تاریخچه GPS
GPS یا Global Positioning System یک سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی است که توسط ایالات متحده آمریکا توسعه داده شده است. ما قبلا در مقاله “GPS چیست” به صورت کامل این سیستم را به شما معرفی کرده‌ایم. سیستم موقعیت یاب جهانی یا جی‌پی‌اس (GPS) در 27 آوریل 1995 به قابلیت عملیاتی کامل رسید. در این زمان فرماندهی نیروی هوایی ایالات متحده، تکمیل جی‌پی‌اس را نقطه عطفی در تاریخ جهان اعلام کرد. با نگاه به تاریخچه GPS می‌توان گفت که این فناوری چنان در زندگی روزمره ما ادغام شده است که تصور دنیای بدون آن دشوار است! اهمیت استفاده از جی‌پی‌اس در دنیای مدرن روز به روز بیشتر می‌شود. به همین دلیل، ما در این مقاله می‌خواهیم تأثیر جی‌پی‌اس بر زندگی روزمره خود را با نگاهی به تاریخچه GPS، این فنآوری بزرگ بررسی کنیم. با یوفایندر همراه باشید.
نسخه صوتی
اگر امکان مطالعه مقاله تاریخچه GPS را ندارید، ما نسخه صوتی این مقاله را در قالب یک پادکست برای شما آماده کرده‌ایم که می‌توانید به آن گوش دهید.
سفر به فضا و چالش‌های GPS
در سال 1957، روسیه ماهواره اسپوتنیک را به فضا پرتاب کرد. اسپوتنیک اولین ماهواره‌ای بود که با موفقیت به دور زمین چرخید. همانطور که اسپوتنیک به دور سیاره زمین می‌چرخید، ماهواره یک سیگنال رادیویی منتشر کرد. گروهی از دانشمندان در آزمایشگاه فیزیک کاربردی (APL) در دانشگاه جان هاپکینز پدیده عجیبی را مشاهده کردند، فرکانس سیگنالهای رادیویی ارسال شده توسط اسپوتنیک با نزدیک شدن به ماهواره افزایش و فرکانس سیگنال با دور شدن از آن کاهش می‌یافت. این تغییر در فیزیک به عنوان «اثر داپلر» شناخته می‌شود.
استفاده از اثر داپلر اسپوتنیک به دانشمندان اجازه داد تا از سیگنالهای رادیویی برای ردیابی حرکت ماهواره از زمین استفاده کنند. آن‌ها بعداً این ایده را گسترش دادند، اگر موقعیت یک ماهواره را بتوان از روی زمین از طریق تغییر فرکانس سیگنال رادیویی آن تعیین کرد، آنگاه موقعیت یک گیرنده روی زمین را می‌توان با فاصله آن از ماهواره تعیین کرد. در سال 1958، آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته (ARPA) از این اصل برای توسعه ترانزیت (Transit) که اولین سیستم ناوبری ماهواره‌ای در جهان بود، استفاده کرد.
اولین ماهواره‌ای که به فضا پرتاب شد، ماهواره ترانزیت در سال 1960 بود. این ماهواره که در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز توسعه یافت، قادر به ارائه ناوبری برای کاربران نظامی و تجاری از جمله زیردریایی‌های موشکی نیروی دریایی آمریکا بود. این برنامه در اواسط دهه 1960 به نیروی دریایی منتقل شد و تا سال 1968 مجموعه‌ای از 36 ماهواره به طور کامل عملیاتی شدند.
فنآوری ترانزیت دقت را تا ده‌ها متر ارائه می‌کند و با بهبود دقت نقشه‌های مناطق خشک زمین با تقریباً دو مرتبه بزرگی (در مقیاس)، به افزایش پذیرش ناوبری ماهواره‌ای کمک کرد. ترانزیت تا سال 1996 به مدت 28 سال کار کرد و در نهایت وزارت دفاع آمریکا آن را با سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) جایگزین کرد.
ماهواره‌های GPS
دکتر ایوان گتینگ، مؤسس شرکت هوافضا، سیستم قدرتمندتر و دقیق‌‌تری را متصور شد که آن را فانوس دریایی در آسمان می‌دید. در سال 1963، شرکت ايرو اسپيس (Aerospace Corporation) شروع به جستجوی راه‌هایی برای گسترش و بهبود سیستم ناوبری ماهواره‌ای کرد. در یک مطالعه هوافضا در سال 1963، به رهبری فیلیپ دایموند، نیروی هوایی یک برنامه ناوبری ماهواره‌ای جدید به نام 621-B را تشکیل داد.
