ขนาดของ GPS และการจัดการกับคำขอนับล้านต่อวินาทีและตอบสนองแบบเรียลไทม์เป็นอย่างไร

ทุกวันนี้เกือบทุกคนที่เป็นเจ้าของสมาร์ทโฟนหรืออุปกรณ์ GPS บางแห่ง อุปกรณ์เหล่านี้ดูเหมือนจะอัปเดตตามเวลาจริงด้วย ดาวเทียม GPS มีความสามารถในการตอบสนองต่อคำขอที่อาจเกิดขึ้นหลายล้านคำขอจากอุปกรณ์ที่แตกต่างกันหลายล้านเครื่องและอัปเดตอุปกรณ์ทั้งหมดนับล้านในเวลาจริงโดยไม่ล่าช้า

ตามที่ฉันเข้าใจแล้วเว็บไซต์ที่มีปริมาณการใช้ข้อมูลแม้ในพันนั้นจะช้าลงหากไม่ได้เตรียมไว้อย่างเหมาะสม GPS จะรับมือกับปริมาณการเข้าชมที่ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ที่จะจัดการได้อย่างไร

หากมีคนยืนบนยอดเขาเหนือเมืองใหญ่และตะโกนว่า "พวกมองโกลกำลังมา!" จากนั้นทุกคนรู้ว่ามีอะไรเกิดขึ้นและพวกเขาออกนอกเมือง การเฝ้าระวังไม่จำเป็นต้องพูดว่า "เฮ้ทิมมี: ชาวมองโกลกำลังมา! เฮ้จอห์น: พวกมองโกลกำลังมา! เฮ้ซาร่าห์ ... "

จีพีเอสเป็นเพียงดาวเทียมจำนวนหนึ่งในวงโคจรที่กรีดร้องว่า "ฉันมาที่นี่แล้ว!" ในความถี่วิทยุ เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสพยายามที่จะทำให้ดาวเทียมที่แตกต่างส่งเสียงกรีดร้องตำแหน่งของพวกเขาและทำตัวเลขให้ "ถ้าดาวเทียมที่ 1 อยู่ที่นั่นและดาวเทียมที่ 2 อยู่ที่นั่นและดาวเทียม 3 นั้นอยู่ในจุดนั้น ... ฉันต้อง อยู่ที่นี่สักแห่ง "

ในทางเทคนิคผู้รับกำลังรับฟังการประทับเวลาและตำแหน่งการโคจรของดาวเทียม GPS แต่ละเครื่อง มันคำนวณเวลาที่สัญญาณดาวเทียมที่แตกต่างกันไปถึงผู้รับซึ่งจะให้ระยะห่างจากดาวเทียมแต่ละดวง เมื่อพิจารณาระยะทางจากดาวเทียมแต่ละดวงคุณรู้ตำแหน่งของคุณเอง

อย่างไร? ลองนึกภาพสามดวงในวงโคจรและคุณอยู่บนโลกด้วยไม้ยาวในระหว่าง แท่งเหล่านั้นจะไปพบในจุดเดียวเท่านั้น ด้วยดาวเทียมหนึ่งดวงและแท่งความยาวคงที่หนึ่งอันคุณสามารถอยู่ที่ใดก็ได้บนทรงกลมรอบ ๆ ดาวเทียม ด้วยดาวเทียมสองดวงคุณสามารถอยู่ที่ใดก็ได้ในวงกลมที่อยู่กึ่งกลางระหว่างดาวเทียมทั้งสอง ด้วยดาวเทียมสามดวงตำแหน่งของคุณโดยทั่วไปจะอยู่ในจุดเดียวเท่านั้น โดยปกติจำเป็นต้องใช้ดาวเทียมสี่ดวงเพื่อความแม่นยำใด ๆ (การคำนวณระยะทางจากดาวเทียมมักไม่แม่นยำดังนั้นการรู้ระยะทางจากดาวเทียมมากขึ้นจะดีกว่า)

ดาวเทียม GPS เป็นเพียงเครื่องส่งสัญญาณ (เท่าที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณ GPS) และปลายอีกด้านเป็นเพียงเครื่องรับ ไม่มีการสื่อสารสองทิศทางและดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องให้ดาวเทียมดูแลเกี่ยวกับจำนวนของอุปกรณ์ โดยทั่วไปดาวเทียมจะส่งสัญญาณตำแหน่งของตนเองในบางช่วงเวลาและผู้รับคำนวณตำแหน่งของมันโดยใช้ข้อมูลนั้นดังนั้นงานทั้งหมดจะทำโดยผู้รับ

