GPS>Global Positioning System הסבר מקיף

רובנו שמענו, לפחות במעורפל, על מערכת ה-GPS. מערכת לויינית שמאפשרת לנו לנווט ולדעת את מיקומנו בכל מקום בעולם. אם לצורך ניווט מטוס, או לצורך השלכת פצצה חכמה על האוייב, בדיוק מדהים, כמעט בכל מקום על כדור הארץ וגם בחלל.

אבל איך זה עובד?

מערכת ה-GPS מורכבת משלשה מקטעים: הלויינים, תחנות הקרקע של ארה"ב השולטות על הלויינים ומוצאות את מיקומם, הלויינים עצמם ,ומקלטי ה-GPS בהם משתמשים כדי למצא את המיקום.

במערכת ה-GPS קיימים 24 לויינים פעילים, ומספר לויינים נוספים כגיבוי. בכל אחד מהלויינים שעון אטומי ומקלטים-משדרים לצורך תקשורת עם הקרקע ושידור אותות ה-GPS. הלויינים ידעו את מיקומם בכל שלב (וישדרו אותו - נגיע לכך מאוחר יותר) ע"י מדידות שנעשות באופן רצוף על באמצעות תחנות קרקע, ע"י ממשלת ארה"ב. אותם הנתונים משודרים ללויינים, והם אלו שישמשו את מקלטי ה-GPS כדי למצא את המיקום המדוייק של המקלט על פני כדור הארץ (או בחלל).

הלווינים אינם משדרים אות של זמן בלבד!!! הלוויונים משדרים 3 אותות שונים, הכולל את הID של הלווין, המיקום האורביטלי שלו ואת הזמן לפי שעון אטומי. חשוב להדגיש שרק האות האחרון הינו הכרחי לקביעת מיקום הקולט, מכיוון שהאמצעי היחידי לקביעת מיקום הוא שימוש של נוסחאות מתמטיות המחשבות את המרחקים ואת הזוויות לפי ציר כדור הארץ. הנוסחאות הללו מחשבות את זמן הלקיטה פחות זמן השידור כפול מהירות השידור הנמדדת בבאוד(מהירות העברת מידע הנמדדת בסיביות לשנייה.)

המיקום האורביטלי ייקבע בעזרת תחנות על פני כדור הארץ. בישראל ישנן 18 כאלו.

המקלט מכוון לתדר בו משדרים כל לוויני ה GPS, והוא קולט את הסדרות הפסאודו-אקראיות שמשדרים הלווינים, מתוכן הוא מחלץ את אות הזמן ויודע איזה לווין הוא קולט. לאחר חילוץ אות הזמן, המקלט מחשב את הפרש הזמנים בין הלווינים, וכך מחלץ שעון מדוייק - זהה לשעון האטומי של הלווינים. לאחר חישוב שעון מדוייק, המקלט יודע לחשב את הפרש הזמן מרגע שידור אות הזמן לרגע הקליטה, וכך הוא יודע לחשב את מרחקו מכל אחד מהלווינים שנקלטו.

מכאן מבצעים טריאנגולציה פשוטה על מנת למצוא את המיקום של מקלט ה - GPS.

לפני שנמשיך נסביר בקצרה מהי טריאנגולציה (מי שיודע יכל לדלג על הפסקא הזו) : דמיינו לעצמכם 3 נקודות גיאוגרפיות מהן ניתן למצא מרחק בדרכים שונות (תחנות של חברות הסלולר, למשל, יכולות להשתמש בעוצמת האות המגיעה מהטלפונים הסלולריים שלנו). התחנות מסומלות בתמונה ע"י הנקודות הירוקה, האדומה והכחולה. נסתכל על התחנה הירוקה: התחנה יודעת, כמו כל התחנות, את מרחקו של האדם ממנה, אבל לא את כיוונו. לכן ישנו מעגל שלם בו האדם יכל להמצא, מבחינתה של אותה תחנה (זהו המעגל הירוק בציור).

מעגל דומה קיים עבור התחנה הכחולה וגם עבור האדומה. אבל אם תשימו לב, רק נקודה אחת (הלבנה) נמצאת על כל שלשת המעגלים. כלומר, האדם יכל להיות אך ורק בנקודה הזו. מציאת הנקודה הזו נקראת טריאנגולציה.

איך מתבצעת הטריאנגולציה במערכת ה-GPS?

כדי לבצע את הטריאנגולציה צריך לדעת גם את מיקום התחנות וגם את מרחקן של התחנות (במקרה שלנו, הלויינים) מהמקלט. מיקום הלויינים ידוע להם (מסלול הלויינים נמדד ע"י ארה"ב באופן שוטף ומועבר אליהם מדי פעם) והוא פשוט משודר מהלויין. למצא את המרחק זה כבר יותר מסובך. כדי למצא את המרחק מתבססים על כך שמהירות האור פחות או יותר קבועה (יש שינויים הקשורים במעבר באטמוספירה). השידור עצמו מכיל מידע שדומה ל"שעון הדובר של בזק: עכשיו השעה 3 בצהריים, 12 דקות, 45 שנית, 7936 אלפיות וכו". הזמן הזה נמדד במדוייק ע"י שעונים אטומיים המותקנים בכל אחד מלוייני ה-GPS. דיוק זה הכרחי מאחר ומהירות האור היא כ-300000000 מטר בשניה, ופספוס של שניה אחת, משמעו פיספוס של 300,000 ק"מ בניווט (לא ממש המערכת האידאלית).

