نقشه برداري و دوربين GPS
اگر بخواهیم در مورد کلمه نقشه به یک مفهوم و بیان عامیانه اما دقیق اشاره کنیم می توانیم این بیان را داشته باشیم که در همیشه تاریخ نقشه انسان ها را به تدبیر و تدبر و فکر عمیق دعوت نموده و قبل از هزینه کردن، حرکت کردن و جابجائی انسان را متوجه بررسی نمودن ابعاد مختلف کارش نموده است. نقشی که نقشه بازی می کند از جهت کاهش هزینه ها، بررسی همه جانبه، عدم اتلاف وقت، کاهش خطا و اشتباه، نقش برجسته و ویژه ای است.
حال بپردازیم به رشته نقشه برداری، نقشه برداری علمی است که ریاضی عملی را با فنون اندازه گیری و هنر ترسیم توأم نموده و بوسیله آن قطعاتی از سطح زمین را با کلیه عوارض آن درروی صفحه افقی نمایش می دهد.
نیاز بشر به بهره مندی از منابع زیرزمینی، زمینی، دریایی و هوایی سبب شده تا برای استفاده کامل از این منابع و جلوگیری از هزینه به توسعه علم نقشه برداری بپردازد و نیاز که مادر اختراع است، موجب پیشرفت این رشته شده است.
اکنون به جایی رسیده ایم که انجام هر نوع فعالیت در زمینه های عمرانی، اقتصادی، کشاورزی و نظامی از قبیل احداث سدها، کانال ها، راه ها، نیروگاههای برق، عملیات نظامی وغیره بی نیاز از علوم نقشه برداری نیست.
عناوین دروس و مطالبی که دراین رشته مورد مطالعه قرار می گیرد عبارتند از محاسبات فنی مبانی و عملیات نقشه برداری، ترازیابی، برداشت نقشه، روش های تعیین موقعیت عملیات مساحی، فتوگرامتری مقدماتی، کاربرد رایانه در نقشه برداری و کار با استرئوسکوپ و کار با دستگاه GPS برای تعیین موقعیت ماهواره ای دوربین های نقشه برداری( توتال استیشن، دیستومات دیجیتال، تئودولیت وینوژ)
در گذشته، زماني که تکنولوژي پيشرفته امروزي وجود نداشت، مردم وبخصوص اشخاصي مانند سياحان، جهانگردان و ...گاهي اوقات در يک گستره جغرافيايي و بخصوص شهرها و کشورهاي بيگانه، از مکان دقيق خود با خبر نبودند وحتي گاهي نيز در بيابانها ودرياها مسير خود را گم مي کردند، از سوي ديگر در دنياي قديم، استفاده از ستارگان، قطب نما وساير عوامل طبيعي تا اندازه اي راهگشاي بشر بوده، ضمن اينکه همه اين موارد،بطور کلي انسان عصر گذشته را مورد هدايت و راهنمايي قرار مي داد، در حاليکه امروزه پيچيدگي هاي جغرافيايي، اعم از بافت شهر، خيابان، و... اصولا زمينه استفاده از اينگونه روشها را تا حد زيادي منتفي و بي معنا کرده است. به هر صورت در شرايط فعلي، با گسترش فناوري هاي گوناگون، اين مشکل توسط يک سيستم ماهواره اي مدرن وپيشرفته، با نام و عبارت GPS( Global Position System )که به معناي سيستم موقعيت ياب جغرافيايي مي باشد، رفع شده است. در حقيقت دنياي امروز، دنيايي است که هيچ فردي در آن گم نخواهد شد و همه چيز بر روي تمام نقاط زمين قابل شناسايي است واين قدرت دستيابي به سيستم هاي شناسايي را ماهواره ها ودر اساس کامپيوترها، در اختيار بشر قرار داده اند. امروزه دستگاه هايي به نام گيرنده هاي GPS با قيمتي حدود 100 دلار يا کمتر و در اندازه هاي يک گوشي تلفن همراه، در دسترس مي باشند که با استفاده از آنها هميشه مي توانيد موقعيت دقيق خود را بر روي هر نقطه از کره زمين بدست آوريد. اکثر شما نام GPS را به کرات شنيده ايد، در واقع امروزه بيشتر دستگاههاي الکترونيکي قابل حمل،مانند تلفن هاي همراه پيشرفته، کامپيوترهاي Laptop و PDAها را به سيستم GPS مجهز مي کنند تا شخص دارنده سيستم هاي مذکور، هميشه موقعيت خود را بر روي نقشه الکترونيکي رويت کند.