براساس طرح جیمز وودفورد و هیدیوشی ناکامورا، هر ماهواره به ساعت خود مجهز می‌شود که به طور دوره‌ای از طریق سیگنال ایستگاه‌های زمینی به روز شده که موقعیت ماهواره‌های جی‌پی‌اس را با درجه بالایی از دقت رصد می‌کند. بعداً، تصمیم برای جابجایی ساعت‌ها از گیرنده زمینی به ماهواره پیامدهای گسترده‌ای داشت! بدون نیاز به قرار دادن ساعت روی زمین، دستگاه‌های جی‌پی‌اس می‌توانند کوچک شوند. در نهایت به اندازه‌ای کوچک می‌شوند که در داخل تلفن همراه قرار بگیرند.
توسعه ساعت‌های اتمی در مرکز فناوری فضایی آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا (NRL)، منجر به پیشرفت‌هایی در سیستم ناوبری مبتنی بر ماهواره به نام Timation شد. در تاریخچه جی‌پی‌اس آماده است که دو ماهواره اول Timation که در سال‌های 1967 و 1968 به فضا پرتاب شدند، مجهز به ساعت‌های نوسانگر کریستالی بودند. سومین ماهواره‌ای که در سال 1974 به فضا پرتاب شد، اولین ماهواره مجهز به ساعت اتمی بود که دقت را بسیار بهبود بخشید و پوشش سه بعدی مکان را فراهم کرد.
تاریخچه GPS، جعل مسیر رو به جلو
در نوامبر 1972، سرهنگ نیروی هوایی برادفورد پارکینسون وظیفه نظارت بر برنامه ناوبری ماهواره‌ای را بر عهده گرفت. پارکینسون تیمی را در توسعه مفهومی رهبری نمود که بهترین جنبه‌های پروژه‌های ترانزیت، تایمیشن و پروژه 621B را ترکیب کردند. این پیشنهاد سیستم اصلاح شده در دسامبر 1973 برای یک سیستم برد یک طرفه غیرفعال از 24 ماهواره که از ساعت‌های اتمی در مدارهای متوسط زمین برای ارائه یک دوره 12 ساعته استفاده می‌کرد، تأییدیه وزارت دفاع را دریافت نمود.
تجسم اولیه این رویکرد در سال 1974 آغاز شد، زمانی که نیروی هوایی ایالات متحده توسعه اولین سری ماهواره‌های نواستار (Navstar)، سیستم کنترل زمینی و انواع مختلف تجهیزات کاربری نظامی را آغاز کرد. در فوریه 1978، اولین ماهواره توسعه‌ای Navstar، جی پی اس به فضا پرتاب شد.
سه ماهواره دیگر Navstar تا پایان سال 1978 به فضا پرتاب شدند. بیش از 700 آزمایش بین سال‌های 1977 و 1979 انجام گرفتند که در آن مهندسان هوافضا به تأیید صحت فضای یکپارچه کمک کردند. در اوایل دهه 1980 ماهواره‌های نمایشی جی‌پی‌اس بلوک یک (GPS Block I) به فضا پرتاب شدند.
پیت لئونارد در این عکس در سال 1978 کوله پشتی نواستار را به تن دارد. لئونارد، معاون وقت گروه برنامه ناواستار هوافضا، سرهنگ دان هندرسون (سمت چپ) از دفتر برنامه نواستار و اد لاسیتر (سمت راست)، مدیر اصلی اداره سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای هوافضا در کنار او قرار دارد.
اهمیت جی‌پی‌اس در امنیت ملی
در سال 1983 در دوره رئیس جمهور رونالد ریگان، استفاده از نواستار توسط خطوط هوایی تجاری غیرنظامی در تلاش برای بهبود ناوبری و ایمنی برای سفرهای هوایی مجاز شد. مجوز دسترسی رایگان به داده‌های جی‌پی‌اس برای صنایع خارج از ارتش ایالات متحده اولین گام در جهت استفاده غیرنظامی از این فنآوری بود.
فناوری جی‌پی‌اس در دهه 1980 و 1990 به پیشرفت خود ادامه داد. مرحله تولید و توسعه در سال 1985 آغاز و اولین ماهواره عملیاتی جی‌پی‌اس بلوک دو (GPS Block II) در سال 1989 با موشک دلتا 2 به فضا پرتاب شد. نگرانی همچنین در داخل دولت افزایش یافت زیرا تصور می‌شد که دشمنان ایالات متحده می‌توانند از سیستم جی‌پی‌اس و اطلاعات آن علیه ایالات متحده استفاده کنند.
پذیرش گسترده جی پی اس
از آنجایی که پوشش جی‌پی‌اس به قابلیت‌های کامل عملیاتی ادامه داد، دامنه آن به زندگی غیرنظامیان نیز افزایش یافت. فنآوری جی‌پی‌اس برای اولین بار در تلفن همراه در سال 1999 ظاهر شد، زمانی که بنفون ای‌اس‌سی (Benefon Esc) را منتشر کرد. بنفون ای‌اس‌سی یک تلفن مجهز به جی‌پی‌اس بود که می‌توانست راه را برای محصولات بهتر باز کند.
