GPS چیست ؟ آشنایی با GPS و مفاهیم مرتبط با آن { بخش اول }

مقدمه

در این جلسه و جلسه آینده قصد داریم با GPS به زبان ساده آشنا شویم و اصطلاح رایگان هنگام کار با GPS را بشناسیم. پیشنهاد میکنم برای فهم بهتر این مطلب ، ابتدا جلسات زیر را مطالعه بفرمایید:

• سطوح منطقی دیجیتال
• کانکتورها به زبان ساده

GPS چیست؟

احتمالا تا حالا همه شما از GPS و خواص آن استفاده کرده اید. گیرنده های GPS را میتوان در اکثر گوشی های هوشمند و اتومبیل های جدید امروزی یافت. با استفاده از GPS میتوانیم مسیرهای مورد نظر خود را در سراسر دنیا پیدا کنیم و هیچ نیازی به پرسیدن آدرس نداشته باشیم. با استفاده از این دستگاه های کوچک میتوانیم مکان دقیق خود را در هر لحظه پیدا کنیم. فرقی هم ندارد که در کجا قرار داشته باشیم. ضمن این که استفاده از خدمات مربوط به GPS هم رایگان است. تنها چیزی که به آن نیاز داریم یک گیرنده GPS است که بسیار ارزان قیمت هستند و روز به روز هم کوچکتر می شوند. 

برای این که GPS بتواند موقعیت دقیق ما را در هر لحظه به ما نشان دهد ، سال ها بر روی این سامانه کار شده است و ده ها ماهواه با ساعت های دقیق اتمی از دهه 70 میلادی تا کنون در حال کار کردن می باشند. این ماهواره ها به صورت پیوسته از طریق فرکانس های اختصاصی RF به زمین ارسال می کنند. داده هایی که توسط ماهواره ها ارسال می شوند ، توسط گیرنده های GPS دریافت می شوند و این گیرنده ها با استفاده از آنتنی که بر روی خود دارند این داده ها را دریافت می کنند و سپس به کمک پردازنده خود موقعیت دقیق ما را محاسبه میکنند. 

GPS چگونه کار میکند؟

گیرنده های GPS از ماهواره ها و ایستگاه های زمینی  برای محاسبه دقیق زمان و مکان ما  استفاده میکنند. [post_shop]

در هر لحظه حداقل 24 ماهواره فعال ، 12000 مایل بالاتر از سطح زمین در حال چرخش هستند. ( 12000 مایل حدودا 19300 کیلومتر است). این ماهواره ها به گونه ای حرکت می کنند که در هر لحظه ، حداکثر 12 ماهواره بر روی آسمان محل قرار گیری شما وجود دارد و میتواند موقعیت شما را شناسایی کند. هدف اولیه این 12 ماهواره این است که اطلاعات موقعیتی شما را در یک فرکانس خاص به زمین ارسال کنند. ( این رنج فرکانسی از 1.1 تا 1.5 گیگاهرتز است) . با کمی محاسبات ریاضی ، گیرنده های GPS ( یا همان ماژول های GPS ) میتوانند موقعیت دقیق ما و زمان  را محاسبه کنند. 

گیرنده های GPS ، چگونه اطلاعات دریافتی را به مکان دقیق ما و زمان  تبدیل می کند؟ 

اطلاعات فرستاده شده از ماهواره ها از چند بخش مختلف تشکیل شده است که به گیرنده های GPS این امکان را می دهده تا موقعیت دقیق مکانی و زمانی را محاسبه کنند. یکی از تجهیزات مهم هر ماهواره GPS ، ساعت دقیق اتمی است. زمان ساعت اتمی به همراه موقعیت مداری ماهواره ها و زمان رسیدن ماهواره ها در نقاط مختلف آسمان ، به زمین فرستاده می شوند. به عبارت دیگر ، ماژول های GPS از هر کدام از ماهواره ها ، یک زمان  و یک مکان از موقعیت ماهواره ها در آسمان ( به همراه اطلاعاتی دیگر)دریافت می کنند. با استفاده از این اطلاعات ، گیرنده GPS ، فاصله بین ماهواره ها را می داند. اگر گیرنده GPS ، حداقل 4 ماهواره را مشاهده کرد ، آنگاه میتواند موقعیت دقیق مکانی و زمانی ما را محاسبه کند.  در این حالت اصطلاح Lock یا fix به کار برده می شود. ( احتمالا این اصطلاح را کوادکوپترها شنیده اید. )

البته یک نوع سیستم GPS دیگر هم وجود دارد که ما در اینجا از آن صحبت نکردیم. به همراه ماهواره ها و گیرنده های GPS ، یک سری ایستگاه های زمینی هم وجود دارد که میتواند با ماهواره ها و برخی گیرنده های GPS ارتباط برقرار کند. این سیستم بخش کنترل نامیده می شوند و با حضور آن دقت گیرنده های GPS بالاتر می رود. دو تا از سیستم های متداول کنترل که برای بهبود دقت گیرنده های GPS استفاده می شوند ، WAAS و DGPS هستند. نوع WAAS بین اکثر گیرنده های GPS متداول هست و دقت GPS را تا حدود 5 متر بهبود می بخشد. نوع DGPS فقط با گیرنده های خاصی کار می کند و دقتی در حد سانتی متر دارد. معمولا نوع DGPS گرانتر و بزرگتر هستند چون نیاز به آنتن های اضافی دارند. 

