وقد أصبحت تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع فائدة غير مرئية في كثير من الأحيان، تدعم الملاحة الحديثة، واللوجستيات، والاتصالات السلكية واللاسلكية، وحتى البحوث العلمية، ومن توجيه طائرة بدون طيار إلى ساحة خلفية لتزامن فترات العمليات المالية العالمية، فإن موثوقية النظام هي شهادة على وجود مزيج مذهل من الفيزياء الكلاسيكية، والقابلية الحديثة للتكرار، والمبادئ الهندسية المتطورة.

الهيكل الأساسي للنظام العالمي لتحديد المواقع

وفهما لعملية نظام تحديد المواقع، يجب أولا أن يقدر المرء الأجزاء الثلاثة المتميزة: الجزء الفضائي، والجزء المتعلق بالتحكم، والجزء المتعلق بالمستعملين، ويؤدي كل جزء دورا حاسما في ضمان دقة الإشارات المرسلة من المدار واستخدامها، وتشير المادة الأصلية بشكل صحيح إلى الاعتماد على الشبكات الساتلية، ولكن الغطس الأعمق في كل عنصر يكشف عن تعقيد النظام.

الجزء الفضائي: تركيبة بريسيس

ويتألف الجزء الفضائي من مجموعة إسمية من 24 إلى 32 ساتلاً تشغيلياً يدور حول الأرض على ارتفاع حوالي 200 20 كيلومتر (خمسة عشر ميلاً) في المدار الأرضي المتوسط (النظام الترددي) وترتّب هذه السواتل في ست طائرات مدارية مختلفة، بما يكفل أن تكون أربعة سواتل مرئية دائماً من أي نقطة على الكوكب، ويحمل كل ساتل عدة ساعات ذرية ذات طابع ثابت ومعايير جديدة للملاحة().

الجزء المتعلق بالتحكم: دماغ العملية

قسم التحكم هو شبكة عالمية من محطات الرصد الأرضية، محطة مراقبة رئيسية (موجودة في قاعدة شريفر الجوية في كولورادو)، و هوائيات أرضية، وتتتبع هذه المحطات باستمرار السواتل، وتقيس ارتفاعها، وموقعها، وتسريعها، وترصد سلامة الساعات الذرية، وتقارن محطة التحكم الرئيسية بيانات الغلاف الجوي الدقيقة وبرامترات تصحيح الساعات، ثم تُرفع هذه المعلومات إلى السواتل.

الجزء الخاص بالمستعمل: من الإشارة إلى الموقع

ويشمل الجزء المتعلق بالمستعمل جميع أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع، من الهواتف الذكية إلى معدات المسح المتخصصة، وتتمثل وظيفة المتلقي في الحصول على إشارات من أربعة سواتل على الأقل وقراءة رسائل الملاحة، وحساب موقعها الخاص، كما أن الخوارزمية الأساسية هي عملية تسمى ثلاثية، ولكن أكثر دقة، ]]، ]الساعة الواحدة[.

المبادئ العلمية الأساسية وراء عملية النظام العالمي لتحديد المواقع

وتورد المادة الأصلية وصفة خاصة، وقابلية النسبية العامة، وبث موجات الكهرومغناطيسية باعتبارها مبادئ رئيسية، غير أن الفهم الكامل يتطلب شرحا أكثر تفصيلا للكيفية التي تتفاعل بها هذه المبادئ من أجل التوصل إلى حل دقيق، وبدون حساب الآثار النسبية، فإن النظام العالمي لتحديد المواقع سينحرف بحوالي 11 كيلومترا يوميا - خطأ غير مقبول تماما لأي تطبيق عملي.

النسبية وتوقيت التأريخ: تصحيح إنشتاينيان

(أ) إن التوقيت المتوقع للسواتل (DLT) هو أكثر من ذي قبل: (التوقيت المتوسط)

أما الأثر الرجعي الصافي فهو كسب يبلغ نحو 38.5 ثانية مصغرة في اليوم (45.7 - 7.2 = 38.5). وفي حين أن هذا قد يبدو طفيفا، فإن الضوء يسافر على بعد 11 كيلومترا في 38.5 ثانية صغيرة، وإذا لم يكن هناك خطأ في الموقع، فإنه سيتراكم بأكثر من 10 كيلومترات يوميا، ويقابل ذلك، لا تعدل ساعات السواتل جسديا؛ وبدلا من ذلك، فإن محطة التحكم الرئيسية تطبق ساعة متعمدة

Propagation and Atmospheric Delays

وتسافر الإشارات الإذاعية التي تبثها السواتل بسرعة الضوء )حوالي ٧٩٢ ٢٩٩ كيلومترا/كثيرا(، غير أن الغلاف الجوي للأرض يستحدث تأخيرات يجب أن تُصاغ وتصحح، والطبقتين الرئيسيتين المسببتين للتدخل هما الغلاف الأيوني والغلاف التروبوسفيري.

  • ]الخطأ الحاد[ ]الخط=[ ]الخط=[[ ]الخط=[[[ هذه الطبقة التي تقع من حوالي ٥٠ كيلومترا الى ٠٠٠ ١ كم على ارتفاعها، تحتوي على عدد كبير من الإلكترونيات والأيونات الحرة، وتختلف كثافة الإلكترونات بالنشاط الشمسي والوقت الذي يستغرقه اليوم والموسم، وتمر موجة إذاعية عبر التردد الأيوني، وتباطأ سرعة الازدياد في وقت الوصول)١(.
  • The Troposphere:] This is the lower atmosphere where weather occurs (from ground level up to about 50 km). Tropospheric delay is not frequency-dependent (non-dispersive) and is caused by variations in temperature, pressure, and humidity. It is particularly challenging to model because it changes much more quickly than ionospheric data delay.

التسلسل: قياس الموقع

المادة الأصلية تشير إلى ثلاثية، ولكن المبدأ الجيولوجي الصحيح للجهاز العالمي لتحديد المواقع هو ] التضليل ، يستخدم ثلاث مرات لإيجاد موقع، ويستخدم ثلاث مرات كمسافات، وفي النظام العالمي لتحديد المسافة (النوع) من كل ساتل، ويعرف كل قياس عن بعد النطاقات (أو دائرة) إذا ما تم النظر إليه في موقع ثلاثي الأبعاد في أي مكان متزامن.

التقنيات المتقدمة لتعزيز الاستحقاق

وتكفي الدقة القياسية للنظام العالمي لتحديد المواقع البالغة 5-10 مترات بالنسبة لمعظم الملاحة في السيارات، ولكن التطبيقات مثل الزراعة الدقيقة، والمسح، والمركبات المستقلة، والبحث العلمي تتطلب درجة مئوية من المستوى أو حتى درجة المليمتر، وتشير المادة الأصلية بشكل صحيح إلى اختلاف نظم تحديد المواقع (DGPS) ونظم التعزيز، ولكن نطاق التقنيات آخذ في التوسع بسرعة.

نظام تحديد المواقع المختلف (DGPS) والتصنيع بواسطة السواتل

وتعمل الدائرة الاتحادية المعنية بنظم الملاحة الجوية بواسطة نشر محطة مرجعية في موقع ثابت معروف تحديداً، وتتلقى هذه المحطة إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع، وتقارنه بموقعها المعروف، والفرق هو الخطأ في قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع، وهذا الخطأ يبث على أجهزة استقبال قريبة (عن طريق وصلة إذاعية أو ساتلية) مما يتيح لها تصحيح قياساتها الخاصة، ويمكن أن تؤدي هذه التقنية إلى تقليل الأخطاء إلى أقل من نظام مصغر للبث الشبكية.

نظام " كينتي " الحقيقي (RTK) و " كاري - بايس " لتحديد مواقعها

وبالنسبة لأعلى مستويات الدقة، يستخدم جهاز استقبال درجة المسح تقنية تسمى " ري تايم كينتي " (RTK)، وبدلا من استخدام القياسات القائمة على الرموز (اقتناء الكوكوز، أو C/A، الرمز)، يقوم جهاز استقبال أجهزة الترددات المزودة بمقياس الترددات الفوقية بمقياس الترددات المحلية (LT:0) بفحص أجهزة التحكم في أجهزة الاستنشاق بالأشعة (FLT:1]) (CLgule-R).

المتلقين المتعددي الأطراف والمتعددي التردد

كما أن معدات المستعمل الحديثة لم تعد تقتصر على مجموعة مصادر القدرة العالمية، كما أن هناك نظما عالمية أخرى لسواتل الملاحة تعمل الآن أو تقترب من القدرة الكاملة، بما في ذلك نظام غلوبوناس التابع لروسيا، ونظام غاليليو الأوروبي، وجهاز الصين الخاص، حيث يمكن للمتلقي أن يغلق على عدد أكبر من السواتل في نفس الوقت.

التطبيقات والتقييدات العملية

إن النظام العالمي لتحديد المواقع متماثل عالميا، ولكنه ليس بدون قيود، ففهم مواطن القوة والضعف فيها أمر حاسم بالنسبة للانتشار الفعال.

الملاحة، المسح، التوقيت

وبفضل دقة التوقيت والموقع أساسا، أحدثت الشبكة ثورة في قطاعات عديدة، ففي الزراعة، يمكن للجرارات التي توجهها الشبكة أن تزرع البذور بدقة من الباطن، وتعظيم العائد، وفي الطيران، يعتمد نظام مراقبة الحركة الجوية التابع للمجموعة القادمة اعتمادا كبيرا على النظام العالمي لتحديد المواقع من أجل اتباع نهج دقيق وإجراءات الهبوط، وفي التمويل، توفر إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع إشارة عالمية إلى أخطاء التوقيت في ملايين المعاملات، بما في ذلك نظام الربط الشبكي.

التدخل المحتمل والأمن

ومن أهم القيود التي تفرضها الشبكة العالمية لتحديد المواقع، وهي الإشارة التي تصل إلى سطح الأرض، أكثر ضعفاً من الضوضاء الحرارية التي تصدرها أجهزة الاستقبال نفسها، مما يجعلها عرضة للتدخل غير المقصود (مثلاً، الأجهزة الإلكترونية المعطلة، والمناشير الشمسية) والتشويش المتعمد.

خاتمة

إن النظام العالمي لتحديد المواقع هو أكثر من مجرد مجموعة بسيطة من السواتل التي تبث إشارات إذاعية، وهو تطبيق عميق للفيزياء الأساسية - من التوقيت الذري للتحولات الكمية إلى الهندسة النسبية للنظم العالمية - التي تتسع فيها البيانات المتطورة للنظم العالمية، حيث أن المادة الأصلية تحدد بدقة الأدوار التأسيسية للقابلية للتكافل، ومبادئ تحديد المواقع، وثالثها.