نظام تحديد المواقع العالمي GPS
نظام تحديد المواقع العالمي GPS
أنا متأكد من أنك تعرف ما هو نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) Global positioning System ، ولكن هل تساءلت يومًا: كيف يعمل؟ كيف يحسب موقعك فعليًا، وما هي حدود دقته؟
في أبسط صوره، يُحدد النظام موقعك عن طريق قياس بُعده عن أربعة أقمار صناعية مختلفة على الأقل. يعرف النظام مواقع أقماره، وبرسم حلقة وهمية حول كل منها، يحسب موقعه عند تقاطع هذه الحلقات.
تطور نظام تحديد المواقع العالمي GPS
طورت الولايات المتحدة الأمريكية نظام NAVSTAR (GPS) لتوفير دقة تحديد المواقع للجيش. وأطلقت سلسلة من الأقمار الصناعية خلال سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، مع تطوير المفهوم حتى أصبح النظام جاهزًا. يتألف النظام الكامل من 24 قمرًا صناعيًا، بالإضافة إلى أقمار إضافية احتياطية. هذا يوفر 4 أقمار صناعية على الأقل في مجال الرؤية من كل موقع على سطح الأرض.
استُخدم (GPS) في البداية من قبل الجيش فقط، ولكن لم يمضِ وقت طويل حتى فُتح للإستخدام المدني. وكنتيجة مباشرة لحصوله على حق الوصول، استفاد قطاعا الطيران والبحري من تحسين دقة تحديد المواقع.
حُرم المستخدمون المدنيون من الدقة الكاملة للموقع من خلال خاصية تُسمى “التوافر الانتقائي”. ببساطة، أضافت هذه الخاصية أخطاءً متعمدة إلى إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). كان من المتوقع حدوث أخطاء تصل إلى 50 مترًا أفقيًا و100 متر رأسيًا. حافظ الجيش الأمريكي على الدقة الكاملة باستخدام “مفتاح”، مما سمح له بتعويض هذه الأخطاء. في عام 2000، استعاد جميع المستخدمين الدقة الكاملة عندما تم إلغاء تنشيط التوفر الانتقائي بشكل فعال
كيف يُحسب موقعك في GPS ؟
تحاول أجهزة استقبال GPS قياس المسافة من الهوائي الخاص بها إلى أربعة أقمار صناعية مختلفة على الأقل. يبث كل قمر صناعي رمزًا فريدًا على فترات زمنية دقيقة. تعرف أجهزة الاستقبال الوقت الدقيق لبث كل رمز، ما يسمح لها بقياس الفرق الزمني بين وقت استقبال الرمز والوقت المفترض لبثه. ويعود هذا الفرق الزمني ببساطة إلى المسافة التي قطعتها الإشارة.
حتى بعد حساب المسافة التي قطعها الإرسال، لا يزال جهاز الاستقبال غير قادر على حساب مدى دقيق. في البداية، لا يمكنه سوى حساب نطاق زائف. ويرجع ذلك إلى عدم امتلاك جهاز الاستقبال لساعة دقيقة بما يكفي لضبط الوقت بنفس طريقة الأقمار الصناعية.
على عكس أجهزة الاستقبال، تستطيع الأقمار الصناعية ضبط الوقت بدقة. يحتوي كل منها على عدة ساعات ذرية. نظريًا، لو كان كل جهاز استقبال مزودًا بساعة ذرية، فسيكون المدى المحسوب مدىً فعليًا بدلًا من نطاق زائف. ولكن للأسف، بسبب التكلفة والتطبيق العملي، لا تحتوي أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على ساعات ذرية. نتيجةً لعدم دقة التوقيت هذه، تحتاج أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى التركيز على أربعة أقمار صناعية بدلاً من ثلاثة. في حال كان التوقيت دقيقًا، ستكون هناك حاجة لثلاثة أقمار فقط. بدلاً من محاولة حساب خطوط العرض والطول والارتفاع فقط، تحتاج أجهزة الإستقبال أيضًا إلى حساب الوقت. يمكننا إيجاد جميع المجاهيل الأربعة باستخدام الجبر. يتيح الجبر حساب أربع قيم مجهولة من خلال حل مجموعة من أربع معادلات متزامنة.
يُعطي حل المعادلات الأربع جميعها خطوط العرض والطول والارتفاع والوقت. بالإضافة إلى تحديد الموقع بدقة، يُنتج كل جهاز استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الوقت الذري الدقيق الذي تحتفظ به مجموعة الأقمار الصناعية.
أخطاء نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)
بغض النظر عن مدى دقة الساعات والقياسات، قد تتسلل الأخطاء (وتحدث بالفعل). ويمكن تقسيم هذه الأخطاء إلى عدة فئات مختلفة.
