GPS چیست؟ چرا ما به اون احتیاج داریم؟ تفاوت بین سیستم های ناوبری مختلف چیست؟ در این مقاله در مورد همه چیز صحبت خواهیم کرد.
در حال حاضر GPS به نظر ما یک چیز روزمره و آشنا است که همه درباره آن شنیده اند و اکثر آنها در زندگی روزمره خود از آن استفاده می کنند. این یکی از ابزارهایی است که ما در دستگاه های خود استفاده می کنیم. در عین حال، ما حتی به این فکر نمی کنیم که چگونه کار می کند، از کجا آمده است، چقدر زمان، تلاش و هزینه برای ایجاد این سیستم باید صرف شود. امروزه گیرنده های سیگنال GPS نه تنها دارند ناوبرها، گوشی ها، گوشی های هوشمند، تبلت ها، اتومبیل ها، اما حتی دستبندهای تناسب اندام و ساعت های «هوشمند»، داده های آنها در صنعت، ورزش های آماتوری و حرفه ای، رالی و مسابقه و البته در صنایع نظامی استفاده می شود. بیایید نگاهی دقیق تر به سیستم های ناوبری مختلف بیندازیم.
ناوبری ماهوارهای یا سامانه ماهوارهای ناوبری جهانی، سیستمی از ماهوارهها است که دادههای موقعیتیابی جهانی و زمان دقیق را ارسال میکند. از امواج رادیویی فرکانس های خاص برای انتقال اطلاعات استفاده می شود. پس از دریافت چنین داده هایی، گیرنده آنها را محاسبه می کند و مختصات موقعیت مکانی ما، یعنی طول، عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا را نمایش می دهد.
علاوه بر سیستم های پایه (GPS، GLONASS، BeiDou، Galileo)، سیستم های کمکی نیز در فضا وجود دارد. اینها به اصطلاح سیستم های تصحیح ماهواره ای (SBAS)، مانند Global Omnistar و StarFire هستند که در کشاورزی استفاده می شوند.
سیستمهای پشتیبانی منطقهای مانند WAAS در ایالات متحده، EGNOS در اتحادیه اروپا، MSAC در ژاپن و GAGAN در هند نیز در بالای ما قرار دارند که از پالایش دادهها در مناطق کوچکتر از جهان مراقبت میکنند. همه اینها توسط اجزای زمین پشتیبانی می شود که بعداً در مورد آنها صحبت خواهیم کرد. تعاریف زیادی در سیستم وجود دارد اما وارد جزئیات نمی شویم.
همچنین بخوانید: مهم ترین و جالب ترین ماموریت های فضایی در سال 2021
GPS تنها سیستم ناوبری ماهواره ای در حال حاضر موجود نیست. انواع مختلفی از ماهواره ها بالای سر ما پرواز می کنند که مسئول موقعیت جغرافیایی دستگاه هایی هستند که در جیب خود نگه می داریم، روی مچ دست خود می بندیم یا در ناوبری استفاده می کنیم. چرا چندین سیستم وجود دارد و یک سیستم وجود ندارد؟ من مطمئن هستم که این سوال توسط اکثر کاربران معمولی پرسیده شده است. واقعیت این است که در ابتدا سیستم GPS برای نیازهای نظامی ایجاد شد و ارتش همچنان بر آن کنترل دارد. این به این معنی است که آنها موقعیت هر کس و در همه جای دنیا را کنترل می کنند. البته خیلی ها این موضع را دوست نداشتند، نه تنها مخالفان، بلکه حتی دوستان. بنابراین، بازیکنان جدی جهان تصمیم گرفتند تا سیستم های ناوبری خود را توسعه دهند تا ارتش آنها کنترل آنها را در دست داشته باشد. به زودی آنالوگ های GPS در جهان ظاهر شدند و برای عنوان بهترین و دقیق ترین در بازار با یکدیگر رقابت کردند. برای ما، کاربران عادی، این فقط یک مزیت است. بنابراین، بیایید سعی کنیم با هر سیستم به طور جداگانه برخورد کنیم.
این اولین سیستم ناوبری است که ما اغلب از آن استفاده می کنیم. وقتی به ناوبری ماهواره ای فکر می کنیم، معمولاً از اصطلاح GPS استفاده می کنیم. سیستم آمریکایی در ابتدا سیستم موقعیت یابی جهانی سیگنال NAVigation Signal Timing And Ranging یا به اختصار NAVSTAR-GPS نامیده می شد.
