استفاده از جی‌‌پی‌اس این روزها به امری عادی بدل شده است. امروزه اغلب افراد در زمان مسیریابی دیگر به سراغ استفاده از نقشه‌‌های سنتی نمی‌روند و از گجت‌های هوشمند خود نظیر گوشی‌های هوشمند، تبلت یا خوردوهایی که به سیستم‌های نقشه خوانی مجهز هستند، استفاده می‌کنند. این روزها سرویس‌های مسیریابی متعددی وجود دارند که شاید شناخته‌شده‌ترین آن‌ها گوگل مپس باشد. اغلب سرویس‌های موجود از سیستم جی‌پی‌اس استفاده می‌کنند.

سیستم GPS چگونه کار می‌کند؟

از سال ۱۹۹۴ میلادی بیش از ۱۲ ماهواره برای ارائه سرویس جی‌پی‌اس راهی مدار زمین شده‌اند. این ماهواره‌ها در ارتفاع ۲۱٫۰۰۰ کیلومتری زمین به سر می‌برند که در شش گروه یا سطح مختلف قرار گرفته‌اند. ماهواره‌های مورد نظر به نوعی تنظیم شده‌اند که هیچ‌گاه با حرکت در مدارهای مختلف روی همدیگر همپوشانی ندارند. هر یک از این ماهواره‌ها با حرکت از سوی غرب به شرق و داشتن سرعت ۱۲٫۸۷۴ کیلومتر در ساعت، دو بار در روز کره‌ی زمین را دور می‌زنند. هر یک از ماهواره‌ها بصورت مداوم اطلاعات زیر را به ایستگاه‌های زمینی گزارش می‌دهند:

کد Pseudorandom که شماره‌ی اختصاصی برای هر یک از ماهواره‌ها را نمایش می‌دهد.
اطلاعات تقویمی که مربوط به ارسال اطلاعات شامل تاریخ، زمان و سلامت ماهواره است. عدم سلامت فیزیکی ماهواره بدین معنی است که موقعیت ماهواره تغییر کرده یا مشکل دیگری برای کاربران ایجاد شده است.
تقویم نجومی، با استفاده از این فاکتور ماهواره اطلاعات تقویم نجومی را نیز برای ایستگاه‌های زمینی ارسال می‌کند.

زمانی که شما از سیستم جی‌پی‌اس روی گوشی هوشمند، تبلت یا خودرو یا هر وسیله‌ی دیگری استفاده می‌کند، دو فاکتور TOA (زمان رسیدن پیام به دست گیرنده) و TOF (زمان اختصاص یافته بین خروج پیام و رسیدن به دست گیرنده) به سیستم جی‌پی‌اس که در اختیار شما است، ارسال می‌شود. با در دست بودن المان مشخص سرعت نور و مکان ارسال و دریافت سیگنال، دریافت کننده‌ی GPS موقعیت مکانی شما را روی زمین مشخص می‌کند.

زمانی که برای مثال با استفاده از خودروی شخصی خود در بزرگراه در حال حرکت هستید، سیستم جی پی اس مورد استفاده، سرعت حرکت را محاسبه کرده و به شما نمایش می‌دهد که غالبا از سرعتی که خودروی شما نمایش می‌دهد، کمتر است، این به معنای اشتباه سیستم جی پی اس نیست و باید به این سیستم اعتماد کرد، چراکه کیلومتر شمار خودروها معمولا سرعت حرکت را کمی بیشتر از مقدار واقعی آن نمایش می‌دهند. با توجه به اینکه سیگنال ارسال شده توسط ماهواره علت عبور از لایه‌های مختلف جو نظیر یونوسف، لایه بالایی جو در فاصله‌ی ۶۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری سطح زمین دچار تاخیر می‌شود، از این‌رو ماهواره‌های جی‌پی‌اس سیگنال‌های خود را با اعمال فاکتوری برای اصلاح موارد ارسال شده، مخابره می‌کنند.

جی‌پی‌اس برای اطلاع از موقعیت مکانی شما نیازمند ارتباط با سه ماهواره‌ در مدار زمین است که البته ماهواره‌ی چهارم نیز برای تعیین ارتفاع کاربر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورتی که بیش از چهار ماهواره‌ی شناسایی شده و سیستم دریافت کننده‌ قادر به برقراری ارتباط باشد، کیفیت تشخیص موقعیت مکانی کاربر بسیار بالاتر خواهد بود و دقت این سیستم افزایش پیدا می‌کند. در صورتی که عوامل مخل وارد چرخه‌ی موقعیت یابی شوند، ماهواره‌ها از فاکتورهای اصلاح برای بالا بردن دقت سیستم جی پی اس استفاده می‌کنند.

