مقدمة ومدخل الى نظام GPS

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

اوﻻ ماذا تعنى كلمة  GPS  ؟ 

هي اختصار لـ Global Positioning System أي نظام تحديد الموقع العالمي

يعتمد هذا النظام على منظومة من الأقمار الاصطناعية – كان عددها حوالي 27 قمراً عام 2003 – تدور حول الأرض وتعمل على الطاقة الشمسية وتدور بمعدل دورتين كاملتين باليوم , وقد تم ترتيب المدارات بحيث يمكنك مشاهدة 4 أقمار صناعية في السماء بآن واحد في أي وقت ومن أي نقطة على سطح الأرض .

مهمة مستقبل الـ GPS هي تحديد موقع هذه الأقمار وحساب المسافة بينها وبين الأرض والاستفادة من هذه المعطيات لاستنتاج موقع المستقبل وبالتالي تحديد إحداثياتك على سطح الأرض .
إن مبدأ عمل مستقبلات الـ GPS ليس بالأمر المعقد وتكفي 3 أقمار لتحديد موقعك , وإنما الزيادة في عدد الأقمار هو لزيادة الدقة , بمعرفة بعدك عن أحد الأقمار فإنك ستكون على سطح كرة يبلغ قطرها مقدار هذه المسافة , وبمعرفة بعدك عن القمر الثاني سيتشكل لديك كرتان يتقاطعان في دائرة , وموقعك سيكون إحدى نقاط محيط هذه الدائرة , وبمعرفة بعدك عن القمر الثالث وإجراء التقاطع ستحصل على نقطتين إحداهما في الفضاء (هذه النقطة يالطبع لا تدل على موقعك ) , وانقطة الأخرى تشير إلى موقعك على سطح الأرض أي كأنن استفدنا من الكرة الأرضية ككرة رابعة لتحدديد الموقع .

يعتمد مستقبل الـ GPS على الأمواج الراديوية – والتي هي عبارة عن أمواج كهرطيسية تنتشر بسرعة الضوء – لحساب المسافة التي تفصله عن الأقمار الاصطناعية وذلك بحساب المدة التي استغرقتها هذه الأمواج لتقطع المسافة.

عملية قياس المسافة عملية معقدة لأنها بحاجة لاتقان شديد وهي تتم على أساس المبدأ السابق –قياس زمن مسير الإشارة من القمر الاصطناعي وحتى مستقبل الـ GPS – ولكن كيف يتم ذلك ؟

في وقت محدد يبدأ القمر الاصطناعي بإرسال سلسلة رقمية طويلة ذات ترميز شبه عشوائي (PN) وسيبدأ مستقبل الـGPS بتوليد سلسلة مطابقة تماماً وفي نفس الوقت تماماً , وعندما تصل إشارة القمر الصناعي إلى مستقبل الـ GPS ستكون السلسلة المستقبلة متأخرة عن السلسلة المولدة بمقدار زمن مسير الإشارة . عندها يقوم المستقبل بضرب الزمن بسرعة الضوء لتحديد المسافة على افتراض انتشار الإشارة بشكل مستقيم وناتج الضرب هو بعد القمر الاصطناعي عن مستقبل الـ GPS , وللقيام بعملية قياس بهذه الدقة فإن كلاً من المستقبل والقمر الاصطناعي بحاجة لمؤقتات (clocks) يمكن مزامنتها من رتبة الـ Nanosecond , ويتم تحديد الموقع بدقة كما ذكرت وتجاوز مشكلة التأخير او عدم المزامنة الدقيقة بنسبة 100 % , باستخدام أربع أقمار لتحديد الموقع بدقة بالغة فمن المستحيل أن تتقاطع في نقطة واحدة إن لم يكن القياس دقيقاً واعتماداً على ذلك يقوم المستقبل بإعادة ضبط مؤقته باستمرار للحصول على أعلى دقة .

الممتع في الـ GPS أنه لا يحدد لك فقط موقعك وإنما يمكنه أن يحدد لك أفضل طريقة يمكنك بها بلوغ وجهتك وذلك باستخدام خرائط رقمية مخزنة في ذاكرة المستقبل , فما عليك سوى أن تحدد له أحداثيات خط الطول والعرض للنقطة التي تريد الذهاب إليه وسيرشدك إلى وجهتك بأقصر طريق ممكن مع إعطاءك قيمة ارتفاعك في كل لحظة بالإضافة إلى ذلك يمكنه تحديد سرعتك الآنية والمتوسطة والوقت المتوقع للوصول لوجهتك إذا ما حافظت على نفس السرعة .

إن تطبيقات الـ GPS واسعة ولا حدود لها ويبرز استخدامه بشكل فعال في مجال الطيران و الملاحة البحرية والعمليات العسكرية .....................
أما ما يهمنا نحن –أقصد بذلك مهندسوا الاتصالات – فمن الضروري أن يكون لديك جهاز مماثل اثناء قيامك بعملية Survey أي مسح لأحد المناطق لدراسة إمكانية تغطية المنطقة بواسطة برج للاتصالات الخليوية على سبيل المثال , حيث يقوم مهندس التخطيط بإعطائك إحداثيات المكان المطلوب دراسته وعليك الذهاب إلى تلك النقطة بالضبط ودراسة الموقع ميدانياَ للتحقق من إمكانية الاستفادة منه بالإضافة لتسجيل إحداثيات المواقع المجاورة (وأقصد بذلك أبراج الخليوي المجاورة إن تحدثنا عن تغطية أبراج الخليوي ) .

