في المرة الأخيرة التي استخدمت فيها هاتفك لجعل خرائط Google تحدد موقعك الدقيق^{(Google Maps pinpoint your exact location)} على الخريطة ، هل توقفت يومًا وتساءلت عن كيفية عمل GPS بهذه الدقة؟

تم إطلاق نظام تحديد المواقع العالمي^{(Global Positioning System)} ( GPS ) من قبل وزارة^{(U.S. Department)} الدفاع الأمريكية^(Defense) في عام 1973 (المعروف باسم NAVSTAR ). بحلول عام 1993 ، كان هناك 24 قمرا صناعيا لنظام تحديد المواقع العالمي^(GPS) (GPS ) يدور حول الأرض ويبث البيانات المدارية والموقعية التي يمكن للجيش استخدامها للأغراض الملاحية والعسكرية الأخرى. اليوم ، حتى كتابة هذه السطور ، هناك 28.

في الثمانينيات من القرن الماضي ، تم فتح البيانات المنقولة من الأقمار^(GPS) الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) للجمهور ، مما فتح سوقًا كاملًا لتشكيلة واسعة من أجهزة الملاحة GPS المتوفرة لدينا اليوم. 

اعتبارًا من كتابة هذا المقال ، تمتلك كل من روسيا والصين^(China) وأوروبا والهند^(Russia) أنظمة GPS نشطة ^(Europe)خاصة ^(India)بها^(GPS) . تعمل اليابان^(Japan) على تطوير نظام GPS خاص بها ، ومن المقرر أن يتم تشغيله في عام 2023.

كيف يعمل GPS؟^{(How Does GPS Work?)}

في حين أن تقنية الأقمار الصناعية GPS التي تعتمد على تقنية متقدمة للغاية ، فإن الطريقة التي يعمل بها النظام بسيطة بشكل مثير للإعجاب.

هناك ثلاثة مكونات لأي نظام^(GPS) ملاحي فردي عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

• الأقمار الصناعية^(Satellites) : تدور أقمار GPS الصناعية حول ^(GPS)الأرض^(Earth) وتنقل وقتها الحالي وموقعها المداري إلى جميع أجهزة استقبال GPS الموجودة على جانبها من الكوكب.
• مركز القيادة^{(Command Center)} : ينقل مركز القيادة البيانات المدارية وتصحيحات الوقت والموقع المداري للأقمار الصناعية الأخرى حتى الأقمار الصناعية في المدار.
• مستقبلات GPS^{(GPS Receivers)} : يتلقى مستقبل GPS على الأرض^(Earth) أوقاتًا مدارية من العديد من الأقمار الصناعية داخل النطاق ، ويحسب موقعه على الأرض^(Earth) بناءً على مواقع أربعة أقمار صناعية لنظام GPS^(GPS) على الأقل .

تستخدم أجهزة استقبال GPS^(GPS) مبدأ رياضيًا يعرف باسم التثليث لحساب موقعه. 

كيف يعمل تثليث GPS^{(How Does GPS Triangulation Work)}

من أي نقطة على الكوكب ، إذا كنت تحمل جهاز استقبال GPS (مثل ذلك الموجود في هاتفك) ، يتلقى مستقبل GPS طوابع زمنية من الساعات المتزامنة على كل من أقمار GPS الصناعية العلوية.

باستخدام الاختلافات في الطوابع الزمنية ، والسرعة الثابتة للضوء التي تنتقل بها موجات الراديو ، يمكن لجهاز استقبال GPS تحديد المسافة بين المكان الذي تقف فيه أمام كل قمر صناعي.

يوفر هذا لمستقبل GPS نصف قطر الكرات مع وجود الأقمار الصناعية في المركز وموقعك على حافة الكرة.

نظرًا لأن كل قمر صناعي ينتقل في مدار يمكن التنبؤ به فوق الأرض ، يمكن لجهاز الاستقبال استخدام تقويم مخزّن للموقع الحالي المعروف لجميع الأقمار^(GPS) الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) لتحديد مكان وجود هذه الأقمار الصناعية حاليًا فوق الأرض.

مع الموقع المعروف لكل قمر صناعي والمسافة المقاسة بين تلك الأقمار الصناعية وموقعك ، فإن جهاز استقبال GPS الخاص بك قادر على حساب موقعك التقريبي عن طريق تحديد مكان تقاطع هذه المجالات الثلاثة معًا على سطح الأرض^(Earth) .

ثم يعرض جهاز الاستقبال هذا الموقع لك على الخريطة.

توفر ثلاثة أقمار صناعية موقعًا تقريبيًا ، وتتطلب مستقبلات GPS إشارة رابعة من قمر GPS آخر لتحديد الارتفاع الحالي على سطح الأرض باستخدام مبدأ رياضي آخر يُعرف باسم التثليث.

كيف يعمل مستشعر GPS الخاص بهاتفك^{(How Your Phone GPS Sensor Works)}

تأتي معظم الهواتف الذكية الحديثة اليوم مزودة بشريحة استقبال GPS . يمكن لهذه الشريحة استقبال إشارات الراديو من أقمار GPS الصناعية.

ساعة هاتفك ليست ساعة ذرية ، لذا فإن وقتها غير متزامن مع الساعات الذرية للأقمار الصناعية في المدار. ومع ذلك ، لا يهم هذا عندما يتعلق الأمر بحساب الموقع باستخدام إشارات من تلك الأقمار الصناعية.

هذا لأن جهاز استقبال GPS^(GPS) الخاص بهاتفك يركز على البيانات التي يتلقاها من الأقمار الصناعية ، وقاعدة بيانات لمواقع الأقمار الصناعية المعروفة على الأرض^(Earth) . نظرًا لأن جميع الأقمار الصناعية لديها ساعة ذرية ، فإن الوقت الحالي على كل قمر صناعي هو نفسه تمامًا في أي لحظة.

ومع ذلك ، وبسبب المسافة من القمر الصناعي ، وحقيقة أن إشارات الراديو تنتقل بسرعة الضوء ، فإن الاختلافات بين كل طابع زمني مستلم تكشف عن المسافة بين هاتفك وكل من الأقمار الصناعية.

إليك كيفية عمل عملية GPS هذه:

• ترسل جميع الأقمار الصناعية الأربعة نفس الطابع الزمني الدقيق لهاتفك الساعة 5:12:14 مساءً.
• يتلقى هاتفك هذا الطابع الزمني الساعة 5:12:15 من القمر الصناعي 1.
• يتلقى الطابع الزمني في 5:12:16 من القمر الصناعي 2.
• أخيرًا ، الساعة 5:12:17 ، يتلقى الطابع الزمني من القمر الصناعي 3.

يخبر هذا جهاز استقبال GPS الخاص بك أن الأمر استغرق ثانية واحدة حتى تصل إشارة الراديو إليه من القمر الصناعي 1 ، وثانيتين من القمر الصناعي 2 ، و 3 ثوانٍ من القمر الصناعي 3.

سرعة الضوء ثابتة معروفة وهي 299،792،458 مترًا في الثانية.

باستخدام الرياضيات البسيطة ، يمكن لجهاز الاستقبال أن يحسب أن المسافة تقارب 300 ألف متر من القمر الصناعي 1 ، و 600 ألف متر من القمر الصناعي 2 ، و 900 ألف متر من القمر الصناعي 3.

باستخدام جدول بحث من قاعدة بيانات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، يعرف مُستقبِل ^(GPS)GPS الخاص بهاتفك الموقع الحالي التقريبي على الأرض لجميع الأقمار الصناعية الثلاثة ، والذي يوفر إحداثيات خطوط الطول والعرض لجميع الأقمار الصناعية الثلاثة. 

باستخدام هذه المعلومات ، يكون هاتفك قادرًا على حساب إحداثيات خطوط الطول والعرض الخاصة بك^{(your own longitude and latitude coordinates)} على الأرض.

باستخدام إحداثياتك المعروفة ، يمكن لجهاز استقبال GPS الخاص بك بعد ذلك استخدام المسافة المقاسة بينه وبين قمر صناعي رابع لتحديد الارتفاع فوق الأرض^(Earth) الذي توجد فيه.

ما هو نظام تحديد المواقع العالمي المساعد؟^{(What Is An Assisted Global Positioning System?)}

قبل أن تبدأ الهواتف الذكية في دمج دوائر GPS ، كان الناس عادةً يستخدمون مستقبلات ^(GPS)GPS المحمولة التي تعمل ببطاريات AA. أو يقومون بتثبيت وحدات GPS في السيارات ، والتي تعمل متصلة ببطارية الهاتف.

كان هذا لأن الاتصالات اللاسلكية تتطلب مزيدًا من الطاقة. يكمن الحد من ذلك في أنه كان عليك في كثير من الأحيان الانتظار عدة دقائق حتى يتمكن مستقبل GPS الخاص بك من "قفل" عدد كافٍ من أقمار GPS الصناعية لحساب موقعك.

تجاوز مصنعو الهواتف الذكية قيود البطارية هذه من خلال الجمع بين تقنيتها الحالية للتثليث الخلوي. قبل أن يتم تمكين نظام تحديد المواقع العالمي ( GPS^(GPS) ) في الهواتف بوقت طويل^(Long) ، كان بإمكانهم استخدام الإشارات القادمة من أبراج الهواتف المحمولة لتثليث موقعك ، باستخدام نفس النوع من الطوابع الزمنية للتثليث وتقنية المسافة كما هو الحال مع الأقمار^(GPS) الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) . 

لسوء الحظ ، نظرًا لأن أبراج الهواتف المحمولة في مستوى الأرض ، فإن حساب التنقل هذا أقل دقة بكثير. لذلك سيستخدم برنامج GPS^(GPS) الخاص بهاتفك الذكي أولاً تثليث إشارة الخلية لتحديد موقعك التقريبي ، ثم تحديث هذا الموضع بمجرد أن تصبح بيانات GPS عبر الأقمار الصناعية جاهزة.

يسمح هذا للهواتف الذكية الحديثة بحجز طاقة البطارية باستخدام بيانات GPS فقط عندما تكون تحديثات الموقع هذه مطلوبة. هذا هو السبب في أنك قد ترى موقعك^{(see your location)} على خرائط Google^{(Google Maps)} في كثير من الأحيان ، وتنتقل من حين لآخر إلى موقع جديد عندما تتوفر بيانات أكثر دقة.

HDG Explains : How Does GPS Work?

The last time you used уour phone to have 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

• توضح HDG: كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

• تشرح HDG: ما هو اختبار CAPTCHA وكيف يعمل؟

• تشرح HDG: كيف يعمل الواقع المعزز؟

• يوضح HDG: ما هو SFTP و FTP؟

• يوضح HDG: ما هو خادم الكمبيوتر؟

• كيفية معرفة ما True or False على Internet

• تعريف القبعة السوداء والبيضاء والرمادية القرصنة

• كيفية حذف مجلد Windows.old في Windows 7/8/10

• يوضح HDG: ما المقصود بمنفذ الكمبيوتر وما هي الأغراض المستخدمة فيه؟

• تشرح HDG: ما هي البيانات الوصفية وكيف يتم استخدامها؟

• قم بإنشاء نسخة احتياطية لصورة نظام Windows 10

• 12 نصيحة وحيلة لجهاز Chromebook

• أفضل وقت لشراء جهاز كمبيوتر للحصول على صفقات مذهلة

• يوضح HDG: ما هي SQL و T-SQL و MSSQL و PL / SQL و MySQL؟

• تشرح HDG: ما هو RFID وما الذي يمكن استخدامه؟

• يوضح HDG: كيف يعمل Google Chromecast؟

• يوضح HDG: ما هي JavaScript وما الذي تستخدمه على الإنترنت؟

• تشرح HDG: ما هو المجال المتوقف وما هي مزاياه؟

• يوضح HDG: ما المقصود بواجهة برمجة التطبيقات؟

• يوضح HDG: كيف تعمل WiFi؟