جغرافیا علمی برای زندگی

GPS به زبان ساده(بخش دوم)

 ژیلا مهبود

   مرحله دوم

اندازه گیری فاصله شما تا یک ماهواره

   ازآنجا که GPS بر اساس دانستن فاصله شما تا ماهواره ها در فضاست ما به روشی برای تعیین فاصله مان از آن ماهواره ها نیاز داریم.شگفت است که مسئله اصلی در پی اندازه گیری فاصله تا یک ماهواره همان معادله قدیمی "سرعت وزمان مسافرت"است که همه ما در دبیرستان آموخته ایم.آن مسئله را به خاطر بیاورید."اگر اتومبیلی با سرعت 60مایل در ساعت،دو ساعت حرکت کند،چه مسافتی را طی کرده است؟"حل، سرعت سیرش M/h 60 ،مدت حرکت 2 ساعت،مسافت برابر است با 120 مایل.

   سیستم GPS مدت زمانی را که طول می کشد تا یک سیگنال از ماهواره ای به ما برسد اندازه گرفته وسپس مسافت را از طریق این زمان محاسبه می کند.امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می کنند(186 هزار مایل در ثانیه). بنابراین اگر ما بتوانیم در یابیم که دقیقا ماهواره GPS در چه زمانی شروع به ارسال پیام رادیویی کرده واین پیام چه هنگام به ما رسیده،زمانی که صرف طی فاصله شده را خواهیم دانست.اگر ما فقط این زمان را به ثانیه تبدیل کرده و آنرا در 186 هزار مایل در ثانیه ضرب کنیم،فاصله ما تا ماهواره به دست می آید. (به خاطر داشته باشید تمامی آنچه که بدان نیاز داریم سه فاصله از سه ماهواره مختلف است و در این صورت موقعیت مان را تعیین کرده ایم).

حال بایستی ساعت های ما در تعیین زمان های خیلی کوتاه بسیار دقیق باشد،چرا که سرعت بسیار زیادی است.در واقع اگر یک ماهواره GPS درست در بالای سر ما قرار داشته باشد،06/0 ثانیه طول می کشد تا پیام ما به آن برسد.به عبارتی می توان گفت:GPS فرزند انقلاب الکترونیک است. نوع دقیق زمان سنجی که لازم است،تنها با وجود ساعت های بسیار دقیق الکترونیکی ونسبتأ ارزان قیمت،امکان پذیر است. همه ما با ساعت های کوارتز 20دلاری که زمان های باور نکردنی را می سنجند آشنا هستیم،GPS به یک نوع دقیق وپیشرفته از این نوع زمان سنجی تکیه دارد. در واقع اکثر گیرنده ها می توانند زمان را با دقت نانو ثانیه یعنی000000001/0 اندازه گیری کنند.چگونه در می یابیم که سیگنال چه زمانی ماهواره را ترک می کند(از ماهواره ارسال می شود). مسئله اصلی در اندازه گیری مدت زمان طی مسیر سیگنال رادیویی آگاهی دقیق از زمان ارسال سیگنال توسط ماهواره است.برای انجام این کار، طراحان سیستم GPS یک راه حل هوشمندانه پیدا کرده اند.ماهواره ها وگیرنده ها را هم زمان (سنکرونیزه) کرده،بنابراین ماهواره ها وگیرنده ها کد یکسانی را هم زمان تولید می کنند.سپس تنها کاری که باید انجام دهیم این است که کدها را از ماهواره دریافت کنیم وسپس به عقب برگردیم.ببینیم چه مدت قبل گیرنده ما همین کد را تولید کرده است.اختلاف زمان،مدت زمانی است که صرف رسیدن سیگنال به ما شده است.

   برای تصور کردن نحوه کار در این روش،فرض کنید شما ودوستتان در دو انتهای یک استادیوم فوتبال ایستاده اید وحال فرض کنید که راهی برای حصول اطمینان از این که هر دو نفر شما همزمان شروع به شمارش تا ده می کنید وجود دارد، همان طور که می شمارید اعداد را با صدای بلند می گویید.آنچه که شما در انتهای استادیوم می شنوید صدای خودتان است که می گویید:یک،...،دو،...،سه،...و اندکی دیرتر،شما صدای دوستتان را میشنوید که می گوید"یک" شما ممکن است به،سه رسیده باسید.به این خاطر است که مدتی طول می کشد تا صدای دوستتان از طول استادیوم گذر کرده وبه شما برسد.از آنجا که هر دو نفر شما در یک زمان شروع به فریاد زدن کرده اید می توانید مدت زمانی که از زمانی که از گفتن "یک" توسط شما و وقتی که صدای دوستتان را شنیدید که گفت"یک" گذشته است، را اندازه بگیرید. این زمان، زمانی است که صرف شده تا صوت طول استادیوم را طی می کند. این اساس کار سیستم GPS است.مزیت استفاده از یک سری کد،یا در مورد قیاس ما،استفاده از اعداد پشت سر هم این است که می توانید عمل اندازه گیری زمان را هر زمان که بخواهید انجام دهید.نیازی نیست که زمان بین گفتن "یک" تا شنیدن صدای دوستتان که می گوید"یک" را اندازه بگیرید،بلکه شما می توانید این اندازه گیری را بین هر جفت عدد انجام دهید. مثل زمانی که می گویید "هشت"و زمانی که صدای دوستتان را می شنوید که می گوید"یک" بنابراین در هر زمانی که می توانید این کار را انجام دهید.

مرحله سوم

به دست آوردن زمان دقیق

   ما می دانیم که سرعت نور 186 هزار مایل در ثانیه است. اگر ماهواره  وگیرنده ما به اندازه 01/0ثانیه همزمان باشند و اندازه فاصله ما 1860مایل باشد، چگونه در می یابیم که ماهواره وگیرنده ما هر دو واقعأ در یک زمان کدها را تولید می کنند؟ حداقل در مسئله ساعت هم زمان را به سادگی می توان شرح داد.ماهواره ها دارای ساعت های اتمی هستند.آنها تا حدی باور نکردنی دقیق وگرانقیمت هستند.هر کدام آنها حدود یک صدهزار دلار قیمت دارند وماهواره چهار ساعت دارد و این تنها به خاطر اطمینان از این است که همیشه یکی از آنها کار می کند.

ساعت های اتمی با انرژی اتمی کار نمی کنند.آنها این نام را به عنوان مثال "مترونومMetronom "استفاده می کنند.این ثابت ترین ودقیق ترین زمانی است که بشر به آن دست یافته است.پس شما می توانید سر این موضوع شرط ببندید که وقتی آنها ساعت 12 ظهر را نشان می دهند،ساعت دقیقا 12ظهر است.

مرحله چهارم

دانستن محل ماهواره ها در فضا

   تا حال در تمامی بحث هایمان پنداشته ایم که می دانیم تمامی ماهواره ها دقیقأ کجا هستند،پس می توانیم یه صورت مثلثاتی موقعیت مان را نسبت به آنها تعیین کنیم.اما چگونه چیزی که در ارتفاع 11هزار مایلی در فضاست،کجا قرار دارد؟ ماهواره ها با ارتفاع زیاد در یک جا جمع نمی شوند.این ارتفاع 11هزار مایلی در این مورد دقیقا سودمند است.چیزی که به اندازه کافی بالا باشد از اتمسفر زمین به دور است.یعنی پیش بینی های مدارهای ماهواره بسیار دقیق خواهد بود،مانند ماه که میلیون ها سال بدون تغییر فاحش در حرکتش به دور این سیاره قدیمی چرخیده است.ماهواره های GPS ما نیز به صورتی قابل پیش بینی در مدار قرار می گیرند. نیروی هوایی هر ماهواره را بر اساس طرح مادر (اصلی)GPS در مدار سیار دقیق قرار داده است.مدارها از پیش شناخته شده هستند.در واقع بعضی از گیرنده هایGPS بر روی زمین،"یک تقویم نجومی" برنامه ریزی شده درون حافظه کامپیوترشان دارند که به آنها می گوید در زمان داده شده در کجای آسمان قرار دارند. تمامی ماهواره ها دائمأ کنترل می شوند.حال این مدل ریاضی مدارها به خودی خود بسیار دقیق است،اما برای کاملأ دقیق بودن، ماهواره هایGPS  دائمأ توسط وزارت دفاع کنترل می شوند.این یکی از دلایلی است که ماهواره های GPS  بر خلاف ماهواره های تلویزیونی در مدار همزمان با زمین قرار داده)                     (geo-synchronous)نشده اند. از آنجا که این ماهواره ها هر 12ساعت یکبار زمین را دور می زنند،ماهواره هایGPS روزی دوبار از روی ایستگاه های کنترل وزارت دفاع عبور می کنند.این مسئله این امکان را به وزارت دفاع می دهد که ارتفاع،موقعیت وسرعت آنها را به دقت اندازه گیری کند.اختلافاتی که آنها به دنبال آن هستند،خطاهای "روزانه تقویم نجومی" نامیده می شود.این خطاها معمولأبسیار ناچیز هستند وعلت بروز آنها چیزهای مثل جاذبه ماه وخورشید و اثر تشعشعات خورشیدی بر ماهواره است.یکبار که وزارت دفاع موقعیت ماهواره ای را اندازه گرفت، این اطلاعات را به ماهواره پس می فرستد.سپس ماهواره این اصلاحات جزئی را همراه با اطلاعات زمانی اش ارسال می کند. این حقیقتی مهم است که باید به خاطر سپرد:ماهواره های GPS  نه تنها کد به ظاهر تصادفی  (Pseudo random)را برای مقاصد زمان گیری ارسال می کنند،بلکه یک"پیام اطلاعاتی" در مورد موقعیت مداری دقیق وسلامتی سیستمشان را نیز ارسال می کنند.تمامی گیرنده های GPS از این اطلاعات همگام با اطلاعات تقویم نجومی درونیشان برای تعیین دقیق موقعیت ماهواره بهره می گیرند.

