درس 3: طرز کار جی پی اس - gps

[Mehdi]

برخلاف تصور عمومی؛ GPS یک ابزار گیرنده و فرستنده سیگنال نیست. بلکه تنها یه گیرنده به همراه یک سیستم محاسبه ریاضی است. به این ترتیب که دستگاه جی پی اس با دریافت سیگنال های خاصی از ماهواره ها که در ادامه توضیح داده می شود موقعیت خود را تشخیص میدهد.

هر ماهواره یک سیگنال حاوی اطلاعات دقیق موقعیت خود و زمان دقیق را به طور متوالی به زمین ارسال می کند. دستگاه GPS این اطلاعات را دریافت کرده و با ایجاد یک دستگاه معادله چند مجهولی آنرا حل می نماید. به عنوان مثال در صورت که موقعیت ماهواره ها را به ترتیب با X Y X و زمان را با t نشان دهیم یکی از معادله های به دست آمده عبارت است از:

در این معادله x y z t مختصات جغرافیایی گیرنده و ساعت گیرنده است و xi yi zi مختصات جغرافیایی هر ماهواره و ti ساعت ماهواره است. c سرعت نور و b یک عدد برای تصحیح خطا است.

به این ترتیب با دانستن اطلاعات 4 ماهواره می توان یک دستگاه معادلات چهارمجهولی ایجاد و با روش های ریاضی مرسوم آنرا حل کرد. نتیجه حل این معادلات تعیین دقیق محل قرار گرفتن دستگاه گیرنده است.

نکته مهم در این میان این است که ماهواره ها به طور مرتب با ایستگاه زمینی در ارتباط هستند و اطلاعات ساعت و موقعیت خود را از ایستگاه زمینی دریافت می کنند. طبیعتا در موقعیت ماهواره ها همواره تغییرات جزئی حادث می شود که می تواند منجربه خطاهای بزرگ در تشخیص موقعیت دستگاه گیرنده شود.

شماتیک نحوه ارتباط ایستگاه زمینی، ماهواره و دستگاه گیرنده جی پی اس

تصحیح خطا
توضیحات فوق درباره نحوه کار جی پی اس به صورت کاملا تئوری است. در عمل محاسبات بسیار پیچیده تر و تصحیح خطاهای بسیار فنی انجام می گیرد که توضیح و درک آن نیاز به دانش فیزیکی بالایی دارد. تصحیح خطاهایی مانند تصحیح خطای حاصل از شکست امواج در اثر ورود به جو، تصحیح خطای حاصل از نظریه نسبیت و...

سایر مطالب مرتبط

درس 1: مقدمه ای بر تاریخچه مسیریابی، تعریف طول و عرض جغرافیایی، تشخیص موقعیت

درس 2: تاریخچه جی پی اس - gps

درس 3: طرز کار جی پی اس - gps

درس 4: انواع سیستم های موقعیت یاب و تفاوت های آنها (انواع جی پی اس gps و کاربرد هر یک)

درس 5: شناخت بدنه سخت افزاری جی پی اس - gps

درس 6: افزایش دقت در gpsها

درس 7: آشنایی با ابزارهای gps (قطب نما، ارتفاع سنج، سرعت سنج)

درس 8: کالیبراسیون ابزارهای gps (ارتفاع سنج و قطب نما)

درس 9: ثبت مسیر در طول مسافرت با استفاده از gps

درس 10: ثبت یک نقطه در طول مسافرت با استفاده از gps

درس 11- استفاده از مسیرهای ثبت شده قبلی و حرکت بر روی آنها

درس 12: آشنایی با نرم افزار مپ سورس - Map Source و تحلیل داده ها

درس 13: معرفی نرم افزار گوگل ارت - Google Earth و طراحی مسیر مسافرت با آن


سوال درباره جی پی اس و آموزش های آن

مسیرهای جی پی اس کوهنوردی و طبیعت گردی در ایران (فایل GPS Track)

[Dr Ernesto]

به این ترتیب با دانستن اطلاعات 4 ماهواره می توان یک دستگاه معادلات چهارمجهولی ایجاد و با روش های ریاضی مرسوم آنرا حل کرد. نتیجه حل این معادلات تعیین دقیق محل قرار گرفتن دستگاه گیرنده است.

