آخرین باری که از تلفن خود استفاده کردید تا نقشه های گوگل مکان دقیق شما را^{(Google Maps pinpoint your exact location)} روی نقشه مشخص کند، آیا تا به حال توقف کرده اید و فکر کرده اید که GPS چگونه با این دقت کار می کند؟

سیستم موقعیت یاب^(GPS) جهانی ( Global Positioning System ) در واقع توسط وزارت ^{(U.S. Department)}دفاع^(Defense) ایالات متحده در سال 1973 (معروف به NAVSTAR ) راه اندازی شد. تا سال 1993، 24 ماهواره GPS وجود داشت که به دور زمین می چرخیدند و داده های مداری و موقعیتی را پخش می کردند که ارتش می توانست از آنها برای ناوبری و سایر اهداف نظامی استفاده کند. ^(GPS)امروز، تا زمان نوشتن این مقاله، 28 مورد وجود دارد.

در دهه 1980، داده‌های ارسال شده از ماهواره‌های جی‌پی‌اس^(GPS) در معرض دید عموم قرار گرفت، که بازار کاملی را برای طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های ناوبری GPS که امروز داریم باز کرد. 

از زمان نگارش این مقاله، روسیه^(Russia) ، چین^(China) ، اروپا^(Europe) و هند^(India) همه سیستم‌های GPS فعال خود را دارند . ژاپن^(Japan) در حال توسعه سیستم GPS خود است که قرار است در سال 2023 عملیاتی شود.

GPS چگونه کار می کند؟^{(How Does GPS Work?)}

در حالی که فناوری ماهواره ای مبتنی بر GPS بسیار پیشرفته است، نحوه عملکرد سیستم به طرز چشمگیری ساده است.^(GPS)

سه جزء برای هر سیستم ناوبری GPS فردی وجود دارد.^(GPS)

• ماهواره^(Satellites) ها : ماهواره های GPS به دور زمین^(Earth) می چرخند و زمان فعلی و موقعیت مداری خود را به همه گیرنده های GPS در سمت خود از سیاره مخابره می کنند.
• مرکز فرماندهی^{(Command Center)} : مرکز فرمان داده های مداری، تصحیحات زمان و موقعیت مداری سایر ماهواره ها را تا ماهواره های در مدار ارسال می کند.
• گیرنده‌های GPS^{(GPS Receivers)} : یک گیرنده GPS روی زمین^(Earth) زمان‌های مداری را از هر تعداد ماهواره در محدوده دریافت می‌کند و موقعیت خود را بر روی زمین^(Earth) بر اساس موقعیت حداقل چهار ماهواره GPS محاسبه می‌کند.^(GPS)

گیرنده های GPS^(GPS) از یک اصل ریاضی به نام مثلث برای محاسبه مکان خود استفاده می کنند. 

چگونه مثلث سازی GPS کار می کند^{(How Does GPS Triangulation Work)}

از هر نقطه ای از کره زمین، اگر گیرنده GPS را در دست دارید (مانند گیرنده تلفن خود)، یک گیرنده GPS مهرهای زمانی را از ساعت های همگام شده در هر یک از ماهواره های GPS بالای سر دریافت می کند.^(GPS)

با استفاده از تفاوت در مهرهای زمانی و سرعت ثابت نوری که امواج رادیویی در آن حرکت می کنند، گیرنده GPS می تواند فاصله بین مکانی که شما ایستاده اید تا هر ماهواره را تعیین کند.

این به گیرنده GPS شعاع کره‌هایی را که ماهواره‌ها در مرکز قرار دارند و موقعیت شما در لبه کره را نشان می‌دهد.

از آنجایی که هر ماهواره در مداری قابل پیش بینی بر روی زمین حرکت می کند، گیرنده می تواند از یک سالنامه ذخیره شده از موقعیت شناخته شده فعلی همه ماهواره های GPS استفاده کند تا مشخص کند که تقریباً کجا آن ماهواره ها در حال حاضر بر روی زمین قرار دارند.

با موقعیت مشخص هر ماهواره و فاصله اندازه گیری شده بین آن ماهواره ها و موقعیت شما، دریافت GPS شما می تواند با تعیین محل تقاطع آن سه کره در سطح زمین^(Earth) ، موقعیت تقریبی شما را محاسبه کند .

سپس گیرنده آن مکان را روی نقشه به شما نمایش می دهد.

سه ماهواره موقعیت نادرستی را ارائه می دهند و گیرنده های GPS به سیگنال چهارم از یک ماهواره GPS دیگر نیاز دارند تا با استفاده از اصل ریاضی دیگری به نام سه لایه شدن ارتفاع فعلی شما را در سطح زمین تعیین کنند.

حسگر GPS گوشی شما چگونه کار می کند^{(How Your Phone GPS Sensor Works)}

اکثر گوشی های هوشمند مدرن امروزی مجهز به تراشه گیرنده GPS هستند. ^(GPS)این تراشه می تواند سیگنال های رادیویی را از ماهواره های GPS دریافت کند.^(GPS)

ساعت تلفن شما یک ساعت اتمی نیست، بنابراین زمان آن با ساعت‌های اتمی ماهواره‌ها در مدار همگام‌سازی نمی‌شود. با این حال، در مورد محاسبه مکان با استفاده از سیگنال های آن ماهواره ها، این مهم نیست.

دلیل این امر این است که گیرنده GPS^(GPS) گوشی شما بر روی داده هایی که از ماهواره ها دریافت می کند و پایگاه داده ای از مکان های ماهواره ای شناخته شده بر روی زمین^(Earth) تمرکز می کند . از آنجایی که همه ماهواره‌ها دارای ساعت اتمی هستند، زمان فعلی هر ماهواره دقیقاً در هر لحظه یکسان است.

با این حال، به دلیل فاصله از ماهواره و این واقعیت که سیگنال های رادیویی با سرعت نور حرکت می کنند، تفاوت بین هر مهر زمانی دریافتی، فاصله بین تلفن شما و هر یک از ماهواره ها را نشان می دهد.

در اینجا نحوه عملکرد این فرآیند GPS آمده است:

• هر چهار ماهواره در ساعت 5:12:14 بعد از ظهر همان مهر زمانی را به تلفن شما ارسال می کنند.
• تلفن شما این مهر زمانی را در ساعت 5:12:15 از ماهواره 1 دریافت می کند.
• مهر زمانی را در ساعت 5:12:16 از ماهواره 2 دریافت می کند.
• در نهایت در ساعت 5:12:17 مهر زمانی را از ماهواره 3 دریافت می کند.

این به گیرنده GPS شما می گوید که 1 ثانیه طول کشید تا سیگنال رادیویی از ماهواره به آن برسد، 2 ثانیه از ماهواره 2 و 3 ثانیه از ماهواره 3.

سرعت نور ثابت شناخته شده 299792458 متر بر ثانیه است.

با استفاده از ریاضی ساده، گیرنده می تواند محاسبه کند که فاصله آن از ماهواره 1 تقریباً 300 هزار متر، از ماهواره 2 600 هزار متر و از ماهواره 3 900 هزار متر است.

با استفاده از یک جدول جستجو از پایگاه داده ماهواره GPS ، گیرنده ^(GPS)GPS تلفن شما موقعیت فعلی تقریبی هر سه ماهواره را بر روی زمین می داند که مختصات طول و عرض جغرافیایی هر سه را ارائه می دهد. 

با این اطلاعات، تلفن شما می تواند مختصات طول و عرض جغرافیایی خود را^{(your own longitude and latitude coordinates)} بر روی زمین محاسبه کند.

گیرنده GPS^(GPS) شما با استفاده از مختصات شناخته شده شما می تواند از فاصله اندازه گیری شده بین خود و ماهواره چهارم استفاده کند تا تعیین کند در چه ارتفاعی از زمین^(Earth) قرار دارید.

سیستم موقعیت یاب جهانی کمکی چیست؟^{(What Is An Assisted Global Positioning System?)}

قبل از اینکه تلفن‌های هوشمند شروع به یکپارچه‌سازی مدارهای GPS کنند، مردم معمولاً از گیرنده‌های ^(GPS)GPS دستی استفاده می‌کردند که باتری‌های AA خالی می‌شدند. یا آنها واحدهای GPS را در اتومبیل ها نصب می کردند که به باتری تلفن متصل می شد.

