نظام تحديد المواقع الدولي (Global Positioning System (GPS

أتحدث اليوم عن نظام تحديد المواقع الدولي (Global Positioning System (GPS

مقدمة

منذ
أن بدأ الإنسان البدائي في التجول والترحال محاولاً اكتشاف أرجاء الكرة
الأرضية، وهو يبحث عن وسيلة تساعده في إمكانية تحديد موقعه من جهة، وتحديد
اتجاهه، وإلى أين أخذه التجوال من جهة أخرى. فكان يعتمد على تعيين مساره
ودروبه بواسطة علامات من أكوام صغيرة من الحجارة، إلاّ أن هذه الوسيلة
يمكن أن تنجح في نطاق صغير، إضافة إلى أنها يمكن أن تُزال حينما يتساقط
الجليد أو تهطل الأمطار.

وازدادت المشكلة سوءاً حينما بدأ
الإنسان في اكتشاف المحيطات، حيث أنه لا يوجد مكان لوضع العلامات الحجرية،
ولا علامات أرضية يسترشد بها، وكانت النجوم هي وسيلته الوحيدة التي يعتمد
عليها، لكنها بعيدة جداً، إضافة إلى اختلاف درجة وضوحها من موقع إلى آخر،
ومن ثم فإن الطريقة الوحيدة للاستفادة منها هو استحداث طرق دقيقة للقياس،
وبالطبع فإن أجراء مثل هذه القياسات لا يتم إلاّ في الليل، وفي الليالي
الصافية الخالية من السحب فقط، وباستخدام أدق أجهزة القياس، وعلى الرغم من
ذلك فإن هذه الأجهزة تعطي نتائج تقريبية بفارق قد يصل إلى الميل بالزيادة
أو النقصان.

وحاول الإنسان في العصر الحديث بكل إمكانياته
التقنية والتكنولوجية الاعتماد على نُظم متقدمة إلاّ أنه ثمة صعوبات
تواجهها. فهناك نظامان هما لوران LORAN، ودكا DECCA يستخدمان في الملاحة
البحرية، ويعملان على أساس نظم الراديو التي تعتبر جيدة الاستخدام في
النطاقات الساحلية حيث تتوافر شبكات الاتصال بين النظامين، إلاّ أنها لا
تغطي مساحات كبيرة من اليابس؛ فضلاً عن أنها تتسم بتفاوت دقتها حسب
الاختلافات المكانية.

وهناك نظام جديد يعتمد على الأقمار
الصناعية على نمط نظام تحديد المواقع GPS يُعرف بنظام الانتقال Transit
System ، أو بنظام الملاحة باستخدام الأقمار الصناعية ( Sat - Nav ) ، لكن
الأقمار الصناعية التي يستخدمها تدور في مدارات منخفضة، فضلاً عن أنه لا
يوجد عدد كبير منها وبالتالي لا يمكن الحصول على نتائج محددة بصفة دائمة
بسبب ترددات أجهزتها الصغيرة، كما أن أي تحرك بسيط لجهاز الاستقبال يسبب
أخطاء فادحة في تحديد الموقع.

نظام تحديد المواقع GPS

في
عام 1973م بدأ العمل في وزارة الدفاع الأمريكية لتصميم نظام تحديد
المواقع، وذلك لاستبدال نظام الملاحة بالأقمار الصناعية المعروف باسم
Transit System أو Sat - Nav، وذلك لتفادي عيوبه الممثلة في تغطيته غير
الكافية للأقمار الصناعية، وعملياته الملاحية غير الدقيقة. لذا أُستحدث
النظام الجديد ليوفر تغطية كاملة وبدقة عالية تغطي الاحتياجات العسكرية.
ويتم التحكم في النظام عن طريق القوات الجوية العسكرية، فضلاً عن أن هذا
النظام يتوافر للاستخدامات المدنية ويتغلغل في مختلف أوجه الحياة، حيث أن
له العديد من التطبيقات الأرضية والبحرية والجوية، كما سيتضح فيما بعد.

وقد
تم إطلاق أول قمر صناعي من هذا النوع عام 1978م، ويعتمد هذا النظام على
شبكة مكونة من 24 قمراً صناعياً تدور في مدارات على ارتفاع شاهق حول الكرة
الأرضية، وتبدو كأنها نجوم صناعية Man - Made Stars تحاول أن تحل محل
النجوم الطبيعية التي كان يعتمد عليها في الملاحة، وتتوزع هذه الأقمار
الصناعية في مداراتها المخصصة لها بزوايا ومسارات وزمن محدد لكل منها،
بحيث يمكن الاتصال مع أربعة أقمار صناعية على الأقل في أي مكان من العالم.

واستحق هذا النظام ما أُنفق عليه ، فهذه الأقمار الصناعية تدور
على ارتفاعات شاهقة مما يجعلها تتفادى المشاكل والمصاعب التي كانت تواجه
محطات التوجيه الأرضي، فضلاً عن أنها تعطي نتائج عالية الدقة في تحديد
المواقع على سطح الأرض على مدار 24 ساعة يومياً، إذ أنها يمكن أن تعطي
قياسات دقيقة للغاية، حيث يمكـن للمساحيين Surveyors باستخدام أجهزة تحديد
المواقعGPS الحصول على قياسات تصل دقتها إلى أقل من السنتيمتر الواحد وهو
ما تفتقده الأجهزة المساحية التقليدية.

وأفضل ما تتيحه هذه
التقنية الحديثة هو إمكانياتها، ورخص سعرها، وصغر حجمها، وسهولة الحصول
عليها، ويمكن القول إنه تم إنجاز إحدى احتياجات الإنسان، حث ستصبح هذه
الخدمة من الأساسيات كالهاتف مثلاً، حيث إنها تُمكن المُستخدم من معرفة
موقعه في أي مكان وفي كل وقت، إضافة إلى أن هذه الخدمة الجديدة سوف تساعد
سيارات الطوارئ من تأدية عملها بسرعة أعلى وبدقة أكبر، حيث إنها ستزود
بخرائط إلكترونية Electrons Maps توضح لها مسارها نحو الهدف.

مكونات جهاز تحديد المواقع

يتكون نظام تحديد المواقع GPS من ثلاث وحدات رئيسية هي:
1- الأقمار الصناعية GPS Satellites
2-نظام التحكم الأرضي GPS Ground Control Segment
3-جهاز الاستقبال Receiver

1 . الأقمار الصناعية

تتسم الأقمار الصناعية في نظام GPS بعدة خصائص أهمها:

أ. يبلغ وزنها حوالي 845 كيلوجرام.

ب. يصل عمرها الافتراضي إلى سبع سنوات ونصف.

ج. يتمثل مصدر طاقتها في بطاريات تُشحن بالطاقة الشمسية، تبلغ مساحتها 7.25 متراً
مربعا.

د. تدور حول الأرض في كل 12 ساعة.

هـ. يبعد القمر الصناعي عن سطح الأرض بمسافة تصل إلى 20200 كيلومتر.

ويتمثل دور القمر الصناعي في تحديد المواقع من خلال الوظائف التالية:

أ. استقبال وتخزين البيانات المُرسلة من محطة التحكم.

ب. الحصول على التوقيت الدقيق عن طريق ساعات الروبيديوم والسينيزيوم.

ج. إرسال المعلومات للمُستخدم عن طريق إشارات مختلفة.

د. المناورة لتعديل المدار عن طريق التحكم الأرضي.

2. نظام التحكم الأرضي

يتكون نظام التحكم الأرضي من خمس مراكز موزعه على أنحاء الكرة الأرضية وهي من الغرب إلى الشرق
أ. هاواي Hawai وإحداثياتها 46 َ19 ْشمالاً، 30 َ155 ْغرباً،
ب. كولورادو اسبرنجز(51 َ38 ْشمالاً، 49 َ104 ْغرباً) Colorado Springs،
ج. اسينيشن(0 َ8 ْجنوباً، 0 َ13 ْغـرباً) Ascension ،
د. دييجـو جارسيا(20 َ7 ْجنوباً، 26 َ72 ْشرقاً) Diego Garcia
ه. كـوا جوالين(54 َ00 ْجنوباً، 5 َ136 ْشرقاً) Kwa Jwlein.
وهذه
المراكز معلومة الموقع بدقة عالية تبلغ نحو عشرة سنتيمترات بالزيادة أو
النقصان (±10 سم) من مراكز الأرض وتعرف هذه المركز بمحطات التحكم Tracking
Stations ، وتشرف عليها البحرية الأمريكية. وتحتوي هذه المحطات الخمسة على
أجهزة تحديد المواقع، وأجهزة رصد للأحوال الجوية، وتُرسل هذه الأرصاد
يومياً كبيانات للمحطة الرئيسية في كولورادو سبرنجز في الولايات المتحدة
الأمريكية.

3. جهاز الاستقبال

يعد جهاز الاستقبال الآلة
الوحيدة التي تُمكن مُستخدم هذا النظام من الحصول على المعلومات سواء
معلومات عن تحديد الموقع أو معلومات عن الأقمار الصناعية، ويتكون جهاز
الاستقبال من وحدتين رئيسيتين هما معدات الاستقبال Hardware ، وبرامج
المعالجة. Software

الحالات الرئيسية لتحديد الموقع بواسطة نظام GPS :

هناك حالتان رئيسيان لتحديد الموقع باستخدام نظام تحديد المواقع GPS هما:

1 . التحديد المطلق للموقع Absolute Point Positioning

تُعرف
عملية تحديد الموقع لنقطة ما دون الاعتماد على نقطة أو نقاط أخرى بالتحديد
المطلق ويتطلب الأمر في هذه الحالة جهازاً واحداً فقط، إضافة إلى بعض
البيانات الأولية للموقع. ويمكن في هذه الحالة الحصول على إحداثيات الموقع
الجغرافية (خطوط الطول ودوائر العرض) في الميدان مباشرة بدون أي عمليات
تحليل أو معالجة. وهناك العديد من الأجهزة التي تُستخدم في هذه الحالة،
مثل أجهزة الملاحة التي تحدد المواقع بدقة أفقية تصل إلى ثلاثين متراً،
كما هو الحال بالنسبة لجهاز ماجلان Magellan ، وجهاز ترمباك. Trimpak

2 . التحديد النسبي للموقع Relative Positioning

تُعرف
عملية تحديد الموقع لنقطة ما بالاعتماد على نقطة أو نقاط أخرى بالتحديد
النسبي، وتتطلب هذه الحالة وجود جهازين على الأقل، إحداهما ثابت في نقطة
معلوم إحداثياتها، والآخر على النقطة المطلوب حساب إحداثياتها بدقة، وتعرف
هذه الحالة باسم تحديد المواقع من وضع الثبات Static Positioning . ويتطلب
هذا النوع من القياس عمليات تحليل ومعالجة للبيانات التي تم جمعها في
الميدان للحصول على الدقة العالية المطلوبة والتي تصل إلى ملليمترات.

وتجدر
الإشارة إلى أنه يمكن تحديد الموقع حركياًKinemetic Positioning حيث يتم
تحديد المواقع للجهاز المتحرك وبدقة أعلى من دقة التحديد المطلق. وهذا
النوع مهم في أغراض الملاحة البحرية.

كيف يعمل نظام تحديد المواقع GPS

على
الرغم من أن نظام تحديد المواقع يستخدم معلومات وأجهزة إلكترونية مطورة
طبقاً لتقنيات عالية جداً، إلاّ أن المبادئ الأساسية وراء ذلك تعد بسيطة
للغاية. ولتفسير ذلك يمكن تقسيم هذا النظام إلى خمسة أجزاء حسب الغرض منها.

أولاً: الفكرة الأساسية ـ تحديد ارتفاع الأقمار الصناعية

يعتمد
نظام تحديد المواقع على إمكانية تحديد ارتفاع الأقمار الصناعية، ويعني ذلك
أنه يمكن تحديد المواقع على سطح الأرض اعتماداً على المسافة الفاصلة بين
سطح الأرض ومجموعة من الأقمار الصناعية، حي تُمثل هذه الأقمار نقاط مرجعية
Reference Points لمستخدمي النظام.

فمثلاً إذا تم قياس ارتفاع
قمر صناعي على ارتفاع 11 ألف ميل (أي طول السهم من الراصد إلى القمر)،
يؤدي هذا إلى تحديد موقع الراصد في مكان ما على سطح الأرض محتلاً القمر
الصناعي مركزه وبنصف قطر 11 ألف ميل، ، وإذا تزامن هذا مع رصد قمر صناعي
آخر على ارتفاع 12 ألف ميل، سوف يكون موقع الراصد في الحيز الذي يتقاطع
عنده شكلي الأرض، ، وفي الوقت نفسه إذا تم رصد قمر صناعي ثالث على ارتفاع
13 ألف ميل فسوف يتكون نقطتان نتيجة تقاطع دائرة القمر الصناعي الثالث مع
دائرتي التقاطع للقمرين السابقين . ولتحديد أية من النقطتين التي تُمثل
مكان الراصد لابد من رصد قمر صناعي رابع، حيث تكون إحدى هذه النقطتان
حقيقية (مكان الراصد)، والثانية افتراضية لا تنطبق على سطح الأرض، وتحتوي
أجهزة الحواسب الآلية في أجهزة الاستقبال في نظام تحديد المواقع على وسائل
تقنية وفنية مختلفة تستطيع التمييز بين النقطة الحقيقية والنقطة الخاطئة.

وبصفة
عامة تؤكد عمليات حسابات المثلثات Trigonometry ضرورة استخدام أربعة أقمار
صناعية لتحديد الموقع بدقة عالية. لكن يمكن تحقيق ذلك عملياً من خلال
ثلاثة أقمار صناعية فقط، ويتم ذلك في حالة رفض النقطة الافتراضية. ومما
سبق تتجلى الفكرة الأساسية من وراء استخدام نظام تحديد المواقع GPS وهي
الاعتماد على الأقمار الصناعية مرجعية في تثليث الموقع على سطح الأرض.

ثانياً: قياس المسافة من القمر الصناعي

يتوقف
نظام تحديد المواقع على معرفة المسافة الفاصلة بين الراصد والأقمار
الصناعية، ومما يثير الدهشة أن الفكرة الأساسية وراء قياس المسافة إلى
القمر الصناعي هي المعادلة نفسها

القديمة ومؤدها "المسافة =
السرعة × الزمن" . ويعني هذا أن النظامGPS يعتمد على حساب الزمن الذي
تستغرقه إشارة راديوية فردية Radio Signal Singlمن القمر حتى تصل إلى
الراصد، ومن ثم تُحسب المسافة من خلال الزمن، خاصة وأن الموجات الراديوية
تسير بسرعة الضوء نفسها (186 ألف ميل في الثانية)، فإذا أمكن معرفة بداية
بث القمر الصناعي لهذه الموجات ومعرفة وقت استقبالها بدقة، يكون من السهل
معرفة المسافة التي قطعتها، وذلك بضرب هذا الزمن بالثواني في 186 ألف ميل.

"المسافة بين موقع ما والقمر الصناعي" = المدة التي تستغرقها الإشارة من القمر الصناعي إلى الموقع × 186.000".

ومما
سبق يتضح أن معرفة الزمن هو الأساس في معرفة المسافة، وبالتالي ستكون ساعة
اليد وسيلة تقديرية لا تتفق والسرعة الفائقة للضوء، خاصة إذا كان القمر
الصناعي في وضع مسامت للموقع المراد تحديده، فإن موجاته التي يبثها سوف
تستغرق زمناً لا يزيد عن ستة أجزاء من مائة من الثانية ( 06. من الثانية )
كي تصل إلى الراصد. وبالتالي يتيح نظام تحديد المواقع للراصد إمكانية
التعامل مع الوقت بصورة متقدمة جداً، حيث تستطيع معظم نُظم الاستقبال من
قياس الزمن بدقة النانو ثانية Nanosecond Accuray والذي يعادل
0.000.000.001 (جزء من ألف مليـون جزء من الثانية)، لذا أُطلق على نظام
تحديد المواقـع أنه من أطفال الثورة الإلكتـرونية. GPS is a Child of the
Electronic Revolution

كيف يمكن معرفة بث الإشارة من القمر الصناعي

يتوقف
قياس زمن الإشارة من القمر الصناعي حتى يستقبلها جهاز الاستقبال على معرفة
وقت بث هذه الإشارة من القمر الصناعي ـ خاصة وأن هذه الفترة الزمنية لا
تتجاوز أجزاء من الثانية ـ وللتغلب على ذلك قام مصممو نظام تحديد المواقع
بجعل كل من القمر الصناعي وجهاز الاستقبال يتزامنا تزامناً دقيقاً في
توليد أو إظهار شفرة معينة، ثم يتلقى بعد ذلك جهاز الاستقبال الإشارات
المُرسلة من القمر الصناعي، وعليه يتم حساب الوقت الذي استغرقته الإشارة
منذ أن قام جهاز الاستقبال بتوليد الشفرة وإظهارها حتى استقباله لإشارة
القمر الصناعي. أي أن زمن إرسال الشفرة من القمر الصناعي هو الفرق بين وقت
توليد الشفرة في جهاز الاستقبال واستقباله لإشارة القمر الصناعي،

ولتوضيح
ذلك، نفترض أن هناك شخصان يقفان في مواجهة بعضهما في نهايتي استاد لكرة
القدم، بحث يكون كل منهما في طرف ويقومان بقراءة الأرقام من واحد حتى عشرة
في اللحظة نفسها مع محاولة سماع صوت بعضهما، فسيسمع الشخص الأول صوته وهو
يرد واحد ... اثنان ... ثلاثة، وبعد برهة سيسمع صوت زميله يردد الأرقام
نفسها، بمعنى أن سماع الأرقام يأتي متأخراً بعض الشيء عن عدها الحقيقي، أي
أنه في الوقت الذي يردد فيه إحداهما الرقم ثلاثة (مثلاً) يتزامن مع سماعه
لصوت زميله يردد الرقم واحد، وسبب ذلك أن الصوت يستغرق بعض الوقت حتى يصل
إلى كل منهما، وحيث أنهما تزامنا في بدء العد، فيمكن قياس الزمن الذي
استغرقه الصوت بينهما من خلال فارق الوقت الذي يقول أولهما واحد وسماعه
لصوت الثاني يردد الرقم نفسه. ويمثل هذا الزمن الوقت الذي استغرقه الصوت
لعبور الاستاد، وهذه هي الفكرة التي يعتمد عليها نظام تحديد المواقع.

وتعطي
ميزة استخدام مجموعة من الشفرات أو الرموز إمكانية قياس الزمن في أي وقت،
أي أنه ليس من الضروري بدء القياس عند ترديد وسماع الرقم واحد، ولكنه يمكن
قياس سرعة مرور الصوت بين أي زوج من الأرقام وليكن سبعة مثلاً.

