جی پی اس چیست و سیستم موقعیت‌ یابی جهانی چگونه کار می‌کند؟

همه چیز درباره جی پی اس و کاربردهای آن را در این مقاله بخوانید. جی پی اس یا سیستم موقعیت‌یابی جهانی (Global Positioning System) یک سیستم ماهواره‌ای جهانی است که موقعیت، سرعت و زمان‌بندی را ارائه می‌دهد.

جی پی اس همه‌جا هست. می‌توانید سیستم‌های جی پی اس را در ماشین، گوشی هوشمند و ساعت خود پیدا کنید. جی پی اس به شما کمک می‌کند تا از نقطه A به نقطه B برسید. جی پی اس چیست؟ این مقاله را بخوانید تا بیشتر درباره نحوه کار آن، تاریخچه و پیشرفت‌های آینده آن بدانید.

بیشتر بخوانید:

• کنترل جی پی اس فرزند
• آشنایی با روش های ردیابی شماره تلفن با جی پی اس
• آموزش راهنمای گام‌ به‌ گام نصب اینترنت ماهواره‌ای استارلینک Starlink

جی پی اس چیست و چگونه کار می‌کند؟

سیستم موقعیت‌یابی جهانی (جی پی اس GPS) یک سیستم ناوبری است که از ماهواره‌ها، یک گیرنده و الگوریتم‌ها برای همگام‌سازی داده‌های موقعیت، سرعت و زمان برای سفرهای هوایی، دریایی و زمینی استفاده می‌کند.

سیستم ماهواره‌ای متشکل از 24 ماهواره در شش مدار زمین‌مرکزی است که هر کدام چهار ماهواره دارند. این ماهواره‌ها در ارتفاع 13000 مایلی (20000 کیلومتری) از سطح زمین و با سرعت 8700 مایل در ساعت (14000 کیلومتر در ساعت) در حال گردش هستند.

در حالی که ما فقط به سه ماهواره برای تولید یک موقعیت روی سطح زمین نیاز داریم، اغلب از یک ماهواره چهارم برای اعتبارسنجی اطلاعات از سه ماهواره دیگر استفاده می‌شود. ماهواره چهارم ما را به بعد سوم می‌برد و امکان محاسبه ارتفاع یک دستگاه را فراهم می‌کند.

سه عنصر جی پی اس چیست؟

جی پی اس از سه عنصر مختلف تشکیل شده است که به آنها بخش گفته می‌شود و با هم کار می‌کنند تا اطلاعات موقعیتی را ارائه دهند.

سه بخش جی پی اس عبارتند از:

• فضایی (ماهواره‌ها): ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند و سیگنال‌هایی را برای کاربران در مورد موقعیت جغرافیایی و زمان روز ارسال می‌کنند.
• کنترل زمینی: بخش کنترل متشکل از ایستگاه‌های نظارت زمینی، ایستگاه‌های کنترل اصلی و آنتن‌های زمینی است. فعالیت‌های کنترل شامل ردیابی و بهره‌برداری از ماهواره‌ها در فضا و نظارت بر انتقالات است. ایستگاه‌های نظارتی در تقریباً هر قاره جهان وجود دارند، از جمله آمریکای شمالی و جنوبی، آفریقا، اروپا، آسیا و استرالیا.
• تجهیزات کاربر: گیرنده‌ها و فرستنده‌های جی پی اس شامل مواردی مانند ساعت‌ها، تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های مخابراتی است.

نحوه کار فناوری جی پی اس

جی پی اس از طریق یک تکنیک به نام «تریدلاتراسیون» کار می‌کند. تریدولاتراسیون برای محاسبه موقعیت، سرعت و ارتفاع، سیگنال‌ها را از ماهواره‌ها جمع‌آوری می‌کند تا اطلاعات موقعیت را تولید کند. این تکنیک اغلب با «تریانگلاسیون» اشتباه گرفته می‌شود که برای اندازه‌گیری زوایا، نه فاصله‌ها استفاده می‌شود.

