لابد وانك تعرف نظام الـ GPS واستخدمتهة ذات مرة علي هاتفك الذكي او في سيارتك او بأي طريقة اخري وتعلم اهميته و كيف انك تستطيع من خلاله معرفة مكانك بالاحداثيات الدقيقة حسب خطوط الطول ودوائر العرض بالاضافة الي اتجاة السير الذي تتخذه واسرع الطرق كما تستطيع معرفة مستوي ارتفاعك عن سطح البحر وغيرها من الاشياء كل ذلك يمكنك فعله من خلال هاتفك الذكي الذي يحتوي علي هذه الخاصية اوفي سيارتك اوحتي بامتلاكك جهاز GPS خاص بالتقنية في حد ذاتها مهما كانت الوسيلة التي تستخدم بها الـ GPS هل فكرت كيف يعمل هذا الـ GPS وكيف يتم تحديد موقعك بدقة ؟! انا فكرت !! وأحببت مشاركتك ما توصلت اليه فركز معي ..
ما هو الـ GPS ؟
يجب علينا اولا ان نلقي الضوء عن ماهية الGPS بالضبط قبل ان نفهم كيفية عمله لن ابتعد كثيرا عن موضوعنا الرئيسي و لن ادخل في تفاصيل كثيرة و لكن لابد من نظرة سريعة و القاء الضوء علي بعض المعلومات هنا و منها ان ال GPS ماهو الا اختصار لـ Global Positioning System او نظام تحديد الموقع العالمي و قد تجده ايضا تحت اختصار NAVSTAR-GPS و هو اختصار لـ Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System و هذه الاضافة اشارة الي دور الاقمار الصناعية في هذا النظام . ظهر هذا النظام عسكريا و نتيجة للحاجة اليه في الميادين المدنية لتحديد مواقع حوادث الطيران و توجيه الطائرات و غيرها من الوسائل خاصة ايام الحرب الباردة عندما اخطأت طائرة كورية الطريق و اصطدمت بطائرة سوفيتية داخل منطقة جوية محظورة سوفيتية و كانت هذه الطائرة تحمل عدد 269 شخص من 16 جنسية مختلفة و من ذلك الوقت تم استخدام ال GPS في الاغراض المدنية لعدم حدوث اي اخطاء ملاحية شبيهة.
مما يتكون نظام الـ GPS؟
الاقمار الصناعية التي تدور حول الارض و عددها تقريبا من 24 الي 32 قمر صناعي يتم استخدام 24 قمر منهم فقط و الباقي احتياطي و كل قمر من هذه الاقمار يدور حول الارض مرتين كل 24 ساعة في 8 مستويات كل مستوي يحتوي علي 3 اقمار باجمالي 24 قمر صناعي بالاضافة الي الاقمار الاحتياطية و تصل سرعة هذه الاقمار اثناء الدوران الي 11300 كيلو متر في الساعة وتدور هذه الاقمار علي ارتفاع حوالي 20372 كم تقريبا و يتم تغيير هذه الاقمار كل 10 سنين في الغالب.
محطات التحكم الارضية و عملها التحكم و مراقبة تلك الاقمار بشكل مستمر و تزويدها بالبيانات والمعلومات الهامة لكي يتم حساب الاحداثيات بشكل دقيق و توجد محطة التحكم الرئيسية للنظام في ولاية كولورادو Colorado الامريكية و تتبعها 5 محطات اخري حول العالم بالاضافة الي محطات رصد.
المستخدم و هو عبارة عن اجهزة استقبال الـ GPS تحتوي علي دوائر الكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسسر Microorocessor و تختلف بالطبع دقتها من جهاز لأخر و هي التي تستقبل الاحداثيات و تدل علي موقعك و اتجاه سيرك.
كيف يتم تحديد الموقع من خلال هذا النظام؟
في محطات التحكم الارضية بتم استقبال اشارات من الاقمار الصناعية في الفضاء و التي ترسل موجات راديو بتردد 1575.42 ميجا هرتز او 1.5 جيجا هرتز تقريبا و هذه الاشارات تحتوي علي معلومات عن الارض ثم تعيد هذه المحطات ارسال اشارات اخرى لتزويد الاقمار بمعلومات مهمة من اجل ان يعمل القمر بشكل افضل مثل مكان هذا القمر و مداره في ذلك الوقت و الوقت بالتحديد بعد ذلك يقوم القمر الصناعي بارسال الاشارات الخاصة بموقعة الي اجهزة الـ GPS علي الارض و يقوم الجهاز بتخزين هذه المعلومات عن مدار كل قمر و اين يجب ان يكون و هذه المعلومات يتم تحديثها باستمرار عن طريق محطات التحكم الارضية التي تحدثنا عنها و لكي يقوم جهاز استقبال الـ GPS بتحديد الموقع بدقة يستقبل اشارات من 4 اقمار صناعية علي الاقل و المقارنة بينهم و يحدد جهاز الاستقبال بعده عن كل قمر من خلال ان يحسب الوقت الذي استغرقته الاشارة من القمر لتصل الي جهاز الاستقبال و بما ان الجهاز مزود به ان سرعة الاشارة التي تصله من الاقمار و هي سرعة الضوء اذن الجهاز يملك الزمن و السرعة و من خلال الزمن و السرعة يستطيع حساب المسافة بينه و بين القمر في هذا الوقت من خلال العلاقة المشهورة الزمن x السرعة = المسافة و هكذا يتم تحديد مسافته بالنسبة ل4 اقمار صناعية علي الاقل فعندما يقوم بحساب المسافة بينه و بين القمر الاول و كانت مثلا 1000 كم فان احتمال ان يكون موقعك بالنسبة للقمر في نقطة علي دائرة نصف قطرها 1000 كم في اي اتجاه و بحساب مسافتك من القمر الثاني و لنفترض 700 كم يتم رسم دائرة ثانية نصف قطرها 700 كم و هذه الدائرة تتلاقي مع الدائرة الاولي في نقطتين و احتمال تواجد موقعك يكون علي احدي هاتين النقطتين و هذا غير دقيق ايضا و بمجرد حساب المسافة بين جهاز استقبال الـ GPS و القمر الثالث و ليكن علي مسافة 800 كم يتم رسم دائرة ثالثة نصف قطرها 800 كم و هذه الدائرة تتلاقي مع الدائرتين السابقتين في نقطة واحدة فقط تجمع الثلاث دوائر و هذا هو موقعك بالتحديد و القمر الرابع يكون لتأكيد موقعك كما في الصورة و هذا النظام يقوم بتحديد موقعك بحوالي نسبة خطأ 15 متر فقط
الان قد انهيت الفكرة الاساسية لموضوعي و لكن اعلم انه قد تأتي الي ذهنك بعض الاسئلة المتعلقة بهذا الموضوع و انا سعيد للاجابة عليها كـــ
كيف تعمل وتستمد الاقمار الصناعية تلك طاقتها في الفضاء؟
تعمل تلك الاقمار بالطاقة الشمسية و الاطراف الجانبية للقمر هي من تقوم بعملية شحن القمر الصناعي بالطاقة الشمسية كما انها مزودة ببطاريات احتياطية قابلة للشحن لضمان استمرار عملها في حالة انعدام الطاقة الشمسية تحت اي سبب ككسوف الشمس مثلا كما انه علي قمر يوجد صاروخ صغير من اجل توجيه القمر ليسير في مسارة الصحيح
هل نظام تحديد الموقع العالمي GPS هو النظام الوحيد الموجود؟
بالطبع لا فهناك دول اخري غير الولايات المتحدة اطلقت انظمة اخري لا تختلف قيمتها او اهميتها عن الـ GPS مثل:
ماهي اسباب الخطأ البسيط في المترات لنظام الـ GPS؟
ما هو الـ GPS ؟
يجب علينا اولا ان نلقي الضوء عن ماهية الGPS بالضبط قبل ان نفهم كيفية عمله لن ابتعد كثيرا عن موضوعنا الرئيسي و لن ادخل في تفاصيل كثيرة و لكن لابد من نظرة سريعة و القاء الضوء علي بعض المعلومات هنا و منها ان ال GPS ماهو الا اختصار لـ Global Positioning System او نظام تحديد الموقع العالمي و قد تجده ايضا تحت اختصار NAVSTAR-GPS و هو اختصار لـ Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System و هذه الاضافة اشارة الي دور الاقمار الصناعية في هذا النظام . ظهر هذا النظام عسكريا و نتيجة للحاجة اليه في الميادين المدنية لتحديد مواقع حوادث الطيران و توجيه الطائرات و غيرها من الوسائل خاصة ايام الحرب الباردة عندما اخطأت طائرة كورية الطريق و اصطدمت بطائرة سوفيتية داخل منطقة جوية محظورة سوفيتية و كانت هذه الطائرة تحمل عدد 269 شخص من 16 جنسية مختلفة و من ذلك الوقت تم استخدام ال GPS في الاغراض المدنية لعدم حدوث اي اخطاء ملاحية شبيهة.
مما يتكون نظام الـ GPS؟
الاقمار الصناعية التي تدور حول الارض و عددها تقريبا من 24 الي 32 قمر صناعي يتم استخدام 24 قمر منهم فقط و الباقي احتياطي و كل قمر من هذه الاقمار يدور حول الارض مرتين كل 24 ساعة في 8 مستويات كل مستوي يحتوي علي 3 اقمار باجمالي 24 قمر صناعي بالاضافة الي الاقمار الاحتياطية و تصل سرعة هذه الاقمار اثناء الدوران الي 11300 كيلو متر في الساعة وتدور هذه الاقمار علي ارتفاع حوالي 20372 كم تقريبا و يتم تغيير هذه الاقمار كل 10 سنين في الغالب.
محطات التحكم الارضية و عملها التحكم و مراقبة تلك الاقمار بشكل مستمر و تزويدها بالبيانات والمعلومات الهامة لكي يتم حساب الاحداثيات بشكل دقيق و توجد محطة التحكم الرئيسية للنظام في ولاية كولورادو Colorado الامريكية و تتبعها 5 محطات اخري حول العالم بالاضافة الي محطات رصد.
المستخدم و هو عبارة عن اجهزة استقبال الـ GPS تحتوي علي دوائر الكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسسر Microorocessor و تختلف بالطبع دقتها من جهاز لأخر و هي التي تستقبل الاحداثيات و تدل علي موقعك و اتجاه سيرك.
كيف يتم تحديد الموقع من خلال هذا النظام؟
في محطات التحكم الارضية بتم استقبال اشارات من الاقمار الصناعية في الفضاء و التي ترسل موجات راديو بتردد 1575.42 ميجا هرتز او 1.5 جيجا هرتز تقريبا و هذه الاشارات تحتوي علي معلومات عن الارض ثم تعيد هذه المحطات ارسال اشارات اخرى لتزويد الاقمار بمعلومات مهمة من اجل ان يعمل القمر بشكل افضل مثل مكان هذا القمر و مداره في ذلك الوقت و الوقت بالتحديد بعد ذلك يقوم القمر الصناعي بارسال الاشارات الخاصة بموقعة الي اجهزة الـ GPS علي الارض و يقوم الجهاز بتخزين هذه المعلومات عن مدار كل قمر و اين يجب ان يكون و هذه المعلومات يتم تحديثها باستمرار عن طريق محطات التحكم الارضية التي تحدثنا عنها و لكي يقوم جهاز استقبال الـ GPS بتحديد الموقع بدقة يستقبل اشارات من 4 اقمار صناعية علي الاقل و المقارنة بينهم و يحدد جهاز الاستقبال بعده عن كل قمر من خلال ان يحسب الوقت الذي استغرقته الاشارة من القمر لتصل الي جهاز الاستقبال و بما ان الجهاز مزود به ان سرعة الاشارة التي تصله من الاقمار و هي سرعة الضوء اذن الجهاز يملك الزمن و السرعة و من خلال الزمن و السرعة يستطيع حساب المسافة بينه و بين القمر في هذا الوقت من خلال العلاقة المشهورة الزمن x السرعة = المسافة و هكذا يتم تحديد مسافته بالنسبة ل4 اقمار صناعية علي الاقل فعندما يقوم بحساب المسافة بينه و بين القمر الاول و كانت مثلا 1000 كم فان احتمال ان يكون موقعك بالنسبة للقمر في نقطة علي دائرة نصف قطرها 1000 كم في اي اتجاه و بحساب مسافتك من القمر الثاني و لنفترض 700 كم يتم رسم دائرة ثانية نصف قطرها 700 كم و هذه الدائرة تتلاقي مع الدائرة الاولي في نقطتين و احتمال تواجد موقعك يكون علي احدي هاتين النقطتين و هذا غير دقيق ايضا و بمجرد حساب المسافة بين جهاز استقبال الـ GPS و القمر الثالث و ليكن علي مسافة 800 كم يتم رسم دائرة ثالثة نصف قطرها 800 كم و هذه الدائرة تتلاقي مع الدائرتين السابقتين في نقطة واحدة فقط تجمع الثلاث دوائر و هذا هو موقعك بالتحديد و القمر الرابع يكون لتأكيد موقعك كما في الصورة و هذا النظام يقوم بتحديد موقعك بحوالي نسبة خطأ 15 متر فقط
الان قد انهيت الفكرة الاساسية لموضوعي و لكن اعلم انه قد تأتي الي ذهنك بعض الاسئلة المتعلقة بهذا الموضوع و انا سعيد للاجابة عليها كـــ
كيف تعمل وتستمد الاقمار الصناعية تلك طاقتها في الفضاء؟
تعمل تلك الاقمار بالطاقة الشمسية و الاطراف الجانبية للقمر هي من تقوم بعملية شحن القمر الصناعي بالطاقة الشمسية كما انها مزودة ببطاريات احتياطية قابلة للشحن لضمان استمرار عملها في حالة انعدام الطاقة الشمسية تحت اي سبب ككسوف الشمس مثلا كما انه علي قمر يوجد صاروخ صغير من اجل توجيه القمر ليسير في مسارة الصحيح
هل نظام تحديد الموقع العالمي GPS هو النظام الوحيد الموجود؟
بالطبع لا فهناك دول اخري غير الولايات المتحدة اطلقت انظمة اخري لا تختلف قيمتها او اهميتها عن الـ GPS مثل:
- نظام جلوناس (GLONASS) الذي طوره الاتحاد السوفيتي وأٌعيد تطويره مجدداً في السنوات الأخيرة حيث أصبح منافساً لنظام (GPS) الأمريكي
- نظام جاليليو (Galileo) الذي طوره الاتحاد الأوروبي
- نظام بايدو (BeiDou) الذي طورته جمهورية الصين الشعبية.
ماهي اسباب الخطأ البسيط في المترات لنظام الـ GPS؟
- هناك اخطاء ناتجة من بطء الاشارة من القمر الصناعي و ذلك لأن الاشارة تجتاز الغلاف الجوي في طريقها الي الجهاز وبالتالي تقل سرعتها و غالبا ما تكون اجهزة الاستقبال مزودة بنظام يقوم بحساب معدل التأخير وتصحيح هذا الخطأ.
- دقة اجهزة الاستقبال نفسها فالاجهزة تختلف بالطيع كما ان هناك اجهزة لا تقوم مثلا بحساب معدل التأخير و الخطا في البند السابق.
- هناك ايضا اخطاء تنتج عن انعكاس او ارتداد الاشارة نتيجة اصطدامها بأي عائق او بناية مثلا في طريقها.
- الساعة الداخلية للجهاز ليست بالدقة التي عليها الساعة الذرية المجودة بالاقمار الصناعية في الفضاء و بالتالي هناك اخطاء بسبب التوقيت.
- عدم دقة المعلومات احيانا التي يرسلها القمر الصناعي عن موقعه في الفضاء لان هذه المعلومات تنتقل من محطات التحكم الي الاقمار و من الاقمار الي اجهزة الاستقبال.
- نسبة عدد الاقمار التي يستطيع الجهاز رؤيتها فكلما زادت عدد الاقمار التي يستطيع الجهاز رؤيتها كلما زادت الدقو و هناك المباني و العوائق التي قد تمنع الجهاز من رؤية عدد مناسب للاقمار الصناعية فبالتالي تتسبب في قطع الاشارة و زيادة الاخطاء في التحديد و احيانا عدم تحديد الموقع تماما.