0

آموزش برنامه نویسی آردوینو

در پاسخ به این سوال که GPS چیست؟ می توان گفت GPS یا Global Positioning System (سامانه موقعیت یابی جهانی) در واقع یک سیستم ماهواره ای است که برای تعیین موقعیت دقیق اجسام، افراد و اشیاء در سرتاسر کره ی زمین قابل استفاده است. امروزه از جی پی اس به طور گسترده در ساخت سیستم های ردیاب و رهیاب ماهواره ای استفاده می شود. در ادامه GPS را به زبان ساده برای شما توضیح خواهم داد و شما را با روش عملکرد این سامانه و کاربرد های GPS آشنا می کنم.

مروری بر شکل گیری GPS

اگرچه امروز GPS به یک وسیله ی تجاری تبدیل شده است که مردم برای پیدا کردن موقعیت حیوانات خانگی خود هم از آن استفاده می کنند اما در ابتدا پروژه ی GPS که در گذشته NAVSTAR GPS نامیده می شد یک پروژه ی ۱۰ میلیون دلاری کاملا نطامی بود. پروژه ی GPS در ابتدا توسط وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۷۳ به منظور رفع مشکلات موجود در سامانه های ناوبری (Navigation) قبلی آغاز شد.

GPS بر خلاف سیستم های ناوبری الکترونیکی قبلی که عموما بر اساس ایستگاه های زمینی عمل می کردند از شبکه ای از ماهواره ها برای تعیین موقعیت استفاده می کرد. این موضوع باعث می شد تا GPS در سراسر زمین قابل استفاده باشد و عملا در جنگ ها قابل مسدود شدن (Jam) نباشد. GPS این امکان را فراهم می کرد تا با استفاده از گیرنده هایی نسبتا کوچک طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع را به طور دقیق با دقت بین ۳۰ سانتی متر الی ۵ متر مشخص نمود. بنابراین نیروهای نظامی می توانستند به سرعت و بدون خطا خودشان را به موقعیت مورد نظر برسانند، حتی در شرایط جوی نامساعد که دید کافی برای دیدن منطقه وجود نداشت یا در میان اقیانوس های طوفانی که هیچ نشانی ای برای جهت یابی یافت نمی شود.

در سال ۱۹۷۸ و ۵ سال پس از شروع پروژه NAVSTAR اولین ماهواره GPS در مدار قرار گرفت و تا سال ۱۹۹۳ با قرار گرفتن تمام ۲۴ ماهواره مورد نیاز برای وشش کل زمین پروژه GPS به طور کامل اجرایی شد. با وجود اینکه سیستم GPS مانند بسیاری دیگر از تکنولوژی هایی که امروزه استفاده می کنیم، در ابتدا صرفا به منظور استفاده نظامی ارتش آمریکا طراحی شده بود، در دهه ۸۰ میلادی با دستور رونالد ریگان رئیس جمهور وقت ایالات متحده آمریکا، امکان استفاده از این سامانه برای شهروندان غیر نظامی نیز فراهم شد.

با اینکه سامانه موقیت یابی جهانی (GPS) با استفاده از ۲۴ ماهواره می تواند به صورت کامل زمین را پوشش دهد، از سال ۱۹۷۸ تا کنون بیش از ۷۴ ماهواره GPS از زمین پرتاب شده است که ۷۲ ماهواره با موفقیت در مدار خود قرار گرفته اند و در حال حاضر ( سال ۲۰۲۰ ) ۳۳ عدد از این ماهواره ها همچنان مشغول ارائه سرویس هستند و پرتاب ۲۵ ماهواره جدید GPS در آینده ای نه چندان دور برنامه ریزی شده است.

GPS چیست؟

GPS چطور کار می کند؟

حالا که می دانید GPS چیست و چطور بوجود آمده است شاید بپرسید GPS چطور کار می کند؟ همچنین ممکن است در خصوص امنیت استفاده از GPS دچار تردید باشید و برخی افراد ممکن است فکر کنند با استفاده از GPS اطلاعات آنها در اختیار ارتش آمریکا قرار می گیرد که در این بخش با توضیح نحوه عملکرد سیستم های GPS به این سوالات پاسخ داده می شود.

