[b]Global Positioning System GPS[/b]

[size=12]
بدأ الإنسان العصري مع تطور أجهزة القياس الحديثة بتحديد إحداثيات موقعه و اتجاه سفره بشكل أفضل مستخدما أجهزة القياس الإليكترونية مثل لوران (Loran) و ديكا (Decca) التي تعمل على مبدأ الأمواج الكهرطسية. تتجلى نقاط ضعف هذه الأجهزة باستخدامها المقتصر على الأعمال البحرية ذات المجال المحدود و تأثر دقة قياساتها بالعوامل الجوية وتغير طبوغرافية الأرض المحيطة بالشواطئ المؤثرة على ترددات الأمواج والإشارات المبثوثة. بعد ذلك تم استخدام نظام العبور الملاحي في عام 1967
( Navy Navigation Satellite System TRANSIT ) المكون من الأقمار الصناعية القليلة العدد وذات مدارات الدوران المنخفضة جدا. إن عملية القياسات بهذا النظام تتم على مبدأ جهاز دوبلر Doppler) (ذو الترددات المنخفضة و لهذا فان أية حركة خفيفة في أجهزة الاستقبال الأرضية سوف تؤثر بشكل واضح على دقة موقع هذا الجهاز. بشكل حديث جدا ومع تطور التكنولوجيا الحديثة في مجال الملاحة وأجهزة الحواسب الإليكترونية (الكومبيوتر) تم استخدام نظام التعيين الإحداثي الكروي العالمي (NAVSTAR) Navigation Satellite Timing and Ranging) أو ما يعرف بنظام الجي بي اس
-Global Positioning System GPS- يستخدم هذا النظام الإشارات اللاسلكية المبثوثة من أقماره الصناعية (Satellites) في تحديد مواقع النقاط المطلوب رصدها على أي مكان من سطح الكرة الأرضية . يزود الجي بي اس ذو النظام الديناميكي و المحمول (السيارة, الباخرة, الطائرة, على ظهور الجمال في الصحراء أو الفيلة في الغابات الخ) كافة المعلومات اللازمة لإنجاز عملية الملاحة بنجاح.
نظام التعيين الإحداثي الكروي الأساسي (الجي بي اس)
Standard Global Positioning System GPS))
تم استخدام الجي بي اس منذ عام 1973 بهدف الاستطلاع والمراقبة وأصبح متاح للاستخدامات المدنية منذ بداية الثمانينات. يتكون هذا النظام من 24 قمرا صناعيا يدورون حول الكرة الأرضية بارتفاع تقريبي قدره 20كم. تشكل كل أربعة أقمار سوية مدار اهليلجي(Orbit) ذو ميول زاوي عن الأفق مقداره 55 درجة (Orbital Inclination)وبالتالي توجد ستة مستويات مدارية متباعدة عن بعضها البعض بشكل متساو تحيط بالكرة الأرضية. يؤمن الجي بي اس لمستخدمي الجو و الأرض و البحر السهولة بتحديد السرعة و الزمن و الاتجاه و الموقع ذو الإحداثيات الثلاثة بدقة عالية جدا و على مدار ال24 ساعة وفي كل الأحوال الجوية وعلى أي مكان من الكرة الأرضية إضافة لما ذكر آنفا, يمتلك الجي بي اس تأثيرات فعالة على كل المجالات الهندسية و الجيوفيزيائية و الاتصالات اللاسلكية و الأغراض الملاحية بكل أنواعها البحرية و الجوية و الأرضية وخصوصا على (جي آي اس)
(Geographical Information System GIS) نظام المعلومات الجيوغرافية الذي يتطلب إطار دقيق من النقاط الهيكلية الجيوديزية المحلية والعالمية لتأمين المعلومات الجيوديزية اللازمة لتحديد أهداف ملاحية و مساحية وأمنية خاصة بالمصلحة العامة والخاصة بشكل سريع ومحدث. تقوم هذه الأقمار ذو المواقع المعروفة بدور النقاط الهيكلية الجيوديزية المرجعية (Satellite Reference Systems) بالنسبة لمواقع أجهزة الاستقبال الموجودة على الأرض(Local Reference Systems) و المطلوب تعيين احداثياتها. تظهر الأهمية البالغة لنظام الجي بي اس في الأعمال الجيوديزية و المساحية الضخمة والصعبة وذلك 1 : ) تصميم الشبكات الكبيرة التي تغطي مساحات شاسعة من سطح الكرة الأرضية. 2) سهولة إعادة رصد وتحديث هذه الشبكات بشكل متكرر وسريع. 3) تعيين المواقع الإحداثية والتغيرات الحاصلة بها بدقة متناهية جدا وخلال فترات رصد قصيرة وبمسافات طويلة جدا ودون الحاجة لتأمين شرط الرؤيا بينها والذي يعتبر أساسيا عند استخدام الطرق المساحية الأخرى

قطاع التحكم العملياتي (Operational Control Segment OCS)

تبث الأقمار الصناعية وهي في حالة دورانها المستمر إشارات إليكترونية تحت تأثير قطاع متحكم من الترددات الثابتة والدقيقة إلى الأرض. تتمثل مهمة هذا القطاع كما هو مبين في الشكل :1- مراقبة وضبط عمل هذه الأقمار والكشف عن أعطالها بشكل مستمر ومبكر, 2- تعيين زمن توقيتها , 3- التنبؤ عن مواقع مدارات الأقمار وتعيين زمن توقيتها, 4- التحديث المستمر للمعلومات الملاحية المبثوثة و الإبلاغ الفوري عن الأقمار المعطلة إلى محطات المراقبة الأرضية.
تستخدم أقمار الجي بي اس تواقيت صغيرة جدا (atomic clocks) و نطاقين من الترددات النظامين (Frequency bands) في عملية بث الإشارات التي تتضمن المعلومات الضرورية لتنفيذ عملية الملاحة والمتمثلة:
1- زمن و موقع كل قمر بالنسبة للمدار الخاص به(Ephemeredes or orbital position)
2- التصحيحات الزمنية لتوقيتها (Correction to their clocks)
3- والمواصفات العامة للتقويم الزمني (General Almanac) على المدى الطويل لكل مدارات الأقمار الصناعية.
تنقل هذه الإشارات على نوعين من الأمواج (Carrier frequencies) وبتردد أساسي مقداره (10.23 MHz)
تبلغ أبعاد هذه الأمواج كما يلي :
1) الموجة الأولى L1=154*10.23=1575.42 MHz (19.05 cm)

2) الموجة الثانية L2 =120*10.23=1227.60 MHz (24.45 cm)

تم تشفير هذه الترددات بنوعين من الشفرات الخاصة (codes) كما يلي:
1) الشفرة الدقيقة المحملة على الموجة L1 (Precise code, P code=10.23 MHz)
2) الشفرة المشوشة المحملة على الموجة L2 1.023 MHz) =(Coarse Acquisition code, C/A

يقوم جهاز الاستقبال بتلقي الإشارات وحل الشيفرة محددا بذلك زمن وصولها إليه. إذا تزامنت توقيت جهاز الاستقبال مع توقيت الأقمار فان رصد ثلاثة أقمار ذات مواقع متباينة كافية لتحديد الإحداثيات الثلاثية لموقع جهاز الاستقبال. لكن في الحالة العملية رصد أربعة أقمار لحذف تأثير التباين الزمني غير المعلوم و الموجود بين هذه االتواقيت نتيجة عدة عوامل مؤثرة خارجية وداخلية (انظر إلى الفقرة التالية المتضمنة العوامل المؤثرة على دقة الجي بي اس ). لتعيين قيمة هذا المقدار الزمني المجهول (Ambiguity) والذي يأخذ الرمز كما هو مبين في الشكل 12 (B,C) فأنه من الضرورة رصد قمر رابع . يتشكل أيضا هذا التباين الزمني المذكور آنفا عندما يفقد جهاز الاستقبال اتصاله (الإرسال اللاسلكي) بشكل مفاجئ مع قمر أو أكثر
تعزى أسباب فقدان هذا الاتصال إلى عدة عوامل أبرزها:
1. مرور طائرة بين القمر و جهاز الاستقبال مشكلة بذلك حاجز مادي وانقطاع مفاجئ في عملية الإرسال.
2. تواجد القمر الصناعي على مستوى منخفض من مستوى مجال عمل جهاز الاستقبال.
3. تراكب وتداخل الأمواج الحاملة للإشارات فيما بينها عند هوائي جهاز الاستقبال

تتجاوز قيمة هذا الانخفاض الزمني في بعض الحالات إلى ملايين من الدوائر الزمنية أو عدة دوائر و أحيانا نصف دائرة (180 درجة) وذلك تبعا لنوعية وحجم العوائق. توجد عدة طرق رئيسية لمعالجة هذا التباين الزمني في عدد الأمواج والذي يؤثر على دقة الجي بي اس:
1- الطريقة الهندسية (The Geometric Method)
2- طرق بحث عن الفارق الزمني (The Ambiguity Search Methods)
3- الطريقة التجميعية (التراكبية) لمجموعة حامل الموجة والشيفرة (The Combination of Code and Carrier Phase Observation)
4 - الطرق التجميعية العامة (The Combined Methods)
5 - الطرق الهيروستكية التقريبية (Heuristic Techniques)
تعتبر الطريقتين الأولى و الثانية الأكثر استخداما في حل مشكلة الفارق الزمني المتأصل
الطريقة الأخيرة (Heuristic ) فتدعى بالطرقة الهيروستكية أو التقريبية و تعتبر الأكثر حداثة في حل مسألة تكون هذا الفارق الزمني. أن أصل كلمة هيروستيك هي
(Heuriskein) اكتشف الحل المقبول والمناسب جدا بأسرع وقت ممكن مستخدما المعرفة المكتسبة بالخبرة ودون الحاجة للبحث عن كل الحلول الممكنة للمسألة المراد معالجتها. إن علم الهيروستك أو التحسين التقريبي علم حديث جدا يعتمد على الذكاء والخبرة والمعرفة في حل المسائل الحياتية الضرورية والمعقدة وبأسرع وقت ممكن ودون الحاجة إلى استخدام المعادلات الرياضية المعقدة أثبتت هذه الطرق الهيروستكية المبنية على أفكار من البحث العملياتي و الذكاء الإبداعي (Artificial Intelligence, AI) نجاحها العظيم في إيجاد الحلول المناسبة لتصميم الشبكات الجيوديزية والمساحية الكبيرة بأقل جهد حسابي ممكن مختصرة الحجم الهائل للحلول المتوفرة. لقد تبين من النتائج الحاصلة انه بالإمكان تصميم الشبكات المساحية الكبيرة المرصودة بالجي بي اس بشكل فعال وسريع باستخدام طرق التحسين الهيروستكية المبرمجة بلغة الحاسب

العوامل المؤثرة على دقة نظام الجي بي اس (Satellite Errors) :

تتأثر دقة قياسات الجي بي اس بعدة عوامل داخلية تتعلق بالأقمار الصناعية وأجهزة الاستقبال و بعوامل خارجية تتعلق بالأمواج الحاملة للإشارات كما هو مبين في الشكل 12 سابقا:
(1) تأثير طبقات الغلاف الجوي المحيط (Ionosphere and Troposphere ).
(2) الضجيج في أجهزة الاستقبال .(Receiver Noise)
(3) أخطاء في شيفرة الأقمار الصناعية (Ephemeris).
(4) الانعكاسات المتداخلة للإشارات المبثوثة .(Multipath)

1- تأثير العوامل الجوية المحيطة(The Atmospheric Effect) :

تتأثر سرعة الإشارات بالعوامل الجوية المتمثلة بالطبقة العليا والسفلى للغلاف الجوي.
إن جزئيات الايونوسفير وبخار الماء في التربوسفير تسبب في تأخير سرعة الإشارات وبالتالي على دقة الموقع المراد تحديده. تستخدم أجهزة الاستقبال المتطورة عوامل تصحيح آنية خلال إجراء عملية القياسات ولكن باعتبار إن المناخ الجوي متغير من نقطة إلى أخرى ومن لحظة إلى أخرى فانه من الصعوبة تامين عوامل التصحيح المناخية المناسبة التي تعوض التأخير الحاصل في سرعة الإشارات.

2-- تأثير جهاز الاستقبال (Receiver Effects) :

إن المهمة الأساسية للأجزاء الداخلية الإليكترونية لجهاز الاستقبال التقاط وتجميع وتنقية و تحليل الإشارات المبثوثة بغية تأمين المعلومات الضرورية لتنفيذ عملية الملاحة بنجاح. يتأثر عمل هذه الأجزاء الحساسة بعدة عوامل خارجية وداخلية أهمها:
التغير الشاقولي لمركز مجال هوائي جهاز الاستقبال(antenna phase canter) تبعا لمستوى ارتفاع القمر (Satellite elevation) و قوة الإشارة وتأثير تعدد مجازاتها في جوار الهوائي .
multipathing) (The signal strength and the
تغير توزع ووصول الإشارات المستمر.
عدم استقرار التواقيت الداخلية واهتزاز نوابضها تبعا للعوامل الخارجية كالرياح وحركة الأرض بجوار جهاز الاستقبال.

3-- أخطاء الأقمار الصناعية(Satellite Errors) :

أن الدقة البالغة لمواقع الأقمار الصناعية في الفضاء لها أهمية عظيمة باعتبارها النقاط البدائية لعملية الحساب و القياس ولهذا السبب تم ضبط حركة هذه الأقمار بمدارات اهليلجية ثابتة وغير متأثرة بالتقلبات المناخية المحيطة.

4-- تأثير تعددية مسار الإشارات (Multipath Effect):

تنحرف الإشارات المبثوثة عن مسارها المباشر عند اقترابها من سطح الكرة الأرضية وتصل إلى هوائيات أجهزة الاستقبال عبر مسارات متعددة (مباشرة وغير مباشرة) بسبب وجود بعض العوائق المحيطة بأجهزة الاستقبال كالأبنية وغيرها و يسمى الخطأ الناتج عن هذا التأثير بالخطأ المتعدد المجازات كما هو مبين في الشكل (16)لاحقا. يستقبل الهوائي الإشارة المباشرة في البداية (لان الممر المباشر دائما أسرع) ومن ثم تصل الإشارات المنعكسة متأخرة بعض الشي وهذا ما يؤدي إلى تداخل وتراكب الإشارات المتأخرة مع الإشارة المباشرة مسببة وجود نتائج غير صحيحة في إحداثيات موقع جهاز الاستقبال. يعتبر تأثير تعددية مجاز الإشارات من أهم الأخطاء المؤثرة على دقة الجي بي اس لصعوبة تحديده وتغيره من فترة إلى أخرى بسبب الدوران المستمر للأقمار. كمثال واقعي يومي على هذا الخطأ يمكن أن يلاحظ في أجهزة التلفاز عندما تظهر خيالات متعددة للصورة الأصلية على الشاشة بسبب أن الإشارة المبثوثة من المحطة الرئيسية قد تأخذ أكثر من ممر لتصل إلى هوائي التلفزيون وبالتالي تظهر عدة صور متراكبة فوق بعضها البعض في نفس الوقت.

نظام التعيين الإحداثي الكروي التفاضلي
( Differential Global Positioning System GPS)

تهدف فكرة الجي بي اس التفاضلي إلى حذف معظم الأخطاء الطبيعية والأخطاء المتسببة من قبل المستخدم و المؤثرة بشكل غير مباشر على عملية القياسات وذلك باستخدام جهازين استقبال أو أكثر بآن واحد (أحد هذه الأجهزة على الأقل ثابت) خلال عملية الرصد من بدايتها وحتى نهايتها. يدعى جهاز الاستقبال الموضوع على النقطة الثابتة ذات الإحداثيات المعلومة والمحسوبة مسبقا بدقة متناهية جدا بالجهاز المرجعي(Reference Receiver) ومهمته مراقبة وتسجيل الأخطاء المتشكلة في قياسات أجهزة الاستقبال المتحركة (Roving Receiver) وتحديد حجمها الفعلي وتقدير تصحيحاتها ومن ثم تطبيقها على القياسات المرصودة آنيا (real-time) (position measurement) أو بعد الانتهاء من عملية الرصد. تنفذ عملية تصحيح القياسات في كافة التطبيقات المدنية بسرعة جدا تترواح من 2 إلى 30 ثانية. يتم حساب حجم هذه الأخطاء المتغيرة التأثير والتي يصعب التنبؤ عن حدوثها بمقارنة الإحداثيات الجديدة المرصودة بالجي بي اس مع الإحداثيات القديمة المرصودة بالطرق المساحية الأخرى لنفس النقطة (ومن هنا تأتي كلمة تفاضل). أن المفهوم التفاضلي لتصحيح قياسات الجي بي اس مستخدم بشكل عالمي في التطبيقات العلمية والصناعية ولهذا فانه توجد معدلات قياسية عالمية (IALA) International Association of Lighthouse Authorities الإرسال واستقبال هذه التصحيحات تسمى (البروتوكول) . تعتبر عملية الرصد باستخدام الجي بي اس الأساسي مستقلة كون أن القياسات ترصد بأجهزة الاستقبال المتحركة وباستخدام الأقمار الصناعية كنقاط مرجعية لها, في حين تنفذ عملية الرصد في الجي بي اس التفاضلي بأجهزة الاستقبال المتحركة وباستخدام جهاز الاستقبال الثابت الذي يربط كل القياسات به كنقطة مرجعية
تتبن قدرة و فعالية الجي بي اس التفاضلي في تأمينه الدقة العالية التي تجعل منه نظام ملاحي عالمي و وسيلة فعالة لتحديد حركة وموقع أي جسم على هذه الكرة الأرضية.

استخدامات الجي بي اس التفاضلي

تقوم محطات التقوية الثابتة (Marine Radio Beacons) والمنتشرة على كافة السواحل العالمية بتدعيم عمل الجي بي اس عن طريق بث واستقبال الاشارت وإجراء التصحيحات الفورية عليها. باعتبار إن هذه التصحيحات متوفرة بشكل حر وبالتالي فلا حاجة لجهاز استقبال ثاني لتنفيذ عملية الرصد التفاضلي لان اقرب محطة ثابتة سوف تقوم بالعمل وكأنها جهاز استقبال أخر. يلعب نظام الجي بي اس التفاضلي دورا هاما في الملاحة البحرية وعلى الأخص فيما يتعلق بأعمال الحماية والحراسة البحرية (The Coast Guard) وذلك:
1) بتزويد كل المتطلبات الضرورية التي تتضمن عوامل الأمان.
2) التنبؤ عن الأحوال الجوية.
3) تامين عوامل الإنقاذ في حالة الطوارئ.
4) إبقاء السفينة على مسارها الصحيح والسريع في المناطق المزدحمة بالبواخر الأخرى و تجنب صخور مداخل الموانئ أثناء عبورها منه واليه وبالتالي تحسين عوامل الأمان وحماية البيئة البحرية بسبب توفير الوقود واستخدامه الجيد.
5) توافق عمليات تصميم وصيانة المواني والمرافئ البحرية مع الخرائط المصممة لها.
6) تعيين العمق الدقيق للمرافق و مراقبة معدل الرواسب المتراكمة -أزالتها من القاع بشكل فعال (Dredging).

- لأعمال الطيران المدني (Aviation) يتجلى استخدام الجي بي اس في عدة عوامل:
1) مساعدة الطائرات بالهبوط السليم في حال الرؤيا الصعبة دون اللجوء لاستخدام أشعة الملاحقة التقليدية(Instrument Landing Systems) المكلفة جدا و غير المتوفرة إلا في المطارات الضخمة جدا
2) تصبح عملية الملاحة الجوية سهلة ومن الممكن توفرها في أي مطار مع الازدياد المتحسن لعوامل أمان الطائرات و الاقتصاد العالي لاستهلاك الوقود والاستخدام الجيد لممرات العبور الجوية.
3) تأمين طريقة مرنة و دقيقة لعمل نقاط وسائل تحكم الطائرات و حركات مركبات الخدمة الأرضية بين الطائرات أثناء عمليات الهبوط والإقلاع.
جدولة الرحلات الجوية الكثيفة بدقة وفي الوقت المناسب
في مجال تنظيم عمل المصادر الطبيعية (Natural Resource Management) تطورت عمليات تنظيم الموارد الحيوية بشكل كبير جدا باستخدام الجي بي اس و أصبحت أكثر سهولة ودقة من السابق مثل:
1 رسم خرائط ممرات المناجم و أحواض التخزين المائية ومناطق صيد الأسماك.
2 إمكانية تنفيذ كثير من الأعمال المتكررة والضرورية بشكل سهل و أوتوماتيكي كصيانة الخرائط الدقيقة وتطوير عمليات الحماية و الخدمة.
3 السهولة البالغة بمساحة طرق جديدة في الغابات الضخمة التي تتطلب عمل كبير جدا لامتدادها الكبير وصعوبة الأرض الطبوغرافية.
4 السرعة بتنظيم وإيقاف زحف حرائق الغابات عن طريق استخدام طائرات الهيليكوبيتر المزودة بأجهزة الجي بي اس التي تقوم بالطيران السريع وأخذ القياسات المساحية بدقة متناهية و بوقت قصير جدا حول محيط المنطقة المحروقة وبشكل آني تنتج خريطة دقيقة لحجم الحريق تفيد في تأمين العدد اللازم لرجال الإطفاء وإرشادهم إلى المكان الصحيح للمنطقة المحروقة.
في مجال الأعمال الزراعية(Agriculture) بحماية البيئة عن طريق تنظيم رحلات الطائرات الزراعية التي تغطي المنطقة الواجب رشها بالبذور بدقة عالية جدا و تصميم الخرائط الخاصة بأحوال التربة لتعيين كمية المواد الكيميائية المناسبة وتحديد معاييرها النظامية اللازمة لعمليات تغذية التربة بدقة بالغة. في مجال اكتشاف الموارد البحرية (Offshore Exploration) بتلافي صرف الأموال الباهظة في عمليات البحث عن الأماكن المناسبة لإقامة أعمال النقب والحفر وخاصة في منتصف المحيطات الخالية من النقاط المرجعية ( علامات أرضية) وتنظيم عمل رأس آلة التنقيب بدقة هائلة جدا مع التخطيط الدقيق للمساحة و هزات الزلازل التي تسبق عمليات التنقيب.