مرحله پنجم

تأثیرات یونسفری واتمسفری

   دیدیم که استعداد و هنرمندی بسیار زیادی در جهت مطمئن شدن از این که هر بخش سیستم GPS  تا حد ممکن دقیق کار میکند،به کار رفته است.ما از ساعت های اتمی در ماهواره استفاده کردیم و از یک اندازه گیری اضافی برای ازبین بردن خطایی که ممکن است ساعت گیرنده هایمان داشته باشند،استفاده می کنیم.حتی ماهواره ها دقیقه به دقیقه اصلاحات موقعیت مداری شان را ارسال می کنند. اما همین اندازه که سیستم کامل و دقیق به نظر می آید،چندین عامل خطا وجود دارد که حذف آنها بسیار مشکل است.بارزترین این خطاها،از یونسفر زمین نشأت می گیرد:یک چتر از ذرات بار الکتریکی در ارتفاع 80تا120 مایلی سطح زمین.این ذرات بر روی سرعت سیر نور ودر نتیجه سرعت سیر سیگنال های رادیویی GPS  تأثیر می گذارند.سرعت نور،این مصون ترین و دست نخوردنی ترین ثابت در تمام عالم. سرعت سیر نور فقط در خلأ ثابت است،که می توان آنرا در اعماق فضا یافت. اما هنگامی که نور(یا سیگنال رادیویی)از درون یک محیط متراکم تر،مانند نواری از ذرات باردار با عرض چندین مایل می گذرد ، سرعتش اندکی کمتر می شود. این کاهش سرعت محاسبات فاصله ما را مختل خواهد کرد،چرا که آن محاسبات بر این فرض استوار بود که سرعت نور ثابت است.

   آن اتومبیل را در مسئله دبیرستان به خاطر می آورید؟"اگر اتومبیلی با سرعت 60مایل در ساعت به مدت 2ساعت حرکت کند،چه مسافتی را طی می کند؟"حال تصور کنید راننده اتومبیل بدون این که به ما بگوید،جایی در میان راه پیاده شده باشد،یافتن پاسخ صحیح چقدر مشکل خواهد بود.این شبیه چیزی است که بر سر نور می آید.نور نسبت به محیطی که در آن سیر می کند،سرعتش کم ویا زیاد می شود.چندین راه برای به حداقل رساندن خطای ناشی از این اختلاف وجود دارد.یکی این که می توانیم پیش بینی کنیم که انحراف سرعت در یک روز معمولی،تحت شرایط یونسفری متوسط،چقدر است و این مقدار تصحیح را به تمامی اندازه گیری هایمان بیافزاییم.این راه کمکی خواهد بود،اما متاسفانه هر روز یک روز متوسط(معمولی)نیست.یک راه دیگر برای اندازه گیری انحراف در سرعت سیگنال ما،نگرش به سرعت نسبی دو سیگنال مختلف است. این مسئله در حیطه "فیزیک پیچیده"است،اما اساس آن این چنین است.هنگامی که نور از میان یونسفر عبور می کند سرعتش به نسبت عکس با مجذور فرکانس آن کاهش می یابد.هر چه فرکانس سیگنال کمتر باشد،سرعتش بیشترکاهش می یابد.

