سیستم جی پی اس (GPS) چگونه کار می‌ کند؟

استفاده از جی‌‌پی‌اس این روزها به امری عادی بدل شده است. امروزه اغلب افراد در زمان مسیریابی دیگر به سراغ استفاده از نقشه‌‌های سنتی نمی‌روند و از گجت‌های هوشمند خود نظیر گوشی‌های هوشمند، تبلت یا خوردوهایی که به سیستم‌های نقشه خوانی مجهز هستند، استفاده می‌کنند. این روزها سرویس‌های مسیریابی متعددی وجود دارند که شاید شناخته‌شده‌ترین آن‌ها گوگل مپس باشد. اغلب سرویس‌های موجود از سیستم جی‌پی‌اس استفاده می‌کنند.

در ادامه به بررسی زیرساخت‌های جی‌پی‌اس و فرآیند پشت پرده برای ارائه‌ی این سرویس در کنار تغییرات ممکنی که احتمالا در آینده رخ خواهد داد، خوهیم پرداخت. با استفاده از سرویس جی‌پی‌اس می‌توان بهترین مسیر را برای رسیدن به مقصد انتخاب کرد، از مسیرهای پرترافیک آگاه شد و امکان شناسایی کسب و کار شما را برای فروشندگان خدمات و کالاها روی نقشه‌ها امکان پذیر می‌کند.

از سال ۱۹۹۴ میلادی بیش از ۱۲ ماهواره برای ارائه سرویس جی‌پی‌اس راهی مدار زمین شده‌اند. این ماهواره‌ها در ارتفاع ۲۱٫۰۰۰ کیلومتری زمین به سر می‌برند که در شش گروه یا سطح مختلف قرار گرفته‌اند. ماهواره‌های مورد نظر به نوعی تنظیم شده‌اند که هیچ‌گاه با حرکت در مدارهای مختلف روی همدیگر همپوشانی ندارند. هر یک از این ماهواره‌ها با حرکت از سوی غرب به شرق و داشتن سرعت ۱۲٫۸۷۴ کیلومتر در ساعت، دو بار در روز کره‌ی زمین را دور می‌زنند. هر یک از ماهواره‌ها بصورت مداوم اطلاعات زیر را به ایستگاه‌های زمینی گزارش می‌دهند:

• کد Pseudorandom که شماره‌ی اختصاصی برای هر یک از ماهواره‌ها را نمایش می‌دهد.
• اطلاعات تقویمی که مربوط به ارسال اطلاعات شامل تاریخ، زمان و سلامت ماهواره است. عدم سلامت فیزیکی ماهواره بدین معنی است که موقعیت ماهواره تغییر کرده یا مشکل دیگری برای کاربران ایجاد شده است.
• تقویم نجومی، با استفاده از این فاکتور ماهواره اطلاعات تقویم نجومی را نیز برای ایستگاه‌های زمینی ارسال می‌کند.

زمانی که شما از سیستم جی‌پی‌اس روی گوشی هوشمند، تبلت یا خودرو یا هر وسیله‌ی دیگری استفاده می‌کند، دو فاکتور TOA (زمان رسیدن پیام به دست گیرنده) و TOF (زمان اختصاص یافته بین خروج پیام و رسیدن به دست گیرنده) به سیستم جی‌پی‌اس که در اختیار شما است، ارسال می‌شود. با در دست بودن المان مشخص سرعت نور و مکان ارسال و دریافت سیگنال، دریافت کننده‌ی GPS موقعیت مکانی شما را روی زمین مشخص می‌کند. زمانی که برای مثال با استفاده از خودروی شخصی خود در بزرگراه در حال حرکت هستید، سیستم جی پی اس مورد استفاده، سرعت حرکت را محاسبه کرده و به شما نمایش می‌دهد که غالبا از سرعتی که خودروی شما نمایش می‌دهد، کمتر است، این به معنای اشتباه سیستم جی پی اس نیست و باید به این سیستم اعتماد کرد، چراکه کیلومتر شمار خودروها معمولا سرعت حرکت را کمی بیشتر از مقدار واقعی آن نمایش می‌دهند. با توجه به اینکه سیگنال ارسال شده توسط ماهواره علت عبور از لایه‌های مختلف جو نظیر یونوسف، لایه بالایی جو در فاصله‌ی ۶۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری سطح زمین دچار تاخیر می‌شود، از این‌رو ماهواره‌های جی‌پی‌اس سیگنال‌های خود را با اعمال فاکتوری برای اصلاح موارد ارسال شده، مخابره می‌کنند.