در اين مقاله ابتدا به کاربرد، مزايا و معايب اين سيستم مي پردازيم و سپس بطور تخصصي، طرز کار و نحوه استفاده از آن را مورد بررسي قرار مي دهيم.
چيست ؟
معمولا وقتي مردم از GPS صحبت مي کنند، منظور آنها دستگاه GPS Receiver يا گيرنده GPS است، اما اين دستگاهها فقط نقش يک گيرنده امواج راديويي را بازي مي کنند و سيستم داخلي آنها چندان پيچيده نيست. ولي در واقع GPS عبارتست از يک صورت فلکي که مجموعه اي از 27 ماهواره است که با دقت هر چه تمام تر در مدار زمين به گردش در مي آيد.
فاصله بين اين 27 ماهواره و سرعت آنها به گونه اي طراحي شده که هيچگاه تداخلي در کارشان ايجاد نمي شود وتمام زمين را تحت پوشش خود قرار مي دهند. اين ماهواره ها بطور دائم وشبانه روزي، امواج راديويي را به تمام سطوح زمين ارسال مي کنند. اين امواج دائما فاصله بين ماهواره ها را گزارش مي دهند؛ به اين ترتيب که اگر يک گيرنده GPS بر روي زمين اين اطلاعات را دريافت کند، از طريق آن قادر به شناسايي موقعيت خود مي باشد.
لازم به ذکر است که امواج راديويي در GPS بر روي 2 فرکانس ????MHz و 1575MHz ارسال مي شود. اين سيستم ارسال و دريافت امواج راديويي، شباهت زيادي به راديو هاي معمولي و ديگر وسايل گيرنده امواج راديويي دارد. در حقيقت شما ميتوانيد راديوهاي خانگي را يک گيرنده GPS فرض نماييد و 27 ماهواره موجود در فضا را نيز Transmitterهاي صدا وسيما بپنداريد. در سيستم GPS به غير از اين 27 ماهواره، تعداد 3 عدد ماهواره اضافي بصورت يدکي وجود دارد که در صورت بروز نقص فني در يکي از ماهواره هاي اصلي، بلافاصله وظيفه آن به يکي از ماهواره هاي يدکي سپرده مي شود. زيرا در صورت از کار افتادن يکي از ماهواره ها، قطعا قسمتي از کره زمين از شناسايي GPS خارج مي شود و افراد دارنده گيرنده GPS در نقاط کور، قادر به دريافت امواج راديويي نيستند. لازم به ذکر است اگر 3 ماهواره يدکي مذکور در مدار زمين قرار نمي گرفت، با بروز مشکلي در يکي از ماهواره هاي اصلي، مي بايست حتما ماهواره جديد به فضا پرتاب شود که اين خود زمان و هزينه زيادي را مي طلبد.
ماهواره هاي مورد بحث در فاصله 19300 کيلومتري زمين قرار دارند و روزي 2 بار به دور زمين مي گردند. نظم قرار گرفتن اين ماهواره ها به گونه اي است که هر گاه با استفاده از تلسکوپ به آسمان نگاه کنيد، حداقل 4 عدد و شايد هم بيشتر از آنها را رويت خواهيد کرد که اين خود نشان دهنده حضور هميشگي اين سيستم در تمام دنيا مي باشد.
کاربرد GPS:
ايده ايجاد ماهواره GPS توسط وزارت دفاع ايالات متحده امريکا در سال 1970 و در جهت کمک به نيروهاي نظامي اين کشور در شناسايي هر چه بهتر مکانهاي مختلف تعبيه و پياده سازي شد و اولين ماهواره GPS در سال 1978 در جو زمين قرار گرفت. در واقع نيروهاي نظامي امريکايي در هر مکان، بلافاصله موقعيت خود را از GPS در خواست مي کنند. بر همين اساس اشتباه در شناسايي محل مورد نظر براي نيروهاي نظامي، در حد چند ميليمتر مي باشد. البته GPS علاوه بر کاربرد نظامي، براي مصارف عمومي مانند دريانوردي نيز مورد استفاده قرار مي گيرد که البته ضريب خطاي نسبتا زيادي نسبت به مصارف نظامي امريکا دارد، ولي بطور کلي اجازه استفاده براي عموم مردم ( براي مصارف غير نظامي ) از اين سيستم در سال 1980 تصويب شد. نظاميان امريکايي براي استفاده از اين سيستم از کد ( رمز عبور ( خاصي استفاده مي کنند، ولي افراد معمولي فقط قادر به استفاده از GPS در مصارف غير نظامي ( عمومي ) هستند، زيرا به رمز اين سيستم دستيابي ندارند و مسلما در سيستم عمومي که در اختيار همه مردم جهان قرار دارد، ضريب خطاي زيادي ( حداقل 15 متر ) وجود دارد.
شايد در بعضي فيلم هاي پليسي ديده باشيد که رديابي به مجرم متصل مي شود تا موقعيت دقيق آن بر روي نقشه الکترونيکي رويت شود، خب اين عمل توسط سيستم GPS انجام مي گيرد. امروزه اکثر هواپيماهاي مسافربري در سراسر جهان نيز به اين سيستم مجهز شده اند که خلبان ها با استفاده از آنها هيچگاه مسير صحيح پرواز را گم نمي کنند. حتي امروزه اکثر کارخانه هاي توليد اتومبيل هاي پيشرفته در جهان، از GPS و نقشه الکترونيکي در اتومبيل هايشان استفاده مي کنند. در واقع اينگونه سيستم ها با استفاده از فناوري GPS قابل پياده سازي است و استفاده از آن به صنعت خاصي محدود نمي شود. لازم به ذکر است که بخش Monitoring اين سيستم ها در اختيار وزارت دفاع امريکا قرار دارد، و دائما هرگونه تبادل اطلاعات بين ماهواره هاي GPS و گيرنده ها در هر نقطه از جهان، ثبت و بررسي مي شود تا استفاده از اين سيستم، توسط کشورهاي ديگر در مراکز حساس مشخص گردد. ضمنا گيرنده هاي GPS علاوه بر نمايش نقشه الکترونيکي از محل دقيق منطقه، قادر به محاسبه سرعت حرکت جسم و حتي نمايش حرکت جسم نيز مي باشد.
با توجه به آنچه مطرح شد، متاسفانه در حال حاضر در کشور ما فعاليت چنداني انجام نگرفته، و حتي بسياري از مردم عادي از وجود اين سيستم و طرز کار آن با اطلاع نيستند. اين در حالي است که در کشورهاي پيشرفته حتي افراد عادي نيز از GPS استفاده مي کنند، ولي با توجه به شرايط فعلي کشور ما، هنوز براي رسيدن عموم به اين فناوري، ظاهرا مدت زماني در پيش خواهد بود.
طريقه محاسبه فاصله ها توسط گيرنده GPS
همانطور که گفته شد، در هر لحظه حداقل چهار عدد از اين ماهواره ها در آسمان قابل رويت است. بر همين اساس يک دستگاه GPS Receiver با دريافت امواج راديويي متصاعد شده از ماهواره هاي مذکور و با ادغام اطلاعات و محاسبات عمليات رياضي، قادر به شناسايي محل مورد نظر هستند. اين محاسبات رياضي در اين سيستم ، Trilateration نام دارد و در فضاي سه بعدي بصورت مجازي انجام مي گيرد.
