Gps و کاربردهای آن

[Mr.Engineer]

مقدمه
امروزه بسياري از اقشار جامعه از سيستم تعيين موقعيت جهاني (GPS)استفاده مي کنند اين سيستم ابتدا توسط ايالات متحده آمريکا بنيان گذاري شد و صرفا اهداف نظامي اين دولت را دنبال مي کرد اما با پيشرفت اين سيستم و قابليتهاي متنوع آن ، اين سيستم پس از استاندارد شدن دقت آن براي اهداف غير نظامي نيز به کار گرفته شد. GPS کاربران متنوعي را به خود جلب کرده است از جمله نقشه برداران ، خلبانان ، دريانوردان ، شکار چيان ، اسکي بازان و به طور کلي هر کسي که مي خواهد بداند ، در چه موقعيتي قرار دارد ، به چه سمتي حرکت مي کند ويا با چه سرعتي در حرکت است مي تواند از GPS استفاده کند.
GPS در همه جا قابل دسترس است مگر در مکانهاي که گيرنده GPS قادر به در يافت سيگنالها نباشد مانند غارها، اماکن زيرزميني و ...
در اين گزارش قصد داريم مطالبي در مورد نحوه کار GPS ، اجزاي آن ، خطاها ، کاربردها و ارتباط آن با GIS و مقايسه اين سيستم با ماهواره هاي تعيين موقعيت جهاني در ديگر کشورها ارائه کنيم.




سيستم ناوبري راديويي – ماهواره اي(NAVSTAR GPS ) ، که اطلاعات مربوط به موقعيت دقيق سه بعدي و زمان را براي استفاده کنندگاني که به گيرنده هاي خاص مجهز باشند،فراهم مي آورد..سيستم GPS از سال 1978 شروع به فعاليت کرده است. منظور از ايجاد اين سيستم کاربرد هاي نظامي بود، ليکن از سال 1983 به صورت روشي براي حل مسائل نقشه برداري و ژئودزي در جهان مطرح شد. امروزه اين سيستم جايگزين تمامي سيستمهاي تعيين موقعيت قبلي مانند سيستمهاي دوربينهاي باليستيک،داپلر،ايزشال و غيره شده است.مفهوم اساسي ناوبري،«اندازه گيري شبه فاصله »بين موقعيت زميني وحداقل4 ماهواره است . با مشخص بودن مختصات ماهواره در يک سيستم مرجع مناسب،مي توان مختصات آنتن گيرنده را به روش ترفيع فضايي تعيين کرد.GPS مانند ديگر سيستمهاي پيش از خود نقشه برداري زمين به زمين را به اندازه گيري از فضا به زمين تغيير داده است.
گيرنده GPS
گيرنده GPS

اجزاي GPS

سيستم تعيين موقعيت جهاني شامل 3 بخش اصلي است که هرکدام وظيفه خاصي را بر عهده دارند ، عبارتند از:
1-بخش فضايي که ماهواره هاي فعال هستند،
2-بخش کنترل که براي کنترل سيستم، زمان و پيش بيني مدار بکار مي رود،
3-بخش کاربر که به انواع گوناگون گيرنده ها مجهز هستند.


بخش فضايي
اين بخش شامل 24 ماهواره است (21 ماهواره فعال به اضافه 3 ماهواره جانشين). ارتفاع مدار اين ماهواره ها از سطح زمين در حدود 12000 مايل مي باشد ، اين فاصله باعث مي شود که هر ماهواره بتواند فضاي بيشتري را تحت پوشش قرار دهد به عنوان مثال ماهواره اي که در بالاي کشور کانادا قرار دارد اگر زاويه ارتفاعي آن 10 تا 15 درجه باشد در کشور يونان نيز مي توان از اين ماهواره استفاده کرد. نحوه قرار گيري ماهواره ها در مدارهايشان به گونه اي است که گيرنده GPS مي تواند در هر نقطه از سطح زمين و در هر زماني حداقل با 4 ماهواره در ارتباط باشد سرعت اين ماهواره ها برابر 7000 مايل بر ساعت است که به آنها اجازه مي دهد که در هر 12 ساعت يک با مدار خود به دور زمين را بپيمايند يعني هر ماهواره در روز دو بار زمين را دور مي زند.


طرح کلي از ماهواره GPS
نماي کلي ماهواره شکل زير طرح کلي از ماهواره GPS را نشان مي دهد. الکتريسيته مورد نياز اين ماهواره از دو صفحه متشکل از باطري هاي خورشيدي به مساحت 2/7 متر مربع تعيين مي شود. پانلهاي بزرگ و چرخهاي عکس العمل گشتاور به ثبات وضعيت ماهواره کمک مي کنند. در زمان گرفتگي خورشيد باطريهاي نيکل – کادميم انرژي مورد نياز را در اختيار ماهواره قرار مي دهند.وزن هر يک از اين ماهواره ها 845 کيلو گرم است. ماهواره هاي GPS دو موج حامل و را در فرکانسهاي يکسان، از بالا به صورت پيامها (سيگنالها ) ي موج بلند ( L ) مي فرستند که حاوي دو نوع کد C/A وP و يک پيغام ناوبري (که براي هر ماهواره فرق مي کند) به شکل مدوله شده است. فرکانس اصلي نوسان ساز اتمي ماهواره 23/10مگاهرتز است و فرکانسهاي ديگري که ماهواره مي فرستد از اين فرکانس اصلي مشتق مي شوند که عبارت اند از
= (10/23)(154)=1575/42مگاهرتز طول موج =19cm

L2=(10/23)(120)=1227/60مگاهرتز طول موج =24cm
قاعده کلي اين است که يک موج هر چه فرکانس بيشتري داشته باشد، دقت بهتري در اندازه گيري فاصله حاصل خواهد داشت.
سيگنال هر دو کد P و C/A و سيگنال تنها کد P را در بر مي گيرد.

ماهواره هاي GPS
ماهوارههاي GPS از دو راه شناسايي مي شوند:
الف)SVN (شماره وسيله فضايي)يا شماره NAVSTAR، که بر اساس زمان پرتاب تعيين شده است.
ب) PRN (Noise شبه تصادفي) Pseudo Random Noise يا SVID (شاخص وسيله فضايي) ، که به ترتيب مداري و آن قسمت خاص از کد P که به آن ماهواره اختصاص دارد، در ارتباط است.
هنگام رديابي يک ماهواره، اطلاعات مداري کل ماهواره ها توسط آن ماهواره نيز معلوم مي شود. اين رشته از دانسته ها فاقد کد هستند تا استفاده کننده بتواند ارتفاع ماهواره و موقعيت در زمان آني را به دست آورد.
همانطور که گفته شد ماهواره توسط SVN و PRN شناسايي مي شوند اين ماهواره هابر اساس همين کدها به Block I و Block II تقسيم مي شوند

Block I
ماهواره هاي شماره 1 تا 11 که از سال ا978 تا 1985 به فضا پرتاب شدند که به عنوان کلي Block I معرفي مي شوند. اين ماهواره ها همانطور که قبلا گفته شد در مدار هاي خود در يک دوره 12 ساعته زمين را دور مي زنند بلوک 2 هم اين گونه است نحوه قرار گيري نيز براي هر دو گروه يکسان است فقط ماهواره هاي بلوک 2 با يک انحراف زاويه اي 63 درجه اي نسبت به بلوک 1 قرار دارند .
هر کدام از اين ماهواره ها حاوي يک ساعت اتمي سزيوم و دو ساعت راديوم مي باشد عمر مفيد اين ماهواره ها 5 سال بوده است . جدول زير مشخصات اين ماهواره ها را نشان مي دهد

Block II
ماهواره هاي بلوک 2 که شامل سري هاي BLOCK II/IIA/IIR/IIR-M مي باشد
BLOCK IIاز svn 13 تا 21 هستند که از فبريه 1989 تا اکتبر 1990به فضا پرتاب شدند .انها به گونه اي طراحي شده بودند که مي توانستند 14 روز بدون ارتباط با بخش کنترل کار خود را انجام دهند .
BLOCK II از svn 22 تا 42 سري دوم ماهواره هاي فعال هستند اين سيستم به گونه اي طراحي شده است که 180 روز بدون تماس با بخش کنترل مي تواند به کار خود ادامه دهد در طي اين مدت خود مختاري مقدار خيلي کمي از دقت آن کاسته مي شود . اين سري ماهواره ها از نوامبر 1990 تا 1997 به فضا پرتاب شدند عمر مفيد ماهواره هاي بلوک 2 و A2، 3/7 سال است هرکدام از انها 4 ساعت اتمي داشته اند که 2تا از آنها سزيوم و 2 ساعت ديگر راديوم بوده اند .
BLOCK IIR که از svn 41 تا 62 که از جولاي 1997 تا سپتامبر 2005 به فضا پرتاب شده اند اين بلوک به گونه اي طراحي شده است که براي 14 روز بدون تماس با بخش کنترل و 180 روز به صورت اتوماتيک مي تواند پيامهاي نابري را به زمين ارسال کند عمر مفيد اين ماهواره ها 8/7 سال است و هر کدام 3 ساعت اتمي راديم دارند و قابليت SA و AS را نيز دارند . جدول زير مشخصات اين ماهواره ها را نشان مي دهد.


بخش کنترل
همانطور که از نام آن پيداست کنترل ماهواره هاي GPS ، که در واقع همان ردگيري ماهواره ها است و همچنين کنترل ساعت GPS در اين قسمت انجام مي شود اين بخش شامل 3 قسمت مي باشد که عبارتند از:
1-ايستگاه هاي ناظر
2-ايستگاه کنترل اصلي
3-آنتنهاي زميني
اولين قسمت ايستگاه هاي ناظر هستند و شامل 4 ايستگاه مي باشند که ماهواره هاي در معرض ديد را در تمام مدت شبانه روز ردگيري مي کنند. اين ايستگاه ها در جزاير ديه گوگارسيا، اسنسيون در جنوب اقيانوس اطلس، کواجالين در جزاير مارشال،و هاوايي قرار گرفته اند اين بخش به صورت اتوماتيک عمل کرده ، تمام ماهواره هاي قابل رويت خود را ردگيري مي کند و اندازه گيريهاي فاصله را همراه با اطلاعات جوي به بخش دوم يا ايستگاه کنترل مرکزي ارسال مي دارند . ايستگاه کنترل مرکزي با استفاده از اطلاعات مذکور افه مريسها ( اطلاعات مشخص کننده موقعيت ماهواره ها در فضا را در زمان آني)و رفتار ساعتهاي هر ماهواره را از پيش تعيين و پيغامهاي ناوبري را فرموله مي کند. اين پيغامها به بخش سوم يا همان آنتنهاي زميني انتقال مي يابد و بر روي باند S به ماهواره هاي قابل رويت ارسال مي شود.
هماهنگي زماني ماهواره ها يکي از مهمترين وظايف بخش کنترل است که مستقيما بر اساس استاندارد زماني رصدخانه نيروي دريايي ايلات متحده آمريکا واقع در «واشنگتن دي سي» هماهنگ مي شود.


محل ايستگاه هاي مشاهداتي بخش کنترل. مرکز کنترل اصلي در پايگاه نيروي هوايي فالکون در ايالت کلرادو قرار دارد.





دقت در GPS
سيستم تعيين موقعيت جهاني در حقيقت يک سيستم ناوبري نظامي که مسئوليت آن با وزارت دفاع آمريکاست بنابراين از ابتداي توسعه اين سيستم، اين مطلب بيان شده است که تنها درصدي از دقت نهايي سيستم در دسترس کاربران غيرنظامي قرار مي گيرد. به همين خاطراز سرويس موقعيت ياب استاندارد SPS(Standard Positioning Service) براي کاربران غير نظامي استفاده شد اکثر گيرنده ها مي توانند سيگنالهاي SPS را دريافت کنند دقت اين سيستم توسط وزارت دفاع آمريکا کنترل مي شود. دقت سيگنالهاي SPS در حالت افقي 100 متر ، در حالت عمودي 156 متر ، و از نظر زماني تا 340 نانو ثانيه دقت دارد .اين استاندارد ها در سال 1999 توسط اتحاديه ناوبري راديويي تعيين شد.در سال 2001 اين استاندارد ها در حالت افقي به 36 متر و در حالت عمودي به 77 متر رسيد.
براي محدود کردن دقت از روش دسترسي انتخابي (SA) و ارسال پيامهاي جعلي (AS) استفاده مي شود. ابتدا روش AS را براي محدود کردن دقت سيستم بکار مي بردند .AS کدP را مي پوشاند و به اين منظور از يک کد حفاظت شده به نام Y بهره مي گيرد، که تنها کاربران مجاز توانايي استفاده از آن را در زمان فعال بودن AS دارند.در ابتدا انتظار مي رفت که AS بتواند به تنهايي سيستم را محافظت کند، اما در عمل آشکار شد که دقت تعيين موقعيت از طريق کد C/A نيز در حدود 20تا 40 متر است. از اين رو روش دومي به نام SA ايجاد شد.

SA در حقيقت خطاي عمدي است که وزارت دفاع آمريکا در مدار و ساعت ماهواره هاي GPS ايجاد مي کند و به دو روش فعال مي شود:
- وارد کردن اشتباه در اطلاعات مربوط به موقعيت و مدار ماهواره (شيوه )
- بي ثبات کردن سيستماتيک (سامانه اي) ساعت ماهواره (شيوه )
اما گروهي از کاربران که شامل کليه نيروهاي مسلح آمريکا ، سازمان اطلاعات و امنيت اين کشور و يکسري از شهروندان منتخب که بطور خاصي توسط دولت آمريکا تاييد مي شوند مي توانند از سيستم تعيين موقعيت دقيق (Precise Positioning Service)PPS استفاده نمايند اين کاربران مجاز با استفاده از ابزار و کليدهاي مخفي ، همچنين گيرنده هاي مجهز به PPS از اين سيستم استفاده مي کنند دقت اين سيستم در حالت افقي 22 متر ، در حالت عمودي 7/27 مترمي باشد و تا 200 نانو ثانيه در واحد زمان دقيق است.
امروزه با پيشرفت علوم فضايي و تکنولوژي در گيرنده هاي GPS دقت اين سيستم تا حد زيادي نسبت به قبل بالا رفته ، به طوري که خطاي افقي اين سيستم به حدود متر رسيده است .

کلیه ی ارسالهای این مقاله از گرفته شده اند.

[Mr.Engineer]

ساعت GPS
همانطور که گفته شد براي تعين موقعيت در روي زمين مي بايست فاصله گيرنده تا ماهواره محاسبه شود براي تخمين فاصله بايد سرعت حرکت سيگنالهايي که از ماهواره ها به گيرنده گسيل مي شود را در مدت زمان تلف شده تا رسيدن به گيرنده ضرب شود تا فاصله را بدست دهد. از آنجا دقت در GPS حياتي است لذا فاکتور زمان بسيار حائز اهميت است پس در ماهواره ها و گيرنده هاي GPS مي بايست از ساعتهاي فوق العاده دقيق استفاده شود بهمين خاطر در ماهواره ها از ساعت هاي اتمي استفاده مي کنند. همان گونه که مي دانيد زمان اتمي بر اساس واحد جهاني SI يک ثانيه عبارت است از مدتي زماني که الکترونهاي اتم سزيوم 133 ، 770/631/192/9 بار تابش نمايد و با توجه به اين مطلب (TAI) برابر است با زمان اتمي بين المللي که بر اساس سا عتهاي جهاني مختلف پايه گذاري شده است
بخش کاربر
اين بخش در حقيقت شامل کاربران و گيرنده هاي GPS مي باشد. همانطور که قبلا گفته شد کاربران اين بخش بسيار متنوع هستند به عنوان مثال مي توان از دريا نوردان ، خلبانان ، سياحان ، نقشه برداران ، شکارچيان و به طور کلي همه کساني که مي خواهند بدانند در کجا هستند و به کدام سو مي روند از اين سيستم استفاده مي کنند امروزه تلفنهاي همراه ، اتومبيلها ، بعضي از وسايل کوهنوردي و بعضي از ساعتها نيز به اين سيستم مجهز شده اند . گيرنده GPS نيز بسيار مهم است اجزاي اصلي يک گيرنده GPS به قرار زيرند:

اجزاي اصلي يک گيرنده GPS - آنتن با پيش فزونساز
- قسمت (Radio Frequency)RF با تشخيص و پردازش سيگنال (کانال)
- ريزپردازنده براي کنترل گيرنده، جمع آوري و پردازش دانسته ها (براي ناوبري )
- نوسانگر دقيق
- منبع تغذيه
- رابط کاربر؛ بخش دريافت دستورات و نمايش اطلاعات
- حافظه و ذخيره اطلاعات
آنتن،امواج الکترومغناطيسي ارسالي از ماهواره را دريافت مي کند و پس از تبديل انرژي اين امواج به جريان الکتريکي پيام را تقويت کرده و آن را به قسمتهاي الکترونيکي گيرنده منتقل مي کند.

