الاستشعار المحمول: موقع GPS

نظام تحديد المواقع العالمي (جي بي إس)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

الاستخدام المدني لنظام تحديد المواقع العالمي

في المجال المدني، لأسباب أمنية، يُسمح فقط بمجموعة فرعية متدهورة من إشارات نظام تحديد المواقع العالمي. ومع ذلك، وجدت المجتمع المدني بدائل للحصول على دقة موقع ممتازة من خلال تقنيات التفاضل. وقد أدت هذه التقنيات إلى نمو هائل في التطبيقات المدنية، ويوجد حاليًا أكثر من ٧٠ مصنعًا لأجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي.

مبادئ التشغيل

الغرض من نظام تحديد المواقع العالمي هو حساب موقع أي نقطة في فضاء الإحداثيات (x,y,z)، بدءًا من حساب المسافات من النقطة إلى ثلاثة أقمار صناعية على الأقل تُعرف مواقعها. يتم قياس المسافة بين المستخدم (مستقبل نظام تحديد المواقع العالمي) والقمر الصناعي بضرب وقت رحلة الإشارة المنبعثة من القمر الصناعي في سرعة انتشارها.

To figure out how long the radio signal took to travel, the satellites and receivers’ clocks must be set to the same time. This is because they both have to send out the same code at the same time. But while the clocks on the satellites are very accurate, the clocks on the receivers are cheap quartz oscillators that are not accurate. Distances with errors due to synchronism are called pseudoranges. The difference in the clocks of the receivers is another unknown that makes it necessary to use at least four satellites to figure out where the receivers are.

حساب المسافات الزائفة

عند حساب المسافات الزائفة، يؤخذ في الاعتبار أن إشارات نظام تحديد المواقع العالمي ضعيفة ومغمورة في الضوضاء الخلفية المتأصلة في الكوكب في نطاق الراديو. تتكون هذه الضوضاء الطبيعية من نبضات عشوائية، مما يؤدي إلى توليد رمز زائف عشوائي صناعي بواسطة أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي كنمط للتقلبات. في كل لحظة، يقوم قمر صناعي بإرسال إشارة بنفس النمط مثل السلسلة الزائفة العشوائية التي يولدها المستقبل. بناءً على هذا التزامن، يحسب المستقبل المسافة عن طريق تحريك رمزه الزائف العشوائي في الوقت حتى يتطابق مع الرمز المستلم؛ يتوافق هذا الإزاحة مع وقت رحلة الإشارة. يتم تنفيذ هذه العملية تلقائيًا وباستمرار وفوريًا في كل مستقبل.

المحطات الأرضية والساعات الذرية

على الرغم من أن سرعة الأقمار الصناعية عالية (٤ كم/ث)، يمكن تقدير موقعها اللحظي بخطأ أقل من عدة أمتار بناءً على توقع المواقع السابقة في فترة من ٢٤ إلى ٤٨ ساعة. تراجع المحطات الأرضية بشكل دوري الساعات الذرية للأقمار الصناعية، اثنان من السيزيوم واثنان من الروبيديوم، وترسل الجداول الفلكية وتصحيحات الساعات، حيث أن دقة الساعات واستقرار مسار الأقمار الصناعية هما مفتاحان في تشغيل نظام تحديد المواقع العالمي.

مصادر الخطأ في نظام تحديد المواقع العالمي

هناك عدة مصادر للخطأ يمكن أن تؤثر على قياسات نظام تحديد المواقع العالمي. بعض المصادر الرئيسية هي:

• اضطراب الأيونوسفير: يتكون الأيونوسفير من طبقة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا التي يمكن أن تؤثر على سرعة الإشارات الراديوية المارة من خلالها.

• الظواهر الجوية: Water vapor in the troposphere, the layer closest to the Earth’s surface, can slow down electromagnetic signals and cause errors in GPS measurements that are difficult to correct.

• عدم دقة الساعات: حتى مع الضبط والتحكم الدقيق، يمكن أن تظهر الساعات الذرية للأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي وساعات المستقبل انحرافات طفيفة.

• تداخل كهربائي غير متوقع: يمكن أن يسبب التداخل الكهربائي أخطاء في توافق الرموز الزائفة العشوائية أو في حساب المدار، مما يؤدي إلى عدم تطابق يصل إلى متر واحد.

• خطأ المسار المتعدد: GPS signals can be reflected off surfaces before reaching the receiver, leading to errors in the measured distance. It’s challenging to minimize this error as it depends on the GPS antenna’s environment.

• التوفر الانتقائي (S/A): يقوم الجيش بإدخال هذا المصدر من الخطأ عمدًا، مما يجعله الأكبر.

• طوبولوجيا المستقبل-القمر الصناعي: يمكن أن يؤثر الترتيب المكاني للأقمار الصناعية المرئية المستخدمة في حساب المسافات على دقة قياسات نظام تحديد المواقع العالمي. يمكن للمستقبلات المتقدمة تعديل خطأ قياس المسافة.

These sources of error can be categorized into those that depend on the satellites’ geometry and those that don’t. Selective availability and clock errors are not affected by the shape of the satellite, but ionospheric and tropospheric delays and multipath errors are very affected by the shape of the satellite. Each GPS position measurement has a value called “عدم اليقين” that is based on all the different sources of error.

تطبيقات نظام تحديد المواقع العالمي

لتطبيقات نظام تحديد المواقع العالمي مجالات استخدام متعددة، بما في ذلك أنظمة مساعدة الملاحة، ونمذجة الفضاء الجوي والأرضي، وقياس الوقت بدقة عالية. إليك بعض الأمثلة على أنظمة نظام تحديد المواقع العالمي المستخدمة في المجالات المدنية:

• دراسة الظواهر الجوية: تكون إشارات نظام تحديد المواقع العالمي مفيدة في تطوير نماذج التنبؤ بالطقس من خلال تحليل التغيرات في السرعة الناجمة عن بخار الماء في التروبوسفير.

• الموقع والملاحة في المناطق الوعرة: يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي في البعثات البحثية في المناطق التي يصعب الوصول إليها أو المناطق التي لا تحتوي على معالم. يساعد هذا في تعميق المعرفة بالمناطق القطبية أو الصحراوية.

• النماذج الجيولوجية والطبوغرافية: يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي من قبل الجيولوجيين لدراسة حركة الصفائح التكتونية وللتنبؤ بالزلازل. كما أنه أداة أساسية في الطبوغرافيا للمسح الأرضي والجرد الغابي والزراعي.

• الهندسة المدنية: يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي لمراقبة التشوهات في الوقت الحقيقي للهياكل الكبيرة التي تتعرض للأحمال، مثل الهياكل المعدنية أو الخرسانية.

• أنظمة الإنذار التلقائي: يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي في أنظمة الإنذار المتصلة بأجهزة استشعار تراقب نقل البضائع الملوثة وعالية الخطورة والقابلة للتلف. يسمح الإنذار بتقديم المساعدة السريعة للمركبة.

• تزامن الإشارات: تستخدم صناعة الكهرباء نظام تحديد المواقع العالمي لمزامنة الساعات في محطات المراقبة لتحديد مواقع الأعطال المحتملة في الخدمة الكهربائية.

• توجيه لذوي الإعاقة الجسدية: يتم تطوير أنظمة نظام تحديد المواقع العالمي لمساعدة المكفوفين في التنقل عبر المدينة. يتم أيضًا دراستها للاستخدام في السياحة لتحسين المسارات بين الأماكن المختلفة على الطريق.

• الملاحة والتحكم في أساطيل المركبات: يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي لتخطيط المسارات والتحكم في أساطيل المركبات من قبل منظمات مثل الشرطة، وخدمات الطوارئ، ومحطات التاكسي، وخدمات البريد، وشركات التوصيل.

• أنظمة الطيران المدني: يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي في الطيران المدني للمساعدة في عمليات الملاحة والهبوط. أدت أهميته إلى تطوير أنظمة تهدف إلى تحسين دقة نظام تحديد المواقع العالمي.

• الملاحة غير المساعدة للمركبات: يتم دمج نظام تحديد المواقع العالمي في أنظمة DGPS للمناورة الدقيقة في مناطق المرور الكثيف، في المركبات الأرضية الذاتية، والمراقبة في البيئات العدائية، ونقل البضائع.

مع الدقة العالية لقياسات نظام تحديد المواقع العالمي، تم تحقيق تقدم مهم في الفضاء في المدارات المنخفضة. يمكن الآن للروبوتات القيام بالأعمال الخطرة بمفردها، مثل فحص وإصلاح وتجميع الأقمار الصناعية الاصطناعية.

مستقبل نظام تحديد المواقع العالمي

في عام ١٩٩٦، حددت اللوائح التي تحكم أنظمة نظام تحديد المواقع العالمي أنه سيتم إلغاء التوفر الانتقائي في عام ٢٠٠٦ وسيتم دمج تردد إضافي للاستخدام المدني. هذا يعني أنه في غضون بضع سنوات،, ستقوم أقمار نظام تحديد المواقع العالمي بإرسال رمز مدني على كل من الترددات L2 وL1. سيؤدي ذلك إلى إنشاء تكرار سيمكن من تقدير أخطاء الأيونوسفير وتقديم دقة مطلقة مشابهة لما يمكن تحقيقه بتقنيات التفاضل. ستبقى الإشارة على تردد L1 كما هي، لذا ستظل المستقبلات الحالية قادرة على العمل.

سيتم تحسين الجزء الخاص بالتحكم مع بدء تشغيل نظام تحكم جديد، حاليًا في مرحلة التصميم، لمحطة الخبراء. سيتضمن ذلك ما يصل إلى عشرين محطة مراقبة، مما يؤدي إلى تحكم أكثر دقة في الجداول الفلكية وساعات الأقمار الصناعية.

ومع ذلك، فإن أنظمة الملاحة الحالية لنظام تحديد المواقع العالمي، وGLONASS، وGPS/GLONASS غير قادرة على تلبية معايير السلامة الصارمة المطلوبة من قبل بعض التطبيقات المدنية، مثل الملاحة الجوية. يمكن أن يستغرق إشعار الأخطاء للمستخدم بشأن تشغيل النظام من ثانية واحدة، عندما يحدث الخطأ في القمر الصناعي، إلى عدة ساعات، في الحالات التي يكتشف فيها الجزء الخاص بالتحكم الفشل.

لحل هذه العيوب، تقوم أوروبا بتطوير إيجنوس (خدمة تعزيز الملاحة الجغرافية الأوروبية)، والتي ستكون تشغيلية في عام ٢٠٠٣. سيلبي هذا النظام معايير السلامة للملاحة الجوية من خلال تركيب شبكة من ٣٤ هوائي استقبال ثابت (RIMS) على الأرض لاستقبال إشارات نظام تحديد المواقع العالمي وتقليل أخطاء التمركز. سيتم إرسال هذه الإشارات إلى مركز تحكم حيث سيتم معايرة معلومات القمر الصناعي، وقياس الخطأ المحتمل لتصحيحه، وإرسالها مرة أخرى إلى ١٠ محطات أرضية. بالإضافة إلى ذلك، سيتم إرسال هذه الإشارات إلى قمرين صناعيين جديدين ثابتين بالنسبة للأرض INMARSAT على ارتفاع ٣٥٠٠٠ كم، واللذين سيعملان كمكررات ويرسلان الإشارات إلى المستخدمين. كل من الولايات المتحدة (WAAS: نظام تعزيز المنطقة الواسعة) واليابان (إم تي إس إيه إس: نظام تعزيز الأقمار الصناعية MTSAT) يعملان على خدمات مماثلة.

ستطلق أوروبا أيضًا GNSS-1, which stands for “Global Navigation Satellite System 1.” This system will combine the services of GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS, and MTSAS. This will be the first step toward a European positioning system (GNSS-2 or Galileo) that will use a constellation of European satellites.

وأخيرًا، يجب ملاحظة أنه في السنوات الخمس المقبلة، سيكون نظام تحديد المواقع العالمي وGPS/GLONASS هما النظامان الوحيدين لتحديد المواقع المستندة إلى الأقمار الصناعية التي ستكون تشغيلية.

ختاماً

يتطلب الوصول إلى مستويات عالية من الدقة وعيًا بأصول خطأ قياس نظام تحديد المواقع العالمي. تُعد مجموعة أدوات نظام تحديد المواقع العالمي NOAA أداة أساسية للباحثين والمهندسين العاملين مع تقنية نظام تحديد المواقع العالمي لأنها تقدم برامج وموارد مفيدة للمساعدة في تقليل هذه الأخطاء.