ما هو نظام تحديد المواقع العالمي؟ فهم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

نظام تحديد المواقع العالمي أو GPS هو نظام عالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) يوفر نظام تحديد المواقع والملاحة والتوقيت (PNT). تم تطويره من قبل وزارة الدفاع الأمريكية (الولايات المتحدة DoD) في أوائل السبعينيات من القرن الماضي ، وهناك أنظمة ملاحة أخرى تعتمد على الأقمار الصناعية مثل GLONASS الروسي ، و Galileo في أوروبا ، و BeiDou الصيني ، لكن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الولايات المتحدة ونظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية الروسي (GLONASS) هما الأقمار الصناعية الوحيدة التي تعمل بكامل طاقتها. نظام ملاحة مع كوكبة 1970 قمر صناعي و 32 كوكبة ساتلية على التوالي. قبل تطوير تقنية GPS ، كانت الخرائط والبوصلة هي المساعدة الرئيسية للملاحة (في البحر أو الأرض أو الماء). مع إدخال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، أصبح التنقل وتحديد المواقع أمرًا سهلاً للغاية بفضل دقة تحديد الموقع التي تبلغ مترين أو أقل. جهاز الاستقبال في المستوى ثنائي الأبعاد موضع جهاز الاستقبال في الفضاء ثلاثي الأبعاد أنواع أجهزة استقبال GPS تطبيقات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) تاريخ نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) قبل تطوير نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، كانت أنظمة الملاحة الأرضية مثل LORAN (الملاحة طويلة المدى) من قبل الولايات المتحدة ونظام Decca Navigator من المملكة المتحدة هي التقنيات الرئيسية للملاحة. تعتمد هاتان التقنيتان على موجات الراديو وكانت النطاقات محدودة ببضع مئات من الكيلومترات. بدأت (DoT) مع العديد من المنظمات الأخرى في تطوير نظام ملاحة قائم على الأقمار الصناعية بهدف توفير دقة عالية وتشغيل مستقل عن الطقس وتغطية عالمية ، وقد تطور هذا البرنامج إلى نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية ونظام تحديد المواقع العالمي (NAVSTAR Global Positioning System). تم تطوير هذا النظام لأول مرة كنظام عسكري لتلبية احتياجات الولايات المتحدة العسكرية. الولايات المتحدة استخدم الجيش NAVSTAR للملاحة وكذلك نظام استهداف الأسلحة وأنظمة توجيه الصواريخ. إن احتمال استخدام الأعداء لنظام الملاحة هذا ضد الولايات المتحدة هو السبب الرئيسي لعدم السماح للمدنيين بالوصول إليه ، حيث تم إطلاق أول قمر صناعي NAVSTAR في عام 1978 وبحلول عام 1994 تم وضع مجموعة كاملة من 24 قمرا صناعيا في المدار وبالتالي جعل انها تعمل بكامل طاقتها. في عام 1996 ، الولايات المتحدة أدركت الحكومة أهمية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للمدنيين وأعلنت نظامًا مزدوج الاستخدام ، مما يسمح بالوصول إلى كل من العسكريين والمدنيين. عدد قليل من الأقمار الصناعية التي يتم رصدها في وقت واحد. مواقع هذه الأقمار الصناعية معروفة بالفعل ، وبالتالي من خلال قياس المسافة بين أربعة من هذه الأقمار الصناعية وجهاز الاستقبال ، فإن