نحوه کار GPS
گيرنده GPS براي يافتن موقعيت شما به 3 دسته اطلاعات احتياج دارد.
1- ارتباط با حداقل 3 ماهواره
2- محاسبه فاصله گيرنده با ماهواره هايي که با آنها در ارتباط است
3- زمان نيز فاکتور مهمي در تعيين موقعيت به حساب مي آيد
گيرنده GPS با دريافت سيگنالهاي ارسالي از ماهواره ها اين اطلاعات را بدست مي آورد.
برخي گيرنده هاي پيشرفته اطلاعات چندين ماهواره را همزمان دريافت مي کنند وبه اين ترتيب بردقت محاسبات خود مي افزايند. هر ماهواره سيگنالي را به سوي زمين ارسال مي کند و گيرنده با دريافت اين سيگنال مدت زمان حرکت سيگنال از ماهواره تا گيرنده را بدست مي آورد . سپس با استفاده از فرمول) (D=V*Tبا در دست داشتن زمان و سرعت حرکت سيگنال (300000 کيلومتر در ثانيه) فاصله ماهواره و گيرنده را مورد محاسبه قرار مي دهد . گيرنده هاي GPS اين اطلاعات را دريافت کرده و با انجام محاسبات هندسي(Trilateration)، محل دقيق گيرنده را نسبت به زمين محاسبه مي کنند.

در واقع گيرنده زمان ارسال سيگنال توسط ماهواره را با زمان دريافت آن مقايسه مي کند. از اختلاف اين دو زمان ، فاصله گيرنده از ماهواره تعيين مي گردد. حال اين عمل را با داده هاي دريافتي از چند ماهواره ديگر تکرار مي کند و بدين ترتيب محل دقيق گيرنده را با اختلافي ناچيز، معين مي کند.
گيرنده به دريافت اطلاعات همزمان از حداقل 3 ماهواره براي محاسبه 2 بعدي و يافتن طول و عرض جغرافيايي(فاصله افقي) ، و همچنين دريافت اطلاعات حداقل 4 ماهواره براي يافتن مختصات سه بعدي(فاصله افقي و عمودي) نيازمند است. با ادامه دريافت اطلاعات از ماهواره ها ، گيرنده اقدام به محاسبه سرعت، جهت ، مسيرپيموده شده، فواصل طي شده، فاصله باقي مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشيد و بسياري اطاعات مفيد ديگر، مي نمايد.
اما اصل مثلث بندي(Trilateration) در واقع قسمت اصلي کار GPS است ، به همين خاطر جهت آشنايي بيشتر مختصري در رابطه با آن توضيح مي دهيم .

يافتن موقعيت در فضاي سه بعدي به اين صورت است که فاصله ماهواره 1 را محاسبه کرده و کره اي به شعاع فاصله يافت شده و مرکز ماهواره مورد نظر رسم مي کنيم در اين صورت موقعيت ما بر روي محيط کره رسم شده مي باشد .

اين کار را براي ماهواره دوم که در فاصله x از ما قرار دارد نيز انجام مي دهيم ، مي دانيم که مکان هندسي محل تقاطع دو کره يک دايره است بنابراين در يک لحظه بايد برروي سطح هر دو کره قرارداشته باشيد، اين سطح در حقيقت همان محيط دايره محل تلاقي است . اگر موقعيت خود را تا ماهواره سوم نيز بدانيم، کره سومي رسم مي کنيم که محل اشتراک اين سه کره ، دو نقطه خواهد بود . يکي از اين نقاط بر روي زمين و ديگري در فضاخواهد بود ، نقطه اي که بر روي زمين واقع شده موقعيت ما در روي زمين است.



مفهوم مشاهدات سنجشي و ساختار پيام در GPS
NAVSTARE GPS يک سيستم تعيين فاصله يک طرفه است، بدين مفهوم که پيامها به شکل کانالي تنها از ماهواره ارسال مي شوند و بر گشتي وجود ندارد. اساس سنجش عبارت است از زمان رفت پيام از آنتن ماهواره تا آنتن گيرنده. اين زمان، پس از ضرب شدن در سرعت انتقال پيام،به طول تبديل مي شود. مفهوم فاصله سنجي يک طرفه اين است که قرائت ساعت در آنتن فرستنده با قرائت ساعت در آنتن گيرنده مقايسه شود. در حالت کلي، نمي توان فرض کرد که اين دو ساعت دقيقا هم زمان و هماهنگ باشند؛ بنابراين، در زمان رفت پيام يک خطاي سيستماتيک (سامانه) به نام خطاي هم زماني وجود دارد.
شکل نشان دهنده اين نکته است که براي تعيين مختصات آنتن گيرنده و خطاي هم زماني ساعت،انجام مشاهدات هم زمان بين گيرنده و 4 ماهواره الزامي است.در ضمن، موقعيت و زمان ماهواره نيز بايد مشخص باشد. گيرنده اي که روي زمين در يک نقطه مجهول مستقر است، فاصله اين نقطه با تمام ماهواره هايي را که در محلهاي مشخص در ديد قرار دارند، تعيين مي کند.
پيامهاي GPS بايد ابزاري براي تعيين موقعيت آني(موقعيت در زمان واقعي) فرآهم آورد. اين ابزار با مدولاسيون موج حامل از طريق کدهاي نويز شبه تصادفي (PRN) حاصل مي شود. کدهاي مذکور دنباله هايي از مقادير دودويي (صفر ويک ) هستند که سرشتي تصادفي دارند ولي کاملا معين و قابل شناسايي اند. فاصله زماني بين دو صفر و يا دو يک يا يک صفر و يک را چيت و تعداد 5 چيت در ثانيه را آهنگ چيت مي گويند.
در GPS دو کد مختلف به کار مي رود: کد P و کد C/A. حرف P به معني دقيق يا حفاظت شده مختص ارتش ايلات متحده و متحدانش است که براي دريافت آن، داشتن گيرنده هاي مخصوص (PPS) لازم است. C/A به معني جمع آوري کم دقت (کلي) است که با گيرنده هايي با دقت کمتر (نسبت به PPS ) به نام SPS قابل دريافت است.


انواع آنتنهاي GPS آهنگ چيت براي کدC/A برابر با23/10 مگابيت در ثانيه است که دوره تکرار آن در هر ميلي ثانيه مي باشد. طول موج کد C/A 300 متر است و در حال حاضر تنها بر روي فرکانس حامل مدوله مي شود. آهنگ چيت براي کد P برابر با 23/10 مگابيت در ثانيه است که دوره تکرار آن در هر 266 روز است. طول موج کد P 30 متر است و بر روي هر دو فرکانس حامل و مدوله مي شود.
ماهواره ها علاوه بر کد ها يک پيغام ناوبري با فرکانس 50 بيت در ثانيه نيز ارسال مي کنند که در هر 30ثانيه تکرار مي شود.اين پيغام ناوبري روي حامل و مدوله ميشود وشامل اطلاعات افه مريس ماهواره ها، زمان GPS ، رفتار ساعتها و وضعيت ماهواره هاست.
هم اکنون انواع گوناگوني از آنتنهاي GPS در دسترس است که تعدادي از آنها در شکل نشان داده شده اند.
پيامهاي دريافتي در قسمت RF به يک فرکانس پايينتر تبديل شده و در يک يا چند کانال پردازش مي شود. کانال گيرنده را مي توان واحد الکترونيکي اصلي گيرنده GPS به شمار آورد.يک گيرنده مي تواند بسته به نوع سيستم داخلي يک تا چند کانال داشته باشد.
گيرنده ها را از چند ديد متفاوت مي توان تقسيم کرد:
1- بر اساس نوع اطلاعات دريافتي
- کدC/A
- کد C/A + موج حامل
- کد C/A + موج حامل + موج حامل
- کد C/A + کد P +موج حامل + موج حامل
2- بر اساس مفهوم فني کانالها
- گيرنده چند کاناله
- گيرنده مرحله اي
- گيرنده چندتايي (چند موجي)
3- بر اساس نوع کاربرد
- گيرنده نظامي
- گيرنده غيره نظامي
- گيرنده ناوبري
- گيرنده زمان سنجي

سيستم مختصات ماهواره اي WGS84
امروزه مواضع ماهواره هاي GPS در سيستم ژئودتيک جهاني(1984) 84WGS تعيين مي شود.
اين سيستمي «زمين – مرکز» است (ژئوسنتريک،يعني مبدا آن در مرکززمين است) که محورسوم آن(محورZ)از قطب زميني قراردادي CTP مي گذرد و محور X آن فصل مشترک صفحه نصف النهار گرينويچ و صفحه استوايي است.محور Y هم طوري اختيار مي شود که سيستم، دست راستي (رو به راست) باشد. مختصات دکارتي سه بعدي 84WGS و مختصات ژئودتيک آن در شکل نشان داده شده اند.