   پس اگر زمان رسیدن دو قسمت مختلف سیگنال GPS (دو بخش که دارای فرکانس های متفاوتی باشند)را مقایسه کنیم،می توانیم نتیجه گیری کنیم که از میان چه نوع کاهش دهنده سرعتی(نوع یونسفر)گذشته اند.این نوع اصلاح خطا بسیار پیچیده است وتنها در گیرنده های GPS  بسیار پیشرفته"دوفرکانسی"به کار می رود.این روش به "راه حل بدون یونسفر"مرسوم است وبا آن بسیاری از خطاهای این گونه ای را می توان حذف کرد. پس از این که سیگنال های GPS از طبقه یونسفر که بسیار در بالاست گذشتند، وارد اتمسفر زمین (جو)می شوند،یعنی جایی که همه هوای ما در آن است.متأسفانه بخارآب موجود در اتمسفر نیز می تواند بر سیگنال ها تأثیر بگذارد.این خطاها از نظر اندازه به اندازه خطاهای نشأت گرفته از یونسفر هستند،اما متأسفانه این خطاها غیر قابل اصلاح هستند.خوشبختانه مقدار آن بر محاسبه موقعیت ما به مقدار قابل توجهی کمتر از یک خیابان با عرض متوسط است.

انواع دیگر خطاها

   تأخیرات انتقالی اتمسفری ویونسفری تنها یک نوع از خطاهایی است که می توانند به درون اندازه گیری ما راه یابند.از آنجا که الان بر سر موضوع عدم دقت هستیم بیائید تمامی چیزهائی را که می توانند بر دقت نهایی GPS تأثیر گذارند را برشماریم.با این که ساعت های اتمی درون ماهواره ها بسیار دقیق اند.اما هنوز انحرافات کوچکی وجود دارد، وزارت دفاع این ساعت ها را کنترل کرده و هنگام بروز انحراف می توانند آنها را تنظیم کنند،اما هنوز عدم دقت ناچیز می توانند بر اندازه گیری ما تاثیر گذارد.گیرنده های ما بر روی زمین نیز گاهی مانند ساعت های اتمی موجب ایجاد اشتباه می شوند.ممکن است گیرنده یک عملیات ریاضی را گرد کند و یا ممکن است تداخل الکتریکی موجب ایجاد ارتباط اشتباهی در کدهای به ظاهر تصادفی شود.این خطاها معمولا یا بسیار کوچک اند ویا بسیار بزرگ، یافتن خطاهای بسیار بزرگ بسیار ساده است چرا که آنها بسیار آشکارند.اما اغلب کشف خطاهای کوچک محاسباتی مشکل است.این "خطاهای گیرنده ای"می توانند موجب بروز چند فوت خطا در هر اندازه گیری شوند.نوع دیگر خطاها که در بروز آن ماهواره ها ، گیرنده ها نقشی ندارند."خطاهای چند گذرگاهیMultipathاست. این خطا زمانی رخ می دهد که سیگنال های ارسال شده از ماهواره قبل از رسیدن به گیرنده مسیر دیگری را طی می کنند.نتیجه این است که سیگنال آن گونه که باید مستقیمأ به گیرنده نمی رود،بلکه مسیری طولانی تر را طی می کند.این همان اثری است که موجب"سایه"در تلویزیون می شود.گیرنده های جدید برای کاهش این مسأله تا حد ممکن، از تکنیک های پیشرفته پرورش سیگنال و آنتن های مخصوص استفاده می کنند. اما در شرائط سخت وبد هنوز این مسئله می تواند موجب بروز کم دقتی در اندازه گیری های GPS شود.

خطا یعنی عدم دقت

   تمامی منابع ایجاد خطایی که تاکنون به بحث در مورد آنها پرداخته ایم در کل موجب ایجاد خطای کمی در اندازه گیریGPS می شوند.یا نوع دیگرنگاه به این است که انتهای خط کش تان صاف نیست بلکه ناصاف است.خوشبختانه تمامی این کم دقتی ها بر روی هم خطای بزرگی نیستند.در عمل GPS با خطای حدود 100فوت محل شما را تعیین می کند وحتی اگر گیرنده بسیار خوبی در اختیار داشته باشید نتیجه بهتر خواهد بود.

منبع:GPS به زبان ساده

مترجم:مهندس غلامرضا امینی

مدیریت ژئودزی ، ماهواره ای سازمان جغرافیایی