ما هو نظام تحديد المواقع؟

نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هو نظام ملاحي قائم على الأقمار الصناعية يتكون من شبكة مكونة من 24 قمرًا صناعيًا تم وضعها في المدار من قبل وزارة الدفاع الأمريكية. كان نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مخصصًا في الأصل للتطبيقات العسكرية، ولكن في الثمانينيات، جعلت الحكومة النظام متاحًا للاستخدام المدني. يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في أي ظروف جوية، وفي أي مكان في العالم، على مدار 24 ساعة في اليوم. لا توجد رسوم اشتراك أو رسوم إعداد لاستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

كيف يعمل

تدور الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حول الأرض مرتين يوميًا في مدار دقيق جدًا وتنقل معلومات الإشارة إلى الأرض. تأخذ أجهزة استقبال GPS هذه المعلومات وتستخدم التثليث لحساب الموقع الدقيق للمستخدم. بشكل أساسي، يقوم جهاز استقبال GPS بمقارنة الوقت الذي تم فيه إرسال الإشارة عبر القمر الصناعي مع وقت استلامها. يخبر فارق التوقيت جهاز استقبال GPS بمدى بعد القمر الصناعي. الآن، مع قياسات المسافة من عدد قليل من الأقمار الصناعية، يمكن لجهاز الاستقبال تحديد موقع المستخدم وعرضه على الخريطة الإلكترونية للوحدة.

يجب أن يكون جهاز استقبال GPS مقفلاً على إشارة ثلاثة أقمار صناعية على الأقل لحساب الموقع ثنائي الأبعاد (خط العرض وخط الطول) وتتبع الحركة. من خلال رؤية أربعة أقمار صناعية أو أكثر، يمكن لجهاز الاستقبال تحديد موقع المستخدم ثلاثي الأبعاد (خط العرض وخط الطول والارتفاع). بمجرد تحديد موقع المستخدم، يمكن لوحدة GPS حساب معلومات أخرى، مثل السرعة والاتجاه والمسار ومسافة الرحلة والمسافة إلى الوجهة ووقت شروق الشمس وغروبها والمزيد.

ما مدى دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)؟

تتميز أجهزة استقبال GPS اليوم بأنها دقيقة للغاية، وذلك بفضل تصميمها المتوازي متعدد القنوات. تتميز أجهزة الاستقبال ذات القنوات المتوازية الـ 12 من Garmin بالقفل السريع للأقمار الصناعية عند تشغيلها لأول مرة وتحافظ على أقفال قوية، حتى في أوراق الشجر الكثيفة أو المناطق الحضرية ذات المباني الشاهقة. يمكن أن تؤثر بعض العوامل الجوية ومصادر الخطأ الأخرى على دقة أجهزة استقبال GPS. تتميز أجهزة استقبال Garmin® GPS بالدقة حتى مسافة 15 مترًا في المتوسط.

يمكن لأجهزة استقبال GPS الأحدث من Garmin المزودة بقدرة WAAS (نظام تعزيز المنطقة الواسعة) تحسين الدقة إلى أقل من ثلاثة أمتار في المتوسط. ليست هناك حاجة إلى معدات أو رسوم إضافية للاستفادة من WAAS. يمكن للمستخدمين أيضًا الحصول على دقة أفضل باستخدام نظام تحديد المواقع التفاضلي (DGPS)، الذي يصحح إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في نطاق يتراوح بين ثلاثة إلى خمسة أمتار في المتوسط. يقوم خفر السواحل الأمريكي بتشغيل خدمة تصحيح DGPS الأكثر شيوعًا. يتكون هذا النظام من شبكة من الأبراج التي تستقبل إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وترسل إشارة مصححة بواسطة أجهزة إرسال المنارات. من أجل الحصول على الإشارة المصححة، يجب أن يكون لدى المستخدمين جهاز استقبال منارة تفاضلية وهوائي منارة بالإضافة إلى نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الخاص بهم.

نظام تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية

تدور الأقمار الصناعية الأربعة والعشرون التي تشكل الجزء الفضائي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حول الأرض على ارتفاع حوالي 12000 ميل فوقنا. إنهم يتحركون باستمرار، ويقومون بدورتين كاملتين في أقل من 24 ساعة. وتسافر هذه الأقمار الصناعية بسرعة تبلغ حوالي 7000 ميل في الساعة.

يتم تشغيل الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بالطاقة الشمسية. لديهم بطاريات احتياطية على متن الطائرة لإبقائهم قيد التشغيل في حالة حدوث كسوف الشمس، عندما لا تكون هناك طاقة شمسية. معززات الصواريخ الصغيرة الموجودة على كل قمر صناعي تجعلهم يطيرون في المسار الصحيح.

فيما يلي بعض الحقائق الأخرى المثيرة للاهتمام حول الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (وتسمى أيضًا NAVSTAR، وهو الاسم الرسمي لوزارة الدفاع الأمريكية لنظام تحديد المواقع GPS):

• تم إطلاق أول قمر صناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في عام 1978.
• تم تحقيق كوكبة كاملة من 24 قمرا صناعيا في عام 1994.
• تم بناء كل قمر صناعي ليدوم حوالي 10 سنوات. يتم باستمرار بناء البدائل وإطلاقها في المدار.
• يزن القمر الصناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حوالي 2000 رطل ويبلغ عرضه حوالي 17 قدمًا مع تمديد الألواح الشمسية.
• قوة الارسال 50 واط فقط أو أقل.

ما هي الإشارة؟

ترسل أقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إشارتين راديويتين منخفضتي الطاقة، وهما L1 وL2. يستخدم نظام تحديد المواقع المدني تردد L1 البالغ 1575.42 ميجا هرتز في نطاق UHF. تنتقل الإشارات عبر خط البصر، مما يعني أنها ستمر عبر السحب والزجاج والبلاستيك ولكنها لن تمر عبر معظم الأجسام الصلبة مثل المباني والجبال.

تحتوي إشارة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على ثلاث أجزاء مختلفة من المعلومات - رمز عشوائي زائف، وبيانات التقويم الفلكي، وبيانات التقويم. الرمز العشوائي الزائف هو مجرد معرف. رمز يحدد القمر الصناعي الذي ينقل المعلومات. يمكنك عرض هذا الرقم على صفحة القمر الصناعي الخاصة بوحدة Garmin GPS، حيث إنه يحدد الأقمار الصناعية التي تستقبلها.

تحتوي بيانات التقويم الفلكي، التي يتم إرسالها باستمرار بواسطة كل قمر صناعي، على معلومات مهمة حول حالة القمر الصناعي (صحي أو غير صحي)، والتاريخ والوقت الحاليين. هذا الجزء من الإشارة ضروري لتحديد الموقف.

تخبر بيانات التقويم جهاز استقبال GPS بالمكان الذي يجب أن يكون فيه كل قمر صناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في أي وقت طوال اليوم. يقوم كل قمر صناعي بنقل بيانات التقويم التي توضح المعلومات المدارية لهذا القمر الصناعي ولكل قمر صناعي آخر في النظام.

مصادر أخطاء إشارة GPS

تشمل العوامل التي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض إشارة GPS وبالتالي التأثير على الدقة ما يلي:

• تأخيرات الأيونوسفير والتروبوسفير- تتباطأ إشارة القمر الصناعي أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي. يستخدم نظام GPS نموذجًا مدمجًا يحسب متوسط مقدار التأخير لتصحيح هذا النوع من الأخطاء جزئيًا.
• إشارة متعددة المسارات - يحدث هذا عندما تنعكس إشارة GPS عن الأجسام مثل المباني الشاهقة أو الأسطح الصخرية الكبيرة قبل أن تصل إلى جهاز الاستقبال. وهذا يزيد من وقت سفر الإشارة، مما يسبب أخطاء.
• أخطاء ساعة الاستقبال - الساعة المدمجة في جهاز الاستقبال ليست دقيقة مثل الساعات الذرية الموجودة على متن الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). ولذلك، قد يكون هناك أخطاء توقيت طفيفة جداً.
• الأخطاء المدارية - تُعرف أيضًا باسم أخطاء التقويم الفلكي، وهي عبارة عن معلومات غير دقيقة عن موقع القمر الصناعي المُبلغ عنه.
• عدد الأقمار الصناعية المرئية- كلما زاد عدد الأقمار الصناعية التي يستطيع جهاز استقبال GPS رؤيتها، كلما كانت الدقة أفضل. يمكن للمباني أو التضاريس أو التداخل الإلكتروني أو حتى أوراق الشجر الكثيفة في بعض الأحيان أن تمنع استقبال الإشارة، مما يتسبب في حدوث أخطاء في الموقع أو ربما عدم قراءة الموقع على الإطلاق. عادةً لن تعمل وحدات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الداخل أو تحت الماء أو تحت الأرض.
• هندسة القمر الصناعي/التظليل- يشير هذا إلى الموقع النسبي للأقمار الصناعية في أي وقت محدد. توجد هندسة القمر الصناعي المثالية عندما تكون الأقمار الصناعية موجودة بزوايا واسعة بالنسبة لبعضها البعض. تنتج الهندسة السيئة عندما تكون الأقمار الصناعية موجودة في خط أو في مجموعة ضيقة.
• التدهور المتعمد لإشارة القمر الصناعي - التوفر الانتقائي (SA) هو تدهور متعمد للإشارة التي فرضتها وزارة الدفاع الأمريكية. كان الهدف من SA هو منع الخصوم العسكريين من استخدام إشارات GPS عالية الدقة. قامت الحكومة بإيقاف تشغيل SA في مايو 2000، مما أدى إلى تحسين كبير في دقة أجهزة استقبال GPS المدنية.