عرض مشاركة واحدة
  #2  
قديم 26-10-2009, 09:36 PM
مراقب سياسي4 مراقب سياسي4 غير متواجد حالياً
 
تاريخ التسجيل: Jul 2002
الدولة: السعودية
المشاركات: 11
افتراضي

تحديد الموقع بواسطة نظام GPS

هناك حالتان رئيسيتان لتحديد الموقع باستخدام نظام تحديد المواقع GPS هما:

أ. التحديد المطلق للموقع Absolute Point Positioning
تُعرف عملية تحديد الموقع لنقطة ما دون الاعتماد على نقطة أو نقاط أخرى بالتحديد المطلق ويتطلب الأمر في هذه الحالة جهازاً واحداً فقط، إضافة إلى بعض البيانات الأولية للموقع. ويمكن في هذه الحالة الحصول على إحداثيات الموقع الجغرافية (خطوط الطول ودوائر العرض) في الميدان مباشرة بدون أي عمليات تحليل أو معالجة. وهناك العديد من الأجهزة التي تُستخدم في هذه الحالة، مثل أجهزة الملاحة التي تحدد المواقع بدقة أفقية تصل إلى ثلاثين متراً، كما هو الحال بالنسبة لجهاز ماجلان Magellan، وجهاز ترمباك Trimpak.

ب. التحديد النسبي للموقع Relative Positioning
تُعرف عملية تحديد الموقع لنقطة ما بالاعتماد على نقطة أو نقاط أخرى بالتحديد النسبي، وتتطلب هذه الحالة وجود جهازين على الأقل، أحداهما ثابت في نقطة معلوم إحداثياتها، والآخر على النقطة المطلوب حساب إحداثياتها بدقة، وتعرف هذه الحالة باسم تحديد المواقع من وضع الثبات Static Positioning. ويتطلب هذا النوع من القياس عمليات تحليل ومعالجة للبيانات التي تم جمعها في الميدان للحصول على الدقة العالية المطلوبة والتي تصل إلى ملليمترات,وهذه تستخدم بكثرة في الحروب والعمليات العسكرية الخاصة والقصف بالمقذوفات الذكية الدقيقة الاستهداف وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تحديد الموقع حركياًًKinemetic Positioning حيث يتم تحديد المواقع للجهاز المتحرك وبدقة أعلى من دقة التحديد المطلق وأنفقت الولايات المتحدة الأمريكية خمسة عشر مليار لبناء هذا النظام.


كيف يعمل نظام تحديد المواقع GPS-معلومات فنية
على 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:


شكل نظام تحديد الموقع

أ. 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 مرجعية Reference Points لمستخدمي النظام. 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، وإذا تزامن هذا مع رصد قمر صناعي آخر على ارتفاع 12 ألف ميل، سوف يكون موقع الراصد في الحيز الذي يتقاطع عنده شكلي الأرض:


شكل موقع الراصد بقمرين

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):


شكل موقع الراصد بثلاث أقمار

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 الأساسية من وراء استخدام نظام تحديد المواقع GPS وهي الاعتماد على الأقمار الصناعية مرجعية في تثليث الموقع على سطح الأرض.

ب. 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 : "المسافة = السرعة × الزمن". ويعني هذا أن النظامGPS يعتمد على حساب الزمن الذي تستغرقه إشارة راديوية فردية Radio Singl Signal من القمر حتى تصل إلى الراصد، ومن ثم تُحسب المسافة من خلال الزمن، خاصة وأن الموجات الراديوية تسير بسرعة الضوء نفسها (186 ألف ميل في الثانية)، فإذا أمكن معرفة بداية بث القمر الصناعي لهذه الموجات ومعرفة وقت استقبالها بدقة، يكون من السهل معرفة المسافة التي قطعتها، وذلك بضرب هذا الزمن بالثواني في 186 ألف ميل. "المسافة بين موقع ما والقمر الصناعي" = المدة التي تستغرقها الإشارة من القمر الصناعي إلى الموقع × 186.000".
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 مقابل 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 الناتو 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.

ج.كيف يمكن معرفة بث الإشارة من القمر الصناعي
توقف 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.

لتوضيح ذلك، نفترض أن هناك شخصان يقفان في مواجهة بعضيهما 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 بعضيهما، 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 أحداهما 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.

د. الحصول على تزامن مثالي
تبلغ سرعة الضوء 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 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) ويُعد 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، تبعد 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 ولكن إذا تم إضافة فارق الثانية الخطأ سوف يتغير موقع جهاز الاستقبال، حيث توضح الخطوط السميكة الأبعاد الخاطئة pseudo – Range الناتجة عن الثانية الزائدة.

يتضح 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).
وقد 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.

هـ. 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 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, كن 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.

و. 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 ارتفاعها 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.

تدور أقمار نطاق تحديد المواقع الصناعية حول الكرة الأرضية مرة كل 12 ساعة، وبالتالي تمر فوق محطات الرصد الخاصة بوزارة الدفاع ألأمريكية 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.

ز. 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.

يتبـع
رد مع اقتباس