جی پی اس (GPS) چیست و دقیقاً چگونه کار می‌کند؟

بسیاری از ما موقعیت‌یابی و ناوبری امروزی را بدیهی می‌دانیم و اهمیت آن در زندگی روزمره را چندان در نظر نمی‌گیریم. وقتی مسیر خود را گم می‌کنیم، تنها کافی است تا گوشی را از جیب خود در آوریم و گوگل مپ را باز کنیم تا مسیر و موقعیت فعلی خود را بار دیگر به‌راحتی بیابیم. این روزها حتی می‌توان از دستیارهای هوشمندی مانند سیری به‌صورت صوتی نیز برای موقعیت‌یابی کمک گرفت و نیازی به خارج کردن گوشی از جیب نیست!

برای یافتن موقعیت مکانی خود به وای‌فای یا اینترنت موبایل هم نیازی ندارید. تا زمانی‌که نقشه‌ی آن منطقه را در گوشی خود دانلود کرده باشید، در هر نقطه از کره‌ی زمین از موقعیت مکانی خود مطلع خواهید بود. بنابراین، چه در مناطق شهری قدم بزنید، چه در جنگل‌ها پیاده‌روی کنید، از کوه‌ها بالا بروید، در دریاها به شنا و قایقرانی بپردازید، یا حتی در آسمان با هواپیما پرواز کنید، گوشی شما همواره می‌تواند به شما بگوید که دقیقاً کجا هستید.

این فناوری شگفت‌انگیز که به ما این امکان را می‌دهد تا مسیر خود را در هر جایی پیدا کنیم، از جی پی اس (GPS) قدرت گرفته است و در هر گوشی، بسیاری از تبلت‌ها، برخی از خودروها و حتی ساعت‌های هوشمند در دسترس قرار دارد. اما جی پی اس دقیقاً چیست و چگونه می‌داند شما کجا هستید؟ برای آشنایی بیشتر با GPS و تاریخچه و نحوه‌ی کارکرد آن، با اِروتِک همراه باشید.

جی پی اس چیست؟

جی پی اس به‌معنای سیستم موقعیت‌‎یاب جهانی (Global Positioning System یا GPS) است و از مجموعه‌ای از ماهواره‌ها برای کمک به شما در یافتن موقعیت مکانی خود استفاده می‌کند. در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، ارتش ایالات متحده یک سیستم ناوبری ماهواره‌ای به نام ترانزیت (Transit) را برای کمک به ناوبری زیردریایی‌های موشکی خود و پرتاب دقیق محموله‌های هسته‌ای مرگبارشان توسعه داد. اما وزارت دفاع آمریکا در سال ۱۹۷۳ سیستم فعلی موقعیت‌یابی جهانی را راه‌اندازی کرد و این سیستم در نهایت در سال ۱۹۹۵ جایگزین سیستم ترانزیت شد و GPS را به یکی دیگر از اختراعات نظامی تبدیل کرد که ما حالا روزانه از آن استفاده می‌کنیم.

با این حال، رویداد مهمی که باعث شد دولت ایالات متحده‌ی آمریکا جی پی اس را برای استفاده‌ی غیرنظامی در دسترس قرار دهد، سرنگونی غم‌انگیز یکی از هواپیماهای خطوط هوایی کره در سال ۱۹۸۳ بود. بررسی‌ها نشان داد که خلبانان از حالت ناوبری اشتباهی استفاده می‌کردند و از آن‌جایی‌که به جی پی اس دسترسی نداشتند، نمی‌توانستند موقعیت مکانی دقیق خود را پیدا کنند. در نتیجه، این هواپیما به اشتباه وارد خطوط هوایی روسیه شد و توسط یکی از جنگنده‌های شوروی مورد اصابت یک موشک قرار گرفت، سقوط کرد و ۲۶۹ کشته به همراه داشت.

این رویداد، رئیس جمهور آمریکا در آن زمان، رونالد ریگان، را وادار کرد تا جی پی اس را برای استفاده‌های غیرنظامی در دسترس قرار دهد. در حالی‌که استفاده از GPS قبلاً به گیرنده‌های اختصاصی نیاز داشت، پیشرفت‌های فناوری به کوچک‌ترین دستگاه‌ها، مانند گوشی‌ها و ساعت‌های هوشمند نیز اجازه می‌دهد تا از این سیستم موقعیت‌یابی بهره‌مند شوند. هنگامی‌که جی پی اس با فناوری‌های دیگری مانند بلوتوث ترکیب می‌شود، می‌تواند ناوبری و موقعیت‌یابی را بسیار دقیق‌تر از قبل کند.

استفاده از همان اصول ناوبری فلکی

قبل از اختراع ماهواره‌ها، دریانوردان از ناوبری فلکی برای یافتن موقعیت مکانی خود استفاده می‌کردند. آن‌ها از ابزاری مانند سکستانت (Sextant) یا شِشَکان برای اندازه‌گیری زاویه‌ی یک ستاره‌ی خاص در بالای افق کمک می‌گرفتند و زمان دقیقی که آن ستاره مشاهده می‌شد را مشخص می‌کردند. دریانوردان می‌دانستند که در امتداد محیط دایره‌ای با این ستاره در مرکز آن نشسته‌اند و با تکرار این فرآیند برای دو ستاره‌ی دیگر، می‌توانند مکان دقیق خود را در کره‌ی زمین پیدا کنند.

ناوبری جی پی اس نیز از همین اصول استفاده می‌کند، اما دستگاه‌های ما به‌جای تکیه بر ستارگان یا خورشید برای یافتن مکان خود، از سیگنال‌های ماهواره‌ای کمک می‌گیرند. در حال حاضر بیش از ۳۰ ماهواره‌ی GPS وجود دارند که در حدود ۲۰٬۲۰۰ کیلومتری بالای ما به دور زمین می‌چرخند و حداقل چهار ماهواره همیشه از هر نقطه از سطح زمین قابل مشاهده هستند.