[Mr.Engineer]

وضعيت هندسي ماهواره ها و معيار دقت
دقت تعيين موقعيت GPS به پيکربندي هندسي ماهواره ها مورد استفاده که باکميتهاي عددي بيان مي شوند، بستگي دارد.
انواع پارامترهاي تعديل دقت (Dilution of Precision) DOP عبارتند از
HDOP - تعديل دقت موقعيت افقي(Horizontal Dilution Of Precision)
VDOP - تعديل دقت موقعيت قائم(Vertical Dilution Of Precision)
PDOP - تعديل دقت موقعيت سه بعدي(Position Dilution Of Precision)
TDOP - تعديل دقت زمان(Time Dilution Of Precision)
تاثير توام تبديل دقت مکانيابي و زمان را GDOP (تعديل دقت هندسي) مي نامند:

GDOP = [(PDOP) + (TDOP)]

PDOP را مي توان کميت متناظر با حجم چند وجهي حاصل از موقعيت ماهواره ها و گيرنده در نظر گرفت که بصورت PDOP= 1/V فرض مي شود(V حجم بين گيرنده و ماهواره ها است).
بهترين وضعيت هندسي زماني حاصل مي گردد که اين حجم به حداکثر و در نتيجه PDOP به حداقل مقدار خود برسد . بنابراين زمان انجام مشاهدات را بايد چنان در نظر گرفت که DOP در حد مطلوب باشد.
رابطه وضعيت هندسي ماهواره و PDOP خطاهاي GPS
بطور کلي،اگر در معادلات مشاهده ها در GPS تمام پارامترهاي لازم در نظر گرفته نشود و اين معادلات شکلي ساده داشته باشد، خطاهايي در فرايند تعيين مجهولات وارد مي شود و مدل حاصل با واقعيت تطابق نخواهد داشت. به عنوان مثال، در اندازه گيري «شبه فاصله» و اقدام به ناوبري، بعضي از شرايط فيزيکي به دليل تعيين «شبه فاصله» ناديده انگاشته مي شود از قبيل:
- سيستم مرجع زمين مرکزي که نسبت به زمين تثبيت شده است، يک سيستم بين المللي نيست.
- مکانيک نيوتني دقيقا قابل استفاده نسيت.
- پيامها به جاي خلاء در شرايط واقعي جو انتشار مي يابند.
بنابراين تصحيح مختصات ماهواره، ساعت ماهواره و مشاهده ها به صورتي که پديده هاي ايجاد کننده خطا در آنها(دوران زمين، تاثيرهاي نسبيت عام و خاص و تاثيرهاي انتشار پيام در لايه هاي يونوسفر و تروپوسفر) در نظر گرفته شود، لازم است.
علاوه بر تصحيح موارد فوق بايد خطاهاي حاصل از مدل سازي نه چندان کامل مدار ماهواره، تاخير هاي انتشار پيام در سخت افزار ماهواره و گيرنده و اثرهاي چند مسيري نيز تصحيح شوند. در نهايت بايد به توزيع هندسي ماهواره توجه داشت که پارامتر مهمي در تعيين موقعيت نقاط است.
تصحيحها در مشاهدات بر اساس اندازه گيريهاست که با در نظر گرفتن يک مدل مفروض انجام مي شود. با انجام اين تصحيحها تنها خطاي معيني باقي مي ماند.
بعضي از خطاها که بر روي دقت موقعيت GPS اثر مي گذارند در ذيل آورده شده اند.

خطاي مداري (Orbital errors)
همانطور که گفته شد موقعيت ماهواره ها به وسيله اطلاعات سيگنالي که در هر لحظه از طريق ماهوارها ارسال مي شوند بدست مي آيد. البته اين پيش بيني مي‌تواند کمي متفاوت از موقعيت واقعي ماهواره‌ها باشد. با اينکه اين روش بهترين راه براي تعيين موقعيت‌ها(مدارها) است ولي واقعا در تمام زمان ها، نمي توان اين پيش بيني را انجام داد.
خطاهاي سنجيدن با ساعت(Receiver clock errors)
ماهواره ها و گيرنده ها به ساعت هاي بسيار دقيق نياز دارند تا بتوانند کارشان را عالي انجام دهند. کوچکترين خطا مي‌تواند "محدوده اندازه گيري" (Range Measurement) را ده ها، صدها و حتي هزاران متر از گيرنده هاي ماهواره دور کند. براي مثال ده نانو ثانيه خطا مي‌تواند حدود 3 متر خطا ايجاد نمايد.

تأخير يونوسفريک و تروپوسفريک( Ionosphere and troposphere delays)
اين اتفاق زماني رخ مي دهد که سيگنالهاي ارسالي از ماهواره ها، در طول سفر به سمت گيرنده ها طي عبور از طريق محيط‌هايي که اصطلاحا نواحي باردار Charged Area ناميده مي شود، دچار تأخير شوند. اين محيط‌هاي باردار عبارتند از: يونوسفر، در بالاي سطح زمين و تروپوسفر در سرتاسر اتمسفر.

پارازيت گيرنده
اين خطا مربوط به کارکرد يک گيرنده GPS است. به اين معنا که چگونه مي‌تواند سيگنال‌هاي ارسال شده از ماهواره‌ها را اندازه‌گيري کند. زيرا "بعضي گيرنده ها از مابقي بهتر هستند".

خطاهاي چند مسيره(Signal multi-path)

اثر چند مسيره بدين مفهوم است که گيرنده علاوه بر پيام مستقيم مورد نظر ، پيامهاي ديگري را نيز دريافت مي دارد که از انعکاس پيام اصلي حاصل شده اند. اين پديده را بايد هنگام انتخاب ايستگاههاي مشاهداتي در نظر داشت . تاخير حاصل از تاثير پديده مذکور هم در اندازه گيريهاي فاز کد و هم در اندازه گيريهاي فاز حامل مشهود است با اين تفاوت که ميزان تاثير آن در مشاهدات کد P صد برابر بيشتر از تاثير آن مشاهدات فاز حامل است .
اين اثر را مي توان با افزايش زمان مشاهدات کاهش داد که البته در مورد نقشه برداريهاي کينماتيک يا ايستايي سريع صادق نيست .


خطاي چند مسيره
DGPS اصلاح خطاهاي سيستم بروش
براي حل اين مشکلات نوعي گيرنده بنام DIFFERENTIAL GPS طراحي شده است.
اين گيرنده با کمک ايستگاه هاي زميني که مخصوص سيستم طراحي شده اند، اطلاعات
نادرست خود را تصحيح مي کند .
شکل روبرو نحوه کار DGPS را نشان مي دهد
همانطور که در شکل مشاهده مي کنيدGPS تفاضلي از دو گيرنده تشکيل شده است که يکي از آنها ثابت است و ديگري همان گيرنده اي است که در دست شماست گيرنده اصلي که همان گيرنده ثابت است سيگنالها را از ماهواره دريافت کرده و پس از پردازش آنها را به آنتن مخصوص مخابره مي کند ، شما مي توانيد با گيرنده DGPS سيگنالهاي تصحيح شده را دريافت و موقعيت خودرا بيابيد
سايت DGPS بر روي نقطه اي قرار دارد که به دقت نقشه برداري شده است .بنابراين تجهيزات DGPS با دانستن موقعيت دقيق خود اين امکان را به رايانه ميدهد تا مقدار خطايي که از طرق مختلف ايجاد مي شود،محاسبه کند. سايت DGPS به يک فرستنده راديويي، نيز مجهز است که به محض محاسبه مقدار جهت و خطا در رايانه ، فرستنده شروع به پخش اطلاعات مي کند وکاربر مي تواند با استفاده از يک مبدل به DGPS وصل شود ، اين تبديل کننده داراي يک آنتن به نام Loran-Cاست که سيگنالهاي راديويي را از سايت DGPSدريافت مي کند وموقعيت خود را با استفاده از آن اطلاعات اصلاح مي کند.
DGPS با سرعت و در همان لحظه اطلاعات اصلاحي بطور پيوسته و مداوم را در دسترس کاربر قرار مي دهد بنابراين مي توان با استفاده از آن تصميمات لازم را درجا اتخاذ کرد.
روش ديگر اصلاح اطلاعات از طريق DGPS ، فرايندي است به نام "پردازش بعدي". اين روش براي ثبت دقيق نقاطي که شخص حاضر بوده و مشاهده کرده خوب است اما براي ناوبري ،خير.
در اين روش ،با استفاده از گيرنده اي که قابليت ذخيره سازي اطلاعات لازم را داشته باشد اطلاعات ذخيره شده و با استفاده از نرم افزارمناسب تصحيحات لازم را انجام مي دهيم. استفاده مناسب از تصحيحات DGPS که توسط پردازش بدست آمده در تهيه نقشه قابل استفاده است . رايانه کليه اطلاعات ذخيره شده مربوط به هر نقطه را بازيابي مي کند و سپس اطلاعات درست را براي زمان دقيق ، موقعيت و ماهواره ها پيدا خواهد کرد.
از انواع DGPS ها مي توان DGPS همزمان يا (real-time kinematic GPS (RTK GPS)) و WAAS (Wide Area Augmentation System)يا سامانه افزايش شبکه گسترده که در ايالات متحده آمريکا با کمک دو ماهواره زمين آهنگ در شرق و غرب اين کشور و 25 ايستگاه زميني دقت را در اين منطقه بسيار بالا برده است . مورد بعد two differential correction methods است که به وسيله آن مي توان دقت را به 1-3 متر رساند.


کاربردهاي GPS
با توجه به مطالب ذکر شده مي توان به اختصار خصوصيات زير را براي GPS برشمرد:
- اقدام به عمليات در هر شرايط آب و هوايي، در شب يا روز، امکانپذير است.
- نيازي به امکان ديد بين ايستگاههاي مجاور وجود ندارد.
- توانايي ارتباط هم زمان با چند ماهواره و تعيين موقعيت آني با دقت بسيار بالا وجود دارد.
با توجه به نکات ياد شده برتري GPS در فواصل کوتاه و بلند نسبت به روشهاي زميني روشن است. GPS امروزه ابزار دقيقي براي بسياري از فعاليتها ناوبري ، ژئودزي ، نقشه برداري و ... است .همچنين اين سيستم به نرم افزار هاي کامپيوتري کمک مي کند تا در کارهاي نقشه برداري و مهندسي با دقت بيشتر عمل کرده و کيفيت پروژه ها را بالا ببريند.
کاربرد هاي اصلي GPS به شرح زير مي باشد:
- ارتباط GPS با زمين شناسي
- ارتباط GPS با GIS
- ارتباط اين سيستم با نقشه برداري و ژئودزي
- GPS و فضا
- ناوبري
- مکانيابي
تنظيم وقت و غيره
GPS يک سيستم چند منظوره است که از تلفيق آن با يک سيستم مختصات و مجموعه اي از اطلاعات جغرافيايي، يک نقشه ايجاد مي شود، و تريکب آن با نقشه انجام عمليات ناوبري را آسان مي کند .GPS توام با يک نقشه رقومي، يک سيستم اطلاعات جغرافيايي و يک ارتباط راديويي، در مجموع يک سيستم دستور و کنترل را به وجود مي آورد. حال قسمتي از کاربردهاي اين سيستم و مثالهايياز اين کاربردها ارائه مي شود .

GPS و زمين شناسي
امروزه GPS به عنوان يکي از ابزار هاي زمين شناسان به حساب مي آيد که با قابليت هاي خود توانسته است بسياري از مشکلات اين دسته از کارشناسان را مرتفع کند ، اين وسيله موارد استفاده زيادي براي زمين شناسان دارد ، آنها براي کارهاي نقشه برداري، تعيين موقعيت ، نمونه برداري و غيره ديگر نيازي به ابزارهاي قديمي و حجيم که حمل و نقل انها در شرايط مختلف بسيار دشوار است ندارند ، همچنين مي توانند با دقت بسيار بالاي اين فناوري کيفيت کارهاي خود را بالا برده و کارهاي زمانبر زيادي را با استفاده از اين سيستم با هزينه کمتر و مدت زمان کمتري انجام دهند در ادامه نمونه هاي از اين کارها را مورد بررسي قرار داده ايم .

تخمين سرعت حرکت صفحات قاره اي نسبت به هم
همانطور که مي دانيد صفحات تکتونيکي پوسته زمين هميشه نسبت به هم در حال حرکت هستند اما اين حرکت براي ما کند و نامحسوس است هرچند که مي توان اين تکاپو ها را در قابل زمين لرزه ، آتشفشان و ديگر عوارض مشاهده کرد . اين حرکت در زمان زمين شناسي بسيار مهم بوده و دائما در حال ايجاد تغيير شکل در زمين است دانشمندان پس از دستيابي به فناوري GPS و تعيين موقعيت دقيق توانسته اند اين کار بزرگ را انجام دهند آنها با ايجاد ايستگاه هاي مجهز به GPS و اندازه گيري دقيق و منظم توانستند سرعت جابجايي را در يک سال تخمين بزنند و از آنجا که سرعت اين قطعات در زمان ميليون سال تقريبا ثابت در نظر گرفته مي شود لذا با استفاده از آن مي توانند زمين گذشته را مدل سازي و به آينده نيز اشراف داشته باشند نمونه اي که در ذيل ارائه شده يکي از اين کارها است.

همگرايي سريع صفحات آرام (پاسيفيک ) و استراليا در گودال TUNGA بوسيله BEVIS و همکاران (1995) ثبت شده است . نرخ حرکت بين سه سايت در FIJI تخمين زده مي شود که در روي صفحه استراليا مي باشد و سه سايت بر روي صفحه آرام قرار داده شدند که در تطابق بسيار عالي با پيش بيني هاي NUVEL-1A هستند .
سه ايستگاه در پشته اقيانوسي TONGA ( TONGA RIDGE ) در عرض حوزه LAU از صفحه استراليا با سرعت در حال افزايشي (91+4,91-4 ) ميلي متر در سال در جنوب تا سرعت (159+10,)و(159-10) ميلي متر در شمال TANGA در حال دور شدن هستند.
داده ها دلالت بر باز شدن قوسهاي پشتي (BACLC-ARC ) از حوزه LAU دارند همانطور که پشته TONGA هفت درجه در هر يک مليون سال در جهت حرکت عقربه هاي ساعت مي چرخند حدود يک قطب نزديک انتهاي جنوبي حوزه LAU .
TYLER و همکاران (1995) متوجه شدند که سرعت همگرايي بين NEW HEBRIDES جنوبي و صغحه استراليا (103+5,103-5 mm/year) الي (109+10,109-10 mm/year ) سريعتر از ميزان سرعت قابل انتظار استراليا –پاسيفيک (79-86 mm/year ) است .
به عبارت ديگر NEW HERBRIDES مرکزي سرعت نسبي مشاهده شده (42+2,42-2 mm/year ) به ميزان قابل توجهي کمتر از ميزان قابل انتظار از حرکت صفحه صلب مي باشد .
همچنين اين بررسي ها براي ديگر صفحات نيز توسط ديگران اعمال شده که در اينجا از اشاره به آنها صرف نظر مي کنيم .

