GPS

GPS چیست و چرا برای تعیین مکان حداقل سه ماهواره لازم است؟

GPS سیستم موقعیت‌یابی جهانی با استفاده از ماهواره‌های متعدد است که دقتی بالا دارد و تقریباً همیشه در دسترس است. به همین علت در خودروها، گوشی‌ها و تبلت‌ها و حتی دست‌بندها و ساعت‌های هوشمند به وفور استفاده می‌شود. برای استفاده از GPS به نقشه‌های آنلاین (با اینترنت) و یا آفلاین و برقرار ارتباط صحیح با حداقل ۳ ماهواره نیاز است. GNSS یا گلوناس هم سیستمی مشابه GPS است که در کشورهای نیم‌کره‌ی شمالی و ایران مفید فایده واقع می‌شود.

DARPA یکی از نام‌هایی است که وقتی از ربات و رباتیک سخن به میان می‌آید، یادش می‌افتیم. آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی یا همان DARPA این بار سراغ تکنولوژی جدیدی برای جایگزین کردن GPS رفته، روشی که نیاز به ماهواره نداشته باشد! جالب است بدانید که GPS هم در ابتدا با مقاصد نظامی طراحی شده بود اما حالا کاربردی بسیار زیاد و البته عمومی دارد.

GPS در ابتدای کار به اندازه‌ای کوچک نبود که در هر گوشی هوشمند باریکی جا شود اما در گذر زمان آن قدر کوچک شده که این روزها تقریباً در هر گوشی هوشمندی، استفاده می‌شود. اپ‌های نقشه هم پیشرفت کرده‌اند و در این راه تصاویر ماهواره‌ای با رزولوشن بالاتر و همین‌طور خودروها و هواپیماهای نقشه‌برداری زیادی مورد استفاده قرار گرفته است.

گیرنده‌های قدیمی و نسبتاً بزرگ GPS

گیرنده‌های قدیمی و نسبتاً بزرگ GPS

 

GPS چطور کار می‌کند؟

عبارت GPS مخفف Global Positioning System و به معنی سیستم موقعیت‌یابی جهانی است. ماهواره‌های متعددی در مدار زمین قرار گرفته‌اند تا موقعیت ما را بدون نیاز به شبکه‌های مخابراتی مشخص کنند. در واقع می‌توان موقعیت یک گوشی را از طریق آنتن‌های مخابراتی اطراف هم مشخص کرد ولیکن اگر سیم‌کارتی در کار نباشد، می‌توان به ماهواره‌های GPS متصل شد و با دقتی بیشتر تعیین مکان کرد. دقت GPS به مراتب بالاتر از روش موردبحث است و معمولاً خطایی کمتر از ۵ متر دارد.

همواره ۲۴ ماهواره که هر ۴ مورد آن در یک مدار قرار دارد، به دور زمین می‌چرخند:

24 ماهواره در اطراف زمین برای تعیین مکان از طریق GPS در گردش هستند.

24 ماهواره در اطراف زمین برای تعیین مکان از طریق GPS در گردش هستند.

GPS اساساً روشی مبتنی بر نظریات انیشتن یعنی نظریه‌ی نسبیت خاص و عام است. ابزاری که مجهز به GPS باشد با ماهواره‌های مختلف ارتباط برقرار می‌کند؛ با توجه به زمان سیگنال دریافتی از ماهواره‌های مختلف، می‌توان مشخص کرد که ابزار موردبحث در کدام نقطه قرار دارد.

فکر کنید در یک صفحه قرار دارید و فاصله‌ی نقطه‌ای مجهول با دو نقطه که همان ماهواره‌ها هستند، مشخص است. بدین ترتیب می‌توان محل نقطه‌ی مجهول را پیدا کرد، کافی است به مرکز دو ماهواره و به شعاعی برابر با فاصله‌ی ماهواره‌ها از نقطه‌ی مجهول، دوایری رسم کنیم و محل تلاقی آنها را به عنوان محل نقطه‌ی مجهول مشخص کنیم:

دو ماهواره و دو دایره برای یافتن محل نقطه‌ی مجهول

دو ماهواره و دو دایره برای یافتن محل نقطه‌ی مجهول

همین مثال ساده در هندسه‌ی فضایی هم مصداق دارد اما به جای دو ماهواره، باید فاصله‌ی نقطه‌ی مجهول با سه ماهواره مشخص شود. برای همین است که برای استفاده از GPS باید صبر کرد که ارتباط با حداقل سه ماهواره برقرار شود. ماهواره‌های بیشتر به معنی دقت بالاتر خواهد بود.

اگر مدل ریاضی این محاسبه موردنظرتان باشد، از کره شروع می‌کنیم. نقاط کره از مرکز آن که می‌تواند ماهواره باشد، به یک فاصله هستند. بنابراین وقتی فاصله‌ی یک گوشی با سه ماهواره مشخص باشد، می‌توان کراتی با شعاع فاصله‌ی موردنظر و به مرکز هر سه ماهواره ترسیم کرد. این سه کره یک نقطه‌ی مشترک دارند که همان موقعیتی است که گوشی در آن قرار دارد.

چرا برای تعیین مکان به سه ماهواره‌ی GPS نیاز داریم؟

چرا برای تعیین مکان به سه ماهواره‌ی GPS نیاز داریم؟

نظریات انیشتن به ما می‌گوید که زمان برای ماهواره‌ای که در حرکت است، کندتر پیش می‌رود. هر چه سرعت بیشتر باشد، زمان هم کندتر می‌گذرد و لذا باید در محاسبات فاصله، این مهم را هم در نظر گرفت که ماهواره‌ها در حالت سکون نیستند. نسبیت و محاسبات مربوطه ما را به این نتیجه رهنمون می‌شود که هر روز حدود ۳۸ میکروثانیه اختلاف زمانی وجود دارد، بسیار کم است چرا که سرعت ماهواره‌ها هم نسبت به سرعت نور بسیار کوچک و ناچیز است اما همین مقدار کم هم در موقعیت‌یابی اثری بزرگ دارد! مثلاً چند کیلومتر خطا!

سیستم موقعیت‌یابی روسیه به اسم GLONASS و احتمالاً به زودی سیستم اروپایی GNSS از همان روش آشنای GPS استفاده می‌کنند و بسته به موقعیت جغرافیایی ممکن است دقتی بالاتر داشته باشند.

سیستم موقعیت‌یابی جدید DARPA

سیستم موقعیت‌یابی جدیدی که دارپا روی آن کار می‌کند، نیاز به ماهواره ندارد و لذا تأثیر پارازیت بر آن کمتر است.  یکی از اشکالات GPS آسیب‌پذیری آن نسبت به حملات است چرا که ماهواره‌ها در مدار خود ایمن نیستند و از طرفی می‌توان با امواج پارازیت، ارتباط را مختل کرد. یک کاربرد دیگر در نقاطی است که ارتباط با ماهواره‌ها برقرار نمی‌شود. مثلاً زیر زمین و حتی در طبقات پایینی ساختمان‌های مرتفع.

دارپا با انتشار مقاله‌ای در این زمینه، به این مهم اشاره کرده که از این پس روی تکنولوژی‌هایی که پتانسیل ارایه‌ی دقتی در حد GPS دارند، سرمایه‌گذاری می‌کند. تکنولوژی‌هایی مثل تداخل‌سنجی اتم‌های سرد، ژیروسکوپ‌هایی در ابعاد تراشه‌ای که خودشان را کالیبره می‌کنند، شتاب‌سنج‌ها، ساعت‌ها و لیزر پالسی که ساعت اتمی و منبع مایکروویو است، از موارد مهمی هستند که دارپا رویشان سرمایه‌گذاری می‌کند.

شاید در حال حاضر مقصود دارپا بیشتر جنبه‌ی تخیلی داشته باشد تا واقعیت اما در بلندمدت ممکن است GPS مورد استفاده در خودروها و گوشی‌های هوشمند جای خود را به سیستم موقعیت‌یابی جدیدی که DARPA از آن صحبت کرده، بدهد.

بازگشت به دانش‌نامه
لينک کوتاه:

FacebookTwitterGoogle


تبلیغات

×