GPS چیست و چطور کار می‌کند؟ همه چیز درباره جی پی اس

سلام بر همراهان همیشگی پست های آموزشی و فناوری وبسایت رسمی IDH. در این نوشته، قصد داریم درباره GPS و عملکرد آن صحبت کنیم.

یکی از کاربردی ترین فناوری های این روزها سیستم موقعیت یاب یا GPS است که توانسته پس از تنها ۲۵ سال، نقش مؤثر خود را در زندگی روزمره بشر امروزی اثبات کند.

GPS در طول این سال ها طوری تکامل یافته که به عنوان یک ابزار کاربردی برای رفع نیازهای روزانه، در هر نقطه از کره زمین و در هر شرایط آب و هوایی، به صورت شبانه روزی و رایگان در دسترس است و مورد استفاده قرار می گیرد و جایگزین مناسبی برای قطب نماها و نقشه های کاغذی شده است.

جالب است بدانید سیستم GPS پیشرفته ابتدا با اهداف نظامی، به منظور کنترل و افزایش دقت ناوبری زیردریایی های آمریکا مورد استفاده قرار می گرفت و تا سال ۲۰۰۰ نیز انحصاراً کاربری نظامی داشت ولی امروزه تبدیل به یک فناوری عمومی شده است.

تعریف GPS

سیستم موقعیت‌یابی جهانی (Global Positioning System) که به اختصار GPS نامیده می شود، سامانه ‌ای است برای یافتن موقعیت جغرافیایی.

این سامانه برای موقعیت ‌یابی، از ۲۴ ماهواره که زمین را دور می‌ زنند، استفاده می کند.

GPS در هر زمان و در همه نقاط جهان قابل استفاده ‌است و هیچ هزینه ‌ای برای خدمات موقعیت‌یابی آن از کاربران گرفته نمی‌شود.

ماهواره ‌های GPS هر روز دو بار در یک مدار دقیق به دور زمین می ‌چرخند و سیگنال ‌های اطلاعات را به زمین می‌ فرستند.

این ماهواره ها به گونه ای طراحی شده اند که تا ۱۰ سال آینده نیز فعال خواهند بود.

سیستم رفت و برگشت این ماهواره ها روی هم تداخلی ندارند و باعث اختلال در ارسال اطلاعات نمی شوند.

هر کدام از ماهواره ها بر روی مدار جداگانه خود و با سرعت ۱۲ هزار کیلومتر بر ساعت دو بار در هر روز به دور مدار می گردند.

کاربردهای GPS

GPS کاربردهای عمومی و تخصصی بسیاری دارد که در ادامه به برخی از مهمترین آنها اشاره می شود:

دستگاه GPS یک کامپیوتر کوچک است که با در اختیار داشتن مختصات شما، می‌تواند زمان طلوع و غروب خورشید و همینطور زمان طلوع و غروب ماه را در موقعیت شما بگوید.

یکی دیگر از کاربردهای جالب GPS این است که زمان باقی‌مانده برای رسیدن به مقصد مورد نظر شما را با توجه به سرعتتان، محاسبه می کند.

میانگین سرعت شما، بیشترین سرعت، میانگین سربالایی و سرازیری مسیر، سرعت عمودی، موقعیت منطقه از نظر شکار و ماهیگیری و شکار در هر نقطه جهان، محاسبه مساحت یک نقطه ناشناخته و برگرداندن شما از مسیر آمده و… از دیگر کاربردهای عمومی GPS است.

اما کاربردهای تخصصی GPS عبارتند از:

• نقشه ‌برداری
• استفاده در پروژه ‌های عمرانی
• کوهنوردی و کایت ‌سواری
• کمک به سفر در مناطق ناشناخته
• کشتی ‌رانی و قایق‌ رانی
• کمک به انجام عملیات نجات هنگام وقوع بلایای طبیعی از جمله سیل و زلزله
• کنترل ترافیک
• مصارف تجاری

و… .

برخی از جالب ترین کاربرد های GPS

با کاربردهای کلی عمومی و تخصصی GPS در بالا آشنا شدید. در ادامه، برخی از کاربردهای موردی GPS را می خوانید که این فناوری به ظاهر ساده، چطور به دانشمندان و محققان در انجام امور بعضاً غیرممکن یا خیلی سخت کمک کرده است.

