شرح مفصل عن كيفية عمل نظام تحديد الموقع العالمي "GPS" + فيديو

 نظام تحديد الموقع العالمي (بالإنجليزية: Global Positioning System) أو جي بي أس (بالإنجليزية: GPS). هو نظام تابع لوزارة الدفاع الأمريكية، والذي تقوم عليه معظم التطبيقات المدنية المعروفة.

نظام تحديد المواقع العالمي الأمريكي ليس الوحيد من نوعه عالمياً، فهناك عدة أنظمة مماثلة مثل النظام الروسي جلوناس Glonass، أو الأنظمة قيد التطوير والبحث مثل جاليليو في أوروبا، وبعض الأنظمة المشابهة في الصين والهند واليابان.

حركة أقمار نظام جي بي إس حول الأرض

 
أنشئ النظام أساسا أثناء الحرب الباردة لأغراض عسكرية بحتة، وذلك لتوفير نظام ملاحي للجيش الأمريكي وحلفائه لمساعدة الطائرات والقطع البحرية للوصول لأهدافها في مختلف الأحوال الجوية. وقد كانت الأجهزة الأولى أضخم مما يمكن لجندي المشاة حمله بالسهولة اللازمة، وفيما بعد تم تطويع النظام للاستخدام في الأسلحة الموجهة.
 
في هذه الأثناء توسعت التطبيقات المدنية بشكل كبير، حتى أصبح لاغنى عن النظام في الحياة اليومية للمدنيين حول العالم. ويصعب تخيل عمل أنظمة مثل بطاقات الائتمان، وأنظمة الصراف الآلي، وكثير من شبكات الاتصال، بدون وجود نظام الجي بي إس. حيث يستخدم النظام في ضبط تزامن الأجزاء المختلفة من هذه الأنظمة مع بعضها.
 
ومن الجدير بالذكر أن استخدام النظام لضبط التزامن أهم من استخداماته المكانية الأخرى على غير المتعارف عليه عادة. وهو السبب الأساسي الذي دعى الاتحاد الأوروبي للشروع في نظام جاليليو، لتقليل الاعتماد على النظام الأمريكي العسكري. وهو ما رد عليه الأمريكيون بخطة تحديث النظام المشهورة سنة 1998.
 
يستخدم اليوم النظام في تطبيقات مدنية أخرى مثل:
– توجيه الطائرات المدنية والملاحة البحرية.
– الاستخدام الشخصي كالرياضة والنزهة.
– أنظمة ملاحة السيارات وإرشاد السائق إلى الهدف.
– كما أن للنظام تطبيقات في ميدان الجيولوجيا والجيوديسيا وقياسات التصدعات الأرضية وحركة القارات.
 
دقة النظام:
توجد فوارق في دقة نظام تحديد المواقع العالمي، حيث أن التطبيقات العسكرية أكثر دقة من الجي بي أس المدني، الذي يمكن من الوصول إلى دقة بضعة أمتار (نحو 4 أمتار). حيث أن الولايات المتحدة الأمريكية كانت تقوم عمدا بالتشويش على إشارات الجي بي أس لمنع استعماله مدنيا والحد من جودتها في التطبيقات المدنية، إلا أنه يبدو أنها توقفت عن ذلك منذ سنة 2000 موجهة التركيز على التشويش على رقع جغرافية محدودة. وتبث الأقمار الصناعية الأمريكية بتدفق قدره 50 بت في الثانية على موجتين:
– الموجة للاستعمال المدني بذبذبة قدرها 1575,42 MHz (خاص للاستخدام التجاري).
– الموجة للاستعمال العسكري بذبذبة قدرها 1227,6 MHz (خاص بوزارة الدفاع الأمريكية البنتاجون).

 
كيف يعمل النظام:
يتألف الجى. بى.إس من ثلاث شرائح وهي: شرائح الفضاء، والتحكم، والمستخدم. فشريحة الفضاء تتألف من 24 إلى 32 قمراً صناعياً في المدار الأرضي المتوسط، وهو يتضمن أيضاً القاذفات المطلوبة لإطلاق هذه الأقمار إلى مدارها.
 
وتتألف شريحة التحكم من محطة تحكم رئيسية، ومحطة تحكم رئيسية بديلة، ومضيف للهوائيات الأرضية المهداة والمشتركة، بالإضافة إلى محطات رصد.
 
أما شريحة المستخدم فتتألف من مئات الآلاف من المستخدمين التابعين للجيش الأمريكي وقوات الحلفاء والذين يتمتعون بالخدمة الآمنة “جى.پى.إس التحديد الدقيق للمواقع”، وعشرات الملايين من المستخدمين المدنيين والتجاريين والعلماء الذين يستخدمون خدمة تحديد المواقع القياسي.
 
تبث أقمار الجى.پى.إس الإشارات من الفضاء، والتي تستخدمها أجهزة استقبال الجى.پى.إس لتوفر موقعاً ثلاثي الأبعاد (دائرة العرض، وخط الطول، والارتفاع) بالإضافة إلى الوقت الدقيق.

 
مجالات استخدام النظام:
لقد أصبح الجى.پى.إس يستخدم على نطاق واسع كأداة ملاحة عالمية مفيدة تستخدم موجات الراديو في رسم الخرائط، ومسح الأرض، والتجارة، والاستخدامات العلمية، والتتبع والمراقبة، والهوايات مثل “الجيوكاشنج” و”الواي ماركنج.
 
وأيضاً يستخدم المرجع الدقيق للوقت في الكثير من التطبيقات والتي تتضمن الدراسة العلمية للزلازل، وكمصدر مزامنة لبروتوكولات شبكات الهاتف الجوال. وقد أصبح الجى.پى.إس الدعامة الأساسية في أنظمة المواصلات حول العالم، داعماً ملاحة الطيران، والعمليات البرية والبحرية.
 
تعتمد أيضاً خدمات إغاثة منكوبي الكوارث وخدمات الطوارئ على الجى.پى.إس للتفوق في عاملي التوقيت والتحديد الدقيق للموقع في مهامهم الإنقاذية. كما إن التحديد الدقيق للوقت الذي توفره خدمة الجى.پى.إس يسهل الأنشطة اليومية مثل: عمليات البنوك، وعمليات الهواتف النقالة، وحتى التحكم في شبكات الطاقة.
 
يمارس المزارعون، والمساحون، والجيولوجيون، والمزيد ممن لا يمكن إحصاؤهم – أعمالهم بطريقة أكثر كفاءة، وأماناً، واقتصادية، ودقة باستخدام إشارات الجى.پى.إس المجانية والمفتوحة.
 

 
أساس عمل النظام:
يحسب جهاز استقبال الجى.پى.إس موقعه عن طريق حساب توقيت الإشارات التي يتم إرسالها من أقمار الجى.پى.إس الموجودة على ارتفعات نحو 36.000 كيلومتر فوق سطح الأرض. ويرسل كل قمر رسائل متتالية تضم التالي:
• وقت إرسال الرسالة
• المعلومات المدارية الدقيقة ephemeris
• السلامة العامة للنظام والمدارات العليلة لكل أقمار الجى.پى.إس almanac.
 
يستخدم جهاز الاستقبال الرسائل التي يستقبلها في تحديد وقت انتقال كل رسالة من القمر الصناعي إلى الجهاز المستقبل على الأرض. ويحسب المسافات بينه وبين كل قمر صناعي. تستخدم هذه المسافات، مع مواقع الأقمار، ومع استخدام حساب المثلثات لحساب موقع جهاز الإرسال:أستقبال. فيتم إظهار الموقع على الجهاز المستقبل – ربما ببيان خريطة متحركة، أو تعيين خطوط الطول ودوائر العرض، ويمكن إدراج معلومات عن الارتفاع عن سطح البحر.
 
تُظهر وحدات جى.پى.إس عديدة المعلومات، معلومات مشتقة مثل: الاتجاه ، والسرعة – محسوبة من خلال تغيرات الموقع.
 
ربما يبدو من الوجهة النظرية أن ثلاثة أقمار صناعية تكون كافية لتحديد أي موقع على الأرض، وهذا لأن الفراغ يتكون من ثلاثة أبعاد. ولكن أي خطأ ولو بسيط جداً يحدث في تقدير الساعات، عندما يتم ضرب الثلاثة أزمنة في سرعة الضوء العظيمة – وهى السرعة التي تنتشر بها إشارات القمر الصناعي – تسبب في خطأ كبيرً في تحديد الموقع. لهذا تستخدم أجهزة الاستقبال أربعة أقمار صناعية أو أكثر لتحدد موقع ووقت جهاز الاستقبال بدقة.
 
إن الوقت المحسوب بدقة شديدة تخفيه تطبيقات الجى.پى.إس – التي تحدد الموقع فقط. ولكن هناك بعض تطبيقات الجى.پى.إس المتخصصة التي تستخدم لتعيين الوقت بدقة ، مثل: “نقل الوقت”، وضبط توقيت إشارات المرور، ومزامنة محطات الهاتف النقال الرئيسية.
 

 
رغم الحاجة إلى أربعة أقمار صناعية للقيام بالعمل بشكل الطبيعى؛ يمكن استخدام عددا أقل في حالات خاصة، فإذا كان أحد المتغيرات معلوماً بالفعل يمكن لجهاز الاستقبال تحديد موقعه باستخدام ثلاثة أقمار صناعية فقط (مثلاً: يمكن أن تكون السفينة أو الطائرة قد حددت ارتفاعها عن سطح البحر).
 
تستخدم بعض أجهزة استقبال الجى.پى.إس أدلة أو افتراضات إضافية، (مثل: إعادة استخدام آخر ارتفاع تم الحصول عليه، والقياس بالحدس اعتماداً على قياس سابق، والملاحة بالقصور الذاتي، وإدراج معلومات حاسب المركبة) من أجل إعطاء حساب غير دقيق للموقع عندما يكون عدد الأقمار الصناعية المرئية أقل من أربعة أقمار.

بالفيديو شرح مفصل عن كيفية عمل نظام تحديد الموقع العالمي "GPS"