گوشی Benefon Esc اولین تلفن همراه مجهز به GPS
به زودی فناوری جی‌پی‌اس در خودروها هم استفاده شد. در سال 2000، دولت طرح‌هایی را برای اضافه کردن سه سیگنال جی‌پی‌اس اضافی برای استفاده غیرنظامی تصویب کرد. در نتیجه این تصویب، سیگنالهای جی‌پی‌اس برای غیر نظامیان وارد مرحله جدی‌تر شد.
قیمت گیرنده جی‌پی‌اس و تراشه‌های پردازش نیز از 3 هزار دلار به 1.50 دلار کاهش یافت. افزایش دقت همراه با کاهش هزینه منجر به رشد تصاعدی در استفاده از جی‌پی‌اس برای ناوبری داخل خودرو، خدمات مبتنی بر مکان، فناوری شخصی و استفاده در کشتیرانی، قایقرانی و سایر صنایع شد.
ظهور جی‌پی‌اس جدید
براساس تاریخچه جی‌پی‌اس، مشخص شد که این فنآوری در سال 2000 برای پاسخگویی به کاربردهای نظامی و غیرنظامی به سرعت نیاز به مدرنیزه شدن دارد. راهبردی برای افزودن سیگنالهای جدید به ماهواره‌هایی که هنوز پرتاب نشده‌اند، توسعه داده شد. در حالی که این مورد برای برآورده کردن الزامات مدرن سازی شده به یک برنامه جدید به نام GPS III نیاز داشت.
تا سال 2005، ماهواره‌های Block II شامل پنج پیکربندی مختلف با قابلیت‌های مختلف بودند، ماهواره‌های اصلی II، IIA، IIR در مدار قرار داشتند و 12 IIF مدرن در حال توسعه بود.. اولین IIF مدرن در سال 2010 راه اندازی شد و بقیه تا سال 2017 به فضا فرستاده شدند.
در همان زمان، برنامه GPS III مسیر تایید گرفتن از وزارت دفاع آمریکا را آغاز کرد که این منجر به اعطای قرارداد ماهواره‌ای در سال 2008 و اعطای قرارداد سیستم زمینی در سال 2010 شد. اولین ماهواره GPS III در سال 2018 بر روی یک فالکون اسپیس ایکس 9 پرتاب شد و دومین ماهواره بر روی (ULA Delta IV) در سال 2019 به فضا ارسال شد.
فالکون اسپیس ایکس 9
سومین و چهارمین ماهواره GPS III با موشک فالکون 9 در سال 2020 پرتاب شدند. شش ماهواره باقیمانده قرار است تا سال 2023 پرتاب شوند. برای تکمیل مجموعه کاملی از ماهواره‌های مدرن جی‌پی‌اس، ماهواره‌های GPS III Follow-on (GPS IIIF) در حال حاضر در حال توسعه هستند.
کلام آخر
سعی کردیم در این مقاله مرور خلاصه اما کاملی بر تاریخچه GPS داشته باشیم. تأثیر فناوری ناوبری مبتنی بر فضا همچنان جهان ما را تحت تاثیر خود قرار می‌دهد. گزارش‌ها تخمین می‌زنند که از دهه 1980، ماهواره‌های جی‌پی‌اس نزدیک به 1.4 تریلیون دلار سود اقتصادی به دست آورده‌اند. اکنون از جی‌پی‌اس برای مطالعه علمی زمین لرزه‌ها، آتشفشان‌ها و حرکت صفحات تکتونیکی استفاده می‌کنیم. ناوبری مبتنی بر فضا، برای کمک به ساخت و ساز و بهینه سازی کشاورزی، از جمله استفاده از آب و آفت کش‌ها استفاده می‌شود.
یک مطالعه در سال 2019 تخمین زد که بین سال‌های 2007 تا 2017، خدمات مبتنی بر موقعیت مکانی مجهز به جی‌پی‌اس مانند به مصرف کنندگان آمریکایی کمک کرد تا 52 میلیارد گالن سوخت صرفه جویی کرده و بیش از یک تریلیون مایل مسافت را کمتر طی کنند. همین فنآوری در ایران نیز به طور گسترده در حمل و نقل مردم از نقطه‌ای به نقطه دیگر استفاده می‌شود. درحقیقت، تاریخچه جی‌پی‌اس به خوبی نشان دهنده اهمیت این تکنولوژی در زندگی امروز ماست.
منابع استفاده شده:
