پیاده‌سازی GPS؛ جایی که نظریه‌های نسبیت نقش اساسی را بازی می‌کنند

تکنولوژی GPS که در ابتدا برای کاربردهای نظامی طراحی شده بود، امروزه به یکی از اساسی‌ترین نیازهای ما تبدیل شده است و تقریبا هر روز با آن سروکار داریم. جالب است بدانید بدون در نظر گرفتن نظریه‌های نسبیت در پیاده‌سازی GPS، این سرویس ظرف مدت یک روز دچار اختلال خواهد شد؛ اختلالی که می‌تواند در عرض یک روز، موقعیت شما را تا ۱۰ کیلومتر اشتباه تشخیص دهد.

در این مقاله، به توضیح نحوه‌ی عملکرد GPS و تاثیر نظریه‌ی نسبیت در GPS خواهیم پرداخت؛ به ویژه در بحث خودروهای بدون راننده که دقت GPS بسیار مهم است.

تکنولوژی استفاده شده در GPS به این صورت است که با استفاده از عمل «سه جانبه گیری» (Trilateration)، موقعیت یک شی را مشخص می‌کند. در هر لحظه و در هر نقطه‌ای روی زمین که باشید، حداقل ۴ ماهواره از مجموع ماهواره‌های ‌‌GPS، در میدان دید دستگاه GPS شما قرار دارند. این ماهواره‌ها در فاصله‌ی حدود ۲۰ هزار کیلومتری از زمین واقع شده‌اند.

hamrah-mechanic

عمل سه جانبه گیری به این صورت است که با تخمین فاصله‌ی شما از هر ماهواره،‌ موقعیت تخمینی شما کره‌ای به شعاع «فاصله شما تا ماهواره» و به مرکز «ماهواره» است. در واقع، اصطلاحا گفته می‌شود که مکان هندسی شما کره‌ای به شعاع فاصله‌ی شما از ماهواره و به مرکز ماهواره است و با تلاقی مکان تخمینی شما از سه ماهواره، موقعیت شما -در واقع محل تلاقی سه کره- به‌دست می‌آید.

برای یک دستگاه GPS معمولی، موقعیت شما با دقت اندازه‌گیری در حدود ۵ تا ۱۰ متر اندازه‌گیری می‌شود؛ یعنی ممکن است موقعیت شما را روی نقشه ۱۰ متر آن طرف‌تر نشان دهد. این خطا برای یک عابر پیاده قابل چشم‌پوشی است، اما تصور کنید برای ماشین‌های خودران می‌خواهیم از ‌GPS استفاده کنیم و در این صورت یک خطای ۱۰ متری یعنی تصادف و شاید یک فاجعه! پس در اینجا به دقت بالاتری نیاز داریم.

برای رسیدن به دقت بالاتر، ساعتی که در ماهواره‌ها استفاده می‌شود، باید دارای دقتی در حدود ۲۰ تا ۳۰ نانوثانیه باشد. برای این منظور از ساعت اتمی استفاده شده است. اینجا یک مسئله‌ی اساسی وجود دارد. ساعت ماهواره‌ها باید با یک‌دیگر و با ساعت سیستم‌های زمینی GPS یکسان باشد.

من به عنوان یک برنامه‌نویس تجربه‌ی سختی در هم‌زمان کردن ساعت گوشی کاربران با ساعت Server داشته‌ام. چالشی که در مقاله-یادداشت چالش هم‌زمان کردن کاربران در برنامه‌ی کوییزشو به آن اشاره کرده‌ام. در آن‌جا با تکنیک‌هایی توانستیم کاربران را با سرور ‌Sync کنیم؛ اما در این‌جا دو مشکل وجود دارد که باعث می‌شود ساعت‌های ماهواره‌ها با ساعت‌های زمینی هماهنگ نباشند. برای این‌که دلیل را بدانیم، باید به نظریه‌های نسبیت رجوع کنیم.

نظریه‌های نسبیت

نظریه‌ی نسبیت عام: بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام، هرچه جسمی در فضای گرانشی بیشتری باشد، یا به عبارت دیگر نیروی گرانشی بیشتری به آن وارد شود، زمان برای آن جسم در آن فضا نسبت به جسم دیگری که در جای دیگری و در معرض جاذبه‌ی کمتری قرار دارد، کندتر می‌گذرد. این یعنی زمان برای فردی که روی کره‌ی زمین زندگی می کند، نسبت به ماهواره‌ای که دور زمین در حال حرکت است و در معرض جاذبه‌ی کمتری قرار گرفته، کندتر می‌گذرد.

طبق محاسبات انجام شده، این اثر باعث می‌شود که ساعت موجود در ‌‌ماهواره‌های GPS، روزانه ۴۵ میکروثانیه از ساعات سیستم‌های روی زمین جلو بیفتد و در واقع زمان برای ماهواره ها سریعتر بگذرد (۴۵+ میکروثانیه).

نظریه‌ی نسبیت خاص: بر اساس نظریه نسبیت خاص، به دلیل اینکه ماهواره‌ها نسبت به ناظر روی زمین در حرکت هستند، به خاطر اثر گسترش زمانی (Time Dilation)، ساعت‌های آن‌ها نسبت به ساعت سیستم‌های روی زمین، روزانه ۷ میکروثانیه عقب می‌افتد.

