نحوه کار جی پی اس چگونه است؟

از زمان معرفی جی‌پی‌اس، این فناوری دنیا را متحول کرده است. اکنون هر انسانی در کره زمین می‌تواند با استفاده از گیرنده خود به جی‌پی‌اس وصل شود و موقعیت خود را مشخص کند. او حتی می‌تواند مقصد مورد نظر خود را با محاسبه میزان مسافت، ترافیک و سایر موارد تعیین کند. اما موضوعی که اغلب پرسیده می‌شود، این است که «نحوه کار جی پی اس چگونه است؟» برای پاسخ با مقاله دیگری از یوفایندر همراه باشید.

سیستم موقعیت یاب جهانی که نیواستار (NavStar) نیز نامیده می‌شود، توسط ارتش ایالات متحده ساخته شده و از سال 1995 کاملاً عملیاتی شده است. سیستم جی‌پی‌اس در حال حاضر دارای 31 ماهواره فعال در مدارهایی با شیب 55 درجه نسبت به خط استوا است. این ماهواره‌ها در فاصله 20 هزار کیلومتری از سطح زمین قرار دارند و هر روز دو بار در مدار خود قرار می‌گیرند.

مدارها طوری طراحی شده‌اند که همیشه شش ماهواره از اکثر نقاط روی زمین در معرض دید قرار داشته باشند. جی‌پی‌اس از فناوری‌های پیچیده زیادی استفاده می‌کند اما مفهوم آن ساده است. گیرنده جی‌پی‌اس از هر ماهواره GPS سیگنال دریافت می‌کند. ماهواره‌ها زمان دقیق ارسال سیگنال‌ها را هم ارسال می‌کنند.

با کم کردن زمان ارسال سیگنال از زمان دریافت آن، جی‌پی‌اس می‌تواند فاصله سیگنال از هر ماهواره‌ای را تشخیص دهد. گیرنده جی‌پی‌اس همچنین موقعیت دقیق ماهواره‌ها را در لحظه ارسال سیگنال‌های خود در آسمان می‌داند. بنابراین با توجه به زمان سفر سیگنال‌های جی‌پی‌اس از سه ماهواره و موقعیت دقیق آن‌ها در آسمان، گیرنده جی‌پی‌اس می‌تواند موقعیت شما را در سه بعد شرقی، شمالی و ارتفاع تعیین کند.

زمان رسیدن سیگنال و نحوه کار گیرنده

برای محاسبه زمان رسیدن سیگنال‌های جی‌پی‌اس، گیرنده باید زمان را بسیار دقیق بداند. ماهواره‌های جی‌پی‌اس دارای ساعت‌های اتمی هستند که زمان بسیار دقیقی را نگه می‌دارند اما تجهیز گیرنده جی‌پی‌اس به ساعت اتمی امکان ‌پذیر نیست. با این حال، اگر گیرنده جی‌پی‌اس از سیگنال ماهواره چهارم استفاده کند، می‌تواند معادله‌ای را حل کرده که به آن این امکان را می‌دهد تا زمان دقیق را بدون نیاز به ساعت اتمی تعیین کند.

اگر گیرنده جی‌پی‌اس فقط قادر به دریافت سیگنال از سه ماهواره باشد، همچنان می‌توانید موقعیت خود را بدست آورید، اما دقت کمتری خواهد داشت. همانطور که در بالا اشاره کردیم، گیرنده جی‌پی‌اس به چهار ماهواره نیاز دارد تا موقعیت شما را در سه بعد مشخص کند. اگر فقط سه ماهواره در دسترس باشند، گیرنده جی‌پی‌اس می‌تواند با این فرض که شما در سطح متوسط ​​دریا هستید، موقعیت تقریبی را به دست آورد.

اگر در سطح متوسط ​​دریا باشید، موقعیت به طور منطقی دقیق خواهد بود. با این حال، اگر در کوه هستید، تعیین موقعیت دو بعدی ممکن است صدها متر فاصله داشته باشد. یک گیرنده جی‌پی‌اس مدرن معمولاً همه ماهواره‌های موجود را به طور همزمان ردیابی می‌کند اما تنها از آنها برای محاسبه موقعیت شما استفاده می‌شود.

به طور کلی، گوشی همراه شما به سه ماهواره جی‌پی‌اس برای تثبیت دو بعدی (یعنی بدون ارتفاع) یا چهار ماهواره برای تثبیت سه بعدی نیاز دارد. به طور معمول یک جی‌پی‌اس تعداد بیشتری از ماهواره‌ها را ردیابی می‌کند.

داده‌های Almanac و Ephemeris

برای تعیین موقعیت ماهواره‌های جی‌پی‌اس، گیرنده جی‌پی‌اس به دو نوع داده تقویمی از جمله Almanac و Ephemeris نیاز دارد. این داده‌ها به طور مداوم توسط ماهواره‌های جی‌پی‌اس ارسال می‌شود و گیرنده شما این داده‌ها را جمع آوری و ذخیره می‌کند. Almanac حاوی اطلاعاتی در مورد وضعیت ماهواره‌ها و اطلاعات تقریبی مداری است.

گیرنده جی‌پی‌اس از Almanac برای محاسبه ماهواره‌هایی که در حال حاضر قابل مشاهده هستند، استفاده می‌کند. Almanac به اندازه کافی دقیق نیست که به گیرنده جی‌پی‌اس اجازه تثبیت شدن دهد.

اگر گیرنده جی‌پی‌اس جدید است یا برای مدتی استفاده نشده باشد، ممکن است 15 دقیقه یا بیشتر برای دریافت Almanac فعلی، زمان نیاز داشته باشد. در گیرنده‌های قدیمی‌‌تر جی‌پی‌اس، یک Almanac برای به دست آوردن ماهواره‌ها نیاز بود اما بسیاری از مدل‌های جدیدتر می‌توانند ماهواره‌ها را بدون انتظار برای Almanac دریافت کنند.

برای رفع مشکل، گیرنده جی‌پی‌اس شما، به داده‌های اضافی برای هر ماهواره نیاز دارد که Ephemeris نامیده می‌شود. این داده‌ها اطلاعات بسیار دقیقی در مورد مدار هر ماهواره ارائه می‌دهد. گیرنده جی پی اس شما می‌تواند از داده‌های Ephemeris برای محاسبه موقعیت یک ماهواره با یک یا دو متر استفاده کند.  Ephemeris هر دو ساعت یکبار به روز می‌شود و معمولاً چهار ساعت اعتبار دارد. اگر گیرنده جی پی اس شما برای مدتی خاموش باشد، ممکن است چندین دقیقه طول بکشد تا داده‌های Ephemeris از هر ماهواره دریافت شوند.

جی‌پی‌اس شما صفحه‌ای مانند صفحه سمت راست خواهد داشت که نشان می‌دهد کدام ماهواره‌ها در حال استفاده هستند. نمودارهای میله ای قدرت ماهواره‌هایی که جی‌پی‌اس بدست آورده است را نشان می‌دهند. اگر نوار توخالی باشد، جی‌پی‌اس همچنان در حال بارگیری Ephemeris است. طرح دایره ای مکان ماهواره‌ها را در آسمان نشان می‌دهد، مرکز دایره بالای سر است.

راه اندازی جی‌پی‌اس

هنگامی که جی‌پی‌اس را روشن می‌کنید، زمان رفع مشکل با مدت زمانی که از آخرین استفاده از آن می‌گذرد، متفاوت است. رفع مشکل (Time to first fix) به زمان و فرآیند مورد نیاز برای یک دستگاه GPS را برای بدست آوردن سیگنال‌های ماهواره‌ای قابل استفاده و داده‌ها برای ارائه ناوبری دقیق اشاره دارد.

شروع سرد

شروع سرد (Cold Start) مربوط به زمانی است که دستگاه هیچ اطلاعاتی را به یاد نمی‌آورد. اگر جی‌پی‌اس برای مدت طولانی مورد استفاده قرار نگرفته باشد یا چندصد کیلومتر جابجا شده باشد، مدتی طول می‌کشد تا اولین تثبیت انجام شود. در این حالت، گیرنده جی‌پی‌اس مواردی مانند تاریخ‌، گذر زمان، موقعیت اولیه یا زمان فعلی را بررسی می‌کند.

واحدهای جی‌پی‌اس قدیمی ممکن است تا یک ساعت طول بکشند تا ماهواره‌ها را جستجو کنند، داده‌های Almanac و Ephemeris را دانلود کرده و موقعیت اولیه را به دست آورند. اگرچه واحدهای جی‌پی‌اس جدیدتر ممکن است بسیار کمتر از این زمان نیاز داشته باشند. اگر گیرنده جی‌پی‌اس چندصد کیلومتر جابه‌‌جا شده باشد، فرضیات آن در مورد استفاده از ماهواره‌ها نادرست خواهد بود و باید آن‌ها را جستجو کند. اکثر واحدها به شما این امکان را می‌دهند تا یک مکان تقریبی را برای سرعت بخشیدن به فرآیند وارد کنید.

شروع گرم

Almanac فعلی، موقعیت اولیه و زمان، همه معتبر هستند. داده‌های Ephemeris یا نامعتبر بوده یا فقط تا حدی معتبر می‌باشند. بسته به در دسترس بودن ماهواره و نوع گیرنده جی‌پی‌اس، زمان رفع مشکل احتمالاً 30 ثانیه تا دو دقیقه است.

شروع داغ

اگر گیرنده، مثلاً کمتر از یک ساعت خاموش باشد، احتمالاً پنج تا 20 ثانیه زمان خواهد برد تا تثبیت شود.

