مهندسی پزشکی

فناوری تعیین موقعیت جغرافیایی بوسیله کامپیوتر GPS در گذشته، زمانی که تکنولوژی پیشرفته امروزی وجود نداشت، مردم وبخصوص اشخاصی مانند سیاحان، جهانگردان و ...گاهی اوقات در یک گستره جغرافیایی و بخصوص شهرها و کشورهای بیگانه، از مکان دقیق خود با خبر نبودند وحتی گاهی نیز در بیابانها ودریاها مسیر خود را گم می کردند، فناوری تعیین موقعیت جغرافیایی بوسیله کامپیوتر GPS   در گذشته، زمانی که تکنولوژی پیشرفته امروزی وجود نداشت، مردم وبخصوص اشخاصی مانند سیاحان، جهانگردان و ...گاهی اوقات در یک گستره جغرافیایی و بخصوص شهرها و کشورهای بیگانه، از مکان دقیق خود با خبر نبودند وحتی گاهی نیز در بیابانها ودریاها مسیر خود را گم می کردند، از سوی دیگر در دنیای قدیم، استفاده از ستارگان، قطب نما وسایر عوامل طبیعی تا اندازه ای راهگشای بشر بوده، ضمن اینکه همه این موارد،بطور کلی انسان عصر گذشته را مورد هدایت و راهنمایی قرار می داد، در حالیکه امروزه پیچیدگی های جغرافیایی، اعم از بافت شهر، خیابان، و... اصولا زمینه استفاده از اینگونه روشها را تا حد زیادی منتفی و بی معنا کرده است. به هر صورت در شرایط فعلی، با گسترش فناوری های گوناگون، این مشکل توسط یک سیستم ماهواره ای مدرن وپیشرفته، با نام و عبارت(GPS(Global Position Systemکه به معنای سیستم موقعیت یاب جغرافیایی می باشد، رفع شده است. در حقیقت دنیای امروز، دنیایی است که هیچ فردی در آن گم نخواهد شد و همه چیز بر روی تمام نقاط زمین قابل شناسایی است واین قدرت دستیابی به سیستم های شناسایی را ماهواره ها ودر اساس کامپیوترها، در اختیار بشر قرار داده اند. امروزه دستگاه هایی به نام گیرنده های GPS با قیمتی حدود 100 دلار یا کمتر و در اندازه های یک گوشی تلفن همراه، در دسترس می باشند که با استفاده از آنها همیشه می توانید موقعیت دقیق خود را بر روی هر نقطه از کره زمین بدست آورید. اکثر شما نام GPS را به کرات شنیده اید، در واقع امروزه بیشتر دستگاههای الکترونیکی قابل حمل،مانند تلفن های همراه پیشرفته، کامپیوترهای Laptop و PDAها را به سیستم GPS مجهز می کنند تا شخص دارنده سیستم های مذکور، همیشه موقعیت خود را بر روی نقشه الکترونیکی رویت کند.در این مقاله ابتدا به کاربرد، مزایا و معایب این سیستم می پردازیم و سپس بطور تخصصی، طرز کار و نحوه استفاده از آن را مورد بررسی قرار می دهیم.  GPS چیست ؟معمولا وقتی مردم از GPS صحبت می کنند، منظور آنها دستگاه GPS Receiver یا گیرنده GPS است، اما این دستگاهها فقط نقش یک گیرنده امواج رادیویی را بازی می کنند و سیستم داخلی آنها چندان پیچیده نیست. ولی در واقع GPS عبارتست از یک صورت فلکی که مجموعه ای از 27 ماهواره است که با دقت هر چه تمام تر در مدار زمین به گردش در می آید.فاصله بین این 27 ماهواره و سرعت آنها به گونه ای طراحی شده که هیچگاه تداخلی در کارشان ایجاد نمی شود وتمام زمین را تحت پوشش خود قرار می دهند. این ماهواره ها بطور دائم وشبانه روزی، امواج رادیویی را به تمام سطوح زمین ارسال می کنند. این امواج دائما فاصله بین ماهواره ها را گزارش می دهند؛ به این ترتیب که اگر یک گیرنده GPS بر روی زمین این اطلاعات را دریافت کند، از طریق آن قادر به شناسایی موقعیت خود می باشد.