نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هو تقنية ملاحة تخبر ، باستخدام الأقمار الصناعية ، المعلومات الدقيقة حول الموقع. يتكون نظام GPS بشكل أساسي من مجموعة من الأقمار الصناعية وأدوات متطورة مثل جهاز الاستقبال. ومع ذلك ، يجب أن يشتمل النظام على أربعة أقمار صناعية على الأقل. تم تجهيز كل قمر صناعي وجهاز استقبال بساعة ذرية مستقرة. تتم مزامنة ساعات القمر الصناعي مع بعضها البعض والساعات الأرضية. يحتوي جهاز استقبال GPS أيضًا على ساعة ولكنها غير متزامنة وغير مستقرة (أقل استقرارًا). يجب تصحيح أي انحراف للوقت الفعلي للأقمار الصناعية عن الساعة الأرضية يوميًا. يلزم حساب أربع كميات غير معروفة (ثلاثة إحداثيات وانحراف الساعة عن وقت القمر الصناعي) من الشبكة المتزامنة للأقمار الصناعية وجهاز الاستقبال.يتمثل عمل مستقبل GPS في استقبال إشارات من شبكة الأقمار الصناعية لحساب ثلاث معادلات أساسية غير معروفة للوقت والموقع.
تتضمن إشارة GPS رموز عشوائية زائفة ووقت الإرسال وموقع القمر الصناعي في ذلك الوقت. تسمى الإشارة التي تبثها GPS أيضًا تردد الموجة الحاملة مع التعديل. علاوة على ذلك ، فإن الشفرة العشوائية الزائفة هي سلسلة من الأصفار والآحاد. عمليًا ، يتم حساب موضع المستقبِل وإزاحة ساعة المستقبِل بالنسبة إلى وقت نظام المستقبِل في آنٍ واحد ، باستخدام معادلات الملاحة لمعالجة وقت الرحلة (TOFs). TOF هي القيم الأربع التي يشكلها المستقبل باستخدام وقت وصول الإشارة ووقت إرسالها. عادةً ما يتم تحويل الموقع إلى خطوط الطول والعرض والارتفاع بالنسبة إلى المناطق الجغرافية (بشكل أساسي ، متوسط مستوى سطح البحر). ثم يتم عرض الإحداثيات على الشاشة.
عناصر GPS
هيكل GPS معقد. وهو يتألف من ثلاثة أجزاء رئيسية لمقطع فضائي وجزء تحكم وقطاع مستخدم. إن إطلاق القمر الصناعي في مدار أرضي متوسط هو عمل شاق. يتألف الجزء الفضائي من 24 إلى 32 قمراً صناعياً أو مركبة فضائية في نفس المدار ، 8 كل منها في ثلاثة مدارات دائرية. توجد ستة أقمار صناعية على الأقل دائمًا على خط البصر من كل مكان تقريبًا على سطح الأرض.
بجانب جزء الفضاء هو جزء التحكم. يوجد في جزء التحكم محطة تحكم رئيسية ومحطة تحكم رئيسية بديلة وهوائيات أرضية ومحطة مراقبة. يتألف قطاع المستخدمين من آلاف خدمات تحديد المواقع المدنية والتجارية والعسكرية. يتكون جهاز استقبال أو جهاز GPS من هوائي مضبوط على التردد الذي ترسله الأقمار الصناعية. كما يتضمن شاشة عرض لتوفير الموقع والوقت.
يُصنف جهاز استقبال GPS على عدد الأقمار الصناعية التي يمكنه مراقبتها في وقت واحد ، أي عدد القنوات. تحتوي أجهزة الاستقبال بشكل عام على أربع إلى خمس قنوات ، لكن التطورات الأخيرة أظهرت أنه تم أيضًا إجراء ما يصل إلى 20 قناة.
تردد القمر الصناعي: جميع ترددات البث الفضائي. يتألف نطاق التردد من خمسة أنواع مثل L1 و L2 و L3 و L4 و L5. هذه النطاقات لها نطاقات تردد بين 1176 ميجاهرتز إلى 1600 ميجاهرتز.
كيف يعمل GPS
تدور أقمار GPS الصناعية حول الأرض مرتين في اليوم. إنه يدور في مسار دقيق للغاية ويرسل إشارات ومعلومات إلى الأرض. تحصل أجهزة استقبال GPS على جميع المعلومات وتطبق التثليث لاكتشاف الموقع الدقيق للمستخدم. بشكل أساسي ، يتناقض مستقبل GPS مع المدة التي تنتشر فيها الإشارة بواسطة القمر الصناعي ويخصص وقت استلامها. يحدد فارق التوقيت مدى بعد جهاز الاستقبال عن الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). إنه يقيس المسافة الدقيقة مع عدد قليل من الأقمار الصناعية ويحدد جهاز الاستقبال موقع المستخدم ويعرضه على خريطة الجهاز الإلكتروني.
يجب أن يكون جهاز الاستقبال مقفلًا للإشارة بثلاثة أقمار صناعية على الأقل لإنتاج موضع ثنائي الأبعاد وكذلك يتتبع حركة المستخدم. باستخدام أربعة أقمار صناعية أو أكثر ، يمكن لجهاز الاستقبال تحديد الموقع ثلاثي الأبعاد للمستخدم والذي يتكون من الارتفاع وخط العرض وخط الطول. بعد تحديد موضع المستخدم ، تحسب وحدة GPS معلومات أخرى مثل السرعة والاتجاه والمسار والمسافة والوجهة وشروق الشمس ووقت الغروب.
ما مدى دقة GPS؟
أجهزة استقبال GPS دقيقة للغاية بسبب التصميم المتوازي متعدد القنوات. القنوات المتوازية سريعة ودقيقة للغاية على الرغم من أن بعض العوامل مثل الضوضاء والاضطرابات في الغلاف الجوي يمكن أن تزعج وتؤثر على دقة أجهزة استقبال GPS بشكل عام في بعض الأحيان.
يمكن للمستخدمين أيضًا الحصول على دقة محسّنة باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التفاضلي (DGPS) ، الذي يصحح إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ليحاط بها بثلاثة إلى خمسة أمتار. يقوم خفر السواحل الأمريكي بتشغيل خدمة تصحيح DGPS الأكثر شيوعًا. يحتوي النظام على ترتيب الأبراج التي تحصل على إشارات GPS وتبث إشارة محددة بواسطة أجهزة إرسال المنارة. بهدف الحصول على الإشارة الدقيقة ، يجب أن يكون لدى المستخدمين مستقبل منارة تفاضلية وهوائي منارة بصرف النظر عن وجود نظام GPS.
مصادر أخطاء إشارة GPS
العوامل التي يمكن أن تفسد دقة إشارات GPS وبالتالي تؤثر على الدقة تتضمن ما يلي:
- تأخيرات الأيونوسفير والتروبوسفير - تتباطأ إشارة الأقمار الصناعية لأنها تعبر طبقات الغلاف الجوي. يستخدم نظام GPS نموذجًا مدمجًا يتم استخدامه لحساب المدة العادية للعائق المطلوب لتصحيح هذا النوع من عدم الدقة.
- تعدد مسارات الإشارة - يحدث هذا الخطأ عندما تنعكس الإشارة من كائنات مثل المباني الشاهقة والصخور الأكبر قبل أن تصل إلى جهاز الاستقبال. يؤدي هذا إلى زيادة المدة الزمنية الإجمالية لسفر الإشارة ويسبب أخطاء وعدم دقة.
- الأخطاء المدارية - تُعرف هذه الأخطاء أيضًا باسم أخطاء التقويم الفلكي والتي تُستخدم لحساب عدم الدقة في موقع القمر الصناعي.
- عدد الأقمار الصناعية المرئية - تعتمد الدقة على العدد الدقيق للأقمار الصناعية التي يمكن لجهاز استقبال GPS رؤيتها. عوامل مثل المباني والتضاريس والتداخل الإلكتروني تحجب دقة الإشارة والاستقبال مما يتسبب في حدوث خطأ في الموقع وأحيانًا عدم قراءة الإشارات. عادة لا يعمل في الداخل أو تحت الماء أو تحت الأرض.
التطبيقات
آلة GPS معروفة على نطاق واسع لاستخدامها في الخدمات المدنية والتجارية ليس فقط للاستخدام العسكري. بعض التطبيقات المدنية هي:
1. علم الفلك: يستخدم في حسابات الفلك والميكانيكا السماوية.
2. المركبات الآلية: تستخدم أيضًا في المركبات الآلية (المركبات ذاتية القيادة) لتطبيق مواقع السيارات والشاحنات.
3. الاتصالات الهاتفية الخلوية: تأتي الهواتف المحمولة الحديثة مزودة ببرنامج تتبع GPS. إنه موجود لأنه يمكن للمرء معرفة موقع المرء ويمكنه أيضًا تتبع المرافق القريبة مثل أجهزة الصراف الآلي والمقاهي والقيود وما إلى ذلك. تم إطلاق أول نظام GPS مزود بهاتف محمول في التسعينيات. في الهاتف الخلوي ، يتم استخدامه أيضًا في الكشف عن مكالمات الطوارئ والعديد من التطبيقات الأخرى.
4. الإغاثة في حالات الكوارث وخدمات الطوارئ الأخرى: في حالة وقوع أي كارثة طبيعية ، فإن GPS هو أفضل أداة لتحديد الموقع. حتى قبل وقوع الكوارث مثل الأعاصير ، يساعد GPS في حساب الوقت المقدر.
5. تتبع الأسطول: يعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أداة مطورة معروفة بإمكانية تتبع السفن العسكرية خلال وقت الحرب.
6. موقع السيارة: تجعل السيارة المزودة بنظام GPS من السهل تتبع موقعها.
7. سياج جغرافي : في السياج الجغرافي ، نستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتتبع إنسان أو حيوان أو سيارة. الجهاز متصل بالمركبة أو الشخص أو على طوق الحيوان. يوفر التتبع والتحديث المستمر.
8. وضع العلامات الجغرافية: أحد التطبيقات الرئيسية هو تحديد الموقع الجغرافي بمعنى تطبيق الإحداثيات المحلية على العناصر الرقمية.
9. GPS للتعدين: يستخدم دقة تحديد المواقع على مستوى السنتيمتر.
10. جولات GPS: تساعد في تحديد موقع نقاط الاهتمام القريبة.
11. المسح: يستخدم المساحون نظام تحديد المواقع العالمي لرسم الخرائط.