המקלט יודע מה השעה, ויכל לראות כמה זמן עבר מאז שהשעה היתה באמת כפי שהלויין מדווח, וכך מחשב את המרחק.

אבל יש סיבוך קטן: לא רק השעון על הלויינים צריך להיות מדוייק כדי למצא מרחקים בצורה מדוייקת, אלא גם השעה במקלט צריכה להיות מדוייקת

קצת קשה להכניס שעון אטומי בעל רמת דיוק טובה למקלט GPS ידני (ויש כאלה אפילו בגודל של שעון יד), וגם קשה לכוון אותו במדוייק כל זמן קצר, אבל אפשר להשתמש בטריק אחר: במקום להשתמש באותות מ-3 לויינים משתמשים באותות מ-4 לויינים (או יותר, אם רוצים להגדיל את רמת הדיוק). כשמשתמשים באותות מ-4 לויינים, אפשר למצא גם את המיקום וגם את השעה המדוייקת.

רמת הדיוק שאפשר להשיג ע"י אות ה-GPS ה"רגיל הוא מטרים בודדים. ללא ספק, למטרות ניווט ומטרות רבות (מאד) אחרות, רמת דיוק זו מספיקה (ואף מעבר לכך). אך ישנם שימושים מסויימים, כמו סקר קרקע, אשר דורשים רמת דיוק טובה הרבה יותר.

הסיבה לכך שרמת הדיוק המירבית באות ה-GPS היא מספר מטרים, היא לא רמת הדיוק של המכשירים, אלא בעיקר העובדה שבמעבר האות באטמוספירה, האות מתעכב במקצת. עיכוב זה אינו קבוע ולכן לא ניתן להכניס את התיקון למקלטי ה-GPS מראש. אבל השינויים האלה לא כ"כ מהירים, ולכן אפשר למפות את השגיאה, ולשדר באות רדיו מהקרקע מהו התיקון הדרוש. דבר זה יכל להעשות במספר צורות. הצורה הנפוצה היא שימוש באות תיקון רשמי המופק ע"י ממשלת ארה"ב, ומקלטים המסוגלים לקלוט את שני האותות. שיטה זו מכונה DGPS כש-D=differential.ישנן שיטות דומות נוספות, שיכולות במקרים מסויימים להגיע גם לדיוק של מילימטרים בודדים.

ישנו גם דבר הנקרא AGPS ,AGPS הוא שירות המתבסס על GPS לאיתור מיקום המשתמש, תוך שימוש בשרת עזר בנוסף ל?24 הלווינים המשמשים את שירות ה?GPS הרגיל לקבלת מיקום יותר מדויק. השימוש בשירות זה הוא בעיקר באזוריים עירוניים, שבהם מרבית הביקוש הוא מכשירים סלולאריים שיכולותיהם מוגבלות.

קרדיט לאתר: scienceblog ול ויקיפידיה שבעזרתם ניסיתי למצות את כל נושא ה GPS.

מעולה תודה רבה, תמיד עניין אותי איך זה עובד.

זכית בדביק לבינתיים

לבנתיים

איזה כיף

הסבר מצויין, כל הכבוד!

הגיע הזמן לפתוח פה FAQ ולהכניס לשם גם את המדריך הזה.

טכנולוגיה אחרת שמתבססת על שידור סוללרי של GSM

גם יפה ...

מה מה מה?

נניח שהבנתי

לוויני ה-GPS נשלחו לחלל עוד בשנות ה-70, כשטלפונים ניידים היו עדיין בגדר חלום או מזוודה

1978 ליתר דיוק

ובקשר ל GSM זה תקן לרשתות של טלפונים סלולרים(דור שני) כאשר GSM עושה שימוש בטכנולוגית גישה מרובת זמן TDMA

Time Division Multiple Access

בקיצור מה הקשר ל GPS?

אחלה של הסבר..

יצא לי קצת לראות ולהשתמש בGPS, לי לפחות זה לא כזה שימושי אבל אני בטוח שהרבה משתמשים בו.

1978 ליתר דיוק

ובקשר ל GSM זה תקן לרשתות של טלפונים סלולרים(דור שני) כאשר GSM עושה שימוש בטכנולוגית גישה מרובת זמן TDMA

Time Division Multiple Access

בקיצור מה הקשר ל GPS?

A-GPS ....

טעות בדיון

על מה לעזאזל אתה מדבר?

על מה לעזאזל אתה מדבר?

Good Question

סתם עוד מידע שקשור

הג'י פי אס נותן לנו את הגובה שלנו ממרכז כדור הארץ (המכשיר מוריד את ההפרש ממרכז כדור הארץ לגובה לפני הכוכב).

בעצם שאנחנו מנווטים בים המכשיר יכול להשתמש רק ב3 לווינים (במקום ב4) בגלל שהגובה שלנו בים תמיד יהיה 0. במצב כזה המכשיר עובר לניווט דו-מימדי במקום תלת-מימדי. מה שצורך אותו להשתמש בפחות לויינים

המקסימום להתחברות ללויינים בו זמנית בעזרת מכשיר GPS אינו 4 יש שם 24 לווינים כמובן שהוא לא משתמש בכולם בו זמנית