سيستم زمان در محاسبات :
همانطور که اشاره شد، هر کدام از ماهواره هاي GPS بلا استفاده از امواج راديويي مسافتها را مشخص مي کنند، ولي امواج به تنهايي قادر به شناسايي فاصله ها نيستند، از اينرو براي محاسبه مسافت،از ساعت هاي بسيار دقيق اتمي در ماهواره ها و همچنين گيرنده هاي GPS استفاده مي شود. در اين حالت زمان ارسال هر سيگنال توسط ساعت اتمي موجود در ماهواره، به گيرنده GPS ارسال مي شود، وگيرنده GPS نيز با ساعت داخلي خود تفاضل زماني را بدست آورده و فاصله دقيق را کسب مي کند. همانطور که متوجه شديد، در اين فناوري زمان بسيار مهم است و بصورت نانو ثانيه محاسبه مي گردد.
البته ناگفته نماند يکي از مشکلاتي که در سيستم زمان وجود دارد، گرانقيمت بودن ساعت اتمي مي باشد. بعبارت ديگر قيمت اين ساعت ها حدود 50 تا 100 هزار دلار است که فقط در ماهواره هاي GPS قرار مي گيرد، ولي در گيرنده هاي GPS به روي زمين، از ساعت هاي معمولي ديجيتالي استفاده مي کنند. به همين دليل امکان اختلال در سيستم زماني متصور است و از اين رو در گيرنده هاي GPS از ساعت هايي که دائما Reset مي شود و در واقع نقش کرنومتررا بازي مي کنند، استفاده مي شود.
محدوديت هاي GPS:
مشکلي مهمتر از قيمت زياد ساعت هاي اتمي در سيستم GPS نيز وجود دارد. همانطور که مي دانيد سيگنالهاي راديويي از خارج از جو زمين، توسط ماهواره ها به زمين ارسال مي شود. اين امواج مي بايست از اتمسفر زمين عبور کنند و اتمسفر سرعت انتقال سيگنالها را کم مي کند. بنابراين امواج با تاخير چند صدم ثانيه اي به گيرنده هاي GPS مي رسند، اما گيرنده هاي GPS از وجود اتمسفر زمين خبر نداشته و محل ماهواره ارسال کننده امواج را دورتر از موقعيت حقيقي شناسايي مي کنند.
بنابراين مشاهده مي کنيد که با وجود ساعت هاي اتمي و محاسبات در حد نانو ثانيه، اتمسفر زمين باعث تاخير در ارسال امواج راديويي شده و اختلالي در سيستم GPS ايجاد مي کند و در اين حالت ضريب خطاي Trilateration بالا خواهد رفت. براي رفع اين مشکل، از ايستگاه هاي( DGPS ( Differential GPS که بر روي زمين و در مکانهاي مشخصي قرار دارند استفاده مي شود. اين ايستگاه ها فاصله دقيق بين ماهواره ها تا همان ايستگاه را مي دانند و در صورت بروز خطاي حاصل از اتمسفر زمين، اين خطا را توسط سيگنالهاي راديويي به دستگاه هاي گيرنده هاي GPS انتقال مي دهند تا آنها نيزازاين درصد خطا باخبر باشند. اما 2 نکته مهم در اين رابطه وجود دارد. اولين نکته اين است که دستگاه هاي گيرنده GPS بايد مجهز به سيستم DGPS باشند و نکته دوم اين است که ايستگاه هاي DGPS، امواج راديويي را درهمان منطقه و در اختيار گيرنده هاي GPS همان منطقه قرار مي دهند. زيرا ضخامت اتمسفر زمين در نقاط مختلف متفاوت مي باشد و از اين رو در هر ناحيه ، ايستگاه DGPS خاص همان ناحيه مي تواند قرار بگيرد. همچنين لازم به ذکر است که ايستگاه هاي DGPS قابل حمل بوده و در هر ناحيه اي مي توانند مستقر شوند. از ديگر مشکلات گيرنده هاي GPS اين است که در ساختمان ها نمي توان از آنها استفاده کرد، زيرا امواج راديويي متصاعد شده از ماهواره ها بدرستي از ساختمانها عبور نمي کنند و حتما مي بايست در محيط بدون پوشش، از گيرنده هاي GPS استفاده شود