مباديء عمل نظام الجي بي أس GPS
مبدأ التقاطع العكسي (Resection )
وينص على أنه في حالة معرفة إحداثيات ثلاث نقاط أو أكثر فمن الممكن حساب إحداثيات أي نقطة مجهولة، وذلك بالوقوف عليها وقياس المسافات إلى تلك النقاط، .
مبدأ قياس المسافة عن طريق معرفة زمن سفر الإشارة من القمر حتى المستقبل (Receiver) على الأرض
، والذي يضرب بسرعة الضوء للحصول على المسافة.
مبدأ التصحيح النسبي للأرصاد:
يصنف النظام من بين الأنظمة النسبية (Relative Systems) والتي تعتمد على عمل جهازين أو أكثر في نفس الوقت، ومن ثم حساب إحداثيات النقاط المجهولة (Rovers) بالنسبة إلى النقطة المعلومة (Reference)، ويمكن بهذه الطريقة الوصول إلى مستويات عالية جداً من الدقة.
علماً أنه يمكن استخدام النظام وفقاً لمفهوم الأنظمة المطلقة (Absolute Systems) التي تعتمد على عمل جهاز بشكل منفرد, ولكن الدقة في هذه الحالة ستكون منخفضة كما هو الحال في الأعمال الملاحية.
إن هذه المبادئ ورغم بساطة مفهومها فإنها تطبق باستخدام تكنولوجية متطورة جداً في نظام تحديد المواقع العالمي.
- الفكرة الأساسية لإيجاد إحداثيات النقاط على سطح الأرض بواسطة GPS:
من المعروف في المساحة الأرضية انه إذا كان لدينا إحداثيات نقطتين فأننا نستطيع حساب المسافة بينهما وكذلك الانحراف. ولو كان لدينا نقطة مجهولة الإحداثيات ونريد إيجاد إحداثياتها فنقيس المسافة بين تلك النقطة وثلاث نقاط أخرى معلومة الإحداثيات(على الأقل) وباستخدام المعادلات الرياضية يمكن إيجاد إحداثيات تلك النقطة المجهولة.
فمنذ أن كان النظام الكوني لتحديد المواقع GPS يعتمد على المدى ( المسافة ) بين موقع القمر في مداره المعلوم الإحداثيات وبين النقطة المراد إيجاد إحداثياتها على الأرض فأننا بحاجة إلى طريقة لحساب كم تبلغ هذه المسافة بين القمر الصناعي والنقطة المرصودة على الأرض ؟
إذا فان قانون السرعة الشهير هو القانون المستخدم في هذا النظام
القانون :
المسافة = السرعة × الزمن
فلو رجعنا إلى حل هذه المسالة الرياضية البسيطة فسنعرف كيف تتم عملية حساب المسافة بين النقطة المرصودة بجهاز تحديد المواقع GPS والقمر الصناعي:
المسألة:
إذا كانت سيارة تسير بسرعة 60كم/ساعة. احسب المسافة التي ستقطعها السيارة بعد ساعتين ؟
الجواب :
بما أن المسافة = السرعة × الزمن
إذا المسافة = 60كم/ساعة × 2ساعة = 120كم .
فكذلك النظام الكوني لتحديد المواقع GPS يعمل, فلو علمنا الوقت الذي تحتاجه الموجة أو الإشارة التي تنطلق من القمر الصناعي إلى أن تصل إلى المستقبلات الأرضية والتي سرعتها هي سرعة الضوء والتي 299792.5كم / ثانية في الفراغ لأصبح بالإمكان حساب المسافة بين القمر الصناعي والنقطة المرصودة بالمستقبلات الأرضية. ولكن بقى لنا أن نعرف متى تنطلق الإشارات والموجات من القمر الصناعي ؟
أن علماء و مصممو النظام الكوني لتحديد المواقع GPS توصلوا إلى فكرة ذكية جدا تتيح لهذا النظام التطابق والتزامن في الوقت بين ساعات الأقمار الصناعية وساعات أجهزة الاستقبال وبذلك أنتجوا وابتكروا بالضبط تشفيرا للموجات القادمة من الأقمار الصناعية مطابق للتشفير الموجود في موجات أجهزة الاستقبال الأرضية فحين تصل الموجة القادمة من القمر الصناعي إلى المستقبل الأرضي تقابلها موجات جهاز الاستقبال التي تحمل نفس الشفرة فمن تطابق الشفرتين أو عدم تطابقها يمكن حساب
الوقت الذي استغرقته الموجة القادمة إلى المستقبل الأرضي بكل دقه. لو كان هناك عدم توافق بين ساعات القمر الصناعي و ساعات المستقبل الأرضي فان المسافة المحسوبة بينهما تسمى بالمسافة الكاذبة "Psedo range".
طرق قياس المسافة بين القمر الصناعي والمستقبل:
يوجد طريقتين لقياس المسافة بين القمر الصناعي والمستقبل:
1- قياس مدي الشفرة (Ranging –code differential)
2- قياس الموجة الحاملة للطور( (Carrier phase differential
- فكرة عمل النظام الكوني لتحديد المواقع
يمكن تلخيص خطوات عمل النظام الكوني لتحديد المواقع GPS في خمس خطوات وهي:
الخطوة الأولى: أن النظام يعتمدا أساسا على طريقة التثليث الجوي بواسطة الأقمار الصناعية وأجهزة الاستقبال الأرضية.
الخطوة الثانية: لإكمال عملية التثليث, فان نظام الإحداثيات الكوني GPS يقوم بحساب المسافة باستخدام زمن رحلة الموجة وما بها من رسائل ومعلومات.
الخطوة الثالثة: لقياس زمن رحلة الموجة القادمة من القمر الصناعي والتي تحتوي على الرسائل والمعلومات إلى المستقبل الأرضي يحتاج إلى ساعات دقيقة جدا ومتوافقة تماما في الوقت فيما بينها .
الخطوة الرابعة: بمجرد معرفة المسافة بين المستقبل الأرضي والقمر الصناعي نحتاج إلى معرفة موقع القمر الصناعي بالتحديد.
الخطوة الخامسة: أن الإشارة الحاملة للمعلومات والقادمة من القمر الصناعي خلال رحلتها تتأثر بعدة عوامل منها طبقة الغلاف الأيوني و وطبقة الغلاف الجوي مما يجعلها تتأخر بعض الوقت.
- استخدامات النظام الكوني لتحديد المواقع GPS:
لقد أثبت نظام تحديد المواقع الكوني انه قادر اليوم مع تكنولوجيا الدوائر المتكاملة أو المندمجة أن يصبح أكثر سهولة واقل حجما وارخص سعرا مما كان عليه في السابق وبذلك أصبحت إمكانية استخدامه في كثير من التطبيقات والاستخدامات منها :
1. في جميع الأعمال المساحية والجيوديسيا الدقيقة كشبكات المثلثات والمضلعات.
2. رصد تحركات القشرة الأرضية .
3. رصد إزاحة المنشآت الحيوية كالكباري والجسور.
4. رصد ثبات وتحركات وهبوط ناطحات السحاب.
5. رصد الهبوط الحاصل في القشرة الأرضية.
6. إنتاج خرائط عالية الدقة مع كاميرات التصوير الجوي
7. يعتبر كنظام أساسي في أعمال الملاحة الجوية والملاحة البحرية والملاحة البرية.
8. في تحركات الجيوش العسكرية وتحديد الأهداف ويعتبر أيضا كوسيلة دفاع فعالة.
9. في أبحاث الفضاء.
10. يعتبر أفضل وارخص طريق لتجنب حوادث الاصطدام الهوائية.
11.يعتبر النظام قادر على إن يجعل لكل متر مربع على سطح الأرض عنوان محدد و واضح بالاشتراك مع نظم الإحداثيات الجغرافية GIS.
