و سایز کوچک، به طور غیر عادی می‌باشند. طبقه بندی جدیدی که برای گروه بندی این ماهواره‌ها استفاده می‌شود، عبارت است از:

  • ماهواره‌های کوچک (۵۰۰-۲۰۰ کیلوگرم)
  • ماهواره‌های میکرو (زیر ۲۰۰ کیلوگرم)
  • ماهواره‌های نانو (زیر ۱۰ کیلوگرم)
ماهواره‌های هدایت‌کننده

ماهواره‌هایی هستند که از پخش کردن سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کنند تا دریافت کننده‌های موبایل را در زمین فعال نمایند تا مکان دقیق آن‌ها مشخص شود.

ماهواره‌های اکتشافی

ماهواره‌های مشاهداتی زمین یا ماهواره‌های مخابراتی می‌باشند، که برای کاربردهای نظامی و جاسوسی مستقر شده‌اند.

ماهواره‌های زمین‌شناسی

ماهواره‌های زمین‌شناسی، ماهواره‌هایی هستند که برای نظارت بر محیط، هواشناسی و ساختن نقشه استفاده می‌شوند.

ماهواره‌های تتر

ماهواره‌هایی هستند که به وسیله یک کابل که به آنها تتر (افسار) می‌گویند، به ماهواره‌های دیگر وصل می‌شوند.

ماهواره‌های هواشناسی

ماهواره‌های هواشناسی، که به طور ابتدایی برای نشان دادن آب و هوای کره زمین به کار می‌روند.

ایستگاه فضایی

نوشتار اصلی: ایستگاه فضایی

ایستگاه فضایی، یک ساختار ساخته دست بشر می‌باشد که برای زندگی انسان در فضای خارج طراحی شده‌است. یک ایستگاه فضایی از انواع فضاپیماها به وسیله نقصش در نیرو محرکه زیاد یا امکانات بر زمین نشستن، متمایز می‌شود. به جای موتورهای دیگر به عنوان جا به جایی به و از ایستگاه استفاده می‌شود.

ایستگاه‌های فضایی برای باقی‌ماندن در مدار برای مدت کوتاهی طراحی شده‌اند، برای قسمتی از هفته یا ماه یا حتی سال.

مدار ماهواره‌ها

نوشتار اصلی: مدار (سیاره)

ماهواره در یک مسیر بسته که آن را مدار ماهواره می‌نامند، به دور زمین در گردش است. این مسیر ممکن است دایره‌ای یا بیضی شکل باشد و مرکز زمین در مرکز این مسیر یا در یکی از کانون‌های بیضی آن قرار دارد. ماهواره درصورتی که تحت تاثیر نیروهای گرانشی دیگری قرارنگیرد، همواره درصفحه‌ای به نام صفحه مداری به گردش خود به دور زمین ادامه می‌دهد. حرکت این صفحه مداری به پریود مدار و زاویه صفحه با صفحه استوا بستگی دارد. اگر این زاویه صفر باشد، صفحه مداری منطبق بر صفحه استوایی زمین می‌شود.

عموماً ماهواره‌ها بروی چهار نوع مدار که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار می‌گیرند:

  • مدار پائین زمین
  • مدار قطبی
  • مدار زمین‌ایست
  • مدار بیضوی

ماهواره‌های مدار پائین زمین

به ماهواره‌هایی که در فاصله نسبتاً کمی از سطح زمین قرار دارند، ماهواره‌های مدار پائین زمین گفته می‌شود. بیشترین ارتفاع این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین بین ۳۲۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است. مسیر حرکت این ماهواره‌ها از غرب به شرق و همجهت با دوران زمین بدور خود است.

بدلیل نزدیکی فاصله این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین، سرعت حرکت این ماهواره‌ها خیلی بیشتر از سرعت دوران زمین بدور خود است.

گاهی سرعت این نوع ماهواره‌ها به ۲۷٬۳۵۹ کیلومتر در ساعت نیز می‌رسد. با این سرعت، این نوع از ماهواره‌ها می‌توانند در هر ۹۰ دقیقه، یک دور کامل بدور زمین بگردند.

برخی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع‌اند.

ماهواره‌های مدار قطبی

ماهواره‌های مدار قطبی به نوعی از ماهواره‌هایی گفته می‌شود که مسیر مدار حرکت آنها عمود بر خط استوا و مسیر دوران از قطبهای شمال و جنوب می‌گذرد. بعضی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع‌اند.

ماهواره‌های مدار زمین‌ایست

چرخش ماهواره به دور زمین

این در حالت کلی بروی مدار زمین‌ایست و بر بالای خط استوا، در فاصله ۳۵۸۷۰ کیلومتری از سطح زمین قرار داند.

این نوع ماهواره‌ها در مکانی ثابت نسبت به زمین قرار دارند و هم‌فاز با دوران زمین بدور خود، می‌گردند و بدلیل همین ثبات دارای سایه‌ای ثابت (معروف به «جای‌پا») بر زمین هستند.

به مدار زمین‌هم‌زمان مدار زمین‌ایست و یا مدار کلارک نیز گفته می‌شود.

تمام ماهواره‌های مخابراتی و تلویزیونی از این نوع هستند.

ماهواره‌های مدار بیضوی

این ماهواره‌ها دارای مداری بیضوی هستند. دو نقطه مهم از مدار این ماهواره‌ها نقطه اوج و نقطه حضیض آنها است:

  • قسمتی که به سطح زمین نزدیک می‌شوند به نام نقطه حضیض نامیده می‌شود.
  • قسمتی که از سطح زمین دور می‌شود به نام نقطه اوج نامیده می‌شود.

مسیر حرکت و دوران این نوع ماهواره مانند ماهواره‌های قطبی از سمت شمال به جنوب است. چون اکثر ماهواره‌های مخابراتی در مدار زمین‌ایست قرار گرفته‌اند، این ماهواره‌ها هیچ پوششی بروی قطب‌های شمال و جنوب ندارند. به همین دلیل و جهت پوشش قطب‌ها از ماهواره‌های مدار قطبی استفاده می‌شود. در واقع این نوع از ماهواره‌ها شمالی‌ترین و جنوبی‌ترین قسمت نیمکره‌ها را پوشش 

 

 

 

 

 

این هم تصاویر.

  1. 1600 × 1200 - andisheheslamabad.blogfa.com