هذه الأحرف الثلاثة GPS هي اختصار للكلمات : Global Positioning System والتي تعني : نظام تحديد المواقع العالمي
وهو عبارة عن نظام ملاحي مكون من شبكة أقمار صناعية يصل عددها إلى 24 قمراً مثبتة في مدارات محددة من الفضاء الخارجي من قبل وزارة الدفاع الأمريكية كان الهدف الأساسي من هذه الشبكة من الأقمار الصناعية هدفاً عسكرياً بحتاً ، ولكن في عام 1980م سمحت الحكومة الأمريكية بأن يكون هذا النظام متاحاً للاستخدامات المدنية . ونظام الـ GPS يعمل تحت جميع أنواع الظروف الجوية ، وفي كل مكان في العالم ، وعلى مدار 24 ساعة في اليوم ، ولا يجب الاشتراك من أجل الحصول على هذه الخدمة كما أنها مجانية .
هذه الأقمار تدور في مدارات حول الأرض بسرعة تبلغ 7.000 ميل في الساعة ، وتعتمد على الطاقة الشمسية ، كما أنها مزودة ببطاريات قابلة للشحن من أجل ضمان استمرار عملها في حالة انعدام الطاقة الشمسية ، ويوجد على كل قمر صاروخ صغير من أجل أن يسيّر القمر في طريقة الصحيح
أجزاء نظام (منظومة تحديد الموقع العالمي GPS:
1- الجزء الفضائي: يتكون من
24 قمر صناعي
6 مدارات وكل مدار يحوي على 4 أقمار صناعية
كل قمر يدور دورة كاملة كل (12 ) ساعة
ارتفاع القمر عن الأرض (20200) كيلومتر
سرعة القمر أثناء دورانه (4) كيلو متر في الثانية
تغطية على مدار (24) ساعة في جميع أنحاء العالم
2- جزء السيطرة والتحكم: هذا الجزء يتكون مما يلي:
محطات مراقبة
محطة سيطرة رئيسية
هوائيات أرضية
أهم محطات المراقبة والمتابعة:
محطة ينابيع كولورادو
محطة هاواي
محطة اسنشيوي
محطة دياغوفارسيا
محطة كواجالين
3- جزء المستخدمين: ويتكون جزء المستخدمين من جهاز يسمى جهاز (GPS) ومهمة هذا الجهاز استقبال الإشارة من مجموعة الأقمار الصناعية ، وأشهر أنواع الأجهزة المستخدمة على نطاق واسع:
جهاز المجلان (MAGELLAN) أمريكي الصنع
جهاز الجارمن (GARMIN) ألماني الصنع
حقائق عن تلك الأقمار الصناعية :
1-أول قمر صناعي أطلق كان في عام 1978م .
2- تم الانتهاء من إطلاق جميع الأقمار وعددها 24 قمراً في عام 1994م .
3- العمر الافتراضي لكل قمر هو عشر سنوات . علماً بأن البدائل لهذه الأقمار أطلقت في مداراتها .
4- يزن القمر الصناعي ما يقارب الطن الواحد ، وقطره 6 أمتار تقريباً بما في ذلك شرائح الطاقة الشمسية الممتدة على جانبي القمر .
5- يستهلك القمر فقط 50 وات أو أقل من الطاقة في حالة الإرسال .
6- هذه الأقمار الصناعية تبث نوعين من الإشارات المنخفضة:
L1=1575.42MHz
L2=1227.6MHz
ملاحظة مهمة :كل قمر من هذه الأقمار سيبث بنفس الترددات أعلاه ولكن بتشفيرات مختلفة (different ranging codes) عن تلك المستخدمة في الأقمار الأخرى, إذن هذه المنظومة من الأقمار تبث البيانات الملاحية باستخدام ترددين وباستخدام تقنية تسمى:
Code Division Multiple Access(CDMA)
إن البيانات الملاحية(Navigation Data) تعطي أل(GPS receiver) معلومة لتحديد موقع القمر لحظة إرسال الإشارة , بينما تشفيرة المدى (Ranging Code) تمكن مستخدم الجهاز من تحديد زمن انتقال الإشارة (propagation) وبالتالي تحديد المدى بين القمر والمستخدم. إن هذه التقنية تحتم أن يحتوي الجهاز على ساعة تتوافق مع ساعة القمر.