1.الانتشار PROPAGATION
هذه أخطاء تنشأ بسبب تباطؤ إشارات الأقمار الصناعية عند مرورها عبر طبقات مختلفة من الغلاف الجوي، تتكون طبقات الغلاف الجوي المختلفة من عناصر مختلفة، مما يُنتج كثافات مختلفة، عند مرور الإشارات عبر هذه الطبقات، تقل سرعتها قليلاً، عادةً ما تنتقل إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بسرعة الضوء، ولكن إذا تباطأت في بعض الأماكن، فستستغرق وقتًا أطول من المتوقع للوصول إلى المُستقبِل، ينتج عن هذا قياس خاطئ قليلاً للنطاق شبه البرتقالي للقمر الصناعي، مما يُؤدي إلى عدم دقة طفيفة في الموقع المحسوب النهائي.
يمكن لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) تعويض بعض أخطاء الانتشار عن طريق إرسال إشارة ثانية بتردد مختلف. تتعطل الترددات المختلفة بشكل مختلف عند مرورها عبر طبقات الغلاف الجوي. تُعطي مقارنة التردد الثاني بالتردد الأصلي معلومات كافية لوضع التصحيح المناسب.
2.تعدد المسارات MULTI-PATH
تنتج أخطاء تعدد المسارات عن عدم اتخاذ إشارات الأقمار الصناعية مسارًا مباشرًا إلى جهاز الاستقبال. قد ترتد هذه الإشارات عن مبنى أو جرف قبل وصولها إلى جهاز الاستقبال. يؤدي هذا إلى استغراق الإشارة وقتًا أطول للوصول إلى جهاز الاستقبال مقارنةً بما لو سلكت المسار المباشر. ويؤدي هذا أيضًا إلى حساب مسافة خاطئة.
عادةً ما يلاحظ جهاز الاستقبال أخطاء تعدد المسارات لأنه يأخذ قياسات من أقمار صناعية متعددة. ثم يتجاهل القياسات الناتجة بوضوح عن تعدد المسارات. في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) البحري، لا تُعد هذه الأخطاء شائعة جدًا نظرًا لقلة الهياكل البحرية التي تُسبب أخطاء تعدد المسارات.
3.التقويم الفلكي -المداري Ephemeris (Orbital)
تعود هذه الأخطاء إلى اختلافات طفيفة في مدارات الأقمار الصناعية، لو كان المدار دقيقًا، لتطابقت جميع الأرقام تمامًا. ومع اختلاف مدارات الأقمار الصناعية اختلافًا طفيفًا، فقد تتسلل أخطاء صغيرة إلى المواقع المحسوبة، أخطاء التقويم الفلكي قابلة للتصحيح لأن مواقع الأقمار الصناعية تُرصد بواسطة المحطات الأرضية، تحسب المحطات الأرضية الفرق بين الموقع المتوقع للقمر الصناعي وموقعه الفعلي، يُطبّق هذا الفرق على حسابات جهاز الاستقبال، مما يُلغي أخطاء التقويم الفلكي بشكل فعال.
4.ضوضاء جهاز الاستقبال RECEIVER NOISE
يشير ضوضاء جهاز الاستقبال إلى الأخطاء الناتجة عن الإشارات الإلكترونية داخل وحدة استقبال (GPS). يتعرض جهاز الاستقبال لمستوى تداخل منخفض، مما قد يؤثر على الإشارات المستقبلة، وبالتالي على النطاقات الزائفة المحسوبة لكل قمر صناعي.
5.أخطاء النسبية Relativistic Errors
هذه أخطاء ناتجة عن تأثيرات نسبية داخل الأقمار الصناعية نفسها، يمكن لنظرية النسبية نفسها أن تُغطي العديد من المقالات، لكن الجزء الذي يهمنا هو الجزء الذي يصف كيفية سريان الزمن بسرعات مختلفة تبعًا للسرعة النسبية بين راصدين، هذا مهم لنا لأن الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض تسير بسرعة أكبر بكثير من الراصدين على الأرض، يبدو أن الزمن على الأقمار الصناعية يسير بشكل مختلف عن الزمن على الأرض، أُخذت تأثيرات النسبية في الاعتبار عند بناء الأقمار الصناعية، لذا فإن ساعاتها الداخلية تعمل بمعدل مختلف قليلاً عن معدلها على الأرض، مع ذلك من وجهة نظر الراصد على الأرض، يبدو أن الزمن يعمل بشكل صحيح، على الرغم من هذا التخطيط المسبق، لا يزال من الممكن أن تتسلل أخطاء صغيرة مع مرور الوقت.
تُراقب الأقمار الصناعية من محطات على سطح الأرض، لذا تُرصد الأخطاء النسبية، تُجرى تصحيحات للتعويض عن أي أخطاء يتم اكتشافها، ولكن لا يزال يتعين علينا أن ندرك أن ذلك قد يؤدي إلى انخفاض طفيف في الدقة
نظام تحديد المواقع العالمي التفاضلي Differential GPS (DGPS)
طُوِّر نظام تحديد المواقع العالمي التفاضلي في الأصل لمكافحة التوافر الانتقائي. وقد أدى هذا التوافر الانتقائي إلى انخفاض دقة الإشارات بشكل عشوائي، مما جعل دقة تحديد المواقع أقل دقة للمستخدمين غير المنتمين للجيش الأمريكي.
تتمثل نظرية نظام تحديد المواقع العالمي التفاضلي في إمكانية بناء جهاز استقبال في موقع ثابت ومقارنة موقعه في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بموقعه الفعلي. ويعود الاختلاف بين النظامين إلى التوافر الانتقائي. ويمكن بث هذا الاختلاف كتصحيح لجميع أجهزة الاستقبال في المنطقة المجهزة لاستقبال تصحيحات نظام تحديد المواقع العالمي التفاضلي. وقد أدى هذا التصحيح فعليًا إلى القضاء على التوافر الانتقائي، مما ساهم في إنهائه في نهاية المطاف.
وحتى اليوم، على الرغم من أن التوافر الانتقائي لم يعد مشكلة، لا يزال نظام تحديد المواقع العالمي التفاضلي يُستخدم لتوفير تصحيحات لإشارات نظام (GPS) لزيادة دقتها الإجمالية.
كيفية تحديد دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)
يمكنك الحصول على تقدير تقريبي لدقة الموقع الذي يحدده جهاز استقبال GPS الخاص بك من خلال النظر إلى قيمة HDOP. HDOP تعني “التخفيف الأفقي للدقة”. وهو مقياس لمدى الخطأ الذي يمكن أن يتوقعه جهاز الاستقبال في تلك المنطقة. إحدى الطرق البسيطة لقياس الدقة الدقيقة هي ضرب الدقة المتوقعة (مثلاً متر واحد في هذا المثال) بقيمة HDOP. هذا يعني أن قيمة HDOP البالغة 1 ستعطي دقة موقع تبلغ متر واحد في مثالنا. كلما زادت قيمة HDOP، انخفضت الدقة المتوقعة لموقعك.
أفضل أنظمة الملاحة العالمية البديلة عبر الأقمار الصناعية
ناقشنا في هذه المقالة نظام NAVSTAR GPS، وهو النظام الذي يُشغّله الجيش الأمريكي، يُعدّ NAVSTAR مثالاً واحداً فقط على نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS). هناك أنظمة أخرى طورتها دول أخرى.
يُعدّ GLONASS على الأرجح النظام البديل الأكثر تطوراً حتى الآن. تُشغّله روسيا في مدار أدنى قليلاً من NAVSTAR. يُحسّن هذا دقة تحديد الموقع عند خطوط العرض العليا. ونظرًا لامتداد الأراضي الروسية شمالاً، فإن هذه الدقة المُحسّنة تُفيد نظامها.
يُعدّ Galileo نظاماً آخر من أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية قيد التطوير حالياً من قِبل الاتحاد الأوروبي. من المُتوقع أن يُوفّر دقة تبلغ حوالي متر واحد لمعظم المستخدمين، وتصل إلى سنتيمتر واحد للمستخدمين المُتميّزين. من المُخطط أن تكون أقمار Galileo في مدار أعلى من أقمار NAVSTAR، مما يُقلّل من أخطاء المسارات المُتعددة في بيئات المدن من خلال وضع الأقمار الصناعية في مدار أعلى من نظام GPS الحالي.
eLORAN
على الرغم من أننا ناقشنا الملاحة عبر الأقمار الصناعية باستفاضة، من المهم تذكر وجود بدائل. وتُعدّ هذه البدائل ضرورية للحفاظ على دقة تحديد الموقع في حال عدم موثوقية إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لأي سبب.
يُعدّ eLoran البديل الأكثر وعدا . يُشبه هذا النظام نظام (GPS) من حيث أن وحدات eLORAN على متن السفن تستقبل إشارات من المحطات وتُثلّث الموقع. الفرق هو أن محطات eLORAN أرضية وليست أقمارًا صناعية، وأن الإشارات المُرسَلة عالية الطاقة وتردد منخفض. وهي تُكمّل إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) منخفضة الطاقة وترددها العالي، حيث تصل إلى السفن في الحالات التي قد يكون فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عرضة للتداخل أو غير موثوق
يُعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) البحري وسيلة فعّالة للغاية لتحديد موقعك في البحر، وقد أصبح جزءًا أساسيًا من معدات الملاحة التي يجب حملها على متن كل سفينة. الآن وقد رأيتَ كيفية عمله، ستتمكن من تقييم دقته و موثوقيته بنفسك.
المصادر:
