اصول، ویژگی‌ها و کاربردهای موقعیت‌یابی ماژول GPS

ماژول GPS چیست؟

ماژول GPS یک گیرنده سیگنال GPS است. می تواند از طریق بلوتوث بی سیم یا اتصال سیمی به رایانه یا تلفن همراه متصل شود و سیگنال های GPS دریافتی خود را برای پردازش به نرم افزار GPS در رایانه یا تلفن همراه منتقل می کند. ماژول موقعیت یابی GPS که اغلب به آن اشاره می کنیم، قسمت کاربر نامیده می شود. این سیگنال کد C/A پخش شده ماهواره را با فرکانس 1575.42 مگاهرتز دریافت و رمزگشایی می کند، درست مانند یک "رادیو". ماژول GPS سیگنال پخش نمی کند و یک دستگاه موقعیت یابی غیرفعال است. 
کلید کاربرد ماژول GPS در تدوین پروتکل ارتباط سریال نهفته است، یعنی قالب پروتکل ورودی و خروجی مربوطه ماژول. این پروتکل عمدتاً شامل انواع داده ها و فرمت های اطلاعات است که در میان آنها انواع داده ها عمدتاً شامل اطلاعات باینری و اطلاعات داده NMEA (انجمن ملی الکترونیک دریایی) می شود. این دو نوع اطلاعات را می توان از طریق پورت سریال با گیرنده GPS ارتباط برقرار کرد. 
ماژول GPS شبه فاصله را با هر ماهواره محاسبه می کند و از روش تقاطع فاصله برای به دست آوردن چهار پارامتر گیرنده، یعنی طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی، ارتفاع و تصحیح زمان استفاده می کند. مزیت این روش سرعت موقعیت یابی سریع آن است، اما خطا زیاد است. برای ماژول موقعیت یابی اولیه، حداقل 4 ماهواره باید در محاسبه دخیل باشند که به آن موقعیت یابی سه بعدی می گویند. با 3 ماهواره، می توان به موقعیت یابی 2 بعدی دست یافت، اما دقت خوبی ندارد. ماژول GPS به طور مداوم اطلاعات موقعیت یابی و اطلاعات کمکی را در قالب NMEA از طریق پورت ارتباط سریال خروجی می دهد که می تواند توسط گیرنده انتخاب و اعمال شود. 

اصل موقعیت یابی ماژول GPS 
24 ماهواره GPS در ارتفاع 12000 کیلومتری به دور زمین می چرخند و هر 12 ساعت یک مدار را کامل می کنند. این امر هر نقطه ای روی زمین را قادر می سازد تا همزمان بیش از 4 ماهواره را در هر زمان معینی مشاهده کند. 
از آنجایی که موقعیت ماهواره دقیقاً مشخص است، در مشاهدات GPS، فاصله از ماهواره تا گیرنده را می توان با استفاده از فرمول فاصله در سیستم مختصات سه بعدی محاسبه کرد. با کمک سه ماهواره، می توان سه معادله برای حل موقعیت نقطه مشاهده (X, Y, Z) تشکیل داد. با در نظر گرفتن خطای بین ساعت ماهواره و ساعت گیرنده، در واقع چهار مجهول وجود دارد: X, Y, Z و اختلاف ساعت. بنابراین، یک ماهواره چهارم باید معرفی شود تا چهار معادله برای حل تشکیل شود و در نتیجه طول، عرض جغرافیایی و ارتفاع نقطه مشاهده به دست آید. 
در واقع، گیرنده می تواند بیش از چهار ماهواره را قفل کند. در این مرحله، گیرنده می تواند ماهواره ها را با توجه به توزیع صورت فلکی آنها به چندین گروه تقسیم کند که هر گروه از چهار ماهواره تشکیل شده است. سپس، از طریق الگوریتم ها، می تواند گروهی را با کمترین خطا برای موقعیت یابی انتخاب کند و در نتیجه دقت را بهبود بخشد. 
با توجه به خطاهای موجود در مدار و ساعت ماهواره، و همچنین تأثیر تروپوسفر و یونوسفر بر سیگنال، دقت موقعیت یابی GPS غیرنظامی تنها 10 متر است. برای بهبود دقت موقعیت یابی، فناوری GPS تفاضلی (DGPS) معمولاً اتخاذ می شود. یک ایستگاه مرجع (ایستگاه DGPS) برای مشاهدات GPS ایجاد شده است. با استفاده از مختصات دقیق ایستگاه مرجع شناخته شده و مقایسه آنها با مقادیر مشاهده شده، یک ضریب تصحیح به دست می آید و در اختیار عموم قرار می گیرد. پس از دریافت این ضریب تصحیح توسط گیرنده، آن را با مقادیر مشاهده شده خود مقایسه می کند، بیشتر خطاها را حذف می کند و موقعیت دقیق تری به دست می آورد. آزمایش ها نشان می دهد که با استفاده از DGPS، دقت موقعیت یابی را می توان به 5 متر بهبود بخشید.