بسیاری از ما تقریباً هر روز از GPS استفاده می‌کنیم – دریافت مسیرها با برنامه‌های نقشه‌برداری در تلفن‌هایمان، ردیابی وعده‌های غذایی‌مان، ثبت مسیرهای در حال اجرا – اما آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که GPS چگونه کار می‌کند؟

تقریباً همه تلفن‌های هوشمند از فناوری GPS استفاده می‌کنند، بنابراین بیایید بفهمیم که واقعاً چه معنایی دارد و چرا داشتن یک گیرنده GPS و دید واضح از آسمان به این معنی است که دیگر هرگز گم نخواهید شد.

GPS چیست؟

هنگامی که مردم در مورد “GPS” صحبت می کنند، معمولاً منظور آنها یک گیرنده GPS است، اما سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) در واقع مجموعه ای از بسیاری از ماهواره های مدار زمین است

ارتش ایالات متحده در ابتدا این شبکه ماهواره ای را به عنوان یک سیستم ناوبری نظامی توسعه و اجرا کرد، سپس آن را به روی دیگران باز کرد.

هر یک از این ماهواره های خورشیدی با وزن 3000 تا 4000 پوند (1361 تا 1814 کیلوگرم) در ارتفاع حدود 12427 مایلی (20000 کیلومتری) دور کره زمین می چرخند و هر روز دو چرخش کامل انجام می دهند. مدارها طوری چیده شده اند که در هر زمان و در هر نقطه از زمین، حداقل چهار ماهواره در آسمان “قابل مشاهده” باشد.

یک گیرنده GPS از این ماهواره ها برای محاسبه مکان دقیق شخصی که دستگاه را اداره می کند بصورت آنلاین استفاده می کند.

GPS چگونه کار می کند؟

گیرنده‌های جی‌پی‌اس با تعیین مکان چهار یا بیشتر از این ماهواره‌ها، تعیین فاصله هر کدام و استفاده از این اطلاعات برای استنباط موقعیت مکانی بصورت آنلاین کار می‌کنند.

این عملیات بر اساس یک اصل ساده ریاضی به نام سه لایه است. سه لایه بندی در فضای سه بعدی می تواند کمی مشکل باشد، بنابراین ما با توضیحی در مورد سه لایه بندی ساده دو بعدی شروع می کنیم.

سه بعدی سازی 2 بعدی
تصور کنید جایی در ایران هستید و کاملاً گم شده اید. به هر دلیلی، شما مطلقاً نمی دانید کجا هستید. شما یک محلی دوستانه پیدا می کنید و می پرسید: “من کجا هستم؟” او می گوید: “شما در 100 مایلی خرم آباد هستید.”

این یک واقعیت خوب و سخت است، اما به خودی خود مفید نیست. شما می توانید در هر جایی در دایره ای در اطراف خرم آباد باشید که شعاع آن 100 مایل است.

از یکی دیگر می‌پرسید کجا هستید، و او می‌گوید: “شما در 100 مایلی پل دختر هستید.” حالا داری به جایی میرسی

اگر این اطلاعات را با اطلاعات خرم آباد ترکیب کنید، دو دایره خواهید داشت که همدیگر را قطع می کنند. اکنون می دانید که اگر 100 مایلی از حرم آباد و 100 مایلی از پل دختر فاصله دارید، باید در یکی از این دو نقطه تقاطع باشید

اگر شخص سومی به شما بگوید که در 100  مایلی کرمانشاه هستید، می توانید یکی از احتمالات را حذف کنید، زیرا دایره سوم فقط با یکی از این نقاط قطع می شود. اکنون دقیقاً می دانید کجا هستید: کوهدشت لرستان

این فرآیند سه بعدی شدن دو بعدی نامیده می شود زیرا نقاط تقاطع همه در یک صفحه دو بعدی قرار دارند. وقتی شروع به درگیر کردن ارتفاع/ارتفاع می کنیم – سلام، بعد سوم – سه بعدی سازی سه بعدی وارد عمل می شود.

سه بعدی

اساساً، سه بعدی سازی سه بعدی تفاوت چندانی با سه لایه بندی دو بعدی ندارد، اما تجسم آن کمی دشوارتر است. تصور کنید که شعاع های مثال های قبلی در همه جهات خاموش می شوند. بنابراین به جای یک سری دایره، یک سری کره دریافت می کنید.

اگر می‌دانید که 10 مایل از ماهواره A در آسمان فاصله دارید، می‌توانید در هر نقطه از سطح یک کره خیالی عظیم با شعاع 10 مایلی باشید. اگر همچنین می دانید که 15 مایل با ماهواره B فاصله دارید، می توانید کره اول را با کره دیگری بزرگتر همپوشانی کنید.

کره ها در یک دایره کامل قطع می شوند. اگر فاصله تا ماهواره سوم را بدانید، کره سومی به دست می آید که در دو نقطه با این دایره قطع می شود.

خود زمین می تواند به عنوان چهارمین “ماهواره” یا کره عمل کند. تنها یکی از دو نقطه ممکن در واقع روی سطح سیاره خواهد بود، بنابراین شما می توانید یکی را در فضا حذف کنید. با این حال، گیرنده‌ها معمولاً برای بهبود دقت و ارائه اطلاعات دقیق ارتفاع، به چهار یا چند ماهواره نگاه می‌کنند.