الإحداثيات الثلاثة لموقع مستقبل GPS ، أي يمكن تحديد خطوط الطول والعرض والارتفاع. نظرًا لأنه يمكن تحديد التغيير في موضع جهاز الاستقبال بدقة شديدة ، يمكن أيضًا تحديد سرعة جهاز الاستقبال. قطعة. في هذا ، يتم تطوير جزء التحكم والجزء الفضائي وتشغيلهما وصيانتهما من قبل القوات الجوية للولايات المتحدة. تُظهر الصورة التالية الأجزاء الثلاثة من نظام GPS. جزء الفضاء يتكون الجزء الفضائي (SS) من نظام GPS من كوكبة من 24 قمراً صناعياً تدور حول الأرض في مدارات دائرية تقريبًا. يتم وضع الأقمار الصناعية في ستة مستويات مدارية ويتكون كل مستوى مداري من أربعة أقمار صناعية. يتم ترتيب ميل الطائرات المدارية وتحديد مواقع الأقمار الصناعية بطرق معينة بحيث يكون ما لا يقل عن ستة أقمار صناعية دائمًا في خط الرؤية من أي مكان على الأرض. يتم وضع الأقمار الصناعية في مدار الأرض المتوسط ​​(MEO) على ارتفاع حوالي 20,000 كيلومتر. لزيادة التكرار وتحسين الدقة ، تمت زيادة العدد الإجمالي للأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الكوكبة إلى 32 ، من بينها 31 قمراً صناعياً قيد التشغيل. ومحطات التتبع. تتمثل المهمة الأساسية لجزء التحكم في تتبع موقع أقمار GPS الصناعية والحفاظ عليها في مدارات مناسبة بمساعدة أوامر المناورة ، بالإضافة إلى ذلك ، يحدد نظام التحكم أيضًا ويحافظ على سلامة النظام على متن الطائرة والظروف الجوية والبيانات من الساعات الذرية يتم تقسيم جزء التحكم في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مرة أخرى إلى أربعة أنظمة فرعية: محطة تحكم رئيسية جديدة (NMCS) ، ومحطة تحكم رئيسية بديلة (AMCS) ، وأربعة هوائيات أرضية (GAs) وشبكة عالمية من محطات المراقبة (MSs). عقدة التحكم المركزية لكوكبة القمر الصناعي GPS هي محطة التحكم الرئيسية (MSC). تقع في قاعدة شريفر الجوية ، كولورادو وتعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. المسؤوليات الرئيسية لمحطة التحكم الرئيسية هي: صيانة الأقمار الصناعية ، ومراقبة الحمولة الصافية ، ومزامنة الساعات الذرية ، ومناورة القمر الصناعي ، وإدارة أداء إشارة GPS ، وتحميل بيانات رسالة الملاحة ، والكشف. تعطل إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والاستجابة لتلك الأعطال. هناك العديد من محطات المراقبة (MS) ولكن ستة منها مهمة. تقع في هاواي وكولورادو سبرينغز وجزيرة أسينشن ودييجو جارسيا وكواجالين وكيب كانافيرال. تتعقب محطات المراقبة هذه باستمرار موقع الأقمار الصناعية ويتم إرسال البيانات إلى محطة التحكم الرئيسية لمزيد من التحليل. من أجل نقل البيانات إلى الأقمار الصناعية ، هناك أربعة هوائيات أرضية (GA) تقع في جزيرة Ascension و Cape Canaveral و Diego Garcia و كواجالين. تستخدم هذه الهوائيات لربط البيانات بالأقمار الصناعية ويمكن أن تكون البيانات أي شيء مثل تصحيح الساعة وأوامر القياس عن بعد ورسائل التنقل. جزء المستخدم يتكون جزء المستخدم في نظام GPS من المستخدم النهائي للتكنولوجيا مثل المدنيين والعسكريين للملاحة ، بدقة أو قياسية. تحديد المواقع والتوقيت. بشكل عام ، من أجل الوصول إلى