فكرة عمل نظام Gps

في العصور القديمة عندما كان مجموعة من الأشخاص يرغبون في الذهاب في رحلة استكشافية في مكان ما على الأرض لإإنهم كانوا يستخدموا احد افراد المنطقة كدليل ليرشدهم للطريق الصحيح هذا بالاضافة الى استخدام البوصلة لتحديد الاتجاهات  ولكن ماذا لو فقد هذه الدليل وأختفى فكيف ستجد المجموعة الكشفية طريقها لابد أن الأمور ستصبح صعبة، كذلك لو افترضنا ان شخص حصل على قارب بحري وانطلق في البحر ولكن فجأة اكتشف أنه لا يعرف كيف يعود الى نقطة البداية فهو يحتاج الى من يرشده،  فماذا لو كان مرشدك هذا هو مجموعة من الأقمار الصناعية التي تراقبك باستمرار من خلال جهاز استقبال هذا ما يعرف بنظام تحديد الموقع على الارض والمعروف باسم جهاز GPS.

باقل من 100 دولار يمكنك الحصول على جهاز بحجم الجوال يخبرك بموضعك على الأرض في اي لحظة وفي اي مكان هذا الجهاز هو جهاز استقيال GPS والذي يعني نظام تحديد الموقع Global Positioning System.

جهاز من شركة كومباك يستخدم نظام GPS لتحديد الموقع.

في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم  بالتعرف على فكرة عمل جهاز GPS والتعرف على مكوناته وفوائدة الهامة في حياتنا.
 

ما هو نظام GPS؟

شبكة الأقمار الصناعية المتكاملة في نظام GPS

أنظمة تحديد الموقع Global Positioning System (GPS) هي  عبارة عن منظومة من 27 قمر صناعي يدور حول الكرة
الأرضية (فعليا 24 قمر صناعي مستخدم و3 اقمار أحتياطية تعمل في حالة تعطل اي من الأقمار الرئيسية). وأنظمة استقبال المعلومات من GPS تشبه اجهزة الجوال تستطيع تحديد موقعك بدقة في الابعاد الثلاثة على سطح
الارض. ويكون هذا النظام فعالاً في حالة التواجد في الأماكن المكشوفة فتستخدم في الرحلات الاستكشافية  وفي الملاحة الجوية والبحرية وفي التطبيقات العسكرية والتطبيقات المدنية.

أحد الأقمار الصناعية العاملة في نظام GPS

فجهاز تحديد الموقع GPS يستخدم في الحروب الحديثة على سبيل المثال في حرب الخليج، هذا الجهاز جعل من  الحرب وكأنها لعبة كمبيوتر يقوم فيها المهاجم بتحديد احداثيات الهدف بدقة ووالقذيفة الموجهة تعتمد على نظام GPS للوصول الى الهدف المحدد. فقد شاهدنا كيف يمكن مهاجمة أهداف معينة بدقة متناهية وكأن تلك القذائف ترى وتعرف ماذا تفعل.
 

فكرة عمل نظام الــــ GPS

معلومة واحدة من شخص تعطي ابعاد كبيرة لمكان تواجدك على الارض.
معلومتان من شخصين تحدد مكانك بدقة اكثر.
ثلاث معلومات من ثلاث اشخص تعطي مكانك بالضبط.

وبهذه الفكرة تعمل الاقمار الثالثة لتحديد موقعك على سطح الأرض حيث يصنع كل قمر سطح كروي ومن تقاطعات هذه الأسطح مع سطح الكرة الأرضية يتم تحديد الموقع بدقة كبيرة.

تقاطع الاسطح الكروية عن الأقمار الصناعية الثالثة مع  سطح الأرض يعطي نقطة هي المكان الموجود فيه جهاز الاستقبال GPS

كل قمر من الأقمار الــ 24 يرسل باستمرار على نفس التردد إشارة كهرومغناطيسية محملة على موجة ترددها 1575MHz كل قمر صناعى له شفرة معينة Code خاصة به ترسل مع الإشارة الحاملة وبالتالى يمكن لأى قمر صناعى يلتقط هذه الشفرة أن يحدد مكان
وزمان تواجد هذا القمر.
أما المستقبل فهو جهاز في حجم راديو صغير يحتوى على دوائر إلكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسسر Microprocesso متطور يقوم المستقبل بتحديد الموقع بإستخدام
طريقتين مختلفتين الأولى تعتمد على إزاحة دوبلرDoppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية المرسلة من الأقمار الصناعية وهذه الإزاحة تكون ناتجة عن السرعة النسبية بين الأرض والأقمار الصناعية.

إستخدامات نظام الــ GPSالحالية والمستقبلية. كثيرون جدا الذين يستخدمون هذا النظام مثل البواخر الكبيرة وحتى القوارب الخاصة تستعين بالــ GPS لتحديد موقعها في البحار والمحيطات كذلك شركات النقل تستخدم هذا  النظام لتحديد مواقع سياراتها فمثلا شركات السيارات الأجرة في أوربا تستخدم الـــ GPS حتى ترسل أقرب سيارة متواجدة بجوار صاحب الطلب.

وفي النهاية أتمنى أن أكون قد أوضحت فكرة تحديد الموقع بالأقمار الصناعية ومدى تأثيرها على حياتنا فى السنوات القادمة من حيث زيادة الكفاءة وتقليل المخاطر في جميع أنواع المواصلات وكذلك مراقبة كل التحركات على الأرض سواء كانت بشرية أو حتى تغيرات في الظروف المناخية أو حركة الزلازل.

 سؤال درس اليوم :


لما يتم استخدام 3 أقمار فقط بينما يمكن استخدام أكثر ؟ فلماذا 3 اقمار هو اﻻفضل ؟