• بررسی وضعیت زمین در زلزله

همانطور که می دانید فرآیندهای زمین ‌شناسی در مقیاس‌ های بسیار آهسته اتفاق می ‌افتد. به عنوان مثال سرعت حرکت صفحات تکتونیکی زمین یا لغزش دو سمت مخالف گسل ها و… بسیار آهسته است که درک آن برای انسان محال است. دانشمندان با استفاده از GPS نحوه‌ حرکت زمین در زمین‌ لرزه را مورد بررسی قرار می دهند. یکی از اولین مطالعات در این زمینه در سال ۲۰۰۳ انجام شد که طی آن، محققان از گیرنده‌های GPS مستقر در غرب آمریکا برای مطالعه‌ نحوه حرکت زمین در زلزله ۹ ریشتری آلاسکا استفاده کردند. همچنین پژوهشگران در سال ۲۰۱۱ با مطالعه داده‌های GPS از زلزله ۹ ریشتری ژاپن، نشان دادند که کف دریا در جریان این لرزه ۶۰ متر جا‌بجا شد!

• مطالعه آتشفشان ها

آتشفشان به عنوان یکی از ویرانگرترین بلایای طبیعی شناخته می شود. سرعت عملکرد GPS به واکنش سریع مسئولان هنگام وقوع بلایای طبیعی کمک می کند. به‌عنوان مثال، بسیاری از رصدخانه ‌های آتشفشان گیرنده‌ های GPS دارند که در اطراف کوه ‌هایی مستقر شده ‌اند که آنها را زیر نظر گرفته ‌اند. تغییرات حاصل از ماگما که در زیر زمین اتفاق می‌ افتد، موجب ایجاد تغییراتی در سطح نیز می‌ شود. پژوهشگران با نظارت بر ایستگاه ‌های GPS در اطراف آتشفشان، می ‌توانند محل جریان سنگ ‌های مذاب را مشخص کنند. دو سال پیش و قبل از فوران بزرگ آتشفشان کیلاویا (Kīlauea) در هاوایی، پژوهشگران از اطلاعات GPS برای دانستن این نکته استفاده کردند که کدام بخش‌ ها از آتشفشان با بیشترین سرعت در حال حرکت است. مسئولان این اطلاعات را برای تصمیم‌ گیری در زمینه‌ مناطقی به‌کار بردند که باید تخلیه شود.

• نقش GPS در مطالعات اتمسفر زمین

یک ایستگاه GPS در سواحل خلیج کاچماک (Kachemak Bay) آلاسکا مستقر است. داده‌های حاصل از این گیرنده که به ‌خوبی با داده‌ های ایستگاه سنجش جزر و مد اداره‌ ملی اقیانوسی و جوی همخوانی دارد، برای نظارت بر تغییرات سطح آب مورد استفاده قرار می گیرد.

همانطور که می دانید سیگنال ‌هایی که از ماهواره‌ های GPS به زمین ارسال می‌شوند، باید از هر ماده‌ ای که وارد اتمسفر شده، عبور کنند. در سال ۲۰۱۳ چند گروه پژوهشی داده‌ های GPS مرتبط‌ با فوران آتشفشان ردابت در آلاسکا (Mount Redoubt‎) را مطالعه کردند و دریافتند بلافاصله پس از شروع فوران، سیگنال‌ ها منحرف می ‌شوند. پژوهشگران با بررسی میزان انحراف سیگنال‌ها تخمین زذند چه میزان خاکستر وارد هوا شده و با چه سرعتی در حال حرکت است. این امر آتشفشان ‌شناسان را قادر می‌سازد ستون ‌های خاکستر را هنگام بالا آمدن در هوا زیر نظر بگیرند تا ستون ‌های دود حاصل از آتشفشان‌ ها برای هوایپماهای در حال عبود مشکلی پیش نیاورد.

• ردیابی لحظه به لحظه حیوانات خانگی، کودکان، سالمندان و بیماران نیازمند مراقبت

پیدا کردن حیوانات خانگی بازیگوش و پیشگیری از گم شدن آنها در پارک و اماکن شلوغ، پیدا کردن کودک در یک مکان شلوغ، نظارت بر ساعت و مسیر رفت و آمد فرزندان به مدرسه، نظارت بر کودکان دارای مشکلات رفتاری مانند اوتیسم، کنترل دقیق موقعیت جغرافیایی نوجوانان و… برخی از کاربردهای GPS برای مراقبت از کودکان و نوجوانان است.