سامانه موقیت یابی GPS در واقع به این صورت عمل می کند که تمام ماهواره های GPS که در پیرامون زمین درحال چرخش هستند به صورت همزمان و پیوسته اطلاعاتی را به سمت زمین ارسال می کنند. در هر نطقه از زمین که قرار داشته باشید در هر لحظه می توانید از چندین ماهواره اطلاعات دریافت کنید. دستگاه های موقعیت یاب GPS با دریافت اطلاعات از حداقل ۴ ماهواره به صورت همزمان می توانند موقعیت جغرافیایی شامل طول عرض و ارتفاع از سطح دریا را با دقت بالایی بسنجند.

دستگاه های موقعیت یاب GPS در واقع به خودی خود و برای محاسبه اطلاعات جغرافیایی هیچ فرستنده ای نیاز ندارند. در واقع موقعیت یاب های GPS هیچ اطلاعاتی را مخابره نمی کنند و تنها اطلاعات را از ماهواره های مختلف GPS دریافت می کنند. هرچه گیرنده اطلاعات را از ماهواره های بیشتری دریافت کند می تواند موقعیت جغرافیایی را با دقت بیشتری محاسبه کند. به طور معمول در اغلب نقاط بین ۶ – ۱۰ ماهواره GPS برای دستگاه های موقعیت یاب قابل رویت هستند. در حال حاضر در برخی نقاط مرتفع تا ۱۶ ماهواره GPS برای گیرنده ها قابل رویت هستند.

GPS چطور موقعیت را محاسبه می کند؟

هر ماهواره GPS به یک ساعت فوق العاده دقیق اتمی مجهز شده است. در واقع تمام ماهواره های GPS همیشه در حال ارسال اطلاعاتی به سمت زمین هستند که یکی از مهم ترین اطلاعات TOT یا Time Of Transmition است. اگر بخواهیم از مسایل پیشرفته فیزیک که باعث ایجاد خطا در محاسبات GPS می شوند مانند انحرافات مداری، سرعت متغیر فرکانس ها در لایه های مختلف جو، بازتاب فرکانس ها، نسبیت زمان و …. که در طراحی سامانه GPS لحاظ شده است چشم پوشی کنیم می توان عملکرد GPS را به زبان ساده این طور بیان کرد.

فرض کنید ساعت تمام ماهواره های GPS و دستگاه گیرنده شما با هم Sync (همزمان) هستند. حالا اگر ماهواره A یک سیگنال شامل زمان ارسال (TOT) را برای شما ارسال کند، زمانی که شما سیگنال را دریافت می کنید از زمان ارسال را از زمان دریافت سیگنال یا TOA Time Of Arrival کسر کنید فاصله ی زمانی ارسال و دریافت را می توانید محاسبه کنید. با ضرب کردن این فاصله در سرعت رسانه که در اینجا امواج الکترومغناطیسی است می توانید فاصله نسبی گیرنده را از ماهواره A مشخص کنید. در واقع اگر مساله را ۲ بعدی تصور کنید، با انجام این محاسبات می توانید دایره ای رسم کنید که گیرنده می تواند روی این دایره قرار داشته باشد. اگر این کار را برای ۲ ماهواره با موقعیت های مختلف انجام دهیم، دو دایره به مرکز دو ماهواره خواهیم داشت که در ۲ نقطه یکدیگر را قطع می کنند. با استفاده از ۳ ماهواره ۳ دایره خواهیم داشت که تنها در یک نقطه یکدیگر را قطع می کنند و موقعیت دقیق شی را به ما می دهند.