استفاده از GPS در تعيين خسارات ناشي از زمين لرزه
مهندسان مي توانند با استفاده از تکنيک نقشه برداري ديجيتال همراه اثرات ناشي از زمين لرزه را با سرعت بالا و دقت خيلي زياد بررسي مي کنند آنها مي توانند با استفاده از ترکيب نرم افزار GIS (ArcPad) و GPS در يک کامپيوتر همراه اين کار را به سادگي انجام دهند از آنجا که پس از زمينلرزه هاي بزرگ تعيين خسارات و مناطق آسيب ديده جهت کارهاي امداد رساني و غيره بسيار مهم و حياتي است لذا استفاده از GPS از تکنيکهاي قديمي پيشي گرفته و باعث مي شود تا جوانب حادثه هر چه زودتر بررسي شده و کار امداد و نجات صورت پذيرد در ضمن آنها براي شناخت عوامل زمين لرزه نيز از اين روش براي تهيه نقشه زمين شناسي منطقه و ديگر عوامل استفاده مي کنند.
ترکيب ArcPad و GPS به عنوان يک ابزار اندازه گيري خسارات زمين لرزه ها و ديگر حوادث غير مترقبه استفاده مي شود .
علاوه بر آن ژاپني ها براي پيشبيني زمين لرزه از تعداد زيادي GPS براي اين منظور استفاده کردند آنها با استفاده از 1200 GPS که در مناطق مختلف کار گذاشته شده ، اطلاعاتي را از حرکات زمين ، بالا آمدگي ها و غيره به دست آورده و به دنبال راهي براي پيشبيني زمين لرزه هستند . در اطراف شهر لس آنجلس نيز دانشمندان علم زمين لرزه با استفاده از 250 GPS اقدام به اين کار کرده اند .
کاربرد GPSبراي ثبت تغيير شکل آتشفشانها
ترکيب فعلي ماهوارهها به کاربران GPSاين امکان را ميدهد تا با استفاده از 2 الي 8 ماهواره تمامي کره زمين را از هر کجا ببينند . با اين همه اطلاعات يک دريافت کننده ي GPS مي تواند به سرعت موقعيت خود را با دقتي حدود متر مشخص کند .

در مورد آتشفشانها ،به هر حال دقتي در حدود سانتي متر و حتي کمتر براي مشخص کردن محلهاي استرس و فشاري که به حرکت رو به بالاي ماگما به سمت سطح زمين بوجود مي ايد مهم است .
براي حصول چنين دقتي در اندازه گيريهايمان ما احتياج داريم که عوامل ديگري را در محاسباتمان دخيل نمائيم که شامل تغييرات در سرعت سيگنالهايي که از ماهواره مخابره ميشود هنگامي که از جو عبور ميکند و عدم قطعيتهاي موقعيت ماهواره مي شوند .
يک روش معمول براي حذف کردن اين خطاهاي بالقوه اين است که چندين دريافت کننده GPSرا در بالاي آتشفشانهاي آزمايشي به صورت همزمان قرار دهيم بنا بر اين خواهيم توانست به طور هم زمان اطلاعات را از يک ماهواره بدست آوريم . از آنجا که اکثر خطاها به دليل تاخير امواج در هنگام عبور از جو و محل ماهوارها براي تمامي سايت ها در زمان واحد يکسان است ما مي توانيم موقعييت آنها را نسبت به يکديگر با دقت کمتر از 1 سانتي متر بدست آوريم .

براي دقت بالاتر ما اطلاعات و داده هاي GPS را براي 8 الي 24 ساعت جمع آوري کنيم و سپس موقعيت ها را پس از تعيين دقيق محل ماهواره و مدل کردن خطاهاي اتمسفري تعيين مي کنيم.



مطالعه فرسايش ساحلي با کمک GPS
سيستم نقشه برداري نا محدود مناطق خط ساحلي((SWASHsystem بر روي يک وسيله قابل حمل (بر روي خاک و هم بر روي آب) نصب شده است . به عنوان نمونه اين خودرو ضمن عبور از سواحل با استفاده از انتنهاي موجود در سنسورGPS موقعيت هاي افقي و عمودي و همچنين شيب ساحلي را با کنترل و دقت بالا اندازه گيري مي کند .
با انجام عمل نقشه برداري زميني کليه داده هاي موقعيتي و شيبها جهت تخمين و محاسبه موقعيت خط ساحلي با يکديگر تلفيق و براي تشريح مکانهاي افقي به همراه نقاط ارتفاعي و نقاط متقاطع بر روي ساحل بکار گرفته مي شود.

استفاده از GPSدر فضا
جستجوگرهاي آينده مريخ اعم از اينکه مدارگرد خودکار باشد يا انسان , به راهي جهت تعيين موقعيت خودشان نياز خواهند داشت. براي انجام اين مهم پژوهشگران ناسا در حال مطالعه بر روي يک سيستم تعيين موقعيت ماهواره اي مناسب همانند GPS براي مريخ مي باشند که قابليت انجام وظيفه به عنوان يک شبکه ارتباطي را هم داشته باشد.يکي از طرح هاي پژوهشگران فرستادن ناوگاني کوچک از فضاپيماها به مريخ مي باشد که دانشمندان براي ماموريت هاي آينده بشري و روباتيک در حال مطالعه بر روي آن مي باشند. مايکل منديلو (Michael Mendilo ) پروفسور اخترشناس در مرکز فيزيک فضايي دانشگاه بوستون و تيمي از پژوهشگران که زير نظر وي بر روي اثرات يونسفر مريخ مطالعه مي کنند , در حال طراحي يک سيستم ناوبري ماهواره اي بدور مريخ مي باشند.
در آزمايشگاه پيشرانه جت پروپالشن ناسا(JPL) هم پژوهشگران در حال انجام کارهاي زميني يک شبکه ناوبري و ارتباطي براي مريخ هستند. يک طرح قديمي تر هم وجود دارد که شامل يک دسته ميکروماهواره هاي کوچکي است که شبکه مريخي( Marsnet ) ناميده مي شود و وظيفه اش ارسال داده ها به سفينه مادر( Marsat ) است. وظيفه Marsat نيز تبادل داده هاي بين مريخ و زمين است.از نظر وستل چارلز(Charles Whestel ) رئيس بخش مهندسي برنامه جستجوي مريخ در JPL يک سيستم ناوبري با دقت 10 تا 100 متر براي مريخ کافيست. هر چند اين دقت قابل مقايسه با دقت حاصل از سيستم فعلي GPS در سياره زمين نمي باشد. اما پژوهشگران درصدد استفاده از قابليت هاي اين سيستم در بررسي يونسفر مريخ مي باشند.
با افتتاح سيستم GPS در مريخ در حقيقت جهشي در فن آوري روبات هاي آينده براي سياره سرخ رخ خواهد داد.




تصحيح خطاهاي InSAR با استفاده از GPS
رادار دهانه ترکيبي تداخلي (IfSAR or InSAR) حسگري هوابرد است که براي سنجش ارتفاع سطح زمين طراحي شده است و قادر به توليد نقشه هاي توپوگرافي مي باشد نحوه کار به اين صورت است که امواج رادار به سمت نقطه هدف بر روي زمين گسيل شده و امواج باز تابش شده از زمين توسط 2 آنتن دريافت مي شوند که ارتفاع را در يک نقطه از زمين با مختصات مشخص ثبت مي کنند. اما ايجاد خطا در اين سيستم امر بديهي است براي مثال هنگامي که تلاش مي کنيد که موقعيت يک سايت شاهد را با توجه به مختصات جغرافيايي که به صورت ژئوکد از چهار گوش عکسي که از SAR گرفته ايد، مي بينيد که امکان دارد خارج از موقعيت واقعي خود بيفتد .از آنجا که InSAR يک ابزار مناسب براي ديدن فرونشستها و ديگر عوارض تپوگرافي به حساب مي ايد لذا استفاده از اين تصاوير در صورتي که مختصات جغرافيايي آنها با نقشه ها همخواني نداشته باشد عملا براي ما قابل استفاده نيستند لذا براي زمين مرجع کردن آنها با نقشه منطقه مورد نظر مي بايست تصاوير حاصل شده را در نرم افزار GIS با لايه هاي عکس ماهواره اي عمودي همپوشاني دهند تا بتوانند آنها را تفسير کنند بنابراين براي استفاده از تصاوير InSAR استفاده از GPSوGIS ضروري است.
در اين حسگرهوابرد مختصات زميني توسط GPS و با کمک فن آوري IMU (واحد سنجش ساکن )تعيين مي شود .



