سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) چیست و چگونه کار می‌کند؟

GPS یا سیستم موقعیت‌یاب جهانی یک سیستم ماهواره‌ای است که امکان یافتن موقعیت جغرافیایی، سرعت و برخی از شرایط محیطی را فراهم می‌کند. با توجه به تکنولوژی‌های ارائه شده در محصولات مختلف به راحتی می‌توان گفت که در دنیای امروز GPS در همه جا وجود دارد. این تکنولوژی محبوب در اتومبیل، تلفن هوشمند، ساعت و بسیاری از اکسسوری‌ها و گجت‌های هوشمند حرف اول را می‌زند.

آشنایی با بخش‌های مختلف سیستم GPS

سیستم موقعیت‌یاب جهانی یا GPS یک ابزار متعلق به ایالات متحده است که خدمات موقعیت‌یابی، پیمایش و زمان‌بندی (PNT) را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. این سیستم از سه بخش تشکیل شده است: ماهواره‌ها، ایستگاه‌های زمینی و گیرنده‌ها. در حال حاضر نیروی هوایی ایالات متحده ماهواره و ایستگاه زمینی که شامل بخش‌های کنترلی هستند را توسعه، نگهداری و اداره می‌کند که در ادامه نحوه عملکرد هر کدام از این بخش‌ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

عملکرد ماهواره‌ها در سیستم GPS

در واقع بخش فضایی GPS متشکل از ماهواره‌هایی است که سیگنال‌های رادیویی را به کاربران منتقل می‌کنند. در حال حاضر برای پوشش جهانی این سیستم از ۳۶ ماهواره GPS عملیاتی استفاده می‌شود که حداقل ۲۴ ماهواره از آن‌ها در ۹۵٪ مواقع در دسترس هستند. این ماهواره‌ها با ارتفاع تقریبی 20200 کیلومتر (12،550 مایل) در مدار زمین پرواز می‌کنند و هر کدام از آن‌ها دو بار در روز به دور زمین می‌چرخند. می‌توانید در تصویر زیر نحوه قرارگیری این ماهواره‌ها را مشاهده کنید.

در بیشتر اوقات ممکن است تعداد ماهواره‌هایی که در حال سرویس‌دهی هستند بیشتر از ۲۴ ماهواره باشند، این ماهواره‌های اضافی ممکن است عملکرد GPS را افزایش دهند اما جزئی از صورت فلکی هسته در ایجاد سیستم موقعیت‌یاب جهانی محسوب نمی‌شوند.

ایستگاه‌های فضایی در سیستم GPS

بخش کنترل عملیاتی یا ایستگاه‌های فضایی در GPS شامل یک شبکه جهانی از امکانات زمینی هستند که ماهواره‌های GPS را ردیابی کرده، بر جابجایی آن‌ها نظارت می‌کنند، تجزیه و تحلیل‌ها را انجام می‌دهند و دستورات و داده‌ها را به تمامی آن‌ها می‌فرستند.

در حال حاضر یک ایستگاه کنترل اصلی، یک ایستگاه کنترل اصلی جایگزین، 11 مقر فرماندهی و آنتن‌های کنترلی در کنار 16 سایت نظارتی بر عملکرد این سیستم نظارت دارند. محل قرارگیری هر کدام از این ایستگاه‌ها و تجهیزات در نقشه پایین نمایش داده شده است.

تمامی این بخش‌ها با نظارت نیروی هوایی ایالت متحده انجام می‌شود تا دستیابی به این سیستم در سراسر دنیا و بدون محدودیت به راحتی انجام پذیرد.

گیرنده یا کاربران

گیرنده یا کاربران می‌توانند افراد عادی، سازمان‌ها و یا حتی نهادهای دولتی و نظامی‌باشند که با گیرنده‌های مختص خود با میزان دقت مختلف این سیگنال‌ها را دریافت و پردازش می‌کنند.

