جی پی اس چیست و چگونه کار می کند؟ توضیح کامل با تصویر

پیدا کردن مسیر حرکت و آدرس هیچ زمانی به سادگی امروز نبوده است. بسیاری از افراد در پیدا کردن آدرس های ناآشنا مشکل دارند. اما دیگر این کار به کمک گوشی های هوشمند، کار سختی نیست. حتی اگر وسط کویر لوت باشیم!

در این مقاله قصد داریم طرز کار سیستم جی پی اس (gps) را با هم بررسی کنیم تا متوجه شویم که روش کار آن چقدر با چیزی که در ذهن ما وجود دارد فرق می کند. نحوه عملکرد و طرز کار جی پی اس بسیار جالب است.

زمانی که متوجه شدیم جی پی اس چگونه کار می کند به سراغ جزییات بیشتری خواهیم رفت. مثل اینکه چه سیستم های جایگزینی برای جی پی اس وجود دارد؟ جی پی اس توسط چه سازمان یا شرکتی کنترل می شود؟ در کل کره زمین قابل دسترس هست یا نه؟ مهم ترین کاربرد جی پی اس چیست؟

پس تا انتهای این مقاله با ای نیوز مدیا همراه باشید.

جی پی اس (GPS) چیست؟

پروژه سیستم موقعیت یابی جهانی یا GPS (Global positioning system) در سال 1973 توسط وزارت دفاع آمریکا آغاز شد. کلیت این پروژه به این شکل است که تعدادی ماهواره اطراف زمین گردش می کنند و اطلاعات خودشان را به سمت زمین ارسال و میلیارد ها گیرنده هستند که این اطلاعات را دریافت می کنند. در این بین چند مرکز کنترل زمینی هم وجود دارد که اصلی ترین آن همان وزارت دفاع آمریکا است.

اولین ماهواره سال 1978 پرتاب شد و بعد از آن تا سال 1993 طول کشید تا تعداد ماهواره ها به 24 عدد برسد و عملکرد این سیستم تقریبا کامل شود. اما این سیستم آن زمان همانند الان برای عموم در دسترس نبود و ابتدا فقط در اختیار نیروی های نظامی آمریکا و بعد از آن در دهه 80 به صورت محدود، که دقت کمتری هم داشت، در اختیار عموم قرار داده شد.

سپس در سال 2000 به صورت رایگان عمومی شد. در حال حاضر تعداد 30 عدد ماهواره جی پی اس فعال حول سیاره ما، زمین در حال گردش هستند. در ادامه بیشتر در مورد این ماهواره ها صحبت خواهیم کرد.

جی پی اس (GPS) چگونه کار می کند؟

برای درک روش کار جی پی اس با یک مثال ساده شروع می کنیم. فرض کنید آدرس موقعیت مکانی که در حال حاضر آنجا هستید را نمی دانید. فقط یک نقشه دارید و هیچ ایده ای هم برای دانستن موقعیت مکانی خودتان در ذهن ندارید.

برای کشف موقعیت مکانی خودتان مجبور هستید، از کسی سوال بپرسید که کجا هستید؟ فرضا پاسخ این شخص به شما این گونه است.
پاسخ: اینجا 400 کیلومتری تهران است.
سپس شما بر روی نقشه دایره ای به مرکزیت تهران و با شعاع 400 کیلومتر رسم می کنید. در این حالت شما دقیقا بر روی محیط این دایره قرار دارید و مقداری از سردرگمی بیرون می آیید. اما این اطلاعات کافی نیست.

برای اینکه دقیق تر متوجه شوید موقعیت مکانی شما کجاست از شخص دیگری سوال و این شخص به شما می گوید:
پاسخ: اینجا در 300 کیلومتری یزد قرار دارد.
پس روی نقشه، دایره دومی به مرکزیت یزد و با شعاع 300 کیلومتر رسم می کنید.

در این حالت محل فعلی شما با توجه به اطلاعاتی که جمع آوری کرده اید، یکی از دو نقطه ایست که در آن مکان دایره ها با هم برخورد داشته اند. چون ویژگی این دو نقطه این است که 400 کیلومتر از تهران و 300 کیلومتر از یزد فاصله دارند. در نتیجه شما یا در اصفهان و یا در جنوب سمنان هستید. اما همچنان نمی دانید که کدام یک از این دو نقطه موقعیت فعلی شما را نشان می دهد.

