ماهو ال Gps (لأجهزة تحديد المواقع) ..شرح بالصور .. تعرّف عليه علميا

أحببت أن أقدم هذا الموضوع المتواضع لمنتداي الغالي لتعم الفائدة

وهو موضوع يعرّفنا بال GPS من نواحيه المتعددة ..

ماهو الـ GPS ؟هذه الأحرف
الثلاثة GPS هي اختصارللكلمات : Global Positioning System والتي تعني :
نظام تحديد المواقع العالمي .وهو عبارة عن نظام ملاحي مكون من شبكة
أقمارصناعية يصل عددها إلى 24 قمراً مثبتة في مدارات محددة من الفضاء
الخارجي من قبلوزارة الدفاع الأمريكية . كان الهدف الأساسي من هذه الشبكة
من الأقمار الصناعيةهدفاً عسكرياً بحتاً ، ولكن في عام 1980م سمحت الحكومة
الأمريكية بأن يكون هذاالنظام متاحاً للاستخدامات المدنية . ونظام الـ GPS
يعمل تحت جميع أنواع الظروفالجوية ، وفي كل مكان في العالم ، وعلى مدار 24
ساعة في اليوم ، ولا يجب الاشتراكمن أجل الحصول على هذه الخدمة كما أنها
مجانية ...



هذه الأقمار تدور في مدارات حول الأرض بسرعة تبلغ
7.000 ميل فيالساعة ، وتعتمد على الطاقة الشمسية ، كما أنها مزودة ببطاريات
قابلة للشحن من أجلضمان استمرار عملها في حالة انعدام الطاقة الشمسية ،
ويوجد على كل قمر صاروخ صغيرمن أجل أن يسيّر القمر في طريقة الصحيح ...



بعض الحقائق عن تلك الأقمار الصناعية :
1-


أول قمر صناعي أطلقكان في عام 1978م



2-






تم الانتهاءمن اطلاق جميع الأقمار وعددها 24 قمراً في عام 1994م


3-



العمر الافتراضي لكل قمر هو عشر سنوات . علماً


بأن البدائل لهذه الأقمار أطلقت فيمداراتها .



4-


يزن القمر الصناعي مايقارب الطن الواحد ، وقطره 6 أمتار تقريباًبما في ذلك شرائح الطاقة الشمسية الممتدة علىجانبيالقمر ...



5-


يستهلك القمر فقط 50وات أو أقل من الطاقة في حالةالارسال


6-



هذه الأقمار الصناعيةتبث نوعين من الإشاراتالمنخفضة





: L1 و L2 . و L1 للاستخدامات المدنية بذبذبة مقدارها 1575.42 MH على UHF
.كيف تعمل ؟أقمار الـ GPS تدور حول الكرة الأرضية فيمدارات محددة ودقيقة
جداً مرتين في اليوم الواحد (24 ساعة) وخلال دورانها تبثإشارات تحمل
معلومات عن الأرض . جهاز الاستقبال لديك يستقبل هذه المعلومات ويعملبعض
العلميات الحسابية ليحدد بالضبط موقع المستخدم . هناك أيضاً محطات أرضية
تستقبلالمعلومات من القمر الصناعي وعلى أساسها تقوم هذه المحطات بتزويد
القمر بمعلوماتمهمة من أجل أن يعمل على الوجه الأفضل مثل التوقيت والمدار
والموقع .. الخ وهذايعني أن الاتصال مزدوج بين هذه المحطات الأرضية
والأقمار الصناعية ... (انظر الصورةأدناه)







أما ما يخص جهاز الاستقبال (GPS) لديك فإنه يجب أن يعرف
شيئين أساسيينومهمين :1- أين هذه الأقمار الصناعية ؟ (الموقع)2- كم تبعد
هذه الأقمار عن الجهاز ؟ (المسافة)وللإجابة على السؤال الأول يقوم
الجهازبالتقاط معلومات من الأقمار الصناعية تتضمن مواقع تلك الأقمار
التقريبية ، وهذهالمعلومات ترسل باستمرار ويقوم الجهاز بتخزينها في ذاكرته
من أجل معرفة مدار كل قمر، وأين يجب أن يكون ، وهذا النوع من المعلومات
يحدث باستمرار من قبل المحطاتالأرضية التي تحدثنا عنها سابقاً ، فهي تزود
القمر بموقعه الصحيح ومساره والقمربدوره يرسل هذه المعلومات إلى جهاز
الاستقبال لديك ...(إذن من خلال استلام المعلومات يحدد الجهاز مواقع
الأقمار طوالالوقت)