تاریخچه سیستم موقعیت‌یاب جهانی

استفاده و ایجاد GPS به دوران Sputnik باز می‌گردد که دانشمندان توانستند ماهواره را با تغییراتی در سیگنال رادیویی خود که تحت عنوان “اثر داپلر” معروف است، ردیابی کنند. نیروی دریایی ایالات متحده آزمایشات ناوبری ماهواره‌ای را در اواسط دهه 1960 برای ردیابی زیردریایی‌های آمریکایی حامل موشک‌های هسته‌ای با این مکانیزم انجام داد. با شش ماهواره در حال چرخش زیردریایی‌ها توانستند تغییرات ماهواره‌ای را در داپلر مشاهده کنند و موقعیت زیر دریایی را طی چند دقیقه با دقت مشخص کنند.

در اوایل دهه 1970، وزارت دفاع ایالت متحده می‌خواست که از یک سیستم پایدار ناوبری ماهواره‌ای در دسترس استفاده کند. وزارت دفاع با در هم آمیختن ایده‌های قبلی دانشمندان نیروی دریایی، تصمیم گرفت از ماهواره‌ها برای پشتیبانی از سیستم ناوبری خود استفاده کند. وزارت دفاع آمریکا در سال 1978 اولین سیستم ناوبری خود را با زمان‌بندی توسط ماهواره دنبال کرده و راه‌اندازی کرد که این شروع کار سیستم موقعیت یاب جهانی بود. این سیستم 24 ماهواره‌ای در سال 1993 کاملاً عملیاتی شد.

امروزه GPS یک سیستم پرتونگاری چند منظوره و مبتنی بر فضا است که متعلق به دولت ایالات متحده است و توسط نیروی هوایی ایالات متحده برای تأمین نیازهای دفاعی ملی، امنیت میهن، نیازهای مدنی، تجاری و علمی اداره می‌شود. GPS در حال حاضر دو سطح خدمات را ارائه می‌دهد: سرویس موقعیت یابی استاندارد و سرویس موقعیت یابی دقیق که محدود به نیروهای مسلح ایالات متحده، آژانس‌های فدرال ایالات متحده، و نیروهای مسلح متحد و دولت‌های منتخب است.

کاربرد GPS

مانند اینترنت، GPS عنصر اساسی زیرساخت اطلاعات جهانی است. ماهیت رایگان، باز و قابل اعتماد بودن GPS منجر به توسعه صدها برنامه در هر جنبه از زندگی مدرن در راستای GPS شده است. فناوری GPS اکنون در همه چیز از تلفن‌های همراه و ساعت مچی گرفته تا بولدوزر، سرویس‌های حمل و نقل و دستگاه‌های خودپرداز موجود است.

GPS بهره وری را در بسیاری از سرویس‌ها و خدمات افزایش می‌دهد که شامل کشاورزی، ساخت و ساز، معدن، نقشه برداری، تحویل بسته‌ها و مدیریت زنجیره تأمین لجستیک می‌شود. شبکه‌های ارتباطی عمده، سیستم‌های بانکی، بازارهای مالی و شبکه‌های برق به منظور هماهنگ‌سازی دقیق به GPS وابسته هستند و حتی برخی از خدمات بی‌سیم بدون سیستم موقعیت یاب جهانی نمی‌توانند کار کنند.

GPS با جلوگیری از تصادفات، سهولت و سرعت در حمل و نقل، کمک به جستجوی راحت و سریع و تسریع در ارائه خدمات اضطراری و امداد رسانی در برابر بلایای طبیعی و حوادث، جان افراد را نجات می‌دهد. GPS برای سیستم حمل و نقل هوایی نسل‌های بعدی حیاتی است که ضمن افزایش ظرفیت فضای هوایی، ایمنی پرواز را تقویت می‌کند. GPS همچنین بررسی و پیگیری علمی در حیطه‌های مختلف مانند پیش بینی هوا، نظارت بر زلزله و حفاظت از محیط زیست را فراهم می‌کند.

در نهایت، GPS ممکن است برای امنیت ملی نیز بسیار مهم است و برنامه‌های آن تقریباً در همه جنبه‌های عملیات نظامی نیز به کار برده شوند. می‌توان گفت تقریباً تمام تکنولوژی‌های نظامی جدید از وسایل نقلیه گرفته تا مهمات به GPS مجهز شده‌اند.

البته تمام این‌ها نمونه کوچکی از برنامه‌های موجود GPS را شرح می‌دهد. کاربردهای جدید GPS هر روز اختراع می‌شود و فقط توسط تخیل انسان محدود می‌شود.

سیستم موقعیت‌یاب جهانی چطور کار می‌کند؟

در این سیستم ماهواره‌های GPS سیگنال‌های رادیویی را پخش می‌کنند. در این عمل مکان، وضعیت و زمان دقیق را از ساعت‌های اتمی on-board خودشان دریافت می‌کنند. بنابراین بسته‌ای حاوی زمان ارسال سیگنال از ماهواره به همراه وضعیت قرارگیری در مدار و مکان آن فرستاده می‌شوند. این سیگنال‌ها توسط ماهواره‌های مختلف GPS در فضا با سرعت نور به سمت زمین حرکت می‌کنند، سرعت سیگنال‌ها بیش از 299،792 کیلومتر بر ثانیه است و این راز موفقیت سیستم موقعیت‌یاب جهانی است، سرویس‌دهی سریع!

همزمان ایستگاه کنترل اصلی یا GPS Master ماهواره‌ها را از طریق یک شبکه جهانی نظارت و ردیابی می‌کند و به طور روزانه سلامت آنها را بررسی و مدیریت می‌کند. آنتن‌های زمینی نیز در سراسر جهان به روزرسانی داده‌ها و دستورات عملیاتی را به ماهواره ها ارسال می‌کنند تا شمکلی در سرویس‌دهی ماهواره‌ها به وجود نیاید.

یک دستگاه GPS می‌تواند سیگنال‌های رادیویی را از دستگاه‌های مختلفی دریافت کند و با توجه به زمان دقیق دریافت آن‌ها دریافت می‌کند و از آن برای محاسبه فاصله خود از هر ماهواره استفاده می‌کند. معمولا برای موقعیت یابی 2 بعدی از ۳ ماهواره و در موقعیت یابی ۳ بعدی که ارتفاع نیز مد نظر است از ۴ ماهواره بهره می‌برد.

در حالت ۲ بعدی ماهواره ارتفاع گیرنده را هم سطح با سطح دریا در نظر می‌گیرد. گیرنده با استفاده از داده‌های دریافتی و محاسبات مختلف مانند کم کردن زمان ارسال از زمان دریافت به میزان فاصله خود با ماهواره ارسال کننده سیگنال دسترسی پیدا می‌کند و در ادامه با محاسبات هندسی محل قرارگیری خود را می‌یابد. پس از آن و در ادامه اطلاعات دیگری نظیر وضعیت موقعیت‌های مختلف جغرافیایی را نیز از ماهواره‌ها دریافت کرده و می‌تواند کارهایی مانند مسیریابی، وضعیت مسیرهای مختلف مانند میزان ترافیک، مسدود بودن جاده و حتی زمان احتمالی پیمودن مسیر را به دست بیاورد.

میزان دقت GPS چقدر است؟

دقت سیستم موقعیت‌یاب جهانی به عوامل مختلفی بستگی دارد. اگر چه ماهواره‌های GPS سیگنال‌های خود را با دقت خاصی در فضا پخش می‌کنند، اما آنچه شما دریافت می‌کنید به عوامل دیگری از جمله هندسه ماهواره‌ای، انسداد سیگنال، شرایط جوی و ویژگی‌ها و کیفیت طراحی گیرنده بستگی دارد.

به عنوان مثال، تلفن‌های هوشمند مجهز به GPS معمولاً در شعاع 4.9 متری (16 فوت) در زیر آسمان باز دقیقاً قابل مشاهده هستند. اما این دقت در نزدیکی ساختمان‌ها، پل‌ها و درختان کمتر می‌شود. در برخی از گیرنده‌ها، دقت GPS را با استفاده از گیرنده‌های دو فرکانس و یا سیستم‌های تقویتی بهبود می‌دهند. که این امر می‌تواند موقعیت در زمان واقعی و در فاصله‌های چند سانتی متری را فعال کند.

