في العصور القديمة عندما كان مجموعة من الأشخاص يرغبون في الذهاب في رحلة استكشافية في مكان ما على الأرض لإإنهم كانوا يستخدموا احد افراد المنطقة كدليل ليرشدهم للطريق الصحيح هذا بالاضافة الى استخدام البوصلة لتحديد الاتجاهات ولكن ماذا لو فقد هذه الدليل وأختفى فكيف ستجد المجموعة الكشفية طريقها لابد أن الأمور ستصبح صعبة، كذلك لو افترضنا ان شخص حصل على قارب بحري وانطلق في البحر ولكن فجأة اكتشف أنه لا يعرف كيف يعود الى نقطة البداية فهو يحتاج الى من يرشده، فماذا لو كان مرشدك هذا هو مجموعة من الأقمار الصناعية التي تراقبك باستمرار من خلال جهاز استقبال هذا ما يعرف بنظام تحديد الموقع على الارض والمعروف باسم جهاز GPS.
ففي عالمنا اليوم ومع تطور التكنولوجيا التي جعلت من العالم قرية صغيرة أصبح الاختفاء عن الأنظار أمراً صعباً جداً. فقد انتشرت أجهزة تحديد المواقع والتتبع التي تستخدم لتزويد المؤسسات بالمعلومات عن حركة منتجاتهم من المخزن إلى أماكن التوريد وتزود شركات تأجير السيارات بأماكن تحرك كل سيارة وتحديد اقرب سيارة إلى المتصل بالشركة طالباً وسيلة نقل من مكان إلى أخر.
باقل من 100 دولار يمكنك الحصول على جهاز بحجم الجوال يخبرك بموضعك على الأرض في اي لحظة وفي اي مكان هذا الجهاز هو جهاز استقيال GPS والذي يعني نظام تحديد الموقع Global Positioning System.
جهاز من شركة كومباك يستخدم نظام GPS لتحديد الموقع.
في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بالتعرف على فكرة عمل جهاز GPS والتعرف على مكوناته وفوائدة الهامة في حياتنا.
ما هو نظام GPS؟
في عام 1973م بدأت وزارة الدفاع الأمريكية العمل لاستحداث نظام عالمي لتحديد المكان لاستبدال نظام (Global Navigation System [NAVSTAR) الملاحة بالأقمار الصناعية المسمى (RANSIT Doppler) وذلك لتفادي مشكلتين رئيستين الأولى التغطية غير الكافية للأقمار الصناعية، والثانية العمليات الملاحية غير الدقيقة. ولذلك صمم نظام (GPS) ليوفر تغطية كاملة وبدقة عالية لتغطي الاحتياجات العسكرية بالدرجة الأولى، وتأتى الاحتياجات المدنية بالدرجة الثانية.
إذا نظام (GPS) هو النظام الرئيسي لتوجيه الملاحة الجوية لأغلب الطائرات المدنية والعسكرية، ليس هذا حسب بل إن هذا النظام يلعب دوراً مميزاً في مجالات المساحة، فقد أصبح من أكثر أدوات القياس التي عرفها مهندسو المساحة الجيوديسية دقة على الإطلاق وأيضا في أنظمة المعلومات الجغرافية (Geographic Information System GIS) أصبح نظام (GPS) أداة ضرورية لا بد منها.
شبكة الأقمار الصناعية المتكاملة في نظام GPS
أنظمة تحديد الموقع Global Positioning System GPS
هي عبارة عن منظومة من 27 قمر صناعي يدور حول الكرة الأرضية (فعليا 24 قمر صناعي مستخدم و3 اقمار أحتياطية تعمل في حالة تعطل اي من الأقمار الرئيسية). وأنظمة استقبال المعلومات من GPS تشبه اجهزة الجوال تستطيع تحديد موقعك بدقة في الابعاد الثلاثة على سطح الارض. ويكون هذا النظام فعالاً في حالة التواجد في الأماكن المكشوفة فتستخدم في الرحلات الاستكشافية وفي الملاحة الجوية والبحرية وفي التطبيقات العسكرية والتطبيقات المدنية.
أحد الأقمار الصناعية العاملة في نظام GPS
فجهاز تحديد الموقع GPS يستخدم في الحروب الحديثة على سبيل المثال في حرب الخليج، هذا الجهاز جعل من الحرب وكأنها لعبة كمبيوتر يقوم فيها المهاجم بتحديد احداثيات الهدف بدقة ووالقذيفة الموجهة تعتمد على نظام GPS للوصول الى الهدف المحدد. فقد شاهدنا كيف يمكن مهاجمة أهداف معينة بدقة متناهية وكأن تلك القذائف ترى وتعرف ماذا تفعل.
فكرة عمل نظام الــــ GPS
لقد تم تطوير هذا النظام على مدار عشرين سنة في الولايات المتحدة الأمريكية منذ 1973 وبميزانية تقارب عشرات المليارات من الدولارات. نظام الـ GPSيتكون من مرسل ومستقبل أما المرسل فهو عبارة عن شبكة عمل أقمار صناعية تدور حول الأرض على ارتفاع 19300 كيلو متر مرتين في كل يوم. موزعة على 8 مستويات دوران كل مستوى يصنع 55 درجة مع المستوى الآخر ويوجد في كل مستوى ثلاثة أقمار صناعية.
لماذا نستخدم ثلاث أقمار وليس قمر واحد فقط
تخيل انك فقدت الاتجاهات تماما في احد المناطق في الصحراء وعندما قابلت احد الأشخاص سألته أين أنا الآن؟ فأجابك أنت على بعد 500كيلو متر من مدينة 1. لا شك ان هذه المعلومة لن تفيدك كثيرا في تحديد موقعك بدقة لأنك تستطيع رسم دائرة حول مدينة 1 نصف قطرها 500كيلومتر يمكن تكون في أي جزء فيها ولكن لو سألت شخص أخر وأخبرك بأنك على بعد 550 كيلو متر من مدينة 2 فهنا تصبح الأمور أسهل لأنك ستكون في أحد نقطتي التقاطع بين الدائرتين حول مدينة 1 ومدينة 2، وتحتاج إلى معلومة إضافية من شخص ثالث لتعرف بالضبط أي النقطتين أنت موجود الآن على الأرض.
 |  |  |
| معلومة واحدة من شخص تعطي ابعاد كبيرة لمكان تواجدك على الارض. | معلومتان من شخصين تحدد مكانك بدقة اكثر. | ثلاث معلومات من ثلاث اشخص تعطي مكانك بالضبط. |
وبهذه الفكرة تعمل الاقمار الثالثة لتحديد موقعك على سطح الأرض حيث يصنع كل قمر سطح كروي ومن تقاطعات هذه الأسطح مع سطح الكرة الأرضية يتم تحديد الموقع بدقة كبيرة.
تقاطع الاسطح الكروية عن الأقمار الصناعية الثالثة مع سطح الأرض يعطي نقطة هي المكان الموجود فيه جهاز الاستقبال GPS كل قمر من الأقمار الــ 24 يرسل باستمرار على نفس التردد إشارة كهرومغناطيسية محملة على موجة ترددها 1575MHz كل قمر صناعى له شفرة معينة Code خاصة به ترسل مع الإشارة الحاملة وبالتالى يمكن لأى قمر صناعى يلتقط هذه الشفرة أن يحدد مكان وزمان تواجد هذا القمر.
أما المستقبل فهو جهاز في حجم راديو صغير يحتوى على دوائر إلكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسسر Microprocessor متطور يقوم المستقبل بتحديد الموقع بإستخدام طريقتين مختلفتين الأولى تعتمد على إزاحة دوبلر Doppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية المرسلة من الأقمار الصناعية وهذه الإزاحة تكون ناتجة عن السرعة النسبية بين الأرض والأقمار الصناعية.
أما الطريقة الثانية وتعتمد على قياس التأخير الزمني بين الإشارات الكهرومغناطيسية الواصلة من الأقمار الصناعية.
هذه المعلومات المستقبلة من الأقمار الصناعية تدخل إلى الميكروبروسسر وتتحد مع المعلومات المخزنة عن كل قمر صناعي من حيث مداره وسرعته وموقعه وبعد عدة عمليات حسابية يحدد المستقبل موقعه على سطح الأرض ويظهر النتائج على شاشة العرض.
ولدقة حساب الموقع فإنه يجب إدخال العديد من العوامل في الاعتبار على سبيل المثال تأثير الغلاف الجوى على الإشارات المرسلة وكذلك تأثير مجال الجاذبية الأرضية على الإشارات حيث أن الجاذبية الأرضية تعمل على ازدياد ترددها كلما اقتربت من الأرض، ولهذا فإن نظام الــGPS يعتمد وبشكل كبير على عمليات حسابية معقدة جدا قبل أن يخبرنا بالموقع وهذه العمليات ينفذها الميكروبروسسر.
إستخدامات نظام الــ GPS الحالية والمستقبلية.
كثيرون جدا الذين يستخدمون هذا النظام مثل البواخر الكبيرة وحتى القوارب الخاصة تستعين بالــ GPS لتحديد موقعها في البحار والمحيطات كذلك شركات النقل تستخدم هذا النظام لتحديد مواقع سياراتها فمثلا شركات السيارات الأجرة في أوربا تستخدم الـــ GPS حتى ترسل أقرب سيارة متواجدة بجوار صاحب الطلب.
قريبا جدا سوف يثبت في كل سيارة جهاز مستقبل يقوم بإرشاد السائق إلى أسهل الطرق ليصل إلى مقصده وهذا الجهاز مزود بخرائط الكترونية لشوارع العالم وعن طريق المعلومات التي يستقبلها من الأقمار الصناعية يمكن معرفة الشوارع المزدحمة وتجنبها وحاليا يجرى في اليابان تطوير سيارات تستعين بالــ GPS والخرائط الالكترونية في تمكين السيارة من معرفة الطريق دون الحاجة إلى قائد السيارة عن طريق مجس الكتروني مثبت في السيارة وقد نجحوا في تحقيق هذا الهدف ولكن عند سرعة لا تزيد عن 15 كيلومتر في الساعة.
أما في مجال الطائرات فاستخدام هذا النظام يمكن التحكم في حركة الطائرات في الجو والسماح للطائرات بالطيران على مسافات متقاربة من بعضها البعض للتخفيف من الازدحام الملحوظ في المطارات.
وفي النهاية أتمنى أن أكون قد أوضحت فكرة تحديد الموقع بالأقمار الصناعية ومدى تأثيرها على حياتنا فى السنوات القادمة من حيث زيادة الكفاءة وتقليل المخاطر في جميع أنواع المواصلات وكذلك مراقبة كل التحركات على الأرض سواء كانت بشرية أو حتى تغيرات في الظروف المناخية أو حركة الزلازل.
لمزيد من المعلومات عن نظام تحديد الموقع GPS تجدها على هذه المواقع
http://www.trimble.com/gps/whygps.shtml
http://www.nasm.si.edu/exhibitions/gps
http://electronics.howstuffworks.com/gps.htm
