كيف تعمل مستقبلات الملاحة GPS

بداية كلمة GPS هي اختصار لـ Global Positioning System أي نظام تحديد الموقع العالمي
يعتمد هذا النظام على منظومة من الأقمار الاصطناعية – كان عددها حوالي 27 قمراً عام 2003 – تدور حول الأرض وتعمل على الطاقة الشمسية وتدور بمعدل دورتين كاملتين باليوم , وقد تم ترتيب المدارات بحيث يمكنك مشاهدة 4 أقمار صناعية في السماء بآن واحد في أي وقت ومن أي نقطة على سطح الأرض .

مهمة مستقبل الـ GPS هي تحديد موقع هذه الأقمار وحساب المسافة بينها وبين الأرض والاستفادة من هذه المعطيات لاستنتاج موقع المستقبل وبالتالي تحديد إحداثياتك على سطح الأرض .
إن مبدأ عمل مستقبلات الـ GPS ليس بالأمر المعقد وتكفي 3 أقمار لتحديد موقعك , وإنما الزيادة في عدد الأقمار هو لزيادة الدقة , بمعرفة بعدك عن أحد الأقمار فإنك ستكون على سطح كرة يبلغ قطرها مقدار هذه المسافة , وبمعرفة بعدك عن القمر الثاني سيتشكل لديك كرتان يتقاطعان في دائرة , وموقعك سيكون إحدى نقاط محيط هذه الدائرة , وبمعرفة بعدك عن القمر الثالث وإجراء التقاطع ستحصل على نقطتين إحداهما في الفضاء (هذه النقطة بالطبع لا تدل على موقعك ) , والنقطة الأخرى تشير إلى موقعك على سطح الأرض أي كأنن استفدنا من الكرة الأرضية ككرة رابعة لتحديد الموقع .

يعتمد مستقبل الـ GPS على الأمواج الراديوية – والتي هي عبارة عن أمواج كهرمغناطيسية تنتشر بسرعة الضوء – لحساب المسافة التي تفصله عن الأقمار الاصطناعية وذلك بحساب المدة التي استغرقتها هذه الأمواج لتقطع المسافة.

عملية قياس المسافة عملية معقدة لأنها بحاجة لإتقان شديد وهي تتم على أساس المبدأ السابق –قياس زمن مسير الإشارة من القمر الاصطناعي وحتى مستقبل الـ GPS – ولكن كيف يتم ذلك ؟

في وقت محدد يبدأ القمر الاصطناعي بإرسال سلسلة رقمية طويلة ذات ترميز شبه عشوائي (PN) وسيبدأ مستقبل الـGPS بتوليد سلسلة مطابقة تماماً وفي نفس الوقت تماماً , وعندما تصل إشارة القمر الصناعي إلى مستقبل الـ GPS ستكون السلسلة المستقبلة متأخرة عن السلسلة المولدة بمقدار زمن مسير الإشارة . عندها يقوم المستقبل بضرب الزمن بسرعة الضوء لتحديد المسافة على افتراض انتشار الإشارة بشكل مستقيم وناتج الضرب هو بعد القمر الاصطناعي عن مستقبل الـ GPS , وللقيام بعملية قياس بهذه الدقة فإن كلاً من المستقبل والقمر الاصطناعي بحاجة لمؤقتات (clocks) يمكن مزامنتها من رتبة الـ Nanosecond , ويتم تحديد الموقع بدقة كما ذكرت وتجاوز مشكلة التأخير او عدم المزامنة الدقيقة بنسبة 100 % , باستخدام أربع أقمار لتحديد الموقع بدقة بالغة فمن المستحيل أن تتقاطع في نقطة واحدة إن لم يكن القياس دقيقاً واعتماداً على ذلك يقوم المستقبل بإعادة ضبط مؤقتة باستمرار للحصول على أعلى دقة .

الممتع في الـ GPS أنه لا يحدد لك فقط موقعك وإنما يمكنه أن يحدد لك أفضل طريقة يمكنك بها بلوغ وجهتك وذلك باستخدام خرائط رقمية مخزنة في ذاكرة المستقبل , فما عليك سوى أن تحدد له إحداثيات خط الطول والعرض للنقطة التي تريد الذهاب إليه وسيرشدك إلى وجهتك بأقصر طريق ممكن مع إعطاءك قيمة ارتفاعك في كل لحظة بالأضفة إلى ذلك يمكنه تحديد سرعتك الآنية والمتوسطة والوقت المتوقع للوصول لوجهتك إذا ما حافظت على نفس السرعة .

إن تطبيقات الـ GPS واسعة ولا حدود لها ويبرز استخدامه بشكل فعال في مجال الطيران و الملاحة البحرية والعمليات العسكرية
أما ما يهمنا نحن – أقصد بذلك مهندسو الاتصالات – فمن الضروري أن يكون لديك جهاز مماثل أثناء قيامك بعملية Survey أي مسح لأحد المناطق لدراسة إمكانية تغطية المنطقة بواسطة برج للاتصالات الخليوية على سبيل المثال , حيث يقوم مهندس التخطيط بإعطائك إحداثيات المكان المطلوب دراسته وعليك الذهاب إلى تلك النقطة بالضبط ودراسة الموقع ميدانياَ للتحقق من إمكانية الاستفادة منه بالأضفة لتسجيل إحداثيات المواقع المجاورة (وأقصد بذلك أبراج الخليوي المجاورة إن تحدثنا عن تغطية أبراج الخليوي ) .