سیستم موقعیت یاب چهانی و کاربرد آن در مریخ

شاید بارها در مقالات علمی و اخبار با نام ( GPS ( Global Positioning System برخورد کرده باشید.GPS ابزاریست جهت تعیین موقعیت نقاط. با توجه به پیشرفت های تکنولوژی GPS و استفاده از این ابزار مهم در دنیا آگاهی از روشهای مختلف تعیین موقعیت توسط این سیستم ضروری بنظر می رسد.دقت بالای این سیستم و جهانی بودن آن دلیلی بر استفاده از این سیستم در علوم مختلف می باشد. این سیستم از سال ۱۹۸۳ با پرتاب نخستین ماهواره GPS آغاز بکار نمود. با روی کار آمدن سیستم GPS تمام سیستم های قبلی تعیین موقعیت ماهواره ای از قبیل دور بین های بالستیک،داپلر،N.N.S.S ، SLR ،LLR ،LONG-C ،SECOR، به تدریج از دور خارج شدند.GPS یک سیستم عملیاتی و همیشه در حال آماده باش است که در تمامی شرایط آب و هوایی دارای کارآیی می باشد؛ زیرا فرکانس امواجی که توسط ماهواره های GPS ارسال می شوند در حد گیگا هرتز است و شرایط آب و هوایی (مه وباران و نزولات جوی ) اثری روی این امواج ندارند. این سیستم در طول ۲۴ ساعت شبانه روز فعال است ودر هر زمان ودر هر مکان که لازم باشد می توان توسط آن تعیین موقعیت کرد.به وسیله گیرنده های سیستم GPS می توان هم به روش مطلق و هم به روش نسبی تعیین موقعیت کرد و برای تعیین موقعیت در هر یک از دو روش فوق می توان از روش های ایستا (Static) ، متحرک(Kinematics) و نیمه متحرک (Semi-Kinematics) استفاده کرد.
در روش مطلق ، موقعیت نسبی نقطه نسبت به یک نقطه مختصات دار معلوم ((DELTA(X),DELTA(Y),DELTA(Z)) بدست می آید. روش تعیین موقعیت نسبی به علت حذف خطاهای سیستماتیک موجود در اندازه گیری های GPS از اهمیت خاصی برخوردار است و برای انجام آن نیاز به دو گیرنده GPS می باشدکه بطور همزمان ماهواره های مشترک را مشاهده و اندازه گیری نمایند. منظور از همزمانی ، بدین معنی است که شرایط اندازه گیری برای هر دو گیرنده مستقر در ایستگاه های استقرار، یکی با مختصات معلوم و دیگری با مختصات مجهول،یکسان باشد. از روش تعیین موقعیت نسبی با GPS اکثرا در کارهای نقشه برداری و گسترش شبکه های ژئودزی استفاده می شود.دقت تعیین مختصات مطلق با سیستم GPS در حال حاضر در بهترین حالت ۳ ± متر می باشد و دقت تعیین مختصات نسبی با این سیستم در حد میلیمتر می باشد.
در حال حاضر سیستم GPS شامل ۲۸ ماهواره فعال است که کل سطح کره زمین را بطور همزمان پوشش می دهند و در ۶ مدار بیضی شکل با زاویه میل ۵۵ درجه نسبت به صفحه استوای زمین به دور زمین می چرخند و در ارتفاع ۲۰۸۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.زمان یکبار چرخش ماهواره های GPS به دور زمین در حدود ۱۲ ساعت نجومی است. به عبارتی در هر ۲۴ ساعت خورشیدی در طول شبانه روز ماهواره دوبار از افق یک محل می گذرد.همان طور که می دانیم شبانه روز خورشیدی ۴ دقیقه از شبانه روز نجومی بیشتر است لذا در هر روز نسبت به روز قبل ماهواره ۴ دقیقه زودتر در افق یک محل ثابت طلوع می کند. برای تعیین موقعیت x و y یا طول و عرض جغرافیایی (فی و لاندا) حداقل باید ۳ ماهواره در آسمان محل باشد.در صورتی که مقدار پارامتر ارتفاع را نیز بخواهیم باید از ۴ ماهواره استفاده کرد. امروزه در بعضی مکان های ایران قادر به دریافت اطلاعات تا ۱۰ ماهواره می باشیم و حداقل به ۴ تا ۵ ماهواره در هر زمان از شبانه روز و در هر مکان دسترسی داریم.