خدمات GPS ، يجب أن يكون المستخدم مزودًا بأجهزة استقبال GPS مثل وحدات GPS المستقلة ، والهواتف المحمولة التي تعمل بنظام GPS ووحدات تحكم GPS المخصصة ، مع أجهزة استقبال GPS هذه ، يمكن للمستخدمين المدنيين معرفة الوضع القياسي والدقيق الوقت والسرعة بينما يستخدمها الجيش لتحديد المواقع بدقة ، وتوجيه الصواريخ ، والملاحة ، وما إلى ذلك. . لهذا الغرض ، تستخدم مستقبلات GPS طريقة رياضية تسمى Trilateration ، وهي طريقة يمكن من خلالها تحديد موضع الكائن عن طريق قياس المسافة بين الكائن وعدد قليل من الكائنات الأخرى ذات المواضع المعروفة بالفعل. لمعرفة موقع جهاز الاستقبال ، يجب على وحدة الاستقبال معرفة الأمرين التاليين: • موقع الأقمار الصناعية في الفضاء و • المسافة بين الأقمار الصناعية وجهاز استقبال GPS تحديد موقع الأقمار الصناعية من أجل تحديد موقع الأقمار الصناعية الأقمار الصناعية ، تستفيد أجهزة استقبال GPS من نوعين من البيانات المرسلة بواسطة أقمار GPS الصناعية: Almanac Data و Ephemeris Data. ترسل أقمار GPS الصناعية باستمرار موقعها التقريبي. تسمى هذه البيانات بيانات التقويم ، والتي يتم تحديثها بشكل دوري أثناء تحرك القمر الصناعي في المدار. يتم استلام هذه البيانات بواسطة جهاز استقبال GPS وتخزينها في ذاكرته. بمساعدة بيانات التقويم ، يمكن لجهاز استقبال GPS أن يكون قادرًا على تحديد مدارات الأقمار الصناعية وأيضًا مكان وجود الأقمار الصناعية ، ولا يمكن التنبؤ بالظروف في الفضاء وهناك احتمال كبير بأن الأقمار الصناعية قد تنحرف عنها طريقهم الفعلي. تقوم محطة التحكم الرئيسية (MCS) جنبًا إلى جنب مع محطات المراقبة المخصصة (MS) بتتبع مسار الأقمار الصناعية جنبًا إلى جنب مع معلومات أخرى مثل الارتفاع والسرعة والمدار والموقع. إذا كان هناك أي خطأ في أي من المعلمات ، فإن البيانات المصححة هي يتم إرسالها إلى الأقمار الصناعية حتى تظل في موضعها المحدد. تسمى هذه البيانات المدارية التي ترسلها MCS إلى القمر الصناعي بيانات التقويم الفلكي. يقوم القمر الصناعي ، عند تلقي هذه البيانات ، بتصحيح موقعه وإرسال هذه البيانات أيضًا إلى جهاز استقبال GPS. التقويم والتقويم ، يمكن لجهاز استقبال GPS معرفة الموقع الدقيق للأقمار الصناعية في كل وقت. تحديد المسافة بين الأقمار الصناعية وجهاز استقبال GPS من أجل قياس المسافة بين مستقبل GPS والأقمار الصناعية ، يلعب الوقت دورًا رئيسيًا. فيما يلي معادلة حساب مسافة القمر الصناعي من جهاز استقبال GPS: المسافة = سرعة الضوء × وقت عبور إشارة القمر الصناعي هنا ، وقت العبور هو الوقت الذي تستغرقه إشارة القمر الصناعي (إشارة في شكل موجات راديو ، يرسله القمر الصناعي إلى جهاز استقبال GPS) للوصول إلى جهاز الاستقبال. سرعة الضوء هي قيمة ثابتة وتساوي C = 3 x 108 m / s. من أجل حساب الوقت ، نحتاج أولاً إلى فهم الإشارة المرسلة من القمر الصناعي. تسمى الإشارة المحولة التي يرسلها القمر الصناعي بالضوضاء العشوائية الزائفة (PRN). نظرًا لأن القمر الصناعي يولد هذا الرمز ويبدأ في الإرسال ، يبدأ مستقبل GPS أيضًا في إنشاء نفس الرمز ويحاول مزامنته ، ثم يقوم جهاز استقبال GPS بحساب مقدار التأخير الذي يجب أن يمر به الرمز الذي تم إنشاؤه بواسطة جهاز الاستقبال قبل أن تتم مزامنته مع القمر الصناعي المرسل الكود: بمجرد معرفة موقع الأقمار الصناعية والمسافة بينها وبين مستقبل GPS ، يمكن معرفة موقع مستقبل GPS إما في 2D Space أو 3D Space باستخدام الطريقة التالية. من أجل العثور على موضع الكائن أو جهاز استقبال GPS في مساحة ثنائية الأبعاد أي طائرة XY ، كل ما نحتاج إلى إيجاده هو المسافة بين مستقبل GPS واثنين من الأقمار الصناعية. لنفترض أن D1 و D2 هما مسافة جهاز الاستقبال من القمر الصناعي 1 والقمر الصناعي 2 على التوالي ، والآن مع وجود الأقمار الصناعية في المركز ونصف قطر D1 و D2 ، ارسم دائرتين حولهما على المستوى XY. يظهر التمثيل التصويري لهذه الحالة في الصورة التالية ، من الصورة أعلاه ، يتضح أن مستقبل GPS يمكن أن يكون موجودًا في أي من النقطتين حيث تتقاطع الدائرتان. إذا تم استبعاد المنطقة الموجودة فوق الأقمار الصناعية ، فيمكننا تحديد موضع مستقبل GPS عند نقطة تقاطع الدوائر الموجودة أسفل الأقمار الصناعية ، وتكون معلومات المسافة من قمرين صناعيين كافية لتحديد موقع مستقبل GPS في طائرة ثنائية الأبعاد أو س ص. لكن العالم الحقيقي عبارة عن مساحة ثلاثية الأبعاد ونحتاج إلى تحديد موضع ثلاثي الأبعاد لجهاز استقبال GPS ، أي خط العرض وخط الطول والارتفاع. سنرى إجراءً خطوة بخطوة لتحديد الموقع ثلاثي الأبعاد لجهاز استقبال GPS. موضع المستقبل في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، دعنا نفترض أن مواقع الأقمار الصناعية فيما يتعلق بمستقبل GPS معروفة بالفعل. إذا كان القمر الصناعي 1 على مسافة D1 من جهاز الاستقبال ، فمن الواضح أن موضع جهاز الاستقبال يمكن أن يكون في أي مكان من سطح الكرة التي تكونت مع القمر الصناعي 1 كمركز و D1 كنصف قطره. قمر صناعي ثان (قمر صناعي 2) من جهاز الاستقبال هو D2 ، ثم يمكن تحديد موضع جهاز الاستقبال بالدائرة المكونة من تقاطع مجالين مع نصف قطر D1 و D2 مع الأقمار الصناعية 1 و 2 في المركزين على التوالي. ، يمكن تضييق موضع مستقبل GPS إلى نقطة على دائرة التقاطع. إذا أضفنا قمرًا صناعيًا ثالثًا (القمر الصناعي 3) بمسافة D3 من مستقبل GPS إلى القمرين الصناعيين الحاليين ، فسيقتصر موقع جهاز الاستقبال على تقاطع المجالات الثلاثة ، أي أي من النقطتين: في مواقف الوقت الفعلي ، لا يمكن تحقيق غموض مستقبل GPS الموجود في واحد من الموضعين. يمكن حل ذلك من خلال إدخال قمر صناعي رابع (القمر الصناعي 4) بمسافة D4 من جهاز الاستقبال ، حيث سيكون القمر الصناعي الرابع قادرًا على تحديد موقع مستقبل GPS من الموقعين المحتملين اللذين تم تحديدهما مسبقًا بثلاثة أقمار صناعية فقط. ومن ثم ، في الوقت الفعلي ، يلزم ما لا يقل عن 4 أقمار صناعية لتحديد الموقع الدقيق للكائن. عمليًا ، يعمل نظام GPS بحيث تكون 6 أقمار صناعية على الأقل مرئية دائمًا لكائن (مستقبل GPS) موجود في أي مكان على الأرض. يتم استخدام GPS من قبل المدنيين والعسكريين على حد سواء. وبالتالي ، يمكن تصنيف أنواع مستقبلات GPS إلى أجهزة استقبال