دستگاه گیرنده GPS از اطلاعات ارسالی توسط ماهواره ها برای مشخص کردن مکان ها و نقاط جغرافیایی استفاده می کند. اجداد ما مجبور بودند برای مسیر یابی و جهت یابی، سخت تلاش کنند تا گم نشوند. آنها بناهای دیدنی می ساختند، با زحمت نقشه های دقیقی تهیه می کردند و مسیر یابی از طریق ستارگان را در آسمان شب آموختند.

اما امروز GPS همه چیز را بسیار آسان تر کرده است. گیرنده جی پی اس در دسترس همه است و لمس کردن یک دکمه روی تلفن همراهتان به شما می گوید که هر لحظه دقیقاً کجای زمین هستید. با وجود در دسترس بودن گیرنده GPS دیگر گم شدن معنا و مفهومی برای ما ندارد.

در این مقاله، خواهیم فهمید که چگونه این راهنماهای دستگاه های گیرنده GPS این ترفند شگفت انگیز را انجام می دهند و همینطور با سیستم موقعیت یابی جهانی از طریق ماهواره ها آشنا خواهیم شد که شامل مفاهیم اساسی بسیار ساده و شهودی هستند.

نقش ماهواره ها در عملکرد دستگاه گیرنده GPS

وقتی مردم در مورد “GPS” صحبت می کنند، معمولاً منظور آنها یک گیرنده GPS است. سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) در واقع مجموعه ای از 27 ماهواره در مدار زمین است (24 ماهواره در حال کار و سه ماهواره جایگزین در صورت خراب شدن یکی از آن ها). ارتش ایالات متحده این شبکه ماهواره ای را به عنوان یک سیستم ناوبری نظامی توسعه و اجرا کرد، اما به سرعت استفاده از آن را در دسترس عموم قرار داد.

هر یک از این ماهواره های 3000 تا 4000 پوندی با استفاده از انرژی خورشیدی با فاصله ای حدود 19300 کیلومتر دور کره زمین می چرخند و هر روز دو چرخش کامل انجام می دهند. مدارها به گونه ای تنظیم شده اند که در هر زمان و در هر نقطه از زمین، حداقل چهار ماهواره در آسمان “قابل مشاهده” باشد.

وظیفه یک گیرنده GPS این است که چهار ماهواره یا بیشتر را بیابد، فاصله هر کدام را مشخص کند و از این اطلاعات برای استنباط موقعیت خود استفاده کند. این عملیات بر اساس یک اصل ساده ریاضی به نام مثلث بندی (trilateration) انجام می شود. توضیح مثلث بندی trilateration در فضای سه بعدی می تواند کمی مشکل باشد، بنابراین ما با توضیحی در مورد این تکنیک در فضای ساده دو بعدی شروع می کنیم.

مثلث بندی Trilateration در فضای دوبعدی

تصور کنید جایی در ایالات متحده هستید و کاملاً گم شده اید — به هر دلیلی، مطلقاً نمی دانید کجا هستید. شما یک محلی را پیدا می کنید و می پرسید: “من کجا هستم؟” او می گوید: “شما در 625 مایلی بویز، آیداهو هستید.”

این اطلاعات تاحدودی مفید است، اما به تنهایی محل دقیق شما را مشخص نمی کند. چون شما می توانید در هر نقطه ای به شعاع 625 مایلی اطراف بویز باشید، مثل شکل زیر:

از شخص دیگری می‌پرسید کجا هستید، و او می‌گوید: “شما در 690 مایلی مینیاپولیس، مینه‌سوتا هستید.” حالا دارید به جایی میرسید اگر این اطلاعات را با اطلاعات فاصله از بویز ترکیب کنید، دو دایره خواهید داشت که همدیگر را قطع می کنند. اکنون می دانید که اگر 625 مایلی Boise و 690 مایلی Minneapolis باشید، باید در محل تقاطع این دو دایره که دو نقطه زیر می شود، باشید.

اگر شخص سومی به شما بگوید که در 615 مایلی توسان، آریزونا هستید، می توانید یکی از نقاط احتمالی را حذف کنید، زیرا دایره سوم فقط با یکی از این نقاط تلاقی خواهد داشت. اکنون دقیقاً می دانید کجا هستید – دنور، کلرادو.

همین مفهوم در فضای سه بعدی نیز عمل می کند که اساس کار گیرنده های GPS است، اما شما به جای دایره با کره ها سر و کار دارید. در بخش بعدی به بررسی این نوع مثلث بندی خواهیم پرداخت.

نحوه کار گیرنده های GPS : مثلث بندی در فضای سه بعدی

اساساً، مثلث بندی در فضای سه بعدی تفاوت چندانی با مثلث بندی در فضای دو بعدی ندارد، اما تجسم آن کمی دشوارتر است. تصور کنید که شعاع های مثال های قبلی در تمام جهات امتداد می یابند. بنابراین به جای یک سری دایره، یک سری کره خواهید داشت.

اگر می دانید که در فاصله 10 مایلی از ماهواره A در آسمان قرار دارید، می توانید در هر نقطه ای از سطح یک کره عظیم و خیالی با شعاع 10 مایلی باشید. اگر همچنین می دانید که 15 مایل با ماهواره B فاصله دارید، می توانید کره اول را با کره دیگری بزرگتر، همپوشانی کنید. کره ها در یک دایره کامل یکدیگر را قطع می کنند. اگر فاصله تا ماهواره سوم را بدانید، کره سومی به دست می آید که در دو نقطه با این دایره تلاقی پیدا می کند.

خود زمین می تواند به عنوان یک کره چهارم عمل کند. تنها یکی از دو نقطه احتمالی واقعا روی سطح زمین خواهد بود، بنابراین شما می توانید آن نقطه ای که در فضا قرار گرفته را حذف کنید. با این حال، گیرنده‌های GPS معمولاً برای بهبود دقت و ارائه اطلاعات دقیق ارتفاع، به اطلاعات چهار یا چند ماهواره نگاه می‌کنند.

برای انجام این محاسبه ساده و مشخص کرده نقطه جغرافیایی، گیرنده GPS باید دو چیز را بداند:

• موقعیت حداقل سه ماهواره بالای سر شما
• فاصله بین شما و هر یک از آن ماهواره ها

گیرنده GPS هر دوی این موارد را با تجزیه و تحلیل سیگنال های رادیویی با فرکانس بالا و کم مصرف از ماهواره های موجود مشخص می کند. گیرنده های GPS بهتر دارای چندین گیرنده یا به عبارتی مولتی فرکانس هستند، بنابراین می توانند سیگنال های چندین ماهواره را به طور همزمان دریافت کنند.

گیرنده GPS هیرو یکی از همین دستگاه های جی پی اس چند فرکانسه است که امکان برداشت دقیق نقاط را با دقت و سرعت بالا فراهم می اورد.