چگونه دستگاه‌های GPS موقعیت مکانی شما را محاسبه می‌کنند

برای اینکه یک دستگاه GPS به درستی کار کند باید دو چیز را بداند:

• محل حداقل سه ماهواره بالای سر شما
• فاصله بین شما و هر یک از آن ماهواره ها

گیرنده‌های GPS هر دوی این موارد را با تجزیه و تحلیل سیگنال‌های رادیویی با فرکانس بالا و کم مصرف از ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند، مشخص می‌کنند. واحدهای بهتر دارای چندین گیرنده هستند، بنابراین می توانند سیگنال های چندین ماهواره را به طور همزمان دریافت کنند.

امواج رادیویی انرژی الکترومغناطیسی هستند، به این معنی که با سرعت نور (حدود 186000 مایل در ثانیه یا 300000 کیلومتر در ثانیه در خلاء) حرکت می کنند. گیرنده می تواند بفهمد سیگنال جی پی اس چقدر مسافت را طی کرده است با زمان بندی مدت زمان رسیدن سیگنال.

ریاضیات GPS: استفاده از زمان بندی برای محاسبه فاصله

در این مرحله، می‌توانید با اطمینان به کسی بگویید که می‌خواهید تحت تأثیر قرار دهید که GPS از طریق سه لایه کار می‌کند. اما باید برای سؤال بعدی آماده باشید: دستگاه GPS چگونه فاصله تا آن ماهواره های GPS را می داند؟ همانطور که معلوم است، این یک موضوع زمان است.

در یک لحظه خاص (مثلاً نیمه شب)، ماهواره شروع به ارسال یک الگوی دیجیتالی طولانی به نام کد شبه تصادفی می کند. گیرنده دقیقاً در نیمه شب شروع به اجرای همان الگوی دیجیتال می کند. هنگامی که سیگنال ماهواره به گیرنده می رسد، انتقال الگوی آن کمی از پخش الگوی گیرنده عقب می افتد.

طول تأخیر برابر با زمان سفر سیگنال است. گیرنده این زمان را در سرعت نور ضرب می کند تا مشخص کند سیگنال چقدر مسافت را طی کرده است. با فرض انتقال سیگنال در یک خط مستقیم، این فاصله بین گیرنده تا ماهواره است.

حفظ همزمانی

یکی از نکات مهم این است که اندازه‌گیری تنها در صورتی کار می‌کند که هم واحد GPS و هم ماهواره دارای ساعت‌هایی باشند که می‌توانند تا نانوثانیه همگام شوند. این سطح از دقت فقط با ساعت های اتمی امکان پذیر است، اما قیمت آن ها بین 50000 تا 100000 دلار در هر پاپ است.

ماهواره‌های جی‌پی‌اس قبلاً با دلارهای مالیاتی ما پرداخت می‌شوند، اما در مورد گیرنده‌های GPS چطور؟ حتی اپل هم برای فروش آیفون با این قیمت کار سختی خواهد داشت.

سیستم موقعیت یاب جهانی یک راه حل هوشمندانه و موثر برای این مشکل دارد: هر ماهواره دارای یک ساعت اتمی گران قیمت است، اما خود گیرنده از یک ساعت کوارتز معمولی استفاده می کند که دائماً آن را تنظیم مجدد می کند.

به طور خلاصه، گیرنده به سیگنال های دریافتی از چهار یا چند ماهواره نگاه می کند و عدم دقت خود را اندازه گیری می کند. با بازنشانی مداوم و بررسی مجدد زمان خود در برابر سیگنال‌های GPS که از ماهواره‌ها می‌آید، یک تلفن هوشمند دقت یک ساعت اتمی را «رایگان» دریافت می‌کند.

جی پی اس دیفرانسیل

GPS به خوبی کار می کند، اما نادرستی ظاهر می شود. برای یک چیز، این روش فرض می‌کند که سیگنال‌های رادیویی با سرعت ثابتی (سرعت نور) از جو عبور می‌کنند.

اما سیگنال های ماهواره ای همیشه با تداخل سروکار دارند. جو زمین سیگنال ها را کند می کند و اجرام بزرگ مانند آسمان خراش ها نیز می توانند بر مسیر آنها تأثیر بگذارند.

GPS دیفرانسیل (DGPS) به تصحیح این خطاها کمک می کند. ایده اصلی این است که عدم دقت GPS را در یک ایستگاه گیرنده ثابت با یک مکان مشخص اندازه گیری کنیم. از آنجایی که سخت افزار DGPS در ایستگاه از قبل موقعیت خود را می داند، می تواند به راحتی عدم دقت گیرنده خود را محاسبه کند.

سپس ایستگاه یک سیگنال رادیویی را برای تمام گیرنده های مجهز به DGPS در منطقه پخش می کند و اطلاعات تصحیح سیگنال را برای آن منطقه ارائه می دهد. به طور کلی، دسترسی به این اطلاعات تصحیح، گیرنده های DGPS را بسیار دقیق تر از گیرنده های معمولی می کند.

مطلب مرتبط:آموزش آنلاین چیست؟