نظام التموضع العالمي'G.P.S '

نظام تحديد الموقع العالمي (بالإنجليزية: Global Positioning System‏) أو جي بي أس (بالإنجليزية: GPS‏). عادة ماتستعمل لفظة جي بي أس للإشارة إلى النظام الموضوع من قبل الولايات المتحدة الأمريكية NAVSTAR-GPS. NAVSTAR-GPS هي اختصار ل Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System وهو نظام تحديد المواقع العالمي التابع لوزارة الدفاع الأمريكية والذي تقوم عليه معظم التطبيقات المدنية المعروفة. دخل نظام تحديد المواقع العالمي الأمريكي نطاق الخدمة في 17.07.2007 إلا أنه ليس الوحيد من نوعه عالمياً فهناك عدة أنظمة مماثلة مثل النظام الروسي غلوناس Glonass أو النظمة قيد التطوير والبحث مثل غاليليو في أوروبا وبعض الأنظمة المشابهة في الصين والهند واليابان.

التطور التاريخي

إن تصميم الجى.پى.إس يستند بشكل جزئى على أنظمة ملاحة لاسلكية أرضية مماثلة مثل: الإبحار طويل المدى LORAN، ونظام إبحار دكا Decca Navigation الذي تم ابتكاره في أوائل الأربعينيات وتم استخدامه في الحرب العالمية الثانية. في عام 1956 قدم " فريدڤاردت ڤينتربرك " مقترحاً باختبار لنظرية النسبية العامة باستخدام ساعات ذرية دقيقة يتم وضعها في المدار عن طريق زرعها في الأقمار الصناعية. ولدواعى الدقة تستخدم تقنية الجى.پى.إس مبادئ النسبية العامة لتصحيح وضبط الساعات الذرية للأقمار الصناعية. ولقد أتى المزيد من إلهام الجى.پى.إس عندما أطلق الاتحاد السوفيتى أول قمر صناعي يدوى الصنع: "سبوتنيك" في 1957. وكان فريق من العلماء الأمريكيين على رأسهم الدكتور " ريتشارد ب. كيرشنر " يرصدون موجات الراديو التي كان يرسلها سبوتنيك، فاكتشفوا أن تردد الإشارة المرسلة منه – وبسبب تأثير دوبلر – كان يرتفع كلما اقترب منهم القمر الصناعي، وينخفض كلما ابتعد عنهم. وعندما علموا بالتحديد موقعهم على الكرة الأرضية، أدركوا أنه سيمكنهم تحديد موقع القمر الصناعي على مداره عن طريق قياس تحريف دوبلر. إن أول نظام ملاحة باستخدام القمر الصناعي " ترانزيت " – وهو المستخدم لدى أسطول الولايات المتحدة – قد تمت تجربته بنجاح لأول مرة عام 1960، وقد استخدم وقتها مجموعة تتألف من خمسة أقمار صناعية وكان بإمكانه إعطاء تقرير عن الموقع مرة كل ساعة تقريباً. في عام 1967 ابتكرت البحرية الأمريكية " قمر التوقيت " الذي أثبت قدرته على وضع ساعات دقيقة في الفضاء، وهى من التقنيات التي يعتمد عليها الجى.پى.إس. في السبعينات أصبح " نظام أوميجا للملاحة " – وهو نظام أرضى تقوم فكرته على أساس المقارنة بين مراحل الإشارات المرسلة فيما بين أزواج من المحطات – أول نظام ملاحة لاسلكى عالمى، ولكن بالرغم من ذلك؛ فإن الحدود التي لم تكن تستطيع هذه الأنظمة تجاوزها أظهرت الحاجة إلى إيجاد حل جديد أعظم دقة للملاحة الكونية. بينما كانت هناك حاجات شديدة إلى ملاحة دقيقة في القطاعين العسكري والمدنى؛ لم تكن أي منها مبرراً كافياً لإنفاق بلايين الدولارات على الأبحاث، والتطوير، والإطلاق، والتشغيل لمجموعة معقدة من أقمار الملاحة. ولكن حدث أن أتت الحاجة التي تبرر هذا كله في نظر الكونجرس الأمريكي خلال سباق الأسلحة في فترة الحرب الباردة، وبسبب التهديد النووى لوجود الولايات المتحدة نفسها، لهذا السبب الرادع وحده تم تمويل الجى.پى.