سیستم مکان یاب جهانی (GPS) چگونه کار می کند؟
جی پی اس (GPS یا Global Positioning System) یا سیستم موقعیت یاب جهانی مجموعه ای از 24 ماهواره در 6 مدار مختلف هستند که زمین را دور می زنند و توسط وزارت دفاع ایالات متحده پشتیبانی می شود. این ماهواره ها به موتورهای کوچکی مجهز هستند تا همیشه در مدار و مسیر صحیح باقی بمانند، و از محاسبات ریاضی ساده ای برای پخش اطلاعات استفاده می کنند که به عنوان طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی، توسط گیرنده های زمین ترجمه می شوند.
GPS در تمام شرایط به صورت 24 ساعت در شبانه روز و در تمام دنیا قابل استفاده است، و هیچ گونه بهایی بابت این خدمات اخذ نمی شود. ماهواره های GPS، هر روز دو بار در یک مدار دقیق دور زمین می گردند و سیگنال های حاوی اطلاعات را به زمین می فرستند. یکی از بزرگترین مزایای رهیابی بوسیله GPS نسبت به روش های دیگر آن است که این سیستم در هر شرایط جوی و بدون توجه به نوع کاربرد گیرنده به خوبی کار می کند.
علاوه بر GPS، دو سیستم کمابیش مشابه دیگر نیز وجود دارد:
- سیستم گلوناس (GLONASS) که دولت شوروی ساخته و اکنون به دست کشور روسیه اداره می شود.
- سیستم گالیله که کشورهای اروپایی آن را برای وابسته نبودن به سیستم آمریکایی GPS ساخته اند.
در واقع اساس کار این سامانه، فرستادن سیگنال های رادیویی مداوم با فرکانس بالا است که زمان و مکان ماهواره را نسبت به زمین مشخص می کند و یک گیرنده زمینی با گرفتن این اطلاعات از سه ماهواره یا بیشتر، آنها را پردازش می کند و موقعیت کاربر را در هر نقطه زمین، در هر ساعتی از شبانه روز و در هر وضعیت آب و هوایی نشان می دهد. هرچه گیرنده به ماهواره های بیشتری وصل شود، اطلاعات دقیق تری را می تواند محاسبه کند.
GPS در ابتدا تنها استفاده نظامی داشت، ولی از سال 1980 به بعد تصمیم گرفته شد تا از آن در فعالیت های غیر نظامی هم استفاده شود؛ تا جایی که امروزه حتی در ماهیگیری و شکار هم مورد استفاده قرار می گیرد. این ماهواره ها به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده ساخته و در مدار زمین قرار داده شده اند.
سیستم مکان یاب جهانی با آنکه کاربرد گسترده ای دارد اما مفاهیم کار آن بسیار ساده است. در این مقاله شما می توانید با نحوه کار GPSها آشنا شوید.
مشخصات ماهواره های GPS
24 ماهواره این سیستم در مدارهایی به فاصله 12000 مایلی از سطح دریا گردش می کنند. هر ماهواره دقیقاً طی 12 ساعت یکبار بطور کامل دور زمین می گردد. این ماهواره ها نیروی خود را از طریق صفحات خورشیدی تامین می کنند. همچنین باتری هایی نیز برای زمان های خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه زمین حرکت می کنند، به همراه دارند.
نحوه کار سیستم
ماهواره های این سیستم، در مداراتی دقیق هر روز دو بار حول زمین می گردند و اطلاعاتی را به زمین مخابره می کنند. گیرنده های GPS این اطلاعات را دریافت و با انجام محاسبات هندسی، محل دقیق خود را نسبت به زمین محاسبه می کنند. در واقع گیرنده، زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره را با زمان دریافت آن مقایسه می کند. از اختلاف این دو زمان فاصله گیرنده از ماهواره تعیین می گردد. سپس این عمل با داده های دریافتی از چند ماهواره دیگر تکرار می شود تا محل دقیق گیرنده را با اختلافی ناچیز معین شود.
گیرنده برای محاسبه موقعیت دو بعدی مکان خود و طول و عرض جغرافیایی آن نیازمند به دریافت اطلاعات همزمان از حداقل 3 ماهواره است. برای تعیین موقعیت سه بعدی نیز به حداقل 4 ماهواره نیاز است. با ادامه دریافت اطلاعات از ماهواره ها، گیرنده همچنین می تواند اقدام به محاسبه سرعت، جهت، مسیر پیموده شده، فاصله باقی مانده تا مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطلاعات مفید دیگر دست یابد.
اطلاعاتی که یک ماهواره GPS ارسال می کند، چیست؟
هر سیگنال GPS حاوی شماره ماهواره فرستنده پیام، موقعیت ماهواره و زمان ارسال آن است. هر چند که این شکل پیام ساده است، اما می تواند کل طرز کار سیستم را بیان نماید. گیرنده GPS پیام را می خواند و داده ها را جهت استفاده ذخیره می کند. حال برای تعیین موقعیت، گیرنده GPS زمان های دریافت شده را با زمان خود مقایسه می کند. تفاوت این دو، مشخص کننده فاصله گیرنده GPS از ماهواره مزبور می باشد. این دقیقاً عملی است که یک گیرنده انجام می دهد. با استفاده از حداقل سه ماهواره یا بیشتر، گیرنده GPS می تواند طول و عرض جغرافیایی مکان خود را تعیین نماید یا با تبادل با چهار (و یا بیشتر) ماهواره می تواند موقعیت سه بعدی مکان خود را تعیین نماید که شامل طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا می باشد. با انجام پشت سر هم این محاسبات، GPS می تواند سرعت و جهت حرکت خود را نیز به دقت مشخص نماید.
یکی از عواملی که روی دقت عمل یک GPS اثر می گذارد، شکل قرار گرفتن ماهواره ها نسبت به یکدیگر می باشد. برای مثال، اگر یک GPS با چهار ماهواره تبادل اطلاعات کند بطوریکه هر چهار ماهواره در شمال و شرق باشند، طرح و هندسه ماهواره ها برای سیستم GPS بسیار ضعیف می شود و مکان یابی با مقداری خطا (10 متر یا کمی بیشتر) همراه خواهد بود، اما اگر همین چهار ماهواره در چهار جهت اصلی (شمال، جنوب، شرق و غرب) قرار داشته باشند، این طرح برای GPS مزبور بهترین حالت می باشد چرا که مسافت سنجی چهار جهت متفاوت و یافتن نقطه اشتراک آنها بسیار راحت خواهد بود.
گیرنده GPS
بسته به نوع مصرف و بودجه می توانید از طیف وسیع گیرنده های GPS بهره ببرید. همچنین، باید از در دسترس بودن نقشه مناسب و به روز جهت ناحیه مورد استفاده اطمینان حاصل کنید. امروزه بهای گیرنده های GPS بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است.
هرچه نقشه های منطقه ای که در حافظه گیرنده بارگذاری شوند، دقیق تر باشد، سرویس هایی که از GPS می توان دریافت داشت نیز ارتقاء می یابد. برای مثال، می توان از GPS، مسیر نزدیک ترین پمپ بنزین، تعمیرگاه و یا ایستگاه قطار را سوال نمود و مسیرهای پیشنهادی را دنبال کرد.
دقت مکان یابی این سیستم در حد چند متر است که البته بسته به کیفیت گیرنده نیز تغییر می کند. از سیستم موقعیت یابی جهانی می توان در کارهایی چون نقشه برداری، پروژه های عمرانی، کوهنوردی، کایت سواری، سفر در مناطق ناشناخته، کشتیرانی و قایقرانی، عملیات نجات هنگام وقوع سیل و زمین لرزه و هر فعالیت دیگر که نیازمند موقعیت یابی باشد، بهره برد.
هر کس که بخواهد بداند کجاست و به کجا می رود به این سیستم نیازمند است. با توجه به کاهش شَدید بهای گیرنده های این سیستم و افزایش امکانات آنها، امید است این فناوری در آینده نزدیک در اختیار همگان قرار بگیرد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «سیستم مکان یاب جهانی (GPS) چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
