جهاز تحديد المواقع العالمي GPS

ما هو الـ GPS؟

GPS ، هو جهاز به نظام لتحديد المواقع العالمية، هو نظام عالمي للملاحة من خلال الأقمار الصناعية يوفر احداثيات الموقع والسرعة وتزامن الوقت.

GPS موجود في كل مكان. يمكنك العثور على أنظمة GPS في السيارات والهواتف الذكية والساعات. يساعدك GPS في الوصول إلى وجهتك، من النقطة A مثلا إلى النقطة B. إذا فالـ GPS هو نظام ملاحة يستخدم الأقمار الصناعية وجهاز استقبال وخوارزميات لمزامنة بيانات الموقع والسرعة والوقت للسفر الجوي والبحري والبري.

كيف يعمل GPS؟

يتكون نظام الأقمار الصناعية من كوكبة من 24 قمرا صناعيا في ستة مستويات مدارية مركزها الأرض، في كل مدار أربعة أقمار صناعية ، تدور على ارتفاع 13000 ميل (20000 كم) فوق الأرض بسرعة 8700 ميل في الساعة (14000 كم / ساعة).

نحتاج فقط إلى ثلاثة أقمار صناعية لاستنتاج إحداثيات موقع على سطح الأرض، ولكن غالبًا ما يتم استخدام قمر صناعي رابع للتحقق من صحة المعلومات الواردة من الثلاثة الأخرى. ينقلنا القمر الصناعي الرابع أيضًا إلى البعد الثالث Z ويسمح لنا بحساب ارتفاع الجهاز.

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

يتكون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من ثلاثة مكونات مختلفة، تسمى المقاطع، تعمل معًا لتوفير معلومات كاملة عن الموقع.

الأجزاء الثلاثة لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هي:

1.     الفضاء (الأقمار الصناعية) - الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض، وترسل إشارات إلى المستخدمين عن الموقع الجغرافي والوقت.

2.     التحكم الأرضي - يتكون جزء التحكم من محطات المراقبة الأرضية ومحطات التحكم الرئيسية والهوائي الأرضي. تشمل أنشطة التحكم تتبع وتشغيل الأقمار الصناعية في الفضاء ومراقبة عمليات الإرسال. توجد محطات مراقبة في كل قارات العالم تقريبًا، بما في ذلك أمريكا الشمالية والجنوبية وأفريقيا وأوروبا وآسيا وأستراليا.

3.     معدات المستخدم - أجهزة استقبال وأجهزة إرسال GPS بما في ذلك عناصر مثل الساعات والهواتف الذكية والأجهزة التي تعمل عن بُعد.

كيف تعمل تقنية GPS؟

يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من خلال تقنية تسمى التثليث. تُستخدم تقنية التثليث لحساب الموقع والسرعة والارتفاع، وتجمع الإشارات من الأقمار الصناعية لإخراج معلومات الموقع.

ترسل الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض إشارات لتتم قراءتها وتفسيرها بواسطة جهاز GPS موجود على سطح الأرض أو بالقرب منه. لحساب معلومات الموقع، يجب أن يكون جهاز GPS قادرًا على قراءة الإشارة من أربعة أقمار صناعية على الأقل.

يدور كل قمر صناعي في شبكة الأقمار الصناعية حول الأرض مرتين في اليوم، ويرسل كل قمر صناعي إشارة فريدة ومعلمات مدارية ووقت. في أي لحظة ، يمكن لجهاز GPS قراءة الإشارات من ستة أقمار صناعية أو أكثر.

يبث قمر صناعي واحد إشارة ميكروويف يلتقطها جهاز GPS ويستخدمها لحساب المسافة من جهاز GPS إلى القمر الصناعي. نظرًا لأن جهاز GPS لا يعطي سوى معلومات حول المسافة من القمر الصناعي، فلا يمكن لقمر صناعي واحد توفير الكثير من معلومات الموقع. لا تقدم الأقمار الصناعية معلومات حول الزوايا، لذلك يمكن أن يكون موقع جهاز GPS في أي مكان على مساحة سطح الكرة.

عندما يرسل قمر صناعي إشارة، فإنه ينشئ دائرة بنصف قطر يقاس من جهاز GPS إلى القمر الصناعي. عندما نضيف قمرًا صناعيًا ثانيًا ، فإنه ينشئ دائرة ثانية ، وهنا يكون الموقع هو نقطة تقاطع الدائرتين الواقعة جهة سطح الكرة الأرضية. باستخدام قمر صناعي ثالث، يمكن تحديد موقع الجهاز بدقة أكثر، حيث يقع الجهاز عند نقطة تقاطع الدوائر الثلاث.

نحن نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد ، مما يعني أن كل قمر صناعي ينتج كرة ، وليس دائرة. ينتج عن تقاطع ثلاث كرات نقطتي تقاطع ، لذلك يتم اختيار النقطة الأقرب للأرض.

فيما يلي توضيح للمدى عبر الأقمار الصناعية:

المدى

أثناء تحرك الجهاز، يتغير نصف القطر (المسافة إلى القمر الصناعي). عندما يتغير نصف القطر ، يتم إنتاج كرات جديدة ، مما يمنحنا موضعًا جديدًا. يمكننا استخدام هذه البيانات، جنبًا إلى جنب مع الوقت المحسوب، لتحديد السرعة على الأرض وحساب المسافة إلى وجهتنا ووقت الوصول المتوقع.

ما هي استخدامات GPS؟

يعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أداة قوية ويمكن الاعتماد عليها للشركات والمؤسسات في العديد من المجالات المختلفة. إن المساحين والعلماء والطيارين وقباطنة القوارب والعاملين في التعدين والزراعة هم مجرد بعض الأشخاص الذين يستخدمون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يوميا. يستخدمون معلومات GPS لإعداد استطلاعات وخرائط دقيقة، وأخذ قياسات دقيقة للوقت، وتتبع أماكن ظاهرة ما، يعمل GPS في جميع الأوقات وفي جميع الظروف الجوية تقريبًا.

هناك خمسة استخدامات رئيسية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS):

الموقع - تحديد إحداثيات الموقع.

التنقل - الانتقال من موقع إلى آخر.

التتبع - مراقبة كيان ما أو تتبع الكيانات المتحركة.

رسم الخرائط - إنشاء خرائط العالم.

التوقيت - مما يجعل من الممكن أن تحصل على قياسات زمنية دقيقة.

تتضمن بعض الأمثلة المحددة لحالات استخدام GPS ما يلي:

الاستجابة للطوارئ: أثناء الطوارئ أو الكوارث الطبيعية ، يستخدم المنقذون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لرسم الخرائط ومتابعة الطقس والتنبؤ به وتتبع موظفي الطوارئ.

الترفيه: يمكن دمج GPS في الألعاب والأنشطة الترفيهية.

الصحة واللياقة البدنية: يمكن للساعات الذكية والتكنولوجيا القابلة للارتداء تتبع نشاط اللياقة البدنية (مثل مسافة الجري).

البناء والتعدين والنقل بالشاحنات على الطرق الوعرة: كتحديد موقع المعدات وتحسين المواقع المختارة، يمكّن نظام تحديد المواقع العالمي الشركات من زيادة العائد على أصولهاعن طريق تتبع مركبات البناء وتتبع المعدات على الطرق الوعرة.

النقل: تطبق شركات الخدمات اللوجستية أنظمة الاتصالات لتحسين إنتاجية السائق وسلامته. يمكن استخدام متتبع الشاحنة لدعم تحسين المسار وكفاءة الوقود وسلامة السائق.

تشمل الصناعات الأخرى التي يستخدم فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS): الزراعة ، والمركبات المستقلة، والمبيعات والخدمات، والجيش، والاتصالات المتنقلة، والأمن، وصيد الأسماك وغيرها.

ما مدى دقة GPS؟

تعتمد دقة جهاز GPS على العديد من المتغيرات، مثل عدد الأقمار الصناعية المتاحة والغلاف الجوي والبيئة العمرانية وغيرها.

 تتضمن بعض العوامل التي يمكن أن تعيق دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ما يلي:

العوائق المادية: يمكن أن تنحرف قياسات وقت الوصول عن طريق الكتل الكبيرة مثل الجبال والمباني والأشجار وما شابه.

تأثيرات الغلاف الجوي: يمكن أن تؤثر معوقات ما في الغلاف الجوي الأيوني وغطاء العواصف الشديدة والعواصف الشمسية على أجهزة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

التقويم الفلكي: قد يكون النموذج المداري داخل القمر الصناعي غير صحيح أو قديم، على الرغم من أن هذا أصبح نادرًا اليوم.

سوء التقدير العددي: قد يكون هذا عاملاً عندما لا تكون أجهزة الجهاز مصممة وفقًا للمواصفات.

التداخل الاصطناعي: يشمل أجهزة التشويش على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

تكون الدقة أعلى في المناطق المفتوحة مع عدم وجود مباني شاهقة مجاورة يمكنها حجب الإشارات. يُعرف هذا التأثير باسم الوادي الحضري. عندما يكون الجهاز محاطًا بمباني كبيرة، يستقبل المبنى إشارة القمر الصناعي فترتد من المبنى إلى الجهاز، مما يؤدي إلى حسابات خاطئة للمسافة.

لحسن الحظ ، تم تحديد العديد من مشكلات الدقة التي تواجه تقنية GPS. توفر أجهزة الاستقبال عالية الجودة دقة أفقية قرابة 2.2 متر في 95٪ من الحالات ، ودقة أفضل من 3 أمتار في 99٪ من الحالات.

تاريخ موجز لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

يمارس البشر الملاحة منذ آلاف السنين باستخدام الشمس والقمر والنجوم، ولاحقًا باستخدام آلة الاسطرلاب. كان نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بمثابة تقدم في القرن العشرين حيث أصبح ممكنًا بفضل تكنولوجيا عصر الفضاء.

تم استخدام تقنية GPS على مستوى العالم. أدى إطلاق القمر الصناعي Sputnik I الروسي في عام 1957 إلى إمكانية تحديد الموقع الجغرافي، وبعد فترة وجيزة، بدأت وزارة الدفاع الأمريكية في استخدامه لملاحة الغواصات.

في عام 1983، أتاحت حكومة الولايات المتحدة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للجمهور، لكنها لا تزال تحتفظ بالسيطرة على البيانات المتاحة. في عام 2000 تمكنت الشركات وعامة الناس من استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، مما مهد الطريق في النهاية لمزيد من التقدم في نظام تحديد المواقع العالمي.

أنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية (GNSS)

يعتبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) نظامًا عالميًا للتنقل (الملاحة) عبر الأقمار الصناعية (GNSS) - بمعنى أنه نظام ملاحة عبر الأقمار الصناعية مع تغطية عالمية. اعتبارًا من عام 2020 ، هناك نوعان من أنظمة الملاحة العالمية للأقمار الصناعية تعمل بكامل طاقتها: توقيت إشارة الملاحة الأمريكية (NAVSTAR) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GLONASS). يتكون NAVSTAR GPS من 32 قمرا صناعيا مملوكة للولايات المتحدة وهو أكثر أنظمة الأقمار الصناعية شهرة والأكثر استخداما. يتكون GLONASS الروسي من 24 قمرا صناعيا عاملا مع ثلاثة آخرين كأجزاء احتياطية أو قيد الاختبار.

تتسابق دول أخرى أيضًا للحاق بالركب. على سبيل المثال ، يعمل الاتحاد الأوروبي على نظام جاليليو، الذي من المتوقع أن يصل إلى القدرة التشغيلية الكاملة بحلول نهاية عام 2020. كما تقوم الصين ببناء نظام بيدو للملاحة بالأقمار الصناعية ، مع 35 قمراً صناعياً من المقرر أن تكون في المدار بحلول مايو 2020. اليابان و الهند أيضًا في طريقها لأنظمتها الإقليمية الخاصة.

GPS مقابل أجهزة GNSS

على الرغم من أن GPS هو مجموعة فرعية من GNSS ، إلا أن أجهزة الاستقبال يتم تمييزها على أنها GPS (أي GPS فقط) أو GNSS. جهاز استقبال GPS قادر فقط على قراءة المعلومات من الأقمار الصناعية في شبكة الأقمار الصناعية GPS ، بينما يمكن لجهاز GNSS النموذجي تلقي معلومات من كل من GPS و GLONASS (أو أكثر من هذين النظامين) في وقت واحد.

يحتوي مستقبِل GNSS على 60 قمرًا صناعيًا متاحًا. بينما يحتاج الجهاز إلى ثلاثة أقمار صناعية فقط لتحديد موقعه، يتم تحسين الدقة باستخدام عدد أكبر من الأقمار الصناعية.

يمكن لجهاز GNSS رؤية المزيد من الأقمار الصناعية ، مما يساعد على تحسين دقة الجهاز. في الرسم البياني أدناه ، هناك 17 قمرا صناعيا متاحا. تعد الأشرطة الخضراء جزءًا من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وتعد الأشرطة الزرقاء جزءًا من نظام GLONASS.

ومع ذلك ، فإن مستقبلات GNSS لها بعض العيوب:

1.     تكلفة رقائق GNSS أعلى من تلك الخاصة بأجهزة GPS.

2.     يستخدم GNSS نطاقًا تردديًا قدره (1559-1610 ميجاهرتز) وهو أوسع من نطاق نظم GPS ( (1559-1591 ميجاهرتز ، وهذا يعني أنه لا يمكن استخدام مكونات مثل تردد الراديو القياسية، والهوائيات والمرشحات ومكبرات الصوت ، لأجهزة استقبال GNSS ، مما يؤدي إلى تأثير أكبر على التكلفة.

3.     سيكون استهلاك الطاقة أعلى قليلاً من مستقبلات GPS حيث يتصل بمزيد من الأقمار الصناعية.

مستقبل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)                  

تواصل البلدان بناء أنظمة GPS الخاصة بها وإدخال تحسينات عليها. تُبذل جهود في جميع أنحاء العالم لزيادة الدقة وتحسين الموثوقية وقدرات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

على سبيل المثال:

من المتوقع أن تصبح مستقبلات GNSS أصغر حجمًا وأكثر دقة وكفاءة، وقد تم إعداد تكنولوجيا GNSS لاختراق حتى تطبيقات GPS الأكثر حساسية من حيث التكلفة.

يجد العلماء وعمال الإنقاذ طرقًا جديدة لاستخدام تقنية GPS في الوقاية من الكوارث الطبيعية في حالة حدوث زلزال أو ثوران بركاني أو انفجار بالوعة أو انهيار جليدي. بالنسبة لوباء COVID-19 ، يبحث الباحثون في استخدام بيانات موقع الهاتف المحمول للمساعدة في تتبع جهات الاتصال من أجل إبطاء انتشار الفيروس.

سيؤدي إطلاق قمر GPS III الجديد إلى تحسين دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى 1-3 أمتار، وتحسين قدرات الملاحة. من خلال البث على إشارة L1C المدنية للتشغيل المتوافق مع أنظمة الأقمار الصناعية الأخرى.

سيشمل الجيل التالي من الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حماية أفضل للإشارات، وقابلية أقل للتشويش على الإشارات، وقدرة أكبر على المناورة لتغطية المناطق التي لم تغطى بعد.

تم ضبط الساعة الذرية للفضاء السحيق التابعة للإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) لاستخدام قمر صناعي قوي يعمل بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على متنها للمساعدة في توفير تناسق أفضل في الوقت المناسب لرواد الفضاء الذين يشرعون في رحلات الفضاء السحيقة.

من المحتمل أن يكون مستقبل تتبع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أكثر دقة وفعالية بكثير للاستخدام الشخصي والتجاري.