GPS چگونه کار می کند؟
ماهواره های GPS در یک مدار معین، زمین را دو بار در روز دور می زنند و سیگنال های اطلاعاتی را به زمین ارسال می کنند. دریافت کننده GPS این اطلاعات را گرفته و برای محاسبه مکان دقیق کاربر از روش های هندسی استفاده می کند. در اصل دریافت کننده ی GPS زمان ارسال سیگنال از ماهواره را با زمان دریافت سیگنال مقایسه می کند. اختلاف زمان بازگو کننده ی میزان فاصله ی ماهواره از دریافت کننده ی GPS است. با اندازه گیری فاصله، از تعدادی چند از ماهواره ها ،دریافت کننده می تواند مکان کاربر را مشخص کرده و آن را روی نقشه ی الکترونیکی واحد نمایان کند.
یک دریافت کننده ی GPS با سیگنال هایی که از حداکثر سه ماهواره دریافت می کند، می تواند مسیر حرکت و مختصات دو بعدی (طول و عرض) مکان را محاسبه کند. با در نظر گرفتن چهار یا بیشتر ماهواره ، دریافت کننده می تواند مختصات سه بعدی (طول،عرض،ارتفاع) مکان کاربر را مشخص کند. زمانی که مکان کاربر مشخص شد ، GPS می تواند سایر اطلاعات نظیر:سرعت،مسیر،فاصله ی پیموده شده،فاصله تا مقصد،زمان طلوع و غروب خورشید و ... را محاسبه کند.
سیستم ماهواره ای GPS :
24 ماهواره که بخش فضایی GPS را شامل می شوند در مداری با فاصله ی 12 هزار مایل از زمین قرار دارند. آنها پیوسته در حال حرکت بوده و در کمتر از 24 ساعت دو دور کامل می زنند. این ماهواره ها با سرعت تقریبی 7 هزار مایل در ساعت حرکت می کنند.
ماهواره های GPS به کمک انرژی خورشید کار می کنند. در زمان خورشید گرفتگی و زمانی که این انرژی وجود ندارد، آنها با بهره گیری از باطری های پشتیبان به کار خود ادامه می دهند.علاوه بر این، راکت های تقویت کننده ی کوچک به کمک ماهواره آمده و آن را در مسیر اصلی خود قرار می دهند.
در اینجا به حقایق جالبی در مورد ماهواره های GPS اشاره می کنیم:(البته ناو استار نامی است که سازمان دفاع آمریکا برای GPS انتخاب کرد.)
- اولین ماهواره ی GPS در سال 1978 به سوی مدار خود روانه شد.
- تمام 24 ماهواره در سال 1994 به راه افتادند.
- کارایی هر ماهواره حدود 10 سال است و جایگزین ها دائما در حال ساخته شدن و قرار گرفتن در مدار خود می باشد.
- وزن یک ماهواره GPS در حدود دو هزار پند ( 907 کیلوگرم) است و زمانی که صفحات خورشیدی آن باز می شود در حدود 17 فوت (8.18 متر) عرض دارد.
- قدرت فرستنده ها تنها50 وات یا کمتر است.
سیگنال چیست؟
ماهواره های GPS دو سیگنال رادیویی کوتاه و قوی L1 و L2 را ارسال می کنند. GPS های شخصی L1 را با فرکانس 1575.42 مگا هرتز روی باند UHF دریافت می کنند. این سیگنال ها از میان ابر و گاز و پلاستیک عبور می کند اما از میان جامدات ، ساختمان ها و کوه ها نمی تواند عبور کند.یک سیگنال GPS شامل سه بیت اطلاعات متفاوت است: یک کد تصادفی کاذب، اطلاعات زود گذر(یک روزه) و اطلاعات سالیانه.
- کد تصادفی کاذب به سادگی یک کد ID است که ماهواره ای را که در حال ارسال اطلاعات می باشد را مشخص می کند. شما می توانید این عدد(کد) را هنگامی روی صفحه ماهواره واحد GPS گارمین خود ببینید که آن مشخص می کند کدام یک از ماهواره ها در حال دریافت کردن آن است.
- اطلاعات زود گذر(یک روزه): مکانی را که هر ماهواره GPS در هر ساعتی باید داشته باشد را به دریافت کننده ی GPS نشان می دهد.این اطلاعات ارسال شده توسط هر ماهواره ، اطلاعات مداری مربوط به آن ماهواره و سایر ماهواره های واقع در سیستم را نشان می دهد.
- اطلاعات سالیانه که به وسیله هر ماهواره به طور پیوسته ارسال می شود شامل اطلاعات مهمی در رابطه با وضع ماهواره (سالم یا خراب بودن)، زمان و اطلاعات رایج است. این بخش از سیگنال برای مشخص کردن مکان بسیار ضروری است.
چشمه هایی که بر سیگنال های GPS تاثیر گذاشته و باعث فاسد شدن (از بین رفتن) آنها شده و در نتیجه روی دقت و صحت اطلاعات تاثیر گذار است به قرار زیر می باشد:
- تاخیرات تروپوسفر (پایین ترین بخش اتمسفر) و یونسفر (یون کره): سیگنال های ماهواره ای به هنگام عبور از اتمسفر کند می شوند. سیستم GPS از مدلی ساختگی استفاده می کند تا میانگین تاخیر را محاسبه و هر چند به طور جزیی این نوع خطا را اصلاح کند.
- سیگنال های چند گانه:زمانی رخ می دهد که سیگنال های GPS قبل از رسیدن به دریافت کننده توسط ساختمان های بلند یا سطوح سنگی بزرگ، منعکس می شوند که این خود باعث افزایش زمان سفر و در نتیجه ایجاد خطا می گردد.
- خطاهای زمانی دریافت کننده: ساعت یک دریافت کننده همانند ساعت های اتمی ماهواره های GPS دقیق نیست بنابراین خطای زیادی از لحاظ وقت و زمان ممکن است پیش آید.
- خطاهای مداری : اطلاعات یک روزه ممکن است که مکان نادرستی از ماهواره را گزارش دهد که باعث ایجاد خطا می شود.
- تعدادی از ماهواره های قابل رویت ،ساختمان ها، ترن،موانع الکترونیکی و حتی بعضی اوقات درختان انبوه می توانند سدی در برابر سیگنال ها شوند که منجر به ایجاد خطا شده و یا مکان یابی غیر ممکن می گردد.
- هندسه ماهواره ها: اشاره به موقعیت نسبی ماهواره ها در هر زمانی دارد. یک مثال که در مورد هندسه ماهواره ها وجود دارد زمانی است که ماهواره ها در زاویه های عریض در ارتباط با هم قرار دارند. زمانی که ماهواره ها روی یک خط و یا گروهی کوچک قرار دارند هندسه ضعیفی را ایجاد می کنند.
- فساد عمدی سیگنال ماهواره: قابلیت استفاده از ماهواره های برگزیده (که به مخفف SA گفته می شود) که یک فساد عمدی در سیگنال ها است ، زمانی به وسیله ی سازمان دفاع آمریکا وضع شد. SA برای این در نظر گرفته شده است تا دشمن نظامی نتواند سیگنال های فوق العاده دقیق GPS استفاده کند.دولت آمریکا SA را در ماه مه 2000 قطع کرد تا دقت دریافت کننده های GPS های شخصی را افزایش دهد.