چاره ای ندارید تا از نفر سومی بپرسید و این شخص به شما می گوید:
پاسخ: اینجا 500 کیلومتری اهواز است.
وقت آن است بر روی نقشه دایره سوم را به مرکزیت اهواز و به شعاع 500 کیلومتری رسم کنید.

محل برخورد این دایره با دو دایره قبلی در اصفهان قرار دارد. پس خیالتان راحت می شود که شما در اصفهان هستید. یعنی با سه سوال و پیدا کردن فاصله خودتان از سه نقطه، دقیقا می توانید متوجه شوید که در کجای نقشه قرار دارید.

روشی که ما برای موقعیت یابی استفاده کرده ایم در ریاضی، سه گانه سازی یا Trilateration نام دارد. اساس کار سیستم GPS هم دقیقا به همین شکل است. کافیست به جای اشخاصی که از آن سوال می کردید ماهواره ها و به جای خودتان هم گیرنده جی پی اس را قرار دهید.

تفاوت دیگر این است که ما در مثال آورده شده از دایره استفاده کردیم که حالت دو بعدی ایجاد می کرد اما در سیستم جی پی اس از کره استفاده می کنیم و حالت سه بعدی خواهیم داشت.

گیرنده جی پی اس

گیرنده هم یک دستگاه الکترونیکی است که اندازه آن می تواند در حد یک دانه برنج یا به اندازه یک آنتن تلویزیون باشد. در حال حاضر تمام گوشی های هوشمند، گیرنده gps در آن ها تعبیه شده است. وظیفه این گیرنده فقط دریافت امواج رادیویی است، که از طرف ماهواره ها ارسال می شود. این گیرنده شبیه یک رادیو عمل می کند که فقط امواج را دریافت و هیچ نقش دیگری مبنی بر ارسال اطلاعات ندارد.

زمانی که شما سیستم موقعیت مکانی گوشی خودتان (location) را فعال می کنید، در این حالت گیرنده شروع به دریافت اطلاعات از ماهواره هایی که امواج رادیویی ارسال می کنند، می کند.

زمانی که این گیرنده امواج ماهواره را دریافت می کند می تواند فاصله خودش تا ماهواره مورد نظر را محاسبه کند. اینکه دقیقا چگونه این فاصله محاسبه می شود را در ادامه توضیح خواهیم داد.

گیرنده امواج اولین ماهواره را دریافت و سپس یک کره به مرکزیت آن ماهواره و شعاعی به اندازه فاصله گیرنده تا ماهواره در نظر می گیرد.

سپس به سراغ ماهواره دوم می رود، امواج آن را دریافت و فاصله را محاسبه می کند. برای این ماهواره هم مانند ماهواره اول شعاع و مسافت در نظر گرفته می شود.

محل برخورد این دو کره یک دایره است که گیرنده متوجه می شود، روی این دایره قرار دارد.

سپس امواج ماهواره سوم را دریافت و باز هم یک کره به مرکزیت این ماهواره در نظر می گیرد. از برخورد کره سوم با دایره ایجاد شده دو نقطه حاصل می شود و گیرنده می داند بر روی یکی از این دو نقطه قرار گرفته است. اما همچنان نمی داند که کدام نقطه است و در کجا قرار دارد.

به سراغ ماهواره چهارم می رود و فاصله آن را محاسبه و کره چهارم را مجددا به مرکزیت این ماهواره ترسیم می کند. محل برخورد کره چهارم با سه کره قبلی فقط یک نقطه است. این نقطه دقیقا همان جایی است که گیرنده آنجا قرار دارد و گیرنده می داند که نسبت به این ماهواره در چه موقعیتی است.

پس گیرنده با دانستن مکان هر چهار ماهواره خیلی راحت می تواند موقعیت مکانی خودش را هم به دست آورد.

تقویم گیرنده های جی پی اس

هر گیرنده جی پی اس، تقویمی درون خودش دارد که در این تقویم نوشته شده که، هر کدام از ماهواره ها در هر زمان، بالای کدام نقطه از زمین قرار گرفته اند. با استفاده از اطلاعات این تقویم می تواند موقعیت مکانی خودش، بر روی زمین را به دست آورد.

