GPS چگونه کار می‌کند؟

خلاصه :

 راز پشت این فناوری با چنین دقت بالایی چیست؟ در حقیقت قابلیت مکان‌یابی جهانی (یا GPS) از آن دسته دستاوردهای بشری است که تاکنون جان بسیاری را در سراسر جهان نجات داده و روزانه کار بسیاری را برای یافتن مسیر درست ساده کرده است. در این مقاله، می‌کوشیم نحوه‌ی کار GPS را مورد بحث و بررسی قرار دهیم
 

سیستم مکان‌یاب جهانی یا GPS در حقیقت شبکه‌ای به هم تنیده از 27 ماهواره است که در اطراف زمین در حال گردش هستند. از این 27 ماهواره، 24 مورد به صورت فعال در شبکه انجام وظیفه می‌کنند و 3 ماهواره نیز به صورت رزرو می‌باشند. در واقع با توجه به موقعیت این ماهواره‌ها، در همه حال می‌توان چهار عدد از آن‌ها را در آسمان بالای سرمان روئیت کنیم.

علاوه بر ماهواره‌ها، پنج پایگاه زمینی وظیفه‌ی کنترل و نظارت بر این مدارگردها را بر عهده دارند؛ که پایگاه اصلی در کلورادوی امریکا واقع است و چهار پایگاه تمام خودکار نیز در هاوایی و دیگر نقاط دور دست نزدیک به خط استوا قرار گرفته‌اند. این ایستگاه‌ها در هر لحظه موقعیت ماهواره‌ها را رصد کرده و اطلاعات را برای بررسی کارشناسان به پایگاه اصلی مخابره می‌کنند.

 این سامانه نخستین بار با اهداف نظامی تهیه و گسترش یافت. تا اینجا می‌دانیم که شبکه‌ای از ماهواره‌ها و ایستگاه‌های زمینی اطلاعات را با هم تبادل می‌کند، اما پرسش اینجاست که این داده‌ها چطور سر از گوشی‌های هوشمند یا سایر ابزارهای مکان یابی در می‌آورند؟ و چطور با این همه ماهواره‌ی موجود در آسمان باز هم گاهی اوقات سیگنال‌ها دریافتی بسیار ضعیف؟

واقعیت آن است از هر وسیله و ابزار هوشمندی که استفاده می‌کنید - از گوشی تلفن همراه گرفته تا مسیریاب‌های خودرویی – شما در واقع یک گیرنده‌ی GPS دارد. به عبارت دیگر، تجهیزات شما سیگنال‌های مخصوص ماهواره‌ای را دریافت می‌کند. اما چه نوع اطلاعاتی دریافت می‌شود؟ در واقع ماهواره به گوشی اطلاع می‌دهد که در چه فاصله‌ای از آن قرار گرفته است! اما آیا این کافی است؟

در این مرحله، شاید کمی گیج شده باشید چرا که برای مکان‌یابی می‌بایست به اطلاعاتی بیش از فاصله خودمان از ماهواره‌ای خاص دسترسی داشته باشیم! حق با شماست. البته گوشی شما با دریافت فاصله از این ماهواره‌ها و استفاده از تکنیکی به نام trileration قادر به مکان یابی دقیق است!

تصور کنید در دشت و صحرایی گم شده‌اید، با دوستی در شهر الف تماس می‌گیرید و او به طور معجزه‌آسایی فاصله‌ی شما از خود را می‌داند. او به شما می‌گوید که در 400 کیلومتری او قرار گرفته‌اید. اما آیا این فاصله برای یافتن مسیر درست کافی است؟ در حال حاضر تنها می‌دانید که در دایره‌ای به شعاع 400 کیلومتری از شهر الف قرار گرفته‌اید که حقیقتاً می‌تواند فضای بزرگی باشد.

اگر بتوانید فاصله‌ی خود را از دو شهر دیگر نیز بدست آورید، می‌توانید با بر هم نهی این دایره‌ها، موقعیت فعلی خود را به طور دقیق محاسبه کنید. اگر از شهر دوم نیز فاصله‌ای 300 کیلومتری داشته باشید با کنار هم قرار دادن این دو دایره دو نقطه‌ی احتمالی حظور شما به دست می‌آید. در صورتی که بتوانید فاصله‌ی خود از شهر سوم را که به فرض 200 کیلومتر است نیز بدست آورید، آنگاه می‌توانید موقعیت حقیقی خود را بیابید.

در مسیریابی GPS نیز از همین تکنیک استفاده می‌شود و هر یک از ماهواره‌ها را می‌توان به مثابه این شهرها در نظر گرفت. البته این ماهواره‌ها در فضای سه بعدی قرار دارند، پس لازم است که این وضعیت را در چنین فضایی تصور کنید.

در مسیریابی GPS، نه تنها از سه بلکه چهار ماهواره استفاده می‌شود تا دقت اندازه‌گیری‌ها بالا رود. به همین خاطر است که گاهی از اوقات مسیریابی مدت زمان زیادی به درازا می‌انجامد یا اینکه گاهی سیگنال دریافتی بسیار ضعیف است؛ چرا که به دو یا سه ماهواره متصل شده‌اید که هنوز کافی نیست.

البته مسائل ریاضی پیچیده‌تری در پس GPS نهفته است اما آنچه که در اینجا ذکر آن رفت، شرح حال ساده‌ی ماجرا است. برای نمونه، باید میزان تأخیر بین رفت و برگشت سیگنال بین گیرنده (شما) و ماهواره به درستی محاسبه شود و از آنجا که تعداد محاسبات صورت گرفته بسیار زیاد است، به همین جهت زمانی که از GPS استفاده می‌کنید باتری گوشی هوشمندتان سریعاً خالی می‌شود!