اولین ماهواره‌ی مربوط به سیستم جی‌پی‌اس در سال ۱۹۷۸ میلادی راهی مدار زمین شد. در حال حاضر ماهواره‌های موجود در مدار زمین که تحت سیستم جی‌پی‌اس فعالیت می‌کنند می‌توانند تا ۱۰ سال بصورت عملیاتی کار کنند. هر یک از ماهواره‌ها روی زمین وزنی بیش از ۹۰۰ کیلوگرم دارند و قطر هر یک به بیش از پنج متر می‌رسد که البته این قطر با احتساب پره‌های مربوط به قرارگرفتن باتری‌های خورشیدی محاسبه شده است. فرستنده‌ی ماهواره‌ها سیگنال‌هایی را با قدرت ۵۰ وات مخابره می‌کنند.

البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که پیشرفت در حوزه‌ی مکان‌یابی روز به روز پیشرفته‌تر شده و دستگاه‌های گیرنده‌ی مورد استفاده روی زمین نیز هر روز دقیق‌تر و کوچک‌تر از پیش می‌شوند. دارپا تراشه‌ی جی‌پی‌اس را توسعه داده که از سکه‌ی یک پنی کوچک‌تر بوده و از وجود سه ژیروسکوپ، سه شتاب سنج و ساعت داخلی بهره می‌برد. تحقیقات دیگری نیز در جریان است تا زمان‌بندی تراشه‌های دریافت کننده‌ی جی‌پی‌اس را بیش از پیش بهبود بخشد. هدف از تمام این اقدامات، توسعه‌ی سیستم جی‌پی‌اس بسیار پیشرفته‌ای است که قدرت آن با سیستم‌های چند هزاردلاری برابری کرده و می‌توان از آن روی سیستم خودروهای اطلاع‌رسانی خودروها استفاده کرد.

دریافت کننده GPS چقدر دقیق است

سیستم جی‌پی‌اس برای اولین بار با کاربری نظامی به منظور افزایش دقت ناوبری در زیردریایی‌، هواپیما و سایر ادوات نظامی مورد آغاز به کار کرد. سیستم جی‌پی‌اس به گونه‌ای تنظیم شده بود که تا سال ۲۰۰۰ اطلاعات با دقت کمتری را برای کاربران غیرنظامی ارسال می‌کرد. در صورت استفاده‌ی غیرنظامی از این سرویس، سیگنال‌ها بصورت رمزنگاری نشده به دریافت کننده ارسال می‌کرد که از این‌رو دقت موقعیت یابی در آن زمان ۱۰۰ متر بود. دقت ۱۰۰ متری برای استفاده در سیستم‌های ناوبری نظیر خودرها و مسیریابی چندان کاربردی نبود، چراکه برای مثال در صورت نیاز به دور زدن در تقاطع بعدی، دقت ۱۰۰ متری هیچگاه قادر به راهنمایی در مسیر درست نبود.

با توسعه‌ی سیستم Defferential GPS که از ایستگاه‌های زمینی بهره می‌برد، دقت سیگنال‌های ارسال شده توسط ماهواره‌ها به ۱۵ متر افزایش یافت، بطوریکه حتی در برخی موارد دقت موقعیت یابی کمتر از چند سانتی‌متر نیز ثبت شده بود. همزمان با این موضوع اداره‌ی هوانوردی فدرال، گارد ساحلی و وزارت ترابری درخواستی را مبنی بر در دسترس بودن این سیستم صادر کردند. بیل کلینتون، رئیس جمهور وقت ایالات متحده‌ی آمریکا دستور داد تا در دسترس بودن انتخابی سیستم جی‌پی‌اس از سال ۲۰۰۰ از بین رفته و در اختیار همگان قرار گیرد.

امروزه سیستم جی‌پی‌اس مورد استفاده در خودروها دقتی در حدود ۱۰ تا ۱۵ متر دارد. همچنین قیمت دریافت کننده‌ی ماهواره‌ای جی‌پی‌اس نیز به کمتر از چند دلار کاهش یافته است. امروزه رسیورهای معمولی مورد استفاده در گجت‌های مختلف و خودروها دقتی تا ۳ متر دارند، حال آنکه نمونه‌های گران قیمت دقت خود را تا چند سانتی‌متر نیز کاهش داده‌اند. برای مثال سیستم Trimble Total Station GPS دقتی کمتر از ۳ سانتی‌متر دارد. افزایش دقت سیستم های موقعیت یاب ماهواره‌ای بدین معنی است که می‌توان از این سیستم‌ها برای کنترل ابزار‌های ریموت راه‌سازی استفاده کرد.