اما از آنجا که فضای اطراف ما ۳ بعدی است با دانستن فاصله از هر ماهواره به جای یک دایره دو بعدی یک کره سه بعدی خواهیم داشت که موقعیت مورد نظر ما جایی بر روی سطح کره است. بنابراین با استفاده از ۳ ماهواره ۳ کره بوجود خواهد آمد که محل برخورد سطح این ۳ کره یک خط را شکل می دهد و برای اینکه خط را به نقطه ای در فضای ۳ بعدی تبدیل کنیم باید از ماهواره چهارمی کمک بگیریم. به همین علت برای محاسبه موقعیت دقیق در فضای ۳ بعدی GPS ها حداقل به ۴ ماهواره نیازمندند.

GPS چطور کار می کند؟

گوشه ای از محاسبات GPS به زبان فنی تر

شاید وقتی صحبت از محاسبه فاصله بر اساس اصل ریاضی Trilateration و زمان تاخیر رسیدن سیگنال از فرستنده تا ماهواره باشد فکر کنید که حتما این کار خیلی ساده است. اما در واقع این طور نیست. به علت اینکه امواج با سرعتی نزدیک به ۲۹۹ میلیون متر بر ثانیه حرکت می کنند یعنی می توانند فاصله ماه تا زمین را در حدود یک ثانیه طی کنند و از طرف دیگر فاصله مداری ماهواره های GPS از زمین حدود ۲۰ هزار کیلومتر است. یعنی تنها حدود۷ میلی ثانیه تا رسیدن امواج GPS از ماهواره به زمین زمان نیاز است.

از آنجا که نور در هر نانوثانیه می تواند مسافتی حدود ۳۰ سانتی متر را طی کند محاسبات زمان بسیار مهم است. یعنی محاسبات باید بر اساس یک میلیاردم ثانیه انجام شود تا دقتی در حد ۳۰ سانتی متر داشته باشیم. برای این کار باید ساعت گیرنده و فرستنده کاملا دقیق باشد و با دقت نانوثانیه کار کند. بنابراین باید از ساعت های اتمی برای این کار استفاده شود تا بتوانیم به درستی و به صورت دقیق فاصله را محاسبه کنیم. اما از آنجا که ساعت های اتمی بیش از ۵۰ هزار دلار ( در حدود یک میلیارد تومان ) قیمت دارند استفاده از این ساعت ها در گیرنده های GPS که برای مصارف روزمره استفاده می شوند اصلا به صرفه نیست.

سیستم GPS برای حل این مشکل یک راه حل بسیار هوشمندانه و اقتصادی در نظر گرفته که با استفاده از این راه حل کافیست فقط ماهواره های GPS به ساعت های اتمی (atomic clock) مجهز شوند و گیرنده ها می توانند به سادگی با استفاده از ساعت های کوارتز معمولی محاسبات را انجام دهند.

چرا ساعت اتمی؟

شاید بپرسید تفاوت اصلی ساعت اتمی با ساعت کوارتز چیست؟! ساعت اتمی از اتم سزیم به عنوان نوسان ساز استفاده می کند که در هر ثانیه ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان می کند در حالی که ساعت های کوارتز از کوارتز به عنوان اسیلاتور استفاده می کنند که در هر ثانیه ۳۲۷۶۸ بار نوسان می کند. تفاوت اصلی ساعت های کوارتز و ساعت های اتمی در این است که ساعت های کوارتز در دمای اتاق هر ماه ۱۵ ثانیه عقب می مانند اما ساعت های اتمی در هر ۳۰ میلیون سال تنها ۱ ثانیه تاخیر خواهند داشت.