در مجموع به واسطه‌ی این دو نظریه، روزانه ساعت ماهواره‌ها نسبت به ساعت سیستم‌های روی زمین ۳۸ میکروثانیه جلوتر می‌افتد (۳۸ = ۷ - ۴۵).

با توجه به این دو نظریه، در طراحی ساعت ماهواره‌ها تمهیداتی در نظر گرفته شده تا ساعت آن‌ها دقیقا در یک زمان با ساعت سیستم‌های روی زمین عمل کنند.

اگر این دو نظریه در طراحی ماهواره‌ها در نظر گرفته نمی‌شد، ناهمگام بودن زمانی بین ماهواره‌ها و ساعت‌های زمینی باعث می‌شد که ظرف مدت ۲ دقیقه، تخمین موقعیت دچار خطا شده و ظرف مدت یک روز موقعیت شما تا ۱۰ کیلومتر اشتباه نشان داده شود.

مطالب مرتبط

چراغ سبز بریتانیا به سرمایه‌گذاری نیم میلیارد دلاری آمازون در استارتاپ تحویل غذای Deliveroo

حدود یک سال پیش کمپانی آمازون حدود ۵۷۵ میلیون دلار در سرویس ارسال غذای «Deliveroo» در بریتانیا سرمایه‌گذاری کرد و حالا موفق شده مجوزهای لازم را از سازمان‌های تنظیم مقررات دریافت کند و رسما فعالیت و رقابت خودش را در این کشور آغاز نماید.وقتی سال گذشته صحبت از سرمایه‌گذاری غول تکنولوژیک آمریکایی به میان آمد،... ادامه مطلب

جریمه ۲۵۰ میلیون دلاری توییتر به خاطر نقض حریم خصوصی کاربران

کمیسیون فدرال تجارت ایالات متحده مجموعه تحقیقاتی گسترده را پیرامون استفاده از شماره موبایل و آدرس ایمیل کاربران جهت تبلیغات هدفمند از سوی توییتر را در دست بررسی دارد و طبق پیش بینی‌ها جریمه‌ای ۲۵۰ میلیون دلاری انتظار این شبکه اجتماعی را می‌کشد.مجموعه تحقیقات کمیسیون فدرال تجارت از اکتبر سال گذشته شروع شده و به... ادامه مطلب

واتس اپ امکان راستی‌آزمایی پیام‌ها را ممکن کرد

بعد از مدت‌ها قرار گرفتن در فاز آزمایشی، بالاخره واتساپ قابلیتی تازه را در اختیار کاربران قرار خواهد داد که از طریق آن می‌توان صحت اطلاعات و اخباری که توسط پیام‌های فورواردی دریافت می‌شود را اعتبارسنجی کرد و به نوعی به مبارزه با اخبار جعلی پرداخت.از امروز کنار تمام پیام‌هایی که بین چند نفر دست... ادامه مطلب

غول‌های فناوری آمریکا در شش ماه بیش از ۳۰ میلیون دلار صرف لابی‌گری کرده‌اند

طبق گزارش جدیدی که از سوی CNBC منتشر شده، کمپانی‌های بزرگ فعال در حوزه تکنولوژی مانند فیسبوک، آمازون، اپل و گوگل طی شش ماه نخست سال ۲۰۲۰ میلادی بیشتر از ۳۰ میلیون دلار در راستای لابی‌گری هزینه کرده‌اند.یعنی این شرکت‌ها با صرف هزینه‌های هنگفت تلاش داشته‌اند نفوذ خود را در برخی رگولاتوری‌ها و دستگاه‌های حکومتی... ادامه مطلب

پوتین خرید کالا با ارز دیجیتال را ممنوع کرد

لایحه روسیه برای تنظیم بازار ارزهای دیجیتال با امضای رئیس جمهور این کشور، ولادیمیر پوتین به تصویب رسید. ارزهای دیجیتال در این کشور قانونی می‌شوند، اما استفاده از آن‌ها برای پرداخت هزینه‌ها ممنوع است.به گزارش Bitcoin، این لایحه در تاریخ ۱ مرداد توسط «دومای دولتی»، «مجلس سفلای مجمع فدرال روسیه» مورد تایید قرار گرفته بود... ادامه مطلب

رقیب استارلینک؛ آمازون مجوز پرتاب ۳۲۳۶ ماهواره برای ارائه اینترنت فضایی را دریافت کرد

طبق گزارش‌ها کمپانی آمازون موفق شده تاییدیه کمیسیون فدرال ارتباطات ایالات متحده (FCC) را در جهت پرتاب ماهواره‌های مدارگرد و تامین اینترنت سراسری با نام پروژه Kuiper را دریافت کند. گفته می‌شود آنها ۱۰ میلیارد دلار در این پروژه سرمایه‌گذاری خواهند کرد.بر اساس اعلام رسمی بلاگ آمازون، پروژه Kuiper که پرتاب ۳۲۳۶ ماهواره مدارگرد را... ادامه مطلب

ویجیاتو

نظرات ۱

وارد شوید

برای گفتگو با کاربران، وارد حساب کاربری خود شوید.

ورود

رمزتان را گم کرده‌اید؟