در صورتی که خودروی شما از سیستم موقعیت یاب قدیمی با دقت ۱۰ تا ۱۵ متری استفاده می‌کند، یک حقه در زمان مسیریابی برای پوشش دقت پایین استفاده می‌شود. برای مثال در صورتی که در بزرگراهی شمال به جنوب در حال حرکت باشید و در نزدیکی شما راه فرعی یا خروجی وجود نداشته باشد، نشانگر موقعیت یاب در مسیر مورد نظر باقی می‌ماند، اما در صورتی که یک دوراهی یا خروجی در مسیر وجود داشته باشد، نشانگر مسیریاب شما را به سمت شمالی‌ترین راه هدایت خواهد کرد.

در صورتی که شما مسیری دایره‌ای طی کرده یا از مسیر اصلی به فرعی وارد شده یا دور بزنید، سیستم دوباره خود را کالیبره می‌کند. سیستم موقعیت یاب ماهواره‌ای معمولا از وجود ماژول‌های دیگری نیز بهره می‌برد که شامل قطب نمای داخلی، سنسور تشخیص حرکت و سرعت سنجی است تا بصورت دقیق در صورت وارد شدن به تونل نیز قادر به محاسبه‌ی دقیق مکان شما باشد.

خسارت ناشی از خاموشی سراسری سیستم GPS در جهان چقدر خواهد بود؟

ایده‌‌ی سیستم موقعیت‌‌یابی جهانی یا به‌‌اختصار GPS از سال ۱۹۹۵ به‌‌صورت عملیاتی درآمد و از آن زمان به‌‌شکل وسیعی در ایالات متحده و سایر نقاط جهان توسعه یافت. مفهوم موقعیت‌‌یابی براساس اطلاعات ماهواره‌‌ای به‌‌اندازه‌‌ای مفید و کارآمد بود که طولی نکشید سایر قدرت‌‌های جهانی شامل چین، روسیه، اتحادیه‌‌ی اروپا، هند و ژاپن نیز شروع به راه‌‌اندازی سیستم‌‌های جهانی و محلی مختص‌‌به‌‌ خود را کردند.

به‌‌تازگی مطالعه‌‌ی جامعی باهدف برآورد ارزش واقعی فناوری جی‌پی‌اس در اقتصاد آمریکا انجام شده است و این موضوع جذاب بررسی شده که عواقب احتمالی بروز یک خاموشی ۳۰ روزه‌‌ی در این فناوری چه خواهد بود (صرف‌نظر از اینکه علت آن یک رویداد جوی-فضایی باشد یا یک اقدام خرابکارانه ازسوی یک دولت متخاصم). این مطالعه ازسوی مؤسسه‌‌ی تحقیقاتی RTI International و با حمایت مالی مؤسسات استاندارد و فناوری دولت ایالات متحده انجام گرفته است.

اثرات اقتصادی

به‌‌عنوان بخشی از این تحلیل، پژوهشگران با بیش از ۲۰۰ متخصص در ارتباط‌‌با کاربرد فناوری GPS در حوزه‌‌ی خدمات گوناگون صحبت کردند. این خدمات بازه‌‌ی متنوعی را از کشاورزی و حفاری سکوهای نفتی گرفته تا خدمات موقعیت‌‌یابی برای  جابجایی مسافران و حمل کالا شامل می‌‌شد. همچنین مطالعه‌‌ی یادشده بررسی بازه‌‌ی زمانی گسترده‌‌ای از زمان پیدایش شکل تجاری GPS در سال ۱۹۸۴ تا سال ۲۰۱۷ را پوشش داد.

پژوهشگران دریافتند که حجم منافع اقتصادی ناشی‌‌ از فناوری GPS در طول این بازه‌‌ی زمانی به عدد خیره‌‌کننده‌‌ی ۱.۴ تریلیون دلار می‌‌رسد. بزرگ‌ترین بخش این درآمدزایی‌‌ها متعلق به بخش «ارتباطات از راه دور» شامل بهینه‌‌سازی قابلیت‌‌اطمینان و بهره‌‌برداری از پهنای باند در شبکه‌‌های بی‌‌سیم بوده که مبلغ آن به ۶۸۵.۹ میلیارد دلار می‌‌رسد. تله‌‌ماتیک (افزایش بازدهی، کاهش هزینه و منافع زیست‌‌محیطی حوزه‌‌ی ناوبری خودروها) نیز با درآمدزایی ۳۲۵ میلیارد دلاری در رتبه‌‌ی دوم این فهرست جای می‌‌گیرد. پس از آن، رتبه‌‌ی سوم متعلق‌‌به خدمات مکان‌‌محور گوشی‌‌های هوشمند است که توانسته ۲۱۵ میلیارد دلار درآمد ایجاد کند.

