ثانياً: كيف يعمل نظام تحديد المواقع GPS
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...f000cd0405.gifعلى الرغم من أن نظام تحديد المواقع يستخدم معلومات وأجهزة إلكترونية مطورة طبقاً لتقنيات عالية جداً، إلاّ أن المبادئ الأساسية وراء ذلك تعد بسيطة للغاية. ولتفسير ذلك يمكن تقسيم هذا النظام إلى خمسة أجزاء حسب الغرض منها
1-الفكرة الأساسية ـ تحديد ارتفاع الأقمار الصناعية
يعتمد نظام تحديد المواقع على إمكانية تحديد ارتفاع الأقمار الصناعية، ويعني ذلك أنه يمكن تحديد المواقع على سطح الأرض اعتماداً على المسافة الفاصلة بين سطح الأرض ومجموعة من الأقمار الصناعية، حي تُمثل هذه الأقمار نقاط لمستخدمي النظام . Referency Points مرجعية
فمثلاً إذا تم قياس ارتفاع قمر صناعي على ارتفاع 11 ألف ميل (أي طول السهم من الراصد إلى القمر)، يؤدي هذا إلى تحديد موقع الراصد في مكان ما على سطح الأرض محتلاً القمر الصناعي مركزه وبنصف قطر 11 ألف ميل،
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...4fcb99f67b.gifنظام تحديد موقع الراصد على سطح الكرة الأرضية بواسطة قمر صناعي واحد TH5-1
وإذا تزامن هذا مع رصد قمر صناعي آخر على ارتفاع 12 ألف ميل، سوف يكون موقع الراصد في الحيز الذي يتقاطع عنده شكلي الأرض،
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...d2007d9045.gifنظام تحديد موقع الراصد على سطح الكرة الأرضية بواسطة قمرين صناعي TH5-2
وفي الوقت نفسه إذا تم رصد قمر صناعي ثالث على ارتفاع 13 ألف ميل فسوف يتكون نقطتان نتيجة تقاطع دائرة القمر الصناعي الثالث مع دائرتي التقاطع للقمرين السابقين (أ، ب)
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...1b5c38de6f.gifنظام تحديد موقع الراصد على سطح الكرة الأرضية بواسطة ثلاث أقمار صناعية TH5-3
ولتحديد أية من النقطتين التي تُمثل مكان الراصد لابد من رصد قمر صناعي رابع، حيث تكون إحدى هذه النقطتان حقيقية (مكان الراصد)، والثانية افتراضية لا تنطبق على سطح الأرض، وتحتوي أجهزة الحواسب الآلية في أجهزة الاستقبال في نظام تحديد المواقع على وسائل تقنية وفنية مختلفة تستطيع التمييز بين النقطة الحقيقية والنقطة الخاطئة .
وبصفة عامة تؤكد عمليات حسابات المثلثات Trigonometry ضرورة استخدام أربعة أقمار صناعية لتحديد الموقع بدقة عالية. لكن يمكن تحقيق ذلك عملياً من خلال ثلاثة أقمار صناعية فقط، ويتم ذلك في حالة رفض النقطة الافتراضية. ومما سبق تتجلى الفكرة GPS الأساسية من وراء استخدام نظام تحديد المواقع وهي الاعتماد على الأقمار الصناعية مرجعية في تثليث الموقع على سطح الأرض
2- قياس المسافة من القمر الصناعي
يتوقف نظام تحديد المواقع على معرفة المسافة الفاصلة بين الراصد والأقمار الصناعية، ومما يثير الدهشة أن الفكرة الأساسية وراء قياس المسافة إلى القمر الصناعي هي المعادلة نفسها
القديمة ومؤدها "المسافة = السرعة × الزمن ويعني هذا أن النظام GPS يعتمد على حساب الزمن الذي تستغرقه إشارة راديوية فردية Radio Singl Signal من القمر حتى تصل إلى الراصد ، ومن ثم تحسب المسافة من خلال الزمن ، خاصة وأن الموجات الراديوية تسير بسرعة معلومة هي نفسها سرعة الضوء ( 186 ألف /الثانية) فإذا أمكن معرفة بداية بث القمر الصناعي لهذه الموجات ومعرفة وقت إستقبالها بدقة ،يكون من السهل معرفة المسافة التي قطعتها هذه الموجات ، وذلك بضرب هذا الزمن بالثواني في 186 الف ميل .
المسافة بين موقع ما والقمر الصناعي = الزمن الذي تستغرقه الإشارة من القمر إلى الموقع x 186000
ومما سبق يتضح أن معرفة الزمن هو الأساس في معرفة المسافة، وبالتالي ستكون ساعة اليد وسيلة تقديرية لا تتفق والسرعة الفائقة للضوء، خاصة إذا كان القمر الصناعي في وضع مسامت للموقع المراد تحديده، فإن موجاته التي يبثها سوف تستغرق زمناً لا يزيد عن ستة أجزاء من مائة من الثانية (0.06 من الثانية) كي تصل إلى الراصد. وبالتالي يتيح نظام تحديد المواقع للراصد إمكانية التعامل مع الوقت بصورة متقدمة جداً، حيث تستطيع معظم نُظم الاستقبال من قياس الزمن بدقة النانو ثانية Nanosecond Accuray والذي يعادل 0.000.000.001 (جزء من ألف مليون جزء من الثانية)، لذا أُطلق على نظام تحديد المواقع أنه من أطفال الثورة الإلكترونية GPS is a Child of the Electronic Revolution.
كيف يمكن معرفة بث الإشارة من القمر الصناعي
يتوقف قياس زمن الإشارة من القمر الصناعي حتى يستقبلها جهاز الاستقبال على معرفة وقت بث هذه الإشارة من القمر الصناعي ـ خاصة وأن هذه الفترة الزمنية لا تتجاوز أجزاء من الثانية ـ وللتغلب على ذلك قام مصممو نظام تحديد المواقع بجعل كل من القمر الصناعي وجهاز الاستقبال يتزامنا تزامناً دقيقاً في توليد أو إظهار شفرة معينة، ثم يتلقى بعد ذلك جهاز الاستقبال الإشارات المُرسلة من القمر الصناعي، وعليه يتم حساب الوقت الذي استغرقته الإشارة منذ أن قام جهاز الاستقبال بتوليد الشفرة وإظهارها حتى استقباله لإشارة القمر الصناعي. أي أن زمن إرسال الشفرة من القمر الصناعي هو الفرق بين وقت توليد الشفرة في جهاز الاستقبال واستقباله لإشارة القمر الصناعي،
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...f69a0db2c4.gifولتوضيح ذلك، نفترض أن هناك شخصان يقفان في مواجهة بعضهما في نهايتي استاد لكرة القدم، بحث يكون كل منهما في طرف ويقومان بقراءة الأرقام من واحد حتى عشرة في اللحظة نفسها مع محاولة سماع صوت بعضهما، فسيسمع الشخص الأول صوته وهو يرد واحد ... اثنان ... ثلاثة، وبعد برهة سيسمع صوت زميله يردد الأرقام نفسها، بمعنى أن سماع الأرقام يأتي متأخراً بعض الشيء عن عدها الحقيقي، أي أنه في الوقت الذي يردد فيه إحداهما الرقم ثلاثة (مثلاً) يتزامن مع سماعه لصوت زميله يردد الرقم واحد، وسبب ذلك أن الصوت يستغرق بعض الوقت حتى يصل إلى كل منهما، وحيث أنهما تزامنا في بدء العد، فيمكن قياس الزمن الذي استغرقه الصوت بينهما من خلال فارق الوقت الذي يقول أولهما واحد وسماعه لصوت الثاني يردد الرقم نفسه. ويمثل هذا الزمن الوقت الذي استغرقه الصوت لعبور الاستاد، وهذه هي الفكرة التي يعتمد عليها نظام تحديد المواقع.
وتعطي ميزة استخدام مجموعة من الشفرات أو الرموز إمكانية قياس الزمن في أي وقت، أي أنه ليس من الضروري بدء القياس عند ترديد وسماع الرقم واحد، ولكنه يمكن قياس سرعة مرور الصوت بين أي زوج من الأرقام وليكن سبعة مثلاً.
ولا يستخدم نظام تحديد المواقع أرقاماً، لكنه يعتمد على ما تولده وتظهره الأقمار الصناعية وأجهزة الاستقبال من مجموعات معقدة من الشفرات الرقمية Complicated Set of Digital Codes، وصُممت معقدة حتى يمكن مقارنتها بسهولة بعيداً عن الغموض وتظهر هذه الشفرات على شكل سلسلة طويلة من الذبذبات العشوائية، وهي في حقيقة الأمر ليست عشوائية لكنها عبارة عن ذبذبات تتكرر كل ملي ثانية Millisecond لذا تبدو وكأنها شفرات عشوائية Random Codes
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...b193e21d7d.gif3-الحصول على تزامن مثالي
تبلغ سرعة الضوء ـ كما سبق الإشارة ـ حوالي 186 ألف ميل في الثانية ـ وإذا كان هناك فرق في التزامن بين قمر صناعي وجهاز استقبال جزء من مائة في الثانية (0.01 من الثانية ) فإن ذلك يعني خطأ في القياس بنحو 1860 ميل، بمعنى أن المشكلة تكمن في كيفية التأكد من تزامن كل من القمر الصناعي وجهاز الاستقبال في إطلاق الشفرات في الوقت نفسه تماماً، ويمكن تفسير ذلك بأن الأقمار الصناعية تحمل على متنها ساعات ذرية (3) Clocks Atomic تعرف بساعات الروبيديوم والسينيزيوم، وتتسم بدقتها العالية، وارتفاع ثمنها بشكل خيالي، ويحمل كل قمر صناعي أربع ساعات من هذا النوع بهدف ضمان أن واحدة منها تعمل على الأقل.
وإذا تم وضع مثل هذه الساعات في أجهزة الاستقبال ستؤدي إلى رفع أسعارها، إضافة إلى أن هناك وسيلة أخرى لإنجاز هذا التزامن باستخدام ساعات ذات قيمة معقولة موجودة في أجهزة الاستقبال، ويتم ذلك بإجراء قياس المسافة إلى قمر صناعي إضافي حتى يتم تعويض الخطأ في التزامن من قبل الراصد، بمعنى أنه يلزم إجراء ثلاثة قياسات إلى ثلاثة أقمار (كما سبق) الإشارة.
ولتفسير ذلك نفترض أن ساعة جهاز الاستقبال ليست دقيقة مثل ساعة القمر الصناعي، إضافة إلى أنها غير مطابقة تماماً للتوقيت العالمي، أي كانت الساعة ـ على سبيل المثال ـ تشير إلى الثانية عشر ظهراً، وهي في الواقع الحادية عشر وتسع وخمسون دقيقة وتسع وخمسون ثانية (59ث 59ق 11س) قبل الزوال، أي أنها تسبق التوقيت العالمي بثانية واحدة. وسوف تُستخدم المسافة الزمنية ـ كي يتم التعرف على أخطاء التوقيت ـ بدلاً من المسافة الطويلة بالميل أو كم.
إذا كان جهاز الاستقبال بعيداً عن القمر الصناعي (أ) مسافة أربع ثواني، وست ثواني عن القمر الصناعي (ب)
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...f168631fd1.gifويُعد هذان البعدان كافيان لتحديد موقع جهاز الاستقبال في نقطة ما على سطح الأرض ولتكن (*)، وهو بالفعل ما سنحصل عليه في حالة إذا كانت الساعات تعمل بدقة، لكن ماذا سيحدث لو تم استخدام جهاز استقبال به ساعة تزيد عن، الوقت الحقيقي بثانية واحدة. ويعني هذا أن المسافة إلى القمر (أ) ستكون خمس ثواني، وسبع ثوان إلى القمر (ب)، وسوف ينتج عن هذا أن الدائرتان سيتقاطعان في نقطة أخرى هي(**)، وهي النقطة التي سـوف يوجهنا إليها جهاز الاستقبال غير الدقيق،
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...13f5f9fa58.gifتبعد عن النقطة الحقيقية بعدة أميال. وللتأكد يتم إجراء قياس آخر بالاستعانة بقمر صناعي ثالث يبعد ثمان ثواني عن جهاز الاستقبال في حالة إذا كانت الساعة دقيقة، حيث ستتقاطع الدوائر الثلاثة في نقطة واحدة هي (*) وذلك لأن هذه الدوائر تمثل المسافات الحقيقية بين الموقع والأقمار الثلاثة
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...d3b795d1b8.gifولكن إذا تم إضافة فارق الثانية الخطأ سوف يتغير موقع جهاز الاستقبال حيث توضح الخطوط السميكة الأبعاد الخاطئة pseudo – Range الناتجة عن الثانية الزائدة .
ويتضح من الأشكال السابقة أن قياسات القمرين الصناعيين (أ)، (ب) ـ بعد إضافة الثانية الخطأ ـ تتقاطع عند النقطة (**)،
في حين تتقاطع قياسات القمر الصناعي (ج) في مكان ما بالقرب منها ، وبالتالي لا توجد نقطة عند ملتقى القياسات خمس ثواني من القمر (أ)، وسبع ثواني من القمر (ب)، وثمان ثواني من القمر(ج).
http://www.alhnuf.com/up/pics-gif/up...253c758dbd.gifوقد تم برمجة الحواسب الآلية المثبتة في أجهزة الاستقبال، بحيث أنه عندما تستقبل قياسات خاطئة لا تتقاطع في نقطة واحدة، وبالتالي فإنها ستقوم بحذف أو إضافة وقت للقراءات الثلاث حتى تتجمع وتتلاقى في نقطة واحدة، أي أنها ستعمل تلقائياً بحذف ثانية واحدة ـ بالنسبة للحالة السابقة ـ من القياسات الثلاثة حتى تُمكن الدوائر من التقاطع في نقطة الموقع المراد تحديده. وفي الواقع أن الحواسب الآلية لا تتلقى القراءات على غير هدى، بل تستخدم نظريات علم الجبر في حل المشكلة على النحو السابق.
تتطلب القياسات الدقيقة ثلاثة أبعاد وأربعة أقمار صناعية
يحتاج الراصد إلى أربعة قياسات ـ يجب أن يتذكر الراصد هذا الرقم جيداً ـ لتلافي الخطأ في أحد القياسات، وذلك لأنه لن يستطيع الحصول على نتائج دقيقة بدون أن يكون هناك أربعة أقمار صناعية في الفضاء.
ويتكون نظام تحديد المواقع من أربعة وعشرين قمراً صناعياً ـ كما سبقت الإشارة ـ ويعني هذا أنه سيكون دائماً هناك أكثر من أربعة أقمار في الأفق يمكن رصدها من أي موقع على سطح الأرض
وقد أثرت الرغبة في الحصول على قياس دقيق ومستمر على تصميم أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع، فيتكون بعضها من أربعة قنوات، بحيث تُخصص قناة لكل قمر صناعي وتعمل متزامنة، لكن بعض التطبيقات لا تتطلب مثل هذه الدقة اللحظية، لذا فإن استخدام جهاز استقبال اقتصادي ذات قناة واحدة يفي بالغرض، ويقوم هذا الجهاز ـ ذات القناة الواحدة ـ باستقبال أربع قراءات متفرقة، ثم يقوم بعمل التزامن لها قبل إعطاء النتائج، ويستغرق هذا ما بين ثانيتين إلى ثلاثين ثانية، ويعد هذا الوقت سريعاً في بعض التطبيقات.
لكن مثل هذه الأجهزة لا تتمكن من أداء وظيفتها بصورة دقيقة خاصة عند تحديد السرعة، والتي تعد من المميزات الفريدة التي يتسم بها نظام تحديد المواقع حيث يقوم بقياس السرعة بصورة دقيقة، لذا فإن أي حركة لجهاز الاستقبال أثناء استقباله للقياسات الأربعة ينتج عنها خطأ في دقة هذه القياسات. ويظهر عيب آخر لهذا النوع من أجهزة الاستقبال، عندما تقوم الأقمار الصناعية بإرسال بيانات خاصة بأنظمتها والتي تحتاج إلى ثلاثين ثانية حتى يتمكن الجهاز من قراءتها، مما يؤدي إلى اعتراض عملية القياس في كل مرة يتم فيها قراءة بيانات قمر صناعي آخر.
ويمثل جهاز الاستقبال ثلاثي القنوات الحل الأكثر شيوعياً، حيث تقوم إحدى القنوات بقياس وحساب الزمن، في حين تقوم إحدى القناتين الباقيتين بتحديد القمر التالي بإشارات الراديو تمهيداً لقياسه، وعند إتمام عملية القياس تنتقل تلقائياً إلى القمر التالي دون إضاعة أي وقت في قراءة البيانات الخاصة به. وفي الوقت نفسه تقوم القناة الثالثة ـ تُعرف في الغالب باسم مدبر المنزل Housekeeping ـ بالبحث عن القمر التالي وتحضير العمل تمهيداً لقياسه، وبالتالي يتضح أن جهاز الاستقبال ثلاثي القنوات يقوم بإتمام عملية التزامن بصورة دقيقة للغاية، ومن مميزاته أيضاً أنه يمكن برمجته لمتابعة ثمانية أقمار صناعية، إذ تقوم قناة من الثلاثة بالتعامل مع إحدى الأقمار الصناعية، وفي الوقت نفسه تقوم القناتين الأخيرتين بالتحضير للتعامل مع القمر الصناعي التالي دون أية إعاقة لعلمية القياس.
4-تحديد موقع القمر الصناعي في الفضاء
يُفترض منذ البداية المعرفة الدقيقة بموقع الأقمار الصناعية في الفضاء، وذلك لسهولة إجراء العمليات الحسابية من جهة، وتحديد المواقع بالنسبة لها من جهة أخرى. لكن كيف يتم التعرف على القمر الصناعي وهو على ارتفاع يبلغ نحو 11 ألف ميل عن سطح الأرض. وهذا الارتفاع يفيد الأقمار الصناعية في أن تتخلص من جو الأرض وملوثاته، وبالتالي يتم التنبؤ بمداراتها بصورة دقيقة حيث أنها نادراً ما تغيرها، وهي في ذلك تحاول أن تشبه القمر تابع للكرة الأرضية الذي يدور حولها منذ ملايين السنين دون تغير يذكر في مداره.
وتقوم القوات الجوية بالإطلاق كل قمر صناعي في مدار دقيق يتوافق مع الخطة الرئيسية لنظام تحديد المواقع، وهذه المواقع محسوبة ومعلومة مقدماً، وتحتوي بعض أجهزة الاستقبال على سجل مبرمج في حواسبها الآلية تقوم بتحديد مدار أي قمر صناعي في الفضاء في أية لحظة.
وتقوم وزارة الدفاع الأمريكية بالمراقبة المستمرة لأقمار نظام تحديد المواقع الصناعية، حتى لا تنحرف عن مداراتها من جهة، وقياس ارتفاعاها من جهة أخرى، ويعد هذا أحد الأسباب التي جعلت مداراتها شاهقة الارتفاع وبعيدة عن المدارات الجغرافية المتزامنة Geo - Synchronous التي تمثل مدارات الأقمار الصناعية الخاصة بالتليفزيون.
وتدور أقمار نظام تحديد المواقع الصناعية حول الكرة الأرضية مرة كل 12 ساعة، وبالتالي تمر فوق محطات الرصد الخاصة بوزارة الدفاع الأمريكية مرتين يومياً، مما يعطي الفرصة لقياس ارتفاعاتها، ومتابعة مواقعها وسرعتها بصورة دقيقة، ومراقبة الأخطاء التي قد تنجم عن جاذبية كل من القمر والشمس وتأثير الإشعاع الشمسي عليها، وهي أخطاء طفيفة للغاية وتعرف باسم أخطاء الزيج أو أخطاء التوقيت الفلكي Ephemeris Errors.
وعندما تنتهي وزارة الدفاع الأمريكية من قياسات موقع القمر الصناعي، تقوم بإرسال هذه المعلومات إلى القمر نفسه، الذي يقوم بدوره بإرسال هذه التصحيحات ضمن بياناته إلى الراصد عن طريق جهاز الاستقبال. ويعني هذا أن الأقمار الصناعية لا تقوم بإرسال الشفرات فقط، لكنها تضيف عليها رسالة تحتوي على معلومات دقيقة عن مداراتها والحالة العامة لأنظمتها. وتستخدم كل أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع هذه البيانات إلى جانب قوائم المعلومات الموجودة بداخلها عن الأقمار الصناعية لتحديد مواقعها بدقة.
5-التأثير الناجم عن الأيونوسفير والمجال الجوي
يتضح مما سبق أنه تم افتراض دقة كل أجزاء نظام تحديد المواقع، وتم تدعيم ذلك بوضع ساعات ذرية على متن الأقمار الصناعية وبرمجة الحواسب الآلية بأجهزة الاستقبال بحذف وإضافة قياسات زمنية للقضاء على الأخطاء التي تسببها الساعات الموجودة بداخلها. وتقوم الأقمار الصناعية بإرسال تصحيحات لمواقع مداراتها بصفة منتظمة كل دقيقة. لذا يبدو نظام تحديد المواقع كما لو كان نظاماً متكاملاً تماماً، لكن هناك مصدرين للخطأ يصعب التغلب عليهما.
تعد طبقة الأيونوسفير Ionosphere أعلى طبقات الغلاف الجوي المحيط بالكرة الأرضية، وتتسم بأنها مخلخلة الهواء، ويتركز بها الجزئيات الأيونية Ionized Particles والإلكترونات، وتبعد أطرافها السفلى عن سطح البحر بمسافة تتراوح بين 80 إلى 120 ميل، وتمثل هذه الطبقة السبب الرئيسي في معظم هذه الأخطاء، حيث تؤثر هذه الجزئيات الأيونية على سرعة الضوء وبالتالي على إشارات الراديو الخاصة بنظام تحديد المواقع. وذلك لأن سرعة الضوء تكون ثابتة فقط في الفضاء التام على ارتفاعات سحيقة من سطح الأرض، لكن إذا انتقلت في وسط أثقل مثل حزام الجزئيات الأيونية الذي يبلغ سمكه عدة أميال فإن السرعة تبطئ قليلاً، ويؤدي هذا البطء إلى وجود خطأ في قياس المسافة، والتي يُفترض فيها بثبات سرعة الضوء.
ونتذكر في هذا المجال مثال السيارة ـ الذي سبق ذكره ـ وهو أن سيارة تسير بسرعة 60 ميلاً في الساعة، فما هي المسافة التي تقطعها في ساعتين؟! ستكون الإجابة صعبة إذا قام قائد السيارة بالتوقف أو زيادة السرعة أو بطئها دون علم الراصد. فهذا ما يحدث للضوء بالفعل فهو يسرع أحياناً ويبطئ أحياناً أخرى حسب الوسط الذي ينتقل فيه.
وهناك طريقتان لتقليل الخطأ الناتج عن هذا التغير إلى أدنى حد، ففي الطريقة الأولى يمكن تقدير التغير في السرعة في أي يوم من أيام السنة تحت ظروف طبقات الغلاف الجوي العليا (الأيونوسفير)، ثم القيام بتطبيق معامل التصحيح على كل القياسات، وعلى الرغم من فاعلية هذه الطريقة إلاّ أنها تواجه صعوبة في انه لا يوجد يوم يمثل الوسط اليومي للسنة. وتُستخدم الطريقة الثانية لقياس سرعة الإشارات، ويتمثل ذلك في ملاحظة سرعة إشارتين مختلفتين، حيث أن الفكرة الأساسية لهذه الطريقة ـ دون الدخول في جدل فيزيائي ـ تتمثل في أن الضوء أثناء انتقاله خلال طبقة الأيونوسفير تقل سرعته بمعدل يتناسب عكسياً مع مربع تردده، بمعنى أنه كلما قلت ترددات الإشارة كلما قلت سرعتها.
وإذا تمت مقارنة زمن وصول جزئين مختلفين من إشارة نظام تحديد المواقع لها ترددات مختلفة، يؤدي ذلك إلى معرفة نوع البطء الذي تعرضتا له. وتصحيح هذا النوع من الخطأ يعد شديد التعقد ويتوافر فقط في بعض أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع المتقدمة تكنولوجيا والتي تستخدم ترددين. ويعرف هذا الحل بالحل الخالي من تأثير الأيونوسفير، وبواسطته يمكن تلافي الكثير من هذه الأخطاء.
وبعد أن تمر إشارات نظام تحديد المواقع من طبقة الأيونوسفير وتدخل الغلاف الجوي القريب من سطح الأرض (التربوسفير)، فإنها تتأثر في هذا الغلاف الأخير بواسطة بخار الماء
الذي تزيد نسبته في هذا القسم، وتتماثل نسبة الخطأ الناتج من تأثير بخار الماء مع نظيره في طبقة الأيونوسفير، وهذا النوع من الخطأ لا يمكن تصحيحه وذلك لصغره حيث لا يتعدى مسافة عرض شارع متوسط.
وإضافة إلى ما سبق ذكره من الأخطاء الناجمة عن تأثير طبقة الأيونوسفير وطبقة الغلاف الجوي السفلي (التربوسفير) والذي يمثل نوع واحد من الأخطاء التي تتسلل إلى القياسات وتتسبب في عدم دقتها، هناك أخطاء أخرى تتمثل في الأخطاء الناتجة عن التقريب في العمليات الحسابية التي تقوم بها أجهزة الاستقبال، كما أن للتداخلات الكهربائية تأثيرها على الشفرات العشوائية. وهذه الأخطاء سواء كانت صغيرة منها أو كبيرة يمكن اكتشافها خاصة الكبير منها، في حين يصعب اكتشاف الأخطاء الصغيرة حيث إنها لا تزيد عن عدة أقدام قليلة.
وهناك نوعاً آخر من الخطأ لا تقع تبعاته على الأقمار الصناعية أو أجهزة الاستقبال، وهو الخطأ المعروف باسم المسار المتعدد Multipath Error ، وهو يحدث عندما تتخذ الإشارات المرسلة من القمر الصناعي مساراً قوسياً بدلاً من أن تصل إلى سطح الأرض مباشرة. وتستخدم أجهزة الاستقبال الحديثة تقنيات متقدمة وهوائيات خاصة لتحليل الإشارات مما يؤدي إلى تقلص هذا الخطأ إلى أدنى حد له، لكن قد يوجد بعض الخطأ خاصة في الحالات شديدة الاختلاف.
وتتجمع كل مصادر الأخطاء سابقة الذكر لإضفاء بعض الشك على قياسات نظام تحديد المواقع، فبدلاً من تحديد شيئاً ما على بعد عشرة أقدام، فهو يُحدد على البعد نفسه لكن بإضافة أو حذف عُشر البوصة (0.1 بوصة). ولا يعطي مجموع هذه الأخطاء خطاً كبيراً من الناحية العملية، فإن نظام تحديد المواقع يمكن أن يحدد الموقع في حدود مائة قدم تقريباً، ويمكن أن يكون أقل من هذا باستخدام أجهزة استقبال ذات تقنيات عالية.
وللحصول على أقصى دقة ممكنة يتخذ جهاز استقبال نظام تحديد المواقع مبدءاً مهماً من نظريات علم الهندسة يعرف بالتخفيف الهندسي للدقة Geometric Dilution of Precision ويشير هذا المبدأ إلى أن القياسات دقيقة أو غير دقيقة حسب القمر الصناعي المُستخدم، ولا يعني هذا ان هناك قمر صناعي أفضل من آخر، لكنه يعني موقع القمر وزاويته بين أقرانه في الفضاء، إذ أن بعض الزوايا تجسم وتكبر الخطأ وبعضها الآخر يقضي عليه. وعموماً يمكن القول بأنه كلما كبرت الزوايا بين الأقمار الصناعية وبعضها البعض كلما كانت القياسات أكثر دقة.
وتحتوي أجهزة الحواسب الآلية الموجودة في أجهزة الاستقبال ذات التقنيات الحديثة على برامج لتحليل مواقع الأقمار الصناعية المتاحة، وتقوم باختيار أفضلها موقعاً، وبالتالي تكون قياساتها خالية تقريباً من الأخطاء.
ويمكن إلغاء دقة نظام تحديد المواقع بالقصد من قبل وزارة الدفاع الأمريكية، ويتم ذلك باستخدام نُظم تشغيل تعرف باسم الاختيار المتاح Selective Availability ويُرمز له (S/A) ، وهذا النظام مُصمم بحيث تكون نتائج القياسات خاطئة وبالتالي تحرم القوات المعادية من الميزة التكتيكية لاستخدام تحديد الموقع بواسطة نظام GPS ، وفي حالة تطبيق هذا النظام تكون نتائج القياسات خاطئة بنسبة كبيرة.
ويتضح مما سبق أن دقة تحديد المواقع باستخدام نظامGPS تتوقف على عدة عوامل من أهمها:
أ. دقة الرصد.
ب. الشكل الهندسي لمواقع الأقمار الصناعية وجهاز الاستقبال.
ج. الظروف الجوية.
د. دقة التوقيت الفلكي للقمر الصناعي.
هـ. طول الفترة الزمنية للرصد.
ثالثاً: تطبيقات نظام تحديد المواقع
نظراً للتقدم التكنولوجي والتقني وخاصة في تطوير أجهزة جمع المعلومات على مستوى العالم، فإن نظام تحديد المواقع قد تغلغل في مختلف أوجه الحياة، وتوسعت تطبيقاته لتشمل عدة مجالات من أهمها:
1. حرس السواحل The Coast Guard
يعد حرس سواحل الولايات المتحدة الأمريكية الرواد الأوائل في استخدام أجهزة تحديد المواقع، إذ توفر هذه الأجهزة كل المساعدات المطلوبة للملاحة، وتقوم كل من وزارتي النقل والدفاع الأمريكية بعمل تقرير مشترك كل عامين عن الخطة القومية للملاحة. وقد أفادت الخطة الفيدرالية للملاحة اللاسلكية عام 1991م بأن نسبة الدقة المتاحة في الموانئ وبالقرب منها تراوح بين 8 إلى 20 م.
وفي عام 1996م انتهى حرس السواحل من عمل نظام كامل من محطات نُظم تحديد المواقع لخدمة كل سواحل الولايات المتحدة الأمريكية وجزرها الكبرى وطرقها الملاحية، ومن أهمها، محطات مونتوك بوينتMontauk Point ، ونيويورك Newyork، وهوايت فيش بوينت White Fish Point، وميتشجان، وجالفستون Galveston، وكوربس كريستي Corpas Christy، وتكساس، وهنري بورت Port Henry، وفرجينيا، وبورتسموث Portsmouth، ونيو هامبشير New Hampshire، وكيب هنلوبن Cape Henlopen، وديلاوار Delaware.
وقد قام الاتحاد الدولي لهيئات الفنارات[1] IALA) (بعمل اتفاقية الهدف منها تعميم استخدام نظام تحديد المواقع، وإرسال إشاراته من أجهزة الإرسال اللاسلكية البحرية، وقامت العديد من الدول بتطبيق هذا النظام مثل الولايات المتحدة الأمريكية، والسويد، وفنلندا، والنرويج، وهولندا، إضافة إلى العديد من الدول التي تقدمت لتطبيق هذا النظام، ويعني هذا أنه في القريب العاجل ستكون خدمة تصحيح المواقع متاحة في معظم أنحاء العالم.
2. الملاحة الجوية Aviation
دخل نظام تحديد المواقع إلى دائرة النور بعد التجارب التي أجرتها وكالة ناسا (NASA) ، إذ اُستخدمت نظام تحديد المواقع في إرشاد الطائرات المروحية وطائرات الركاب بدلاً من حزم التتبع التي تستخدمها أجهزة الهبوط (ILA) [2]، فقد ساعد نظام تحديد المواقع على وضع مقدمة الطائرة في منتصف ممر الهبوط. وبذلك سوف تزود به الطائرات لرخص سعره بالمقارنة بأجهزة الهبوط في حالة انعدام الرؤية.
وقد أعلنت هيئة الطيران الفيدرالية (FAA) أن نظام تحديد المواقع سيمثل المستوى الملاحي المطلوب عالمياً، إذ أن استخدامه سوف يوفر كميات من الوقود المستهلكة من جهة، وسوف يكون هناك استغلالاً أفضل للطرق الملاحية الجوية من جهة أخرى، إضافة إلى أن هذا النظام سيتيح لمراقبي الطيران في المطارات إرشاد الطائرات ومركبات الخدمة التي تتحرك وتتجول في طرق وممرات المطارات بصورة دقيقة.
3- إدارة الموارد الطبيعية Natural Resource Management
يعد القائمون على إدارة الغابات في الولايات المتحدة الأمريكية من الرواد الأوائل في هذا المجال في استخدام نظام تحديد المواقع، إذ قاموا بمسح الغابات بواسطة طائرات مروحية مزودة بأجهزة نظام تحديد المواقع، وتم رسم خرائط تفصيلة دقيقة لها في فترة وجيزة.
وتمثل حماية الغابات من الحرائق دليلاً على دقة نظام تحديد المواقع، إذ أن استخدامه في الطائرات المروحية يُمكنها من الوصول مباشرة إلى مناطق الحرائق، ورسم خريطة توضح حجم النيران والمساحات التي أضيرت بها، وبالتالي تساعد هذه المعلومات في سرعة الوصول إلى المكان الصحيح من جهة، وسرعة القضاء على الحرائق من جهة أخرى.
ويمكن بواسطة استخدام نظام تحديد المواقع رسم خرائط للمناجم والأراضي الزراعية ومناطق صيد الأسماك بدقة عالية عن ذي قبل، إذ أنها تتيح لمستخدميها الحصول على جميع بيانات المواقع بدقة عالية.
4-الاستكشافات البحرية Offshore Exploration
تنفق شركات البترول مبالغ خيالية لاستكشاف قاع البحار والمحيطات، وذلك للبحث عن أماكن مبشرة للحفر. وتتمثل المشكلة في أنه إذا عثرت إحدى سفن الاستكشاف على مكان يُحتمل فيه الحفر، فإنها تحتاج إلى تحديد هذا المكان بدقة عند العودة وإحضار منصة الحفر. وهي عملية ليست سهلة في خضم البحار والمحيطات شاسعة المساحة، إذ لا يوجد أية علامات مميزة لاستخدامها كمرجع للعمل، ومن ثم فإن الابتعاد ببضعة أمتار عن المكان المحدد قد يعني إنفاق الملايين في عمليات الحفر دون فائدة، لذا تعد شركات البترول من أكثر القطاعات الاقتصادية استخداماً للأجهزة نظام تحديد المواقع، فهي توفر مبالغ كبيرة من الأموال ليس فقط في تحديد مواقع الحفر، لكنها تستخدم في عمل المساحات الجيولوجية والدراسات الجوفية السابقة لعملية الحفر، فضلاً عن استخدام النظام في الملاحة البحرية ووضع السفينة في اتجاهها ومسارها الصحيح.
وتستخدم أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع أيضاً في رسم خرائط لأعماق الموانئ، كما تساعد دقتها في التأكد من أن القنوات المعينة للملاحة تتطابق مع الخرائط البحرية المنشورة، إضافة إلى أنها تساعد سلطات الموانئ في مراقبة معدلات الإرساب أو النحت.
5- النقل Transportation
يمثل نظام تحديد المواقع الوسيلة الفنية الكاملة للزمن الحالي التي تتطلب سرعة الوصول للتسليم في الميعاد، فبواسطة هذا النظام يمكن للمتعهدين معرفة أماكن كل مركبة في أسطول النقل سواء عبر القطر أو عبر المدينة، وبذلك يمكن أن يحصلوا على أفضل ترتيب وأحسن تنسيق للعمل، فشركات النقل وأساطيل الخدمات ترغب في معرفة أماكن مركباتها بدقة وتحديد عناوين الطرق التي تتحرك فيها، كما أن دقة أجهزة نظام تحديد المواقع تسمح بالتحكم لتسير المركبات في طرق بعينها دون غيرها لتفادي الازدحام من جهة، وسرعة الوصول من جهة أخرى.
6- الزراعة Agriculture
يفتح نظام تحديد المواقع آفاق جديدة في عمليات الفلاحة الدقيقة، إذ يمكن للمخططين الزراعيين تحليل حالة التربة للأراضي الزراعية، وعمل خرائط ـ خرائط رقمية تُخزن في الحاسب الآلي لنظام تحديد المواقع ـ حسب احتياجات هذه الأراضي للتسميد، وبالتالي عند توزيع الأسمدة في الحقول، يمكن تحديد الأراضي المحتاجة للتسميد وكميته، ومن ثم يستفاد المزارع من زيادة الإنتاج، وتستفاد البيئة من انخفاض استخدام الكيماويات. ويستخدم نظامGPS أيضاً في تحديد مسارات طائرات رش المبيدات الحشرية.
7- سفن الشحن
ألزمت تعليمات مجلس الشيوخ عام 1990 والخاصة بالتلوث بواسطة النفط، جميع ناقلات النفط بالتزود بنظام تحديد المواقع لرفع درجة الأمان، إذ توفر هذه الأجهزة الدقة اللازمة لإرشاد السفن عند مداخل الموانئ الصعبة والممرات المزدحمة. إذ يمكن من خلال استخدام هذه الأجهزة مراقبة أسطول كامل من الناقلات من محطة مركزية.
ويحافظ نظام تحديد المواقع على البيئة البحرية من خلال تحديد أماكن التخلص من النفايات في البحار والمحيطات من جهة، وتحديد مواقع صيد الأسماك القانونية من جهة أخرى.
8- المنافع Utilities
تقوم شركات الخدمات والمنافع بجمع المعلومات والبيانات عن أعمال الصيانة معتمدة في ذلك على أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع GPS ، فعندما تكون هناك مشكلة في أعمال الصيانة، فيمكن للفني المختص الوصول مباشرة إلى مكان العطل حتى لو كان تحت مستوى الطريق أو مغطى بغطاء أرضي، وبالتالي يتيح نظام GPS لهذه الشركات أداء أفضل في عملياتها.
9- الوقاية العامة Public Safety
يمثل رد الفعل بالنسبة لإدارة الشرطة والمطافئ، فبواسطة نظام تحديد المواقع يمكن توجيه المركبات بدقة عالية لضمان وصول المساعدات اللازمة في المكان المناسب في أسرع وقت. وتتضح أهمية نظام GPS بصفة خاصة في الكوارث الخطيرة مثل الحرائق الكبيرة المدمرة، وغالباً ما يعتمد رجال الإطفاء على العناوين والعلامات الأرضية لبيان موقعهم، ولكن تلك العلاقات قد يتم تدميرها أو محيها أو يغطيها الدخان في الحالات الشديدة، وبالتالي يكون نظامGPS هو الحل الأمثل لأنه يحدد موقعهم بدقة، ويمكنهم من سهولة الوصول إلى الأماكن المنكوبة وإنقاذ الكثير من الأرواح.
الجمعة نوفمبر 10, 2017 9:06 am من طرف 