• ماهواره‌های در حال گردش به دور زمین، سیگنال‌هایی را ارسال می‌کنند که توسط یک دستگاه جی پی اس که در سطح زمین یا نزدیک آن قرار دارد، خوانده و تفسیر می‌شود. برای محاسبه موقعیت، یک دستگاه جی پی اس باید بتواند سیگنال را از حداقل چهار ماهواره بخواند.
• هر ماهواره در شبکه دو بار در روز به دور زمین می‌چرخد و هر ماهواره یک سیگنال منحصر به فرد، پارامترهای مداری و زمان را ارسال می‌کند. در هر لحظه، یک دستگاه جی پی اس می‌تواند سیگنال‌های شش یا چند ماهواره را بخواند.
• یک ماهواره منفرد یک سیگنال مایکروویو پخش می‌کند که توسط یک دستگاه جی پی اس دریافت می‌شود و برای محاسبه فاصله بین دستگاه جی پی اس و ماهواره استفاده می‌شود. از آنجایی که یک دستگاه جی پی اس فقط اطلاعاتی را در مورد فاصله از یک ماهواره می‌دهد، یک ماهواره نمی‌تواند اطلاعات موقعیت زیادی را ارائه دهد. ماهواره‌ها اطلاعاتی در مورد زوایا نمی‌دهند، بنابراین موقعیت یک دستگاه جی پی اس می‌تواند در هر نقطه از سطح یک کره باشد.

به طور کلی، وقتی یک ماهواره اطلاعاتی را ارسال می‌کند، یک دایره با شعاعی که از دستگاه جی پی اس تا ماهواره اندازه‌گیری می‌شود، ایجاد می‌شود.

زمانی که ما یک ماهواره دیگر اضافه می‌کنیم، یک دایره دوم ایجاد می‌شود و مکان مورد نظر به یکی از دو نقطه تا تلاقی دایره‌ها محدود می‌شود.

با اضافه کردن ماهواره سوم، مکان دستگاه نهایتاً تعیین می‌شود، زیرا دستگاه در تلاقی تمامی سه دایره قرار دارد.

با این حال، باید گفت که ما در یک دنیای سه‌بعدی زندگی می‌کنیم، به این معنا که هر ماهواره اسفرا‌یه‌ای تولید می‌کند، نه یک دایره. تلاقی سه اسفرا‌یه، دو نقطه تلاقی را ایجاد می‌کند، بنابراین نزدیک‌ترین نقطه به زمین انتخاب می‌شود.

در زیر نموداری از مدار ماهواره‌ای آورده شده است:

با حرکت دستگاه جی پی اس، شعاع (فاصله تا ماهواره) تغییر می‌کند. هنگامی که شعاع تغییر می‌کند، اسفرا‌های جدیدی تولید می‌شوند که موقعیت جدیدی را به ما می‌دهد. ما می‌توانیم از این داده‌ها، به همراه زمان ارسالی از ماهواره، برای تعیین سرعت، محاسبه فاصله تا مقصد و زمان ورود به مقصد استفاده کنیم.

کاربردهای جی پی اس چیست؟

جی پی اس ابزاری قدرتمند و قابل اعتماد برای کسب و کارها و سازمان‌ها در صنایع مختلف است. مهندسین نقشه‌بردار، دانشمندان، خلبانان، کاپیتانان قایق، افراد واکنشگرای اولیه، و کارگران معدن و کشاورزی، تنها بخشی از افرادی هستند که روزانه از جی پی اس در کارهای خود استفاده می‌کنند. آن‌ها از اطلاعات جی پی اس برای تهیه نقشه‌ها و نقشه‌برداری دقیق، اندازه‌گیری زمان دقیق، پیگیری موقعیت یا مکان، و همچنین مسیریابی استفاده می‌کنند. جی پی اس در تمام زمان‌ها و تقریباً در تمام شرایط آب و هوا کار می‌کند.

پنج کاربرد اصلی جی پی اس عبارتند از:

• موقعیت — تعیین موقعیت.
• ناوبری — حرکت از یک مکان به مکان دیگر.
• ردیابی — نظارت بر حرکات شیء یا شخصی.
• نقشه‌برداری — ایجاد نقشه‌های جهان.
• زمان‌بندی — امکان انجام اندازه‌گیری‌های دقیق زمان را فراهم می‌کند.

موارد کاربرد جی پی اس شامل:

• پاسخ اضطراری : در هنگام وقوع یک حادثه یا بلای طبیعی، امدادگران از جی پی اس برای نقشه‌برداری، ردیابی و پیش‌بینی آب‌و‌هوا و ردیابی پرسنل امدادی استفاده می‌کنند. در اتحادیه اروپا و روسیه، مقررات eCall که بر فناوری GLONASS (یک جایگزین جی پی اس) و مخابراتی تکیه دارد، در صورت تصادف خودرو، داده‌ها را به خدمات اضطراری ارسال می‌کند و زمان پاسخگویی را کاهش می‌دهد. درباره ردیابی جی پی اس برای امدادگران بیشتر بخوانید.
• سرگرمی : جی پی اس می‌تواند در بازی‌ها و فعالیت‌هایی مانند Pokémon Go و Geocaching گنجانده شود.
• سلامت و تناسب اندام : ساعت‌های هوشمند و فناوری‌های پوشیدنی می‌توانند فعالیت‌های ورزشی (مانند مسافت دویدن) را ردیابی کرده و آن را با یک جمعیت مشابه مقایسه کنند.
• ساخت‌وساز، معدن و جابجایی خارج از جاده : از ردیابی جی پی اس می‌توان برای یافتن تجهیزات، اندازه‌گیری و بهبود تخصیص دارایی‌های ناوگان استفاده کرد، به‌طوری‌که شرکت‌ها بتوانند بازدهی دارایی‌های خود را افزایش دهند.
• حمل‌ونقل : شرکت‌های لجستیک سیستم‌های مخابراتی را برای بهبود بهره‌وری و ایمنی رانندگان پیاده‌سازی می‌کنند. یک ردیاب کامیون می‌تواند برای پشتیبانی از بهینه‌سازی مسیر ناوگان، صرفه‌جویی در مصرف سوخت، ایمنی رانندگان و انطباق ناوگان استفاده شود.

سایر صنایعی که از جی پی اس استفاده می‌کنند عبارتند از: کشاورزی، وسایل نقلیه خودران، فروش و خدمات، نظامی، ارتباطات سیار، امنیت و صید ماهی.

جی پی اس چقدر دقیق است؟

میزان دقت دستگاه جی پی اس به عوامل مختلفی بستگی دارد، مانند تعداد ماهواره‌های موجود، یونسفر، محیط شهری و غیره.

برخی از عواملی که می‌توانند بر دقت جی پی اس تأثیر بگذارند عبارتند از:

• موانع فیزیکی: اندازه‌گیری‌های زمان رسیدن می‌تواند توسط جرم‌های بزرگی مانند کوه‌ها، ساختمان‌ها، درختان و غیره تحریف شود.
• اثرات جوی: تأخیرهای یون‌سفری، پوشش سنگین طوفان و طوفان‌های خورشیدی می‌توانند بر دستگاه‌های جی پی اس تأثیر بگذارند.
• اپیگرم: مدل مداری یک ماهواره ممکن است نادرست یا قدیمی باشد، اگرچه این امر به طور فزاینده‌ای نادر است.
• محاسبات عددی نادرست: این ممکن است یک عامل باشد وقتی سخت‌افزار دستگاه مطابق مشخصات طراحی نشده باشد.
• تداخل مصنوعی: این شامل دستگاه‌های جاسوسی جی پی اس یا جعلی است.

دقت جی پی اس معمولاً در مناطق باز با هیچ ساختمان بلند مجاور که می‌تواند سیگنال‌ها را مسدود کند، بالاتر است. این اثر به عنوان یک دره شهری شناخته می‌شود. هنگامی که یک دستگاه توسط ساختمان‌های بزرگ احاطه شده است، مانند مرکز شهر منهتن یا تورنتو، ابتدا سیگنال ماهواره مسدود می‌شود و سپس از یک ساختمان منعکس می‌شود، جایی که دستگاه آن را می‌خواند. این می‌تواند منجر به محاسبه نادرست فاصله ماهواره شود.

تاریخچه کوتاه جی پی اس

انسان‌ها هزاران سال است که از خورشید، ماه، ستاره‌ها و بعداً از سکستانت برای ناوبری استفاده می‌کنند. جی پی اس پیشرفتی در قرن بیستم بود که به لطف فناوری فضایی امکان‌پذیر شد.