۹۰ درصد از منافع اقتصادی فناوری GPS تنها در خلال سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۷ حاصل شده است
ارزش فناوری GPS برای اقتصاد کشورهایی نظیر ایالات متحده رو به رشد است. براساس این مطالعه، ۹۰ درصد از این منافع اقتصادی در خلال سال‌‌های پس از ۲۰۱۰ حاصل شده است که تنها ۲۰ درصد از کل بازه‌‌ی زمانی مطالعاتی را تشکیل می‌‌دهد. گزارش می‌‌گوید بخش‌‌هایی از اقتصاد نیز وجود دارند که هنوز در مراحل ابتدایی درک ارزش این فناوری قرار گرفته‌‌اند و در حال شناسایی کاربران بالقوه این سرویس در کسب‌‌وکار خود هستند. همین امر خبر از قابلیت بالای این فناوری برای رشد بیشتر در آینده را می‌‌دهد.

عواقب قطعی GPS

گزارش پیش‌‌بینی می‌‌کند درصورت بروز یک رخداد که منجربه قطع گسترده‌‌ی این سرویس در جهان شود، هزینه‌‌های سرانگشتی ناشی‌‌از آن به یک میلیارد دلار در روز خواهد رسید. حجم این خسارت در ماه‌‌های آوریل و مه که کشاورزان وابستگی بیشتری به این فناوری برای کشت در مزارع خود دارند، ممکن است به مقادیر بالاتری نیز برسد.
برای برآورد اثرات یک خاموشی در سرویس GPS، سعی شد متغیرهای گوناگونی زیر نظر گرفته شود. یکی از این متغیرها، زمان‌‌بندی دقت (precision timing) است که نقشی اساسی در عملکرد چندین سرویس بی‌‌سیم نظیر همگام‌‌سازی ترافیک میان اپراتورهای شبکه، جابجایی سرویس میان ایستگاه‌‌ها و مدیریت پرداخت دارد. به‌‌علاوه، مقادیر بالاتری از زمان‌‌بندی دقت، امکان دستیابی به پهنای باند بالاتر و درنتیجه پوشش تعداد دستگاه‌‌های بیشتر را نیز فراهم خواهد کرد. برای مثال، استفاده از فناوری 4G LTE بدون کمک GPS امری غیرممکن بود.

درصورت بروز یک قطعی سراسری، اثرات این اتفاق در دو روز اول بسیار اندک خواهد بود؛ اما بعد از آن، کیفیت شبکه‌‌ی بی‌‌سیم به‌‌صورت محسوسی افت خواهد کرد. گزارش می‌‌گوید پس از ۳۰ روز، عملکرد این سیستم به مقداری بین ۰ تا ۶۰ درصد سطح عملکرد عادی آن خواهد رسید. بااین‌حال، خطوط تلفن ثابت تغییر چندانی به خود نخواهند دید.

در متن این مطالعه آمده است:

فناوری GPS طی برهه‌‌ی زمانی مهمی در بخش ارتباطات ظاهر شد و نقش مهمی در دیجیتال‌‌سازی زیرساخت‌‌های ارتباطی و پیشرفت فناوری بی‌‌سیم داشت. فناوری بی‌‌سیم ضمن تکامل خود، وابستگی بیشتری به زمان‌‌بندی دقت پیدا خواهد کرد و این به‌‌معنای وابستگی بیشتر به GPS خواهد بود. چندین و چند جریان فناوری از خودرو‌‌های خودران گرفته تا اینترنت اشیا در سال‌‌های آینده مرزهای فناوری بی‌‌سیم را به‌‌کلی جابه‌جا خواهند کرد.

این مطالعه لزوم مطالبه‌‌ی عمومی برای افزایش امنیت سیستم GPS را نشان می‌‌دهد. هم‌‌اکنون نیروی هوایی ایالات متحده مسئول به‌روزرسانی ناوگان جدید تجهیزات ماهواره‌‌ای GPS III در این کشور است. گفتنی است اولین سری از این ماهواره‌‌ها با دقت سه برابری نسبت‌به نسل قبل و قابلیت ضدپارازیت توسط موشک فالکون ۹ شرکت اسپیس‌‌ایکس (SpaceX) در دسامبر سال ۲۰۱۸ وارد مدار شد.