إس. كان " الثالوث النووى " يتكون من " الصواريخ البالستية في الغواصات SLBM " الخاصة بالبحرية الأمريكية، و" قاذفات القنابل الاستراتيجية " الخاصة بالقوات الجوية الأمريكية، بالإضافة إلى " الصواريخ البالستية عابرة القارات ICBM ". ونظراً لاعتبارها شيئاً حيوياً للردع النووى؛ كان التحديد الدقيق لموقع إطلاق ال(SLBM) يمثل مضاعفاً القوة؛ حيث إن الملاحة الدقيقة كان من شأنها أن تمكن الغواصات الأمريكية من تحديد مواقعها بدقة قبل إطلاق صواريخ (SLBM) الخاصة بها. وكانت القوات الجوية الأمريكية تمتلك وحدها ثلثى (2/3) الثالوث النووى؛ وبالتالي فإنها كانت في حاجة لنظام ملاحة أكثر دقة وجدارة بالثقة. فعملت البحرية الأمريكية والقوات الجوية الأمريكية سوياً على تطوير تقنياتهما الخاصة على التوازى لحل مشكلهما الأساسية المشتركة. لدواعى زيادة صلاحية صواريخ ال(ICBM) للبقاء؛ كان هناك مقترح لاستخدام منصات إطلاق متنقلة، وبالتالي كان هناك تشابه بين هذا الموقف وموقف صواريخ ال(SLBM). في عام 1960 قدمت القوات الجوية مقترحاً لنظام ملاحة لاسلكى يسمى " MOSAIC " (النظام المتنقل لتحكم دقيق في ICBM)، والذي كان بشكل أساسي " LORAN " ثلاثي الأبعاد. وفيما بعد في 1963 تم إعداد دراسة تسمى " المشروع 57 " وكانت هذه هي الدراسة التي ولد فيها مفهوم الجى.پى.إس. في نفس العام تمت متابعة العمل في هذا المفهوم باسم " المشروع 621ب " الذي كان به الكثير من المميزات التي تراها اليوم في الجى.پى.إس وقد وعد بدقة أكبر لقاذفات قنابل القوات الجوية وصواريخ ال(ICBM). كانت التحديثات القادمة من نظام الترانزيت الخاص بالبحرية بطيئة جداً بالنسبة للسرعات التي تتعامل بها القوات الجوية، فواصل "معمل أبحاث البحرية" إنجازاته بإنتاج أقمار توقيت من صنعه تم إطلاقها لأول مرة عام 1967، والنوع الثالث الذي حمل أول ساعة ذرية تم وضعها في مدارها عام 1974. وبهذه التطورات المتزامنة في الستينيات تم إدراك أنه يمكن الوصول إلى أنظمة متفوقة عن طريق مزج أفضل التقنيات من كل من: 621ب، والترانزيت، وقمر التوقيت، وال(SECOR) في برنامج متعدد الخدمات. في عيد العمال من عام 1973، وخلال اجتماع لاثنى عشر ضابطاً عسكرياً في البنتاجون، تمت مناقشة ابتكار " نظام دفاعى باستخدام الأقمار الملاحية DNSS "، وكان هذا الاجتماع هو " شهادة الميلاد الحقيقية للمزيج الذي أصبح بعد ذلك الجى.پى.إس ". وفيما بعد في نفس السنة تمت تسمية ال(DNSS) باسم آخر هو " ناڤستارNavstar ". ولما كان اسم ناڤستار مرتبطاً بالأقمار الصناعية الفردية (مثل الأقمار السابقة " قمر ترانزيت " و" قمر التوقيت ")؛ تم استخدام اسم أكثر شمولية ليعبر عن مجموعة أقمار الناڤستار.. هذا الاسم الأكثر اكتمالاً هو " ناڤستار-جى.پى.إس Navstar-GPS " الذي تم اختصاره بعد ذلك إلى " جى.پى.إس GPS ". بعدما أسقطت طائرة الرحلة " رقم 007 " للخطوط الجوية الكورية عام 1983 عندما ضلت طريقها مخترقة المنطقة المحرمة على الطائرات من أجواء الاتحاد السوفيتى؛ أصدر الرئيس الأمريكي "رونالد ريغان" أمراً بجعل الجى.پى.إس متاحاً ومجانياً للاستخدام المدنى، خاصة وقد تطور ليكون ذا فائدة عامة. وقد تم إطلاق أول قمر صناعي عام 1989، والقمر الرابع والعشرون والآخير تم إطلاقه في 1994.
في البداية، كانت الإشارة ذات الجودة العالية يتم تخصيصها للاستخدام العسكري، والإشارة المتاحة للاستخدام المدنى كانت منخفضة الجودة بشكل متعمد (الإتاحية الانتقائية)، وانتهت الإتاحية الانتقائية في عام 2000، فتحسنت دقة الجى.پى.إس المستخدم في الأغراض المدنية من 100م إلى 20م.
المفهوم الاساسي لعمل الجي بي اس GPS

