کالبدشکافی جی‌پی‌اس: گوشی شما واقعاً چگونه بدون اینترنت مکان شما را پیدا می‌کند؟

بسیاری از مردم تصور می‌کنند وقتی اپلیکیشن نقشه را باز می‌کنند، گوشی آن‌ها سیگنالی به فضا می‌فرستد و از ماهواره می‌پرسد: «من کجا هستم؟» و ماهواره پس از ردیابی، پاسخ را برمی‌گرداند. همچنین این باور عمومی وجود دارد که بدون اتصال به اینترنت یا آنتن موبایل، جی‌پی‌اس (GPS) کاملاً از کار می‌افتد. هر دوی این تصورات از اساس اشتباه هستند. جی‌پی‌اس یک خیابان یک‌طرفه است و گوشی شما در این فرآیند کاملاً منفعل عمل می‌کند.[1][3]

واقعیت این است که سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) شبکه‌ای متشکل از ۳۱ ماهواره فعال است که در ارتفاع حدود ۲۰ هزار و ۲۰۰ کیلومتری زمین در حال گردش‌اند. این ماهواره‌ها اصلاً نمی‌دانند که شما وجود دارید. آن‌ها گوشی، خودرو یا ساعت هوشمند شما را ردیابی نمی‌کنند. در عوض، این ماهواره‌ها صرفاً «ساعت‌های پرنده» بسیار دقیق و پرسر و صدایی هستند که بی‌وقفه موقعیت مکانی خود و زمان دقیق را به سمت زمین مخابره می‌کنند.[1][2]

تراشه جی‌پی‌اس درون گوشی شما تنها یک گیرنده رادیویی است که به این پخش همگانی گوش می‌دهد. وقتی گوشی سیگنالی را از یک ماهواره دریافت می‌کند، زمان ارسال سیگنال را با زمان رسیدن آن مقایسه می‌کند. از آنجا که امواج رادیویی با سرعت نور (حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه) حرکت می‌کنند، گوشی می‌تواند با یک ضرب ساده، فاصله دقیق خود را تا آن ماهواره محاسبه کند. این فرآیند هندسی «تری‌لاتراسیون» (Trilateration) نامیده می‌شود و با مثلث‌سازی متفاوت است.[1][2]

تصور کنید گوشی شما متوجه می‌شود که دقیقاً ۲۲ هزار کیلومتر با ماهواره الف فاصله دارد. این یعنی شما در نقطه‌ای روی سطح یک کره فرضی و غول‌پیکر به شعاع ۲۲ هزار کیلومتر قرار دارید. با اضافه شدن فاصله از ماهواره ب، مکان‌های احتمالی به یک دایره (محل تقاطع دو کره) محدود می‌شود.

با محاسبه فاصله از ماهواره سوم، این دایره به تنها دو نقطه در فضا کاهش می‌یابد که معمولاً یکی از آن‌ها در اعماق فضا یا درون هسته زمین است و نقطه دیگر، مکان دقیق شما روی سطح زمین خواهد بود.[2]

اما در اینجا یک چالش بزرگ وجود دارد. نور با چنان سرعتی حرکت می‌کند که تنها یک میکروثانیه (یک میلیونیم ثانیه) خطا در ساعت گوشی شما، منجر به ۳۰۰ متر خطا در محاسبه مکان می‌شود. ماهواره‌های جی‌پی‌اس به ساعت‌های اتمی چند میلیون دلاری مجهزند که تا سطح نانوثانیه دقیق‌اند، اما گوشی شما یک ساعت کوارتز ارزان‌قیمت دارد.

برای حل این مشکل، گوشی به سیگنال ماهواره چهارم نیاز دارد. این سیگنال چهارم به پردازنده گوشی اجازه می‌دهد تا خطای ساعت خود را از نظر ریاضی محاسبه کرده و عملاً زمان گوشی را با زمان اتمی فضا همگام‌سازی کند.[2]

از اینجا به بعد، پای فیزیک نظری به میان می‌آید. از آنجا که ماهواره‌های جی‌پی‌اس با سرعت ۱۴ هزار کیلومتر بر ساعت در مدار حرکت می‌کنند، طبق نظریه «نسبیت خاص» اینشتین، زمان برای آن‌ها کمی کندتر از ساعت‌های روی زمین می‌گذرد. این سرعت باعث می‌شود ساعت ماهواره‌ها روزانه حدود ۷ میکروثانیه عقب بیفتد.

از سوی دیگر، چون این ماهواره‌ها در فاصله ۲۰ هزار کیلومتری از مرکز زمین قرار دارند، گرانش بسیار ضعیف‌تری را تجربه می‌کنند. بر اساس نظریه «نسبیت عام» اینشتین، هرچه گرانش ضعیف‌تر باشد، زمان سریع‌تر می‌گذرد. این اثر گرانشی باعث می‌شود ساعت ماهواره‌ها روزانه حدود ۴۵ میکروثانیه تندتر کار کند.

وقتی این دو اثر متضاد نسبیتی را با هم ترکیب کنیم، ساعت‌های اتمی روی ماهواره‌های جی‌پی‌اس روزانه حدود ۳۸ میکروثانیه سریع‌تر از ساعت‌های روی زمین تیک می‌زنند. اگر مهندسان هوافضا این ماهواره‌ها را طوری برنامه‌ریزی نمی‌کردند که این تفاوت دقیق را جبران کنند، سیستم جی‌پی‌اس هر روز بین ۱۰ تا ۱۱ کیلومتر خطای محاسباتی انباشته می‌کرد. در کمتر از یک هفته، این سیستم برای ناوبری کاملاً بی‌مصرف می‌شد. توانایی شما برای پیدا کردن یک کافه در خیابان، مستقیماً به مکانیک کوانتومی و معادلات اینشتین وابسته است.

پس چرا وقتی اینترنت گوشی را قطع می‌کنید، اپلیکیشن نقشه برای پیدا کردن مکان شما به تقلا می‌افتد؟ پاسخ در سیستمی به نام «جی‌پی‌اس کمکی» (A-GPS) نهفته است. دانلود مستقیم اطلاعات مداری تمام ماهواره‌ها (معروف به سالنامه یا Almanac) از طریق سیگنال رادیویی ضعیف ماهواره، ممکن است تا ۱۲ دقیقه طول بکشد.[2][3]

برای دور زدن این انتظار طولانی، گوشی شما از اتصال اینترنت (وای‌فای یا دیتای موبایل) استفاده می‌کند تا موقعیت فعلی ماهواره‌ها را در کسری از ثانیه از یک سرور زمینی دانلود کند. اینترنت مکان شما را پیدا نمی‌کند؛ بلکه فقط یک «تقلب‌نامه» به تراشه جی‌پی‌اس می‌دهد تا بداند دقیقاً باید به کدام قسمت از آسمان گوش دهد. به محض اینکه گوشی روی ماهواره‌ها قفل شد، می‌توانید اینترنت را کاملاً قطع کنید و جی‌پی‌اس واقعی همچنان با دقت کامل، حرکت شما را در سراسر کره زمین ردیابی خواهد کرد.[2][3]