GPS المدنية وأجهزة استقبال GPS العسكرية. لكن الطريقة القياسية للتصنيف تعتمد على نوع الكود الذي يمكن للمستقبل اكتشافه ، وهناك نوعان من الأكواد التي يرسلها القمر الصناعي GPS: كود الاستحواذ التقريبي (C / A Code) و P - Code. يمكن لوحدات مستقبل GPS الخاصة بالمستهلكين اكتشاف رمز C / A فقط. هذا الرمز ليس دقيقًا ومن ثم يُطلق على نظام تحديد المواقع المدني اسم خدمة تحديد المواقع القياسية (SPS) ، أما الرمز P ، فيستخدم من قبل الجيش وهو رمز دقيق للغاية. يُطلق على نظام تحديد المواقع الذي يستخدمه الجيش اسم خدمة تحديد المواقع الدقيقة (PPS). يمكن تصنيف مستقبلات GPS بناءً على القدرة على فك شفرة هذه الإشارات ، وهناك طريقة أخرى لتصنيف مستقبلات GPS المتاحة تجارياً تعتمد على قدرة استقبال الإشارات. باستخدام هذه الطريقة ، يمكن تقسيم أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى: أحادي - مستقبلات رمز التردد - أحادي - ناقل التردد - مستقبلات الرمز السلس - مفرد - كود التردد ومستقبلات الناقل - مزدوج - مستقبلات التردد - تطبيقات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أصبح نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) جزءًا أساسيًا من البنية التحتية العالمية ، على غرار الإنترنت. كان نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هو العنصر الأساسي في تطوير مجموعة واسعة من التطبيقات المنتشرة عبر جوانب مختلفة من الحياة الحديثة. أدت زيادة التصنيع على نطاق واسع وتصغير المكونات إلى خفض سعر أجهزة استقبال GPS. مذكورة أدناه قائمة صغيرة من التطبيقات التي يلعب فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) دورًا مهمًا. شهدت الزراعة الحديثة زيادة في الإنتاج بمساعدة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يستخدم المزارعون تقنية GPS جنبًا إلى جنب مع الأجهزة الإلكترونية الحديثة للحصول على معلومات دقيقة حول المنطقة الميدانية ، ومتوسط ​​العائد ، واستهلاك الوقود ، والمسافة المقطوعة ، وما إلى ذلك في مجال السيارات ، غالبًا ما تستخدم المركبات الموجهة الآلية في التطبيقات الصناعية أو الاستهلاكية. يتيح نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لهذه المركبات إمكانية التنقل وتحديد المواقع ، ويستخدم المدنيون أجهزة استقبال GPS لأغراض الملاحة. يمكن أن يكون مستقبل GPS وحدة مخصصة أو وحدة مضمنة في الهواتف المحمولة وساعات المعصم. إنها مفيدة جدًا في الرحلات والرحلات البرية والقيادة وما إلى ذلك. تشمل الميزات الإضافية التوقيت الدقيق وسرعة السيارة ، وتستفيد خدمات الطوارئ مثل الإطفاء والإسعاف من تحديد موقع الكارثة بدقة عن طريق نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ويمكن أن تكون قادرة على الاستجابة في الوقت المحدد ، ويستخدم الجيش أجهزة استقبال GPS عالية الدقة للملاحة وتتبع الهدف والصواريخ أنظمة التوجيه ، إلخ. هناك العديد من التطبيقات الأخرى التي يتم فيها استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو نطاق واسع من الاستخدام في المستقبل.

اترك رسالة 

قائمة الرسالة