يحسب جهاز استقبال الجى.پى.إس موقعه عن طريق حساب توقيت الإشارات التي يتم إرسالها من أقمار الجى.پى.إس الموجودة على ارتفعات بعيدة عن سطح الأرض بدقة. يرسل كل قمر رسائل متتالية تضم التالي: • وقت إرسال الرسالة • المعلومات المدارية الدقيقة ephemeris • الصحة العامة للنظام والمدارات العليلة لكل أقمار الجى.پى.إس almanac. يستخدم جهاز الاستقبال الرسائل التي يستقبلها في تحديد وقت الترانزيت لكل رسالة، ويحسب المسافات بينه وبين كل قمر صناعي. تستخدم هذه المسافات، مع مواقع الأقمار، ومع المساعدة المحتملة من "التثليث المساحى" لحساب موقع جهاز الإرسال. بعد ذلك يتم إظهار هذا الموقع - ربما باستخدام خريطة متحركة، أو خطوط الطول ودوائر العرض، ويمكن إدراج معلومات عن الارتفاع عن سطح البحر. وتظهر وحدات جى.پى.إس عديدة معلومات مشتقة مثل: الاتجاه، والسرعة – محسوبة من خلال تغيرات الموقع. ربما يبدو أن ثلاثة أقمار صناعية ستكون كافية لتحديد المواقع، وهذا لأن الفراغ يتكون من ثلاثة أبعاد، والموقع على سطح الأرض يمكن افتراضه. ولكن على الرغم من هذا فإن أي خطأ ولو بسيط جداً تقوم به الساعات، عندما يتم ضربه في السرعة الكبيرة للضوء – وهى السرعة التي تنتشر بها إشارات القمر الصناعي – تسبب خطأ كبيراً في تحديد الموقع. لهذا تستخدم أجهزة الاستقبال أربعة أقمار صناعية أو أكثر لتحدد موقع ووقت جهاز الاستقبال. إن الوقت المحسوب بدقة شديدة تخفيه تطبيقات الجى.پى.إس - التي تعتمد فقط على الموقع - بفعالية شديدة. ولكن هناك القليل من تطبيقات الجى.پى.إس المتخصصة التي تستخدم الوقت، مثل: "نقل الوقت"، وضبط توقيت إشارات المرور، ومزامنة محطات الهاتف النقال الرئيسية. رغم الحاجة إلى أربعة أقمار صناعية للقيام بالعمل بشكل الطبيعى؛ يمكن استخدام عدد أقل في حالات خاصة – فإذا كان أحد المتغيرات معلوماً بالفعل يمكن لجهاز الاستقبال تحديد موقعه باستخدام ثلاثة أقمار صناعية فقط (مثلاً: يمكن أن تكون السفينة أو الطائرة قد حددت ارتفاعها عن سطح البحر). تستخدم بعض أجهزة استقبال الجى.پى.إس أدلة أو افتراضات إضافية (مثل: إعادة استخدام آخر ارتفاع تم الحصول عليه، والقياس بالحدس اعتماداً على قياس سابق، والملاحة بالقصور الذاتي، وإدراج معلومات حاسب المركبة) من أجل إعطاء حساب غير دقيق للموقع عندما يكون عدد الأقمار الصناعية المرئية أقل من أربعة أقمار.
التطبيقات :
كانت التطبيقات الأولى لنظام تحديد المواقع عسكرية بحتة. حيث كان يستعمل في الأسلحة الموجهة أو ما يسمى بالأسلحة الذكية وفي الملاحة البحرية والجوية العسكرية. وقد استخدمه البنتاجون في تحريك القوات الأمريكية خلال الهجوم على العراق ولا تزال تستخدمة في العراق وأماكن أخرى. وسيتخدم اليوم النظام في تطبيقات مدنية أيضاً. في توجيه الطائرات المدنية والملاحة البحرية. وأصبحت في الأسواق أجهزة استقبال جي بي إس للاستخدام الشخصي، ودخلت التقنية إلى بعض الهواتف المحمولة الحديثة، ووجدت شعبية كبيرة في أنظمة ملاحة السيارات وإرشاد السائق إلى الهدف. كما أن للنظام تطبيقات في ميدان الجيولوجيا وقياسات التصدعات الأرضية وحركة القارات، بالإضافة إلى إمكانية استعماله لتحديد سرعة العربات. ويمكن استعماله لتحديد مواقع اللآلات الفلاحية في الحقول الكبيرة. وتوجد فوارق في دقة نظام تحديد المواقع العالمي حيث أن التطبيقات العسكرية أكثر دقة من الجي بي أس المدني الذي يمكن من الوصول إلى دقة بضعة أمتار (نحو 10 مترا). حيث أن الولايات المتحدة الأمريكية كانت تقوم عمدا بالتشويش على إشارات الجي بي أس لمنع استعماله مدنيا والحد من جودتها في التطبيقات المدنية، إلا أنها يبدو أنها توقفت عن ذلك منذ سنة 2000 موجهة التركيز على التشويش على رقع جغرافية محدودة. وتبث الأقمار الصناعية الأمريكية بتدفق قدره 50 بت في الثانية على موجتين:

الموجة للاستعمال المدني بذبذبة قدرها 1575,42 MHz
الموجة للاستعمال العسكري بذبذبة قدرها 1227,6 MHz

شرح مبسط لطريقة عمل الجي بي أس

يتكون نظام تحديد الموقع من 24 قمر صناعي تحوم حول الأرض على ارتفاع 19000 كيلومتر. يقوم قمر صناعي ببث إشارة تحمل موقعه أي موقع القمر الصناعي كما تحمل زمن أو لحظة بث الإشارة، حيث يعين كل قمر صناعي منها زمنه بواسطة ساعة ذرية بالغة الدقة. يقوم جهاز الاستقبال باستقبال ثلاث إشارات قادمة من ثلاثة أو أكثر من تلك الأقمار الصناعية، وعن طريق تسجيله لحظة الاستقبال وسرعة انتقال الموجة أو الإشارة فإنه يمكنه أن يحدد المسافة التي تفصله عن القمر الصناعي (ليس الموقع). والآن باستقبال ثلاث إشارات من ثلاث أقمار مختلفة فإن نقطة تقاطعهم تحدد موقع جهاز استقبال. لهذا السبب فإنه لتحديد موقع شيء ما فإن نظام جي بي أس يحتاج نظريا إلى 3 أقمار صناعية على الأقل.
هذا نظرياً. النقطة التي تجعل عمليا يجب دائما الإستعانة بقمر صناعي رابع هو أن طريقة تحديد لموقع هذه تحتاج إلى ساعة عالية الدقة (ساعة ذرية). عمليا لا يمكن ولا يحبذ من منطلق اقتصادي تزويد أنظمة استقبال الجي بي أس بساعات ذرية. لذلك فإن مستقبلات الجي بي أس عمليا لا يمكنها تحديد لحظة الاستقبال بالهاردوير بل تستعين بإشارة رابعة من قمر صناعي رابع لحساب زمن الاستقبال. وفي ما يلي بعض المعادلات الرياضية التي توضح هذه العملية.
نموذج رياضي مبسط لنظام تحديد المواقع

إذا كان المستقبل موجود في الإحداثيات $نظام التموضع العالمي'G.P.S ' 28b310cb68824ea3bc1eab7d6932f99f$ وبمعرفة أن سرعة انتشار الإشارة ثابتة (سرعة الضوء) وأن الإشارة تنتشر خطيا على خط مستقيم بين القمر الصناعي والمستقبل.
و إذا سلمنا أن الاٌقمار الصناعية الأربعة الباثة موجودة في الإحداثيات $نظام التموضع العالمي'G.P.S ' 7dba03ac95413ddaccc13cbb97e8b3d8$ وأنها تبث في اللحظة tn موقعها ولحظة البث. فإننا نتحصل على المعادلات الأربع التالية:
$نظام التموضع العالمي'G.P.S ' 7cc7a5d8c679ed1344732d15dead871f$
حيث c هي سرعة انتشار الإشارة (سرعة الضوء) وذلك لتحديد المجهولات الثلاث $نظام التموضع العالمي'G.P.S ' 28b310cb68824ea3bc1eab7d6932f99f$ أي موقع المستقبل والمجهول الرابع t0 أي لحظة الاستقبال دون الحاجة لساعة ذرية.
الأقمار الصناعية المستعملة

يستعمل نظام الجي بي أس الأمريكي عدة أقمار صناعية نذكرها في الجدول أسفله:

القمر الصناعي	الموقع	تاريخ الإطلاق	SVN	PRN	Space Command catalog number	NSSDC international designator	Typ

NAVSTAR 22 (USA 66)	E5	26.11.1990	23	32	20959	1990-103A	IIA
NAVSTAR 23 (USA 71)	D5	04.07.1991	24	24	21552	1991-047A	IIA
NAVSTAR 24 (USA 79)	A5	23.02.1992	25	25	21890	1992-009A	IIA
NAVSTAR 26 (USA 83)	F5	07.07.1992	26	26	22014	1992-039A	IIA
NAVSTAR 27 (USA 84)	A4	09.09.1992	27	27	22108	1992-058A	IIA
NAVSTAR 28 (USA 85)	F6	22.11.1992	32	1	22231	1992-079A	IIA
NAVSTAR 32 (USA 91)	C5	13.05.1993	37	7	22657	1993-032A	IIA
NAVSTAR 33 (USA 92)	A1	26.06.1993	39	9	22700	1993-042A	IIA
NAVSTAR 34 (USA 94)	B5	30.08.1993	35	5	22779	1993-054A	IIA
NAVSTAR 35 (USA 96)	D4	26.10.1993	34	4	22877	1993-068A	IIA
NAVSTAR 36 (USA 100)	C1	10.03.1994	36	6	23027	1994-016A	IIA
NAVSTAR 37 (USA 117)	C2	28.03.1996	33	3	23833	1996-019A	IIA
NAVSTAR 38 (USA 126)	E3	16.07.1996	40	10	23953	1996-041A	IIA
NAVSTAR 39 (USA 128)	B2	12.09.1996	30	30	24320	1996-056A	IIA
NAVSTAR 43 (USA 132)	F3	23.07.1997	43	13	24876	1997-035A	IIR
NAVSTAR 44 (USA 134)	A3	06.11.1997	38	8	25030	1997-067A	IIA
NAVSTAR 46 (USA 145)	D2	07.10.1999	46	11	25933	1999-055A	IIR
NAVSTAR 47 (USA 150)	E1	11.05.2000	51	20	26360	2000-025A	IIR
NAVSTAR 48 (USA 151)	B3	16.07.2000	44	28	26407	2000-040A	IIR
NAVSTAR 49 (USA 154)	F1	10.11.2000	41	14	26605	2000-071A	IIR
NAVSTAR 50 (USA 156)	E4	30.01.2001	54	18	26690	2001-004A	IIR
NAVSTAR 51 (USA 166)	B1	29.01.2003	56	16	27663	2003-005A	IIR
NAVSTAR 52 (USA 168)	D3	31.03.2003	45	21	27704	2003-010A	IIR
NAVSTAR 53 (USA 175)	E2	21.12.2003	47	22	28129	2003-058A	IIR
NAVSTAR 54 (USA 177)	C3	20.03.2004	59	19	28190	2004-009A	IIR
NAVSTAR 55 (USA 178)	F4	23.06.2004	60	23	28361	2004-023A	IIR
NAVSTAR 56 (USA 180)	D1	06.11.2004	61	2	28474	2004-045A	IIR
NAVSTAR 57 (USA 183)	C4	26.09.2005	53	17	28874	2005-038A	IIR-M
NAVSTAR 58 (USA 190)	A2	25.09.2006	52	31	29486	2006-042A	IIR-M
NAVSTAR 59 (USA 192)	B4	17.11.2006	58	12	29601	2006-052A	IIR-M
NAVSTAR 60 (USA 196)	F2	17.10.2007	55	15	32260	2007-047A	IIR-M
NAVSTAR 61 (USA 199)		20.12.2007	57	29	32384	2007-062A	IIR-M

» نظام SAM-17 او BUK-M2 سام-6 سابقا
» نظام Gladius
» نظام Tor-m1 الروســى
» نظام التعقب في القناصة
» نظام يوم القيامة الروسي