جی پی اس چیست و چگونه کار می کند؟

سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS)، در اصل Navstar GPS، یک سیستم ناوبری رادیویی مبتنی بر ماهواره است که متعلق به دولت امریکا می باشد و توسط نیروی فضایی این کشور اداره می شود. این یکی از سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) است که اطلاعات موقعیت جغرافیایی و زمان را به گیرنده‌های جی پی اس در هر نقطه از زمین یا نزدیک به آن ارائه می‌کند، جایی که یک خط دید بدون مانع برای چهار یا چند ماهواره GPS وجود دارد. موانعی مانند کوه ها و ساختمان ها می توانند سیگنال های نسبتا ضعیف را مسدود کنند.

جی پی اس نیازی به ارسال هیچ داده ای ندارد و مستقل از دریافت تلفن یا اینترنت عمل می کند، اگرچه این فناوری ها می توانند مفید بودن اطلاعات موقعیت یابی GPS را افزایش دهند. جی پی اس ها قابلیت های تعیین موقعیت حیاتی را برای کاربران نظامی، غیرنظامی و تجاری در سراسر جهان فراهم می کند. دولت ایالات متحده این سیستم را ایجاد کرد، آن را نگهداری و کنترل می‌کند و برای هر کسی که گیرنده جی‌پی‌اس دارد به‌طور رایگان قابل دسترسی است.

روش کار جی پی اس چگونه است؟

گیرنده GPS موقعیت چهار بعدی خود را در فضازمان (طول، عرض، ارتفاع، زمان) بر اساس داده های دریافتی از چندین ماهواره محاسبه می کند. هر ماهواره یک رکورد دقیق از موقعیت و زمان خود دارد و آن داده ها را به گیرنده ارسال می کند.

ماهواره ها دارای ساعت های اتمی بسیار پایداری هستند که با یکدیگر و با ساعت های زمینی هماهنگ هستند. هر گونه انحراف از زمان حفظ شده روی زمین روزانه اصلاح می شود. به همین ترتیب، مکان های ماهواره ای با دقت زیادی شناخته می شوند. گیرنده های جی پی اس نیز دارای ساعت هستند، اما پایداری و دقت کمتری دارند.

از آنجایی که سرعت امواج رادیویی ثابت و مستقل از سرعت ماهواره است، تأخیر زمانی بین زمانی که ماهواره سیگنال ارسال می کند و گیرنده آن را دریافت می کند، متناسب با فاصله ماهواره تا گیرنده است. حداقل، چهار ماهواره باید در دید گیرنده باشد تا بتواند چهار کمیت مجهول را محاسبه کند (سه مختصات موقعیت و انحراف ساعت خود از زمان ماهواره).

ساختار

GPS فعلی از سه بخش اصلی تشکیل شده است. اینها بخش فضا، بخش کنترل و بخش کاربر هستند. نیروی فضایی ایالات متحده بخش‌های فضا و کنترل را توسعه، نگهداری و اداره می‌کند. ماهواره‌های موقعیت یابی سیگنال‌هایی را از فضا پخش می‌کنند و هر گیرنده GPS از این سیگنال‌ها برای محاسبه موقعیت سه‌بعدی خود (طول و عرض جغرافیایی، طول و ارتفاع) و زمان فعلی استفاده می نماید.

بخش فضا

بخش فضایی GPS شامل مجموعه ای از ماهواره ها است که سیگنال های رادیویی را به کاربران ارسال می کند.ایالات متحده متعهد است که در ۹۵ درصد مواقع حداقل ۲۴ ماهواره سیستم موقعیت یابی جهانی عملیاتی را حفظ کند. برای اطمینان از این تعهد، نیروی فضایی ایالات متحده بیش از یک دهه است که با ۳۱ ماهواره GPS عملیاتی پرواز کرده است.

ماهواره های جی پی اس در مدار متوسط ​​زمین (MEO) در ارتفاع تقریباً ۲۰۲۰۰ کیلومتری (۱۲۵۵۰ مایلی) پرواز می کنند. هر ماهواره دو بار در روز دور زمین می چرخد.

بخش کنترل

بخش کنترل GPS شامل یک شبکه جهانی از امکانات زمینی است که ماهواره های GPS را ردیابی می کند، انتقال آنها را نظارت می کند، تجزیه و تحلیل انجام می دهد و دستورات و داده ها را به مجموعه ماهواره ها ارسال می نماید.

بخش کنترل عملیاتی فعلی (OCS) شامل یک ایستگاه کنترل اصلی، یک ایستگاه کنترل اصلی جایگزین، ۱۱ آنتن فرمان و کنترل و ۱۶ سایت نظارت است.

بخش کاربر

این همان چیزی است که ما در دستان خود داریم. ساعت های مسیریابی، گوشی موبایل، دستگاههای جی پی اس، همه به بخش کاربر مربوط می شوند.

مانند اینترنت، جی پی اس نیز یک عنصر ضروری زیرساخت اطلاعات جهانی است. ماهیت رایگان، باز و قابل اعتماد این سیستم منجر به توسعه صدها برنامه کاربردی شده است که بر هر جنبه از زندگی مدرن تأثیر می گذارد. فناوری GPS اکنون در همه چیز از تلفن های همراه و ساعت های مچی گرفته تا بولدوزرها، کانتینرهای حمل و نقل و دستگاه های خودپرداز وجود دارد.

این تکنولوژی بهره وری را در بخش وسیعی از اقتصاد افزایش می دهد که شامل کشاورزی، ساخت و ساز، معدن، نقشه برداری، تحویل بسته و مدیریت زنجیره تامین لجستیکی می شود. شبکه‌های ارتباطی اصلی، سیستم‌های بانکی، بازارهای مالی و شبکه‌های برق برای همگام‌سازی دقیق زمان به شدت به GPS وابسته هستند. برخی از خدمات بی سیم نمی توانند بدون آن کار کنند.

سیگنال های ماهواره GPS چیست؟

ماهواره ها به طور مداوم موقعیت مداری و زمان دقیق خود را در آن موقعیت در فرکانس های رادیویی پخش می کنند. این سیگنال همراه با حداقل سه سیگنال ماهواره ای دیگر توسط آنتن ها دریافت می شود و سپس در گیرنده ها برای محاسبه موقعیت مکانی کاربر پردازش می شود.

GPS در فرکانس‌های L1 (1575.42 مگاهرتز)، L2 (1227.60 مگاهرتز) و L5 (1176.45 مگاهرتز) پخش می‌شود. این سیستم همچنین در L3 (1381.05 مگاهرتز) و L4 (1379.913 مگاهرتز) برای سیستم های تقویت کننده مبتنی بر ماهواره دولتی و منطقه ای (SBAS) سیگنال پخش می کند. چندین ماهواره نیز M-code را پخش می‌کنند، یک کد نظامی که بر روی فرکانس‌های L1 و L2 حمل می‌شود که برای استفاده انحصاری توسط ارتش ایالات متحده طراحی شده است.

M-code چیست؟

M-code یک سیگنال مخصوص جی پی اس برای پشتیبانی از وزارت دفاع امریکا است. این سیگنال برای اولین بار با پرتاب ماهواره Block IIR-M در سال ۲۰۰۵ پخش شد. M-code لایه ای از دفاع در برابر تداخل پارازیت را از طریق ۲۱ ماهواره GPS با کد M ارائه می دهد.

M-code روی فرکانس‌های باند L1 و L2 GPS موجود پخش می‌شود اما طوری مدوله شده است که با سیگنال‌های L1/L2 تداخل نداشته باشد. گیرنده های نظامی می توانند PNT را تنها از طریق M-code محاسبه کنند. علاوه بر این، برنامه‌های نظامی از کد M برای افزایش قدرت سیگنال‌های L1 و L2 برای ایجاد انعطاف‌پذیری در برابر تداخل، پارازیت و حوادث جعل استفاده می‌کنند. سیگنال های GPS هنوز در معرض پارازیت هستند، اما M-code لایه ای از دفاع در برابر چنین تداخلی را فراهم می کند. لایه‌های اضافی بسیاری از دفاع‌های ضد پارازیت برای ایجاد PNT مطمئن در سیستم‌های جی پی اس حیاتی است.

دقت جی پی اس

یک سیستم موقعیت یابی فقط به اندازه پردازنده آن خوب است. به عنوان مثال، یک گیرنده جی پی اس با دقت بالا بسیار دقیق تر از یک تلفن همراه خواهد بود. منابع بالقوه خطا در ایستگاه های نظارت و کنترل شناسایی و مدل سازی می شوند تا دقت بهینه شود.

بیشتر خطاها از خطاهای ساعت، رانش مداری، تأخیرهای جوی و چند مسیره و تداخل فرکانس رادیویی ناشی می شوند. این منابع به طور مداوم موقعیت یابی، ناوبری و دقت زمان بندی را تهدید می کنند.

برخی از فناوری‌ها به کاهش این خطاها کمک می‌کنند، از جمله اشتراک در سرویس‌های تصحیح GNSS/GPS، SBAS و ادغام حسگرهای اضافی مانند سیستم‌های ناوبری اینرسی یا رادار می توان اشاره کرد. گیرنده‌های GPS دقیق‌تر نیز با محاسبه موقعیت از طریق محاسبات شبه پرت یا موج حامل به کاهش خطاها از طریق الگوریتم‌های مختلف کمک می‌کنند.

GPS در مقابل GNSS: تفاوت چیست؟

GNSS راهی برای توصیف هر صورت فلکی ماهواره ای در مدار است. GPS یکی از چندین صورت فلکی ماهواره ای است که GNSS را تشکیل می دهد. از GPS تا GLONASS (که توسط شرکت دولتی Roscosmos برای فعالیت‌های فضایی در روسیه اداره می‌شود)، صورت‌های فلکی بسیاری GNSS را تشکیل می‌دهند. فناوری موقعیت یابی برای ارائه PNT دقیق و قابل اعتماد به مجموعه های مختلف ماهواره ای متکی است. به جای GNSS در مقابل GPS، یک راه بهتر برای در نظر گرفتن این فناوری ها این است که چگونه GPS با سایر سیستم های ماهواره ای GNSS مقایسه می شود.

از شبکه های مشابه با جی پی اس می توان به گلوناس، گالیلئو، بیدائو، QZSS ، IRNSS/NavIC اشاره نمود. در حقیقت همه اینها از زیرمجموعه های GNSS محسوب می شوند.

گلوناس (روسیه)

GLONASS اولین بار در اتحاد جماهیر شوروی برای رقابت با GPS در دهه ۷۰ توسعه یافت و در حال حاضر توسط شرکت دولتی Roscosmos برای فعالیت‌های فضایی، بخشی در دولت روسیه، اداره می‌شود. اولین ماهواره گلوناس در سال ۱۹۸۲ به فضا پرتاب شد و امروزه دارای ۲۴ ماهواره در مدار است.

ماهواره‌های گلوناس سیگنال‌ها را در فرکانس‌های GLONASS L1 (1598.0625-1605.375 مگاهرتز)، L2 (1242.9375-1248.625 مگاهرتز) و L3 (1202.025 مگاهرتز) پخش می‌کنند.

گالیله (اتحادیه اروپا)

گالیله یک صورت فلکی جدیدتر است که برای اولین بار در سال ۲۰۱۱ به فضا پرتاب شد. گالیله که در خارج از اتحادیه اروپا توسط آژانس سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی اروپا اداره می شود، در حال حاضر دارای ۲۶ ماهواره در مدار است و برنامه دارد تا سال ۲۰۲۱ به ۳۰ ماهواره برسد.

BeiDou (چین)

BeiDou اولین بار در سال ۲۰۰۰ به فضا پرتاب شد و توسط اداره ملی فضایی چین (CNSA) از چین خارج شد. در ۲۰ سال پس از آن، BeiDou دارای ۴۸ ماهواره در مدار است. ماهواره های BeiDou در حال حاضر سیگنال های بسیاری از جمله B1I (1561.098 مگاهرتز)، B1C (1575.42 مگاهرتز)، B2a (1175.42 مگاهرتز)، B2I و B2b (1207.14 مگاهرتز) و B3I (1268.52 مگاهرتز) را ارسال می کنند.

QZSS (ژاپن)

سامانه ماهواره‌ای Quasi-Zenith ژاپن (QZSS) توسط آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن (JAXA) اداره می‌شود و برای اولین بار در سال ۲۰۱۰ پرتاب شد. در حالی که صورت‌های فلکی دیگر پوشش جهانی ارائه کرده‌اند، QZSS پوشش منطقه‌ای آسیا-اقیانوسیه را بین ژاپن و استرالیا حفظ می‌کند.

IRNSS/NavIC (هند)

یکی دیگر از سیستم های بزرگ منطقه ای، سامانه ماهواره ای ناوبری منطقه ای هند (IRNSS) است که توسط سازمان تحقیقات فضایی هند (ISRO) خارج از هند اداره می شود. IRNSS با نام NavIC (ناوبری با صورت فلکی هندی) نیز شناخته می شود و شامل هشت ماهواره در مدار است.

پوشش این صورت فلکی در اطراف هند متمرکز است و به غرب می رسد تا عربستان سعودی را در بر می گیرد، به شمال و شرق می رسد تا تمام چین را در بر می گیرد و تا جنوب به موزامبیک و استرالیای غربی می رسد.

کاربردهای GPS

این سیستم از برنامه های کاربردی در سراسر جهان با تکیه بر فناوری ماهواره برای تعیین موقعیت مطمئن، ناوبری و اندازه گیری زمان پشتیبانی می کند. این کاربردها در صنعت متفاوت است، اما استفاده از GPS بر اساس نیاز آنها به موقعیت دقیق، ناوبری مطمئن و ایمن، ردیابی و نظارت بر حرکت یک شی، بررسی و نقشه برداری از یک منطقه، یا زمان بندی در یک میلیاردم ثانیه است.

به عنوان مثال، برنامه های معدن کاوی برای بررسی یک منطقه قبل از شروع عملیات به GPS متکی هستند. شرکت‌ها ذخایر معدنی بالقوه را ردیابی می‌کنند، شناسایی می‌کنند که از کدام مناطق اجتناب کنند تا تأثیرات زیست‌محیطی آن‌ها کاهش یابد و ماشین‌آلات مستقلی را فعال کنند که مواد معدنی را در سراسر سایت حمل و نقل کنند.

برنامه‌هایی که به موقعیت‌یابی با دقت بالا نیاز دارند، از GPS در کنار سایر سیستم ها استفاده می‌کنند. با این حال، به دلیل سیگنال رمزگذاری شده M-code، ارتش ایالات متحده به روشی منحصر به فرد به GPS متکی است. M-code ارتش را قادر می سازد تا دسترسی مداوم به موقعیت یابی را ایمن کند و در برابر منابع پارازیت و تداخل احتمالی انعطاف پذیری ایجاد نماید.

از سایر کاربردهای جی پی اس می توان به استفاده در ورزش مانند کوهنوردی اشاره کرد.

منابع: novatel / gps