فناوری جی پی اس در طول تاریخ در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است. پرتاب ماهواره اسپوتنیک ۱ روسیه در سال ۱۹۵۷ امکان قابلیت‌های مکان‌یابی جغرافیایی را فراهم کرد و به زودی پس از آن، وزارت دفاع ایالات متحده از آن برای ناوبری زیردریایی استفاده کرد.

در سال ۱۹۸۳، دولت ایالات متحده جی پی اس را به طور عمومی در دسترس قرار داد، اما هنوز کنترل داده‌های موجود را در اختیار داشت. این تا سال ۲۰۰۰ نبود که شرکت‌ها و عموم مردم به طور کامل به استفاده از جی پی اس دسترسی پیدا کردند و در نهایت راه را برای پیشرفت‌های بیشتر جی پی اس هموار کردند.

برای اطلاعات بیشتر در مورد تاریخچه و توسعه جی پی اس، به مقاله ما در مورد تاریخچه ماهواره‌های جی پی اس و ردیابی تجاری جی پی اس مراجعه کنید.

سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS)

جی پی اس یک سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS) محسوب می‌شود – به این معنی که یک سیستم ناوبری ماهواره‌ای با پوشش جهانی است. تا سال ۲۰۲۲، دو سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی کاملاً عملیاتی وجود دارد: سیستم ناوبری سیگنال زمان‌بندی و پیمایش (NAVSTAR) جی پی اس ایالات متحده و سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GLONASS) روسیه. NAVSTAR جی پی اس متشکل از ۳۲ ماهواره متعلق به ایالات متحده است و شناخته‌شده‌ترین و پرکاربردترین سیستم ماهواره‌ای است. GLONASS روسیه متشکل از ۲۴ ماهواره عملیاتی است و سه ماهواره دیگر به عنوان قطعات یدکی یا در حال آزمایش باقی مانده‌اند.

سایر کشورها نیز در حال تلاش برای جبران عقب‌ماندگی هستند. به عنوان مثال، اتحادیه اروپا در حال کار بر روی گالیلئو است که انتظار می‌رود تا پایان سال ۲۰۲۲ به ظرفیت عملیاتی کامل برسد. چین نیز در حال ساخت سیستم ناوبری ماهواره‌ای BeiDou است که قرار است ۳۵ ماهواره آن تا ماه می ۲۰۲۲ در مدار قرار گیرند. ژاپن و هند نیز با سیستم‌های منطقه‌ای خود، سیستم ماهواره‌ای زینتی-سمت‌الرأس (QZSS) و سیستم ناوبری منطقه‌ای هند (IRNSS) به خوبی در راه هستند.

دستگاه‌های جی پی اس در مقابل دستگاه‌های GNSS

اگرچه جی پی اس یک زیرمجموعه GNSS است، گیرنده‌ها به عنوان جی پی اس (به معنای جی پی اس تنها) یا GNSS تمایز داده می‌شوند. یک گیرنده جی پی اس فقط قادر به خواندن اطلاعات از ماهواره‌های شبکه ماهواره‌ای جی پی اس است، در حالی که یک دستگاه GNSS معمولی می‌تواند اطلاعات را از هر دو جی پی اس و GLONASS (یا بیشتر از این دو سیستم) به طور همزمان دریافت کند.

دستگاه‌های GNSS چیست؟

دستگاه‌های GNSS، یا دستگاه‌های سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی، دستگاه‌های الکترونیکی هستند که از سیگنال‌های شبکه‌ای از ماهواره‌ها برای تعیین موقعیت، سرعت و جهت یک شخص یا شیء استفاده می‌کنند.

یک گیرنده GNSS دارای ۶۰ ماهواره در دسترس برای مشاهده است. در حالی که یک دستگاه فقط به سه ماهواره برای تعیین موقعیت خود نیاز دارد، دقت با تعداد بیشتر ماهواره‌ها بهبود می‌یابد. نمودار زیر مثالی از تعداد ماهواره‌های موجود (به رنگ سبز) را نشان می‌دهد، همراه با قدرت سیگنال آن (ارتفاع ستون)، برای یک گیرنده جی پی اس. در این مورد، ۱۲ ماهواره موجود است.

