سیستم GPS در کوادکوپتر چیست ؟

سیستم GPS در کوادکوپتر چیست و چه کاربرد هایی دارد ؟

کنترل و هدایت هرگونه سیستم پروازی کنترلی در درجه اول به خلبان و توانایی او بستگی دارد. در هنگام استفاده از کوادکوپتر های ارزان قیمت و نه چندان حرفه ای معمولا خلبان به کمک ردیابی بصری می تواند موقعیت و جهت را مشخص نماید.
این نوع پهباد ها که به عنوان پهباد های مبتدی شناخته می شوند، اغلب از سیستم GPS برخوردار نیستند. اما در مقابل پهباد های دوربین دار پیشرفته دارای گیرنده های GPS هستند و از این سیستم موقعیت یابی دقیق استفاده می کنند تا قابلیت هایی نظیر پرواز شناور، بازگشت به خانه، پرواز خودکار و … را فراهم نمایند. سیستم GPS در کوادکوپتر چیست ؟
همانطور که اشاره شد، تمامی این قابلیت ها و امکانات نیازمند بهره گیری از سیستم GPS مخصوص پهباد ها هستند، بنابراین بسیار مهم است که خلبانان و کاربران کوادکوپتر های فیلم برداری، مولتی روتور ها و سایر سیستم های پروازی بدون سرنشین اطلاعاتی مقدماتی در مورد ماهیت و عملکرد سیستم موقعیت یابی GPS و نحوه عملکرد آن ها داشته باشند. سیستم GPS در کوادکوپتر چیست ؟

سیستم GPS در پهباد چیست؟

Global Positioning System یا به طور مختصر GPS یک سیستم مسیریابی ماهواره ای است که به کمک گیرنده های رادیویی به جمع آوری سیگنال های ارسالی از سوی ماهواره های در حال چرخش به دور زمین می پردازد تا با استفاده از آن ها موقعیت مکانی، سرعت و زمان پهباد را تعیین کند.
سیستم GPS نسبت به سایر سیستم های مسیریابی فوق العاده دقیق تر است و تنها با چند متر اختلاف موقعیت مکانی پهباد را تعیین می کند. این در حالی است که سیستم های GPS پیشرفته حتی می توانند عملکرد بهتری نیز داشته باشند و با دقت سانتی متری موقعیت مکانی را مشخص نمایند.
از سوی دیگر ساختار کوچک و فشرده مدار های الکتریکی مورد استفاده در گیرنده های GPS باعث شده است تا این نوع سیستم ها از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه باشند و به راحتی در اختیار عموم مردم قرار گیرند.
به طور کلی می توان گفت GPS یک سیستم رادیویی گسترده است که تقریبا تمام نقاط موجود روی کره زمین را تحت پوشش قرار می دهد، و به همین دلیل دسترسی به آن تحت هر شرایطی بسیار آسان است.

توسعه سیستم GPS در سال ۱۹۷۳ میلادی به سفارش ارتش ایالات متحده آغاز شد و در سال ۱۹۷۹ اولین ماهواره در مدار زمین قرار گرفت. این سیستم در ابتدا توسط موشک های بالستیک بین قاره ای مورد استفاده قرار می گرفت، اما از سال ۱۹۸۰ استفاده عمومی از آن رایگان اعلام شد. تا به امروز ۳۱ ماهواره GPS در مدار هایی مشخص قرار گرفته اند و هر کدام دو بار در روز چرخشی کامل در اطراف کره زمین دارند.

سیستم موقعیت یابی GPS چگونه عمل می کند؟

سیستم GPS به کمک مفهوم فرایند Triangulation یک موقعیت مکانی را روی سطح کره زمین تعیین می کند. در فرایند Triangulation که به معنای ردیابی و اندازه گیری شبکه ای از مثلث هاست، موقعیت مکانی یک گیرنده رادیویی از طریق محاسبه فاصله شعاعی سیگنال دریافت شده از منابع ارسال گوناگون تعیین می شود.

سیستم موقعیت یابی GPS چگونه عمل می کند؟

در پهباد ها نیز به منظور اجرای مسیریابی ماهواره ای از روش trilateration استفاده می شود که حداقل نیازمند چهار سیگنال متفاوت است تا بتواند موقعیت مکانی یک گیرنده GPS تعبیه شده داخل پهباد را مشخص کند.
در این روش سیگنال دریافت شده از یک ماهواره به پهباد اعلام می کند که روی سطح یک کره به شعاع مشخص از آن ماهواره قرار گرفته است. در ادامه سیگنال دوم که از سوی ماهواره دیگری ارسال می شود، کره دیگری را نشان می دهد که قسمتی از آن با کره اول در تداخل است.
در این مرحله می توان گفت پهباد و گیرنده GPS داخل آن در نقطه ای روی دایره به وجود آمده در اثر تقاطع دو کره قرار دارد. حالا سیگنال سوم از طرف ماهواره سوم کره سوم را به وجود می آورد که با دو کره دیگر تداخل دارد و دایره مذکور را در دو نقطه قطع می کند. به این ترتیب موقعیت مکانی پهباد تنها به دو نقطه محدود می شود.