ولا
يستخدم نظام تحديد المواقع أرقاماً، لكنه يعتمد على ما تولده وتظهره
الأقمار الصناعية وأجهزة الاستقبال من مجموعات معقدة من الشفرات الرقمية
Complicated Set of Digital Codes، وصُممت معقدة حتى يمكن مقارنتها بسهولة
بعيداً عن الغموض وتظهر هذه الشفرات على شكل سلسلة طويلة من الذبذبات
العشوائية، وهي في حقيقة الأمر ليست عشوائية لكنها عبارة عن ذبذبات تتكرر
كل ملي ثانية Millisecond لذا تبدو وكأنها شفرات عشوائيةRandom Codes

ثالثاً: الحصول على تزامن مثالي

تبلغ
سرعة الضوء ـ كما سبق الإشارة ـ حوالي 186 ألف ميل في الثانية ـ وإذا كان
هناك فرق في التزامن بين قمر صناعي وجهاز استقبال جزء من مائة في الثانية
(0.01 من الثانية ) فإن ذلك يعني خطأ في القياس بنحو 1860 ميل، بمعنى أن
المشكلة تكمن في كيفية التأكد من تزامن كل من القمر الصناعي وجهاز
الاستقبال في إطلاق الشفرات في الوقت نفسه تماماً، ويمكن تفسير ذلك بأن
الأقمار الصناعية تحمل على متنها ساعات ذرية Clocks Atomic تعرف بساعات
الروبيديوم والسينيزيوم، وتتسم بدقتها العالية، وارتفاع ثمنها بشكل خيالي،
ويحمل كل قمر صناعي أربع ساعات من هذا النوع بهدف ضمان أن واحدة منها تعمل
على الأقل.

وإذا تم وضع مثل هذه الساعات في أجهزة الاستقبال
ستؤدي إلى رفع أسعارها، إضافة إلى أن هناك وسيلة أخرى لإنجاز هذا التزامن
باستخدام ساعات ذات قيمة معقولة موجودة في أجهزة الاستقبال، ويتم ذلك
بإجراء قياس المسافة إلى قمر صناعي إضافي حتى يتم تعويض الخطأ في التزامن
من قبل الراصد، بمعنى أنه يلزم إجراء ثلاثة قياسات إلى ثلاثة أقمار (كما
سبق الإشارة).

ولتفسير ذلك نفترض أن ساعة جهاز الاستقبال ليست
دقيقة مثل ساعة القمر الصناعي، إضافة إلى أنها غير مطابقة تماماً للتوقيت
العالمي، أي كانت الساعة ـ على سبيل المثال ـ تشير إلى الثانية عشر ظهراً،
وهي في الواقع الحادية عشر وتسع وخمسون دقيقة وتسع وخمسون ثانية (59ث 59ق
11س) قبل الزوال، أي أنها تسبق التوقيت العالمي بثانية واحدة. وسوف
تُستخدم المسافة الزمنية ـ كي يتم التعرف على أخطاء التوقيت ـ بدلاً من
المسافة الطويلة بالميل او الكيلومتر.

إذا كان جهاز الاستقبال
بعيداً عن القمر الصناعي (أ) مسافة أربع ثواني، وست ثواني عن القمر
الصناعي (ب)، ويُعد هذان البعدان كافيان لتحديد موقع جهاز الاستقبال في
نقطة ما على سطح الأرض ولتكن (*)، وهو بالفعل ما سنحصل عليه في حالة إذا
كانت الساعات تعمل بدقة، لكن ماذا سيحدث لو تم استخدام جهاز استقبال به
ساعة تزيد عن، الوقت الحقيقي بثانية واحدة. ويعني هذا أن المسافة إلى
القمر (أ) ستكون خمس ثواني، وسبع ثوان إلى القمر (ب)، وسوف ينتج عن هذا أن
الدائرتان سيتقاطعان في نقطة أخرى هي (**)، وهي النقطة التي سـوف يوجهنا
إليها جهاز الاستقبال غير الدقيق، تبعد عن النقطة الحقيقية بعدة أميال.
وللتأكد يتم إجراء قياس آخر بالاستعانة بقمر صناعي ثالث يبعد ثمان ثواني
عن جهاز الاستقبال في حالة إذا كانت الساعة دقيقة، حيث ستتقاطع الدوائر
الثلاثة في نقطة واحدة هي (*) وذلك لأن هذه الدوائر تمثل المسافات
الحقيقية بين الموقع والأقمار الثلاثة ولكن إذا تم إضافة فارق الثانية
الخطأ سوف يتغير موقع جهاز الاستقبال .

وقد تم برمجة الحواسب
الآلية المثبتة في أجهزة الاستقبال، بحيث أنه عندما تستقبل قياسات خاطئة
لا تتقاطع في نقطة واحدة، وبالتالي فإنها ستقوم بحذف أو إضافة وقت
للقراءات الثلاث حتى تتجمع وتتلاقى في نقطة واحدة، أي أنها ستعمل تلقائياً
بحذف ثانية واحدة ـ بالنسبة للحالة السابقة ـ من القياسات الثلاثة حتى
تُمكن الدوائر من التقاطع في نقطة الموقع المراد تحديده. وفي الواقع أن
الحواسب الآلية لا تتلقى القراءات على غير هدى، بل تستخدم نظريات علم
الجبر في حل المشكلة على النحو السابق.

تتطلب القياسات الدقيقة ثلاثة أبعاد وأربعة أقمار صناعية

يحتاج
الراصد إلى أربعة قياسات ـ يجب أن يتذكر الراصد هذا الرقم جيداً ـ لتلافي
الخطأ في أحد القياسات، وذلك لأنه لن يستطيع الحصول على نتائج دقيقة بدون
أن يكون هناك أربعة أقمار صناعية في الفضاء.

ويتكون نظام تحديد
المواقع من أربعة وعشرين قمراً صناعياً ـ كما سبقت الإشارة ـ ويعني هذا
أنه سيكون دائماً هناك أكثر من أربعة أقمار في الأفق يمكن رصدها من أي
موقع على سطح الأرض .

