شرح وافي لنظام GPS لتحديد المواقع

 شرح وافي لنظام GPS لتحديد المواقع

اقدم لك شرح وافي لنظام GPS لتحديد المواقع


• تعريف تقنية GPS وطريقة عملها
• مكونات نظام GPS
• استخدامات نظام GPS
• فوائد نظام GPS



في البداية اعتذر مقدماً على الإطالة ولكني احببت ان يحتوي الموضوع على شرح تفصيلي للنظام بجميع جوانبه واستخداماته المختلفه .



• تعريف تقنية GPS وطريقة عملها

تقنية GPS او Global Positioning System هى نظام يستخدم عالميا لتحديد ورصد الاجسام او المركبات المتحركة بدقة شديدة وذلك بواسطة شبكة من الاقمار الصناعية يتراوح عددها من 18-24 قمرا صناعيا تغطى فضاء الكرة الارضية ، استخدام GPS اقتصر قديما على المؤسسات العسكرية الكبرى والتى كانت تستغلها لمعرفة تحركات القوات والمعدات العسكرية فى مناطق
الحروب والنزاعات ومراقبة مواقع تلك القوات بصفة مستمرة ، تعمل GPS فى اى طقس وطوال اليوم وبدون تكلفة تذكر، سمح للجهات المدنية منذ اوائل الثمانينات باستخدام GPS فى شتى الاغراض لمتابعة حركة وسائل النقل وتأمينها وقت اللزوم وخاصة حركة القطارات والسفن .

تمسح الاقمار الصناعية الخاصة بـ GPS الكرة الارضية مرتين يوميا وترسل معلوماتها الى المحطات الارضية حيث جهاز الاستقبال الخاص بـ GPS والذى يحلل معلومات الاقمار الصناعية لتحديد احداثيات الاشياء بدقة

يرصد جهاز الاستقبال الوقت الذى تم فيه ارسال الاشارة التى تحتوى على معلومات او احداثيات الهدف المتحرك من القمر الصناعى وكذلك وقت استقبال الاشارة فى المحطة الارضية بحيث ان الفارق بين الوقتين يحدد مسافة الهدف او بعده عن هذا القمر الصناعى ومع تكرار الاشارات المرسلة من اكثر من قمر صناعى يستطيع جهاز استقبال GPS تحديد موقع الهدف واظهاره على خريطة موضوعة على شاشة الكترونية .

لابد ان يرتبط جهاز الاستقبال بثلاثة اقمار صناعية على الاقل تمده بمعلومات عن الهدف حتى يحدد البعد الافقى والرأسى للهدف المرصود ولتحديد البعد الثالث للهدف يلزم ارتباط جهاز الاستقبال باربعة اقمار او اكثر ،
اجهزة GPS ترصد اهدافها بدقة وان كان هناك نسبة خطأ تتراوح بين 3-5 امتار مع ملاحظة ان الاجهزة الحديثة تحاول التغلب على هذه النسبة



• مكونات نظام GPS

يتكون نظام تحديد المواقع GPS من ثلاثة وحدات رئيسية هي :
1- الأقمار الصناعية GPS Satellites
2- نظام التحكم الأرضي GPS Ground Control Segment
3- جهاز الاستقبال Receiver


1 – الأقمار الصناعية :

تتسم الأقمار الصناعية في نظام GPS بعدة خصائق أهمها :

أ‌- يبلغ وزنها حوالي 845 كيلو جرام .
ب‌- يصل عمرها الإفتراضي إلى سبع سنوات ونصف .
ج‌- يتمثل مصدر طاقتها بطاريات تشحن بالطاقة الشمسية ، تبلغ مساحتها 7.25 متر مربع .
د - تدور حول الأرض في كل 12 ساعة .
هـ- يبعد القمر الصناعي عن سطع الأرض بمسافة تصل إلى
20200 كيلو متر

ويتمثل دورة القمر الصناعي في تحديد المواقع من خلال الوضائف التالية :

أ‌- استقبال وتخزيم البيانات المُرسلة من محطة التحكم .
ب‌- الحصول على التوقيت الدقيق عن طريق ساعات الروبيديوم والسينيزيوم .
ج‌- إرسال المعلومات للمستخدم عن طريق إشارات مختلفة .
د- المناورة لتعديل المدار عن طريق التحكم الأرضي .

2- نظام التحكم الأرضي :-

يتكون نظام التحكم الأرضي من خمس مراكز موزعه على أنحاء الكره الأرضية
والصورة التالية توضح ذالك

3- جهاز الإستقبال :-

يعد جهاز الإستقبال الآلة الوحيدة التي تُمكن مستخدم هذا النظام من الحصول على المعلومات سواء معلومات عن تحديد المقع او معلومات عن الأقمار الصناعية ، ويتكون جهاز الإستقبال من وحدتين رئيسيتين هما معدات الإستقبال Hardware وبرامج المعالجة Software


أنواع أجهزة GPS :
هنالك ثلاثة انواع لإجهزة GPS تتوزع إستخداماتها بأشكال مختلفة تماماً سواء في الإستخدامات المدنية او الإستخدامات العسكرية او الإستخدامات العلمية وهي :

1- نظام الملاحة اليدوي :
وهو المتوفر في الجوالات و PDA و الأجهزة المحمولة ويسمى Handheld GPS

2- نظام الملاحة للمركبات :

وهو يركب في المركبات ويقوم بإرشاد المركبات حول الطرق التي يجب إتباعها للوصول إلى الهدف 

ويقوم بعرض اقرب الطرق وما إلى ذالك ومن هذا النوع الذي يستخدم في الملاحة البحرية او في السيارات والناقلات و يسمى In-Dash GPS

3- نظام التعقب :

وهو نظام الذي يحدد مكان حامل الجهاز مرسل الإشارة ويسمى

GPS Tracking system

• استخدامات نظام GPS :

انتشر وتطور هذا النظام بشكل كبير جداً ويستخدم في مجالات عديده واجهزه كثيره جداً ولن نستطيع حصرها جميعاً لذالك سوف نتطرق على الإستخدامات الأكثر شيوعاً لهذا النظام 

1- في المركبات :-

تستخدم تقنية GPS على نطاق واسع فى تتبع المركبات والسيارات و يتكون هذا النظام من وحدة الاستقبال GPS Reciver وهى الوحدة التى يتم تركيبها فى المركبة وايضاً لابد من وجود محطة تحكم ارضية تديرها وتملكها الشركة المقدمة لخدمة GPS ،و جهاز كمبيوتر خادم متصل بالانترنت Web Server ، اما جهاز الاستقبال الذى يتم تركيبه فى السيارة فيقوم بتحديد احداثيات السيارة والاتجاه الذى تسير فيه وسرعتها وكذلك الوقت الحالى لهذه البيانات وتتوافر تلك البيانات بعد اتصال وحدة الاستقبال بعدد من الاقمار الصناعية لايقل عن ثلاثة ، 

هذه المعلومات يتم تكويدها وضغطها وارسالها فى صورة رسالة SMS الى مركز التحكم الارضى ، تقوم وحدة التحكم الارضية بدورها بارسال بيانات المركبة الى جهاز الكمبيوتر او السيرفر والذى يقوم بدوره بعرض بيانات السيارة على خرائط مخزنة على السيرفر ، هذه البيانات ايضا يتم تخزينها فى قاعدة بيانات فى حالة الرغبة فى الرجوع اليها مستقبلا ، 

عملية ضغط البيانات المرسلة تتيح ارسال كمية كبيرة من البيانات حول موقع السيارة ، حيث يمكن ان تحتوى رسالة SMS على حوالى 20 بيان حول حركة السيارة بمعدل بيان كل 3 دقائق ، تكويد البيانات يضمن سرية المعلومات وحتى لايتم فك الشفرة الا بواسطة الويب سيرفر المستقبل للبيانات .

هذا النظام يمكنه متابعة العديد من السيارات فى وقت واحد وهو ما يفيد الشركات المالكة لاساطيل النقل والتى قد تتحرك فى مجموعات كبيرة فى وقت واحد ، مستخدم النظام او الشخص المتابع للسيارات يمكنه الدخول الى الويب سيرفر من خلال اسم المستخدم وكلمة السر حيث يمكنه متابعة حركة السيارات الخاصة به من خلال خريطة موضح عليها كل سيارة بلون مختلف ، هذه الخريطة يتم تحديثها بصورة مستمرة ويمكن تكبيرها وتصغيرها حسب رغبته، ومن خلال قاعدة البيانات المخزنة على السيرفر يمكن للمستخدم معرفة سجل كامل لحركة السيارة منذ بداية تحركها وحتى توقفها .

2- في اجهزة الهاتف المحمول :-

مع تطور شبكات الهواتف الخلوية-المحمولة وظهور شبكات الجيل الثالث-3G ، بدأت تقنية GPS فى احتلال مكانة متقدمة فى تقنية الهواتف الخلوية وبدأت الشركات المنتجة للهواتف المحمولة فى الاهتمام بإنتاج هواتف قادرة على الاستفادة بتقنية تحديد المواقع المعروفة بـ GPS 

من المعروف ان الهواتف الخلوية-المحمولة ترسل وتستقبل معلوماتها عبر موجات الراديو-Radio Waves ، تتكون شبكة الهاتف المحمول من مجموعات من الابراج الهوائية والمحطات الارضية ويطلق على كل مجموعة مستقلة خلية او Cell وبذلك تكون الشبكة مكونة من مجموعة من الخلايا-Cells ، يحتوى اى هاتف خلوى على جهاز ارسال يسمى low-power transmitters وهو الجهاز المسئول عن تبادل المعلومات مع اقرب برج اومحطة من مكان االهاتف المحمول 

تقوم المحطات الارضية بملاحظة قوة الاشارة المرسلة من جهازك وعندما تقوم بالتحرك الى مسافات بعيدة او تسافر مثلا فان اشارة هاتفك تنتقل من محطة محمول الى اخرى حيث تزداد قوة الاشارة كلما كنت قريبا من المحطة او البرج وتضعف كلما ابتعدت عنها ، اجهزة الكمبيوتر الموجودة فى المحطات الارضية تستطيع بواسطة البرامج المثبتة عليها معرفة البرج الهوائى الذى يتبادل المعلومات مع جهازك وعن طريق قوة الاشارة المتبادلة بينك وبين البرج يمكن لاجهزة الكمبيوتر تقدير المسافة بينك وبين البرج الهوائى وذلك بالاضافة الى بعض المعلومات الاخرى مثل 

- زاوية الاقتراب من المحطة الهوائية او البرج

- المدة التى تستغرقها الاشارة فى الوصول لمحطات مختلفة

- قوة الاشارة عند الوصول الى المحطة

بتجميع هذه المعلومات يمكن لشبكة الهاتف المحمول تحديد موقع الجهاز بصورة تقريبية .

ولكن يعيب هذه الامكانية بعض الصعوبات المتمثلة فى وجود عوائق طبيعية مثل الاشجار والجبال والمبانى المرتفعة والتى تتسبب فى طول الفترة الزمنية التى تستغرقها الاشارة للوصول الى اقرب برج او محطة منمحطات الشبكة مما يؤدى الى عدم تحديد 

موقع المشترك بدقة ، من هنا بدأت شركات المحمول الشهيرة مثل شركة نوكيا تاخذ فى اعتبارها عند تصنيع اجهزتها الجديدة ادماج نظام الملاحة العالمى GPS فى اجهزتها ، بحيث يحتوى الجهاز على وحدة استقبال او GPSReceiver لتحديد المواقع 

فى هذه التقنية تعتمد اجهزة استقبال GPS الموجودة فى الهواتف الخلوية على الحصول على معلوماتها من الاقمار الصناعية بدلا من محطات المحمول ، يتم حساب الفترة الزمنية 

التى تستغرقها موجات الراديو من الاقمار الصناعية الى جهاز استقبال GPS وبالتالى يتم احتساب المسافة بين القمر الصناعى وجهاز الاستقبال لحظيا ،

يحتاج ارسال المعلومات من الاقمار الصناعية الى كمية كبيرة من الطاقة المستهلكة من بطارية الجهاز خاصة فى الاجهزة القديمة وللتغلب على هذه المشكلة تقوم شبكة المحمول المقدمة للخدمة بامداد جهاز استقبال GPS ببعض المعلومات الاساسية مثل اقرب قمر صناعى من الجهاز يمكن من خلاله الحصول على معلومات تحديد الموقع مما يوفر كثيرا من الوقت والطاقة المستهلكة ايضا

• فوائد نظام GPS

يوفر هذا النظام الكثير من الخدمات حيث يستطيع المستخدمون من تحديد اوقات الشروق والغروب والأبعاد والإتجاهات والطرق المؤدية إلى هدف ما 

بل طورت بعض الشركات النظام ليوفر إمكانيات مثل تحديد خطوط الطول والعرض التي يمكن ان تعمل بها أي مركبة إضافة إلى امكانية تشغيل او ايقاف تشغيل أي مركبة هاتفياً .

حالياً لا يمكن لأي سفينة او طائرة العمل بدونة

كما يوفر النظام دقة تصل إلى اكثر من 98% وتكون نسبة الخطأ في الغالب في حدود امتار معدوده من 1 إلى 3 امتار او اقل من ذالك .