مقدمة:
كان موضوع تحديد المواقع، سواءٌ التقريبية منها أو الدقيقة، من بين الأهداف التي حظيت باهتمام كبير في عصر الفضاء، حيث خُصص عدد من برامج الفضاء لهذا الهدف. وقد ظهر نتيجة لذلك عدد من الأنظمة في مجال الأعمال الملاحية والمساحية والجيوديزية، والتي توقف بعضها عن العمل بينما ما يزال بعضها يُستثمر حتى الآن، ونذكر من بين هذه الأنظمة:- VLBI (Very Long Baseline Interferommetry).
- LLR (Lunar Laser Ranging).
- SLR (Satellite Laser Ranging).
- LAGEOS.
- Doppler.
- GPS (Global Positioning System).
ويعتبر نظام تحديد المواقع العالمي من أهم الأنظمة التي أوجدها الإنسان، وقادت إلى قفزة كبيرة في هذا المجال، وذلك بسبب مزاياه العديدة.
نظام تحديد المواقع العالمي:
الاسم الكامل للنظام هو:
Navigation Satellites for Timing and Ranging / Global Positioning System (NAVSTAR/GPS)
أي الأقمار الاصطناعية الملاحية لتحديد الوقت والمدى / نظام تحديد المواقع العالمي. ويعرف اختصاراً بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
يتبع النظام وزارة الدفاع الأمريكية، حيث قامت بإطلاق أول قمر للاستخدام في عام 1981، وما زالت تتولى إدارته والإشراف عليه حتى الآن. ولقد كان الهدف الأساس من إنشائه إيجاد نظام قادر على تحديد المواقع في أي مكان على سطح الكرة الأرضية، على مدار الساعة وفي جميع الظروف الجوية. وصُمم النظام بحيث يقوم المستخدم باستقبال إشارات الأقمار الاصطناعية دون الحاجة إلى إرسال أي نوع من الإشارات منه.
وفي فترة لاحقة سمح للقطاع المدني باستخدام النظام، حيث قام عدد من الباحثين في عدد من الدول بتطوير أساليب معالجة بيانات الأقمار وتوصلوا إلى العديد من النتائج التي أدت إلى رفع دقة النظام بحيث أصبح استخدامه ممكناً في الأعمال المساحية والجيوديزية التي تتطلب مستويات عالية من الدقة.
مزايا النظام:
ينفرد نظام تحديد المواقع العالمي بعدد من المزايا أدت إلى انتشار استخدامه على نطاق واسع على مستوى العالم وفي مختلف التطبيقات. نذكر من بين هذه المزايا ما يلي:
- لا يحتاج إلى وجود رؤية متبادلة بين النقاط المرصودة في الأعمال المساحية.
- يوفر أرصاداً على مدار أربع وعشرون ساعة في اليوم وفي أي مكان على سطح الكرة الأرضية.
- لا يتأثر بالعوامل الجوية (غيوم، أمطار، غبار، ثلوج،.....)
- ذو إنتاجية عالية.
- لا يتطلب تشغيله سوى عدد قليل من العاملين.
- يقدم مستوى عالٍ من الدقة.
- يقدم إمكانية تحديد الوقت بدقة عالية.
- تتوفر أجهزته بأسعار متفاوتة حسب دقتها، ما جعلها في متناول الجميع.
مبادئ عمل النظام:
يعتمد النظام على مبادئ أساسية معروفة جيداً في مجال المساحة الأرضية وهي:
- *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، كما في الشكل (1).
الشكل (1): مبدأ التقاطع العكسي.
*
- مبدأ قياس المسافة عن طريق معرفة زمن سفر الإشارة من القمر حتى المستقبل (Receiver) على الأرض، والذي يضرب بسرعة الضوء للحصول على المسافة، كما في الشكل (2).
*
الشكل (2): مبدأ قياس المسافة عن طريق معرفة زمن سفر الإشارة.
*
- 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، كما في الشكل (3).
*
الشكل (3): مبدأ التصحيح النسبي للأرصاد.
*
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.
*
أقسام النظام:
يتألف النظام من ثلاثة أقسام أساسية، وهي قسم الفضاء (Space Segment)، وقسم التحكم (Control Segment)، وقسم المستخدم (User Segment)، موضحة في الشكل (4).
الشكل (4): أقسام نظام تحديد المواقع العالمي.
*
- قسم الفضاء:
*يعد قسم الفضاء العصب الأساس في النظام، ويتألف من كوكبة من الأقمار الاصطناعية التي تدور حول الأرض على ارتفاع وسطي قدره 20200 كم. ولقد كان من المقرر أن تتألف هذه الكوكبة من 21 قمراً (18 قمراً فعالاً و3 أقمار احتياطية) تتم دورتها حول الأرض في 11 ساعة و 58 دقيقة (أي يتم القمر دورتين حول الأرض في اليوم الواحد)، موزعة في ستة مدارات، كما في الشكل (5)، وذلك لأن هذه التكوين يؤمن المواصفات المطلوبة من النظام والمذكورة سابقاً.
وصمم النظام على أن تطلق الأقمار على شكل أجيال متعاقبة بحيث يتم إحلال الجيل الأحدث مكان الجيل الأقدم مع المحافظة على المواصفات المذكورة. ولكن تم المحافظة على أقمار الأجيال الأقدم (التي بقيت بحالة جيدة) في الخدمة، وفي الوقت الحالي يبلغ عدد الأقمار 31 قمراً (منها 28 في حالة الخدمة الفعلية). وتبلغ تكلفة القمر حوالي 100 مليون دولار.
الشكل (5): قسم الفضاء في نظام تحديد المواقع العالمي.
*
يقوم كل قمر بإرسال إشارة (Signal) باتجاه الأرض تتألف من مجموعة من الأقسام وتضم عدداً كبيراً من البيانات التي تستخدم لقياس المسافة بين القمر والمستقبل على الأرض، ولحساب إحداثيات القمر في كل لحظة أثناء حركته في الفضاء، وبالتالي تمكن المستقبل من حساب إحداثيات نقطة الوقوف.
- قسم التحكم:
مهمة هذا القسم متابعة ومراقبة الأقمار بشكل مستمر وذلك من أجل ضمان عملها بشكل دقيق ولتصحيح الأخطاء التي تحدث فيها أثناء دورانها حول الأرض، ويتكون من خمس محطات متابعة واستقبال، ومحطة رئيسية للمعالجة، وثلاث هوائيات، كما في الشكل (6).
الشكل (6): قسم التحكم في نظام تحديد المواقع العالمي.
*
تقوم محطات المتابعة برصد جميع الأقمار على مدار اليوم وإرسال بيانات الأرصاد إلى المحطة الرئيسية للمعالجة، التي تقوم بحساب الانحرافات في مدارات الأقمار وحساب التصحيحات اللازمة لها، ومن ثم تقوم بإرسال هذه البيانات إلى الهوائيات التي تتولى عملية إرسال البيانات إلى الأقمار أثناء دورانها حول الأرض وذلك للمحافظة على البيانات التي يرسلها القمر محدثة ودقيقة كي يتم حساب إحداثيات النقاط على سطح الأرض بشكل دقيق، كما في الشكل (7).
الشكل (7): آلية عمل قسم التحكم.
*
- قسم المستخدم:
يضم هذا القسم قطاعين أساسين هما القطاع العسكري والقطاع المدني. ويتميز النظام بتغطيته لطيف واسع من التطبيقات التي تتفاوت فيما بينها من حيث الدقة ومن حيث أسعار الأجهزة والمعدات المستخدمة فيها. فهناك التطبيقات التي تتطلب دقة منخفضة (Low Accurate Applications) مثل الأعمال الملاحية (برية، بحرية، جوية) والتي تتطلب أجهزة رخيصة الثمن وسهلة الاستعمال. والتطبيقات التي تتطلب مستوى متوسط من الدقة (Moderate Accurate Applications) مثل الأعمال المساحية والتي تحتاج إلى نوع أفضل من الأجهزة والمعدات وخبرة أكبر في مجال استثمارها. وهناك أخيراً التطبيقات التي تحتاج إلى مستوى عالي من الدقة (High Accurate Applications) مثل دراسة تحرك القشرة الأرضية، دراسة معدل دوران الأرض إلى ما هناك من هذه التطبيقات التي تتطلب أنواع معينة من الأجهزة والتجهيزات وخبرة عالية في الاستخدام ومعالجة الأرصاد والنتائج.\
د. م. عدنان محمد أحمد
رئيس قسم المساحة، جامعة البعث، حمص، سوريا