وقد أثرت الرغبة في الحصول على قياس دقيق
ومستمر على تصميم أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع، فيتكون بعضها من
أربعة قنوات، بحيث تُخصص قناة لكل قمر صناعي وتعمل متزامنة، لكن بعض
التطبيقات لا تتطلب مثل هذه الدقة اللحظية، لذا فإن استخدام جهاز استقبال
اقتصادي ذات قناة واحدة يفي بالغرض، ويقوم هذا الجهاز ـ ذات القناة
الواحدة ـ باستقبال أربع قراءات متفرقة، ثم يقوم بعمل التزامن لها قبل
إعطاء النتائج، ويستغرق هذا ما بين ثانيتين إلى ثلاثين ثانية، ويعد هذا
الوقت سريعاً في بعض التطبيقات.

لكن مثل هذه الأجهزة لا تتمكن من
أداء وظيفتها بصورة دقيقة خاصة عند تحديد السرعة، والتي تعد من المميزات
الفريدة التي يتسم بها نظام تحديد المواقع حيث يقوم بقياس السرعة بصورة
دقيقة، لذا فإن أي حركة لجهاز الاستقبال أثناء استقباله للقياسات الأربعة
ينتج عنها خطأ في دقة هذه القياسات. ويظهر عيب آخر لهذا النوع من أجهزة
الاستقبال، عندما تقوم الأقمار الصناعية بإرسال بيانات خاصة بأنظمتها
والتي تحتاج إلى ثلاثين ثانية حتى يتمكن الجهاز من قراءتها، مما يؤدي إلى
اعتراض عملية القياس في كل مرة يتم فيها قراءة بيانات قمر صناعي آخر.

ويمثل
جهاز الاستقبال ثلاثي القنوات الحل الأكثر شيوعياً، حيث تقوم إحدى القنوات
بقياس وحساب الزمن، في حين تقوم إحدى القناتين الباقيتين بتحديد القمر
التالي بإشارات الراديو تمهيداً لقياسه، وعند إتمام عملية القياس تنتقل
تلقائياً إلى القمر التالي دون إضاعة أي وقت في قراءة البيانات الخاصة به.
وفي الوقت نفسه تقوم القناة الثالثة ـ تُعرف في الغالب باسم مدبر المنزل
Housekeeping ـ بالبحث عن القمر التالي وتحضير العمل تمهيداً لقياسه،
وبالتالي يتضح أن جهاز الاستقبال ثلاثي القنوات يقوم بإتمام عملية التزامن
بصورة دقيقة للغاية، ومن مميزاته أيضاً أنه يمكن برمجته لمتابعة ثمانية
أقمار صناعية، إذ تقوم قناة من الثلاثة بالتعامل مع إحدى الأقمار
الصناعية، وفي الوقت نفسه تقوم القناتين الأخيرتين بالتحضير للتعامل مع
القمر الصناعي التالي دون أية إعاقة لعلمية القياس.

رابعاً: تحديد موقع القمر الصناعي في الفضاء

يُفترض
منذ البداية المعرفة الدقيقة بموقع الأقمار الصناعية في الفضاء، وذلك
لسهولة إجراء العمليات الحسابية من جهة، وتحديد المواقع بالنسبة لها من
جهة أخرى. لكن كيف يتم التعرف على القمر الصناعي وهو على ارتفاع يبلغ نحو
11 ألف ميل عن سطح الأرض. وهذا الارتفاع يفيد الأقمار الصناعية في أن
تتخلص من جو الأرض وملوثاته، وبالتالي يتم التنبؤ بمداراتها بصورة دقيقة
حيث أنها نادراً ما تغيرها، وهي في ذلك تحاول أن تشبه القمر تابع للكرة
الأرضية الذي يدور حولها منذ ملايين السنين دون تغير يذكر في مداره.

وتقوم
القوات الجوية بالإطلاق كل قمر صناعي في مدار دقيق يتوافق مع الخطة
الرئيسية لنظام تحديد المواقع، وهذه المواقع محسوبة ومعلومة مقدماً،
وتحتوي بعض أجهزة الاستقبال على سجل مبرمج في حواسبها الآلية تقوم بتحديد
مدار أي قمر صناعي في الفضاء في أية لحظة.

وتقوم وزارة الدفاع
الأمريكية بالمراقبة المستمرة لأقمار نظام تحديد المواقع الصناعية، حتى لا
تنحرف عن مداراتها من جهة، وقياس ارتفاعاها من جهة أخرى، ويعد هذا أحد
الأسباب التي جعلت مداراتها شاهقة الارتفاع وبعيدة عن المدارات الجغرافية
المتزامنةGeo - Synchronous التي تمثل مدارات الأقمار الصناعية الخاصة
بالتليفزيون.

وتدور أقمار نظام تحديد المواقع الصناعية حول الكرة
الأرضية مرة كل 12 ساعة، وبالتالي تمر فوق محطات الرصد الخاصة بوزارة
الدفاع الأمريكية مرتين يومياً، مما يعطي الفرصة لقياس ارتفاعاتها،
ومتابعة مواقعها وسرعتها بصورة دقيقة، ومراقبة الأخطاء التي قد تنجم عن
جاذبية كل من القمر والشمس وتأثير الإشعاع الشمسي عليها، وهي أخطاء طفيفة
للغاية وتعرف باسم أخطاء الزيج أو أخطاء التوقيت الفلكي . Ephemeris
Errors

وعندما تنتهي وزارة الدفاع الأمريكية من قياسات موقع
القمر الصناعي، تقوم بإرسال هذه المعلومات إلى القمر نفسه، الذي يقوم
بدوره بإرسال هذه التصحيحات ضمن بياناته إلى الراصد عن طريق جهاز
الاستقبال. ويعني هذا أن الأقمار الصناعية لا تقوم بإرسال الشفرات فقط،
لكنها تضيف عليها رسالة تحتوي على معلومات دقيقة عن مداراتها والحالة
العامة لأنظمتها. وتستخدم كل أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع هذه
البيانات إلى جانب قوائم المعلومات الموجودة بداخلها عن الأقمار الصناعية
لتحديد مواقعها بدقة.

خامساً: التأثير الناجم عن الأيونوسفير والمجال الجوي

يتضح
مما سبق أنه تم افتراض دقة كل أجزاء نظام تحديد المواقع، وتم تدعيم ذلك
بوضع ساعات ذرية على متن الأقمار الصناعية وبرمجة الحواسب الآلية بأجهزة
الاستقبال بحذف وإضافة قياسات زمنية للقضاء على الأخطاء التي تسببها
الساعات الموجودة بداخلها. وتقوم الأقمار الصناعية بإرسال تصحيحات لمواقع
مداراتها بصفة منتظمة كل دقيقة. لذا يبدو نظام تحديد المواقع كما لو كان
نظاماً متكاملاً تماماً، لكن هناك مصدرين للخطأ يصعب التغلب عليهما.