جی‌پی‌اس برای اطلاع از موقعیت مکانی شما نیازمند ارتباط با سه ماهواره‌ در مدار زمین است که البته ماهواره‌ی چهارم نیز برای تعیین ارتفاع کاربر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورتی که بیش از چهار ماهواره‌ی شناسایی شده و سیستم دریافت کننده‌ قادر به برقراری ارتباط باشد، کیفیت تشخیص موقعیت مکانی کاربر بسیار بالاتر خواهد بود و دقت این سیستم افزایش پیدا می‌کند. در صورتی که عوامل مخل وارد چرخه‌ی موقعیت یابی شوند، ماهواره‌ها از فاکتورهای اصلاح برای بالا بردن دقت سیستم جی پی اس استفاده می‌کنند.

اولین ماهواره‌ی مربوط به سیستم جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ میلادی راهی مدار زمین شد. در حال حاضر ماهواره‌های موجود در مدار زمین که تحت سیستم جی‌پی‌اس فعالیت می‌کنند می‌توانند تا ۱۰ سال بصورت عملیاتی کار کنند. هر یک از ماهواره‌ها روی زمین وزنی بیش از ۹۰۰ کیلوگرم دارند و قطر هر یک به بیش از پنج متر می‌رسد که البته این قطر با احتساب پره‌های مربوط به قرارگرفتن باتری‌های خورشیدی محاسبه شده است. فرستنده‌ی ماهواره‌ها سیگنال‌هایی را با قدرت ۵۰ وات مخابره می‌کنند.

البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که پیشرفت در حوزه‌ی مکان‌یابی روز به روز پیشرفته‌تر شده و دستگاه‌های گیرنده‌ی مورد استفاده روی زمین نیز هر روز دقیق‌تر و کوچک‌تر از پیش می‌شوند. دارپا تراشه‌ی جی‌پی‌اس را توسعه داده که از سکه‌ی یک پنی کوچک‌تر بوده و از وجود سه ژیروسکوپ، سه شتاب سنج و ساعت داخلی بهره می‌برد. تحقیقات دیگری نیز در جریان است تا زمان‌بندی تراشه‌های دریافت کننده‌ی جی‌پی‌اس را بیش از پیش بهبود بخشد. هدف از تمام این اقدامات، توسعه‌ی سیستم جی‌پی‌اس بسیار پیشرفته‌ای است که قدرت آن با سیستم‌های چند هزاردلاری برابری کرده و می‌توان از آن روی سیستم خودروهای اطلاع‌رسانی خودروها استفاده کرد.

سیستم جی‌پی‌اس برای اولین بار با کاربری نظامی به منظور افزایش دقت ناوبری در زیردریایی‌، هواپیما و سایر ادوات نظامی مورد آغاز به کار کرد. سیستم جی‌پی‌اس به گونه‌ای تنظیم شده بود که تا سال ۲۰۰۰ اطلاعات با دقت کمتری را برای کاربران غیرنظامی ارسال می‌کرد. در صورت استفاده‌ی غیرنظامی از این سرویس، سیگنال‌ها بصورت رمزنگاری نشده به دریافت کننده ارسال می‌کرد که از این‌رو دقت موقعیت یابی در آن زمان ۱۰۰ متر بود. دقت ۱۰۰ متری برای استفاده در سیستم‌های ناوبری نظیر خودرها و مسیریابی چندان کاربردی نبود، چراکه برای مثال در صورت نیاز به دور زدن در تقاطع بعدی، دقت ۱۰۰ متری هیچگاه قادر به راهنمایی در مسیر درست نبود.

