ماهو الـ gps
بسم الله الرحمن الرحيم
ماهوالـ GPS ؟
هذه الأحرف الثلاثة GPS هي اختصار للكلمات : Global Positioning System والتي تعني : نظام تحديد المواقع العالمي .
وهو عبارة عن نظام ملاحيمكون من شبكة أقمار صناعية يصل عددها إلى 24 قمراً مثبتة في مدارات محددة من الفضاءالخارجي من قبل وزارة الدفاع الأمريكية . كان الهدف الأساسي من هذه الشبكة منالأقمار الصناعية هدفاً عسكرياً بحتاً ، ولكن في عام 1980م سمحت الحكومة الأمريكيةبأن يكون هذا النظام متاحاً للاستخدامات المدنية . ونظام الـ GPS يعمل تحت جميعأنواع الظروف الجوية ، وفي كل مكان في العالم ، وعلى مدار 24 ساعة في اليوم ، ولايجب الاشتراك من أجل الحصول على هذه الخدمة كما أنها مجانية .
هذهالأقمار تدور في مدارات حول الأرض بسرعة تبلغ 7.000 ميل في الساعة ، وتعتمد علىالطاقة الشمسية ، كما أنها مزودة ببطاريات قابلة للشحن من أجل ضمان استمرار عملهافي حالة انعدام الطاقة الشمسية ، ويوجد على كل قمر صاروخ صغير من أجل أن يسيّرالقمر في طريقة الصحيح .
بعض الحقائق عن تلك الأقمار الصناعية :
1- أول قمر صناعي أطلق كان في عام 1978م .
2- تم الانتهاء من اطلاق جميعالأقمار وعددها 24 قمراً في عام 1994م .
3- العمر الافتراضي لكل قمر هو عشرسنوات . علماً بأن البدائل لهذه الأقمار أطلقت في مداراتها .
4- يزن القمرالصناعي ما يقارب الطن الواحد ، وقطره 6 أمتار تقريباً بما في ذلك شرائح الطاقةالشمسية الممتدة على جانبي القمر .
5- يستهلك القمر فقط 50 وات أو أقل منالطاقة في حالة الارسال .
6- هذه الأقمار الصناعية تبث نوعين من الإشاراتالمنخفضة : L1 و L2 . و L1 للاستخدامات المدنية بذبذبة مقدارها 1575.42 MH على UHF .
كيف تعمل ؟
أقمار الـ GPS تدور حول الكرة الأرضية في مدارات محددةودقيقة جداً مرتين في اليوم الواحد (24 ساعة) وخلال دورانها تبث إشارات تحملمعلومات عن الأرض . جهاز الاستقبال لديك يستقبل هذه المعلومات ويعمل بعض العلمياتالحسابية ليحدد بالضبط موقع المستخدم . هناك أيضاً محطات أرضية تستقبل المعلومات منالقمر الصناعي وعلى أساسها تقوم هذه المحطات بتزويد القمر بمعلومات مهمة من أجل أنيعمل على الوجه الأفضل مثل التوقيت والمدار والموقع .. الخ وهذا يعني أن الاتصالمزدوج بين هذه المحطات الأرضية والأقمار الصناعية . (انظر الصورة أدناه)
أما ما يخص جهاز الاستقبال (GPS) لديك فإنه يجب أن يعرف شيئينأساسيين ومهمين :
1- أين هذه الأقمار الصناعية ؟ (الموقع)
2- كم تبعد هذهالأقمار عن الجهاز ؟ (المسافة)
وللإجابة على السؤال الأول يقوم الجهاز بالتقاطمعلومات من الأقمار الصناعية تتضمن مواقع تلك الأقمار التقريبية ، وهذه المعلوماتترسل باستمرار ويقوم الجهاز بتخزينها في ذاكرته من أجل معرفة مدار كل قمر ، وأينيجب أن يكون ، وهذا النوع من المعلومات يحدث باستمرار من قبل المحطات الأرضية التيتحدثنا عنها سابقاً ، فهي تزود القمر بموقعه الصحيح ومساره والقمر بدوره يرسل هذهالمعلومات إلى جهاز الاستقبال لديك .
(إذن من خلال استلام المعلومات يحددالجهاز مواقع الأقمار طوال الوقت)
أما إجابة السؤال الثاني والذي يختص بالمسافةفإن الجهاز بعد تحديد مواقع الأقمار في الفضاء بكل دقة – كما أسلفت أعلاه – لا يزاليحتاج أن يعرف كم تبعد عنه هذه الأقمار (المسافة) ويستطيع عمل ذلك عن طريق معرفةالوقت الذي استغرقته الإشارة للوصول ، وهذا يتم تحديده بمعرفة وقت انطلاق الإشارةمن القمر ووقت استلامها وفارق الوقت بينهما هو الوقت الذي استغرقته الإشارة فيالفضاء 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 للجهازإن هذه الإشارة انطلقت في الساعة ... والجهاز ينظر إلى ساعته متى استلم هذه الإشارةالآن 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 بأننحسب الوقت بين مشاهدة البرق وسماع الرعد فإن كان الزمن بينهما كبير فإن السحاببعيد ، وإن كان الفرق قليل فإن السحاب قريب ؟ هذه نفس الفكرة : الجهاز لديك يضربالزمن في سرعة موجات الراديو البالغة 186.000 ميل في الثانية والنتيجة هي المسافةبين القمر الصناعي والجهاز .
الآن حددنا أهم شيئين في العملية وهما : موقعالقمر والمسافة بننا وبينه ، وبذلك يستطيع الجهاز أن يحدد موقعه كما يلي :
لنفرض أننا على بعد 11.000 ميل من القمر الصناعي الأول بهذه الحالة سيكونموقعنا في أي نقطة من ملايين النقاط على محيط دائرة نصف قطرها 11.000 ميل يكونالقمر الصناعي في وسطها ، ولذلك فإن قمراً واحداً لا يكفي لتحديد موقع الجهاز .. \
ولنفرض أننا على بعد 12.000 ميل من قمر ثانٍ ، هذا القمر الثانيسيرسل إشارات تتقاطع مع إشارات القمر الأول مكونة دائرة ، والموقع سيكون على أينقطة من محيط هذه الدائرة ، مرة أخرى يستحيل تحديد الموقع بقمرين فقط .. \
ولذلك نحن بحاجة إلى أن نضيف قمراً ثالثاً ولنفرض أنه على بعد 13.000ميل سيصبح لدينا نقطتان : (أ) و (ب) جراء تقاطع الدوائر الثلاث للأقمار الصناعيةالثلاثة ، لكن النقطتين بعيدتان عن بعضهما بعداً شاسعاً ، \ :
ومعالعلم إنه أصبح لدينا نقطتان فقط فإن تحديد أيهما موقع الجهاز يتطلب منك إدخالالارتفاع في موقعك من أجل ان يعرف الجهاز أي النقطتين هو فيها . وعلى كل لو قمنابإضافة قمر رابع يستطيع الجهاز أن يحدد ثلاثة أبعاد (3D) وهي ( خط الطول + خط العرض + الارتفاع ) .
مصادر الخطأ في إشارة الـ GPS :
أجهزة الـ GPS فيالسنوات الأخيرة اصبحت دقيقة جداً بشكل فائق حتى أن معدل نسبة الخطأ انخفض إلى 15متراً فقط !! ، وذلك بفضل تطور برامج وقطع الاستقبال داخل الجهاز ، على أن الأمر لايخلو من بعض العوائق التي تؤثر على دقة أجهزة الـ GPS ، ولعل أهم مصادر الخطأ فيهذا المجال مايلي :
1- أخطاء ناتجة عن بطء الإشارة من القمر الصناعي ، وذلك لأنالإشارة تقل سرعتها عندما تجتاز الغلاف الجوي في طريقها إلى الجهاز ، وعادة تكونأجهزة الاستقبال مزودة بنظام يقوم بحساب معدل التأخير من أجل تصحيح هذا الخطأ .
2- أخطاء ناتجة عن انعكاس أو ارتداد الإشارة نتيجة اصطدامها بعوائق مثلالبنايات الطويلة أو الصخور والجبال .. إلخ . وهذا من شأنه أن يزيد من سرعة انتقالالإشارة وبالتالي يسبب أخطاء .
3- أخطاء ناتجة بسبب الساعةالداخلية للجهاز ؛ لأن هذه الساعة ليست بالدقة التي عليها الساعة الذرية الموجودةفي القمر الصناعي ، ومن أجل ذلك قد يكون هناك أخطاء بسبب التوقيت .
4- أخطاءتحدث بسبب عدم دقة المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي عن موقعه في الفضاء .
5- عدد الأقمار الصناعية التي يستطيع الجهاز رؤيتها ؛ فكلما زاد عدد الأقمارزادت الدقة والعكس صحيح ؛ فالمباني والمجالات الكهربائية والمغناطيسية تسبب عدمرؤية الجهاز للأقمار وبالتالي تسبب قطع الإشارة وتسبب الأخطاء في التحديد أو حتىاحتمال عدم قدرة الجهاز على تحديد الموقع نهائياً
والسلام خير ختام
ماهوالـ GPS ؟
هذه الأحرف الثلاثة GPS هي اختصار للكلمات : Global Positioning System والتي تعني : نظام تحديد المواقع العالمي .
وهو عبارة عن نظام ملاحيمكون من شبكة أقمار صناعية يصل عددها إلى 24 قمراً مثبتة في مدارات محددة من الفضاءالخارجي من قبل وزارة الدفاع الأمريكية . كان الهدف الأساسي من هذه الشبكة منالأقمار الصناعية هدفاً عسكرياً بحتاً ، ولكن في عام 1980م سمحت الحكومة الأمريكيةبأن يكون هذا النظام متاحاً للاستخدامات المدنية . ونظام الـ GPS يعمل تحت جميعأنواع الظروف الجوية ، وفي كل مكان في العالم ، وعلى مدار 24 ساعة في اليوم ، ولايجب الاشتراك من أجل الحصول على هذه الخدمة كما أنها مجانية .
هذهالأقمار تدور في مدارات حول الأرض بسرعة تبلغ 7.000 ميل في الساعة ، وتعتمد علىالطاقة الشمسية ، كما أنها مزودة ببطاريات قابلة للشحن من أجل ضمان استمرار عملهافي حالة انعدام الطاقة الشمسية ، ويوجد على كل قمر صاروخ صغير من أجل أن يسيّرالقمر في طريقة الصحيح .
بعض الحقائق عن تلك الأقمار الصناعية :
1- أول قمر صناعي أطلق كان في عام 1978م .
2- تم الانتهاء من اطلاق جميعالأقمار وعددها 24 قمراً في عام 1994م .
3- العمر الافتراضي لكل قمر هو عشرسنوات . علماً بأن البدائل لهذه الأقمار أطلقت في مداراتها .
4- يزن القمرالصناعي ما يقارب الطن الواحد ، وقطره 6 أمتار تقريباً بما في ذلك شرائح الطاقةالشمسية الممتدة على جانبي القمر .
5- يستهلك القمر فقط 50 وات أو أقل منالطاقة في حالة الارسال .
6- هذه الأقمار الصناعية تبث نوعين من الإشاراتالمنخفضة : L1 و L2 . و L1 للاستخدامات المدنية بذبذبة مقدارها 1575.42 MH على UHF .
كيف تعمل ؟
أقمار الـ GPS تدور حول الكرة الأرضية في مدارات محددةودقيقة جداً مرتين في اليوم الواحد (24 ساعة) وخلال دورانها تبث إشارات تحملمعلومات عن الأرض . جهاز الاستقبال لديك يستقبل هذه المعلومات ويعمل بعض العلمياتالحسابية ليحدد بالضبط موقع المستخدم . هناك أيضاً محطات أرضية تستقبل المعلومات منالقمر الصناعي وعلى أساسها تقوم هذه المحطات بتزويد القمر بمعلومات مهمة من أجل أنيعمل على الوجه الأفضل مثل التوقيت والمدار والموقع .. الخ وهذا يعني أن الاتصالمزدوج بين هذه المحطات الأرضية والأقمار الصناعية . (انظر الصورة أدناه)
أما ما يخص جهاز الاستقبال (GPS) لديك فإنه يجب أن يعرف شيئينأساسيين ومهمين :
1- أين هذه الأقمار الصناعية ؟ (الموقع)
2- كم تبعد هذهالأقمار عن الجهاز ؟ (المسافة)
وللإجابة على السؤال الأول يقوم الجهاز بالتقاطمعلومات من الأقمار الصناعية تتضمن مواقع تلك الأقمار التقريبية ، وهذه المعلوماتترسل باستمرار ويقوم الجهاز بتخزينها في ذاكرته من أجل معرفة مدار كل قمر ، وأينيجب أن يكون ، وهذا النوع من المعلومات يحدث باستمرار من قبل المحطات الأرضية التيتحدثنا عنها سابقاً ، فهي تزود القمر بموقعه الصحيح ومساره والقمر بدوره يرسل هذهالمعلومات إلى جهاز الاستقبال لديك .
(إذن من خلال استلام المعلومات يحددالجهاز مواقع الأقمار طوال الوقت)
أما إجابة السؤال الثاني والذي يختص بالمسافةفإن الجهاز بعد تحديد مواقع الأقمار في الفضاء بكل دقة – كما أسلفت أعلاه – لا يزاليحتاج أن يعرف كم تبعد عنه هذه الأقمار (المسافة) ويستطيع عمل ذلك عن طريق معرفةالوقت الذي استغرقته الإشارة للوصول ، وهذا يتم تحديده بمعرفة وقت انطلاق الإشارةمن القمر ووقت استلامها وفارق الوقت بينهما هو الوقت الذي استغرقته الإشارة فيالفضاء 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 للجهازإن هذه الإشارة انطلقت في الساعة ... والجهاز ينظر إلى ساعته متى استلم هذه الإشارةالآن 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 بأننحسب الوقت بين مشاهدة البرق وسماع الرعد فإن كان الزمن بينهما كبير فإن السحاببعيد ، وإن كان الفرق قليل فإن السحاب قريب ؟ هذه نفس الفكرة : الجهاز لديك يضربالزمن في سرعة موجات الراديو البالغة 186.000 ميل في الثانية والنتيجة هي المسافةبين القمر الصناعي والجهاز .
الآن حددنا أهم شيئين في العملية وهما : موقعالقمر والمسافة بننا وبينه ، وبذلك يستطيع الجهاز أن يحدد موقعه كما يلي :
لنفرض أننا على بعد 11.000 ميل من القمر الصناعي الأول بهذه الحالة سيكونموقعنا في أي نقطة من ملايين النقاط على محيط دائرة نصف قطرها 11.000 ميل يكونالقمر الصناعي في وسطها ، ولذلك فإن قمراً واحداً لا يكفي لتحديد موقع الجهاز .. \
ولنفرض أننا على بعد 12.000 ميل من قمر ثانٍ ، هذا القمر الثانيسيرسل إشارات تتقاطع مع إشارات القمر الأول مكونة دائرة ، والموقع سيكون على أينقطة من محيط هذه الدائرة ، مرة أخرى يستحيل تحديد الموقع بقمرين فقط .. \
ولذلك نحن بحاجة إلى أن نضيف قمراً ثالثاً ولنفرض أنه على بعد 13.000ميل سيصبح لدينا نقطتان : (أ) و (ب) جراء تقاطع الدوائر الثلاث للأقمار الصناعيةالثلاثة ، لكن النقطتين بعيدتان عن بعضهما بعداً شاسعاً ، \ :
ومعالعلم إنه أصبح لدينا نقطتان فقط فإن تحديد أيهما موقع الجهاز يتطلب منك إدخالالارتفاع في موقعك من أجل ان يعرف الجهاز أي النقطتين هو فيها . وعلى كل لو قمنابإضافة قمر رابع يستطيع الجهاز أن يحدد ثلاثة أبعاد (3D) وهي ( خط الطول + خط العرض + الارتفاع ) .
مصادر الخطأ في إشارة الـ GPS :
أجهزة الـ GPS فيالسنوات الأخيرة اصبحت دقيقة جداً بشكل فائق حتى أن معدل نسبة الخطأ انخفض إلى 15متراً فقط !! ، وذلك بفضل تطور برامج وقطع الاستقبال داخل الجهاز ، على أن الأمر لايخلو من بعض العوائق التي تؤثر على دقة أجهزة الـ GPS ، ولعل أهم مصادر الخطأ فيهذا المجال مايلي :
1- أخطاء ناتجة عن بطء الإشارة من القمر الصناعي ، وذلك لأنالإشارة تقل سرعتها عندما تجتاز الغلاف الجوي في طريقها إلى الجهاز ، وعادة تكونأجهزة الاستقبال مزودة بنظام يقوم بحساب معدل التأخير من أجل تصحيح هذا الخطأ .
2- أخطاء ناتجة عن انعكاس أو ارتداد الإشارة نتيجة اصطدامها بعوائق مثلالبنايات الطويلة أو الصخور والجبال .. إلخ . وهذا من شأنه أن يزيد من سرعة انتقالالإشارة وبالتالي يسبب أخطاء .
3- أخطاء ناتجة بسبب الساعةالداخلية للجهاز ؛ لأن هذه الساعة ليست بالدقة التي عليها الساعة الذرية الموجودةفي القمر الصناعي ، ومن أجل ذلك قد يكون هناك أخطاء بسبب التوقيت .
4- أخطاءتحدث بسبب عدم دقة المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي عن موقعه في الفضاء .
5- عدد الأقمار الصناعية التي يستطيع الجهاز رؤيتها ؛ فكلما زاد عدد الأقمارزادت الدقة والعكس صحيح ؛ فالمباني والمجالات الكهربائية والمغناطيسية تسبب عدمرؤية الجهاز للأقمار وبالتالي تسبب قطع الإشارة وتسبب الأخطاء في التحديد أو حتىاحتمال عدم قدرة الجهاز على تحديد الموقع نهائياً
والسلام خير ختام
زادك الله علما ونورا