مکان‌یابی ماهواره‌ای GNSS چگونه کار می‌کند؟
امروزه، سیستم‌های موقعیت‌یابی ماهواره‌ای (GNSS) مانند GPS، GLONASS، Galileo و Beidou، در گوشی‌های هوشمند، خودروها، پهپادها و هزاران کاربرد دیگر استفاده می‌شوند. اما سوال این است: گیرنده GNSS چگونه می‌فهمد دقیقاً کجا هستیم؟
1- سیگنال ماهواره چه اطلاعاتی دارد؟
هر ماهواره GNSS دائماً سیگنال‌هایی می‌فرستد که شامل دو چیز مهم است:
- زمان دقیق ارسال سیگنال
- موقعیت دقیق ماهواره در لحظه ارسال
گیرنده‌ای که روی زمین قرار دارد (مثلاً گوشی شما) این سیگنال را دریافت می‌کند. حالا اگر زمان دریافت و زمان ارسال سیگنال را داشته باشیم، می‌توانیم بفهمیم سیگنال چه مدت در راه بوده و با دانستن سرعت حرکت سیگنال، فاصله تا آن ماهواره را محاسبه کنیم.
2- محاسبه فاصله با فرمول ساده
3- مکان‌یابی با استفاده از چند ماهواره
اگر فقط فاصله تا یک ماهواره را بدانیم، می‌دانیم که جایی روی سطح یک کره به شعاع آن فاصله قرار داریم. با دو ماهواره، مکان ممکن محدودتر میشود.
و همچنین با داشتن سه ماهواره مکان یابی ما محدودتر ، و فقط محدود به 2 نقطه میشود که یکی در فضا و دیگری بر روی زمین قرار دارد.
وقتی از چهار ماهواره استفاده کنیم، مکان دقیق‌مان در فضا قابل محاسبه خواهد بود.
Ri : نشان دهنده فاصله تا ماهواره i است.
4- معادلات مکان‌یابی چگونه نوشته می‌شوند؟
با استفاده از اطلاعات چهار ماهواره، چهار معادله مانند زیر نوشته میشود:
که در آن:
- سمت چپ نشان می‌دهد سیگنال چه مسافتی را پیموده.
- سمت راست نشان می‌دهد فاصله واقعی بین گیرنده و ماهواره چقدر است
این دستگاه معادلات با روش‌های عددی در رایانه گیرنده حل میشود تا موقعیت گیرنده به دست آید.
نقش خطای ساعت در مکان‌یابی
اگر گیرنده حتی یک میلی‌ثانیه خطای ساعت داشته باشد، با توجه به سرعت نور، خطای فاصله حدود ۳۰۰ کیلومتر میشود.
به همین دلیل، هنگام حل دستگاه معادلات، گیرنده هم‌زمان با محاسبه مکان، مقدار δt را نیز اصلاح می‌کند.
6- عواملی که باعث خطا در مکان‌یابی می‌شوند
حتی اگر همه‌چیز خوب کار کند، هنوز خطاهایی ممکن است رخ دهند:
- اختلاف ساعت گیرنده: باعث اشتباه در محاسبه فاصله میشود
- جو زمین (یونوسفر و تروپوسفر): باعث کند شدن سیگنال و افزایش فاصله ظاهری میشود
- بازتاب سیگنال‌ها (multipath): سیگنال ممکن است به ساختمان‌ها برخورد کند و مسیرش تغییر کند
- خطای داده‌های ماهواره: اگر گیرنده اطلاعات نادرست از موقعیت ماهواره بگیرد
- Selective Availability (SA) : یعنی دستکاری عمدی سیگنال GPS برای کاهش دقت مکان‌یابی کاربران غیرنظامی.
- این ویژگی در دهه‌های قبل فعال بود تا کاربران غیرنظامی نتوانند مکان دقیق (مثلاً کمتر از 100 متر خطا) داشته باشند. ارتش آمریکا برای کاربردهای نظامی، سیگنال دقیق داشت؛ اما سیگنال عمومی عمداً با نویز زمانی دستکاری می‌شد.و در می 2000 میلادی آمریکا به طور رسمی SA را غیرفعال کرد، چون فناوری‌های دیگر (مثل DGPS) می‌توانستند آن را جبران کنند.
7- چگونه دقت را افزایش می‌دهند؟
برای رسیدن به دقت بالا (مثلاً زیر یک متر یا حتی سانتی‌متری)، از تکنیک‌هایی مثل این استفاده میشود:
- سامانه‌های اصلاحی (DGNSS): ایستگاه‌های زمینی محلی خطاها را اندازه می‌گیرند و به گیرنده‌ها می‌فرستند
- RTK (مکان‌یابی دقیق آنی): با استفاده از فاز موج رادیویی به‌جای فقط زمان، دقت بسیار بالا حاصل میشود
- PPP: با دریافت تصحیحات جهانی، بدون نیاز به ایستگاه زمینی، دقت خوبی به‌دست می‌آید
جمع‌بندی
سیستم GNSS با دریافت سیگنال از چند ماهواره، فاصله‌ها را محاسبه کرده و با حل معادلات هندسی، مکان دقیق کاربر را مشخص می‌کند. زمان نقش بسیار مهمی دارد و گیرنده هم‌زمان با یافتن مکان، ساعتش را نیز اصلاح می‌کند.
اگرچه محاسبات پشت این سیستم پیچیده به نظر می‌رسند، با درک مفاهیم پایه‌ای ریاضی مثل «فاصله = سرعت × زمان» و حل چند معادله ساده، می‌توان مکان‌یابی ماهواره‌ای را بهتر فهمید.