GPS در دست ارتش آمریکا یا بهتر است بگوییم نیروی فضایی ایالات متحده است. همه دستگاه ها توسط Space Delta 8 که در پایگاه نیروی هوایی شرایور در نزدیکی کلرادو اسپرینگز مستقر است و به عنوان بخشی از ستاد مرکزی GPS عمل می کند، برای عملکرد مناسب بررسی می شوند.
برنامههای غیرنظامی تنها یک افزوده جزئی به برنامههای نظامی هستند که چیدمان و بالاترین دقت موقعیتیابی در اولویت هستند. کاربران غیرنظامی یک نسخه تا حدی کوتاه شده دریافت می کنند، اما هنوز به اندازه کافی خوب است. ما برای رانندگی یا دویدن به دقت چند ده سانتی متری نیاز نداریم، اما به دقت بیشتر نیاز داریم، به عنوان مثال، در ناوبری، در نقشه برداری، در کشاورزی برای نظارت بر مزارع، در شرکت های حمل و نقل برای ردیابی وسایل نقلیه و در بسیاری از مناطق دیگر بنابراین، جای تعجب نیست که سیستم GPS به طور مداوم در حال تغییر است، بهینه سازی ماهواره ها در حال انجام است.
آمادگی کامل سیستم جی پی اس در سال 1993 به دست آمد که تعداد مورد نیاز ماهواره در مدار قرار گرفت. اما در سال 1983، دولت رونالد ریگان مجوز استفاده غیرنظامی از این سیستم را تصویب کرد. این اتفاق پس از آن افتاد که اتحاد جماهیر شوروی یک هواپیمای غیرنظامی کره ای را که به اشتباه حریم هوایی شوروی را نقض کرد، سرنگون کرد. با این حال، در ابتدا دقت سیستم برای جمعیت غیرنظامی به 100 متر محدود شد. اما حتی این در آن زمان برای جلوگیری از بلایای بیشتر کافی بود.
عملکرد سیستم GPS از فضا علاوه بر این توسط ماهوارههای WAAS (سیستم تقویت منطقه گسترده) پشتیبانی میشود که اصلاح دادههای لازم را برای افزایش دقت سیستم فراهم میکند. آنها در آمریکای شمالی (و تا حدی در آمریکای جنوبی) قرار دارند و تحت مراقبت FAA (اداره هوانوردی فدرال) هستند. WAAS برای پشتیبانی از برنامه های ناوبری ماهواره ای غیرنظامی در نظر گرفته شده است.
GLONASS مخفف Global Navigation Satellite System است که مشابه GPS آمریکایی عمل می کند. گلوناس متشکل از 24 ماهواره فعال است که در ارتفاع تقریبی 19 کیلومتری زمین قرار دارند و مدار این ماهواره 100 ساعت و 11 دقیقه طول می کشد. آزمایش این سیستم در سال 15 آغاز شد، یعنی در اتحاد جماهیر شوروی. این واقعاً به عنوان پاسخی به تحولات آمریکا ساخته شد که در کشور ما به "جنگ ستارگان" معروف است. اتحاد جماهیر شوروی در هیچ کاری نمی خواست تسلیم ایالات متحده شود، اما "پرسترویکا، گلاسنوست، شتاب" کار خود را انجام داد. کارها بیشتر به دلیل کمبود بودجه محدود شد. اگرچه، همانطور که بعدا معلوم شد، همه چیز بسته نشده بود. وقتی در سال 1982 به طور رسمی اعلام شد که سیستم گلوناس آماده بهره برداری است، واقعاً برای آمریکایی ها غافلگیرکننده بود. در سال 1993، روس ها موفق شدند یک صورت فلکی کامل از 1995 ماهواره را در مدار قرار دهند.
چین در پایان قرن بیستم شروع به توسعه یک سیستم ناوبری ماهواره ای کرد. در سال 2000، آنها موفق شدند اولین مرحله توسعه BDS-1 را که بیشتر به نام سیستم ماهواره ناوبری BeiDou-1 شناخته می شود، ببندند. به عنوان بخشی از این پروژه به چین و نزدیکترین کشورهای خارجی سیستم های موقعیت یابی ارائه شد. گام بعدی BDS-2 با شبکه ماهواره ای بود که در منطقه آسیا و اقیانوسیه پوشش می داد. در سال 2020، به عنوان بخشی از پروژه BDS-3، سیستم BeiDou در سراسر جهان عملیاتی شد.