همچنین GPS در نگهدای از سالمندان و بیماران آلزایمری نیز بسیار حائز اهمیت است چرا که یکی از بزرگترین مشکلات خانواده هایی که عضو آلزایمری دارند، نگرانی از گم شدن آنهاست. متأسفانه این بیماران اغلب توانایی به یاد آوردن آدرس منزل را ندارند. بهترین راهکار برای جلوگیری از این اتفاق، استفاده از ردیاب جیبی برای ردیابی سالمندان و افراد آلزایمری است.

• اندازه گیری دقیق ارتفاع قله اورست

دو کشور چین و نپال همیشه بر سر ارتفاع قله اورست اختلاف داشته اند. در سال ۱۹۹۹ ارتفاعی که GPS نصب شده بر روی سطح بستر صخره‌ای محاسبه کرد و نشان داد، معادل ۸٬۸۵۰ متر به علاوه ۱ متر سطح کلاهک برفی بود.

دانشمندان معتقد بودند حرکات صفحه‌ های پوسته زمین سبب افزایش طول قله و جابجایی آن می‌شود. گزارش‌ های مکرر حاصل از محاسبات موقعیت یابی و اندازه گیری با استفاده از GPS نشان داد که روند این تغییرات به صورت افزایش سالانه ارتفاع و حرکت به سمت شمال شرق (در حد چند میلیمتر در سال) است.

در سال ۲۰۱۰ دو کشور چین و نپال پس از سال‌ها اختلاف بر سر ارتفاع اورست، در نهایت توافق کردند که ارتفاع کوه اورست رسماً ۸۸۴۸ متر است اما اواخر سال ۲۰۲۰ و پس از بررسی گروهی از متخصصان تبتی و نپالی، مجدداً رقم دقیق ۸۸۴۸٫۸۶ متر ارتفاع مورد توافق دولت نپال و چین قرار گرفت.

ساختار و چگونگی عملکرد GPS

به طور کلی اساس کار GPS این است که سیگنال های رادیویی با فرکانس بسیار بالا را به طور پیوسته ارسال می کند تا زمان و مکان ماهواره را نسبت به زمین مشخص کند.

GPS از سه بخش اصلی تشکیل می شود:

• بخش فضایی (Space Segment)
• بخش کنترل (Control Segment)
• بخش کاربری (User Segment)

بخش فضایی شامل ۲۴ تا ۳۲ ماهواره به علاوه تأسیسات آماده‌سازی و پرتاب ماهواره هاست.

بخش كنترل شامل سيستمي از ايستگاه هاي رديابي (tracking) در اطراف جهان است. ایستگاه های ردیابی کنترل اصلی زمینی MCU با اطلاعات رديابي دريافت شده از مراكز رديابی، پارامترهاي ساعت و مدار ماهواره ها را محاسبه کرده و نتايج حاصل از محاسبات را به منظور فرستادن به ماهواره ها، به يكي از سه مركز كنترل زميني انتقال می دهد.

بخش کاربری تمامی اطلاعات را روی گیرنده های GPS دریافت می کند و آنها را به صورت اطلاعاتی چون مسیر حرکت، موقعیت مکانی، سرعت، جهت یابی و … به نمایش می گذارد.

اهمیت شگفت انگیز GPS در دنیای امروز

این اختراع بشر نیز مانند دیگر فناوری های روز دنیا، روز به روز در حال رشد و توسعه است و جایگاه خود را بیش از پیش در زندگی روزمره بشر پیدا کرده است. صنایع بزرگ و کوچک که از تکنولوژی GPS برای دستیابی به کارآیی بالاتر خود استفاده می کنند، می توانند مزایای بیشتری را برای مشتریان خود و همچنین دریافت کنندگان خدمات فراهم کنند. کسب و کار ها و ارائه دهندگان خدمات در سراسر جهان با استفاده از این فناوری، متحول شده و ارتقا یافته اند، چرا که فناوری GPS ابزاری مفید و قابل اطمینان برای پیشرفت و افزایش بهره وری است.

علاوه بر اینها، کاربران عادی آموخته اند که چطور می توانند از GPS در زندگی روزمره خود بهره ببرند.

دیگر پست های آموزشی و اخبار دنیای فناوری را نیز از دست ندهید.

راستی! شما میتوانید در بخش دیدگاه ها موضوعات مورد علاقه خود را برای مقالات بعدی که به صورت اختصاصی توسط تیم وبسایت رسمی IDH تهیه میشوند با ما در میان بگذارید.

امیدواریم از این مقاله که در خصوص آشنایی با فناوری GPS بود استفاده و لذت برده باشید.