یک گیرنده GPS برای محاسبه موقعیت در ابتدا زمان را از حداقل ۴ ماهواره GPS دریافت می کند. از آنجا که بر روی زمین همیشه تنها یک مقدار صحیح برای زمان فعلی وجود دارد، گیرنده در ابتدا با دریافت زمان از ۴ ماهواره مختلف خطای خود را محاسبه می کند. سیستم GPS به گونه ای طراحی شده است که اگر زمان دستگاه درست نباشد کره های حاصل از محاسبات بر اساس ۴ ماهواره یکدیگر را قطع نمی کنند. در واقع با ۳ ماهواره امکان موقعیت یابی وجود دارد اما اگر زمان فعلی (Current Time) گیرنده درست تنظیم نشده باشد باز هم احتمال اینکه سطح کره ها همدیگر را قطع کنند وجود دارد اما با استفاده از ۴ کره این امکان از بین می رود و تنها در صورتی که زمان گیرنده به درستی تنظیم شود ۴ کره یکدیگر را قطع می کنند. بنابراین گیرنده می تواند در ابتدا با انجام محاسبات متعدد و آزمون و خطا به زمانی درست و دقیقی برسد که هر ۴ کره یکدیگر را قطع می کنند و در ادامه این زمان را ذخیره می کند.

بنابراین طراحی هوشمندانه GPS باعث شده است تا گیرنده های GPS بتوانند با استفاده از یک ساعت معمولی که قیمتی کمتر از ۱ دلار دارد بتوانند از دقت ساعت های چند صد هزار دلاری اتمی بهره مند شوند. بنابراین با استفاده از GPS علاوه بر موقعیت یابی دقیق با دقت ۳۰ سانتی متر تا ۱۵ متر مردم سراسر دنیا می توانند با استفاده از یک گیرنده GPS محاسبات زمان را با دقت ساعت های اتمی با دقتی در حدود ۵۰ میلیاردم ثانیه (نانوثانیه) انجام دهند.

ماهواره های GPS و قانون نسبیت اینشتین

تاثیر قانون نسبیت اینشتین بر ماهواره های GPS

ردپای قوانین نسبیت انیشتین در سیستم موقعیت یابی GPS کاملا مشهود است. بدون در نظر گرفتن نسبیت در ماهواره های GPS، سیستم GPS تنها طی دو دقیقه به طور کلی مختل می شود و دقت این سیستم از ۳۰ سانتی متر به صد ها کیلومتر کاهش می یابد به طوری که دیگر نمی توانید موقعیت هیچ چیزی را بر روی زمین با استفاده از این سیستم تعیین کنید!!

شاید بپرسید چطور چنین چیزی ممکن است. قبل از هر چیز باید بدانید که ماهواره های GPS در مدار ۲۱ هزار کیلومتری زمین قرار دارند و هر روز ۲ بار به دور زمین می چرخند، یعنی سیکل چرخش این ماهواره ها ۱۲ ساعت است.

طبق قانون نسبیت اینشتین (Einstein’s Relativity)، تیک تاک ساعت هایی که با سرعت بیشتری در حرکتند کند تر است. ماهواره های GPS نسبت به مردم روی زمین با سرعت ۱۴ هزار کیلومتر در ساعت در حال حرکتند و همین سرعت بیشتر باعث می شود تا زمان برای ماهواره های GPS در هر ۲۴ ساعت حدودا ۷۲۰۰ نانو ثانیه یا تقریبا ۷ میکروثانیه کندتر بگذرد.

از طرف دیگر ارتفاع ۲۰ هزار کیلومتری باعث می شود تا جاذبه وارد شده به این این ماهواره ها ۲۵٪ جاذبه وارد شده به اجسام روی زمین باشد و طبق قانون نسبیت اینشتین زمان در نزدیکی اجسام با جرم بیشتر کندتر می گذرد. بنابراین قانون زمان برای ماهواره های GPS در هر ۲۴ ساعت ۴۵۹۰۰ نانوثانیه زودتر می گذرد.

از برآیند دو مورد فوق می توان نتیجه گرفت زمان برای ماهواره های GPS در مجموع هر روز ۳۸۷۰۰ نانوثانیه زودتر می گذرد. اگر این قانون را در نظر نگیریم زمان ماهواره های GPS خیلی زود با زمان روی زمین متفاوت خواهد شد و محاسبات مکانی و زمانی دیگر دقت لازم را نخواهند داشت و عملا کارایی این سیستم در کمتر از یک روز با کیلومتر ها خطا و مشکل اساسی مواجه می شود.

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.