هر قدر تعداد ماهواره های قابل مشاهده بیشتر شود معادلات اساسی تعیین موقعیت بیشتر خواهند شد و بنابراین زمان لازم برای تعیین موقعیت یک نقطه کاهش یافته و دقت تعیین موقعیت نیز افزایش خواهد یافت.نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد
هر ماهواره GPS بطور مستقل اطلاعات زیر را توسط آنتنهای تعبیه شده بر روی بدنه اش به زمین ارسال می نماید:
۱) امواج حامل
الف) موج حامل (L۱) با فرکانس f۱=۱۵۰۰ MHZ
ب ) موج حامل (L۲) با فرکانس f۲=۱۲۰۰ MHZ
۲)کدهای اطلاعاتی(بصورت دودویی) :
الف) کدغیر نظامی(کد C/A ) ؛ f=۱.۰۲۳ MHZ
ب ) کد دقیق (کد P ) ؛ f=۱۰.۲۳ MHZ
ج ) کد سری (کد Y) ؛ f=۱۰.۲۳ MHZ
برای رسین به حداکثر دقت و کارآیی GPS توسط یک گیرنده باید از گیرنده ای استفاده کرد که هر دو موج حامل L۱ و L۲ و کدهای فوق را دریافت نموده وقابلیت آنتی اسپوفینگ (AS) داشته باشد؛ یعنی بتواند کد سری Y را به یک کد P وبالعکس تبدیل کند.
۳) پیام ماهواره(Message) با فرکانس f=۱۵۰۰ MHZ که حامل اطلاعات زیر می باشد:
الف) اطلاعات مدار ماهواره که مربوط به موقعیت ماهواره می شود.
ب ) اطلاعات مربوط به زمان
ج ) اطلاعات شماره ماهواره
د ) اطلاعات مربوط به ضریب دقت آرایش هندسی ماهواره ها (لازم به ذکر است که چنانچه ماهواره ها در افق منطقه مورد نظر باشند نه در بالای سر و یا اگرزاویه هر دو ماهواره با هم ۱۲۰ درجه باشد تعیین موقعیت محل دارای دقت بیشتری خواهد بود.)
مجموعه اطلاعات فوق یعنی امواج حامل،کدهای اطلاعاتی و پیام ماهواره ، همراه یکدیگر توسط مدولاسیون فاز بسمت زمین مخابره شده و گیرنده های زمینی که قابلیت ها و انواع متفاوتی دارندضمن دریافت مجموعه فوق پس از عمل De Modulation هر بخش را برای منظور خاص خود مورد استفاده قرار می دهد.لازم به ذکر است که بهترین و دقیق ترین گیرنده ، گیرنده ایست که قابلیت در یافت کلیه اطلاعات ذکر شده در موارد سه گانه بالا را داشته باشد و بتواند هر یک را به طرقی جداگانه دریافت کند و ارزان ترین گیرنده هم گیرنده ایست که تنها قابلیت دریافت موج حامل L۱ ،کدC/A و پیام ماهواره را دارد.لازم بذکر است که کد CA فقط بر روی موج L۱ مدوله میشود ولی کد P بر روی هر دو موج وجود دارد.
در قسمت بالا درباره بخش فضایی سیستم GPS صحبت شد؛حال به سراغ بخش کنترل زمینی این سیستم می رویم : این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب ومشاهده شبانه روزی ماهواره های GPS را بر عهده دارند . این بخش بوسیله محاسبات ریاضی پیچیده از طریق محاسبه معادله پلی نومیال (Polynomials) ریاضی بطریق کمترین مربعات ، پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.تعداد این ایستگاههای زمینی ۵ عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار داردو ۴ ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند. آخرین بخش از سیستم GPS ، قسمت USER یا کاربران سیستم می باشد که خود شامل دو بخش است:
الف) آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها
ب ) گیرنده(پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)
نرم افزار و میکروپروسسور داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده ه را تعیین می کند سپس با استفاده از حداقل ۴ ماهواره موقعیت X وY و ارتفاع محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین میشود.
▪ نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشه ها و اطلس ها فرق میکند.ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه می گردد.مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود ۱۰۰ متر می باشد.