دقت GPS

دقت GPS به پارامترهای مختلفی بستگی دارد. از جمله این پارامترها میتوان به نسبت سیگنال به نویز (SNR) ، مکان ماهواره ها ، آب و هوا و موانعی مثل ساختمان ها و کوه ها نام برد. موارد گفته شده باعث میشوند تا مکانی که توسط گیرنده ها به ما اعلام میشود با مقداری خطا همراه شود. نویز معمولا میتواند از 1 تا 10 متر خطا ایجاد کند. همچنین موانعی مثل ساختمان ها و کوه ها هم میتوانند مسیر بین ماهواره ها و گیرنده ها را با اختلال روبرو کنند و باعث خطایی مثل خطای نویز شوند. گیرنده GPS حداقل باید با 4 ماهواره ارتباط برقرار کنند تا بتواند معادله مکان ما را حل کند. اگر چه گیرنده میتواند اطلاعات مکانی ما را با کمتر از 4 ماهواره هم بدست آورد. ولی مکان بدست اورده شده در این حالت دارای خطای بیشتری است. دقیق ترین اطلاعات مربوط به زمانی است که آسمان صاف است و هیچ مانعی هم بین ماهواره ها و گیرنده های GPS وجود ندارد و گیرنده حداقل با 4 ماهواره ارتباط برقرار کرده باشد. 

برای جلوگیری از خطاهای مربوط به GPS چند روش ابداع شده است. 

روشی به نام AGPS 

یکی از این روش های GPS کمکی یا AGPS است . این روش یک روش بی سیم به کمک ایستگاه های زمینی است و وقتی به کار می آید که ارتباط بین گیرنده و ماهواره ضعیف باشد یا اصلا ارتباط به درستی برقرار نشده باشد. در این حالت AGPS به ما کمک ما می آید. روند کار هم به این صورت است که یک سری سرورهای زمینی وجود داردن که واسطه بین گیرنده GPS و ماهواره ها می باشند و باعث میشوند ارتباط ما با ماهواره ها که در حالت عادی ضعیف بود ، به خوبی برقرار شده و داده ها دریافت شوند.   در شکل زیر این موضوع کمی واضح تر نشان داده شده است : 

AGPS همان چیزی است که در گوشی های همراه امروزی وجود دارد.  اما AGPS را میتوان در همه جا یافت. از تلفن های همراه گرفته تا دوربین ها و وسایل نقلیه. AGPS در شهرها میتواند بسیار سودمند باشد. چون در شهرها به علت استفاده از ساختمان ها ، موانع زیادی بین گیرنده GPS و ماهواره وجود دارد و به همین دلیل ارتباط برقرار کردن بین آنها گاهی اوقات دشوار است. 

GPS تفاضلی یا DGPS : 

روش دیگر برای حل خطاهای مربوط به GPS ، استفاده از GPS تفاضلی یا DGPS است. DGPS هم برای تخمین بهتر مکان از ایستگاه های زمینی استفاده می کند. به این شکل که گیرنده میتواند با ایستگاه های زمینی ارتباط برقرار کند و اطلاعات ماهواره ها را هم دریافت کند و سپس موقعیت مکانی را به صورت دقیق محاسبه کند. البته. این ایستگاه ها ممکن است با گیرنده های GPS تا 200 مایل دریایی ( حدود 370 کیلومتر ) فاصله داشته باشند. 

فرمت پیام ها در GPS

داده های و پیام های مربوط به GPS در فرمت ها و شکل های استاندارد و غیر استاندارد زیادی وجود دارند. معمولا همه گیرنده های GPS داده ها را در فرمت NEMA دریافت می کنند.  در فرمت استاندارد NEMA داده ها در خطوط مختلفی وجود دارند که به هر خط یک جمله (Sentence) گفته می شود.  هر جمله از بیت های مختلفی تشکیل شده است که این بیت ها با کاما از یکدیگر جدا شده اند. در زیر نمونه ای از فرمت استاندارد NEMA برای داده های GPS آورده شده است ( در این مثال GPS با 4 ماهواره ارتباط برقرار کرده است . )

[/post_shop]

در جملات بالا اطلاعاتی مانند طول جغرافیایی ، عرض جغرافیایی ، زمان دقیق ( بر حسب گرینویچ ) ، تعداد ماهواره های دیده شده در آن لحظه و … وجود دارد. 

داده ها به این علت با کاما جدا شده اند تا به وسیله کامپیوترها و میکروکنترلرها راحتتر خوانده شوند. این داده ها بر روی پورت سریال در یک بازه زمانی ارسال می شوند و در اینجا اصطلاحی به نام Update rate معرفی می شود که  به معنای تعداد دفعات فرستادن این اطلاعات به یک گیرنده GPS است. معمولا این نرخ 1Hz است که به این معناست که در هر ثانیه 1 بار این اطلاعات فرستاده می شوند.  البته گیرنده های پیشرفته ای هم وجود دارند که نرخ اطلاعاتی دریافتی آنها بیشتر است و از 5 تا 20 هرتز می باشد. 

خوب دوستان . برای این جلسه هم کافی است. مثل همیشه میتوانید ما را در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: