قطب نما چیست و چگونه کار میکند؟

به گزارش صدای ایران، سوزن آزاد است تا روی یک محور درون محفظه قطب نما بچرخد. هنگامی که قطب نما در یک سطح نگه داشته می شود، سوزن خود را با میدان مغناطیسی زمین هماهنگ می کند. انتهای شمالی سوزن به قطب شمال مغناطیسی زمین اشاره دارد که با قطب شمال جغرافیایی یکسان نیست. تفاوت بین این دو را میل مغناطیسی می نامند.

میدان مغناطیسی زمین از حرکت آهن مذاب در هسته زمین ایجاد می شود. میدان مغناطیسی در قطب های مغناطیسی زمین قوی ترین و در استوا ضعیف ترین است. میدان مغناطیسی زمین دائماً در حال تغییر است، بنابراین جهت سوزن قطب نما ممکن است کاملاً دقیق نباشد.

برای استفاده از قطب نما، آن را در سطح نگه دارید و بچرخانید تا سوزن با علامت "N" روی محفظه قطب نما هماهنگ شود. این جهت شمال مغناطیسی است. سپس می توانید از قطب نما برای یافتن جهات دیگر با چرخاندن محفظه قطب نما استفاده کنید تا جهت مورد نظر با علامت "N" تراز شود.

در اینجا چند نکته برای استفاده از قطب نما آورده شده است:

قطب نما را در سطح و دور از اجسام فلزی نگه دارید.
قطب نما را از میدان های مغناطیسی دور نگه دارید، مانند میدان های تولید شده توسط خطوط برق یا تلفن های همراه.

اگر سوزن قطب نما آزادانه حرکت نمی کند، به آرامی روی آن ضربه بزنید تا حرکت کند.

اگر سوزن قطب نما به علامت "N" اشاره نمی کند، تنظیم میل را روی قطب نما تنظیم کنید تا تفاوت بین شمال مغناطیسی و شمال جغرافیایی را جبران کنید.

قطب نما یک ابزار ارزشمند برای ناوبری، چه در داخل و چه در خارج از منزل است. استفاده از آنها آسان است و در صورت استفاده صحیح می توانند بسیار دقیق باشند.

یک قطب نما با استفاده از میدان مغناطیسی طبیعی زمین برای تراز کردن سوزن مغناطیسی داخلی آن به سمت شمال مغناطیسی کار می کند. خود زمین مانند یک آهنربای غول پیکر عمل می کند، با قطب های مغناطیسی نزدیک، اما نه دقیقاً با قطب های جغرافیایی شمال و جنوب.

مغناطیس سیاره از جریان های الکتریکی تولید شده توسط فلزات مذاب در هسته بیرونی ناشی می شود. این یک میدان مغناطیسی عظیم ایجاد می کند که زمین را احاطه کرده است.

در داخل قطب نما، یک سوزن مغناطیسی کوچک اجازه دارد تا آزادانه روی یک بلبرینگ با اصطکاک کم بچرخد. سوزن توسط القایی مغناطیسی می شود - با نوازش مکرر با آهنربای دائمی یا عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ سیم اطراف آن. این باعث می شود سوزن مغناطیسی با هم تراز کردن حوزه های میکروسکوپی درون فلز باشد.

اکنون وقتی به این سوزن مغناطیسی اجازه داده شود که بچرخد، انتهای قطب شمال آن به سمت قطب شمال مغناطیسی زمین که تقریباً با شمال جغرافیایی آن همخوانی دارد، جذب می شود. به طور مشابه، قطب جنوب سوزن قطب نما با جنوب مغناطیسی زمین همسو می شود. این تراز باعث می شود که سوزن به سمت شمال واقعی باشد.

 

محفظه قطب نما حاوی مایع میرایی است که به سوزن اجازه می دهد تا به راحتی جهت گیری کند و در عین حال به سرعت در جای خود قرار گیرد. سپس جهت سوزن را می توان در مقابل صفحه قطب نما مدرج برای تعیین سرفصل خواند.

بنابراین نیروهای مغناطیسی نامرئی بین سوزن مغناطیسی شده و میدان ژئومغناطیسی سیاره باعث می شود که سوزن به عنوان یک نشانگر جهت عمل کند. قطب نماها روشی ساده و مبتکرانه برای بهره برداری از مغناطیس برای یافتن جهت های اصلی و امکان ناوبری بر روی زمین ارائه می دهند.

در اینجا توضیحی درباره نحوه عملکرد قطب نماهای آنلاین آمده است:

برخلاف قطب‌نماهای مغناطیسی سنتی، قطب‌نماهای آنلاین (digital compass online free) به یک سوزن مغناطیسی که به قطب‌های مغناطیسی زمین اشاره می‌کند تکیه نمی‌کنند. در عوض، آنها از داده های ماهواره های GPS و حسگرهای داخلی در تلفن های هوشمند و دستگاه ها برای تعیین جهت و جهت استفاده می کنند.

قطب نماهای آنلاین با استفاده از سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) کار می کنند. ماهواره های GPS به طور پیوسته سیگنال های رادیویی را که حاوی اطلاعات موقعیت مکانی آنها است، ارسال می کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس روی زمین از این سیگنال‌ها برای مشخص کردن موقعیت خود از طریق سه لایه‌بندی استفاده می‌کنند.

با مقایسه تفاوت در زمان رسیدن سیگنال های GPS از ماهواره های مختلف، می توان طول، طول و ارتفاع دقیق گیرنده را به طور دقیق محاسبه کرد. این موقعیت جغرافیایی مطلق را فراهم می کند.

 

برنامه های قطب نما گوشی های هوشمند این مختصات GPS را از تراشه گیرنده GPS داخلی دریافت می کنند. با استفاده از توابع مثلثاتی و مکان دقیق، این برنامه می تواند جهت های اصلی و میان کاردینال شمال، جنوب، شرق و غرب را نسبت به دستگاه استخراج کند.

علاوه بر این، سنسور مغناطیس‌سنج موجود در گوشی‌های هوشمند برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی زمین برای افزایش داده‌های GPS استفاده می‌شود. شتاب سنج گوشی هوشمند شیب و جهت را تعیین می کند، در حالی که ژیروسکوپ چرخش را دنبال می کند.

با ترکیب این ورودی ها - مکان GPS، مغناطیس سنج، شتاب سنج و ژیروسکوپ - برنامه قطب نما می تواند خوانش های جهتی سریع و دقیق را ارائه دهد. هنگام حرکت کاربر، جهت دستگاه به صورت پویا روی صفحه نمایش داده می شود.

برخی از مزایای قطب نمای آنلاین:

- تحت تأثیر فلزات آهنی یا ناهنجاری های مغناطیسی موضعی قرار نگیرد
- می تواند شمال واقعی را برخلاف شمال مغناطیسی پیدا کند
- از GPS برای دقت به همراه سنسورهای جهت یابی استفاده کنید
- زمان پاسخ سریع و ردیابی جهت صاف
- ویژگی های مفید مانند یکپارچه سازی نقشه، مختصات دقیق، کمک های ناوبری

محدودیت اصلی وابستگی به اتصال به اینترنت و سیگنال های GPS است که می تواند مختل شود. اما با بهبود شبکه های ماهواره ای و فناوری، قطب نماهای آنلاین ابزار ناوبری قدرتمندی را ارائه می دهند.

قطب نماهای آنلاین موجود در تلفن های هوشمند و دستگاه های GPS عموماً دقیق تر از قطب نماهای مغناطیسی سنتی هستند. در اینجا دقت بین این دو مقایسه شده است:

- قطب نماهای مغناطیسی تنها به میدان مغناطیسی زمین برای تراز کردن سوزن مغناطیسی خود متکی هستند. این بدان معنی است که آنها می توانند تحت تأثیر هر گونه اجسام فلزی یا میدان های مغناطیسی خارجی در مجاورت قرار بگیرند که باعث تداخل می شود. قطب نماهای آنلاین تحت تأثیر چنین اعوجاج های مغناطیسی محلی قرار نمی گیرند.

 

- میدان مغناطیسی زمین به خودی خود در مکان های مختلف با بی نظمی ها و ناهنجاری ها متفاوت است. قطب شمال مغناطیسی نیز با گذشت زمان تغییر می کند. قطب نماهای آنلاین از شمال جغرافیایی واقعی از GPS به عنوان مرجع استفاده می کنند نه شمال مغناطیسی متغیر.

- قطب‌نماهای مغناطیسی باید به طور دوره‌ای کالیبره شوند، زیرا سوزن می‌تواند به مرور زمان خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهد. قطب نماهای آنلاین با کاهش دقت مشکلی ندارند.

- قطب نماهای تلفن هوشمند از ورودی های متعددی استفاده می کنند - GPS، مغناطیس سنج، ژیروسکوپ، شتاب سنج - که به طور جمعی توسط الگوریتم ها برای تعیین جهت تجزیه و تحلیل می شوند. این باعث می شود آنها قوی تر شوند.

- GPS دقت موقعیت مکانی را تا 5-10 متر برای اکثر گوشی های هوشمند فراهم می کند. تکنیک‌های اضافی مانند ASSISTED-GPS و مثلث‌سازی برج‌های سلولی این امر را بیشتر می‌کنند. قطب نماهای مغناطیسی هیچ مفهومی از مکان مطلق کاربر ندارند.

- گیرنده های GPS پیشرفته مورد استفاده در نقشه برداری حتی می توانند به دقت مکان در 1-2 سانتی متر دست یابند. قطب نماهای آنلاین که روی این داده ها ضربه می زنند می توانند بسیار دقیق باشند.

- قطب نماهای آنلاین به دلیل سنسورهای الکترونیکی در مقابل سوزن فیزیکی، زمان پاسخ سریع تری دارند. با حرکت کاربر و تغییر جهت دستگاه، مسیرها فوراً روی صفحه به روز می شوند.

با این حال، قطب‌نماهای مغناطیسی در غیاب GPS، اتصال به اینترنت یا منابع انرژی هنوز به طور قابل اعتماد کار می‌کنند. اما برای بیشتر اهداف کلی ناوبری، قطب نماهای آنلاین دقیق تر و قابل اعتمادتر هستند. دقت دقیق بستگی به دستگاه و محیط دارد. با پیشرفت مداوم در فناوری حسگر و GPS، دقت قطب نما آنلاین همچنان بهتر می شود.

قطب‌نماهای آنلاین می‌توانند در مناطقی با سیگنال‌های GPS ضعیف یا غایب با چالش‌های دقت مواجه شوند، اما گزینه‌هایی برای کارکرد قابل اعتماد دارند:

- استفاده از نقشه‌های آفلاین: بسیاری از برنامه‌های قطب‌نمای گوشی‌های هوشمند نقشه‌ها و نشانه‌های آفلاین را از قبل بارگذاری می‌کنند. با ترکیب این موارد با ردیابی اینرسی با استفاده از شتاب‌سنج و ژیروسکوپ، می‌توانند جهت‌ها را تقریبی کنند.

- مثلث سازی سلولی: اگرچه دقت کمتری نسبت به GPS دارد، اما تعیین مکان از طریق سیگنال های برج سلولی می تواند قطب نما را قادر به تخمین جهت کند.

- موقعیت‌یابی WiFi: مکان‌های شبکه‌های WiFi در نزدیکی می‌توانند به مثلث‌سازی موقعیت دستگاه مشابه برج‌های سلولی کمک کنند.
- سنسور مغناطیس سنج: قطب نما می تواند تنها به مغناطیس سنج تکیه کند که میدان مغناطیسی زمین را مانند یک قطب نما سنتی حس می کند. این اطلاعات جهت گیری اولیه را فراهم می کند.

- ذخیره سازی: برنامه ها ممکن است آخرین مکان شناخته شده GPS را در حافظه پنهان ذخیره کنند و آن را با ورودی های آفلاین مانند نقشه ها ترکیب کنند تا عملکرد قطب نما را برای مدتی حفظ کنند.

- تجزیه و تحلیل فرکانس: مغناطیس سنج می تواند با استفاده از الگوریتم های پردازش سیگنال سعی کند میدان مغناطیسی زمین را از تداخل محیطی جدا کند.

- ورودی و حسگرهای کاربر: رویکردهای ترکیبی که انتخاب نقطه عطف کاربر، اینرسی، ارتفاع و غیره را همراه با داده های مغناطیسی در نظر می گیرد.

