أولاً: النظام ومكوناته وحالات استخدامه

1. نظام تحديد المواقع GPS

في عام 1973م بدأ العمل في وزارة الدفاع الأمريكية لتصميم نظام تحديد المواقع، وذلك لاستبدال نظام الملاحة بالأقمار الصناعية المعروف باسم Transit System أو Sat - Nav، وذلك لتفادي عيوبه الممثلة في تغطيته غير الكافية للأقمار الصناعية، وعملياته الملاحية غير الدقيقة. لذا أُستحدث النظام الجديد ليوفر تغطية كاملة وبدقة عالية تغطي الاحتياجات العسكرية. ويتم التحكم في النظام عن طريق القوات الجوية العسكرية، فضلاً عن أن هذا النظام يتوافر للاستخدامات المدنية ويتغلغل في مختلف أوجه الحياة، حيث أن له العديد من التطبيقات الأرضية والبحرية والجوية، كما سيتضح فيما بعد.

وقد تم إطلاق أول قمر صناعي من هذا النوع عام 1978م، ويعتمد هذا النظام على شبكة مكونة من 24 قمراً صناعياً تدور في مدارات على ارتفاع شاهق حول الكرة الأرضية، وتبدو كأنها نجوم صناعية Man - Made Stars تحاول أن تحل محل النجوم الطبيعية التي كان يعتمد عليها في الملاحة (اُنظر شكل توزيع الأقمار)، وتتوزع هذه الأقمار الصناعية في مداراتها المخصصة لها بزوايا ومسارات وزمن محدد لكل منها، بحيث يمكن الاتصال مع أربعة أقمار صناعية على الأقل في أي مكان من العالم.

واستحق هذا النظام ما أُنفق عليه[1]، فهذه الأقمار الصناعية تدور على ارتفاعات شاهقة مما يجعلها تتفادى المشاكل والمصاعب التي كانت تواجه محطات التوجيه الأرضي، فضلاً عن أنها تعطي نتائج عالية الدقة في تحديد المواقع على سطح الأرض على مدار 24 ساعة يومياً، إذ أنها يمكن أن تعطي قياسات دقيقة للغاية، حيث يمكـن للمساحيين Surveyors باستخدام أجهزة تحديد المواقعGPS  الحصول على قياسات تصل دقتها إلى أقل من السنتيمتر الواحد وهو ما تفتقده الأجهزة المساحية التقليدية.

وأفضل ما تتيحه هذه التقنية الحديثة هو إمكانياتها، ورخص سعرها، وصغر حجمها، وسهولة الحصول عليها، ويمكن القول إنه تم إنجاز إحدى احتياجات الإنسان، حث ستصبح هذه الخدمة من الأساسيات كالهاتف مثلاً، حيث إنها تُمكن المُستخدم من معرفة موقعه في أي مكان وفي كل وقت، إضافة إلى أن هذه الخدمة الجديدة سوف تساعد سيارات الطوارئ من تأدية عملها بسرعة أعلى وبدقة أكبر، حيث إنها ستزود بخرائط إلكترونية Electrons Maps توضح لها مسارها نحو الهدف.

2. مكونات جهاز تحديد المواقع

يتكون نظام تحديد المواقع GPS من ثلاث وحدات رئيسية هي:

أ. الأقمار الصناعية GPS Satellites (اُنظر صور القمر الصناعي)

تتسم الأقمار الصناعية في نظامGPS  بعدة خصائص أهمها:

(1) يبلغ وزنها حوالي 845 كجم.

(2) يصل عمرها الافتراضي إلى سبع سنوات ونصف.

(3) يتمثل مصدر طاقتها في بطاريات تُشحن بالطاقة الشمسية، تبلغ مساحتها 7.25 م².

(4) تدور حول الأرض في كل 12 ساعة.

(5) يبعد القمر الصناعي عن سطح الأرض بمسافة تصل إلى 20200 كم.

ويتمثل دور القمر الصناعي في تحديد المواقع من خلال الوظائف التالية:

(1) استقبال وتخزين البيانات المُرسلة من محطة التحكم.

(2) الحصول على التوقيت الدقيق عن طريق ساعات الروبيديوم والسينيزيوم.

(3) إرسال المعلومات للمُستخدم عن طريق إشارات مختلفة.

(4) المناورة لتعديل المدار عن طريق التحكم الأرضي.

ب. نظام التحكم الأرضي GPS Ground Control Segment

يتكون نظام التحكم الأرضي من خمس مراكز موزعه على أنحاء الكرة الأرضية وهي من الغرب إلى الشرق (اُنظر شكل نظام التحكم الأرضي) هاواي Hawai وإحداثياتها 46 َ 19 ْ شمالاً، 30 َ 155 ْ غرباً، وكولورادو اسبرنجز(51 َ 38 ْ شمالاً، 49 َ 104 ْ غرباً) Colorado Springs، اسينيشن (0 َ 8 ْ جنوباً، 0 َ 13 ْ غـرباً) Ascension ، ودييجـو جارسيا (20 َ 7 ْ جنوباً، 26 َ 72 ْ شرقاً) Diego Garcia وكـوا جوالين (54 َ 00 ْ جنوباً، 5 َ 136 ْ شرقاً) Kwa Jwlein. وهذه المراكز معلومة الموقع بدقة عالية تبلغ نحو عشرة سنتيمترات بالزيادة أو النقصان (±10 سم) من مراكز الأرض وتعرف هذه المركز بمحطات التحكم Tracking Stations ، وتشرف عليها البحرية الأمريكية. وتحتوي هذه المحطات الخمسة على أجهزة تحديد المواقع، وأجهزة رصد للأحوال الجوية، وتُرسل هذه الأرصاد يومياً كبيانات للمحطة الرئيسية في كولورادو سبرنجز في الولايات المتحدة الأمريكية.

ج. جهاز الاستقبال Receiver

يعد جهاز الاستقبال الآلة الوحيدة التي تُمكن مُستخدم هذا النظام من الحصول على المعلومات سواء معلومات عن تحديد الموقع أو معلومات عن الأقمار الصناعية، ويتكون جهاز الاستقبال من وحدتين رئيسيتين هما معدات الاستقبال Hardware ، وبرامج المعالجة Software.

3. الحالات الرئيسية لتحديد الموقع بواسطة نظام GPS

هناك حالتان رئيسيان لتحديد الموقع باستخدام نظام تحديد المواقع  GPS هما:

أ. التحديد المطلق للموقع Absolute Point Positioning

تُعرف عملية تحديد الموقع لنقطة ما دون الاعتماد على نقطة أو نقاط أخرى بالتحديد المطلق ويتطلب الأمر في هذه الحالة جهازاً واحداً فقط، إضافة إلى بعض البيانات الأولية للموقع. ويمكن في هذه الحالة الحصول على إحداثيات الموقع الجغرافية (خطوط الطول ودوائر العرض) في الميدان مباشرة بدون أي عمليات تحليل أو معالجة. وهناك العديد من الأجهزة التي تُستخدم في هذه الحالة، مثل أجهزة الملاحة التي تحدد المواقع بدقة أفقية تصل إلى ثلاثين متراً، كما هو الحال بالنسبة لجهاز ماجلان Magellan، وجهاز ترمباك Trimpak.

ب. التحديد النسبي للموقع Relative Positioning

تُعرف عملية تحديد الموقع لنقطة ما بالاعتماد على نقطة أو نقاط أخرى بالتحديد النسبي، وتتطلب هذه الحالة وجود جهازين على الأقل، إحداهما ثابت في نقطة معلوم إحداثياتها، والآخر على النقطة المطلوب حساب إحداثياتها بدقة، وتعرف هذه الحالة باسم تحديد المواقع من وضع الثبات Static Positioning . ويتطلب هذا النوع من القياس عمليات تحليل ومعالجة للبيانات التي تم جمعها في الميدان للحصول على الدقة العالية المطلوبة والتي تصل إلى ملليمترات.

وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تحديد الموقع حركياًًKinemetic Positioning  حيث يتم تحديد المواقع للجهاز المتحرك وبدقة أعلى من دقة التحديد المطلق.

وهذا النوع مهم في أغراض الملاحة البحرية.