กล่าวโดยย่อคือไม่มี "คำขอ" เหมือนกับไม่มี "คำขอ" สำหรับวิทยุและโทรทัศน์อะนาล็อกแบบดั้งเดิม

ดาวเทียมไม่ตอบสนอง พวกเขาส่งสัญญาณและลูกค้า GPS ได้รับมัน ฉันหมายถึงอุปกรณ์ GPS ของคุณไม่จำเป็นต้องส่งสิ่งใดไปยังดาวเทียม แต่เพิ่งได้รับจากดาวเทียมและนั่นก็เพียงพอแล้ว อุปกรณ์ GPS ของคุณจำเป็นต้องรับสัญญาณจากดาวเทียมมากขึ้นจากนั้นจะมีการคำนวณทางคณิตศาสตร์เพื่อคำนวณตำแหน่งของตัวเอง

ดังนั้นคำตอบสั้น ๆ คือมันขนานกันอย่างหนาแน่น :-)

ระยะทางจากดาวเทียมแต่ละดวงไปยังตำแหน่งของคุณคำนวณจากเวลาที่ใช้ในการส่งสัญญาณเพื่อเดินทาง 20,200 กม. (12,600 ไมล์) เมื่อค่าใช้จ่ายซึ่งสูงถึง 26,600 กม. (16,500 ไมล์) เมื่ออยู่บนขอบฟ้าไปยังเครื่องรับของคุณ เมื่อสัญญาณเดินทางที่ 300,000 km / s เวลาที่ใช้อยู่ระหว่าง 89 และ 67 มิลลิวินาทีดังนั้นจึงต้องทำการวัดด้วยความแม่นยำระดับนาโนวินาที หนึ่งในสิ่งที่น่าทึ่งที่สุดเกี่ยวกับ GPS คือวิธีที่นาฬิการาคาถูกและเรียบง่ายในตัวรับสัญญาณถูกสร้างขึ้นมาให้มีความแม่นยำเช่นเดียวกับนาฬิกาที่ซับซ้อนและมีราคาแพงมากในดาวเทียม

Darron อธิบายว่าการแก้ไขนั้นทำได้อย่างไรโดยใช้ดาวเทียมสี่ดวง หนึ่งกำหนดทรงกลมที่สองตัดนี้เป็นวงกลมที่สามตัดวงกลมในสองจุดและที่สี่แยกสองจุดเหล่านี้ หากมีการสันนิษฐานว่าผู้รับอยู่ใกล้พื้นผิวโลกก็สามารถใช้สิ่งนี้แทนการวัดดาวเทียมดวงที่สี่ โดยหลักการแล้วสิ่งเหล่านี้ควรตัดกันที่จุดเดียว แต่ในทางปฏิบัติหากไม่มีการแก้ไขพวกมันจะกระจายออกไปเล็กน้อยเนื่องจากนาฬิการับสัญญาณทำงานเร็วหรือช้า ด้วยการปรับอัตรานาฬิกาเพื่อให้ใกล้เคียงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จะได้รับความแม่นยำของเวลา สเปรดที่เหลือคือการวัดความแม่นยำของการแก้ไข

ในสมัยก่อนของการนำทางโดยเที่ยงตรงสำหรับลองจิจูดทุกสิ่งที่จำเป็นจริงๆคือนาฬิกาที่เสถียรมาก แม้ว่านาฬิกาจะวิ่งช้าหรือเร็วเล็กน้อย แต่ก็ไม่สำคัญเท่าที่ทราบอัตรา มันง่ายในการคำนวณเวลาที่แน่นอนจากอัตราและระยะเวลาตั้งแต่นาฬิกาถูกตรวจสอบกับเวลาที่แม่นยำเช่นการยิงปืนเที่ยงในพอร์ต ในทำนองเดียวกันสิ่งที่จำเป็นจริงๆในเครื่องรับสัญญาณ GPS คือนาฬิกาที่เรียบง่าย แต่มีเสถียรภาพด้วยอัตราการทำงานตามที่กล่าวไว้ข้างต้นเพื่อให้คุณเทียบเท่ากับ "นาฬิกาอะตอมในมือของคุณ"