پس گیرنده gps با به دست آوردن موقعیت مکانی خودش توسط حداقل چهار ماهواره و با توجه به تقویمی که در اختیار دارد، متوجه می شود که این چهار ماهواره در کجای زمین قرار گرفته اند و در نهایت موقعیت دقیق خودش را به دست می آورد. همانطور که در مثال مربوط به نقشه، شما توانستید به کمک سه دایره موقعیت مکانی خودتان را به دست آورید.

البته سیستم جی پی اس حداقل به 4 ماهواره نیاز دارد. اما مدار این ماهواره ها طوری طراحی شده اند که معمولا در هر نقطه ای از زمین که قرار داشته باشید، بیشتر از 4 ماهواره در دسترس خواهد بود. هرچه قدر یک گیرنده با تعداد بیشتری از ماهواره ها ارتباط داشته باشد، دقیق تر می تواند محل خودش را محاسبه کند.

شاید این سوال برای شما پیش بیاید که با 3 ماهواره هم می توان موقعیت مکانی گیرنده را به دست آورد. چون از دو نقطه ای که توسط 3 ماهواره حاصل می شود یکی از آن ها کیلومتر ها دور تر از زمین قرار دارد. پس آن نقطه نمی تواند موقعیت مکانی گیرنده بر روی زمین باشد.
این حرف زمانی درست است که سیستم جی پی اس فقط طول و عرض جغرافیایی گیرنده را مشخص کند در صورتی که ارتفاع آن از سطح زمین را هم برای اجسامی که در هوا هستند، مثل هواپیما و موشک را هم حساب می کند.

نحوه محاسبه فاصله گیرنده تا ماهواره در سیستم جی پی اس

قبلا گفتیم که گیرنده جی پی اس با دریافت امواج رادیویی می تواند فاصله خودش تا ماهواره را محاسبه کند. اما اینکار چگونه انجام می شود؟ در واقع از طریق همان امواجی که ماهواره ها ارسال می کنند این کار انجام می شود.

این امواج اطلاعات مختلفی را با خودشان حمل می کنند. دقیقا مانند امواج رادیو و تلویزیون که اطلاعاتی حاوی صدا و تصویر را با خود دارند. یکی از این اطلاعات، الگوهای مشخصی هستند که درون گیرنده ها هم این الگو ها وجود دارند. این الگو ها در زمان های مشخصی توسط ماهواره ها تولید و گیرنده ها هم از این زمان، اطلاع دارند.

برای سنجیدن فاصله ماهواره تا گیرنده، در ابتدا یک الگو به کمک امواج رادیویی و با سرعت نور از سمت ماهواره به سمت گیرنده ارسال می شود. این الگو توسط گیرنده دریافت می شود و آن را با الگو خودش مقایسه می کند. و متوجه می شود که از نظر زمانی نسب به الگویی که درون خودش(گیرنده) وجود دارد، تاخیری وجود دارد. چرا که مدتی زمان برده تا این موج از ماهواره به سمت گیرنده روی زمین برسد.

پس به این نتیجه می رسد که از لحظه ای که این الگو توسط ماهواره منتشر شده تا زمان دریافت آن بر روی زمین مدتی طول کشیده است. گیرنده می داند که این امواج با سرعت نور منتشر می شوند. پس می تواند میزان فاصله خودش تا ماهواره را حساب کند.

اما نکته مهمی که در اینجا وجود دارد، این است که ساعت گیرنده دقیقا باید با ساعت ماهواره ها یکی باشد. این میزان دقت در حد نانو ثانیه باید باشد. تا میزان فاصله به درستی اندازه گیری شود.

ساعت های اتمی می توانند چنین دقتی داشته باشند. اما بسیار گران قیمت و از نظر اندازه بزرگ هستند. و این امکان وجود ندارد که درون هر گیرنده ارزان قیمت جی پی اس یک ساعت اتمی تعبیه شود.

راه حلی که برای این مشکل پیدا کرده اند، این است که گیرنده ها با توجه به امواجی که از ماهواره ها دریافت می کنند، بتوانند ساعت خودشان را به طور دائم و با دقت بسیار بالا تنظیم کنند. یعنی به طور دائم از طریق امواجی که از ماهواره ها دریافت می کنند ساعت خودشان (گیرنده) را با ساعت ماهواره ها تنظیم می کنند.

