(Global Positioning System (GPS

نظام تحديد المواقع العالميّ:

نظام ملاحة يستخدم الأقمارَ الصناعيّة لتحديد الموقع والوقت وسرعة الحركة برًّا وبحرًا وجوًّا. حيث يستطيع أيّ شخص أن يحصل على معلومات عن موقع معين في أيّ مكان في العالم وفي أيّ وقت وتحديد خطّ الطول ودائرة العرض والارتفاع.

يتكوّن نظام تحديد المواقع من ثلاثة أجزاء رئيسيّة:

جزء الفضاء (الأقمار الصناعيّة):

شبكة من 24 قمرًا صناعيًّا، تتوزّع الأقمارُ الصناعيّة الخاصّة بنظام تحديد المواقع في ستّة مدارات حول الأرض، ويحتوي كلُّ مدار على أربعة أقمار على ارتفاع 20000 كم، وكلّ قمر يكمل دورته حول الأرض كلّ 12 ساعة.وتوجد ثلاثة أقمار احتياطيّة إضافةً إلى الأقمار الأربعة والعشرين للعمل في حالة حدوث عطل في أيّ من الأقمار الأساسيّة. ويستمر القمر الصناعي بالعمل لمدة 10 سنوات تقريبًا في مداره، ثمّ يُستبدَل بإطلاق قمر صناعيّ جديد.

أُطلِقَ أوّلُ قمر صناعيّ خاصّ بنظام تحديد الموقع عام 1978 وتمّ الانتهاء من إرسال بقيّة الأقمار الأربعة والعشرين في عام 1994.

جزء التحكّم (محطّات التحكّم الأرضيّة):

تؤدي محطّات تحكّم رئيسيّة وهوائيّات أرضيّة دورًا مهمًّا في المحافظة على مدار القمر الصناعيّ والتحكّم به ومراقبته، وتوجد هذه المحطات في كلّ قارّات العالم.

جزء المستخدم (أجهزة الاستقبال): جهاز استقبال خاصّ بنظام تحديد الموقع. تحتوي الهواتف الذكية على هذه الخاصيّة.

يرسل القمر الصناعيّ مقدار الوقت عنده إلى نقطة معيّنة على الأرض، ثمّ يقوم جهاز الاستقبال على الأرض بحساب الفرق بين قيمة الوقت التي استلمها من القمر الصناعي ومقدار الوقت عند جهاز الاستقبال في اللحظة التي استقبل فيها الإشارة من القمر الصناعيّ، حيث يمثّل هذا الفرق مقدارَ الوقت الذي استغرقته الإشارة في رحلتها من القمر الصناعيّ إلى جهاز الاستقبال على الأرض.

وتُستخدَم قيمة الفرق بين الوقتين لحساب المسافة بين القمر الصناعيّ وجهاز الاستقبال على الأرض؛ إذ إنّ الموجة الكهرومغناطيسية التي تُبثّ من القمر الصناعيّ تسري بسرعة الضوء، ويقوم جهاز الاستقبال بضرب فرق الزمن بسرعة الضوء للحصول على المسافة. وتقوم الأقمار الصناعيّة الأربعة في المدار الواحد بهذه العملية مع كلّ جهاز استقبال.

إذا استُعملَت ثلاثة أقمار فقط لتحديد الموقع لن نحصل على موقع دقيق لذلك تُستعمَلُ الساعات الذرية في الأقمار الصناعية لتحديد الوقت، وهذه الساعات تعطي قيمة الوقت بدقّة عالية جدًّا، أمّا في أجهزة المستخدم على الأرض فلا تُستعمَل الساعات الذرية لأنّها باهظة الثمن؛ وبالتالي فإنّ نسبة الخطأ في زمن جهاز الاستقبال الأرضيّ تسبّب عدمَ دقّة الموقع الذي يُحصَل عليه باستعمال ثلاثة أقمار صناعيّة؛ لذلك يُستعمَل قمر صناعيّ رابع، إذ تستخدم المسافة بين القمر الرابع وجهاز الاستقبال لتحديد الموقع بالنسبة للمسافات المأخوذة من الأقمار الثلاثة؛ وبالتالي تقلّ نسبة الخطأ في تحديد الموقع.

تستخدم لتحديدِ الموقعِ قاعدةٌ رياضيّةٌ تسمّى التثليث، مثلًا إذا علمنا أنّ نقطة ما تقع على بعد 20 ميلًا من قمر صناعيّ في السماء، فإنّها قد تكون في أيّ نقطة على سطح كرة كبيرة نصف قطرها 20 ميلًا ومركزها القمر الصناعيّ، وهذا طبعًا غير كافٍ لتحديد موقع النقطة.

وإذا علمنا أنّ نفس النقطة تقع على بعد 30 ميلًا من قمر صناعي آخر، سوف يصبح لدينا كرتان كبيرتان متداخلتان تتقاطعان في دائرة، وتكون النقطة موجودة على هذه الدائرة، ولكن لا يمكن تحديد موقعها على الدائرة.

لذلك نحتاج إلى قمر صناعيّ ثالث لمعرفة المسافة بينه وبين النقطة وتشكيل كرة ثالثة تتقاطع مع الدائرة في نقطتين، إحداهما هي النقطة المراد تحديد موقعها. وعادة تكون إحدى النقطتين في الفضاء والثانية على سطح الأرض وهي التي نريدها.

ويُستعمَل قمر صناعيّ رابع أو أكثر لزيادة دقّة تحديد الموقع وتحديد ارتفاع النقطة عن سطح الأرض، فتصبح لدينا كرة رابعة تتقاطع مع إحدى النقطتين (أي يصبح لدينا نقطة واحدة تتقاطع فيها الكرات الأربع وتمثل النقطة التي نريدها).

تسري الأقمار الصناعيّة في مداراتها بدقّة، وتمتلك أجهزة الاستقبال تقويمًا يحتوي على موقع كلّ قمر صناعيّ في أيّ لحظة زمنيّة.

يؤدّي مرور الموجات المرسلة من القمر الصناعيّ عبر طبقة الأيونوسفير إلى تغيّر في سرعتها خلال هذه الطبقة (تصبح أبطأ)، وتؤدي انعكاسات الموجات أيضًا -عند مرورها عبر طبقة التروبوسفير وعند اصطدامها بالأرض- إلى حدوث نسبة خطأ في تحديد الموقع، ووجود العوائق مثل الجبال والبنايات الكبيرة والمكتظة يؤدّي أيضًا إلى حدوث نسبة خطأ.

عندما تكون الأقمار الأربعة المستخدمة لتحديد موقع جهاز معيّن موزّعة بانتظام حول الأرض (المسافات بين الأقمار متساوية وكبيرة نوعا ما) تكون دقّة تحديد الموقع أعلى.

(Differential GPS (DGPS:

يُستعمَل لتصحيح الخطأ عند تحديد موقع ما، إذ تُستعمَل محطة استقبال ثابتة على الأرض معروفة الموقع بالنسبة للنظام، ثمّ يقوم النظام بتحديد موقعها وحساب الفرق بين الموقع الأصليّ والموقع الذي تمّ تحديده؛ وبالتالي نحصل على معلومات تصحيح الموقع في منطقة معينة.

استخدامات نظام تحديد الموقع:

تحديد الموقع، يستخدم في الملاحة للتنقّل من مكان إلى آخر، وتحديد المسافة التي قُطعَت أثناء الحركة، وتحديد سرعة الحركة، وتقدير الوقت اللازم للوصول إلى مكان محدّد بسرعتك الحاليّة، ومراقبة شخص أو أيّ جهاز متحرّك، وتصميم خرائط للعالم، وتحديد الوقت بدقّة، وتطبيقات عسكريّة، والمركبات ذاتيّة القيادة، وفي بعض الألعاب الإلكترونيّة مثل لعبة البوكيمون.

المصادر:

1. Ebener et F. Naville, GPS Field guide.

https://www.who.int/healthinfo/survey/whsgpsfieldguide.pdf?ua=1&fbclid=IwAR0fcUCvOms31xHTOY_WMQavmIuPvPJ9T16V3uQNlqx-bVNKU6Frb2XGAH0

https://www.furuno.com/en/gnss/technical/tec_what_gps

https://electronics.howstuffworks.com/gadgets/travel/gps.htm

https://www.geotab.com/blog/what-is-gps/