نظام تحديد المواقع العالمي بالأقمار الصناعية GPS

--------------------------------------------------------------------------------

خلال حرب عاصفة الصحراء عام 1991م فوجئت قوات التحالف بسقوط قذائف ونيران عليها مصدرها قوات صديقة ضلت طريقها في الصحراء العراقية، مما أدى إلى تزايد ضحايا قوات التحالف، فما كان من وزارة الدفاع الأمريكية إلا أن عمَّمت استخدام أجهزة استقبال GPS أو النظام العالمي لتحديد المواقع (Global Positioning System (GPS على جميع وحدات، وأفراد الجيش الأمريكي ؛ وذلك لتفادي الوقوع في تلك الأخطاء الفادحة الناتجة عن الجهل بالمواقع، والأهداف، وقد بدأ استخدام هذا النظام في الأغراض العسكرية، إلا أنه تطور، وانتشر في العديد من المجالات بعد ذلك نظرًا لأهمية وظيفته ودقته البالغة.

استخدامات نظام التتبع
ففي المجال العسكري تستخدم الطائرات المقاتلة وقاذفات القنابل الـ(GPS) في تحديد أهدافها كما يوجد كعنصر أساسي في وحدات التوجيه على متن الصواريخ بعيدة المدى، وكذلك الأسلحة الذكية، والغواصات، والسفن الحربية، والدبابات، والعربات العسكرية، والمشاة حيث يحدد مصادر النيران، ومواقع العدو، وموقع من يستخدمه.

وفي المجال المدني نجد للنظام تطبيقات عديدة، ففي الملاحة الجوية تستخدمه الطائرات لتحديد الطرق الجوية، ومناطق الاقتراب من المطار، وعملية الهبوط الآلي على الممرات. ويستخدم في المطارات ذوات الأجواء الضبابية، والرؤى المنعدمة، وتم اعتماده بشكل كلي في المطارات الأمريكية للدقة العالية، وتفاديًا للأخطاء البشرية. كما أفاد شركات الطيران؛ إذ وفر لها كثيرًا من نفقات التشغيل لرحلاتها الجوية إذ يعطي أقصر الطرق الجوية لمطارات الوصول، ويستخدم في حالات التصوير والمسح الجويين، والرش الجوي للزراعات. أما في المجال البحري فيستدل على أماكن السفن المفقودة في البحار، وتقوم شركات النقل البحري بمتابعة حركة سفنها، ومساراتها في البحار، وفي قوارب النزهات أيضًا. كما تستخدمه شركات النقل، والشحن لتتبع سياراتها، وتوجيهها إذ إنه في اليابان يوجد 500.000 سيارة بكل منها جهاز GPS يساعد على تحديد مواقعها، واتجاهات سيرها.

كما يستخدم في تخطيط، ورسم الخرائط، ومسح الأراضي، ولكل منها GPS خاص حسب نوعية التطبيق المستخدم. كما تستفيد منه شركات الاتصالات اللاسلكية في عمل التزامن بين محطات الشبكة الرقمية الأرضية والأقمار الصناعية.

ظهور النظام
ظهر (GPS) كفكرة بعد أن أطلق الروس القمر الصناعي Sputnik للفضاء عام 1957م، وقد استخدموا الإزاحة الترددية أو ما يعرف بإزاحة دوبلر في التحكم في القمر ومتابعته (ومفهومها ببساطة: حين ترسل موجة تردد معين على جسم ثابت؛ فالإشارة المرتدَّة كصدى تكون بنفس التردد، أما إذا أرسلت الموجة، وتردد معين على هدف متحرك كالأقمار الصناعية؛ فإنها تستقبل كصدى، لكن بتردد مختلف عن تردد الإرسال، وهذه هي الإزاحة الترددية أو إزاحة دوبلر)، وذلك عن طريق الإشارات التي يتم إرسالها، واستقبالها من/ وإلى القمر. وقد استغلت البحرية الأمريكية هذه الفكرة لتحديد مواقع سفنها وغواصاتها، وأنشأت نظام Transit سنة 1964م وأطلقته للفضاء.

ونتيجة للتقدم المذهل في تصنيع الدوائر الإلكترونية المتكاملة Integrated Circuit والحاسبات الآلية في بداية السبعينيات أنشأت وزارة الدفاع الأمريكية نظام Navstar GPS، وأطلقته للفضاء عام 1973م، ويعمل هذا النظام بصورة مستمرة على مدى الأربع والعشرين ساعة، وتحت جميع أحوال الطقس المختلفة ويزوِّد مستخدميه في أي مكان في العالم بمعلومات دقيقة عن مواقعهم، وسرعاتهم، التوقيت الزمني في كل منطقة.

مكونات النظام

ويتكون هذا النظام من جزء فضائي يتكون من أربعة وعشرين قمرًا تدور حول الأرض في ستة مدارات دائرية على ارتفاع 10.900 ميلاً، وبكل مدار أربعة أقمار، ويميل المدار على خط الاستواء بزاوية قدرها خمس وخمسون درجة حتى تغطي مناطق القطبين الشمالي والجنوبي، وتزود الأقمار بالطاقة عن طريق ألواح خلايا شمسية، وبكل قمر أربع ساعات ذرية تعطي زمنًا بالغ الدقة بأجزاء من المليون من الثانية، ويفيد ذلك في حساب المدى بين القمر وجهاز GPS، ويشمل هذا الجزء صواريخ إطلاق الأقمار للفضاء Delta ويتم التحكم في Navstar GPS من محطة التحكم الرئيسة في قاعدة الصقر الجوية بولاية كولورادو، وتتم مراقبة وتتبع الأقمار عن طريق خمس محطات حول العالم في كل من:

كولورادو

·هاواي

جزيرة الإسراء في المحيط الأطلنطي

جزيرة دييجو جارسيا في المحيط الهندي

جزيرة كواجالين جنوب المحيط الهادي

وتقوم تلك المحطات بتجميع بيانات تنبؤية عن مدارات الأقمار، والساعات الذرية، وترسلها إلى محطة التحكم، والتي بدورها ترسلها إلى الأقمار لإرسالها إلى مستخدمي GPS.

وتختلف أجهزة استقبال GPS حسب أوجه تطبيقاتها ودرجات دقتها، فمنها ما يحمل باليد وهو للملاحة، وتتراوح دقته من 30 إلى مائة متر، وهناك نوع من أجهزة الاستقبال الجديدة التي تعرف بالمميزة (Differential GPS) التي تعطي درجة دقة عالية في حال استخدامها للملاحة تتراوح من متر واحد إلى خمسة أمتار، تصل في أجهزة تخطيط ورسم الخرائط إلى أقل من متر واحد، بينما في أجهزة المساحة تصل الدقة إلى مليمترات.

ويعمل GPS بشكل مبسط عن طريق حساب الفرق في زمن إرسال الإشارات من القمر وزمن الاستقبال في GPS، وبمعالجة هذه البيانات تحسب المسافة بين القمر وGPS، وحين يستقبل GPS إشارات من أربعة أقمار؛ فإنه يحدد خطوط الطول، ودوائر العرض، والارتفاع، والزمن بالنسبة لموقعه.

وترسل الأقمار إشاراتها على ترددين من النطاق الترددي (L)، حددهما الاتحاد الدولي للاتصالات International Telecommunications وهما:

التردد الأول 1575.42 ميجا هرتز.

التردد الثاني 1227.6 ميجا هرتز.

ويوفر GPS نوعين من الخدمة:

- خدمة تحديد المواقع الأصلية Standard Positioning Service (SPS)

وتعمل على التردد الأول، وتوفر هذه الخدمة البيانات للمستخدمين دون أي تكلفة.

- أما خدمة تحديد المواقع الدقيقة Precise positioning Service (PPS)

فيصرح بها للجيش الأمريكي وحلفائه، وتستعمل نظام الشفرة السرية، وتعمل على الترددين: الأول، والثاني.

يخضع نظام(GPS) لسياسة مطبقة باستمرار تتحكم في تشغيله والاستفادة منه وتتمثل هذه السياسة فيما يلي:
1 تقييد الاستفادة من النظام
2 منع التقليد او المحاكاة
3 إرسال اشارات تحديد المواقع على مستويين للدقة هما: PPS,SPS0
تقوم سياسة تقييد الإستفادة (S A) على تخفيض درجة الزمن المقاس بالساعة والبيانات الفلكية (المدارية) الواردة من القمر الصناعي، حيث إن الهدف من تطبيق مبدأ تقييد الإستفادة هو إحداث تأثير عكسي على درجة الدقة في تحديد المواقع للأغراض الملاحية navigation وكذلك درجة التحديد للمواقع لأغراض المساحة، ويؤدى ذلك إلى تراجع في دقة تحديد المواقع إلى حد يصل 100 متر (زيادة أو نقصاناً) بينما تكون الدقة بدون هذه الاعاقة في حدود 20 مترآ (زيادة أو نقصانا) هذا فيما يتعلق بتقديرات الدقة الملاحية. أما بالنسبة للتطبيقات المساحية فإن تأثير تقييد الإستفادة يؤدى إلى تغيير طرق العمل وإلى تضييق الوقت المخصص للعمل وبالتالى إلى خفض السرعة والتكلفة.
وقد ابتدعت سياسة أو مبدأ تقييد الاستفادة(SA) في أواخر الستينات الميلادية (1960م) يوم كانت الحرب الباردة في أوجها، ولم يكن أحد يتوقع يومئذ أن تظهر التطبيقات المدنية المتعددة التي أصبحت معروفة الآن لنظام.(GPS)
والهدف من تطبيق مبدأ تقييد الاستفادة(SA) كونها مناسبة للبيئة الأمنية السائدة حالياً كما أنها تتيح في نفس الوقت الاستفادة من مجموعة واسعة من التطبيقات الأمنية. وحيث إن نظام(GPS) قد خصص في الأصل ليكون أداة توجيه ملاحية لوزارة الدفاع الامريكية فإن الاشارات العسكرية الدقيقة التي يرسلها النظام العسكري تمثل ميزة عسكرية خاصة لمن يستقبلونها، وبذلك تحقق كفالة الحماية اللازمة لميزة الاستخدام العسكري للاشارات الدقيقة وكذلك منع الاستفادة المباشرة غير المقيدة من هذه الاشارات عمن يحظر عليهم استقبالها.
بعد اكتمال اطلاق مجموعة الاقمار الصناعية لنظامGPS) ) أصبح لابد أن يتعايش المستخدمون لهذا النظام ليس فقط مع مبدأ تقييد الاستفادة بل مع مبدأ آخر من المبادئ المعوقة للدقة، هو مبدأ منع التقليد أو المحاكاة وقد ابتدع هذا المبدأ وأدخل على نظام (GPS) كوسيلة لتجنب المشاكل التي تسببها الحرب الإلكترونية، إذا تمكن هذه الوسيلة من تغيير البث بحيث تحل الشفرة المحمولة(y) محل الشفرة الأصلية.
إن المستعملين العسكرين أو حلفاء الولايات المتحدة هم القادرون وحدهم على حل رموز الشفرة ومن ثم الحصول على تحديدات الموقع بدقة 20 مترًا عن طريق الحصول على جهاز فك الشفرة(Auxiliary Output Chips AOC) ويمكن زيادة مستوى تقييد الاستفادة من نظام(GPS) اذا كان ذلك يتفق مع المصالح القومية للولايات المتحدة الأمريكية.
ترسل الأقمار الصناعية البيانات الخاصة بتحديد المواقع للمستخدمين على ذبذبتين (موجات حاملة(Carrier Waves) تسمى الذبذبة العليا(L1) بتردد 1575 ميجا هيرتز تحمل الشفرتين معاً، بينما الذبذبة الأدنى وتسمى(L2 ) بتردد 1227 ميجا هيرتز تحمل فقط الشفرة(P) التي هي شفرة مخصصة للإستعمالات العسكرية (Almanac) تختص بالمواقع التقريبية لجميع الأقمار العاملة في هذا النظام، ومعلومات أخرى أدق عن مدار القمر الصناعي ومعلومات عن حالة القمر وتصحيح الضبط الزمني الخاص بالغلاف الجوى(Ionospher) لا أحد يستطيع حل الرموز الشفرية الا المستقبلون الذين لديهم امكانية الحصول على نسخة مطابقة للشفرة. وتسمى عملية تحويل الشفرة إلى رموز (تلغرافية) ضجة عرضية زائفة .(Psudo - Randon Noise)
تستخدم شفرتان هما الشفرة التقريبية (Coarse Aquisition C/A Code) والشفرة الدقيقة ((Precise Pcode وتسمى الأخيرة بالشفرة ((y عند تحويلها المعلومات المتضمنة في الشفرتين هي نفس المعلومات تقريبًا الا أن استعمال الشفرة ((C/A فقط يمكن المستعمل من الحصول على مستوى التحديد العادي (Standard Positioning Service SPS) بدقة تصل إلى 100 متر أفقيًا بنسبة احتمالية مقدارها 95% وتحديد الإرتفاعات بدقة 300 متر بنسبة احتمالية مقدارها 99,99 % وتكون دقة تحديد التوقيت في حدود 340 جزءًا من البليون من الثانية بنسبة 95% أما استخدام الشفرة (P) فيمكن المستخدمين من الاستفادة من مستوى التحديد الدقيق (Precise Positioning Service PPS) بحيث قد تصل الدقة في تحديد الموقع إلى 20 مترًا تقريباً بنسبة 95%0
الجدير بالذكر أن الشفرة(P) تكون موجودة أثناء تكون الصور الفلكية لنظام(GPS) إلا أنه يمكن أن تتغير فجأة وبدون سابق إنذار ولاتعود في متناول المستعملين الذين ليست لديهم مفاتيح الشفرة اللازمة0

تحديث نظام(GPS)

لقد كثرت وتوسعت التطبيقات المدنية لنظام ((GPS وأصبح هذا النظام متغلغاً حتى في الحياة اليومية لبعض المستفدين فعلى سبيل المثال السير على الطرقات يحتاج إلى جهاز ملاحة على وسائل النقل وكذلك سائق التاكسي يحتاج إلى جهاز تحديد الموقع، أيضًا مرتادى الصحارى يحتاجون إلى معرفة المواقع للاهتداء وكذلك هواة البحر والصيد يحتاجون جهاز الملاحة والأمثلة كثيرة جداً. هذا على مستوى الأفراد أما على مستوى الهيئات حكومية كانت أو غيرها فالكل منا رأى مدى حاجة ربط المعلومات بجميع أشكالها بالموقع او بالارض لتصبح المعلومات مكتملة جغرافياً.
لقد ادى التطور الهائل في تقنية المعلومات الرقمية إلى بروز شكل جديد من أشكال العلوم الحديثة ألا وهو نظم المعلومات الجغرافية (GIS)، ومن الجوانب الاساسية في هذا النظام هو إضافة الصيغة الجغرافية للمعلومة أو تحديد المعلومة جغرافيًا وفي السنوات القليلة الماضية حدث تقارب بين نظام ال(GPS) ونظم(GIS) مما أدى إلى ظهور تقنية تكاملية بين هذين النظامين.
لقد ظلت الأوساط الدولية والمدنية تطالب بتخفيض القيود على الاستخدامات المدنية لنظام ((GPS خصوصاً في المرحلة التي أعقبت الحرب الباردة والتي شهدت تغييرات في المناخ السياسي الدولي. فقد طالبت المنظمة الدولية للطيران المدني(ICAO) بتمكينها من استخدام نظام ((GPS للملاحة الجوية الدولية لشركات الطيران العالمية وهناك منظمات دولية أخرى مثل الإتحاد العالمي للإتصالات(ITU) والوكالة العالمية للإتصالات اللاسلكية ترغب في نفس الشيء. وبالمثل هناك منظمات ووزارات داخل الولايات المتحدة الامريكية تطالب برفع القيود على هذا النظام أيضًا.
نتيجة لتلك القيود على نظام ال(GPS) فقد برزت في العقدين الماضيين تقنيات وطرق علمية لتفادي تلك القيود ولتحسين مستوى الدقة في تحديد المواقع فقد ظهرت تقنيات وطرق تعتمد على نظام(GPS) مثل:
1 الرصد الثابت(Static Positioning) بأجهزة متقدمة ثم ارسال الفروقات أو التصحيحات إلى المحطة المتنقلة وتسمى العملية (Differential .DGPS-Real Time Kinematic RTK)
2 رصد طول الموجة (Carrier Wave) وعمليات الطرح التفاضلي (Differencing) وهذه طرق رئيسة للجيوديسين العاملين في المساحة0
3 النظام التفاضلي الموسع (WADGPS) الذي يشمل أقمارًا صناعية أخرى تدور بنفس سرعة دوران الارض لنقل التصحيحات 0
نتيجة لهذه الضغوط وربما أن الأمر قد يهم الاقتصاد الامريكي فلقد ظهرت بوادر ووعود من الحكومة الامريكية في السنتين الماضيتين توحي بتخفيف المعوقات لاستخدام نظام .GPS

من ناحية أخرى فإنه في الوقت الذي بدأت الولايات المتحدة الامريكية تطوير نظام ((GPS فقد تزامن هذا مع برنامج آخر مشابه لنظام ((GPS ألا وهو نظام (GLONASS) الروسي. إن هذا الأخير مشابه لحد ما نظيره الأمريكي مع وجود بعض الاختلافات البسيطة ونظرا للمشاكل الاقتصادية التى مر بها ماكان يسمى الاتحاد السوفيتي سابقًا فقد حدث تأخر في ظهور النظام من عالم الظلام إلى عالم النور.
وفي الآونة الأخيرة أزاحت الحكومة الروسية الستار عن هذا النظام وبدأ العمل به كأساس في مجال تحديد المواقع عالميًا حيث يزود المستخدمين المدنيين بدقة أفضل إلى حد ما مقارنة بالنظام الامريكي .(GPS)
نتيجة للطلب المتزايد على تقنية تحديد المواقع فقد ظهرت أنظمة مشابهة للنظامين الامريكي والروسي منها النظام الأوربي المسمى ((Galileo والنظام الصيني التجريبي (Beidou Navigation Test Satellite) ومن المتوقع أن تظهر أنظمة أخرى أى أن وضع الملاحة ربما يدخل عالم المنافسة أو عالم الاقتصاد. ومن منظور آخر يمكن القول أن غياب المنافس لنظام (GPS) الأمريكي بدأ يختفى مما حدا بالولايات المتحدة الامريكية أن تبدأ تدريجيًا بتلبية احتياجات المستخدمين بدلاً من فقدانهم.
لقد كانت الخطوة الأولى لتحديث نظام(GPS) حينما وجه الرئيس الامريكي (بيل كلينتون) إلى أن الخطأ المتعمد في تخفيض مستوى الدقة لمستوى التحديد العادي (SPS) المعروف ب(SA) سيتوقف اعتباراً من منتصف اليوم الأول لشهر مايو عام 2000 م وبناءً على ذلك فإن المستخدمين العاديين في مستوى (SPS) سيحصلون على دقة تحديد الموقع تصل إلى 10 أمتار. ومن ناحية أخرى سبق أن أعلن نائب الرئيس الأمريكي (آل جور) عام 1998م أن هناك ذبذبة مدنية ثانية سوف يتم بثها على تردد 1227,6 ميجا هيرتز وتعرف ب (GPS L2) شفرة C/A محمولة على التردد (L2) لأنه كما ذكر سابقًا فإن الشفرة (C/A) محمولة على التردد(L1) فقط ، وهذا مما يوسع مجال الاستخدامات المدنية. وتضمن إعلان نائب الرئيس الامريكي أن هناك تردداً مدنياً ثالثاً سيتم بثه عام 2005م وهذا التردد صممم لأغراض الإنقاذ ((Safty-of-Life ويعرف ب L5 وتردده 1176,45 ميجا هيرتز وسيخدم الطيران بشكل أفضل. هذان الترددان اللذان سيبدأ العمل بهما سيؤديان إلى زيادة الدقة في تحديد المواقع (RTK,DGPS) مثل عمليات الهبوط بالطائرات وعمليات إنتاج الخرائط وأعمال المساحة، وتطبيقات أخرى.

الخلاصة

خلال الفترة الزمنية التي مر بها نظام(GPS) الأمريكي من بداية الستينات الميلادية إلى وقتنا الحاضر(بداية الألفية الثالثة)، وما صاحب ذلك من تكتم وقيود على هذا النظام إبان الحرب الباردة أدى في بداية الأمر إلى ظهور نظام GLONASS الروسي المشابه من حيث الهدف، وإن لم يكن الأخير سريع الظهور إلى الساحة العالمية. نتيجة لإستمرار تزايد حاجة الهيئات والمؤسسات الدولية والأفراد لتحديد المواقع بدقة أفضل مما كان يعطيه نظامGPS في ظل تواجد بعض المعوقات مثل AS,SA أدى إلى تطوير تقنيات علمية تؤدي إلى تحديد المواقع بدقة أفضل حتى ولو كانت القيود غير مطبقة على مستعملي نظام GPS العاديين.
من ناحية أخرى فإنه في الوقت الحاضر الذي بدأ فيه العالم يصبح جزءاً متكاملاً وبروز ما يسمى بالعولمة وغياب الإحتكار لدرجة ما، أدى ذلك إلى إنتشار التقنية جغرافياً وتكامل المصالح، فأصبح الأوروبيون بحاجة إلى نظام تحديد مواقع وكذلك الصينيون.
لعل ذلك من الأسباب التي جعلت الحكومة الأمريكية تسدل الستار عن بعض المعوقات لتمكين المستخدم من الحصول على أفضل المعلومات بدون قيود، ليس هذا حسب بل إن الأمر لن يقف إلى إلغاء القيود ولكن سيؤدي إلى تزويد المستخدم بخدمات جديدة من خلال تطوير النظام وبث ترددات إضافية لتحسين دقة تحديد المواقع والدخول إلى فئة أخرى من المستخدمين عن طريق إضافة خدمة الإنقاذ.


مصدر الموضوع لأنه متشعب وهذه ليست من عادتي :

(1) النظام العالمي لتحديد المواقع (محمد الفقي) .

(2) مجلة القوات العربية السعودية المسلحة .

وغيرها ............