تا اینجا ما خلاصه ای از نحوه کار سیستم جی پی اس ارائه کردیم و متوجه شدیم، این سیستم چگونه کار می کند. در ادامه به بررسی مسائل دیگری در مورد سیستم gps می پردازیم.

مسائل و مشکلات موجود در سیستم جی پی اس

ایجاد تغییر در امواج ارسالی

مسائل و مشکلات مختلفی باعث می شود که گیرنده های GPS نتوانند فاصله خودشان تا ماهواره ها را خیلی دقیق محاسبه کنند. یکی از این موارد این است که امواج ماهواره ها از لایه های مختلف اتمسفر زمین عبور می کنند که باعث ایجاد تغییر در این امواج ارسالی خواهد شد.

سیستم جی پی اس به این شکل طراحی شده است که این مسئله تغییر امواج را در محاسبات خود مد نظر داشته باشد. اما چون ماهواره ها در فاصله های مختلفی نسبت به گیرنده ها قرار می گیرند نمی توان خیلی دقیق این تفاوت ها را محاسبه کرد. به همین خاطر است که جی پی اس ممکن است تا چند متر خطا داشته باشد.

برخورد امواج با موانع مختلف

مسئله دیگری که وجود دارد این است که امواج ارسالی ماهواره ها در ابتدا ممکن است به یک شی مانند ساختمان، صخره و یا هر مورد دیگر برخورد داشته باشد. و بعد از آن به گیرنده جی پی اس برسد.

این برخورد امواج به موانع مختلف و سپس دریافت آن توسط گیرنده، باعث افزایش مدت زمان رسیدن امواج به گیرنده ها می شود. همین مورد باعث می شود تا موقعیت مکانی گیرنده به درستی تشخیص داده نشود.

تغییر مسیر ماهواره ها

مسئله دیگر این است که ماهواره ها به دلایل مختلف مانند تاثیر گرانش زمین یا ماه، ممکن است مسیر حرکت آن ها کمی تغییر کند. یعنی بین مسیر واقعی ماهواره ها و مسیر موجود در تقویم ماهواره ها که در گیرنده های جی پی اس هم ذخیره شده است، اختلاف ایجاد شود.

این تغییر مسیر ماهواره های جی پی اس باعث می شود، موقعیت مکانی که توسط سیستم جی پی اس به دست می آید، دقیق نباشد. برای حل این مشکل مراکز کنترلی در زمین وجود دارد که به طور دائم مسیر حرکت ماهواره ها را رصد و کنترل می کنند.
هر تغییری که در مدار ماهواره ها ایجاد می شود توسط موتور های جت که در هر ماهواره قرار دارد، اصلاح خواهد شد و ماهواره به مدار خود باز می گردد و تنظیم می شود.

ایستگاه های کنترل که در مناطق مختلف ایجاد شده اند روزانه دو بار تمام ماهواره ها را چک می کنند که کاملا سالم باشند. کنترل مرکزی از ایستگاه کنترل مرکزی در پایگاه نیروی هوایی آمریکا در کلورادو اسپرینگز انجام می شود.

برای دریافت و ارسال اطلاعات به ماهواره ها هم از آنتن های رادیویی استفاده می شود. این موارد و بررسی ها باعث می شود تا دقت محاسبات سیستم جی پی اس در یک حد مطلوبی حفظ شود. البته که این دقت محاسبات به گیرنده ها هم بستگی دارد. باید بدانید که گیرنده هایی وجود دارند که نسبت به گیرنده های جی پی اس درون گوشی شما، دقت بسیار بالاتری دارند.

ایجاد اختلاف بین ساعت ماهواره با گیرنده

مشکل دیگری که وجود دارد این است که ماهواره ها با سرعتی حدود 4 کیلومتر بر ثانیه در فاصله 20 هزار کیلومتری از سطح زمین در مدار خود گردش می کنند. این باعث می شود تا رد پای نظریه نسبیت هم در سیستم جی پی اس دیده شود.

قبلا اشاره کردیم که یکی بودن ساعت ماهواره ها با ساعت گیرنده ها بسیار مهم است. اما دو مسئله باعث ایجاد اختلاف بین ساعت ماهواره ها با ساعت گیرنده ها می شود.