أما إجابة السؤال الثاني والذي يختص بالمسافةفإن
الجهاز بعد تحديد مواقع الأقمار في الفضاء بكل دقة – كما أسلفت أعلاه – لا
يزاليحتاج أن يعرف كم تبعد عنه هذه الأقمار (المسافة) ويستطيع عمل ذلك عن
طريق معرفةالوقت الذي استغرقته الإشارة للوصول ، وهذا يتم تحديده بمعرفة
وقت انطلاق الإشارةمن القمر ووقت استلامها وفارق الوقت بينهما هو الوقت
الذي استغرقته الإشارة فيالفضاء من أجل الوصول إلى الجهاز ، طبعاً القمر
الصناعي مزود بتوقيت دقيق جداً ،وكذلك الجهاز لديك وإن كان أقل دقة ..
ولتبسيط الأمر أقول : كأن القمر يقول للجهازإن هذه الإشارة انطلقت في
الساعة ... والجهاز ينظر إلى ساعته متى استلم هذه الإشارةالآن وقد حدد
الزمن الذي أخذته الإشارة للوصول فإن القاعدةتقول : الزمن×السرعة = المسافة
. تذكر عندما كنا صغاراً إذا أردنا أن نعرف هلالسحاب بعيد أو قريب بأن
نحسب الوقت بين مشاهدة البرق وسماع الرعد فإن كان الزمنبينهما كبير فإن
السحاب بعيد ، وإن كان الفرق قليل فإن السحاب قريب ؟ هذه نفسالفكرة :
الجهاز لديك يضرب الزمن في سرعة موجات الراديو البالغة 186.000 ميل
فيالثانية والنتيجة هي المسافة بين القمر الصناعي والجهاز ...الآن حددنا
أهم شيئين في العملية وهما : موقع القمر والمسافة بننا وبينه، وبذلك يستطيع
الجهاز أن يحدد موقعه كما يلي :لنفرضأننا على بعد 11.000 ميل من القمر
الصناعي الأول بهذه الحالة سيكون موقعنا في أينقطة من ملايين النقاط على
محيط دائرة نصف قطرها 11.000 ميل يكون القمر الصناعي فيوسطها
ولذلك فإن قمراً واحداً لا يكفي لتحديد موقع الجهاز .. ولتقريب هذه الفكرةانظر إلى الصورة التالية :




ولنفرض أننا على بعد 12.000 ميل من قمر ثانٍ ، هذا
القمر الثاني سيرسلإشارات تتقاطع مع إشارات القمر الأول مكونة دائرة ،
والموقع سيكون على أي نقطة منمحيط هذه الدائرة ، مرة أخرى يستحيل تحديد
الموقع بقمرين فقط .. انظر الصورة :




ولذلك نحن بحاجة إلى أن نضيف قمراً ثالثاًولنفرض أنه
على بعد 13.000 ميل سيصبح لدينا نقطتان : (أ) و (ب) جراء تقاطع
الدوائرالثلاث للأقمار الصناعية الثلاثة ، لكن النقطتين بعيدتان عن بعضهما
بعداً شاسعاً ،انظر الصورة :




ومع العلم إنه أصبح لدينا نقطتان فقط فإن تحديد أيهما
موقع الجهاز يتطلبمنك إدخال الارتفاع في موقعك من أجل ان يعرف الجهاز أي
النقطتين هو فيها . وعلى كللو قمنا بإضافة قمر رابع يستطيع الجهاز أن يحدد
ثلاثة أبعاد (3D) وهي ( خط الطول + خط العرض + الارتفاع ) .





مصادر الخطأ في إشارة الـ GPS
:أجهزة الـ GPS في السنوات الأخيرة اصبحت دقيقة جداً بشكل فائق حتىأن معدل
نسبة الخطأ انخفض إلى 15 متراً فقط !! ، وذلك بفضل تطور برامج
وقطعالاستقبال داخل الجهاز ، على أن الأمر لا يخلو من بعض العوائق التي
تؤثر على دقةأجهزة الـ GPS ، ولعل أهم مصادر الخطأ في هذا المجال مايلي :




1-أخطاء ناتجة عن بطء الإشارة من القمر الصناعي ، وذلك لأن الإشارةتقل
سرعتها عندما تجتاز الغلاف الجوي في طريقها إلى الجهاز ، وعادة تكون
أجهزةالاستقبال مزودة بنظام يقوم بحساب معدل التأخير من أجل تصحيح هذا
الخطأ ...


.






2- أخطاء ناتجة عن انعكاس أو ارتداد الإشارة نتيجةاصطدامها بعوائق مثل
البنايات الطويلة أو الصخور والجبال .. إلخ . وهذا من شأنه أنيزيد من سرعة
انتقال الإشارة وبالتالي يسبب أخطاء ...










3-أخطاء ناتجة بسبب الساعة الداخلية للجهاز ؛ لأن هذه الساعة ليستبالدقة
التي عليها الساعة الذرية الموجودة في القمر الصناعي ، ومن أجل ذلك قد
يكونهناك أخطاء بسبب التوقيت ...

4- أخطاء تحدث بسبب عدمدقة المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي عن موقعه في الفضاء ...

5- عدد الأقمار الصناعية التي يستطيع الجهاز رؤيتها ؛ فكلما زاد عددالأقمار
زادت الدقة والعكس صحيح ؛ فالمباني والمجالات الكهربائية والمغناطيسية
تسببعدم رؤية الجهاز للأقمار وبالتالي تسبب قطع الإشارة وتسبب الأخطاء في
التحديد أوحتى احتمال عدم قدرة الجهاز على تحديد الموقع نهائياً .