تشخيص فرونشستها با استفاده از تصاوير InSAR ، GPS و GIS

کاربردهاي GIS با استفاده از GPS
استفاده GPS در GIS يکي از مهمترين و سودمندترين کاربرد هاي آن است اين نرم افزار به دليل قابليتهاي فراوان آن در مباحث فضايي و غير فضايي مورد توجه قرار دارد.
GIS داده هاي متنوع دريافتي از GPS که از منابع مختلف دريافت کرده است را با هم ارتباط مي دهد . GIS مي تواند به عنوان يک واسطه و پايگاه که اجازه تبادل اطلاعات و مشارکت تصميم گيري رامي دهد ، خدمت نمايد . اين نرم افزار اجازه مي دهد که کاربر با يک محيط شبيه سازي شده عمل نموده و احساسي را که در رابطه با تعامل در جهان واقعي مي تواند داشته باشد دوباره سازي کند . از کاربرد هاي رايج GIS که در فضاي نرم افزاري مي توان با استفاده از GPS انجام داد عبارتند از:
-نقشه برداري هاي مهندسي
-فتوگرامتري خودکار
-نقشه برداري بزرگراهها
-نقشه برداري از سفره هاي آب زيرزميني
-نقشه برداري حوادث (زمين لرزه ، آتش سوزي ، تخريب ساختمانهاي بزرگ و غيره )
-کارهاي آماري و سرشماري
-کارهاي آبخيزداري
-برنامه ريزي و مديريت کاربري اراضي
-مطالعات زيست محيطي
-تجارت الکترونيکي
-دولت الکترونيکي
-نقشه برداري سيار
-يکپارچه سازي GIS سه بعدي و چهار بعدي و غيره
اين نرم افزار با استفاده از ابزار الحاقي ArcPad مي تواند داده ها را پردازش کرده و براي فعاليت مورد نظر آماده سازي نمايد .

GIS متحرک -Arc Pad
GIS متحرک (Mobil GIS) ترکيبي از نرم افزار سيستم اطلاعات جغرافيايي ،سيستم موقعيت يابي جهاني (GPS) و دستگاه هاي محاسبه کننده ي سيار ميباشد .
GIS سيار به طور بنيادي راه و روش جمع آوري اطلاعات و استفاده در فيلد را تغييرداده است.
يکGIS سيار به شما اين اجازه را مي دهد که اطلاعات را در يک نقشه ديجيتالي ، مشاهده نماييد يا اينکه اطلاعات مرتبط به محلي که مشاهده کرده ايد را جمع آوري کنيد و به طور مستقيم با دنياي پيرامون خود در ارتباط باشيد همچنان که دقت و کيفيت را افزايش مي دهيد .

GIS سيار
نمونه هايي از GIS هاي سيار GIS سيار
تا به حال جمع آوري و استفاده از اطلاعات در منطقه مورد نظر يک فرايند بر پايه جمع آوري اطلاعات در روي کاغذ با قابليت بر قراري ارتباط همزمان از ميدان کاري به دفتر کار بوده است .
پيشرفتهاي اخير در فناوريهاي GIS سيار مورد استفاده بسيار زيادي در حمع آوري اطلاعات و عمليات کاربردي با افزايش دقت و کار ايي در زمينه هايي که کاربران اطلاعت را جمع آوري کرده و استفاده مي کنند قرار گرفته است .
GIS سيار به طرز وسيعي زمينه هاي کاري زير را توسعه داده است :
_کمک به جمع آوري اطلاعات ،اطلاعات مربوط به موقعيت و خصوصيات ديگر بر روي نقشه هاي ديجيتال
_کمک به مديريت داده ها ، موقعيت ، وضعيت ، ذخيره سازي ، زماندهي به اطلاعات فيلد
_کمک به بازرسي اطلاعات و داده هاي ديجيتال ثبت شده جهت برآوردن کدهاي قانوني
_گزارش وقايع ، ثبت فضايي اتفاقات و حوادث.


Arc Pad در GIS
نرم افزار Arc Pad براي GIS سيار و امور نقشه برداري هاي ميداني استفاده مي شود .
mapping انتگرال گيري از GPS,GIS را براي کاربران به کمک دستگاههاي سيار دستي فراهم مي سازد . جمع آوري اطلاعات به کمک ArcPad سريع و آسان است . Arc Pad دقت و کارايي جمع آوري اطلاعات را افزايش داده و دستيابي اطلاعات فضايي را در منطقه توسعه مي دهد .
ArcPadجمع اوري اطلاعات فضايي درون GIS هنگامي که کيفيت و دقت اطلاعات مورد نظرباشد و زمان جمع آوري اطلاعات و اجراي آنها را کاهش مي دهد . به علاوه دسترسي به داده هاي دقيق تر Arc Pad به کاربران امکان دسترسي مستقبم به اطلاعات فضايي را در فيلد جهت تصميم گيريهاي فوري مي دهد .
Arc Pad با Arc GIS و فناوري هاي اطلاعاتي مهم ديگر همخواني دارد . اين تطابق به تحقيقات بيشتر در mapping ، داده ها ، نرم افزار GIS و بانکهاي اطلاعاتي کمک مي کند .
اطلاعات جمع آوري شده در روي زمين مي تواند به آساني در بانک اطلاعاتي اصلي در دفتر کار ذخيره شود اين اطلاعات همچنين مي تواند به کمک اينترنت منتقل شود به علاوه Arc Pad مجتمع سازي يک GPS يا سيستم موقعيت يابي جهاني را براي دريافت داده هاي همزمان (Real-Time)به دست مي دهد .
Arc Pad خود امکان استفاده هاي صنعتي گوناگوني را مي دهد . توانايي جمع آوري اطلاعات در هر زمينه اي و در هر مکاني و ذخيره سازي آن در يک بانک اطلاعاتي فضايي امکان فرايند هاي پيشرفته و فعاليتهاي جديد را بوجود مي آورد .
GPS در نقشه برداري
در سالهاي اخير ، روشهاي مختلفي در زمينه نقشه برداري به کمک سيستم GPS توسع يافته است . اين روشها قابليت اين سيستم را در به دست آوردن مختصات دقيق نقاط ثابت و متحرکدر زمان مشاهداتي اندک ، ثابت مي کند .
با GPS نقشه بردار مي تواند اختلاف مختصات بين دو نقطه از زمين را در صورت معلوم بودن مختصات يکي از آنها تعيين کند . GPS از ديد نقشه برداري يک سيستم تعيين مختصات نسبي است و اگر نقطه اي معلوم در مختصات سيستم ژئودتيک جهاني (WGS84) باشد ، مختصات نقطه دوم نيز در همان سيستم تعيين خواهد شد .
نقشه برداري در GPS تشکيل يک چند ضلعي از ايستگاهاست که محلهاي نسبي آنها به طور دقيق معلوم است . مشاهدات GPS ابتدا مختصات اين ايستگاهها را در سيستم مختصات دکارتي پردازش و تعيين مي کند و در مرحله بعد ، مواضع هندسي آن ايستگاهها ، بر حسب مختصات بيضوي ، يعني طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع تعيين مي شوند
روش هاي نقشه برداري با GPS عبارتند از :
روش ايستايي و ايستايي سريع . در اين روش گيرنده در طي مسير خاموش است و تنها مختصات نقاطي اندازه گيري مي شود که گيرنده در آنها مستقر شده است .
روش نيمه کينماتيک (ايست – رو) . در اين روش گيرنده در حين حرکت بين نقاط مورد نظر با ماهواره ها در ارتباط است ولي مختصات مسير تعيين نمي شود.
روش کينماتيک خالص (متحرک). مختصات مسير در حالي که گيرنده در حرکت است ،تعيين مي شود.