یک مورد این است که ماهواره ها با سرعت بالایی نسبت به زمین حرکت می کنند و مورد دیگر هم این است که بخاطر فاصله زیادی که این ماهواره ها از سطح زمین دارند نیروی گرانش بسیار کمتری به آن ها وارد می شود.

سرعت حرکت ماهواره ها باعث می شود که روزانه زمان برای آن ها چیزی حدود 7 میکرو ثانیه نسبت به روی زمین کند تر بگذرد. و گرانش کمتر باعث می شود هر روز حدود 45 میکرو ثانیه زمان برای آن ها سریع تر نسبت به روی زمین بگذرد.

این دو عدد را که با هم ترکیب کنیم به این نتیجه می رسیم که ساعت ماهواره ها هر روز تقریبا 38 میکرو ثانیه با ساعت روی زمین اختلاف پیدا می کند. درست است که این عدد خیلی ناچیز است اما همین اختلاف ناچیز باعث می شود دقت موقعیت یابی از چند متر به چند کیلومتر افزایش پیدا کند. به همین، سیستم جی پی اس، این مورد را در محاسبات خودش در نظر می گیرد.

آیا جی پی اس به اینترنت نیاز دارد؟

سوال دیگری که وجود دارد این است که سیستم جی پی اس نیاز به اینترنت دارد با آفلاین هم کار می کند؟ باید بدانید که جی پی اس خودش هیچ نیازی به اینترنت ندارد. چون با ماهواره ها ارتباط برقرار می کند.

اما اینترنت باعث می شود که نقشه هایی که از جی پی اس استفاده می کنند کامل تر و بروز تر باشند. مثلا در مورد Google Maps اطلاعاتی مثل نزدیک ترین پمپ بنزین، رستوران، دانشگاه یا موارد دیگر از اینترنت دریافت می شوند. اما اطلاعاتی که از جی پی اس گرفته می شود فقط مشخص کننده موقعیت مکانی شما بر روی زمین است.

کاربرد جی پی اس (gps)

کاربرد جی پی اس فقط محدود به آدرس یابی نمی شود و کاربرد های بسیاری دارد.

• پیدا کردن وسیله دزدیده شده توسط سیستم جی پی اس
• کنترل افراد مجرم توسط پلیس جهت خارج نشدن از محدوده ای مشخص
• و …

سوال دیگری که پیش می آید این است که با توجه به این که سیستم جی پی اس در اختیار وزارت دفاع امریکا است آیا می تواند هر زمانی که بخواهد این سیستم را از دسترس خارج کند؟

جواب این است که هر چند تاکنون این کار را انجام نداده، اما باید گفت هر زمانی که بخواهد می تواند این سیستم را از دسترس خارج کند.

به همین خاطر است که روسیه هم زمان با سیستم جی پی اس آمریکا سیستم مشابهی به نام GLONASS ایجاد کرده است. چین هم سیستم مشابهی به نام BEIDOU در دهه 1990 ساخته است. که در ابتدا فقط کشور چین و کشور های همسایه را پوشش می داده اما اکنون در تمام سطح کره زمین در دسترس است.

اتحادیه اروپا هم سیستمی به نام GALILEO طراحی کرده است و کشور هایی مانند هند و ژاپن هم سیستم موقعیت یابی خودشان را ساخته اند.

جمع بندی

انسان ها هزاران سال با نگاه کردن به خورشید و ماه و ستارگان موقعیت خودشان را پیدا می کردند. اما حالا هر کدام از ما یک سیستم موقعیت یابی دقیق در جیب خودمان داریم. نسل بعدی GPS که به GPS3 معروف است هنوز تکمیل نشده، اما قرار است دقتی در حدود 3 برابر دقت فعلی داشته باشد.

در این مقاله از ای نیوز مدیا سعی کردیم تا در مورد طرز کار سیستم GPS با شما صحبت کنیم. سوالات مختلفی را مطرح و در مورد مشکلات موجود در سیستم جی پی اس بحث کردیم. ممنون می شویم تا نظر خودتان را در قسمت کامنت ها با ما در میان بگذارید و اگر نکته ای می دانید که این مقاله کامل تر می کند حتما آن را برای ما کامنت کنید.