این به این دلیل بود که ارتباطات رادیویی به قدرت بیشتری نیاز دارد. محدودیت این کار این است که اغلب مجبور بودید چندین دقیقه منتظر بمانید تا گیرنده GPS شما به اندازه کافی روی ماهواره های GPS قفل شود تا موقعیت شما را محاسبه کند.^(GPS)

سازندگان گوشی های هوشمند با ترکیب فناوری موجود در مثلث سازی سلولی، این محدودیت باتری را برطرف کردند. مدت‌ها^(Long) قبل از اینکه تلفن‌ها از GPS فعال شوند، می‌توانستند از سیگنال‌هایی که از دکل‌های تلفن همراه می‌آمد برای مثلث‌سازی موقعیت شما استفاده کنند، با استفاده از همان نوع مهر زمانی مثلث‌سازی و فناوری فاصله مانند ماهواره‌های GPS . 

متأسفانه، به دلیل اینکه دکل های تلفن همراه در سطح زمین قرار دارند، این محاسبه ناوبری به مراتب دقت کمتری دارد. بنابراین نرم افزار GPS گوشی هوشمند شما ابتدا از مثلث سازی سیگنال سلولی برای تعیین موقعیت تقریبی شما استفاده می کند و پس از آماده شدن داده های GPS ماهواره ای آن موقعیت را به روز می کند.^(GPS)

این به تلفن‌های هوشمند مدرن اجازه می‌دهد تا تنها با استفاده از داده‌های GPS^(GPS) در زمانی که به‌روزرسانی‌های مکان مورد نیاز است ، انرژی باتری را ذخیره کنند . به همین دلیل است که ممکن است اغلب موقعیت مکانی خود را^{(see your location)} در Google Maps مشاهده کنید که گهگاه وقتی داده‌های دقیق‌تری در دسترس است، به مکان جدیدی می‌پرید.

HDG Explains : How Does GPS Work?

The last time you used your phonе to haνe Google Maps pinpoint your exact location on a map, did you ever stop and wonder how does GPS work so accurately?

The Global Positioning System (GPS) system was actually launched by the U.S. Department of Defense in 1973 (known as NAVSTAR). By 1993, there were 24 GPS satellites orbiting the Earth and broadcasting orbital and positional data that the military could use for navigational and other military purposes. Today, as of this writing, there are 28.

In the 1980s, data transmitted from GPS satellites were opened up to the public, which opened up an entire market for the wide assortment of GPS navigation devices we have today. 

As of the writing of this article, Russia, China, Europe, and India all have their own active GPS systems. Japan is developing its own GPS system slated to be operational in 2023.

How Does GPS Work?

While the satellite technology GPS is based on is very advanced, the way the system operates is impressively simple.

There are three components to any individual GPS navigational system.

• Satellites: GPS satellites orbit the Earth and transmit their current time and orbital position to all GPS receivers on their side of the planet.
• Command Center: The command center transmits orbital data, time corrections, and the orbital position of other satellites up to the satellites in orbit.
• GPS Receivers: A GPS receiver on Earth receives orbital times from as many satellites within range, and calculates its own position on Earth based on the positions of at least four GPS satellites.

GPS receivers utilize a mathematical principle known as triangulation to calculate its own location. 

How Does GPS Triangulation Work

From any point on the planet, if you’re holding a GPS receiver (like the one in your phone), a GPS receiver receives time stamps from the synchronized clocks on each of the GPS satellites overhead.

Using the differences in timestamps, and the constant speed of light at which radio waves travel, the GPS receiver can determine the distance between where you’re standing to each satellite.

This provides the GPS receiver with the radius of the spheres with the satellites at the center, and your location at the edge of the sphere.

Since each satellite travels in a predictable orbit over the earth, the receiver can use a stored almanac of the current known position of all GPS satellites to determine where, approximately, those satellites are currently located over the earth.

With the known position of each satellite, and the measured distance between those satellites and your position, your GPS receive is able to calculate your approximate location by determining where the intersection of those three spheres come together on the surface of the Earth.

The receiver then displays that location to you on a map.

Three satellites provide a rough location, and GPS receivers require a fourth signal from another GPS satellite to determine your current altitude on the Earth’s surface using another mathematical principle known as trilateration.

How Your Phone GPS Sensor Works

Most modern smartphones today come equipped with a GPS receiver chip. This chip can receive the radio signals from GPS satellites.