با توسعه‌ی سیستم Defferential GPS که از ایستگاه‌های زمینی بهره می‌برد، دقت سیگنال‌های ارسال شده توسط ماهواره‌ها به ۱۵ متر افزایش یافت، بطوریکه حتی در برخی موارد دقت موقعیت یابی کمتر از چند سانتی‌متر نیز ثبت شده بود. همزمان با این موضوع اداره‌ی هوانوردی فدرال، گارد ساحلی و وزارت ترابری درخواستی را مبنی بر در دسترس بودن این سیستم صادر کردند. بیل کلینتون، رئیس جمهور وقت ایالات متحده‌ی آمریکا دستور داد تا در دسترس بودن انتخابی سیستم جی‌پی‌اس از سال ۲۰۰۰ از بین رفته و در اختیار همگان قرار گیرد.

امروزه سیستم جی‌پی‌اس مورد استفاده در خودروها دقتی در حدود ۱۰ تا ۱۵ متر دارد. همچنین قیمت دریافت کننده‌ی ماهواره‌ای جی‌پی‌اس نیز به کمتر از چند دلار کاهش یافته است. امروزه رسیورهای معمولی مورد استفاده در گجت‌های مختلف و خودروها دقتی تا ۳ متر دارند، حال آنکه نمونه‌های گران قیمت دقت خود را تا چند سانتی‌متر نیز کاهش داده‌اند. برای مثال سیستم Trimble Total Station GPS دقتی کمتر از ۳ سانتی‌متر دارد. افزایش دقت سیستم های موقعیت یاب ماهواره‌ای بدین معنی است که می‌توان از این سیستم‌ها برای کنترل ابزار‌های ریموت راه‌سازی استفاده کرد.

در صورتی که خودروی شما از سیستم موقعیت یاب قدیمی با دقت ۱۰ تا ۱۵ متری استفاده می‌کند، یک حقه در زمان مسیریابی برای پوشش دقت پایین استفاده می‌شود. برای مثال در صورتی که در بزرگراهی شمال به جنوب در حال حرکت باشید و در نزدیکی شما راه فرعی یا خروجی وجود نداشته باشد، نشانگر موقعیت یاب در مسیر مورد نظر باقی می‌ماند، اما در صورتی که یک دوراهی یا خروجی در مسیر وجود داشته باشد، نشانگر مسیریاب شما را به سمت شمالی‌ترین راه هدایت خواهد کرد. در صورتی که شما مسیری دایره‌ای طی کرده یا از مسیر اصلی به فرعی وارد شده یا دور بزنید، سیستم دوباره خود را کالیبره می‌کند. سیستم موقعیت یاب ماهواره‌ای معمولا از وجود ماژول‌های دیگری نیز بهره می‌برد که شامل قطب نمای داخلی، سنسور تشخیص حرکت و سرعت سنجی است تا بصورت دقیق در صورت وارد شدن به تونل نیز قادر به محاسبه‌ی دقیق مکان شما باشد.

به طور حتم اصلی‌ترین کاربرد سیستم موقعیت یاب ماهواره‌ای در خودروها را باید مسیریابی و نشان دادن موقعیت مکانی روی نقشه خواند، هرچند این مورد تنها کاربرد GPS در خودروها و به طور کلی در گجت‌های هوشمند نیست. در ادامه مثال‌هایی را از کاربردهای دیگر این سرویس بیان می‌کنیم:

اعلام خودکار تصادف. در صورتی که خودرو از وجود سیتسم تله ماتیک (ترکیبی از سیستم اطلاعاتی خودرو و سیستم اطلاع‌رسانی از طریق شبکه‌ی مخابرات و دیتا) نظیر OnStar جنرال موتورز بهره ببرد، در این صورت اگر تصادفی رخ دهد، این سیستم بصورت خودکار موضوع را به مرکز تماس کمپانی اطلاع داده و از این طریق موضوع به مرکز امداد و نجات گزارش داده می‌شود. برای مثال سیستم Ford Sync با استفاده از ارتباط سیستم اطلاع‌رسانی خودرو با گوشی از طریق بلوتوث، از گوشی هوشمند کاربر برای برقراری تماس با مرکز امداد و نجات و پلیس بهره می‌برد. سیستم‌های جدیدتر مبتنی بر جی‌پی‌اس حتی قادرند تا شدت تصادف صورت گرفته را نیز مشخص کرده و علاوه بر محل وقوع تصادف، شدت تصادف را مشخص کنند. بی ام و و جنرال موتورز در حال کار روی الگوریتم‌هایی هستند تا میزان آسیب دیدگی سرنشینان خودرو را نیز پیش‌بینی کرده و وضعیت سرنشینان پس از تصادف را مشخص کند.

چراغ‌های جلویی هوشمند پیش بینی کننده. با پیشرفت روزافزون خودروها، تکنولوژی‌های جدیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد که چراغ‌ها نیز شامل این تغییرات و پیشرفت‌ها می‌شوند. در چراغ خودروها ابتدا لامپ‌های معمولی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما رفته رفته شاهد ظهور چراغ‌های زنون، ال‌ای‌دی و لیزری هستیم، حال آنکه ساختار کلی چراغ‌ها نیز از بکارگیری الگوی ساده به سمت سیستم تغییر جهت دهنده با حرکت فرمان پیش رفته است، بطوریکه در صورت چرخاندن فرمان به سمت راست، چراغ‌ها نیز به سمت راست و در صورت چرخاندن به سمت چپ، به این سمت می‌گردد. اما با ظهور جی‌پی‌اس و گسترش استفاده از این سیستم در خودروها، چراغ‌ها با استفاده از نقشه و پیش از چرخش به راست و چپ، به جهت مورد نظر گردش خواهند کرد. با استفاده از این قابلیت رانندگان قادر خواهند بود تا پیش از چرخش، نقاط کور را که می‌تواند محلی برای قرار گرفتن عابرین یا خودروهای پارک شده باشند، ببینند. فورد در حال اجرای آزمایشی چنین سیستمی در خوردوهای خود است.

خودروهای هیبریدی و الکتریکی با دامنه‌ی حرکتی بالاتر. استفاده از داده‌های حاصل از سیستم جی‌پی‌اس در کنار مسیریابی و باتری باقی مانده در خودرو، می‌تواند فرآیند مصرف انرژی در خودروهای الکتریکی یا هیبریدی را بسیار هوشمندانه مدیریت کند. برای مثال تصور کنید که با خودروی تویوتا پریوس هیبریدی خود در حال حرکت در بزرگراه هستید، در صورتی که خودرو از پستی و بلندی یا ترافیک مسیر آگاه باشد، می‌توان تقسیم نیرو را به طور هوشمندانه انجام داد و در نتیجه در زمان سرنشینان نیز صرفه جویی کرد، بطوریکه خودرو با آگاهی از امکان شارژ خودرو از طریق ترمزگیری یا رسیدن به سرازیری به منظور شارژ، می‌تواند مسیر پیش رو را با سرعت بیشتری طی کند.

استفاه از خدمات رفاهی. این روزها سرویس‌های بسیاری وجود دارند که می‌توان با استفاده از آن‌ها نزدیک‌ترین رستوران، پمپ بنزین یا هر سرویس خدماتی را پیدا کرد، اما وظیفه‌ی تفکیک بهترین گزینه که در مسیر حرکت بوده و کاربر از آن عبور نکرده باشد، برعهده‌ی خود افراد است. با استفاده از جی‌پی‌اس و درک این موضوع که کاربر در چه مسیری حرکت می‌کند، سیستم می‌تواند بهترین گزینه را که شاید در فاصله‌ی نزدیک در مسیر مقصد باشد، معرفی کند.