ديگرکاربردها

شکل 16 موقعيت يابي در آب نگاري

مسائل مهندسي و کنترل دقيق
کاربرد هاي بي شماري را در اين زمينه مي توان برشمرد. از آنجا که فواصل بين نقاط در اين کاربردها کوتاه است، مي توان با روشهاي معمول GPS به دقتهايي در حد ميلي متر دست يافت. برخي از کاربردهاي GPS در اين زمينه به قرار زيرند:
(الف) تعيين نقاط کنترل ژئودتيکي براي
- کارتوگرافي
- GIS (سيسمهاي اطلاعات جغرافيايي)
- فتوگرامتري
- مطالعات ژئوفيزيکي
- نقشه برداري اينرشيال
- تعيين موقعيت در آب نگاري
- مقاصد باستان شناسي
(ب) کنترل پيوسته حرکات هدف مورد نظر با اندازه گيري مداوم
- نشست زمين (مثلا مناطق معدني يا محل استخراج آبهاي زير زميني)
- ريزش ديواره ها
- ساخت سد
- نشست سازه هاي دور از کرانه
- نشست ساختمانها
(ج) پياده کردن شبکه هاي محلي براي کنترل پروژه هاي مهندسي در
- ساخت تونل
- شتاب دهنده هاي ذرات
- ساخت پل
- ساخت جاده
- خطوط لوله
- آبراهها
(د) راهنمايي و کنترل فوري وسايل نقليه
- ماشينهاي ساخت
- ماشينهاي بزرگ گودبرداري در مناطق معدني

نقشه برداريهاي کنترل ژئودتيکي
در اين نقشه برداري تحقق اهداف زير مورد نظر است:
- برقراري يک گروه جديد از نقاط کنترل ،
- متراکم سازي يا گسترش شبکه هاي موجود ،
- بازبيني، تحليل و بهبود شبکه هاي موجود ،
- تعيين ارتفاع و تعيين ژئوئيد.
در کليه موارد فوق بايد از روش ايستايي استفاده کرد تا دقت مطلوب حاصل شود.
نقشه برداري املاک و سيستمهاي اطلاعات جغرافيايي (GIS)
به دليل دقت بالا و سرعت عمل GPS مي توان از آن با اضافه نمودن نقاطي با فواصل کوتاه (از 1 تا10 کيلومتر) براي متراکم سازي شبکه ها استفاده کرد.مشکل اصلي در اين نوع عمليات وجود ساختمانها، درختها، برجها، پلها و نظاير آنهاست که باعث عدم دريافت پيام توسط گيرنده مي شود. اين موانع بيشتر در مناطق شهري و نقشه برداري هاي املاک و مستغلات مشهود است. در صورت وجود چنين موانعي، بايد نقاطي را که مي توان با GPS تعيين موقعيت نمود، انتخاب کرد و موقعيت بقيه نقاط را با استفاده از زاويه ياب و طول ياب معمولي به دست آورد.
همچنين GPS ابزاري قوي براي پشتيباني «سيستمهاي اطلاعات جغرافيايي (GIS) » است. با در نظر گرفتن دقتهاي مورد نظر، GPS اطلاعات پيوسته اي از موقعيت نقاط در تمام مقياسهاي مورد نياز ارائه مي کند.

ناوبري دقيق، ژئودزي دريايي و هيدروگرافي

اين گونه کاربرد GPS ،به دليل توانايي تعيين موقعيت فوري و پيوسته آن که با دقت بسيار زياد صورت مي گيرد، بسيار وسيع و به سرعت در حال گسترش و توسعه است. بر حسب دقت مورد نياز مي توان سه حالت زير را در اين کاربردها ذکر کرد:

(الف) دقت کم (حدود100متر در موقعيت با سرعت 1 متر در ثانيه)
ناوبري عمومي در دريا
- تحقيق اقيانوس شناسي
- تعيين موقعيت کشتي
- موقعيت و سرعت در اندازه گيريهاي کوچک مقياس گراني (ثقل)، مغناطيس و زلزله
(ب) دقت متوسط (حدود 1 تا 10 متر در موقعيت با سرعت 1/0 متر در ثانيه)

- ناوبري دقيق در آبهاي ساحلي
- پهلوگيري کشتي در اسکله
- تهيه نقشه قعر دريا براي مقاصد علمي
- هيدروگرافي (آب نگاري)
- واسنجي سيستمهاي ترانسپوندر (دستگاه طول ياب دريايي)
- تعيين موقعيت سنجشگرها و نمونه گيري از زير آب در جستجوي منابع زميني


(ج) دقت زياد ( کمتر از 1/0 متر در موقعيت مختصاتي و ارتفاع با سرعت 01/0 متر در ثانيه)

- نقشه برداري آب نگاري دقيق
- کنترل انباشتگي شن و ماسه و خوردگي در رودخانه ها، خليج ها، آبهاي ساحلي و اسکله ها
- راهنمايي و کنترل فوري دستگاه استخراج شن و ماسه
- پشتيباني مهندسي ساحلي
- ژئوديناميک دريايي
- کنترل پيوسته و دقيق ارتفاع سکوهاي بارگيري
- کنترل وضعيت کشتيها و سطوح شناور


شکل 18 استفاده از GPS در تعيين موقعيت دوربين هواييبه منظور مثلث بندي هوايي آني فتوگرامتري (نقشه برداري هوايي) و سنجش از دور
استفاده از GPS به اين منظور از چند راه متفاوت انجام مي شود:

(الف) تعيين نقاط کنترل زميني
تعيين اين نقاط از طريق روشهاي معمول GPS صورت مي گيرد. دقت مورد نياز براي تعيين نقاط کنترل در تصاوير ماهواره اي کم استو مي توان با بهره گيري از تکنيکهاي تفاضلي با استفاده از مشاهدات کد يا تصحيح شده به وسيله فاز به آن دست يافت.

(ب) ناوبري هواپيماهاي فتوگرامتري (نقشه برداري هوايي)
در اين مورد بايد از حالت تفاضلي و ارتباط راديويي بهره جست.

(ج) تعيين مختصات و توجيه صفحه استقرار سنجشگر
اين مورد، که حالت خاصي از تعيين موقعيت دقيق دوربين به منظور استفاده در مثلث بندي هوايي است شکل،اهميت خاصي دارد.
به طور کلي با استفاده از سيستم تعيين موقعيت جهاني (GPS) مي توان فواصل بين نقاط، مختصات نقاط و اختلاف مختصات آنها، آزيموت امتدادها ، طول شيبي و افقي بين نقاط،زاويه عمودي بين دو نقطه، طول و عرض جغرافيايي، ارتفاع از سطح بيضوي مرجع (اليپسوئيد)، سرعت حرکت ، راهنمايي و تعيين مسير براي پيدا کردن موقعيتها و .... را به دست آورد.

ماهواره هاي تعيين موقعيت جهاني ديگر کشور ها
اروپا نيز يک سري ماهواره براي تعيين موقعيت جهاني و اهداف ناوبري همانند GPS دارد که به آنها به اختصار GNSS گويند.

ماهواره هاي روسي تعيين موقعيت جهاني(Glonass)
ماهواره هاي Glonass نيز همانندGPS و GNSS جهت اهداف ناوبري و مطالعات ژئودتيکي استفاده مي شود. اولين ماهواره Glonass توسط روسها در سال 1982 يعني 5/4 سال بعد از پرتاب اولين نسل ماهواره GPS به فضا پرتاب شد و هم اکنون 24 ماهواره Glonass در حال گردش در فضا هستند. آرايش فضايي ماهواره هاي Glonass به اين ترتيب است که در هر مدار 8 ماهواره بطور يکنواخت قرار مي گيرند. هر يک از صفحات مداري با استوا زاويه ميلي برابر با 8/64 درجه مي سازند. صفحات مداري در طول جغرافيايي از يکديگر 120 درجه فاصله دارند.
برتري يا مزيت قابل توجهي براي ماهواره هاي GPS و Glonass از نظر کاربر نمي توان قائل شد ليکن تمايز ها و امتيازهايي در اين دو سيستم وجود دارد که در زير به چند مورد آنها مي پردازيم :
شعاع مداري ماهواره هاي GPS 26560 کيلومتر و شعاع مداري Glonass 25510 کيلومتر است؛ يعني اختلاف شعاع مداري آنها 1050 کيلومتر است.
در ماهواره هاي GPS مختصات در سيستم ژئودتيک جهاني 1984 (1984 WGS) تعريف مي شود در حالي که در ماهواره هاي Glonass مختصات در سيستم ژئودتيکي شوروي سابق 1985 (SGS85) تعيين مي شود.
فرکانس کدهاي Glonass نصف مقادير مشابه سيستم GPS است که نتيجه آن اندکي دقت کمتر اندازه گيري فاصله توسط Glonass است.
ماهواره هاي GPS دو موج حامل را در فرکانسهاي يکسان از باند L به نحوي منتشر مي کند کخ کدهاي C/A و P براي هر ماهواره به صورتي متفاوت مدوله مي شود. در حالي که در تمام ماهواره هاي Glonass امواج حاصل را در کانالهاي متفاوت از باند L ،يعني با فرکانسهاي متفاوت و در نتيجه با کدهاي يکسان مخاربره مي نمايند. در نتيجه چون پيامهاي Glonass براي مقاصد غيره نظامي است، مي توان به روش غير تفاضلي با آن به دقت بالاتري دست يافت.