Your phone’s clock is not an atomic clock, so its time isn’t synced with the atomic clocks of the satellites in orbit. However, this doesn’t matter when it comes to calculating location using signals from those satellites.

This is because your phone’s GPS receiver is focusing on the data it receives from the satellites, and a database of known satellite locations over the Earth. Since all of the satellites do have an atomic clock, the current time on each satellite is exactly the same at any given moment.

However, due to distance from the satellite, and the fact that the radio signals travel at the speed of light, the differences between each received timestamp reveals the distance between your phone and each of the satellites.

Here’s how this GPS process works:

• All four satellites transmit the same exact timestamp to your phone at 5:12:14 PM.
• Your phone receives that timestamp at 5:12:15 from satellite 1.
• It receives the timestamp at 5:12:16 from satellite 2.
• Finally, at 5:12:17, it receives the timestamp from satellite 3.

This tells your GPS receiver that it took 1 second for the radio signal to reach it from satellite 1, 2 seconds from satellite 2, and 3 seconds from satellite 3.

The speed of light is a known constant of 299,792,458 meters per second.

Using simple math, the receiver can calculate that its distance is roughly 300 thousand meters from satellite 1, 600 thousand meters from satellite 2, and 900 thousand meters from satellite 3.

Using a lookup table from a GPS satellite database, your phone’s GPS receiver knows the approximate current location over the earth of all three satellites, which provides longitude and latitude coordinates of all three. 

With that information, your phone is able to calculate your own longitude and latitude coordinates on the Earth.

Using your known coordinates, your GPS receiver can then use the distance measured between itself and a fourth satellite to determine what altitude above the Earth you’re located.

What Is An Assisted Global Positioning System?

Before smartphones started integrating GPS circuitry, people typically would use handheld GPS receivers that ran off AA batteries. Or they would install GPS units in cars, which ran connected to the phone’s battery.

This was because radio communication requires more power. The limitation of this is that you often had to wait several minutes for your GPS receiver to “lock onto” enough GPS satellites to calculate your position.

Smartphone manufacturers got around this battery limitation by combining its existing technology of cellular triangulation. Long before phones were GPS enabled, they could use signals coming from cellphone towers to triangulate your position, using the same sort of triangulation timestamp and distance technology as with GPS satellites. 

Unfortunately, because cell phone towers are at ground level, this navigational calculation is far less accurate. So your smartphone GPS software will first use cell signal triangulation to determine your approximate position, and then update that position once satellite GPS data is ready.

This allows modern smartphones to reserve battery power by only using GPS data when those location updates are required. This is why you may often see your location on Google Maps occasionally jump to a new location when more accurate data is available.

Related posts

• HDG توضیح می دهد: چاپ سه بعدی چگونه کار می کند؟

• HDG توضیح می دهد: CAPTCHA چیست و چگونه کار می کند؟

• HDG توضیح می دهد: واقعیت افزوده چگونه کار می کند؟

• HDG توضیح می دهد: SFTP و FTP چیست؟

• HDG توضیح می دهد: سرور کامپیوتر چیست؟

• 4 موقعیتی که به اشتراک گذاری مکان زنده می تواند یک زندگی را نجات دهد

• HDG توضیح می دهد: پهنای باند چیست؟

• HDG توضیح می دهد: SQL، T-SQL، MSSQL، PL/SQL، و MySQL چیست؟

• HDG توضیح می دهد: Thunderbolt چیست؟

• یک نسخه پشتیبان از تصویر سیستم ویندوز 10 ایجاد کنید

• کلید امنیتی شبکه بی سیم خود را در ویندوز بازیابی کنید

• نحوه حذف ویروس Shortcut در USB با استفاده از CMD

• HDG توضیح می دهد: Markdown چیست و چه اصولی باید بدانم؟

• HDG توضیح می دهد: API چیست؟

• 99 مورد از بهترین برنامه های رایگان ویندوز که ممکن است ندانید

• چرا اکثر گوشی های جدید جک هدفون را کنار می گذارند؟

• پایان زندگی برای نرم افزار به چه معناست و آیا باید به آن اهمیت دهید؟

• مقایسه پردازنده CPU – Intel Core i9 در مقابل i7 در مقابل i5 در مقابل i3

• HDG توضیح می دهد: GPU چیست؟

• HDG توضیح می دهد: پورت کامپیوتر چیست و برای چه مواردی استفاده می شود؟