GPS چگونه کار می کند؟

نارنجی: ما اکنون هم در آینده زندگی می کنیم. دقت کرده اید که شما هر لحظه برای پیدا کردن موقعیت تان در هر نقطه دنیا تنها کافی است نگاهی به یک ابزار کوچک در کف دست تان بیندازید. فرقی ندارد که در وسط دریا باشید، میان صحرا باشید. مشغول گشت و گذار در جنگل های آمازون هستید یا اینکه در آسمان ها پرواز می کنید. دیگر لازم نیست که با ستارگان مسیرتان را بیابید یا اینکه نقشه خوانی و کار با قطب نما را آموزش ببینید.

تقریبا تمامی ابزارهای کوچک همراه شما با ارتباط سریع و رایگان ماهواره ای می توانند مختصات دقیق تان را در هر نقطه ای از کره زمین مشخص کنند. اما آیا تا کنون اندیشیده اید که ابزاری همگانی و به ظاهر ساده همچون GPS چگونه کار می کند؟

در واقع ابزارهای مجهز به GPS با ماهواره ها ارتباط برقرار نمی کنند و اطلاعاتی برای آنها ارسال نمی کنند. بلکه تنها به دریافت اطلاعات از ماهواره می پردازند. اطلاعاتی که دائما در حال ارسال توسط ماهواره است. و البته GPS تنها شیوه ای نیست که ابزارهای همراه می توانند موقعیت شما را تشخیص دهند.

به گمانم شما هم کنجکاو شده اید و سوالات زیادی در ذهن تان شکل گرفته است. پس در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید تا بیشتر به این موضوع پرداخته و شیوه کار GPS را مورد بررسی قرار دهیم.

از ماهواره ها تا کف دست شما

سیستم موقعیت یاب جهانی GPS توسط ایالات متحده آمریکا و با مقاصد نظامی تولید گردید، اما سرانجام استفاده از آن برای غیرنظامیان هم آزاد اعلام شد. حداقل ۲۴ ماهوراه GPS به صورت دائمی در مدار اطراف زمین در حال گردش بوده و مرتبا داده های لازم را به سمت زمین ارسال می کنند.

این ماهواره ها به صورتی در مدار قرار گرفته و نظم داده شده اند که همواره و در هر نقطه ای از زمین حداقل ۴ ماهواره در آسمان قابل مشاهده و در دسترس باشند. البته شما با چشم نمی توانید آنها را ببینید اما یک ارتباط رادیویی مستقیم میان محل قرارگیری شما با آنها وجود دارد. به همین دلیل است که برای استفاده از جی پی اس شما باید یک ارتباط بدون واسطه و مستقیم با آسمان بالای سرتان داشته باشید. و معمولا موانعی همچون ساختمان ها و تونل ها می توانند باعث قطع این سیگنال ها شوند.

ماهواره های GPS دائما در حال مخابره سیگنال های رادیویی به سمت زمین هستند. هر یک از این اطلاعات مخابره شده شامل موقعیت جغرافیایی ماهواره جی پی اس و زمان ارسال سیگنال است. هر ماهواره هم دارای یک ساعت اتمی درونی بوده و لذا زمان مخابره شده بسیار دقیق است.

جی پی اس چگونه موقعیت شما را مشخص می کند؟

یک دستگاه با جی پی اس داخلی (خواه یک جی پی اس ویژه ماشین یا یک اسمارت فون)‌ تنها به عنوان یک گیرنده GPS عمل می کند. در واقع دستگاه جی پی اس به هیچ عنوان برای تعیین موقعیت شما با ماهواره ها ارتباطی برقرار نمی کند. بلکه فقط به سیگنال های رادیویی که از سوی ماهواره ها در حال ارسال هستند، گوش می دهد.

یک گیرنده جی پی اس سیگنال های ارسالی توسط حداقل ۴ یا تعداد بیشتری از ماهواره ها را دریافت می کند. سیگنال ماهواره های نزدیک تر، زودتر دریافت می شوند. در حالی که سیگنال ماهوراه های دورتر، زمان بیشتری برای دریافت لازم دارند. البته این تفاوت زمانی بسیار کم است. اما بسته به موقعیت دستگاه گیرنده شما می تواند کمی طول بکشد.

با مقایسه میان زمانی که سیگنال ارسال شده و زمانی که سیگنال توسط دستگاه شما دریافت شده است، گیرنده می تواند مسافت تقریبی شما را از هر ۴ ماهواره تخمین بزند. سپس با trilateration یا سه جانبه گیری، گیرنده موقعیت دقیق خودش و در نتیجه شما را بر روی کره زمین مشخص می کند!

شاید trilateration کمی پیچیده و سخت به نظر برسد، اما در واقع کاری بسیار ساده است. تصور کنید فردی به شما بگوید ۳۶۰ کیلومتر تا کرمان، ۷۲۰ کیلومتر تا بندرعباس و ۳۵۵ کیلومتر تا اصفهان فاصله دارید. با این اطلاعات شما می توانید روی نقشه مشخص کنید که در کدام شهر هستید که چنین فاصله ای از تمام این نقاط دارد. و اگر به جای ۳ شهر به شما نام و فاصله با ۴ شهر را بگویند، این تخمین و پیدا کردن جای تان روی نقشه می تواند دقیق تر گردد. این همان کاری است که در هر بار استفاده شما از گیرنده جی پی اس، این دستگاه با دقت بسیار بالا انجام می دهد.

جایگزین های GPS

البته ماهواره جی پی اس تنها راهی نیست که ابزارهای همراه ما برای تخمین موقعیت فعلی مان از آن بهره می برند. بسیاری از اسمارت فون های امروزی از شیوه trilateration و اطلاعات توان دکل های مخابراتی هم برای پیدا کردن موقعیت استفاده می کنند. در این شیوه هم از تفاوت میان قدرت سیگنال های دریافتی از هر یک از دکل های مخابراتی اطراف تلفن همراه، زمان دریافت سیگنال از هر دکل و همچنین زاویه قرار گیری شما نسبت به آن دکل برای تخمین موقعیت فعلی تان استفاده می شود. البته دقت این روش به اندازه استفاده از ماهواره نیست، اما هنگامی که سیگنال های دریافتی ضعیف باشند و یا اینکه در فضای سرپوشیده باشید، کاربرد فراوانی دارد.

شیوه دیگر هم که در برخی از ابزارها و اسمارت فون های جدید استفاده می شود، بهره گیری از سیستم موقعیت یابی بر پایه WiFi یا WPS برای تعیین موقعیت مکانی است. ماشین های گوگل استریت که در گوشه و کنار دنیا مشغول رانندگی و ضبط تصاویر هستند، همزمان نام اکسس پوینت و مودم های وای فای اطراف خودشان، به همراه قدرت سیگنال هر یک را بر روی موقعیت های درون نقشه ثبت می کنند. علاوه بر این گوگل هر زمان که بتواند، اطلاعات دریافتی از اسمارت فون های متصل به شبکه های وای فای را که همزمان از شبکه موبایل یا جی پی اس استفاده کرده اند به سرور های خود اضافه می کند.

آنگاه هنگام استفاده از خدمات گوگل استریت و گوگل مپز بر روی موبایل تان، اسمارت فون شما به اسکن شبکه های بیسیم اطراف می پردازد. سپس لیستی از نام ها و قدرت سیگنال را به سرورهای گوگل می فرستد. گوگل با استفاده از پایگاه داده های خود و اطلاعات از قبل ثبت شده می تواند تخمین بزند که شما در نزدیکی کدام شبکه بیسیم قرار دارید، لذا به درستی موقعیت فعلی تان را تشخیص می دهد. این سیستم حتی در مکان های داخلی و سرپوشیده که جی پی اس جوابگو نیست هم نسبتا خوب عمل می کند.

البته سیستم GPS تنها شبکه ماهواره ها نیست که می تواند برای تشخیص موقعیت مورد استفاده قرار گیرد. روسیه سیستم اختصاصی خود با نام GLONASS را در اختیار دارد و چین هم سیستم خود با نام BDS را راه اندازی نموده است. اروپا هم مشغول کار بر روی جایگزین اختصاصی خود برای جی پی اس با نام Galileo است. از آنجایی که کنترل کامل ماهواره های جی پی اس اکنون در اختیار یک کشور است، به نظر می رسد که این چشم و هم چشمی و راه اندازی سیستم های موقعیت یابی اختصاصی روز به روز گسترش بیشتری هم پیدا کند.

جی پی اس به خودی خود یک تهدید و نگرانی از نظر حریم خصوصی به شمار نمی رود. برای مثال اگر شما یک دستگاه جی پی اس قدیمی روی ماشین تان داشته باشید، این ابزار اصلا قادر نخواهد بود که موقعیت شما را برای کسی مخابره و ارسال کند. اما هنگامی که جی پی اس با تکنولوژی های انتقال اطلاعات ادغام می شود می تواند یک مشکل بالقوه برای حریم خصوصی به شمار برود.

ابزارهای ردیاب GPS تنها از یک گیرنده جی پی اس استفاده نمی کنند، بلکه آنها اطلاعات جی پی اس را درون خود جمع آوری کرده و سپس آنها را از طرق گوناگون از جمله شبکه موبایل، ارتباط ماهواره ای یا حتی شبکه های اینترنت وای فای انتقال می دهند. و البته موبایل های امروزی به راحتی می توانند توسط سازندگان دستگاه و یا حتی برنامه نویسان خبره، اطلاعات جی پی اس شما را از طریق اینترنت به هر نقطه ای از دنیا مخابره کنند.
آیفون و آی پد حرکات شما را زیر نظر دارند

چرا سرعت اتصال جی پی اس در اسمارت فون های جدید بیشتر است؟

در واقع این به دلیل همان نیروی کمکی اسمارت فون های جدید است که این گونه سریع جی پی اس آنها را راه می اندازد. اگر دقت کرده باشید، اغلب اسمارت فون های جدید از A-GPS یا Assisted GPS بهره می برند. در اینجا شما با یک جی پی اس استاندارد سر و کار دارید که به شبکه سلولار یا همان شبکه موبایل منطقه ای تان هم متصل است و دسترسی دارد.

یکی از روش های افزایش کارایی توسط A-GPS، فراهم کردن سرعت بسیار بیشتر time to first fix یا TTFF برای گیرنده جی پی اس است. این اصطلاح در گیرنده های جی پی اس به مدت زمان لازم به دریافت اولین سیگنال، آماده سازی داده ها و محاسبه موقعیت گفته می شود. A-GPS با دریافت و ذخیره اطلاعات لازم در خصوص موقعیت ماهواره ها ( almanac ) از طریق شبکه های موبایل، باعث می شود که هنگام انجام TTFF، دانلود اطلاعات زیاد از طریق ماهواره لازم نباشد و سرعت اتصال بالا رود.

اگر دقت کرده باشید هنگام باز کردن گوگل مپز روی اسمارت فون تان، ابتدا یک دایره بزرگ موقعیت شما را نشان می دهد و آنگاه با استفاده از موقعیت دکل های مخابراتی و ماهواره های جی پی اس، این دایره کوچک تر شده و تخمین دقیق تری از مکان شما به نمایش در می آید.