همه شروع‌ها به چه معناست؟

اگر اخیراً از جی‌پی‌اس استفاده کرده باشید، تقریباً فوراً باید تثبیت را دریافت کنید (یعنی مکان‌یابی دقیق گیرنده) و اگر جی‌پی‌اس خودرو دارید، بهتر است قبل از حرکت منتظر بمانید تا دستگاه تثبیت شود. دریافت اطلاعات Ephemeris برای یک ماهواره، 30 ثانیه طول می‌کشد. اگر در طول آن مدت جی‌پی‌اس سیگنال را به طور لحظه ای قطع کنید، ممکن است تا یک دقیقه بیشتر طول بکشد تا نشانه‌های آن ماهواره را دریافت کنید زیرا باید این فرآیند از نو شروع شود. اگر در منطقه‌ای با ساختمان‌های بلند یا موانع دیگری رانندگی می‌کنید، ممکن است زمان زیادی طول بکشد تا داده‌های Ephemeris برای چهار ماهواره که برای اولین تثبیت مورد نیاز هستند را به دست آورید.

دقت جی‌پی‌اس

دقت موقعیتی که جی‌پی‌اس شما گزارش می‌دهد، تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله موقعیت ماهواره‌ها در آسمان، اثرات جوی، خطاهای ساعت ماهواره و خطاهای زودگذر و سایر موارد است. واحدهای جی‌پی‌اس اغلب یک رقم دقت را روی صفحه نمایش می‌دهند، به عنوان مثال، EPE در واحدهای گارمین در شرایط ایده آل ممکن است 5 یا حتی 3 متر باشد.

با نگاه کردن به بخش مشخصات دفترچه راهنمای کاربر گیرنده جی‌پی‌اس خود، رقم واقعی تری به دست خواهید آورد. به طور معمول، با جی‌پی‌اس دستی، 95 درصد موقعیت‌های جی‌پی‌اس افقی در 10 متری موقعیت واقعی خود قرار دارند. خطای ارتفاع احتمالاً حداقل دو برابر خطای افقی خواهد بود.

دقت جی‌پی‌اس را می‌توان با استفاده از داده‌های ثانویه از ایستگاه‌های مرجع خارجی بهبود بخشید. بسیاری از واحدهای جی‌پی‌اس مصرف کننده، دارای گزینه WAAS هستند. WAAS از شبکه‌ای از ایستگاه‌های مرجع زمینی استفاده می‌کند. خواندن از ایستگاه‌های مرجع برای تصحیح برخی از منابع خطا که در بالا ذکر شد، استفاده می‌شود.

داده‌های تصحیح به ماهواره‌های WAAS Geostationary  فرستاده می‌شوند که آن‌ها را به گیرنده‌های جی‌پی‌اس مجهز به WAAS ارسال می‌کند تا دقت موقعیت را بهبود ببخشد. سیستم موقعیت یاب جهانی دیفرانسیل (DGPS) نیز سیستم مشابهی است. داده‌های ایستگاه‌های مرجع زمینی با استفاده از رادیو موج بلند، رادیو FM یا حتی تلفن‌های همراه به جی‌پی‌اس منتقل می‌شوند.

A-GPS چیست؟

احتمالا متوجه شده‌اید که واحدهای جی‌پی‌اس تلفن همراه تقریباً بلافاصله تثبیت می‌شوند. آن‌ها از جی‌پی‌اس کمکی (A-GPS) به عنوان راهی برای بهبود زمان برای اولین تثبیت استفاده می‌کنند. دستگاه A-GPS از یک اتصال داده (مانند 3G در تلفن همراه) برای تماس با یک سرور کمکی استفاده می‌کند. سرور می‌تواند داده‌های Almanac و Ephemeris را فراهم کرده تا جی‌پی‌اس برای دریافت آن‌ها از ماهواره‌ها منتظر بماند.

سرور همچنین می‌تواند یک مکان تقریبی برگرفته از دکل‌های تلفن همراه را ارسال کند که امکان تعمیر فوری را فراهم می‌نماید. در برخی موارد، دستگاه A-GPS ممکن است داده‌های ناقص جی‌پی‌اس را برای پردازش به سرور ارسال نماید. هنگامی که از پوشش تلفن همراه و وای‌فای خارج شدید، یک واحد جی‌پی‌اس تلفن همراه باید به ماهواره‌ها برای ارائه تاریخ گذرا به Almanac تکیه کند، بنابراین مانند یک جی‌پی‌اس استاندارد، 1 تا 2 دقیقه طول می‌کشد تا شروع سرد رفع شود.

برای آشنایی بیشتر با A-GPS پیشنهاد می کنیم مقاله “A-GPS چیست“ را مطالعه بفرمایید.

کلام آخر

نحوه کار جی‌پی‌اس را در بالا شرح دادیم، اکنون می‌دانید این فناوری فوق العاده چگونه کار می‌کند. جی‌پی‌اس از طریق ماهواره‌هایی که در مدار زمین قرار دارند، موقعیت یابی را انجام می‌دهد. این کار با استفاده از ساختار جی‌پی‌اس و عملکرد گیرنده‌ها انجام می‌شود. در این زمان، گوشی همراه شما یا ردیاب خودرو می‌تواند از قابلیت جی‌پی‌اس برای موقعیت یابی دقیق بهره ببرد.

منابع استفاده شده:

https://www.maptoaster.com/