مهدی جان،فکر کنم gps با داده های 3 ماهواره هم فعال میشه

[Mehdi]

مهدی جان،فکر کنم gps با داده های 3 ماهواره هم فعال میشه

گیرنده های دستی معمولی بله چون ارتفاع به طریق بارومتریک حساب میشه. یعنی از معادله ها بخش (Z-Zi) حذف میشه و دستگاه معادلات تبدیل میشه به یک دستگاه 3 معادله 3 مجهولی. اما برای گیرنده های دقیق معادلات همونیه که بالا گفتم.

سوال:
چرا ارتفاع در گیرنده های دستی بارومتریک حساب میشه؟

[fumed]

سلام

چرا ارتفاع در گیرنده های دستی بارومتریک حساب میشه؟

فکر کنم چند تا دلیل داره: (تجربیه ها!)
1- جایی که جی پی اس خوب کار نکنه ارتفاع رو داریم .مثلا کنار دیواره ها یا توی خط القعر ها . یادمه کنار یه دیواره خطای جی پی اس من حدود 120 متر شد!
2- من از فشار سنج بارومتریک (که برای ارتفاع سنجی استفاده میشه) برای تشخیص وقوع طوفان هم استفاده می کنم که خیلی خیلی مهمه.

گیرنده های جی پی اس ارتفاع داده شده توسط فشارسنج بارومتریک رو با استفاده از داده های gps کالیبره می کنن. این کار (داده بارومتریک به عنوان پایه و داده جی پی اس به عنوان تصحیح کننده) باعث میشه داده ارتفاع پایدارتری (نویز کمتر) داشته باشیم.
با این وجود ارتفاع داده شده توسط بارومتر به شرایط آب و هوایی وابسته هست (و باید کالیبره بشه ) و ارتفاع داده شده توسط جی پی اس به ماهواره ها.
آهان اینو یادم رفته بود: ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی هستش در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریکه که از سطح دریاهای آزاد محاسبه میشه. مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متره که خوب زیاده!
خوش باشید

[Dr Ernesto]

سوال:
چرا ارتفاع در گیرنده های دستی بارومتریک حساب میشه؟

مطمئن نیستم
ولی چون دستگاه دستی دارای گیرنده z و بالطبع عدم وجود معادله 4مجهولی هستش،ارتفاع به صورت بارومتریک محاسبه میشه و قاعدتا دارای خطای ارتفاع هم باید باشه

[Mehdi]

سلام

فکر کنم چند تا دلیل داره: (تجربیه ها!)
1- جایی که جی پی اس خوب کار نکنه ارتفاع رو داریم .مثلا کنار دیواره ها یا توی خط القعر ها . یادمه کنار یه دیواره خطای جی پی اس من حدود 120 متر شد!
2- من از فشار سنج بارومتریک (که برای ارتفاع سنجی استفاده میشه) برای تشخیص وقوع طوفان هم استفاده می کنم که خیلی خیلی مهمه.

ممنون آقا مجتبی که "گفت" را به "گفت" و "گو" تبدیل کردی
اینجوری منم چیزای جدید یاد میگیرم

نظر شخصی درباره 2 موردی که فرمودید:
هر دو مورد کاملا درسته و از الزامات طبیعت گردیه که فشار هوا را داشته باشیم. پس در این شکی نیست که GPS باید فشارسنج هم داشته باشه. اما این دلیل کافی برای حذف بخش (Z-Zi) از معادلات نیست. میتونستن ارتفاع را همچنان از روش های ریاضی استخراج کنن و فشارسنج هم مجزا داشته باشن. حتما می دونی که گیرنده های جدید دقتی تا 3 متر هم دارن. یعنی شما طول و عرض را با دقت 3 متر داری ولی ارتفاع همیشه با دقتی خیلی کمتر.

گیرنده های جی پی اس ارتفاع داده شده توسط فشارسنج بارومتریک رو با استفاده از داده های gps کالیبره می کنن. این کار (داده بارومتریک به عنوان پایه و داده جی پی اس به عنوان تصحیح کننده) باعث میشه داده ارتفاع پایدارتری (نویز کمتر) داشته باشیم.