تعد
طبقة الأيونوسفير Ionosphere أعلى طبقات الغلاف الجوي المحيط بالكرة
الأرضية، وتتسم بأنها مخلخلة الهواء، ويتركز بها الجزئيات الأيونيةIonized
Particles والإلكترونات، وتبعد أطرافها السفلى عن سطح البحر بمسافة تتراوح
بين 80 إلى 120 ميل، وتمثل هذه الطبقة السبب الرئيسي في معظم هذه الأخطاء،
حيث تؤثر هذه الجزئيات الأيونية على سرعة الضوء وبالتالي على إشارات
الراديو الخاصة بنظام تحديد المواقع. وذلك لأن سرعة الضوء تكون ثابتة فقط
في الفضاء التام على ارتفاعات سحيقة من سطح الأرض، لكن إذا انتقلت في وسط
أثقل مثل حزام الجزئيات الأيونية الذي يبلغ سمكه عدة أميال فإن السرعة
تبطئ قليلاً، ويؤدي هذا البطء إلى وجود خطأ في قياس المسافة، والتي يُفترض
فيها بثبات سرعة الضوء.

ونتذكر في هذا المجال مثال السيارة ـ
الذي سبق ذكره ـ وهو أن سيارة تسير بسرعة 60 ميلاً في الساعة، فما هي
المسافة التي تقطعها في ساعتين؟! ستكون الإجابة صعبة إذا قام قائد السيارة
بالتوقف أو زيادة السرعة أو بطئها دون علم الراصد. فهذا ما يحدث للضوء
بالفعل فهو يسرع أحياناً ويبطئ أحياناً أخرى حسب الوسط الذي ينتقل فيه.

وهناك
طريقتان لتقليل الخطأ الناتج عن هذا التغير إلى أدنى حد، ففي الطريقة
الأولى يمكن تقدير التغير في السرعة في أي يوم من أيام السنة تحت ظروف
طبقات الغلاف الجوي العليا (الأيونوسفير)، ثم القيام بتطبيق معامل التصحيح
على كل القياسات، وعلى الرغم من فاعلية هذه الطريقة إلاّ أنها تواجه صعوبة
في انه لا يوجد يوم يمثل الوسط اليومي للسنة. وتُستخدم الطريقة الثانية
لقياس سرعة الإشارات، ويتمثل ذلك في ملاحظة سرعة إشارتين مختلفتين، حيث أن
الفكرة الأساسية لهذه الطريقة ـ دون الدخول في جدل فيزيائي ـ تتمثل في أن
الضوء أثناء انتقاله خلال طبقة الأيونوسفير تقل سرعته بمعدل يتناسب عكسياً
مع مربع تردده، بمعنى أنه كلما قلت ترددات الإشارة كلما قلت سرعتها.

وإذا
تمت مقارنة زمن وصول جزئين مختلفين من إشارة نظام تحديد المواقع لها
ترددات مختلفة، يؤدي ذلك إلى معرفة نوع البطء الذي تعرضتا له. وتصحيح هذا
النوع من الخطأ يعد شديد التعقد ويتوافر فقط في بعض أجهزة استقبال نظام
تحديد المواقع المتقدمة تكنولوجيا والتي تستخدم ترددين. ويعرف هذا الحل
بالحل الخالي من تأثير الأيونوسفير، وبواسطته يمكن تلافي الكثير من هذه
الأخطاء.

وبعد أن تمر إشارات نظام تحديد المواقع من طبقة
الأيونوسفير وتدخل الغلاف الجوي القريب من سطح الأرض (التربوسفير)، فإنها
تتأثر في هذا الغلاف الأخير بواسطة بخار الماء الذي تزيد نسبته في هذا
القسم، وتتماثل نسبة الخطأ الناتج من تأثير بخار الماء مع نظيره في طبقة
الأيونوسفير، وهذا النوع من الخطأ لا يمكن تصحيحه وذلك لصغره حيث لا يتعدى
مسافة عرض شارع متوسط.

وإضافة إلى ما سبق ذكره من الأخطاء
الناجمة عن تأثير طبقة الأيونوسفير وطبقة الغلاف الجوي السفلي
(التربوسفير) والذي يمثل نوع واحد من الأخطاء التي تتسلل إلى القياسات
وتتسبب في عدم دقتها، هناك أخطاء أخرى تتمثل في الأخطاء الناتجة عن
التقريب في العمليات الحسابية التي تقوم بها أجهزة الاستقبال، كما أن
للتداخلات الكهربائية تأثيرها على الشفرات العشوائية. وهذه الأخطاء سواء
كانت صغيرة منها أو كبيرة يمكن اكتشافها خاصة الكبير منها، في حين يصعب
اكتشاف الأخطاء الصغيرة حيث إنها لا تزيد عن عدة أقدام قليلة.

وهناك
نوعاً آخر من الخطأ لا تقع تبعاته على الأقمار الصناعية أو أجهزة
الاستقبال، وهو الخطأ المعروف باسم المسار المتعدد Multipath Error ، وهو
يحدث عندما تتخذ الإشارات المرسلة من القمر الصناعي مساراً قوسياً بدلاً
من أن تصل إلى سطح الأرض مباشرة. وتستخدم أجهزة الاستقبال الحديثة تقنيات
متقدمة وهوائيات خاصة لتحليل الإشارات مما يؤدي إلى تقلص هذا الخطأ إلى
أدنى حد له، لكن قد يوجد بعض الخطأ خاصة في الحالات شديدة الاختلاف.

وتتجمع
كل مصادر الأخطاء سابقة الذكر لإضفاء بعض الشك على قياسات نظام تحديد
المواقع، فبدلاً من تحديد شيئاً ما على بعد عشرة أقدام، فهو يُحدد على
البعد نفسه لكن بإضافة أو حذف عُشر البوصة (0.1 بوصة). ولا يعطي مجموع هذه
الأخطاء خطاً كبيراً من الناحية العملية، فإن نظام تحديد المواقع يمكن أن
يحدد الموقع في حدود مائة قدم تقريباً، ويمكن أن يكون أقل من هذا باستخدام
أجهزة استقبال ذات تقنيات عالية.

