GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM).

  Huenda umekuwa ukijiuliza mara kadhaa kuhusu jinsi kifaa hiki kinafanaya kazi. Hapa utapata kujua kila kitu kuhusu GPS kwa njia na lugha rahisi zaidi.

  GPS (Global Positioning System) NI NINI?

  Ni mfumo unaotumika kukokotoa mahali mtu au kitu au kifaa hicho kipo kwenye sehemu yoyote duniani. Mfumo huo unaongozwa na kitengo cha Ulinzi cha Marekani (DoD US Department of Defense) na Shirika la anga  NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging).

  Mfumo huo unatumia satellite zilizo angani zinazozunguka dunia katika umbali wa kilomita 299,460 kutoka usawa wa bahari katika mwendo-kasi ya kilomita 11,270 kwa saa (spidi ambayo ni mara 10 ya spidi ya ndege ya abiria iendayo kasi zaidi duniani Cessna Citation X). Satellite hizo hutumia masaa 12 kumaliza mzunguko wazo. Hii inamaanisha kwamba,satellite hizo hupita katika eneo lolote duniani mara mbili kwa siku.

  Mfumo huo wa GPS una vitengo vitatu...

   1.MFUMO WA SATELLITE WENYEWE ANGANI (GPS Constellation).
 ~Kitengo hiki ndio satellite zilizo angani ambazo kwa mara ya kwanza ziliwekwa mwaka 1978 na shirika la Air Force la Marekani. Mpaka sasa kuna satellite 24 hivi angani zinazozunguka dunia katika mwendo-kasi wa kilomita 11,270. Zimewekwa mbali na dunia ili kuhakikisha kuwa haziathiriwi na hali ya hewa ya dunia.
  Zinaendeshwa na nguvu ya jua,na betri za Nicad kwa dharura kama ikitokea Kupatwa kwa jua. Pia ndani yake kuna saa za ki-atomiki nne ambazo ziko sahihi sana,lakini ni moja tu ndiyo inayotumika.

  Njia za satellite (Satellite Orbit)

 ~Kuna njia kuu sita ambazo satellite hizo 24 zinatumia kuzunguka dunia. Hii ikimaanisha kwamba Katika kila njia ya satellite hizo kuna satellite 4 zinazioitumia njia hiyo (ukigawanya 24 kwa 4). Kama ionekanavyo kwenye picha chini 

  

Mawimbi ya Satellite (Satellite Signal)

 ~Mawimbi ya redio ya Satellite za GPS yanatumia masafa (frequency) ya aina mbili kufikisha taarifa duniani katika mwendo-kasi wa mwanga kilomita 299,460 kwa saa (186,000 miles per hour). Masafa hayo yanaitwa L1 na L2. Masafa hayo yanatumia muda ambao ni chini ya sekunde moja kufika duniani kutoka katika satellite hizo. 

  Mawimbi hayo yanahitaji kusafiri moja kwa moja toka kwenye satellite hizo bila kizuizi chochote njiani. Hii inamaanisha kwamba,mawimbi hayo hayawezi kupenya katika udongo,misitu minene au kuta mbalimbali.

2.KITENGO/KITUO CHA UONGOZAJI (DoD Monitoring).

~Hiki ni kitengo cha uongozaji Falcon Air Force Base kilicho nchini Marekani katika mji wa Colorado Spring. Kuna vituo vingine katika nchi ya Hawaii,kisiwa cha Ascension,Diego Garcia na Kwajelein. Vituo hivyo vinaongoza satellite hizo na kama kuna tofauti zozote kwenye njia za satellite hizo,kitarakirishi (computer) katika vituo hivyo hutuma habari hizo katika satellite ili kurekebisha tatizo hilo.

3.KITENGO CHA MTUMIAJI (User Segment).

~Hiki ndicho kitengo kinacho kamilisha mfumo wa GPS yaani Mtumiaji. Baada ya mawimbi hayo kutoka katika satellite,yanakuja moja-kwa-moja kwa mtumiaji ili yaweze kutafsiriwa na kupata majibu. Hapa kuna watumiaji wawili (Wanajeshi na raia wa kawaida). Wanajeshi wana teknolojia kubwa zaidi ya ile ipatikanayo katika GPS za raia wa kawaida. Hii ni kwa sababu,wanajeshi wanahitaji vifaa sahihi zaidi kwa ajili ya matumizi yao.

   ~Sasa,acha tuone jinsi kifaa hiki kinaweza kukokotoa mahali ulipo kwa usahihi kabisa!

KUKOKOTOA UMBALI KATI YA GPS DUNIANI NA SATELLITE!

   Ili Kifaa-kipokeaji cha mawimbi yaani GPS Receiver kilicho duniani kiweze kukokotoa mahali ulipo kwa usahihi kabisa,kinahitaji kwanza kujua umbali uliopo kati yake na Satellite za GPS. Kinafanya hivyo kwa kupima muda ambao mawimbi hayo kutoka kwenye satellite yametumia kukifikia. 

  Kitendo hicho kinaitwa Satellite Ranging. Kinachofanyika ni kwamba,satellite ya GPS inatuma mawimbi yake kuja katika kifaa-kipokeaji cha GPS kilicho duniani. GPS iliyopo duniani inakokotoa muda ambao mawimbi yaliyotumwa na Satellite umechukua kukifikia kwa kutumia saa ya ki-atomiki iliyo ndani yake.

  ~Lakini,GPS iliyo duniani inawezaje kujua muda ambao mawimbi hayo yaliondoka kwenye satellite iliyo angani?

Kitu rahisi sana!!!!

  GPS zote,zimeunganishwa (synchronized) na satellite ili ziweze kutengeneza code fulani katika wakati mmoja ili kurekodi kila kazi inayofanywa na satellite pamoja nazo. Hivyo,GPS iliyopo duniani itafungua code hiyo na kukumbuka mawimbi hayo yalitumwa saa ngapi. 

  Sasa inaweza kukokotoa muda ambao mawimbi hayo yalitumia kufika duniani. 

  ~Lakini,muda huo sio umbali. Sasa kifaa hicho kinapataje umbali? Endelea kusoma...

  Kinachofanya ni kuzidisha muda huo na mwendo-kasi wa Mwanga (299,460 km kwa saa) ili kupata umbali ambao mawimbi hayo yametumia kufika duniani!

KUKOKOTOA ENEO ULILOPO!

  Sasa,GPS inajua umbali uliopo kati yake na satellite hatua inayofuata ni kukokotoa mahali ulipo. Hapa kuna mahesabu yanayochanganya kidogo,lakini nitajaribu kurahisisha.

  Fikiria mfano huu..... 

Umepotea nchini Marekani na hujui pa kuanzia. Halafu anatokea mtu anakwambia 'upo umbali wa Maili 625 (1,006.25 km) toka mji unaitwa Boise. 

Unaweza kuchanganyikiwa kidogo,kwa sababu ukichora duara kama hilo, unaweza kuwa upande wowote kutoka Boise. Lakini anatokea mwangine anakwambia 'upo umbali wa Maili 690 (1,110.09 km) kutoka mji wa Minneapolis'.

  Sasa,unapata kitu fulani. Ukichora maduara mawili unaweza kukisia kwamba "huenda niko sehemu fulani kati ya maduara hayo mawili,huenda pale ambapo yanakutana". 

  Lakini,akitokea mwingine akakwambia "upo umbali wa maili 620 (998 km) toka Tucson Arizona" sasa utajua mahali hususa ulipo!

Utaangalia pale ambapo maduara yote matatu yamekutana,na sasa utakuwa umejua mahali ulipo kwa hakika. Likiongezeka duara lingine, utapata habari sahihi zaidi! 

  ~Hivyo ndivyo mfumo wa GPS unafanya kazi kukupa habari kuhusu mahali ulipo. Kifaa chako cha mkononi,kinahitaji mawimbi ya satellite angalau tatu ili kuwa sahihi zaidi.

 Kinapopokea mawimbi ya satellite ya kwanza,kinajifunga ili kukokotoa umbali kati yake na hiyo satellite na kupata ni kilomita 299,460 (12,000 miles) kuzunguka satellite hiyo. Hapo hakitoi taarifa sahihi kwamba uko wapi,lakini kinasema upo mahali fulani kuzunguka hilo duara (Duara hilo huchorwa kuzunguka satellite angani na si duniani).

  Baada ya kumaliza katika satellite ya kwanza,kinajifungua na kupokea mawimbi ya satellite nyingine na kufanya kile ambacho kilifanyika kwa ile ya kwanza..kinafanya hivyo kwa satellite nyingine zote tatu au zaidi.

  GPS iliyo duniani inapopata pointi ambayo maduara yote matatu yamekutana,inanakili Longitude na Latitude za eneo hilo na kukupa taarifa kwamba upo mahali fulani.

  Yote hayo yanafanyika kwa muda mfupi sana ikiwa sehemu ulipo hakuna vizuizi vingi kama vile kuta,milima na kadhalika.