●گیرنده های GPS به دو دسته اصلی تقسیم می شوند :
الف) گیرنده های نظامی
ب ) گیرنده های غیر نظامی
گیرنده های غیر نظامی فقط می توانند افمریزهای ارسالی روی کد C/A را از ماهواره دریافت کنند ،لذا تعیین موقعیت مطلق توسط این دسته از گیرنده ها ضعیف می باشد.(در حدود ۳ تا ۵ متر).اما گیرنده های نظامی که اکثرا در اختیار ارتش آمریکا و کشورهای عضو پیمان ناتو می باشد قادر هستند که پارامترهای ارسال شده بوسیله کد P (پارامترهای دقیق) را نیز علاوه بر کد C/A استفاده کنند. دقت تعیین موقعیت با چنین گیرنده هایی بسیار بالاست و در حال حاضر استفاده از کد P وکد Y که مشکل تر از کد P است صرفا در اختیار نظامیان آمریکایی می باشد.البته از سال ۲۰۰۰ دقت سیستم GPS غیر نظامی با توجه به حذف خطای SA که وزارت دفاع آمریکا آن را عمدا همراه سایر موج ها از ماهواره های GPS به سمت گیرنده های غیر نظامی میفرستاد ، دقت تعیین موقعیت با گیرنده های دستی معمولی به ۳ تا ۵ متر رسیده است.البته برای کارهای دقیق ژئودزی و نقشه برداری با استفاده از گیرنده های دو فرکانسه(تفاضلی) به شیوه تعیین موقعیت نسبی میتوان به دقت در حد میلیمتر دست پیدا کرد. البته همین دقت ۳ تا ۵ متر گیرنده های دستی عادی هم نیازهای عمومی ناوبری(کوهنوردی و....) را بخوبی تامین میکند.
●نمونه ای از کاربردهای سیستم GPS
پیش بینی زلزله (در حال حاضر برای پیش بینی زلزله بیش از ۱۲۰۰ GPS در ژاپن نصب شده و همچنین فقط در اطراف شهر لس آنجلس آمریکا ،۲۵۰ GPS در حل اندازه گیری و فعالیت ۲۴ ساعته هستند.) ، نقشه برداری ، کاداستر ، کنترل امور مربوط به حمل و نقل و ترافیک ، کنترل حرکات تکتونیکی زمین ، کنترل جابجایی سدها و برج های بلند، پیش بینی وضع هوا (از طریق اندازه گیری میزان انرژی موج فرستاده شده از سوی GPS پس از عبور از لایه های جو و ابرهای موجود در منطقه مورد نظر) ، ناوبری (زمینی،هوایی،دریایی) ، هیدروگرافی(آبنگاری) ، تعیین موقعیت سکوهای دریایی نفتی،تعیین موقعیت جزیره های مرجانی، مین یابی ، SCAN کردن دریا ، بروز رسانی سیستم های تعیین موقعیت اینرشیال ، استفاده جهت کنترل ماهواره های سنجش از دور(Remote Sensing) و..............
مورد ذکر شده در بالا بخشی از مجموعه کاربردهای فراوان سیستم تعیین موقعیت جهانی(GPS)بود.البته روسها نیز سیستمی مشابه GPS با نام GLONASS دارند که البته ازنظر کارآیی و توان عملیاتی در حال حاضر به پای سیستم GPS نمی رسد.البته گیرنده های مشترک GPS-GLONASS در حال حاضر در بازار ایران یافت می شوند.البته اتحادیه اروپا نیز در حال ساخت یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای با نام گالیله میباشد که طبق پیش بینی ها تا سال ۲۰۰۸ آماده بهره برداری و استفاده عموم خواهد شد. طبق ادعای اتحادیه اروپا محدودیت های موجود در سیستم GPS در گالیله وجود نخواهد داشت.
دولت امریکا در خلال جنگ با عراق اقدام به فرستادن پارازیت بسمت گیرنده های غیر نظامی نموده بود .در چنین زمانهایی که احتمال ارسال امواج پارازیت بر روی گیرنده های GPS می رود به هیچ عنوان نباید روی داده های ارائه شده توسط گیرنده های غیر نظامی حساب باز کرد.در ایران نیز یکی از کارخانجات نظامی دولتی اقدام به ساخت پارازیت انداز GPS نموده که البته دارای برد زیادی نیست.
قیمت گیرنده های GPS مناسب و مرغوب موجود در بازار ایران از ۱۵۰۰۰۰ تومان شروع می شود و به۴۰میلیون تومان هم می رسد.لازم بذکر است کهGPS های Ashtech ساخت آمریکا، بهترینGPS در دنیا هستندو رئیس و صاحب این کارخانه آقای پروفسور جواد اشجعی می باشد. تعدادی از این گیرنده ها عبارتند از:
MAGELLAN , Trimble , Garmin ,Ashtech
حال در ادامه این مقاله به کاربردی جدید از سیستم GPS در علم نجوم می پردازیم. این بخش از مقاله درباره طراحی یک سیستم ناوبری مشابه GPS برای سیاره مریخ می باشد.
● یک سیستم GPS برای مریخ
جستجوگرهای آینده مریخ اعم از اینکه مدارگرد خودکار ثابتی باشند یا انسان , به راهی جهت تعیین موقعیت خودشان نیاز خواهند داشت. برای انجام این مهم پژوهشگران ناسا در حال مطالعه بر روی یک سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای مناسب همانند GPS برای مریخ می باشند که قابلیت انجام وظیفه به عنوان یک شبکه ارتباطی را هم داشته باشد.مکان یاب جهانی ( Global Positioning System ) مجموعه ای متشکل از ۲۷ ماهواره شامل ۲۴ ماهواره اصلی و ۳ ماهواره رزرو می باشد که قادر به تعیین موقعیت هر نقطه روی زمین بهمراه ارتفاع نقطه با دردسترس بودن حداقل ۴ ماهواره در آسمان منطقه مورد نظر می باشد.یکی از طرح های پژوهشگران فرستادن ناوگانی کوچک از فضاپیماها به مریخ می باشد که دانشمندان برای ماموریت های آینده بشری و روباتیک در حال مطالعه بر روی آن می باشند. مایکل مندیلو (Michael Mendilo ) پروفسور اخترشناس در مرکز فیزیک فضایی دانشگاه بوستون و تیمی از پژوهشگران که زیر نظر وی بر روی اثرات یونسفر مریخ مطالعه می کنند , در حال طراحی یک سیستم ناوبری ماهواره ای بدور مریخ می باشند.
در آزمایشگاه پیشرانه جت پروپالشن ناسا(JPL) هم پژوهشگران در حال انجام کارهای زمینی یک شبکه ناوبری و ارتباطی برای مریخ هستند. یک طرح قدیمی تر هم وجود دارد که شامل یک دسته میکروماهواره های کوچکی است که شبکه مریخی( Marsnet ) نامیده می شود و وظیفه اش ارسال داده ها به سفینه مادر( Marsat ) است. وظیفه Marsat نیز تبادل داده های بین مریخ و زمین است.از نظر وستل چارلز(Charles Whestel ) رییس بخش مهندسی برنامه جستجوی مریخ در JPL یک سیستم ناوبری با دقت ۱۰ تا ۱۰۰ متر برای مریخ کافیست. هر چند این دقت قابل مقایسه با دقت حاصل از سیستم فعلی GPS در سیاره زمین نمی باشد. البته مجموعه ماهواره های GPS زمین تنها تأمین کننده ناوبری برای بشر است (البته در سال های اخیر پژوهش هایی در زمینه کاربرد GPS در هواشناسی و زلزله در حال انجام است.) اما پژوهشگران درصدد استفاده از قابلیت های این سیستم در بررسی یونسفر مریخ می باشند.
با افتتاح سیستم GPS در مریخ در حقیقت جهشی در فن آوری روبات های آینده برای سیاره سرخ رخ خواهد داد. در پایان لازم بذکر است که شاید از نظر برخی ,سیستم GPS مریخ یک طرح لوکس و دور از تصور باشد اما با وجود مسائلی که بخشی از آن ها در این مقاله ذکر شد استفاده ازاین سیستم مزایای زیادی در بر خواهد داشت و جهشی در راه اکتشاف کامل سیاره سرخ و پی بردن به رازهای آن می باشد.

سید مازیار سیدنژاد

منبع : فصلنامه شباهنگ