وللحصول على أقصى دقة ممكنة
يتخذ جهاز استقبال نظام تحديد المواقع مبدءاً مهماً من نظريات علم الهندسة
يعرف بالتخفيف الهندسي للدقة Geometric Dilution of Precision ويشير هذا
المبدأ إلى أن القياسات دقيقة أو غير دقيقة حسب القمر الصناعي المُستخدم،
ولا يعني هذا ان هناك قمر صناعي أفضل من آخر، لكنه يعني موقع القمر
وزاويته بين أقرانه في الفضاء، إذ أن بعض الزوايا تجسم وتكبر الخطأ وبعضها
الآخر يقضي عليه. وعموماً يمكن القول بأنه كلما كبرت الزوايا بين الأقمار
الصناعية وبعضها البعض كلما كانت القياسات أكثر دقة.

وتحتوي
أجهزة الحواسب الآلية الموجودة في أجهزة الاستقبال ذات التقنيات الحديثة
على برامج لتحليل مواقع الأقمار الصناعية المتاحة، وتقوم باختيار أفضلها
موقعاً، وبالتالي تكون قياساتها خالية تقريباً من الأخطاء.

ويمكن
إلغاء دقة نظام تحديد المواقع بالقصد من قبل وزارة الدفاع الأمريكية، ويتم
ذلك باستخدام نُظم تشغيل تعرف باسم الاختيار المتاحSelective Availability
ويُرمز له( S / A )، وهذا النظام مُصمم بحيث تكون نتائج القياسات خاطئة
وبالتالي تحرم القوات المعادية من الميزة التكتيكية لاستخدام تحديد الموقع
بواسطة نظام GPS ، وفي حالة تطبيق هذا النظام تكون نتائج القياسات خاطئة
بنسبة كبيرة.

ويتضح مما سبق أن دقة تحديد المواقع باستخدام نظامGPS تتوقف على عدة عوامل من أهمها:

1. دقة الرصد.

2. الشكل الهندسي لمواقع الأقمار الصناعية وجهاز الاستقبال.

3. الظروف الجوية.

4. دقة التوقيت الفلكي للقمر الصناعي.

5. طول الفترة الزمنية للرصد.

تطبيقات نظام تحديد المواقع :

نظراً
للتقدم التكنولوجي والتقني وخاصة في تطوير أجهزة جمع المعلومات على مستوى
العالم، فإن نظام تحديد المواقع قد تغلغل في مختلف أوجه الحياة، وتوسعت
تطبيقاته لتشمل عدة مجالات من أهمها:

1. حرس السواحل The Coast Guard

يعد
حرس سواحل الولايات المتحدة الأمريكية الرواد الأوائل في استخدام أجهزة
تحديد المواقع، إذ توفر هذه الأجهزة كل المساعدات المطلوبة للملاحة، وتقوم
كل من وزارتي النقل والدفاع الأمريكية بعمل تقرير مشترك كل عامين عن الخطة
القومية للملاحة. وقد أفادت الخطة الفيدرالية للملاحة اللاسلكية عام 1991م
بأن نسبة الدقة المتاحة في الموانئ وبالقرب منها تتراوح بين 8 إلى 20
متراً.

وفي عام 1996م انتهى حرس السواحل من عمل نظام كامل من
محطات نُظم تحديد المواقع لخدمة كل سواحل الولايات المتحدة الأمريكية
وجزرها الكبرى وطرقها الملاحية، ومن أهمهاـ محطات مونتوك بوينتMontauk
Point ، ونيويوركNewyork ، وهوايت فيش بوينت White Fish Point ، وميتشجان،
وجالفستون Galveston، وكوربس كريستيCorpas Christy ، وتكساس، وهنري بورت
Port Henry ، وفرجينيا، وبورتسموث Portsmouth ، ونيو هامبشيرNew Hampshire
، وكيب هنلوبن Cape Henlopen ، وديلاوار Delaware .

وقد قام
الاتحاد الدولي لهيئات الفنارات (IALA) بعمل اتفاقية الهدف منها تعميم
استخدام نظام تحديد المواقع، وإرسال إشاراته من أجهزة الإرسال اللاسلكية
البحرية، وقامت العديد من الدول بتطبيق هذا النظام مثل الولايات المتحدة
الأمريكية، والسويد، وفنلندا، والنرويج، وهولندا، إضافة إلى العديد من
الدول التي تقدمت لتطبيق هذا النظام، ويعني هذا أنه في القريب العاجل
ستكون خدمة تصحيح المواقع متاحة في معظم أنحاء العالم.

2. الملاحة الجوية Aviation

دخل
نظام تحديد المواقع إلى دائرة النور بعد التجارب التي أجرتها وكالة ناسا
(NASA ) ، إذ اُستخدمت نظام تحديد المواقع في إرشاد الطائرات المروحية
وطائرات الركاب بدلاً من حزم التتبع التي تستخدمها أجهزة الهبوط (ILA) ،
فقد ساعد نظام تحديد المواقع على وضع مقدمة الطائرة في منتصف ممر الهبوط.
وبذلك سوف تزود به الطائرات لرخص سعره بالمقارنة بأجهزة الهبوط في حالة
انعدام الرؤية.

وقد أعلنت هيئة الطيران الفيدرالية ( FAA ) أن
نظام تحديد المواقع سيمثل المستوى الملاحي المطلوب عالمياً، إذ أن
استخدامه سوف يوفر كميات من الوقود المستهلكة من جهة، وسوف يكون هناك
استغلالاً أفضل للطرق الملاحية الجوية من جهة أخرى، إضافة إلى أن هذا
النظام سيتيح لمراقبي الطيران في المطارات إرشاد الطائرات ومركبات الخدمة
التي تتحرك وتتجول في طرق وممرات المطارات بصورة دقيقة.

3. إدارة الموارد الطبيعية Natural Resource Mangement

يعد
القائمون على إدارة الغابات في الولايات المتحدة الأمريكية من الرواد
الأوائل في هذا المجال في استخدام نظام تحديد المواقع، إذ قاموا بمسح
الغابات بواسطة طائرات مروحية مزودة بأجهزة نظام تحديد المواقع، وتم رسم
خرائط تفصيلة دقيقة لها في فترة وجيزة.

