مقدمه:

از آن زمان که بشر پا بر این کره‌ی خاکی نهاد و شروع به سیرو سیاحت کرد همواره نیاز داشت تا بداند که درهرلحظه چه موقعیتی دارد و برای اینکه به مقصد خود برسد چه مسیری را بایستی طی نماید. بنابراین مسئله تعیین موقعیت و مسیر که در اصطلاح به آن « ناوبری » اطلاق می‌شود ریشه‌ی بسیار عمیق و ژرفی به اندازه‌ی طول عمر آدمی در عرصه‌ی گیتی دارد وهمواره یکی از معضلات بشر به حساب می‌آید. برای حل  چنین مشکلی در اعصار و ادوار مختلف راه حل‌های گوناگونی پیش بینی شده است که هر یک به نوبه‌ی خود محاسن ونواقصی را نسبت به سایر روش‌ها داشته‌اند.

2- معرفی سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS)

(GPS)، یک سیستم هدایت ماهواره‌ای است که توسط وزارت دفاع آمریکا طراحی شده و کنترل می‌گردد. این سیستم طی چند سال اخیر عملکرد بسیار موفقی را از خود نشان داده و بسیار مورد توجه قرار گرفت، زیرا هر کاربری با استفاده از یک گیرنده GPS به راحتی می‌تواند تعیین کند که در کجا قرار گرفته و به کدام سمت بایستی برود. سیستم GPS شامل 24 ماهواره ناو استار15 در فاصله 20 هزار کیلومتری (12هزارمایل) از سطح زمین در حال گردش می‌باشند.

 اولین ماهواره از این مجموعه در سال 1987 میلادی به فضا پرتاب گردید و در نهایت کل این ساختار در سال 1994 تکمیل گردید.

3- نحوه‌ی عملکرد GPS

 یک گیرنده از چند ماهواره مختلف (سه ماهواره و دقیق‌تر چهار ماهواره) سیگنال حاوی اطلاعات را دریافت نموده و فرآیند محاسباتی لازم را بر روی آن انجام می‌دهد. به این صورت که ماهواره‌های GPS یک رشته سیگنال‌های رادیویی دقیق زمانی منتشر می‌کنند و بهره برداری که در زمین، هوا و یا دریا قرار دارد با یادداشت زمانی که سیگنال را دریافت کرده و تاخیری که هر کدام از سیگنال‌ها در مسیر پیدا کرده‌اند و اطلاع دقیق از موقعیت ماهواره در هنگام ارسال سیگنال، فاصله‌ی دقیق خود را نسبت به هر یک از ماهواره‌ها محاسبه می‌نماید. سپس با انجام فرآیند محاسبه‌ی هندسی به نام مثلث‌بندی16، موقعیت خود را (طول، عرض و ارتفاع) مشخص ‌کند.

4- تشخیص موقعیت ماهواره‌های GPS

به دلیل ارتفاع مشخص ماهواره‌ها از سطح زمین، متخصصان وزارت دفاع آمریکا (DOD) که بر روی فعالیت صحیح مجموعه‌ی GPS نظارت و کنترل دارند، می‌توانند مسیر ماهواره‌ها را بر حسب زمان با دقت بالایی مشخص کنند. همچنین ماهواره‌ها نیز در فواصل زمانی خاص، فاصله‌ی خود را از زمین تنظیم می‌نمایند.

امروزه گیرنده‌های GPS اطلاعات مربوط به مدار و مکان ماهواره‌ها را در یک فایلی به نام تقویم ذخیره می‌کنند. با استفاده از آن می‌توانیم همواره حدود محل هر ماهواره را در هر زمان تخمین بزنیم.

5- تعداد ماهواره‌ها‌ی لازم برای تعیین موقعیت

در حالت ایده ال سه ماهواره برای اندازه گیری موقعیت یک گیرنده کافی است اما به صورت دقیق این مسئله به اثبات رسیده که در شرایط کاری برای تعیین موقعیت یک گیرنده با حداقل خطا لازم است تا از ماهواره‌ی چهارمی هم بهره گیری نمود.

در صورتی سه ماهواره برای مکان‌یابی کافی است که سیگنال ماهواره‌ی فرستنده و دستگاه گیرنده دقیقاً و به صورت مدام با هم به صورت همزمان کار نمایند اما متاسفانه همزمانی بین این دو سیگنال غیر ممکن است، زیرا ساعت موجود در گیرنده GPS به دقت و کیفیت ساعت‌های دقیق اتمی بکار رفته در ماهواره نیست.

6- بخش‌های اساسی GPS

سیستم GPS از سه بخش اساسی زیر تشکیل شده است :

- بخش فضایی    - بخش کنترل زمینی     - بخش کاربری (گیرنده GPS)

7- کاربردهای GPS

1- کاربردهای غیر نظامی

-پیش بینی زلزله                                - ردیابی وکنترل حرکت کشتی ها

-هدایت اتوبوس ها وقطارهای شهری      -نقشه برداری و ژئو دزی

-کوهنوردی وفعالیت های ورزشی            -یافتن منابع طبیعی                                

2- کاربردهای نظامی

اطلاعات دقیق و به روز از موقعیت نیروهای خودی و دشمن ،  یکی  از مهم‌ترین اطلاعاتی است که هر فرمانده نظامی در صدد دستیابی به آن است.

 امروزه که حوزه‌ی الکترونیک با سرعت قابل ملاحظه‌ای به رشدخود ادامه می‌دهد اگر بتوان چنین اطلاعاتی را به موقع تهیه کرده و مورد استفاده قرار داد، قطعاً بازده عملکرد نیروهای نظامی نیز بهبود می‌یابد.

8- کاربردهای نظامی ـ استراتژیک GPS

 - گردآوری اطلاعات (جاسوسی)       - تقویت سیستم‌های سلاح میدان نبرد 

- افزایش دقت موشک‌های بالستیک    - استفاده در سلاح‌های هدایت شونده       

9- عوامل ایجاد خطا در GPS

سیستم GPS طوری طراحی شده است که تاحد امکان اطلاعات بدست آمده از آن دقیق باشد. با این وجود هنوز هم عواملی وجود دارد که باعث ایجاد خطا در تشخیص دقیق موقعیت واقعی گیرنده GPS می‌شود.  خطا عوامل مختلفی دارد که در اینجا به طور اختصار به بعضی از آنها اشاره می‌کنیم

1 - خطای یونیسفر : لایه یونیسفر یکی از عمده عواملی است که باعث ایجاد خطا در عملکرد GPS می‌گردد.

2- خطای اتمسفر: بعد ازآنکه سیگنال GPS از لایه‌ی یونیسفر گذشت، وارد اتمسفر زمین می‌شود. متاسفانه بخار آب موجود در این ناحیه هم باعث ایجاد تغییر در سرعت امواج رادیویی می‌گردد.

3- خطای ساعت ماهواره: با وجودی که این ساعت‌ها جزو دقیق‌ترین ساعت‌ها می‌باشند اما هنوز در معرض تغییرات بسیار جزئی قرار دارند.

4- خطای گیرنده: گیرنده‌های GPS هم در بعضی مواقع دچار اشتباه می‌شوند.

5- خطای مسیر‌های چند گانه (چند مسیری):‌ وقتی بخشی از سیگنال GPS، قبل از رسیدن به آنتن گیرنده، به یک سطح قابل انعکاس برخورد کرده و سپس به آنتن برسد پدیده‌ی چند مسیری اتفاق می‌افتد.

6- خطای ناشی از دستکاری‌های عمدی: وزارت دفاع آمریکا با توجه به ملاحظات سیاسی یا تاکتیکی به‌طور عمدی اقدام به وارد کردن خطا در زمان و مسیر حرکت ماهواره‌ها می‌نماید و دقت سیستم را تاحدود 70 متر کاهش می‌دهد.