در این مورد خیلی مطمئن نیستم چون:
1- جایی ندیدم که اینو گفته باشه. اگر منبعی سراغ داری ممنون میشم بگی
2- اگر یه کیسه پلاستیکی بیاری، GPS را بذاری توش، فوت کنی که فشار هوا افزایش پیدا کنه یهو میبینی GPS چندصد متر کاهش ارتفاع نشون میده
اینم یادم رفت بگم: 3- اگر سوار هواپیما بشی و GPS را روشن کنی (به شرط هم ارتفاع بودن مبدا و مقصد) در تمام طول مسیر با وجود ارتباط با ماهواره ارتفاع تقریبا ثابت و در حد ارتفاع مبدا و مقصده

[fumed]

دوباره سلام

...
هر دو مورد کاملا درسته و از الزامات طبیعت گردیه که فشار هوا را داشته باشیم. پس در این شکی نیست که GPS باید فشارسنج هم داشته باشه. اما این دلیل کافی برای حذف بخش (Z-Zi) از معادلات نیست. میتونستن ارتفاع را همچنان از روش های ریاضی استخراج کنن و فشارسنج هم مجزا داشته باشن. حتما می دونی که گیرنده های جدید دقتی تا 3 متر هم دارن. یعنی شما طول و عرض را با دقت 3 متر داری ولی ارتفاع همیشه با دقتی خیلی کمتر.
...

یادم رفته بود پست رو ویرایش کردم:

...
آهان اینو یادم رفته بود: ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی هستش در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریکه که از سطح دریاهای آزاد محاسبه میشه. مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متره که خوب زیاده!

بله راجع به ترکیب داده های ارتفاع جی پی اس و داده های بارومتریک من یه خورده شاید بد بیان کردم. داده اصلی از ماهواره میاد و با استفاده از داده های ماهواره داده های فشارسنج بارومتریک به صورت اتوماتیک کالیبره میشن. سپس برای داشتن ارتفاع با تغییرات نرم تر و پایداری بیشتر از اطلاعات فشارسنج بارومتریک استفاده میشه. مدرکشم موجوده! اینجا
خوش باشید

[Mehdi]

ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی هستش در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریکه که از سطح دریاهای آزاد محاسبه میشه

[Mehdi]

بله راجع به ترکیب داده های ارتفاع جی پی اس و داده های بارومتریک من یه خورده شاید بد بیان کردم. داده اصلی از ماهواره میاد و با استفاده از داده های ماهواره داده های فشارسنج بارومتریک به صورت اتوماتیک کالیبره میشن. سپس برای داشتن ارتفاع با تغییرات نرم تر و پایداری بیشتر از اطلاعات فشارسنج بارومتریک استفاده میشه. مدرکشم موجوده! اینجا
خوش باشید

ممنون. جالب بود. فقط این اطلاعات داده شده توسط این سایت با آزمایش ساده ای که من در سفر هوایی تهران-ماهشهر انجام دادم تناقض داره

ارتفاع در این نمودار تقریبا در تمام طول مسیر 2000 متر نشون داده شده که با واقعیت (حدود 9000 متر) اختلاف زیادی در حد 7000 متر داره که اگر گفته اون سایت درست باشه همچین خطای بزرگی نباید وجود داشته باشه.

فایل gps اون سفر را هم گذاشتم که اگر تحلیلی می خوای روش انجام بدی بتونی

[fumed]

سلام

ممنون. جالب بود. فقط این اطلاعات داده شده توسط این سایت با آزمایش ساده ای که من در سفر هوایی تهران-ماهشهر انجام دادم تناقض داره

ارتفاع در این نمودار تقریبا در تمام طول مسیر 2000 متر نشون داده شده که با واقعیت (حدود 9000 متر) اختلاف زیادی در حد 7000 متر داره که اگر گفته اون سایت درست باشه همچین خطای بزرگی نباید وجود داشته باشه.
...

فکر می کنم شاید واسه این باشه که فشار داخل کابین کنترل میشه و داده جی پی اس نمیتونه اینقدر خطا توی ارتفاع سنج بارومتریک رو جبران کنه