وتمثل حماية الغابات من
الحرائق دليلاً على دقة نظام تحديد المواقع، إذ أن استخدامه في الطائرات
المروحية يُمكنها من الوصول مباشرة إلى مناطق الحرائق، ورسم خريطة توضح
حجم النيران والمساحات التي أضيرت بها، وبالتالي تساعد هذه المعلومات في
سرعة الوصول إلى المكان الصحيح من جهة، وسرعة القضاء على الحرائق من جهة
أخرى.

ويمكن بواسطة استخدام نظام تحديد المواقع رسم خرائط
للمناجم والأراضي الزراعية ومناطق صيد الأسماك بدقة عالية عن ذي قبل، إذ
أنها تتيح لمستخدميها الحصول على جميع بيانات المواقع بدقة عالية.

4. الاستكشافات البحرية Offshore Exploration

تنفق
شركات البترول مبالغ خيالية لاستكشاف قاع البحار والمحيطات، وذلك للبحث عن
أماكن مبشرة للحفر. وتتمثل المشكلة في أنه إذا عثرت إحدى سفن الاستكشاف
على مكان يُحتمل فيه الحفر، فإنها تحتاج إلى تحديد هذا المكان بدقة عند
العودة وإحضار منصة الحفر. وهي عملية ليست سهلة في خضم البحار والمحيطات
شاسعة المساحة، إذ لا يوجد أية علامات مميزة لاستخدامها كمرجع للعمل، ومن
ثم فإن الابتعاد ببضعة أمتار عن المكان المحدد قد يعني إنفاق الملايين في
عمليات الحفر دون فائدة، لذا تعد شركات البترول من أكثر القطاعات
الاقتصادية استخداماً للأجهزة نظام تحديد المواقع، فهي توفر مبالغ كبيرة
من الأموال ليس فقط في تحديد مواقع الحفر، لكنها تستخدم في عمل المساحات
الجيولوجية والدراسات الجوفية السابقة لعملية الحفر، فضلاً عن استخدام
النظام في الملاحة البحرية ووضع السفينة في اتجاهها ومسارها الصحيح.

وتستخدم
أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع أيضاً في رسم خرائط لأعماق الموانئ، كما
تساعد دقتها في التأكد من أن القنوات المعينة للملاحة تتطابق مع الخرائط
البحرية المنشورة، إضافة إلى أنها تساعد سلطات الموانئ في مراقبة معدلات
الإرساب أو النحت.

5. النقل Transportation

يمثل نظام
تحديد المواقع الوسيلة الفنية الكاملة للزمن الحالي التي تتطلب سرعة
الوصول للتسليم في الميعاد، فبواسطة هذا النظام يمكن للمتعهدين معرفة
أماكن كل مركبة في أسطول النقل سواء عبر القطر أو عبر المدينة، وبذلك يمكن
أن يحصلوا على أفضل ترتيب وأحسن تنسيق للعمل، فشركات النقل وأساطيل
الخدمات ترغب في معرفة أماكن مركباتها بدقة وتحديد عناوين الطرق التي
تتحرك فيها، كما أن دقة أجهزة نظام تحديد المواقع تسمح بالتحكم لتسير
المركبات في طرق بعينها دون غيرها لتفادي الازدحام من جهة، وسرعة الوصول
من جهة أخرى.

6. الزراعة Agriculture

يفتح نظام تحديد
المواقع آفاق جديدة في عمليات الفلاحة الدقيقة، إذ يمكن للمخططين
الزراعيين تحليل حالة التربة للأراضي الزراعية، وعمل خرائط ـ خرائط رقمية
تُخزن في الحاسب الآلي لنظام تحديد المواقع ـ حسب احتياجات هذه الأراضي
للتسميد، وبالتالي عند توزيع الأسمدة في الحقول، يمكن تحديد الأراضي
المحتاجة للتسميد وكميته، ومن ثم يستفاد المزارع من زيادة الإنتاج،
وتستفاد البيئة من انخفاض استخدام الكيماويات. ويستخدم نظامGPS أيضاً في
تحديد مسارات طائرات رش المبيدات الحشرية.

7. سفن الشحن

ألزمت
تعليمات مجلس الشيوخ عام 1990 والخاصة بالتلوث بواسطة النفط، جميع ناقلات
النفط بالتزود بنظام تحديد المواقع لرفع درجة الأمان، إذ توفر هذه الأجهزة
الدقة اللازمة لإرشاد السفن عند مداخل الموانئ الصعبة والممرات المزدحمة.
إذ يمكن من خلال استخدام هذه الأجهزة مراقبة أسطول كامل من الناقلات من
محطة مركزية.

ويحافظ نظام تحديد المواقع على البيئة البحرية من
خلال تحديد أماكن التخلص من النفايات في البحار والمحيطات من جهة، وتحديد
مواقع صيد الأسماك القانونية من جهة أخرى.

8. المنافع Utilities

تقوم
شركات الخدمات والمنافع بجمع المعلومات والبيانات عن أعمال الصيانة معتمدة
في ذلك على أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع GPS ، فعندما تكون هناك
مشكلة في أعمال الصيانة، فيمكن للفني المختص الوصول مباشرة إلى مكان العطل
حتى لو كان تحت مستوى الطريق أو مغطى بغطاء أرضي، وبالتالي يتيح نظام GPS
لهذه الشركات أداء أفضل في عملياتها.

9. الوقاية العامة Public Safety

يمثل
رد الفعل بالنسبة لإدارة الشرطة والمطافئ، فبواسطة نظام تحديد المواقع
يمكن توجيه المركبات بدقة عالية لضمان وصول المساعدات اللازمة في المكان
المناسب في أسرع وقت. وتتضح أهمية نظام GPS بصفة خاصة في الكوارث الخطيرة
مثل الحرائق الكبيرة المدمرة، وغالباً ما يعتمد رجال الإطفاء على العناوين
والعلامات الأرضية لبيان موقعهم، ولكن تلك العلاقات قد يتم تدميرها أو
محيها أو يغطيها الدخـان في الحالات الشديدة، وبالتالي يكون نظامGPS هو
الحل الأمثل لأنه يحدد موقعهم بدقة، ويمكنهم من سهولة الوصول إلى الأماكن
المنكوبة وإنقاذ الكثير من الأرواح

منقول

http://www.ferdawsfamily.com/montada1/index.php?showtopic=3966

تسلم ياخي عتى هذا الشرح الوافي