دستگاه شما برای یافتن موقعیت مکانی فعلی خود حداقل از چهار ماهواره بهره خواهد گرفت. هنگامی‌که دستگاه سیگنال‌های این ماهواره‌ها را شناسایی می‌کند، می‌تواند به‌‎طور خودکار موقعیت مکانی خود را تعیین کرده و اطلاعات تقریباً لحظه‌ای را با دقت ۵ تا ۳۰ متری در اختیار شما قرار دهد.

چرا GPS به چهار ماهواره نیاز دارد؟

تفاوت قابل‌توجهی که بین ناوبری فلکی و ماهواره‌ای وجود دارد، به نقاط مرجع این دو برمی‌گردد؛ در حالی‌که ناوبری فلکی از سه نقطه‌ی مرجع برای کمک در یافتن موقعیت مکانی دقیق استفاده می‌کند، جی پی اس به چهار ماهواره نیاز دارد. ملوانان قدیمی معمولاً از نقشه‌های مسطح برای یافتن موقعیت خود استفاده می‌کردند، بنابراین سه نقطه‌ی مرجع در این حالت کافی است. از آن‌جایی که دستگاه‌های GPS به‌شکل سه‌بعدی حرکت می‌کنند، به ماهواره‌ی چهارم نیاز دارند تا مکان دقیق شما را تعیین کنند.

علاوه‌ بر این، دستگاه شما همچنین به زمان‌گیری دقیق نیاز دارد تا مطمئن شود که دقیق‌ترین سیگنال را تنها از سه ماهواره دریافت می‌کنید. به عبارت دیگر، اگر می‌خواهیم بدانیم در حال دریافت جهت‌های دقیق هستیم، گوشی‌های ما باید به ساعت اتمی مجهز باشند. از آن‌جایی‌که این دستگاه‌ها گران و معمولاً ضخیم‌تر از گوشی‌ها هستند، تعبیه کردن آن‌ها در دستگاه‌های امروزی تصمیم چندان معقولی نیست. در عوض، جی پی اس از چهارمین ماهواره برای تأیید اطلاعاتی که دریافت می‌کنید بهره می‌برد و دقت بالایی را ارائه می‌دهد.

کنترل ماهواره‌های GPS

جی پی اس سیستم کاملی است و بخش‌های مختلفی دارد. در حالی‌که ما معمولاً تنها به ماهواره‌ها (بخش فضایی) و دستگاه‌های خودمان (بخش کاربری) فکر می‌کنیم، GPS بخش مهم دیگری تحت عنوان «بخش کنترل» را نیز شامل می‌شود.

بخش کنترل در واقع شبکه‌ای از ایستگاه‌های زمینی است که بر ۳۱ ماهواره GPS که در حال حاضر به دور زمین می‌چرخند، نظارت دارند تا از موقعیت آن‌ها و ارسال دقیق اطلاعات موردنیاز کاربران اطمینان حاصل کنند. بخش کنترل همچنین شامل وظایف مشخصی مانند نگهداری و مراقبت از ماهواره‌ها، اطمینان از به‌روز بودن آن‌ها و تغییر موقعیتشان در صورت لزوم نیز می‌شود تا تمامی کاربران GPS بتوانند همیشه حداقل چهار ماهواره را برای موقعیت‌یابی دقیق ببینند.

رقبای جی پی اس

اگرچه امروزه GPS مترادف با ناوبری ماهواره‌ای است، این سیستم تنها موردی نیست که چنین سرویسی را به کاربران ارائه می‌دهد. اصطلاح عمومی برای GPS در واقع «GNSS» یا سیستم ماهواره‌ای ناوبری جهانی است و سایر کشورها و سازمان‌ها سیستم موقعیت‌یابی اختصاصی خود را ساخته‌اند.

چین دارای سیستم ناوبری بیدو (BeiDou) یا BNS است که به‌طور رسمی در سال ۲۰۲۰ راه‌اندازی شد و شامل ۳۵ ماهواره می‌شود. کشورهای اتحادیه‌ی اروپا از سامانه‌ی ماهواره‌ای ناوبری GNSS موسوم به گالیله (Galileo)، که در سال ۲۰۱۶ راه‌اندازی شد و در حال حاضر بیش از ۲۴ ماهواره دارد، استفاده می‌کنند. روسیه نیز از سیستم ماهواره‌ای ناوبری گلوناس (GLONASS) بهره می‌گیرد.

افزون‌ بر این، هند دارای سیستم ماهواره‌ای ناوبری منطقه‌ای IRNSS است که اکنون به «NavIC» تغییر نام داده و شامل هفت ماهواره برای پوشش هند می‌شود. ژاپن همچنین سیستم ماهواره‌ای شبه‌زنیت (QZSS) را با چهار ماهواره در سال ۲۰۱۸ راه‌اندازی کرد و این سیستم در حال حاضر بیش از هفت ماهواره را دربرمی‌گیرد که همگی متمرکز بر شرق آسیا و اقیانوسیه هستند.

تمامی این سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی می‌توانند روی یک گوشی ساده و سازگار امروزی مورداستفاده قرار بگیرند. به همین دلیل است که گوگل مپ در موقعیت‌یابی و ناوبری کاربرد فراوانی دارد، چراکه این سرویس بر اساس نوع گوشی شما می‌تواند از سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی مختلفی استفاده کند و بهترین و دقیق‌ترین خدمات نقشه‌برداری و ناوبری را به کاربران ارائه دهد.

منبع: SlashGear