همانند سایر پیشرفتها در سیستمهای ناوبری ماهوارهای، کاربران محلی هزینه این سرویس را پرداخت میکنند، اما نتایج واقعاً چشمگیر است.
همچنین بخوانید: چین نیز مشتاق کشف فضا است. پس حالشون چطوره؟
بزرگترین مزیت سیستم گالیله چیست؟ برخلاف جیپیاس و گلوناس، مانند چین کمونیستی، در دست غیرنظامیان باقی میماند و به دولت خاصی تعلق ندارد. این سیستم تنها با در نظر گرفتن بازار غیرنظامی ساخته شد و بنابراین نیازهای جمعیت در نهایت بر توسعه آن تأثیر می گذارد. مسلماً گالیله هوای تازه در میان سیستم های موقعیت یابی نظامی شده است. برنامه گالیله تاکنون 28 پرتاب را تکمیل کرده و 30 ماهواره را در مدار قرار داده است. در حال حاضر، این سیستم از مجموعه کاملی از ماهواره ها استفاده می کند، اما همه دستگاه ها همیشه در دسترس نیستند و برخی از آنها هنوز در انبارها منتظر نوبت خود هستند.
بخش حمل و نقل زمینی در دو مرکز واقع شده است - Oberpfaffenhofen در آلمان و Fucino در ایتالیا. علاوه بر این، این سیستم شامل یک شبکه جهانی از سنسورهای نظارت، ایستگاه های اندازه گیری و انتقال داده است.
برای اطمینان از صحت ناوبری در قلمرو خود، ژاپن مجموعه کوچکی از ماهوارهها به نام سیستم ماهوارهای شبه زنیت (QZSS) یا Michibiki ایجاد کرد. در مناطق کوهستانی یا به شدت شهری، GPS به تنهایی اغلب به دلیل موانع زیاد کافی نیست. 4 ماهواره فعال از نوامبر 2018 این مشکل را برطرف کردند. سه نفر از آنها هنوز در منطقه آسیا و اقیانوسیه هستند. در سال 2024، قرار است به یک صورت فلکی ماهواره ای متشکل از 7 واحد برسد. این کار کارایی کلی سیستم را بیشتر بهبود می بخشد و آن را مستقل از GPS می کند. بنابراین ژاپن خودمختاری کامل را در قلمرو خود تضمین خواهد کرد.
علاوه بر این، ژاپن یک سیستم پشتیبانی دقیق GPS/Michibiki به نام MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS) نیز دارد. از 2 ماهواره تشکیل شده است که از جمله اطلاعات آب و هوا را ارائه می دهند.
NavIC (Navigation with Indian Constellation) آنالوگ هندی GPS است که به آن سیستم ماهواره ای ناوبری منطقه ای هند (IRNSS) نیز می گویند. این سیستم پس از رسیدن به تمام قابلیت های خود، در عملکرد خود مشابه ژاپنی ها خواهد بود. در حال حاضر 7 ماهواره در مدار زمین هستند که موقعیت یابی را در هند و در فاصله 1500 کیلومتری از مرزهای این کشور فراهم می کنند. این سیستم به GPS وابسته نیست.
ضمن تشریح سیستم های فردی، سیستم های پشتیبانی منطقه ای را نیز ذکر کردیم. با این حال، عملیات ناوبری ماهواره ای فراتر از مرزهای منطقه ای نیز می تواند از سیستم های کمک جهانی پشتیبانی کند. در حال حاضر، دو مورد از آنها قابل تشخیص است. اینها Omnistar و StarFire هستند. هر دوی آنها از ناوبری ماهواره ای پشتیبانی می کنند که بیشتر برای نیازهای کشاورزی دقیق مدرن استفاده می شود. استفاده از آنها به گیرنده های خاصی نیاز دارد که به لطف آنها کشاورز با حرکت در مزارع خود می تواند با دقت حداکثر 5-10 سانتی متر کار کند (سیستم های پشتیبانی رکورد دقت 1-2 سانتی متر را ارائه می دهند). چنین موقعیت یابی دقیقی به عنوان یک سرویس ارائه می شود و مستلزم پرداخت هزینه های اضافی برای تحویل داده های سیستم است.
Omnistar یک شرکت مستقل است و فرستندههای آن را میتوان برای انواع ماشینها خریداری کرد، در حالی که سیستم StarFire از سازنده تجهیزات کشاورزی John Deere است که سیستمهای داخلی یا خارجی را ارائه میدهد که دقت آنها تا 3± سانتیمتر است و با GPS و GLONASS کار میکنند.
در این قسمت عملکرد GPS را با استفاده از نسخه اصلی یعنی نسخه آمریکایی شرح خواهیم داد زیرا در حال حاضر بیشترین داده های موجود را در اختیار داریم. دیگران به همین ترتیب کار می کنند.
یک شبکه نسبتا متراکم از ماهواره ها برای عملکرد مناسب در سراسر جهان ضروری است. در مورد یک صورت فلکی از 24 ماهواره، می توان مطمئن بود که در هر زمان و در هر نقطه از زمین ما در محدوده چهار ماهواره قرار داریم. آمریکایی ها به طور کلی قول دادند که حداقل 24 دستگاه در 95 درصد مواقع در دسترس خواهند بود. در حال حاضر این سیستم توسط 31 ماهواره پشتیبانی می شود. زمین به 6 منطقه مساوی تقسیم شده است که ماهواره ها در آن حرکت می کنند و هر یک از آنها 4 میدان برای پوشش دارد.
یک ماهواره در مدار به طور مداوم سیگنال های رادیویی را ارسال می کند که توسط تجهیزات ما که گیرنده های مناسب دارند دریافت می کنند. هر ماهواره موقعیت و زمان ارسال خود را گزارش می کند. علاوه بر این با دانستن سرعت حرکت امواج رادیویی، می توانیم فاصله این ماهواره را محاسبه کنیم. اگر داده های اضافی را از سه ماهواره دیگر دریافت کنیم و داده ها را از چهار ماهواره به طور همزمان دانلود کنیم، دستگاه موقعیت مکانی ما را در تقاطع داده های دریافتی از همه ماهواره ها محاسبه می کند.
برای اینکه کارها روان و دقیق کار کنند، هنوز به اندازه گیری دقیق زمان ارسال سیگنال نیاز داریم. چگونه این امر محقق شد؟ هر یک از ماهواره ها دارای یک ساعت اتمی هستند - دقیق ترین زمان سنج که تا به حال توسط بشر اختراع شده است. دقت چنین ساعتی چقدر است؟ زمان با نزدیکترین میلیونیم ثانیه اندازه گیری می شود!
دستگاه دریافت کننده از همه این داده ها برای محاسبه موثر موقعیت ما استفاده می کند. اما کل سیستم باید مسائلی مانند نظریه نسبیت خاص را نیز در نظر بگیرد، که توسط آقایی که به طور گسترده به نام آلبرت انیشتین شناخته می شود، نوشته شده است. هر چه جسم از منبع گرانش دورتر باشد، زمان سریعتر روی آن می گذرد، بنابراین لازم است در هر ماهواره دوباره محاسبه شود. به طور خلاصه، همه چیز بسیار پیچیده است، اما خوشبختانه ما سالهاست که از این سیستم استفاده میکنیم و متوجه شدهایم که کار میکند، و بسیار خوب کار میکند.
البته عملکرد عادی این سیستم مستلزم مشارکت پرسنل بسیار ماهر است که سطح آموزش آنها را می توان با مراکز کنترل پرواز فضایی مقایسه کرد.
پس از پرتاب به مدار، ماهواره برای همیشه در آنجا کار نخواهد کرد. نسخههای قدیمیتر دارای چرخه عمر 7,5 سال، نسخههای جدیدتر 12 سال، و آخرین سیستم GPS III/IIIF هستند که انتظار میرود به مدت 15 سال در مدار باقی بماند (دادههای مربوط به نسخه آمریکایی سیستم). پس از این مدت، دستگاه باید تعویض شود، بنابراین باید یک نمونه جدید در شرایط استریل ساخته شود و تنها پس از آن این اثر هنری می تواند به مدار زمین برود.
علاوه بر تجهیزات موجود در فضا، تجهیزات نظارتی روی زمین و پرسنل بسیار آموزش دیده نیز مسئول کنترل سیستم هستند. کار برای بهبود مولفه زمینی نیز ادامه دارد، با تمرکز عمده بر روی نسل جدید سیستم کنترل عملیاتی (OCX) و زیرسیستم های مرتبط. تغییرات به تدریج ایجاد می شود تا در عملکرد کل سیستم GPS اختلال ایجاد نشود.
روزهای طلایی سیستم جی پی اس در نیروهای مسلح کم کم در حال فراموش شدن است. تضعیف و پارازیت سیگنالهای ماهوارهای روز به روز رایجتر میشود و در نتیجه، تسلیحات دقیق که صرفاً بر اساس دادههای فضایی است، دیگر مانند گذشته کارآمد نیستند. این مشکل نه تنها بر خود سلاحها، بلکه هواپیماها، کشتیها، وسایل نقلیه زمینی و هر وسیله دیگری که به گیرنده GPS مجهز است نیز تأثیر میگذارد.
ما بیش از یک بار نمونه هایی از مسدود کردن سیگنال GPS را در نقاط "گرم" روی زمین دیده ایم. این اتفاق افتاد که کشتی های عظیم در بندر یا قایقرانی مثلاً در دریای سیاه ناگهان از نقشه ها ناپدید شدند و در فاصله 30 کیلومتری روی آنها ظاهر شدند و این به اقدامات روس ها در این منطقه مرتبط است. در ادامه این موضوع باید گفت که اغلب اقدامات مشابهی در سوریه برای تضمین فعالیت پایگاه های روسیه در منطقه انجام می شود. حتی اسرائیل نیز از این نوع تداخل رنج می برد، جایی که GPS گاهی اوقات بدتر کار می کند و این یک مشکل جدی است، به عنوان مثال برای ترافیک هوایی غیرنظامی.
تداخل با سیگنال GPS چندان دشوار نیست. یک فرستنده رادیویی با توان و فرکانس مناسب که در نزدیکی هدف محافظت شده قرار می گیرد، از دریافت اطلاعات صحیح توسط گیرنده های GPS جلوگیری می کند. سازندگان ماهواره با توسعه سیگنالهای مقاوم در برابر تداخل، که به آخرین نسخههای تجهیزات مجهز شدهاند، سعی در مبارزه با این موضوع دارند. با این حال، این یک بازی موش و گربه است و مزیت آن به نفع ناوشکن ها است. آنها می توانند با هزینه کمتر و قابلیت های بیشتر به تغییرات سریعتر پاسخ دهند. از این گذشته، ماهواره ها در یک هفته تغییر نمی کنند.
علاوه بر اهداف موذیانه، از روش های مسدودسازی GPS نیز برای محافظت از سران کشورها استفاده می شود. جای تعجب نیست که روس ها به چنین ابزارهایی علاقه خاصی دارند. این امر به ویژه در مورد تحرکات پوتین صادق است که آنها آنقدر سعی می کنند آن را پنهان کنند که در منطقه ای که او در آن قرار دارد، ممکن است تمام سیستم های ناوبری برای مدت معینی اصلاً کار نکنند. روسها تا حد امکان از مسیر سفر رئیسجمهور خود محافظت میکنند، بنابراین با مسدود کردن سیستمهای ناوبری، حداقل تا حدی سعی میکنند حمله هواپیماهای بدون سرنشین را کنار بگذارند.
با وجود مشکلات و کاستی های فوق، نباید انتظار داشت که ارتش سیستم جی پی اس را کنار بگذارد. در مقابل، مبارزه با سیستم های پارازیت تشدید می شود و سیستم های اضافی به تجهیزات و سلاح ها اضافه می شود که از پارازیت سیگنال GPS جلوگیری می کند.
ناوبری اینرسی به پیشرفت خود ادامه خواهد داد و سلاح های دقیق همیشه یک روش هدف گیری دیگر و به همان اندازه مؤثر را در ذخیره خواهند داشت. در حال حاضر، کار فشرده روی چنین راه حل هایی در حال انجام است. صحبت از ناوبری تصویر، ناوبری نجومی (بازگشت به گذشته؟) و ناوبری ناهنجاری مغناطیسی است. فناوری پیشرفته! بنابراین، ما هنوز چیزهای جالب زیادی در انتظارمان هستیم.
اما کاربر معمولی علاقه چندانی به آنچه ارتش در آنجا دارد ندارد. ما میخواهیم GPS به ما کمک کند تا موقعیت مکانی خود را مشخص کنیم ناوبر مسیر پیاده روی در کوهستان یا دویدن صبحگاهی یا در طول سفر با ماشین را به درستی مشخص کنید. اکنون تصور زندگی یک فرد مدرن بدون این امکانات دشوار است.
در اصل می توان گفت که حتی اگر مستقیماً از GPS استفاده نکنیم، یعنی گیرنده را خودمان روشن نکنیم، باز هم می توانیم از آن استفاده کنیم. این سیستم به طور مستقل کار می کند، به بخشی آشنا، راحت و ضروری از زندگی ما تبدیل شده است.
همچنین بخوانید:
پاسخ دهید