لازم به ذکر است که امواج رادیویی در GPS بر روی 2 فرکانس  ۱۲۲۸MHz و 1575MHz ارسال می شود. این سیستم ارسال و دریافت امواج رادیویی، شباهت زیادی به رادیو های معمولی و دیگر وسایل گیرنده امواج رادیویی دارد. در حقیقت شما میتوانید رادیوهای خانگی را یک گیرنده GPS فرض نمایید و 27 ماهواره موجود در فضا را نیز Transmitterهای صدا وسیما بپندارید. در سیستم GPS به غیر از این 27 ماهواره، تعداد 3 عدد ماهواره اضافی بصورت یدکی وجود دارد که در صورت بروز نقص فنی در یکی از ماهواره های اصلی، بلافاصله وظیفه آن به یکی از ماهواره های یدکی سپرده می شود. زیرا در صورت از کار افتادن یکی از ماهواره ها، قطعا قسمتی از کره زمین از شناسایی GPS خارج می شود و افراد دارنده گیرنده GPS در نقاط کور، قادر به دریافت امواج رادیویی نیستند. لازم به ذکر است اگر 3 ماهواره یدکی مذکور در مدار زمین قرار نمی گرفت، با بروز مشکلی در یکی از ماهواره های اصلی، می بایست حتما ماهواره جدید به فضا پرتاب شود که این خود زمان و هزینه زیادی را می طلبد.ماهواره های مورد بحث در فاصله 19300 کیلومتری زمین قرار دارند و روزی 2 بار به دور زمین می گردند. نظم قرار گرفتن این ماهواره ها به گونه ای است که هر گاه با استفاده از تلسکوپ به آسمان نگاه کنید، حداقل 4 عدد و شاید هم بیشتر از آنها را رویت خواهید کرد که این خود نشان دهنده حضور همیشگی این سیستم در تمام دنیا می باشد.  کاربرد GPS:ایده ایجاد ماهواره GPS توسط وزارت دفاع ایالات متحده امریکا در سال 1970 و در جهت کمک به نیروهای نظامی این کشور در شناسایی هر چه بهتر مکانهای مختلف تعبیه و پیاده سازی شد و اولین ماهواره GPS در سال 1978 در جو زمین قرار گرفت. در واقع نیروهای نظامی امریکایی در هر مکان، بلافاصله موقعیت خود را از GPS در خواست می کنند. بر همین اساس اشتباه در شناسایی محل مورد نظر برای نیروهای نظامی، در حد چند میلیمتر می باشد. البته GPS علاوه بر کاربرد نظامی، برای مصارف عمومی مانند دریانوردی نیز مورد استفاده قرار می گیرد که البته ضریب خطای نسبتا زیادی نسبت به مصارف نظامی امریکا دارد، ولی بطور کلی اجازه استفاده برای عموم مردم ( برای مصارف غیر نظامی ) از این سیستم در سال 1980 تصویب شد. نظامیان امریکایی برای استفاده از این سیستم از کد ( رمز عبور ) خاصی استفاده می کنند، ولی افراد معمولی فقط قادر به استفاده از GPS در مصارف غیر نظامی ( عمومی ) هستند، زیرا به رمز این سیستم دستیابی ندارند و مسلما در سیستم عمومی که در اختیار همه مردم جهان قرار دارد، ضریب خطای زیادی ( حداقل 15 متر ) وجود دارد.شاید در بعضی فیلم های پلیسی دیده باشید که ردیابی به مجرم متصل می شود تا موقعیت دقیق آن بر روی نقشه الکترونیکی رویت شود، خب این عمل توسط سیستم GPS انجام می گیرد. امروزه اکثر هواپیماهای مسافربری در سراسر جهان نیز به این سیستم مجهز شده اند که خلبان ها با استفاده از آنها هیچگاه مسیر صحیح پرواز را گم نمی کنند. حتی امروزه اکثر کارخانه های تولید اتومبیل های پیشرفته در جهان، از GPS و نقشه الکترونیکی در اتومبیل هایشان استفاده می کنند. در واقع اینگونه سیستم ها با استفاده از فناوری GPS قابل پیاده سازی است و استفاده از آن به صنعت خاصی محدود نمی شود. لازم به ذکر است که بخش Monitoring این سیستم ها در اختیار وزارت دفاع امریکا قرار دارد، و دائما هرگونه تبادل اطلاعات بین ماهواره های GPS و گیرنده ها در هر نقطه از جهان، ثبت و بررسی می شود تا استفاده از این سیستم، توسط کشورهای دیگر در مراکز حساس مشخص گردد. ضمنا گیرنده های GPS علاوه بر نمایش نقشه الکترونیکی از محل دقیق منطقه، قادر به محاسبه سرعت حرکت جسم و حتی نمایش حرکت جسم نیز می باشد.با توجه به آنچه مطرح شد، متاسفانه در حال حاضر در کشور ما فعالیت چندانی انجام نگرفته، و حتی بسیاری از مردم عادی از وجود این سیستم و طرز کار آن با اطلاع نیستند. این در حالی است که در کشورهای پیشرفته حتی افراد عادی نیز از GPS استفاده می کنند، ولی با توجه به شرایط فعلی کشور ما، هنوز برای رسیدن عموم به این فناوری، ظاهرا مدت زمانی در پیش خواهد بود.  طریقه محاسبه فاصله ها توسط گیرنده GPS :همانطور که گفته شد، در هر لحظه حداقل چهار عدد از این ماهواره ها در آسمان قابل رویت است. بر همین اساس یک دستگاه GPS Receiver با دریافت امواج رادیویی متصاعد شده از ماهواره های مذکور و با ادغام اطلاعات و محاسبات عملیات ریاضی، قادر به شناسایی محل مورد نظر هستند. این محاسبات ریاضی در این سیستم ، Trilateration نام دارد و در فضای سه بعدی بصورت مجازی انجام می گیرد.سیستم زمان در محاسبات :همانطور که اشاره شد، هر کدام از ماهواره های GPS بلا استفاده از امواج رادیویی مسافتها را مشخص می کنند، ولی امواج به تنهایی قادر به شناسایی فاصله ها نیستند، از اینرو برای محاسبه مسافت،از ساعت های بسیار دقیق اتمی در ماهواره ها و همچنین گیرنده های GPS استفاده می شود. در این حالت زمان ارسال هر سیگنال توسط ساعت اتمی موجود در ماهواره، به گیرنده GPS ارسال می شود، وگیرنده GPS نیز با ساعت داخلی خود تفاضل زمانی را بدست آورده و فاصله دقیق را کسب می کند. همانطور که متوجه شدید، در این فناوری زمان بسیار مهم است و بصورت نانو ثانیه محاسبه می گردد.البته ناگفته نماند یکی از مشکلاتی که در سیستم زمان وجود دارد، گرانقیمت بودن ساعت اتمی می باشد. بعبارت دیگر قیمت این ساعت ها حدود 50 تا 100 هزار دلار است که فقط در ماهواره های GPS قرار می گیرد، ولی در گیرنده های GPS به روی زمین، از ساعت های معمولی دیجیتالی استفاده می کنند. به همین دلیل امکان اختلال در سیستم زمانی متصور است و از این رو در گیرنده های GPS از ساعت هایی که دائما Reset می شود و در واقع نقش کرنومتررا بازی می کنند، استفاده می شود.  محدودیت های GPS:مشکلی مهمتر از قیمت زیاد ساعت های اتمی در سیستم GPS نیز وجود دارد. همانطور که می دانید سیگنالهای رادیویی از خارج از جو زمین، توسط ماهواره ها به زمین ارسال می شود. این امواج می بایست از اتمسفر زمین عبور کنند و اتمسفر سرعت انتقال سیگنالها را کم می کند. بنابراین امواج با تاخیر چند صدم ثانیه ای به گیرنده های GPS می رسند، اما گیرنده های GPS از وجود اتمسفر زمین خبر نداشته و محل ماهواره ارسال کننده امواج را دورتر از موقعیت حقیقی شناسایی می کنند.بنابراین مشاهده می کنید که با وجود ساعت های اتمی و محاسبات در حد نانو ثانیه، اتمسفر زمین باعث تاخیر در ارسال امواج رادیویی شده و اختلالی در سیستم GPS ایجاد می کند و در این حالت ضریب خطای Trilateration بالا خواهد رفت. برای رفع این مشکل، از ایستگاه های (DGPS (Differential GPS که بر روی زمین و در مکانهای مشخصی قرار دارند استفاده می شود. این ایستگاه ها فاصله دقیق بین ماهواره ها تا همان ایستگاه را می دانند و در صورت بروز خطای حاصل از اتمسفر زمین، این خطا را توسط سیگنالهای رادیویی به دستگاه های گیرنده های GPS انتقال می دهند تا آنها نیزازاین درصد خطا باخبر باشند. اما 2 نکته مهم در این رابطه وجود دارد. اولین نکته این است که دستگاه های گیرنده GPS باید مجهز به سیستم DGPS باشند و نکته دوم این است که ایستگاه های DGPS، امواج رادیویی را درهمان منطقه و در اختیار گیرنده های GPS همان منطقه قرار می دهند. زیرا ضخامت اتمسفر زمین در نقاط مختلف متفاوت می باشد و از این رو در هر ناحیه ، ایستگاه DGPS خاص همان ناحیه می تواند قرار بگیرد. همچنین لازم به ذکر است که ایستگاه های DGPS قابل حمل بوده و در هر ناحیه ای می توانند مستقر شوند. از دیگر مشکلات گیرنده های GPS این است که در ساختمان ها نمی توان از آنها استفاده کرد، زیرا امواج رادیویی متصاعد شده از ماهواره ها بدرستی از ساختمانها عبور نمی کنند و حتما می بایست در محیط بدون پوشش، از گیرنده های GPS استفاده شود. گیرنده های سیستم GPS در ابتدا قسمتهای یک گیرنده را شرح می دهیم و در ادامه به توضیح هر کدام خواهیم پرداخت . بخشهای اصلی یک گیرنده GPS عبارتند از : 1_ آنتن با Preamplifier گیرنده های سیستم GPS در ابتدا قسمتهای یک گیرنده را شرح می دهیم و در ادامه به توضیح هر کدام خواهیم پرداخت . بخشهای اصلی یک گیرنده GPS عبارتند از : 1_ آنتن با Preamplifier 2_ بخش RF ( Radio Frequency ) 3_ بلوک ردیابی سیگنال 4_واحد ورودی دستورات و واحد نمایش 5_واحد خروجی و ذخره داده ها 6 _منبع نیرو 7 _میکروپروسسور آنتن : آنتن گیرنده وسیله ای است جهت تبدیل انرژی الکترومغناطیسی موج به جریان الکتریکی . به عبارت ساده تر ، آنتن سیگنالهای ماهواره های بالای افق خود را دریافت و بعد از انکه نویزها را به کمک فیلتر هایی از ورودی سیگنالها برداشته آنها را به بخش RF انتفال می دهد . یک مشخصه اصلی در آنتها الگوی حصول (Gain Panern  ( آنها می باشد که حساسیت آنها در دریافت سیگنالهایارسالی از زاویه ارتفاعی مشخصی را نشان می دهد . بر طبق این الگو انتنها موظف می شوند که سیگنالهای ارسالی از ماهواره ها را تتا زائیه ارتفاعی مشخصی دریافت کنند . Gain آنتن باید متناسب با نوع کاربرد گیرنده باشد . به عنوان مثال در کارهای Static در مکانهای شهری ، Gain آنتن باید به گونه ای باشد که امواج ارسالی از ماهواره ها با زاویه ارتفاعپایین را دریافت نکند (جهت اجتناب از بروز پدیده چند مسیری ( Multipath ) ) و در کاربرد های ناوبری در دریا ها انتنهایی با Gain بالا نیاز است تا امواج مربوط به ماهواره ها با زاویه ارتفاعی پایین را نیز دریافت کند . توضیح : یکی از اثرات و خطاهایی که در GPS با آن مواجه هستیم ، اثر چند مسیری (Multipath  ) می باشد . این پدیده در اثر انعکاس امواج از سطح منعکس کننده مانند ساختمانها به وجود می آید . در اثر این پدیده آنچه گیرنده دریافت می کند سیگنالی است که از دو یا چند مسیر مختلف به آن رسیده است . جهت اجتناب از این مسئله معمولاً الگوی حصول آنتن را به گونه ای طراحی می کنند که سیگنالهای ماهواره ها تا زاویه ارتفاعی مشخصی را ردیابی نمایند که به این زاویه ارتفاعی Cut of angle می گویند . معمولاً  Cut of angle را 15 درجه اختیار می کنند . یعنی آنتنها سیگنالهای ارسالی با زاویه ارتفاعی کمتر از 15 درجه را دریافت نمی کنند . الگوی خصول آنتن باید به گونه ای باشد که اجازه ورود سیگنالهای چند مسیری را به گیرنده ندهد . یک مشخصه دیگر آنتنها ، استحکام مرکز فاز آنها می باشد . مرکز الکترونی آنتنها باید بر مرکز فیزیکی آنها نزدیک باشد و همچنین باید نسبت به دوران هم غیر حساس باشد . این مسئله به خصوص در کاربردهایی که آنتن در حال حرکت است اهمیت زیادی دارد . برای آنتنهای مورد استفاده در کاربردهای دقیق تعیین موقعیتی ، مرکز فاز آنتن یعنی مرکز آلکتریکی آن که موقعیت به آن منسوب می شود باید از استحکام بالایی برخوردار باشد . انواع آنتنهای GPS : باید ذکر کنم که انواع مختلفی از آنتنها در سیتم  GPS مورد بهره برداری قرار می گیرند اما عمده آنها عبارتند از : Dipoles   یا Monopole Quadrifila helix   یا Volutes  Spiral helix Micro strip Choke ring لازم به ذکر است که برخی از آنتنهای ذکر شده مانند Micro strip به یک Ground Plane نیاز دارند که معمولاً این نیاز با قطعات فلزی که المانهای آنتن Micro strip روی آن قرار می گیرد مرتفع می شود . خصوصیات آنتنها : Dipoles   یا Monopole  : _ به یک Ground Plane نیاز دارد _ تک فرکانسه هستند _ عمده مزیت آنها این است که اندازه آنها کوچک بوده و به آسانی قابل ساخت هستند _ اندازه Ground Plane می تواند به گونه ای طراحی شود که خطای چند مسیری را کاهش دهد . Quadrifila helix   یا Volutes _ به Ground Plane نیاز ندارند _ تک فرکانسه هستند _ از نقطه نظر ساخت پیچیده تر از گیرنده های  Dipole می باشند _ Gain Pattern خوبی دارند Spiral helix  _ دو فرکانسه هستند _ Ground Plane خوبی دارد _ مرکز فاز این آنتنها از استحکام خوبی برخوردار نیست Micro strip _ ممکن است تک فرکانسه یا دو فرکانسه باشند _ از نقطه نظر ساخت ساده هستند _ با داشتن مقطع کوچک برای کاربردهای ناوبری ایده آل هستند _ عیب عمده این آنتنها این است که Gain یایینی دارند Choke ring _ عموماً دو فرکانسه هستند _ به یک Ground Plane نیاز دارند _ شامل چندین حلقه متحدالمرکز به محور قائم آنتن هستند _ Ground Plane به گونه ای طراحی شده اند که اثر چند مسیری را کاهش می دهند . بخش Radio Frequency : بخش RF بخش اصلی آنتن و در واقع قلب گیرنده می باشد . وظیفه اصلی این بخش ، تبدیل فرکانسهای سیگنال در یافتی در آنتن به فرکانس پایین تر که فرکانس متوسط IF یا فرکانس بیت می باشد . یک قسمت مهم در این بخش ، تعداد کانالها و به عبارت دیگر تعداد ماهواره هایی است که می توانند به طور همزمان ردیابی شوند . در گیرنده های قدیمی ، تعداد کانالها محدود بود و ردیابی ماهواره ها به صورت متوالی روی همان کانال صورت می گرفت ( حدود هر 20 ثانیه یک ماهواره تعقیب می شد و در انتهای این زمان ماهواره بعدی تعقیب می شد ). امروزه بیشتر گیرنده ها ، ماهواره ها را در کانالهای جداگانه ردیابی می کنند و ردیابی ماهواره ها به صورت پیوسته صورت می گیرد . گیرنده های چند کاناله ، دقت بیشتری دارند و نسبت به گم کردن سیگنال و قطع Lock  غیر حساس تر هستند ، اما دارای بایاسهای بین کانالی می باشد که این بایاسها در گیرنده های مدرن می تواند به طور کامل کالیبره شده و در سطح کمتر از 1/0 میلیمتر نگه داشته شوند . المنهای اصلی بخش RF عبارتند از : _ اسیلاتورها ، برای تولید فرکانس مرجع _ فیلتر ها ، برای حذف فرکانسهای ناخواسته _ Mixer ها ، جهت ضرب فرکانسها در هم