با این حال، بیشتر این موارد نسبت به دسترسی مستقیم GPS دقت کمتری دارند. برای ناوبری حیاتی، قطب‌نماهای فیزیکی یا ارتباطات ماهواره‌ای تخصصی ممکن است در مناطق فاقد GPS ترجیح داده شوند.

برخی از تکنیک ها مانند استفاده از ناهنجاری های مغناطیسی به عنوان نشانه ها نیز کمک می کند. اما به طور کلی، قطب‌نماهای آنلاین زمانی بهترین عملکرد را دارند که دسترسی واضح به چندین ماهواره برای مثلث‌سازی مکان از طریق GPS در دسترس باشد. با بهبود فناوری، قابلیت اطمینان آنها همچنان بهتر می شود.

سیستم موقعیت یاب جهانی یا GPS به یک فناوری ضروری در زندگی مدرن تبدیل شده است. در حالی که قطب نماهای آنلاین یکی از کاربردهای محبوب GPS را در تعیین مسیرها نشان می دهند، بسیاری از کاربردهای همه کاره دیگر در زمینه های مختلف وجود دارد. ما در اینجا برخی از برنامه های کاربردی کلیدی GPS در دنیای واقعی را بررسی می کنیم.

ناوبری امروزه گسترده ترین استفاده از GPS است. از سیستم های داشبورد خودرو گرفته تا گوشی های هوشمند، GPS به حرکت از نقطه ای به نقطه دیگر کمک می کند. GPS با تعیین دقیق موقعیت کاربر بر روی نقشه، کارآمدترین مسیر را برای رسیدن به مقصد ترسیم می کند. راهنمایی گام به گام با ETAهای به روز رسانی مداوم ارائه می شود. ناوبری GPS سفر و رفت و آمد را بسیار آسان کرده است.

ناوبری GPS در برنامه هایی مانند Google Maps و Apple Maps تعبیه شده است. دستگاه‌های GPS اختصاصی نیز از برندهایی مانند Garmin و TomTom در دسترس هستند. ویژگی هایی مانند نظارت بر ترافیک، کمک بین خطوط، هشدارهای خطر و دسترسی آفلاین، ناوبری GPS را به یک ابزار ضروری تبدیل می کند. کاربرد آن برای افراد دارای چالش جهت دار می درخشد. GPS به کاهش احتمال گم شدن افراد در مناطق ناآشنا کمک کرده است.

ردیابی GPS امکان نظارت بر موقعیت مکانی افراد یا وسایل نقلیه را از راه دور فراهم می کند. والدین می‌توانند با استفاده از ردیاب‌های جی‌پی‌اس از کودکان مطلع شوند. شرکت ها وسایل نقلیه ناوگان خود را برای بهینه سازی مسیرها و اطمینان از تحویل به موقع ردیابی می کنند. نیروی انتظامی خودروهای مظنونان را ردیابی می کند. حتی حیوانات خانگی و چمدان ها را می توان از طریق GPS ردیابی کرد.

عملکرد ردیابی متکی بر ارسال اطلاعات موقعیت به طور مداوم از دستگاه GPS به یک سرور مرکزی یا تلفن است. این امکان ایجاد تاریخچه حرکت و هشدار در صورت عبور از مرزهای خاص را فراهم می کند. ردیاب‌های GPS در بسیاری از سناریوها از اتوبوس مدرسه گرفته تا کانتینرهای حمل و نقل برای افزایش امنیت مستقر می‌شوند.

گیرنده های GPS با دقت بالا نقش عمده ای در نقشه برداری و نقشه برداری دارند. واحدهای با درجه نظرسنجی می توانند مکان ها را با دقت 2-3 سانتی متر تعیین کنند. این امکان نقشه برداری دقیق از ویژگی های توپوگرافی مانند تپه ها، رودخانه ها و همچنین زیرساخت های دست ساز را فراهم می کند. شبکه‌های ایستگاه مرجع که به‌طور مداوم کار می‌کنند، اصلاحاتی را ارائه می‌کنند که نقشه‌برداری را با دقت در سطح سانتی‌متری امکان‌پذیر می‌سازد.