كيف تعمل ؟
أقمار الـ GPS تدور حول الكرة الأرضية في مدارات محددة ودقيقة جداً مرتين في اليوم الواحد (24 ساعة) وخلال يدورانها تبث إشارات تحمل معلومات عن الأرض . جهاز الاستقبال لديك يستقبل هذه المعلومات ويعمل بعض العلميات الحسابية ليحدد بالضبط موقع المستخدم . هناك أيضاً محطات أرضية تستقبل المعلومات من القمر الصناعي وعلى أساسها تقوم هذه المحطات بتزويد القمر بمعلومات مهمة من أجل أن يعمل على الوجه الأفضل مثل التوقيت والمدار والموقع .. الخ وهذا يعني أن الاتصال مزدوج بين هذه المحطات الأرضية والأقمار الصناعية .
أما ما يخص جهاز الاستقبال (GPS) لديك فإنه يجب أن يعرف شيئين أساسيين ومهمين :
1- أين هذه الأقمار الصناعية ؟ (الموقع)
2- كم تبعد هذه الأقمار عن الجهاز ؟ (المسافة)
وللإجابة على السؤال الأول يقوم الجهاز بالتقاط معلومات من الأقمار الصناعية تتضمن مواقع تلك الأقمار التقريبية ، وهذه المعلومات 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 المحطات الأرضية التي تحدثنا عنها سابقاً ، فهي تزود القمر بموقعه الصحيح ومساره والقمر بدوره يرسل هذه المعلومات إلى جهاز الاستقبال لديك .إذن من خلال استلام المعلومات يحدد الجهاز مواقع الأقمار طوال الوقت أما إجابة السؤال الثاني والذي يختص بالمسافة فإن الجهاز بعد تحديد مواقع الأقمار في الفضاء بكل دقة – كما أسلفت أعلاه – لا يزال يحتاج أن يعرف كم تبعد عنه هذه الأقمار (المسافة) ويستطيع عمل ذلك عن طريق معرفة الوقت الذي استغرقته الإشارة للوصول ، وهذا يتم تحديده بمعرفة وقت انطلاق الإشارة من القمر ووقت استلامها وفارق الوقت بينهما هو الوقت الذي استغرقته الإشارة في الفضاء 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 للجهاز إن هذه الإشارة انطلقت في الساعة ... والجهاز ينظر إلى ساعته متى استلم هذه الإشارة الآن
وقد حدد الزمن الذي أخذته الإشارة للوصول فإن القاعدة تقول : الزمن×السرعة = المسافة . تذكر عندما كنا صغاراً إذا أردنا أن نعرف هل السحاب بعيد أو قريب بأن نحسب الوقت بين مشاهدة البرق وسماع الرعد فإن كان الزمن بينهما كبير فإن السحاب بعيد ، وإن كان الفرق قليل فإن السحاب قريب ؟ هذه نفس الفكرة : الجهاز لديك يضرب الزمن في سرعة موجات الراديو البالغة 186.000 ميل في الثانية والنتيجة هي المسافة بين القمر الصناعي والجهاز .
الآن حددنا أهم شيئين في العملية وهما : موقع القمر والمسافة بيننا وبينه ، وبذلك يستطيع الجهاز أن يحدد موقعه كما يلي:
لنفرض أننا على بعد 11.000 ميل من القمر الصناعي الأول بهذه الحالة سيكون موقعنا في أي نقطة من ملايين النقاط على محيط دائرة نصف قطرها 11.000 ميل يكون القمر الصناعي في وسطها ، ولذلك فإن قمراً واحداً لا يكفي لتحديد موقع الجهاز ..ولنفرض أننا على بعد 12.000 ميل من قمر ثانٍ ، هذا القمر الثاني سيرسل إشارات تتقاطع مع إشارات القمر الأول مكونة دائرة ، والموقع سيكون على أي نقطة من محيط هذه الدائرة ، مرة أخرى يستحيل تحديد الموقع بقمرين فقط ..
ولذلك نحن بحاجة إلى أن نضيف قمراً ثالثاً ولنفرض أنه على بعد 13.000 ميل سيصبح لدينا نقطتان : (أ) و (ب) جراء تقاطع الدوائر الثلاث للأقمار الصناعية الثلاثة ، لكن النقطتين بعيدتان عن بعضهما بعداً شاسعاً ومع العلم إنه أصبح لدينا نقطتان فقط فإن تحديد أيهما موقع الجهاز يتطلب منك إدخال الارتفاع في موقعك من أجل أن يعرف الجهاز أي النقطتين هو فيها . وعلى كل لو قمنا بإضافة قمر رابع يستطيع الجهاز أن يحدد ثلاثة أبعاد(3D)هي ( خط الطول + خط العرض الارتفاع . (
استلام البيانات:
يتم استلام البيانات وفق النظام المعروف:
National Marine Electronics Association: NEMA0183, v3.0))
ويتم عن طريق هذا النظام استلام الرسائل البيانية (NEMA Messages data) التالية:
GGA, VTA, GLL,ZDA, GSA, GSV, and RMC.
وكل رسالة تحتوي على بيانات قد تتشابه أو تختلف عن الملومات في رسالة أخرى. والملومات المهمة والمطلوبة في كل أجهزة الاستقبال والتي تكون كاملة ضمن الرسالة (RMC) هي:
UTC(Universal Time Coordinated)
Post-state
LAT.
LAT.(N, S)
LONG.
LONG.(W, E)
SPD(Knote)
HDG(degree)
DATE
Mag.Variation(degree)
اتجاه الهدف(Heading:HDG):
يعطى اتجاه الملاح في نظام تحديد الموقع نسبة إلى الشمال الحقيقي (القطب الشمالي) وبوحدة (degree), كذلك فان اتجاه الهدف أيضاً يعطى نسبة إلى الشمال الحقيقي. مصادر الخطأ في إشارة الـ GPS :
أجهزة الـ GPS في السنوات الأخيرة أصبحت دقيقة جداً بشكل فائق حتى أن معدل نسبة الخطأ انخفض إلى 15 متراً فقط !! ، وذلك بفضل تطور برامج وقطع الاستقبال داخل الجهاز ، على أن الأمر لا يخلو من بعض العوائق التي تؤثر على دقة أجهزة الـ GPS ، ولعل أهم مصادر الخطأ في هذا المجال مايلي :
1-أخطاء ناتجة عن بطئ الإشارة من القمر الصناعي ، وذلك لأن الإشارة تقل سرعتها عندما تجتاز الغلاف الجوي في طريقها إلى الجهاز ، وعادة تكون أجهزة الاستقبال مزودة بنظام يقوم بحساب معدل التأخير من أجل تصحيح هذا الخطأ .
2- أخطاء ناتجة عن انعكاس أو ارتداد الإشارة نتيجة اصطدامها بعوائق مثل البنايات الطويلة أو الصخور والجبال .. إلخ
3- أخطاء ناتجة بسبب الساعة الداخلية للجهاز ؛ لأن هذه الساعة ليست بالدقة التي عليها الساعة الذرية الموجودة في القمر الصناعي ، ومن أجل ذلك قد يكون هناك أخطاء بسبب التوقيت .
4- أخطاء تحدث بسبب عدم دقة المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي عن موقعه في الفضاء .
5- عدد الأقمار الصناعية التي يستطيع الجهاز رؤيتها ؛ فكلما زاد عدد الأقمار زادت الدقة والعكس صحيح ؛ فالمباني والمجالات الكهربائية والمغناطيسية تسبب عدم رؤية الجهاز للأقمار وبالتالي تسبب قطع الإشارة وتسبب الأخطاء في التحديد أو حتى احتمال عدم قدرة الجهاز على تحديد الموقع نهائياً .
نوعية الإشارة المستلمة (Signal Quality):
إن نوعية الإشارة المستلمة من قبل أل(GPS) تعتمد على الرسالة المستلمة من (GPGSV NMEA message) حيث يقوم باستخلاص نسبة الإشارة إلى الضوضاء (Signal to Noise Ratio:SNR) ومدى هذه النسبة حسب نظام (NMEA) هو (0-99 dB) وترسم هذه القيم على شكل أشرطة (Bars) وتذكر قيمة كل نسبة في أعلى الشريط ولذلك فان شكل الشريط سيتغير بحسب قيمة النسبة , أما بالنسبة للأرقام الموجودة في أسفل كل شريط في المخطط البياني فإنها ستمثل الرقم التعريفي للقمر الصناعي أو قد تمثل (Pseudo Random Number:PRN) لاحظ الشكل (10\ يسار) .
إن لون الشريط سوف يتغير من اللون الرمادي (gray color) إلى اللون الأزرق (blue color) عند تفعيل جهاز الاستلام بالرسالة (GPGSA NMEA message) المرسلة من القمر الصناعي.
إن قيم (SNR) تختلف من جهاز إلى آخر, لذا عند شراء جهاز (GPS) يجب التأكد من هذه القيمة, كمثال :
Garmin II, II plus, and III: min SNR=30dB
Max SNR=55dB
زاوية الأفق والارتفاع (Azimuth and Elevation):
تحدد هذه القيم من تفعيل الرسالة (GPGSV NMEA message) حيث سيتم استخلاص زاوية الأفق والارتفاع لكل قمر صناعي تم استلام بياناته من قبل ال(GPS), حيث سيتم إعطاء قيمة ال (Number:PRN ( Pseudo Random مع زاوية الأفق معرفة بالرمز(A) وقيمة الارتفاع معرف بالرمز (E)
النظام الجيوديسي العالمي 1984(World Geodetic System:WGS84):
إن معظم أجهزة منظومة تحديد الموقع العالمي (GPS) تعطي إحداثياتها الجغرافية استــنادا إلى النظام (WGS84). انشئ هذا النظام سنة 1984 بالاعتماد على البيانات الجيوديسية والجذبية للكرة الأرضية , ومركز هذا النظام هو المركز ألكتلي للأرض, ويفترض أن شكل الأرض هو بيضوي(Ellipsoidal) ويفترض بأن الأرض تدور بسرعة ثابتة حول المحور الذي يصل بين القطبين لذا عند استخدام ال(GPS) يجب الانتباه لذلك لان لكل دولة (أو مجموعة من الدول ) نظام جيوديسي خاص بها ولكل نظام هناك مجموعة من القياسات التي توضحه.
ولغرض تحويل الإحداثيات من نظام إلى نظام آخر يجب استخدام معادلات تحويل أعدت لهذا الغرض تعتمد بالأساس على القياسات المذكورة أعلاه بالإضافة إلى مقدار الإزاحة في الإحداثيات الكارتيزية (X, Y, Z بين النظامين الإحداثيات الجغرافية والتربيعية :
إن القراءات التي تعطى من جهاز (GPS) هي إحداثيات جغرافية, حيث أن خط الطول وخط العرض لأية نقطة يشكلان إحداثياتها الجغرافية ويعبر عن قيم كلاهما بالدرجات والدقائق والثواني.
أما الإحداثيات التربيعية فهي مبنية على أساس نظام مركيتر المستعرض العالمي (Universal Transverse Mercater:UTM), وهو نظام تربيع عالمي يمكنه تغطية الكرة الأرضية ماعدا ما يتعلق بالمناطق القطبية. وهو مبني على أساس (60) مسقط مركيتر
مستعرض معدل ومنفصل, وكل ستة درجات من خط طول تكون بعرض وامتداد من خط عرض (80) درجة جنوباً إلى خط عرض (84) درجة شمالاً.
وتعطى الإحداثيات التربيعية بالتشميل (Northing) والتشريق (Easting) , والوحدة التربيعية في معظم التربيعات هي المتر.
وتعرف الخطوط المستقيمة الممتدة أعلى وأسفل الخريطة ب (خطوط التشريق) وتزداد في القيمة من الغرب إلى الشرق , بينما تعرف الخطوط المستقيمة الممتدة من أحد جانبي الخريطة إلى الجانب الآخر ب(خطوط التشميل) وتزداد في القيمة من الجنوب إلى الشمال.
وفي كثير من الأحيان يفضل استخدام الإحداثيات التربيعية على الإحداثيات الجغرافية في الخرائط العسكرية وذلك :
1- سهولة استخراج الإحداثيات التربيعية.
2- وحدة قياس الإحداثيات التربيعية هي الأمتار وبذلك نحصل على قراءات حقيقية للمسافة.
3- خطوط الإحداثيات التربيعية مستقيمة وأفقية لذا يمكن رسمها بسهولة وبدقة على الخارطة, بينما خطوط الإحداثيات الجغرافية تكون منحنية وتمر على الأرض الكروية ولايمكن رسمها بدقة على ورقة مستوية.
وعادةً تثبت الإحداثيات الجغرافية والتربيعية على الخرائط الطبوغرافية سواءً العسكرية منها أو المدنية بغض النظر عن مقياس الخارطة
وهناك معدلات رياضية معروفة لغرض التحويل بين النظامين وحسب متطلبات العمل, وتحتوي أجهزة (GPS) الحالية على إمكانية إعطاء الإحداثيات بالقيم التربيعية أو الجغرافية بالإضافة إلى نوع النظام الجيوديسي المستخدم في البلد
الأربعاء أبريل 11, 2018 9:31 am من طرف 
موضوع: Global Positioning System.. GPS...نظام تحديد المواقع