GPS refer to Global Positioning System
جى بى اس تشير الى / النظام العالمى لتحديد المواقع
في العصور القديمة عندما كان مجموعة من الأشخاص يرغبون في الذهاب في رحلة استكشافية في مكان ما على الأرض الإ إنهم 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.
ففى عالمنا اليوم ومع تطور التكنولوجيا التى جعلت من العالم قرية صغيرة اصبح الاختفاء عن الانظار امراً صعب , فقد انتشرت اجهزة تحديد المواقع والتتبع GPS التى تستخدم لتزويد المؤسسات بالمعلومات عن حركة منتجاتهم من المخزن الى اماكن التوريد !!
وأيضا تززيد شركات تأجير السيارات الأجرة بأمان تحرك كل سيارة لتحديد اقرب سيارة الى المتصل بالشركة طالبا وسيلة نقل له !!
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؟
فى عام 1973 م بدأت وزارة الدفاع الامريكية العمل لأستحداث نظام عالمى لتحديد المكان بالاقمار الصناعية ,, لذلك صمم نظام GPS ليوفر تغطية كاملة وبدقة عالية لتغطى الاحتياجات العسكرية بالدرجة الأولى وتأتى الاحتياجات المدنية بالدرجة الثانية .
حيث انه 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 .
ويعد نظام ال GPS هو النظام الرئيسى لتوجيه الملاحة الجوية لأغلب الطائرات المدنية والعسكرية وايضا يستخدم فى مجالات المساحة لمهندسو المساحة (مهندس مساحة - قسم مدنى) وايضا فى انظمة المعلومات الجغرافية (Geographic Information System GIS)
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 GPS Receiver 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
ايضا 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
لقد تم تطوير هذا النظام على مدار 20 سنة فى الولايات المتحدة الأمريكية USA منذ 1973 وبميزانية تقارب عشرات المليارات من الدولارات , حيث ان النظام يتكلم من مرسل ومستقبل Transmitter & Reciever ,,
فأما المرسل فهو عبارة عن شبكة عمل اقمار صناعية تدور حول الأرض مرتين يوميا ,, بأرتفاع 19300 كيلو متراى تقريبا 19 الف كيلو متر
وهى موزعة على 8 مستويات دوران كل مستوى يصنع 55 درجة مع الآخر ويوجد فى كل مستوى 3 اقمار صناعية
أذن 3 اقمار * 8 مستوات == 24 قمر صناعى فى كل المستويات + 3 اقمار احتياطيه أذن الناتج == 27 قمر صناعى
والسؤال / لماذا نستخدم ثلاث اقمار صناعية فى كل مستوى وليس قمر صناعى واحد فقط ؟؟
تخيل انك فقدت الاتجاهات تماما فى احد المناطق فى الصحراء وقابلت احد الاشخاص واخبرت بأنك على بعد 500 كيلو متر من مدينة 1 ,, نعلم ان هذه المعلومة لن تفيدك كثيرا فى تحديد موقعك !! لأنك تستطيع رسم دائرة حول مدينة 1 نصف قطرها 500 كيلو ويمكن ان تكون انت فى اى جزء فيها !!
وتخيل انك قابلت شخص آخر واخبرك ان على بعد 550 متر من المدينة 2 ,, فهنا تصبح الامور اسهل ,, لأنك ستكون فى احد نقطتى التقاطه ما بين الدائرين الخاصة بالمدينتين ..
وبالتالى ,, انت تحتاج الى معلوملة ثالثة من شخص ثالث لتعرف بالظبط اين انت ,, حتى تعرف مكانك بدقة ,, فى نقطة تقاطع ثلاث دوائر !!
تفاصيل أكثر دقة فى كيفية عمل ال GPS :
How GPS System Works ?
قمار الـ GPS تدور حول الكرة الأرضية في مدارات محددة ودقيقة جداً مرتين في اليوم الواحد (24 ساعة) وخلال دورانها 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)
حيث يقوم الجهاز بالتقاط معلومات من الأقمار الصناعية تتضمن مواقع تلك الأقمار التقريبية ، وهذه المعلومات ترسل باستمرار ويقوم الجهاز بتخزينها 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)
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 بننا 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 .. ولتقريب هذه الفكرة انظر إلى الصورة التالية :
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 .. انظر الصورة :
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 ، انظر الصورة :
ومع العلم إنه أصبح لدينا نقطتان فقط فإن تحديد أيهما موقع الجهاز يتطلب منك إدخال الارتفاع في موقعك من أجل ان يعرف الجهاز أي النقطتين هو فيها . وعلى كل لو 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 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 ،
ودا لينك من موقع اجنبى مدعم بشرح فلاش اظنه هيفيد المهتمين بكيفيه حساب موقع GPS Reciever عن طريق ثلاث اقمار صناعية معلومة الاحداثيات
عفوا ,,, لايمكنك مشاهده الروابط لانك غير مسجل لدينا [ للتسجيل اضغط هنا ]
ما هى أهم مصادر الخطأ في هذا المجال ؟
أخطاء ناتجة عن بطء 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 .
أخطاء ناتجة عن انعكاس أو ارتداد الإشارة نتيجة اصطدامها بعوائق مثل البنايات الطويلة أو الصخور والجبال .. إلخ . وهذا من شأنه أن يزيد من سرعة انتقال الإشارة وبالتالي يسبب أخطاء .
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 .
أخطاء تحدث بسبب عدم دقة المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي عن موقعه في الفضاء .
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 .
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 .
الأطراف الجانبيه للقمر هى من تقوم بعملية الشحن لها من الطاقة الشمسية
بعض الحقائق عن تلك الأقمار الصناعية :
أول قمر صناعي أطلق كان في عام 1978م .
تم الانتهاء من اطلاق جميع الأقمار وعددها 24 قمراً في عام 1994م .
العمر الافتراضي لكل قمر هو عشر سنوات . علماً بأن البدائل لهذه الأقمار أطلقت في مداراتها .
يزن القمر الصناعي ما يقارب الطن الواحد ، وقطره 6 أمتار تقريباً بما في ذلك شرائح الطاقة الشمسية الممتدة على جانبي القمر .
يستهلك القمر فقط 50 وات أو أقل من الطاقة في حالة الارسال .
هذه الأقمار الصناعية تبث نوعين من الإشارات المنخفضة : L1 و L2 . و L1 للاستخدامات المدنية بذبذبة مقدارها 1575.42 MH أى 1.5 جيجا هيرتز على UHF - Ultra High Frequency.
كل قمر من الأقمار الــ 24 يرسل باستمرار على نفس التردد إشارة كهرومغناطيسية ElectroMagnetic Waves محملة على موجة ترددها 1575MHz كل قمر صناعى له شفرة معينة Code خاصة به ترسل مع الإشارة الحاملة Carrier Signal وبالتالى يمكن لأى قمر صناعى يلتقط هذه الشفرة أن يحدد مكان وزمان تواجد هذا القمر.
أما المستقبل Reciever فهو جهاز في حجم راديو صغير يحتوى على دوائر إلكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسسر Microprocessor متطور يقوم المستقبل بتحديد الموقع بإستخدام طريقتين مختلفتين الأولى تعتمد على - إزاحة دوبلر - Doppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية المرسلة من الأقمار الصناعية وهذه الإزاحة تكون ناتجة عن السرعة النسبية بين الأرض والأقمار الصناعية.
لأقمار الصناعية.
أما الطريقة الثانية تعتمد على قياس التأخير الزمنى بين الاشارات الكهرو معناطيسية ElectroMagnetic Waves الواصلة من الاقمار الصناعية
وهذه المعلوملت المستقبلة من الاقمار الصناعية تدخل الى الميكروبروسيسور Micro Processor وتتحد مع المعلومات المخزنة عن كل قمر صناعى من حيث مداره وسرعته وموقعه وبعد عدة عمليات حسابية معقدة يحدد المستقبل GPS Reciever موقعه على سطح الأرض ويظهر التنائج على جهاز ال GPS
صور للـ GPS Reciever
لمشاهدة بعض اجهزة ال GPS
عفوا ,,, لايمكنك مشاهده الروابط لانك غير مسجل لدينا [ للتسجيل اضغط هنا ]
إستخدامات نظام الــ GPS الحالية 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.
قريبا جددا سوف يثبت فى كل سيارة جهاز مستقبل يقوم بأرشاد السائق الى اسهل الطرق ليصل الى مقصده وهذا الجهاز مزود بخرائط الكترونية لشوارع العالم وعن طريق المعلومات التى يستقبلها من الاقمار الصناعية يمكن معرفة الشوارع المزدحمة وتجنبها وحاليا يرجى فى اليابان تطوير سيارات تستعين بال GPS والخرائط الالكترونية فى تمكين السيارة من معرفة الطريق دون الحاجة الى قائد السيارة عن طريق محس الكترونى مثبت فى السيارة وقد نحجو فى تحقيق ذلك عند سرعة لا تزيد عن 15 كيلو متر فى الساعة .
أما فى مجال الطائرات فأستخدام هذا النظام يمكن التحكم فى حركة الطائرات فى الجو والسماح للطائرات بالطيران على مسافات متقاربة من بعضها البعض للتخفيف من الأزدحام الملحوظ فى المطارات .
ملحوظة هامة //
Navigation = نظام الملاحة
الدارج في كل مكان بالعالم هو ان الـ GPS هو نفس الـ Navigation (او نظام الملاحة) ولكن هذا خاطىء...
والسبب في ذلك ان ليس جميع انظمة تحديد الموقع (GPS) يوجد فيها نظام الملاحة (او الـ Navigation)
نظام الـ GPS وظيفته فقط اعطاء الاحداثيات على الكرة الارضية...
اما نظام الملاحة Navigation ، فهو عبارة عن جهاز (كمبيوتر) ملاحة بالاضافة الى نظام GPS , نظام الملاحة يستخدم الـ GPS لتحديد موقع السيارة (او القارب ... ) و من ثم البحث عن الطريق الانسب الى الهدف عن طريق الخريطة الموجودة داخل الـ DVD او القرص الصلب... طبعا عمليات البحث عن الهدف ليس لها اي علاقة بالـ GPS سوى تحديد الموقع الحالي + السرعة... و من المكان الحالي للمركبة + السرعة (بالاضافة الى سرعة المركبة من ناقل الحركة للتاكيد على سرعة المركبة الفعلية) يتم رسم خطة الى الهدف المقصود.
جميع انظمة الملاحة لجميع انواع السيارات لا تعمل تحديث عن طريق الاقمار الصناعية ,, التحديث يتم فقط عن طريق ادخال الـ DVD الخاص بالخرائط
فى النهاية ,, اتمنى ان يفيدكم الموضوع ..
صراحة صراحة تم اعداد الموضوع فى وقت لا يقل عن 3 ساعات او 4 ,, والسبب انى احاول تقديم محتوى عربى نظيف وموثق وذو قيمة ..
واتمنى ان يفيد شبابنا المهندسين المقبلين على مشاريع للتخرج ..
وطبعا المعلومات جميعا مجمعة من العديد والعديد والعديد من المواقع وتم التأكد من صحتها بمصارد ومراجع توجد ها هنا ,,
طبعا تم كتابة بعض التفاصيل البسيطة بقلمى ,, وتسهيل بعض المعلومات بأفضل مما كانت عليها ,وكتابة بعض المعلومات على الصور للتسهيل وخلافه
العرض العادي
