در مقاله ” دستگاه گیرنده GPS چگونه کار می کند” با نحوه کار دستگاه گیرنده GPS آشنا شدید اما در مورد اینکه یک گیرنده جی پی اس، فاصله تا ماهواره های جی پی اس را چگونه محاسبه می کند و خطاهای احتمالی را به چه روشی برطرف می کند، صحبتی نکردیم.

به طور کلی باید بدانید که یک گیرنده جی پی اس، فاصله تا ماهواره های جی پی اس را با زمان بندی مدت زمان طی کردن سیگنال یا امواج رادیویی ارسال شده از ماهواره به گیرنده محاسبه می کند. همانطور که مشخص است، این یک فرآیند نسبتاً مفصل است که در ادامه به طور کامل به آن می پردازیم.

آشنایی با امواج رایویی

پیش از اینکه نحوه محاسبات و اصلاح داده ها توسط جی پی اس را توضیح بدهیم بهتر است با مفهوم امواج رادیویی آشنا شوید.

امواج رادیویی انرژی الکترومغناطیسی هستند، به این معنی که با سرعت نور (300000 کیلومتر در ثانیه در خلاء) حرکت می کنند. با دانستن این سرعت، گیرنده و زمان بندی مدت زمانی که سیگنال به آن رسیده است می تواند بفهمد سیگنال چقدر مسافت طی کرده است. در بخش بعدی خواهیم دید که گیرنده و ماهواره چگونه با هم کار می کنند تا این اندازه گیری را انجام دهند.

محاسبات دستگاه گیرنده GPS

در یک زمان خاص (مثلاً نیمه شب)، ماهواره شروع به ارسال یک الگوی دیجیتالی طولانی به نام کد شبه تصادفی می کند. گیرنده دقیقاً در نیمه شب شروع به اجرای همان الگوی دیجیتال می کند. هنگامی که سیگنال ماهواره به گیرنده می رسد، انتقال الگوی آن کمی از الگوی گیرنده عقب می افتد.

طول تأخیر برابر با زمان طی شده توسط سیگنال است. گیرنده این زمان را در سرعت نور ضرب می کند تا مشخص کند سیگنال چقدر مسافت را طی کرده است. با فرض انتقال سیگنال در یک خط مستقیم، این فاصله بین گیرنده تا ماهواره است.

تنظیم ساعت در گیرنده های GPS

برای انجام این اندازه گیری، گیرنده و ماهواره هر دو به ساعت هایی نیاز دارند که بتوان آنها را تا نانوثانیه همگام کرد. برای ساختن یک سیستم موقعیت یاب ماهواره ای که فقط از ساعت های همگام استفاده می کند، باید ساعت های اتمی را نه تنها در همه ماهواره ها، بلکه در خود گیرنده نیز داشته باشید. اما ساعت های اتمی قیمت بسیار بالایی دارند که آنها را برای مصرف کنندگان روزمره دستگاه های گیرنده جی پی اس کمی گران می کند.

سیستم موقعیت یابی جهانی، راه حلی هوشمندانه و موثر برای این مشکل دارد. هر ماهواره دارای یک ساعت اتمی گران قیمت است، اما خود گیرنده از یک ساعت کوارتز معمولی استفاده می کند که دائماً آن را تنظیم مجدد می کند. به طور خلاصه، گیرنده به سیگنال های دریافتی از چهار یا چند ماهواره نگاه می کند و عدم دقت خود را اندازه گیری می کند. به عبارت دیگر، تنها یک مقدار برای “زمان فعلی” وجود دارد که گیرنده می تواند از آن استفاده کند.

مقدار زمان صحیح باعث می شود تمام سیگنال هایی که گیرنده دریافت می کند در یک نقطه از فضا تراز شوند. این مقدار زمانی، مقدار زمانی است که ساعت های اتمی در همه ماهواره ها نگه می دارند. بنابراین گیرنده ساعت خود را روی آن مقدار زمانی تنظیم می کند و درنهایت به همان مقدار زمانی دست پیدا می کند که تمام ساعت های اتمی در همه ماهواره ها دارند. گیرنده GPS دقت ساعت اتمی را “به صورت رایگان” دریافت می کند.

نحوه تنظیم ساعت در گیرنده های GPS

وقتی دستگاه گیرنده GPS، فاصله تا چهار ماهواره را اندازه گیری کرد، می توان چهار کره را در نظر گرفت که همگی در یک نقطه با هم تلاقی پیدا می کنند. اگر محاسبات خطایی داشته باشد، سه کره با یکدیگر نقطه تلاقی خواهند داشت اما اشتباه در اندازه گیری موجب می شود کره چهارم در یک نقطه یه کره دیگر را قطع نکنند. از آنجایی که گیرنده GPS، تمام اندازه گیری های فاصله را با استفاده از ساعت داخلی خود انجام می دهد، محاسبات فاصله تاحدودی نادرست خواهند بود.

اما گیرنده به راحتی می تواند تنظیمات لازم را در محاسبه اعمال کند که باعث تلاقی چهار کره در یک نقطه می شود. بر این اساس ساعت خود را تنظیم مجدد می کند تا با ساعت اتمی ماهواره هماهنگ باشد. گیرنده GPS هر زمان که روشن است، این کار را دائماً انجام می دهد، به این معنی که دقت آن تقریباً به اندازه ساعت های اتمی گران قیمت در ماهواره ها است.

تعیین موقعیت ماهواره ها توسط دستگاه گیرنده GPS

برای اینکه اطلاعات مربوط به محاسبه فاصله مفید باشد، گیرنده باید بداند که ماهواره ها دقیقا کجا هستند. تعیین این موقعیت دشوار نیست زیرا ماهواره ها در مدارهای مشخص و قابل پیش بینی حرکت می کنند. گیرنده GPS به سادگی یک مختصات سالیانه را ذخیره می کند که به آن می گوید هر ماهواره در هر زمان باید کجا باشد. عواملی مانند جاذبه ماه و خورشید، مدار ماهواره‌ها را تاحدودی تغییر می‌دهند، اما وزارت دفاع دائماً موقعیت دقیق آن‌ها را رصد می‌کند و هرگونه تنظیمات مورد نیاز را به صورت بخشی از سیگنال‌های ماهواره‌ها به همه گیرنده‌های GPS ارسال می‌کند.

در بخش بعدی، به خطاهایی که ممکن است رخ دهد می پردازیم و خواهیم دید که گیرنده GPS چگونه آنها را تصحیح می کند.

تصحیح خطای محاسبه تعیین موقعیت توسط گیرنده جی پی اس

تا اینجا، متوجه شدید که چگونه یک گیرنده GPS موقعیت خود را بر روی زمین بر اساس اطلاعاتی که از چهار ماهواره مستقر دریافت می کند، محاسبه می کند. این سیستم به خوبی کار می کند، اما گاهی اوقات خطاهایی نیز دیده می شود.

به عنوان مثال، گیرنده GPS فرض می‌کند که سیگنال‌های رادیویی با سرعت ثابت (سرعت نور) از جو عبور می‌کنند. اما حقیقت این است که جو زمین انرژی الکترومغناطیسی را تا حدودی کاهش می دهد، به ویژه هنگامی که از یونوسفر و تروپوسفر عبور می کند. این تأخیر بسته به محلی که روی زمین قرار دارید، متفاوت است، به این معنی که محاسبه دقیق فاصله برای گیرنده جی پی اس دشوار می شود.

هنگامی که سیگنال‌های رادیویی از اجسام بزرگ مانند آسمان‌خراش‌ها عبور می کنند، مشکلاتی بیشتری نیز ممکن است رخ دهد و این تصور را به گیرنده می‌دهد که ماهواره دورتر از جایی که واقعا قرار دارد، مستقر شده است. علاوه بر همه اینها، گاهی اوقات ماهواره ها، داده های نادرستی را ارسال کرده و موقعیت خود را اشتباه گزارش می کنند.

دستگاه های گیرنده GPS Differential (DGPS) به تصحیح این خطاها کمک می کند. ایده اصلی این است که عدم دقت GPS در یک ایستگاه گیرنده ثابت با یک مکان مشخص اندازه گیری a,n. از آنجایی که سخت افزار DGPS موقعیت خود را از قبل در آن ایستگاه می داند، به راحتی می تواند عدم دقت خود را محاسبه کند. سپس ایستگاه یک سیگنال رادیویی را برای تمام گیرنده های مجهز به DGPS در منطقه پخش می کند و اطلاعات تصحیح سیگنال را برای آن منطقه ارائه می دهد. به طور کلی، دسترسی به این اطلاعات تصحیح، گیرنده های DGPS را بسیار دقیق تر از گیرنده های معمولی می کند.

نحوه محاسبه و تصحیح خطا در گیرنده های GPS برای تعیین موقعیت

ضروری ترین عملکرد یک گیرنده GPS این است که داده های ارسالی از حداقل چهار ماهواره را دریافت کند و اطلاعات آن داده هارا با اطلاعات یک سالنامه الکترونیکی ترکیب کند تا همه اینها موقعیت گیرنده روی زمین را مشخص کند.

هنگامی که گیرنده این محاسبه را انجام می دهد، می تواند طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع (یا محاسبات مشابه) موقعیت فعلی خود را به شما بگوید. برای کاربرپسندتر کردن برداشت اطلاعات این نقاط، اکثر گیرنده ها این داده های خام را به فایل های نقشه ذخیره شده در حافظه منتقل می کنند.

می‌توانید از نقشه‌های ذخیره‌شده در حافظه گیرنده استفاده کنید، گیرنده را به رایانه‌ای متصل کنید که می‌تواند نقشه‌های دقیق‌تری را در حافظه خود نگه دارد، یا به سادگی یک نقشه دقیق از منطقه خود بخرید و با استفاده از بازخوانی‌های طول و عرض جغرافیایی گیرنده، برداشت نقاط را روی نقشه با دستگاه گیرنده GPS انجام دهید. برخی از گیرنده ها مانند گیرنده GPS هیرو به شما امکان می دهند نقشه های دقیق را روی حافظه دانلود دستگاه دانلود کرده و با اتصال به نرم افزارهای دیگر از آنها استفاده کنید.