ماهیت امواج GPS
امواج ارسالی از ماهواره های سامانه موقعیت یابی جهانی (GPS) همگی امواجی الکترومغناطیسی هستند. و با توجه به این که نور خود یک نوع موج الکترومغناطیس هست بنابراین این امواج خواصی مشابه امواج نوری دارند.
محل قرار گیری ماهواره های GPS در مدار
ماهواره های GPS در ارتفاع ۲۰۲۰۰ کیلومتری از سطح زمین (یعنی خارج از جو زمین) قرار دارند. تعداد این ماهواره ها در حال حاضر ۳۲ عدد است که در ۶ مدار با زاویه میل ۵۵ درجه نسبت به استوا در حال حرکت اند.
طبقه بندی لایه های جوی
لایه های جوی کره زمین را به چهار قسمت تقسیم می کنند.
تروپوسفر
استراتوسفر
مزوسفر
ترموسفر
اگزوسفر (بیرونی ترین لایه با ارتفاع ۸۰۰ کیلومتری)
شکست نور و امواج الکترومغناطیسی
می دانیم که هر موج الکترومغناطیسی با سرعتی ثابت در محیط منتشر می شود و اگر این موج وارد محیطی جدید با غلظتی متفاوت گردد به دلیل تغیر ناگهانی سرعت مسیر آن نیز منحرف می شود. امواج ارسالی از ماهواره های GPS نیز از این امر مستثنی نیستند و با عبور از لایه های جوی زمین دچار انحراف از مسیر میگردند.
تاثیر لایه های جوی زمین بر روی امواج الکترومغناطیس (کدام لایه از لایه های جوی زمین بیشتر از همه بر روی امواج تاثیر گذارند؟)
بخشی از اتمسفر زمین، که توسط اشعه های خورشیدی یونیزه شده را یونوسفر می‌نامیم. یونسفر دارای الکترون های آزاد است. یونوسفر به عنوان گستره‌ای از ترموسفر محسوب می‌شود و نمی‌توان آن را به عنوان جزء جدایی از لایه‌های اتمسفر زمین به حساب آورد.این لایه به طور تقریبی در بازه ۵۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری سطح زمین قرار دارد. این لایه به دلیل خاصیت یونیزه بودن باعث شکست موج های الکترومغناطیسی ارسال شده از ماهواره ها می گردد.
لایه یونسفر به سه ناحیه کلی F ،D ،E تقسیم می‌شود.
شدت تاثیر لایه یونسفر بر امواج الکترومغناطیسی
این لایه باعث انحراف امواج الکترومغناطیس می شود و این خاصیتی متضرر کننده را برای ما متصور می شود در حالی که اگر این خاصیت در لایه یونسفر وجود نداشت انسان برای مخابره امواج الکترومغناطیس بر روی سطح زمین به فرستنده های تا هزار برابر قوی تر از فرستنده های کنونی نیاز داشت. در حق واقع خاصیت یونیزه بودن این لایه باعث می گردد امواج رادیویی ارسال شده از دکل های زمینی که به سمت آسمان منتشر می شوند دوباره بازتاب کرده و به سطح زمین برگردند.
اهمیت انحراف امواج GPS ها در اندازه گیری فاصله
سیستم های تعین موقعیت ماهواره ای بر اساس سرعت موج های ارسالی و اندازه گیری اختلاف زمان ارسال و دریافت این امواج کار می کنند.
سرعت ثابت موج در یک ثانیه × (زمان ارسال از ماهواره – زمان دریافت توسط گیرنده) = فاصله ماهواره تا گیرنده
امواج الکترو مغناطیسی ارسال شده از ماهواره ها با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه منتشر می شوند. هنگامی که به این عدد توجه کنید در می یابید که انحراف این امواج به چه میزان خطا را در اندازه گیری فاصله ایجاد می کنند.
به عنوان مثال اگر به دلیل قوسی شدن مسیر موج تا گیرنده ۰/۰۰۱ ثانیه وقفه ایجاد گردد خطایی به اندازه ۳۰۰ کیلومتر در اندازه گیری فاصله ایجاد می شود که عددی غیر قابل قبول است.
خمیده شدن مسیر حرکت موج باعث طولانی تر شدن مسیر و در نتیجه اخلال در زمان پیمایش مسیر می گردد.
نتیجه گیری
به دلیل خطای فاحشی که لایه یونسفر در اندازه گیری های این سیستم ایجاد می کند عملا کار آن را مختل نموده و مشاهداتی سر تا سر اشتباه برای کاربر فراهم می نماید اما این پایان ماجرا نیست و می باید این اثر را در اندازه گیری ها حذف نمود حذف این خطاها کار چندان ساده ای نیست چرا که میزان انحرافات ایجاد شده هیچگاه یکسان نبوده و نیستند پس نمی توان به صورت خطاهای سیستماتیک با آن ها برخورد نمود بنابراین می باید راه حلی دیگر اختیار کرد در واقع راه حل به کار گرفته شده در اینجا همان ماهیت سیستماتیک بودن خطای یونسفر را در بر دارد با این تفاوت که تشخیص میزان آن با یک ترفند بسیار جالب و البته کاربردی است که نشات گرفته از خواص امواج الکترو مغناطیسی هست.
استفاده از دو موج با فرکانس های متفاوت به طور همزمان
دو موج L1 و L2 که اطلاعات ساعت ماهواره بر روی آن ها مدوله شده در یک زمان واحد ارسال می شوند هر دو موج با هم وارد لایه یونسفر شده و منحرف می گردند اما انحراف آن ها به یک اندازه نیست سپس وارد تروپوسفر شده و نهایتا به آنتن گیرنده می رسند. گیرنده این دو موج را با اختلاف زمانی دریافت می کند و زمان ورود آن ها را ثبت کرده و با توجه به زمان ارسال که توسط امواج مخابره گشته به محاسبه میزان وقفه ایجاد شده در یونسفر می پردازد و آن را از مشاهدات کسر می کند بدین ترتیب خطای یونسفر تصحیح می شود.