به منظور انتخاب نقطه مناسب و مشخص کردن موقعیت مکانی دقیق پهباد، باید به ماهواره چهارم و سیگنال ارسالی از سوی آن رجوع شود. البته در بسیاری از موارد یکی از این دو نقطه به دلیل فاصله بیش از حد از سطح زمین و یا حرکت با سرعت غیر واقعی کنار گذاشته می شود، اما با این حال دلایل دیگری نیز وجود دارند که استفاده از ماهواره چهارم و محاسبه اطلاعات به دست آمده از سیگنال آن را به امری حیاتی تبدیل می کند.

تعیین فاصله گیرنده از ماهواره (شعاع کره) با استفاده از زمان

زمانی که پهباد شما به یک گیرنده GPS مجهز شده است، لازم است که فاصله دقیق آن از سه یا چهار ماهواره ای که سیگنال ها را ارسال می کنند مشخص شود.
هر یک از این ماهواره ها سیگنالی کد گذاری شده ارسال می کند که حاوی بسته های اطلاعاتی در مورد موقعیت مکانی و زمانی ماهواره در هنگام ارسال سیگنال است.
با توجه به این که سیگنال های امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می کنند، کافیست گیرنده روی پهباد ساعت دقیقی داشته باشد تا با محاسبه اختلاف زمان ارسال و دریافت سیگنال و ضرب کردن آن در سرعت نور، فاصله بین گیرنده و ماهواره یا همان شعاع کره مشخص شود. البته باید به این نکته اشاره کنیم که این فرایند دارای معایبی است که در ادامه آن ها را بررسی خواهیم کرد.

مشکل اول نیاز مبرم به ساعت های دقیق و هماهنگ است. خوشبختانه هر یک از ماهواره های GPS دارای چهار ساعت اتمی هستند که دو ساعت سزیمی و دو ساعت دیگر نیز روبیدیومی هستند.
این ساعت ها می توانند زمانی دقیق را به نمایش بگذارند و خطای آن ها تنها یک ثانیه در هر ۱۰۰ هزار سال است. اما گیرنده های موجود در پهباد ها از ساعت هایی به مراتب ضعیف تر استفاده می کنند که دقت آن ها در مقایسه با چهار ساعت اتمی بسیار کمتر است.
به همین دلیل معمولا در تخمین زمان صرف شده برای دریافت سیگنال اختلافاتی وجود خواهد داشت که گیرنده باید آن ها را جبران نماید.

از سوی دیگر امواج رادیویی فقط در خلاء کامل می توانند با سرعت نور حرکت کنند. این خلاء در فضای خارج از جو زمین وجود دارد، اما زمانی که سیگنال به اتمسفر کره زمین می رسد، طول موج آن تغییر می کند و دچار تاخیر می شود. این تاخیر نیز مشکل دیگری است که باید توسط گیرنده برطرف شود.

تصحیح مشکلات موجود در تخمین مسافت

در صورتی که ساعت گیرنده و ساعت ماهواره کاملا هماهنگ باشند، تمام محدوده های کروی در یک نقطه یکدیگر را قطع می کنند. اما با توجه به این که ساعت گیرنده و ساعت ماهواره هماهنگ نیستند، بنابراین گیرنده موجود در پهباد چاره ای جز بهره گیری از یک عامل تصحیح کننده ندارد تا بتواند آن را در تمام محاسبه های زمانی اعمال کند و نقطه ای واحد در تقاطع کره ها دست پیدا کند. در ادامه این عامل تصحیح کننده حتی می تواند در هماهنگ کردن ساعت گیرنده و ساعت های ماهواره مورد استفاده قرار گیرد.

همانطور که در توضیح عملکرد سیستم GPS توضیح دادیم، مشخص کردن فاصله گیرنده تا ماهواره تنها بخشی از فرایند را به انجام می رساند و برای کامل کردن آن لازم است اطلاعاتی دقیق در مورد موقعیت مکانی ماهواره وجود داشته باشد.
واقعیت این است که مدار های در نظر گرفته شده برای چرخش ماهواره ها با دقت فوق العاده بالایی مدل سازی شد اند و به همین دلیل امکان پیش بینی موقعیت مکانی هر ماهواره در آینده وجود دارد.
البته اختلالات جزیی همواره باعث به وجود آمدن تغییراتی در این مدار ها می شوند، اما اندازه گیری آن ها بر اساس سطح زمین به گیرنده اجازه می دهد تا از این تغییرات چشم پوشی کند.
از سوی دیگر اطلاعات مربوط به موقعیت مکانی ماهواره به همراه اطلاعات زمانی در قالب سیگنال به گیرنده ارسال می شود تا محاسبه و پیش بینی حرکت ماهواره در امتداد مدار ها مورد استفاده قرار نگیرد.