اپلیکیشن‌های گوشی هوشمند. در صورتی که خودرو به سیستم هوشمند نظیر سیستم گوگل یا اپل مجهز باشد، می‌توان با استفاده از یک اپلیکیشن روی گوشی هوشمند، خودرو را استارت زده و تنظیمات دلخواه برای سیستم تهویه را اعمال کرد، با وجود سیستم جی‌پی‌اس امکان مسیریابی تا رسیدن به خودرو نیز وجود دارد که در محل‌های شلوغ نظیر پارکینگ‌ مراکز خرید و استادیوم‌ها بسیار کاربردی است.

پارکینگ هوشمند با در خودکار. این روزها بسیاری از پارکینگ‌ها در منازل و مجتع‌های مسکونی دارای درهای خودکار هستند که ورود به آن‌ها مستلزم استفاده از ریموت یا در موارد پیشرفته استفاده از سیستم خودرو برای ارسال پیامی به منظور باز کردن در است، حال آنکه در صورت استفاده از جی‌پی‌اس، در صورتی که خودرو احساس کند که در حال نزدیک شدن به در پارکینگ است، پیامی را بصورت خودکار برای باز شدن در ارسال کرده و در نتیجه بدون نیاز به اینکه توجه راننده متوجه باز کردن خودرو از طریق فشردن کلیدی باشد، در باز می‌شود.

این روزها اغلب خودروهای هوشمند با تکیه بر فناوری‌های بینایی ماشین که شامل انواع سنسور‌های بینایی و نقشه‌های سه بعدی است، مسیر حرکت را شناسایی کرده و به پیش می‌روند، هرچند جی‌پی‌اس نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما می‌توان نقش جی‌پی‌اس را در این خودروها پررنگ‌تر کرد. با استفاده از سیستم‌های جی‌پی‌اس که خطایی کمتر از چند سانتی‌متر دارند، می‌توان خودروهای هوشمند را به بهترین شکل ممکن در میان خطوط و به سمت مقصد هدایت کرد.

هرچند استفاده از سیستم‌های بینایی برای تشخیص مسیر بسیار کاربردی است، اما این سیستم‌ها نیز در شرایطی نمی‌توانند کارایی همیشگی را داشته باشند که از جمله‌ی آن می‌توان به هوای باراتی یا برفی اشاره کرد، چراکه برای مثال در چنین آب و هوایی نمی‌توان خط کشی جاده را به راحتی تشخیص داد و از این‌رو در چنین شرایطی سیستم جی‌پی‌اس می‌تواند به یاری خودروهای هوشمند شتافته و فارغ از هر مشکلی به هدایت خودرو بپردازد.

اولین سیستم‌های مبتنی بر جی‌پی‌اس برای خودروها در میانه دهه‌ی ۹۰ میلادی با سری هفت بی ام و راهی بازار شدند. این سیستم قیمتی ۲٫۵۰۰ دلاری داشت. این روزها تعداد سیستم‌های ناوبری تولید شده برای استفاده در خودروها افزایش یافته و قیمت اغلب آن‌ها ۵۰۰ دلار یا کمتر است، البته شماری از بهترین نمونه‌ها نیز قیمتی ۱٫۰۰۰ دلاری دارند. البته در اغلب خودروهایی که قیمتی فراتر از ۵۰٫۰۰۰ دلار دارند، می‌تواند چنین سیستم‌هایی را بصورت پیش فرض مورد استفاده قرار داد. معمولا سیستم‌های ناوبری که بصورت پیش فرض روی خودروها نصب می‌شوند، عملکرد بهتری دارند، چراکه آنتن سیستم جی‌پی‌اس بصورت استاندارد در سقف خودرو قرار گرفته و از این رو ارتباط با ماهواره با سرعت بیشتری انجام می‌شوند.

البته ظهور سیستم‌هایی نظیر کارپلی اپل و اندروید اتو گوگل قابلیت‌های بیشتری را در اختیار رانندگان قرار می‌دهد. بطوریکه این سیستم‌ها مسیریابی و هماهنگی سیستم خودرو با گوشی هوشمند را بسیار تسهیل کرده‌اند.

باید دید که در سال‌های آینده به بهبود دقت سیستم‌های جی‌پی‌اس، نقش این فناوری در خودروهای آینده به چه اندازه‌ی پررنگ‌تر خواهد شد.