مزایا و معایب گیرنده‌های GNSS

گیرنده‌های GNSS دستگاه‌های الکترونیکی هستند که از سیگنال‌های شبکه‌ای از ماهواره‌ها برای تعیین موقعیت، سرعت و جهت یک شخص یا شیء استفاده می‌کنند. آنها مزایای زیادی نسبت به گیرنده‌های جی پی اس سنتی دارند، از جمله:

• دقت بالاتر: گیرنده‌های GNSS می‌توانند از اطلاعات بیشتری از ماهواره‌ها استفاده کنند، که به آنها امکان می‌دهد موقعیت را با دقت بیشتری تعیین کنند.
• پوشش جهانی: گیرنده‌های GNSS می‌توانند از اطلاعات ماهواره‌های جی پی اس و GLONASS استفاده کنند، که به آنها امکان می‌دهد در سراسر جهان کار کنند.
• مقاومت در برابر تداخل: گیرنده‌های GNSS در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مقاوم‌تر هستند، که می‌تواند بر دقت گیرنده‌های جی پی اس تأثیر بگذارد.

با این حال، گیرنده‌های GNSS نیز برخی از معایب دارند، از جمله:

• هزینه بالاتر: گیرنده‌های GNSS گران‌تر از گیرنده‌های جی پی اس سنتی هستند.
• مصرف انرژی بیشتر: گیرنده‌های GNSS به دلیل اتصال به تعداد بیشتری از ماهواره‌ها و انجام محاسبات بیشتر برای تعیین موقعیت، مصرف انرژی بیشتری دارند.
• سازگاری کمتر: گیرنده‌های GNSS با همه دستگاه‌ها سازگار نیستند.

در مجموع، گیرنده‌های GNSS مزایای زیادی نسبت به گیرنده‌های جی پی اس سنتی دارند. اگر به دنبال دقت بالاتر، پوشش جهانی و مقاومت در برابر تداخل هستید، یک گیرنده GNSS یک انتخاب عالی است.

آینده جی پی اس

کشورها به ساخت و بهبود سیستم‌های جی پی اس خود ادامه می‌دهند. تلاش‌های جهانی برای افزایش دقت، بهبود قابلیت اطمینان و قابلیت‌های جی پی اس انجام می‌شود.

برای مثال:

• انتظار می‌رود گیرنده‌های GNSS کوچکتر، دقیق‌تر و کارآمدتر شوند و فناوری GNSS قرار است حتی در کاربردهای جی پی اس حساس به هزینه نیز نفوذ کند.
• دانشمندان و امدادگران در حال یافتن روش‌های جدیدی برای استفاده از فناوری جی پی اس در پیشگیری و تحلیل بلایای طبیعی هستند، در صورت وقوع زلزله، فوران آتشفشانی، فرونشست یا بهمن. برای همه‌گیری COVID-19، محققان به دنبال استفاده از داده‌های موقعیت مکانی تلفن همراه برای کمک به ردیابی تماس‌ها به منظور کند کردن شیوع ویروس هستند.
• پرتاب ماهواره‌های جدید جی پی اس تا سال ۲۰۲۳ دقت جی پی اس را به ۱ تا ۳ متر بهبود می‌بخشد، توانایی‌های ناوبری را بهبود می‌بخشد و اجزای با دوام‌تر را ارائه می‌دهد. با پخش سیگنال L1C غیرنظامی برای تعامل با سایر سیستم‌های ماهواره‌ای.
• نسل بعدی ماهواره‌های جی پی اس شامل محافظت بهتر از سیگنال، کاهش حساسیت به جاسوسی سیگنال و مانورپذیری بیشتر برای پوشش مناطق مرده خواهد بود.
• ساعت اتمی فضایی ناسا قرار است از یک ماهواره جی پی اس قدرتمند در مدار استفاده کند تا به ارائه ثبات زمانی بهتر برای فضانوردان آینده که عازم سفرهای فضایی عمیق هستند، کمک کند.

آینده ردیابی جی پی اس احتمالاً برای استفاده شخصی و تجاری بسیار دقیق‌تر و کارآمدتر خواهد بود.