Published in: تكنولوجيا

نظام الملاحة GPS – كيف يعمل؟ ما مدى دقته؟

Author م. فاطمة زهرة

Published on: 16 سبتمبر، 2023

م. فاطمة زهرة

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو نظام جي بي أس (GPS)؟

جي بي أس (GPS) هو نظام تحديد المواقع على مستوى العالم، يستخدم الأقمار الصناعية، وجهاز استقبال، وخوارزميات لمزامنة بيانات الموقع، والسرعة والوقت للمسافرين عبر الجو، والبر، والبحر. ما يُميز نظام جي بي إس أنه موجود في كل مكان وفي كل وقت، وتتواجد أجهزة جي بي أس في السيارات، والهواتف الذكية، والساعات أيضاً، ويساعد هذا النظام في الوصول إلى المكان المقصود بكل بساطة عن طريق تتبُّع إشارة الموقع.

كيف يعمل نظام جي بي أس (GPS)؟

يتألف نظام الأقمار الصناعية الخاص بالجي بي أس من 24 قمراً صناعياً تقع في ستة مستوياتٍ مدارية مركزها الأرض، ولكلِّ مستوىً منها أربعة أقمارٍ صناعية، تدور على ارتفاع 13000 ميل (20000 كم) فوق سطح الأرض، وتنتقل بسرعة 8700 ميل في الساعة (14000 كم/ساعة).

نحتاج إلى أربعة أقمارٍ صناعية في السماء للحصول على الموقع، حيث يكون ثلاثة أقمار منها للحصول على الموقع، والقمر الرابع يقوم بالتحقق من سلامة معلومات الثلاثة معاً. من فوائد القمر الصناعي الرابع أيضاً أنه يعطينا معطيات الارتفاع عن سطح الأرض، وهذا ما تحتاج إليه أجهزة استقبال الموقع في الطائرات.

ما هي العناصر الثلاثة لنظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس (GPS)؟

يتكون نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس من ثلاث مكوناتٍ مختلفة، تعمل معاً لتوفير معلومات الموقع. وأجزاء نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس هي: ^[1]

1- الفضاء (الأقمار الصناعية)

الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض، تقوم بإرسال إشارات الموقع، والوقت، والمسافة عند طلب المستخدم لها.

2- التحكم الأرضي

يتألف التحكم الأرضي من عدة مراكز، وهي: محطات التحكم الرئيسية، ومحطات المراقبة الأرضية، والهوائي الأرضي، وتتميز جميعها في تشغيل الأقمار الصناعية، ومراقبة العمليات الخاصة بالإرسال، وتتواجد محطات مراقبة عمليات الإرسال في كل أنحاء العالم تقريباً، في أمريكا الشمالية، والجنوبية، وأفريقيا، وأوروبا، وآسيا، وأستراليا.

3- معدات المستخدم

كأجهزة تحديد المواقع بالإضافة إلى الساعات، والسيارات، والهواتف الذكية، والأجهزة التي تعمل عن بُعد.

كيف تعمل تقنية جي بي أس (GPS)؟

تعمل تقنية جي بي أس عن طريق تقنية خاصة تُدعى التثليث، وتمتاز هذه التقنية بحساب ثلاثة أشياء، وهي: الموقع، والارتفاع، والسرعة، وتأخذ أجهزة استقبال الموقع جميع الإشارات من الأقمار الصناعية، وتعالجها لتخرج معلومات الموقع.

تقوم الأقمار الصناعية المتمركزة حول الأرض بإرسال إشارات، وبدوره جهاز الاستقبال يقوم بقراءتها وتفسيرها، لتظهر الإشارة بشكلٍ كامل، ويتوجب على جهاز الاستقبال قراءتها من أربعة أقمار صناعية، وعند إرسال الإشارة من قبل القمر الصناعي، تلقائياً يتمُّ إنشاء دائرة بنصف قطر.

عند إضافة قمرٍ صناعي آخر تنشأ دائرة أخرى بنصف قطر آخر، ويتمُّ فوراً تضييق نطاق الموقع إلى نقطة من نقطتي تقاطع هاتين الدائرتين، ويتمُّ تحديد الموقع بشكلٍ نهائي عن طريق قمر صناعي ثالث حيث يقع الموقع المقصود عند نقطة تقاطع تلك الدوائر الثلاثة.

أثناء تحرك جهاز الاستقبال حتى لو كان هذا الجهاز في سيارة تتحرك، وبالتالي سيتغير تلقائياً نصف قطر دائرة الموقع (المسافة إلى القمر الصناعي)، وعند تغير نصف القطر مباشرةً يتمُّ إنتاج دوائر جديدة، مُعطياً موقعاً جديداً.

يمكننا استخدام هذه البيانات مع الوقت من القمر الصناعي، لنستطيع تحديد السرعة، وحساب المسافة إلى وجهتنا، ووقت الوصول المتوقع.

ما هي استخدامات نظام جي بي أس (GPS)؟

يُعدُّ نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس أداةً قويةً، ويمكن الاعتماد عليها من الشركات والمؤسسات في العديد من الصناعات المختلفة. أكثر الأشخاص الذين يستخدمون نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس هم المسّاحين، والعلماء، والطيارين، وربان السفن، والعاملين في التعدين، والزراعة. ومن مزايا نظام جي بي أس أنهُ يعمل في جميع الأوقات وفي جميع الظروف الجوية تقريباً، وتوجد لدينا خمسة استخداماتٍ رئيسية لنظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس، وهي:

1- الموقع: تحديد المكان.

2- التنقل: الانتقال من موقعٍ إلى آخر.

3- التتبع: مراقبة الكائن أو الحركة، كحركة السيارات أو شاحنات النقل مثلاً.

4- رسم الخرائط: إنشاء خرائط العالم.

5- التوقيت: نستطيع عن طريق نظام جي بي أس أخذ قياساتٍ زمنيةٍ دقيقة.

استخدام نظام جي بي أس (GPS) في بعض الحالات المميزة

1- الاستجابة للطوارئ ومعرفة الطقس

أثناء الطوارئ أو الكوارث الطبيعية، يتمُّ استخدام نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس لرسم الخرائط، ومتابعة الطقس، والتنبؤ به، وتتبُّع موظفي الطوارئ.

2- الصحة واللياقة البدنية

يمكن للساعات الذكية والتكنولوجيا القابلة للارتداء مراقبة نشاط اللياقة البدنية مثل: مسافة الجري، وقياسه لأفراد في منطقةٍ ما مقابل منطقة أخرى.

3- البناء والتعدين والشاحنات على الطرق الوعرة

من تحديد موقع المعدات وتوجيه الشاحنات، يدعم نظام تحديد المواقع العالمي الشركات من زيادة العائدات.

4- الصناعات الأخرى

تشمل الصناعات الأخرى التي يستخدم فيها نظام تحديد المواقع العالمي جي بي إس: الزراعة، والمبيعات، والخدمات، والجيش، والاتصالات المتنقلة، والأمن، وصيد الأسماك.

ما مدى دقة نظام جي بي أس (GPS)؟

تعتمد دقة الموقع في نظام جي بي أس على العديد من الأمور التي قد تتغير أو تتبدل، منها: عدد الأقمار الصناعية المتاحة والأيونوسفير والبيئة المحيطة، مثل: وجود جبال أو أبنية عالية بالقرب منها والمزيد، ولكن بشكل عام الموقع دقيق بهامش خطأ لا يتجاوز النصف متر، ويستخدم المهندسون في أعمال المسح والبناء أجهزة مساعدة تزيد من دقة الموقع بشكلٍ أكبر.

ما هي الأمور التي تُعيق دقة نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس (GPS)؟

1- العوائق المادية: يمكن أن تتغير قياسات الموقع المحدد عن طريق عوائق كبيرة، مثل: الجبال، والمباني، والأشجار، والمزيد.

2- تأثيرات الغلاف الجوي: يمكن أن تؤثر تغييرات الغلاف الأيوني والعواصف الشديدة على أجهزة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

3- تتأثر أنظمة جي بي أس أيضاً عندما لا تكون أجهزة الاستقبال مصممةً وفقاً لمواصفاتها الأساسية.

4- التداخل الاصطناعي: عند استخدام أجهزة التشويش على النظام

عندما يُحاط الجهاز بالأبنية العالية والمرتفعات تصبح إشارة القمر الصناعي شبه معدومة وربما محظورة، وتُعرف هذه الظاهرة باسم الوادي الحضري وعند الابتعاد لمناطق أقل ارتفاع تلتقط الإشارة، ولكن ربما ستكون الحسابات خاطئة للمسافات والموقع. تكون دقة المواقع عاليةً في المناطق المفتوحة الخالية من الأبنية الشاهقة التي بدورها تحجب الإشارات.

تاريخ نظام الملاحة تحديد المواقع العالمي

توجد الملاحة منذ آلاف السنين، ويمارسها البشر عن طريق مراقبة النجوم والشمس والقمر، وفيما بعد باستخدام آلة تُدعى السدس، ومع تقدم التكنولوجيا أصبح نظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس بمثابة قفزة عصرية وتكنولوجية مهمة ومفيدة. تستخدم تقنية جي بي أس عبر التاريخ على مستوى العالم، وقد بدأت عند إطلاق القمر الصناعي الروسي Sputnik I عام 1957 حيث قام أولاً بتحديد المواقع الجغرافية، وبعد فترة قامت وزارة الدفاع الأمريكية باستخدامه للملاحة الخاصة بالغواصات.

في عام 1983، قامت حكومة الولايات المتحدة بإتاحة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لسائر الناس، ولكنها قامت بالحفاظ والسيطرة على جميع البيانات والمعلومات المتاحة حتى جاء عام 2000 تمكنت الشركات، والمؤسسات، وعامة الناس من الوصول الكامل إلى استخدام نظام تحديد المواقع العالمي، مما مهد الطريق في النهاية لمزيد من التقدم في نظام تحديد المواقع العالمي.

سيشمل الجيل التالي من الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي جي بي أس حمايةً أفضل للإشارات، وقابليةً أقل للتشويش على الإشارات، وقدرةً أكبر على المناورة لتغطية المناطق الميتة. تمَّ تعيين الساعة الذرية للفضاء السحيق التابعة للإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) لاستخدام قمرٍ صناعي قوي يعمل بنظام تحديد المواقع العالمي على متن الطائرة للمساعدة في توفير تناسقٍ أفضل في الوقت المناسب لرواد الفضاء المستقبليين الذين يشرعون في رحلات الفضاء السحيقة.