تاثیری که جو زمین بر انتشار سیگنال ها دارد نیز از نظر ریاضی مدل سازی و پیش بینی می شود. لازم به ذکر است که در این مدل سازی ها تاثیرات ناشی از ذرات باردار موجود در لایه یونوسفر و همچنین تاثیر لایه تروپوسفر مورد توجه قرار می گیرند. علاوه بر آن زاویه هر سیگنال که طول مسیر پیموده شده در اتمسفر زمین را تعیین می کند نیز توسط گیرنده مورد ارزیابی قرار می گیرد.

کاربردهای GPS

بسیاری از مردم با گیرنده های GPS نصب شده روی اتومبیل ها آشنا هستند و مسیریابی از طریق GPS برای آن ها امری عادی به حساب می آید. اما واقعیت این است که تعیین موقعیت مکانی دقیق روی سطح زمین تنها آغاز راه است و تکنولوژی های خلاقانه می توانند آن را نقطه ای برای شروع تلقی کنند.
به عنوان مثال تصور اتومبیل های بدون سرنشین که با استفاده از مسیریابی GPS در خیابان ها و بزرگراه ها حرکت می کنند خیلی دور از انتظار نیست. چنین قابلیتی ایمنی جاده ها را افزایش می دهد و باعث از بین رفتن خطای انسانی و حوادث ناشی از آن ها می شود. همین نتایج در صورت استفاده از سیستم GPS در کنترل ترافیک هوایی نیز وجود خواهند داشت. جالب است بدانید که در طول چند دهه پیش رو سیستم موقعیت یابی GPS نیاز به سیستم های راداری را کاهش می دهد و ردیابی انواع هواپیما ها و سیستم های پروازی را با دقت بیشتری به انجام می رساند.

علاوه بر وسایل نقلیه و انواع سیستم های پروازی به خصوص پهباد های کنترلی، سیستم GPS کاربرد های دیگری نیز دارد که در مواقع گوناگون باعث برجسته شدن آن می شود.
به عنوان مثال تیم های عملیاتی جستجو و نجات در مواقع اضطراری می توانند با بهره گیری از GPS بهترین مسیر ممکن را تعیین کنند و به سرعت در محل حادثه حاضر شوند.
امروزه کشاورزان نیز در تجهیزات کشاورزی خود از سیستم های GPS استفاده می کنند تا فرایند کاشت و برداشت را مدیریت کنند و در پایان محصولات بیشتری داشته باشند. از سوی دیگر قلاده های مجهز به GPS یکی از ضروری ترین ابزار های مورد استفاده در ردیابی حیوانات به حساب می آید. کسانی که مشکل بینایی نیز دارند می توانند از دستگاه های الکتریکی سخنگو و مجهز به سیستم GPS نهایت بهره را ببرند.

مسیریابی نقطه ای در پهباد های مجهز به GPS

مسیریابی نقطه ای در پهباد های مجهز به GPS

همکاری و تلفیق گیرنده های GPS در کوادکوپتر های پیشرفته امکان مسیریابی نقطه ای را فراهم می کند. مسیریابی نقطه ای متکی بر GPS یک تکنولوژی پیشرفته است که به پهباد ها و کوادکوپتر ها اجازه می دهد به صورت کاملا خودکار به سمت نقطه های از پیش تعیین شده پرواز کنند.
چنین قابلیتی می تواند اطلاعات لازم در مورد سرعت پرواز، ارتفاع و مقصد را در اختیار پهباد قرار دهد. علاوه بر آن برنامه ریزی پرواز شناور برای مدت زمان مشخص در هر یک از این نقطه ها امکان پذیر است.

همانطور که می دانید امروزه پهباد های فیلم برداری و کوادکوپتر ها دوربین دار به طور گسترده در ساخت و ساز های ساختمانی، نگهداری از جاده ها، بازرسی از زیرساخت ها و … مورد استفاده قرار می گیرند.
از سوی دیگر کاربردهایی نیز در زمینه کشاورزی برای این سیستم های پروازی تعریف شده است و بررسی محصولات یا ردیابی حیوانات اهلی و وحشی توسط آن ها صورت می پذیرد.
به کمک مسیریابی نقطه ای متکی بر سیستم GPS علاوه بر این که یک ناحیه می تواند از چندین نقطه از پیش تعیین شده مورد بررسی قرار گیرد، کاربران نیز می توانند از قابلیت پرواز خودکار استفاده کنند و بر دوربین متمرکز شوند.

در پایان می توان گفت که پیشرفت سیستم های GPS مورد استفاده در انواع پهباد ها باعث شده است سودمندی این سیستم های پروازی کنترلی به میزان قابل توجهی افزایش یابد و کاربرد های بیشتری برای آن ها تعریف شود.
به همین دلیل به شما توصیه می کنیم اگر در جستجوی خرید کوادکوپتر دوربین دار پیشرفته یا پهباد فیلم برداری عالی و بدون نقص هستید، حتما از وجود یک سیستم GPS قدرتمند در آن مطمئن شوید.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

میخواهید به بحث بپیوندید؟
احساس رایگان برای کمک!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *