نظام المتابعه والتعقب بواسطه نظام رصد القمار الصناعيه






إلى العام 1978 حينما أطلقت وزارة الدفاع الأمريكية القمر الصناعي نافستار Navstar الأول، وعلى الرغم من أن المصممين توقعوا ظهور تطبيقات مدنية وتجارية له، فقد كان هدفهم الأساسي حينذاك هو منح نحو 40 ألف عسكري القدرة على الملاحة براً وبحراً وجواً بدقة عالية، وبدأ المدنيون بالاستفادة من ذلك النظام في ثمانينات القرن العشرين، ومع ارتفاع عدد الأقمار الصناعية في النظام GPS في المدار إلى 24 قمراً في بداية تسعينات القرن الماضي، وهو العدد الأدنى المطلوب للخدمة المتواصلة، تضاعفت بسرعة استخدامات السوق للنظام GPS وذلك بشكل كبير·







أما في الوقت الحالي فإنه بإمكان نحو 30 مليون مستخدم أن يحددوا بانتظام مواقعهم باستخدام النظام GPS· فوحدات الاستقبال تساعد على إرشاد المركبات البرية والبواخر والقوارب، إضافة إلى إدارة إعداد السيارات المستأجرة والحافلات، والتطبيقات الخاصة بالراحة والسياحة·

ويشحن الباعة في أمريكا شهرياً ما يزيد على 200 ألف جهاز استقبال مدني، وقد بلغت قيمة مبيعاتها في العالم عام 2003 نحو 3.5 بليون دولار، ويمكن أن تنمو سنوياً لتبلغ 10 بلايين دولار عام 2010، وذلك وفق استبيان حديث أجرته إحدى شركات الأبحاث· ولا تشتمل تلك الأرقام على عوائد من صناعة الأقمار وإطلاقها، ومن قطاع التحكم فيها، أو من المشروعات المرتبطة بالنظام GPS كإدارة مجموعة شحنه، وتشير الدراسة إلى أن المستهلكين يمثلون ما يربو قليلاً على نصف مبيعات الأجهزة، ويمثل العملاء التجاريون 40%، بينما تمثل القوات المسلحة النسبة الباقية (8%)·



ومن المعروف أن أقمار النظام GPS >نافستار< ليست الوحيدة في المدار، فأقمار الملاحة الروسية >جلوناس< تساهم في ذلك بهدف الاستفادة وتحقيق المطلوب، وخلال بضعة أعوام سيتواجد هناك النظام الأوروبي >جاليليو<·



لقد وضع الروس الأقمار >جلوناس< أثناء الحرب الباردة بهدف منافسة الجيش الأمريكي، لكن الأقمار جلوناس خرجت مؤخراً من الخدمة لأن مشغليها لا يمكنهم تحمل تكاليف استبدالها، أما منظومة المجموعة الأوروبية فيفترض أن تدخل الخدمة سنة 2010·



ويبدو أن عامل الجذب يتمثل في الازدهار المؤمل لسوق المستهلكين النهائيين الذي لن ينمو إلا مع إضافة مستقبلات GPS إلى السيارات والهواتف الخلوية >النقالة<· وكل من الأوروبيين والروس يسعون وراء نظم ملاحة فضائية خاصة بهم بهدف نيل حصتهم من السوق، ومؤخراً وقّع فريق إدارة النظام GPS وأقمار >جاليليو< اتفاقيات حول كيفية تأثر النظامين·




عمل نظام GPS




GPS نظام ملاحي يغطي العالم بالاعتماد على الإشارات الراديوية، ويتكون من 24 قمراً صناعياً والمحطات الأرضية المقترنة بها·



وباستخدام طريقة مشتقة من طريقة ثلاثي الأضلاع العادية لتحديد الموقع، يحسب النظام GPS إحداثيات الموقع الأرضي وذلك بقياس المسافة إلى 4 أقمار على الأقل· وهناك عوامل عديدة تجتمع بهدف تحديد الموقع بدقة·



ويمكن إيجاز ذلك بافتراض أن مستقبل النظام GPS يقيس المسافة إلى أحد الأقمار فيجدها 22000 كم· عندئذ على المستقبل أن يكون على سطح كرة متمركزة في القمر نصف قطرها 22000 كم، افترض أيضاً أن المستقبل يقدر المسافة إلى قمرين آخرين بـ 22000 كم و24000 كم تباعاً، لذلك يجب أن يكون موقع المستقبل عند تقاطع الكرات الثلاث تلك، لكن الهندسة تنص على أن 3 كرات لا يمكن أن تتقاطع معاً في أكثر من موقعين، وواحد منهما فقط سوف يكون قريباً من الأرض قرباً كافياً ليحدد موقع المستقبل·



ويتطلب قياس المسافة إلى قمر ما توقيت الفترة التي تستغرقها إشارة القمر للوصول إلى المستقبل، فحاصل ضرب السرعة في زمن الانتشار يعادل المسافة المقطوعة، وتنتشر إشارات الراديو بسرعة الضوء، أي بسرعة نحو 300000 كم/ث، ولعل المشكلة تكمن في قياس زمن الانتشار، وشفرة الضجيج شبه العشوائي (PRN)، وهي سلسلة معقدة من المعلومات الرقمية، تساعد على إنجاز تلك المهمة، وكل شفرة تخص قمراً محدداً، وذلك يضمن أن الإشارة لا تؤثر على المستقبل·



فحينما يحدد مستقبل النظام GPS موقعه على سطح كوكب الأرض، تطبق طريقة القياس ثلاثي الأضلاع Trilateration التي تتطلب استخدام قياس بعده الدقيق عن 4 أقمار في النظام GPS على الأقل بفضل إشارات قياس المسافة التي تبث من الأعلى، إن ما يحدث في الأساس هو استخدام الإشارات الراديوية المشفرة بشكل خاص كمقياس خفي لحساب المسافة من الأقمار إلى المستقبل·



وتعادل دقة المستقبل العادي المحمول باليد ما بين 5 و10 أمتار من موقعه الفعلي· وبإمكان وحدة النظام GPS العسكرية الأغلى ثمناً أن تحدد الموقع ضمن 5 أمتار، أما الرصد المزدوج >المتتابع< Tandem، باستخدام مستقبل يتلقى تصحيحات لأخطائه من جهاز استقبال ثابت قريب إحداثياته معلومة، فيمكنه بلوغ دقة تعادل نحو 0.5 متر· ويطلق على هذه العمليات المتتابعة اسم النظام GPS التفاضلي Differential·




سيل من المعلومات




لكي يمكن إدراك التطور الحالي للنظام GPS، فإن من الأفضل في البداية معرفة طريقة عمله الحالية·



يبث قمر النظام GPS الواحد إشارات قدرتها 500 واط، وتعادل تلك قدرة 5 مصابيح كهربائية متوهجة، وبعد قطع مسافة 20000 كم في الفضاء، تبلغ إشارات قياس المسافة الراديوية سطح الأرض بقدرة ذات كثافة ضئيلة جداً، وللمقارنة فإن قدرة إشارة التلفاز التي يستقبلها جهاز منزلي تفوق ذلك ببليون مرة·



وأقمار النظام GPS نوعان من المعلومات: الأول، وهو رسالة الملاحة، ويتشكل من >بتات< Bits بيانات تعرف الموقع المداري للقمر والزمن الذي تم فيه الإرسال، ويجري إعداد تلك الإحداثيات المكانية والزمانية في قطاع التحكم الأرضي في GPS الذي يستخدم شبكة من مستقبلات GPS في نقاط مرجعية معلومة لحساب تلك الإحداثيات، وترسل تلك المعلومات إلى القمر حيث تُضمَّن في رسالة الملاحة بهدف بثها بعدئذٍ إلى سائر المستخدمين·



أما النوع الثاني من المعلومات التي تبثها الأقمار فهي مجموعة من شفرات قياس المسافة، أي تسلسل له شكل مميز من النبضات الرقمية، ولا تتضمن تلك الإرسالات معلومات بالمعنى التقليدي، فالشفرات في الواقع مصممة لمساعدة المستقبل على حساب زمن بلوغ الإشارة القادمة، وهي مفتاح لتحديد الموقع بدقة، ويؤكد المهندسون الطبيعة المتميزة لإشارات قياس المسافة هذه بقولهم أن ما يسمى بشفرات الضجيج شبه العشوائي (PRN) مكونة من سلسلة من الإشارات الرقمية Chips عوضاً عن >البتات<·




تطبيقات النظام




يطبق النظام GPS إجراءً مماثلاً حينما يرصد المستقبل شفرة ضجيج شبه عشوائي يبثها قمر، فعند مطابقة تسلسل شفرة حساب المسافة القادم مع نسخة من تسلسل شفرة الضجيج شبه العشوائي المميز الخاص بذلك القمر والمختزن في المستقبل ويمكن للمستقبل حساب التأخير في زمن بلوغ إشارة قياس المسافة الراديوية الخاصة بذلك القمر، يضرب المستقبل آنذاك زمن التأخير في سرعة الضوء، لمعرفة المسافة إلى القمر المعني·



وعلى هذا النمط، تحسب المستقبلات المدى باستخدام مسطرة افتراضية يمدها كل قمر إلى الأرض· وتعطي الشفرات علامات مميزة Tick Marks على المسطرة الراديوية، في حين أن الرسالة الملاحية تصف موقع القمر الذي يماثل نقطة نهاية المسطرة·



ولو كان من الممكن تضمين وحدة النظام GPS ساعة توقيت دقيقة، لأتاحت 3 من قياسات المدى للمستقبل تعيين موقعه الثلاثي الأبعاد، من خلال خط العرض وخط الطول والارتفاع· ومن خلال الساعات الدقيقة يمكن لقياس واحد أن يثبت المستقبل على كرة يحددها نصف قطرها من القمر، وتوضع قراءتان للنظام GPS المستخدم في نقطة تقاطع كرتين متماثلتين، وتثبت القياسات الثلاثة المستخدمة في نقطة (أحادية) مميزة تتحدد بالكرات الثلاث، وبذلك فإن على المستقبل حل 3 معادلات بثلاثة مجاهيل، وهي خط الطول وخط العرض والارتفاع·



ونظراً لعدم توفر ساعات دقيقة تماما، فإن على المستقبل استنتاج الحل من مجهول رابع، وهو >الحيد< offset بين ساعة المستقبل الداخلية الزهيدة الثمن والزمن الذي تدل عليه شبكة النظام GPS، ويتم التحكم في الزمن الذي يشير إليه النظام GPS بدقة واحد من البليون من الثانية بواسطة ساعات ذرية، لكن ساعة المستقبل يمكن أن تكون عرضة لخطأ لنحو ثانية أو أكثر في اليوم الواحد، ويمكن تحويل الخطأ في الزمن إلى خطأ في المسافة بالضرب بسرعة الضوء (300000 كم/ث)· ويضيف ذلك >الحيد< مقدارا غير معلوم إلى المسافة المقاسة إلى كل قمر، وذلك ما يعلل سبب تسمية قياسات المسافة بقياسات شبه المدى pseudo Range· ومن المعلوم أن >حيد الزمن< هو ذاته فيما يتعلق بجميع الأقمار، وبالتالي يمكن قراءة قمر رابع للمستقبل بحل 4 معادلات للمجاهيل الأربعة وهي خط الطول وخط العرض والارتفاع والزمن·



ولأن المستخدمين المرتحلين يغيرون مواقعهم بسرعة، فإن مستقبلات النظام GPS الحالية ترصد >حيود دوبلر< في الإشارات القادمة أيضاً، أي حيود أطوال موجات الإشارة الناتجة عن الحركة· فإذا كان المستخدم يتحرك مبتعداً عن القمر، فإن طول الموجة يبدو أكبر، أما إذا تحرك باتجاه القمر، فتصبح الموجة القادمة أقصر، إن رصد حيود الموجة يتيح لتلك الأجهزة حساب سرعة المستخدم مباشرة وبدقة فائقة، وتحقق مستقبلات النظام GPS مهمة تحديد الموقع الأرضي المعقدة دون إرسال أي إشارات· ومع ذلك، فإن المستقبلات المقرر تركيبها مستقبلاً في الهواتف النقالة سوف تكون رخيصة جداً، وفي متناول الجميع