مزایای سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS)

در راستای کاربردهای بسیار زیاد این سیستم و چشم انداز پیشرفت تکنولوژی در سایه این سیستم نوید بخش اتفاقات شگرفی خواهد بود اما در حال حاضر نیز این تکنولوژی بی‌نظیر مزایای بسیاری را برای بشر به ارمغان آورده است که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• سیگنال GPS در سراسر جهان در دسترس است. بنابراین، کاربران در هر جایی از کره زمین از این تکنولوژی محروم نخواهند شد.
• GPS سیستم GPS به تنهایی اندازه‌گیری و کالیبره می‌شود و از این رو استفاده از آن توسط هر کس آسان است.
• اطلاعات را براساس موقعیت مکانی در زمان واقعی به کاربران ارائه می‌دهد. این در برنامه‌های مختلف مانند نقشه برداری (استفاده در اتومبیل‌ها)، مکان (جابجایی)، تجزیه و تحلیل عملکرد (مورد استفاده در ورزش) و غیره مفید است. به عنوان مثال: برنامه برای Google Earth

بسیاری از برنامه‌هایی که امروزه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، به عنوان مثال مسیریاب‌ها، سیستم‌های تاکسی اینترنتی و… همه و همه مدیون وجود سیستم GPS هستند.

معایب GPS

در تمامی تکنولوژی‌ها علاوه بر مزایا معایبی نیز وجود دارد و به مرور زمان و با بررسی بالانس مزایا در کنار معایب توسط کارشناسان استفاده از یک تکنولوژی پیشنهاد و یا رد می‌شود. اگر چه مواردی که به عنوان معایب برای این سیستم وجود دارن بیشتر جنبه ضعف داشته و ممکن است به مرور زمان برطرف شوند. برخی از این معایب عبارتند از:

• مصرف زیاد برق: تراشه GPS بسیار پر مصرف است و باتری را در 8 تا 12 ساعت تخلیه می‌کند. این مشکل نیاز به تعویض یا شارژ مجدد باتری را افزایش می‌دهد.
• عدم نفوذپذیری: سیگنال‌های GPS به دیوارها یا سازه‌های جامد نفوذ نمی‌کند. همچنین تحت تأثیر سازه‌ها یا سازه‌های بزرگ قرار دارد. این بدان معنی است که کاربران نمی‌توانند از GPS در داخل یا زیر آب یا در مناطق متراکم درخت یا در فروشگاه‌های زیرزمینی یا مکان‌های سرپوشیده و غیره استفاده کنند.
• تاثیرپذیری سیگنال:  دقت GPS به کیفیت سیگنال دریافتی بستگی دارد. سیگنال GPS تحت تأثیر جو و تداخل الکترومغناطیسی، یونوسفر و غیره است. این منجر به خطا در سیگنال GPS در حدود 5 تا 10 متر می‌شود. اگرچه گیرنده‌های مختلف از دقت مختلفی برخوردار هستند.
• سرویس دهی و محل قرارگیری ماهواره‌ها: مشکل دیگر این است که موقعیت گاهی اوقات می‌تواند به طور قابل توجهی دچار خطا شود، به خصوص وقتی تعداد ماهواره‌ها محدود باشد. ماهواره‌ها از ساعت‌های اتمی استفاده می‌کنند و بسیار دقیق هستند، اما بعضی اوقات اختلافات و در نتیجه خطاهای‌اندازه گیری زمان وجود دارد. ماهواره‌ها باید موقعیت‌های مداری از پیش تعریف شده خود را حفظ کنند، اما کشش گرانشی (زمین، ماه، خورشید) ممکن است تغییر ایجاد کند و سبب ایجاد خطا شود.

شما چه تجربه‌ای در خصوص GPS داشته‌اید؟ آیا از این قابلیت در تلفن همراهتان استفاده می‌کنید؟ دیدگاه‌ها و تجربیات خود را در این زمینه با ما و سایر کاربران همیار آی‌تی به اشتراک بگذارید.