نقشه برداری GPS سریعتر و ارزانتر از روشهای سنتی است. این امکان بررسی مناطق دورافتاده یا دشوار دسترسی مانند جنگل ها و کوه ها را فراهم می کند. داده های GPS امکان ایجاد نقشه های GIS را فراهم می کند که اطلاعات منظره را نشان می دهد. موقعیت های دقیق اساس نقشه برداری داده های جغرافیایی را تشکیل می دهند.

GPS در کشاورزی کاربردهایی مانند نظارت بر محصولات، نمونه برداری از خاک، هدایت تراکتور و موارد دیگر دارد. با نقشه برداری از مناطق مزرعه و نصب حسگرها، می توان رشد محصول را بر اساس مکان تجزیه و تحلیل کرد. این به بهینه سازی آبیاری، کودها و آفت کش ها کمک می کند. سیستم های تراکتور خلبان خودکار از RTK GPS برای ناوبری در سطح سانتی متری، شخم زدن و برداشت خودکار استفاده می کنند. قلاده های GPS موقعیت و سلامت گاو را ردیابی می کنند. به طور کلی، GPS بهره وری مزرعه را افزایش می دهد.

ساعت‌های اتمی روی ماهواره‌های GPS زمان‌بندی دقیق را در سراسر جهان تسهیل می‌کنند. زمان GPS تا نانوثانیه ثابت است و تحت تأثیر اغتشاشات آب و هوایی قرار نمی گیرد. سیستم هایی مانند شبکه های مخابراتی، تجارت مالی و شبکه های برق از ساعت های GPS برای همگام سازی عملیات استفاده می کنند. برنامه های کاربردی فازورها را در شبکه همگام می کنند در حالی که ایستگاه های پایه سلولی انتقال ها را همگام می کنند. زمان GPS نیز مرجع زمانی رایج برای کاربردهای علمی است.

دوربین های گوشی های هوشمند می توانند عکس ها را با مختصات GPS برای برچسب گذاری جغرافیایی برچسب گذاری کنند. این به سازماندهی تصاویر بر اساس مکان کمک می کند. اپلیکیشن‌هایی مانند Pokemon Go از GPS و دوربین گوشی برای همپوشانی گیم‌پلی روی محیط‌های دنیای واقعی استفاده می‌کنند. GPS برنامه های واقعیت افزوده تعاملی را فعال می کند. پهپادها از GPS برای ناوبری و همچنین برچسب گذاری عکس های هوایی با مکان های دقیق استفاده می کنند.

GPS بینش های بسیاری را برای دانشمندان در زمینه هایی مانند اقلیم شناسی، هواشناسی، زمین شناسی و غیره فراهم کرده است. بخار آب اتمسفر باعث تأخیر انتشار در سیگنال های GPS می شود. با کمی کردن این اختلالات، رطوبت را می توان با استفاده از GPS اندازه گیری کرد. حرکت صفحات تکتونیکی، افزایش سطح دریا، تورم آتشفشانی و عقب نشینی یخبندان را می توان از طریق موقعیت یابی دقیق GPS مطالعه کرد. هواشناسی GPS به پیش بینی آب و هوا کمک می کند.

GPS یک کمک ناوبری هوانوردی استاندارد همراه با سیستم های VOR و DME است. موقعیت دقیق هواپیما را ارائه می دهد که همراه با پایگاه داده به خلبانان اجازه می دهد مسیرها و مسافت ها را بدانند. روش های رویکرد GPS هواپیماها را با خیال راحت به باند فرودگاه در دید کم هدایت می کند. GPS همچنین سرعت زمین و سرعت باد را نیز اعلام می کند. سیستم های پشتیبان شامل SBAS و GBAS برای افزایش دقت و یکپارچگی GPS برای ناوبری هواپیما است.

وسایل نقلیه خودران برای اطلاع از موقعیت مکانی خود در هر زمان به شدت به GPS وابسته هستند. این خودروها داده‌های GPS را با نقشه‌های سه‌بعدی، داده‌های حسگرهایی مانند LiDAR و رادار و همچنین الگوریتم‌های هوش مصنوعی ترکیب می‌کنند تا با خیال راحت حرکت کنند و خودشان رانندگی کنند.