عبدالكريم
05-09-2010, 08:34 PM
فى عام 1973 بدأت وزارة الدفاع الامريكية العمل على استحداث نظام عالمى جديد لتحديد المواقع و هو نظام الملاحة بالاقمار الصناعيةNAVSTAR (Global Navigation System ) بدلا من نظام ( العبور TRANSIT ) المعمول به من عام 1960و الدى أنشاءه الجيش الامريكى , اطلقت الاقمار الاولى فى عام 1978 و تم اكتمالها 24 قمر فى عام 1994 , و إعتبارا من 2007 فإن الولايات المتحدة الامريكية هى الدولة الوحيد التى تمتلك نظام كامل للملاحة و تحديد المواقع , بطاقة تصل الى 32 قمر صناعى فى ستة مستويات فى المتوسط .
و من الثمانينيات بدا الاتحاد السوڤيتى فى تنصيب النظام الروسى GLONASSلتحديد المواقع ثم تلاه الاتحاد الاوروبى بتنصيب نظامه Galileo System و المتوافق مع النظام الامريكى GPS , و الصين بنظامها الخاص Beidou COMPASS , و الان تسعى معظم دول العالم المتقدمة لامتلاك أنظمتها الخاص لتحديد المواقع و إن كانت أقليمية غير عالمية .
إن نظم تحديد المواقع كانت مصممة خصيصا للاستخدامات العسكرية ........
و لكنها اليوم تساهم فى زيادة كفاءة جميع وسائل و انواع المواصلات و تقلل مخاطرها كما يمكنها مراقبة كل التحركات فى الارض سواء بشرية أو تغيرات فى الظروف المناخية مثل العواصف و الزلازل , و فى الزراعة تستخدم فى تطبيق تقنية الاحكام الزراعى Precision Farming و دلك فى محاولة لتنفيد أنسب المهام فى أنسب المواقع فى أنسب الاوقات .
تستخدم الأنظمة العالمية لتحديد المواقع بواسطة الأقمار الصناعيةفى مجالات عديدة مثل الملاحة و الزراعة و الجغرافيا و السياحة و أنشاء الطرق و الجسور و السكك الحديدة و المطارات و إعداد و تحديث الخرائط , حيث يعتبر الخطوة الاولى فى نظم المعلومات الجغرافية GIS .
وصف مكونات شبكة GPS
1.قسم التحكم و المراقبة : وحدات تراقب اداء الاقمار الصناعية و تصحح الاخطاء فور حدوثها
2.قسم الفضاء : 24 قمر صناعى فى ستة مستويات , فى كل مستوى اربعة اقمار صناعية , على ارتفاع حوالى 19300 كيلو متر
3.قسم المستخدمين : أجهزة إستقبال لها عدة مميزات :
üتعمل طوال الاربعة و عشرون ساعة , طوال السبعة ايام , طوال السنة .
üتغطى جميع انحاء الارض .
üلا يتاثر بالظروف الجوية ( الحرارة و المطر و الجليد و العواصف و الرعد و البرق ) .
üدقة عالية جدا قد تصل الى سنتيمترات .
üانخفاض تكلفته الاقتصادية بالنسبة للطرق الاخرى .
üلايحتاج الى خبرة متخصصة لتشغيله .
شبكة الاقمار الصناعية المتكاملة
انظمة تحديد المواقع GPS عبارة عن 27 قمر صناعى يدور حول الارض ( 24 قمر صناعى مستخدم + 3 إحتياطى ) و لقد تم تطوير هدا النظام فى الولايات المتحدة الامريكية مند 1973 و هو يتكون من مرسل و مستقبل , اما المرسل فهو عبارة عن شبكة اقمار صناعية تدور حول الارض على ارتفاع 19300 كيلومتر لمرتين يوميا موزعة على ثمانية مستويات كل مستوى يصنع 55 درجة مع المستوى الاخر
و يوجد فى كل مستوى ثلاثة اقمار ( و يقال فى بعض المراجع أن عدد الاقمار الصناعية 32 قمر – بما فيهم الاقمار المتقاعدة و البدلاء – يدورون فى ستة مستويات كل مستوى به اربعة اقمار صناعية ) . http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledukfyulkyuk-.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledukfyulkyuk-.jpg)
(http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledukfyulkyuk-.jpg)
قطر دائرة المسار حول الكرة الارضية يصل الى 134400 كيلو متر , على ارتفاع 19200كيلو متر عن سطح الارض , و سرعتها تصل الى 11200 كيلومتر فى الساعة
يدار القمر الصناعى الواحد بواسطة الالواح الشمسية و البطاريات .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/gps-sat..jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/gps-sat..jpg)gps satellite
glonass satellite
و اطلقت الاقمار الاولى فى عام 1978 و تم اكتمالها 24 قمر فى عام 1994 , متوسط عمر القمر الواحد عشرة اعوام , و يجرى تجهيز و اطلاق البدلاء باستمرار , يزن القمر الصناعى الواحد 906 كيلو جرام و عرضه 5.168 متر عند فرد الالواح الشمسية , و القدرة المستخدمة فيه تصل الى 50 وات أو أقل .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/metoppayload.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/metoppayload.jpg)
تستخدم و ترسل أقمار GPS إشارتين منخفضتين القدرة من إشارات الراديو و هما L1 & L2 , و إعتبارا من 2007 فإن الولايات المتحدة الامريكية هى الدولة الوحيد التى تمتلك نظام كامل للملاحة و تحديد المواقع , بطاقة تصل الى 32 قمر صناعى فى ستة مستويات فى المتوسط .
لمادا نستخدم ثلاثة اقمار صناعية لتحديد الموقع ؟
إن تقاطع الاسطح الكروية الناتجة عن الاقمار الصناعية الثلاثة من
سطح الارض يعطى نقطتين احدهما هى الموجود فيها جهاز استقبال
GPS على سطح الكرة الارضية و الاخرى توجد فى الفضاء .
مهمة مستقبل GPS هى تحديد موقع القمر الصناعى و المسافة بين كل
قمر صناعى و بين موقع المستقبل على الارض .
إشارات الاقمار الصناعية
1.تحديد موقع نقطة واحدة SPP :-
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/void%280%29;Single Point Positioning و هو النوع المتاح للتطبيقات المدنية و الدى يستطيع اى جهاز استقبال الحصول على إشارته و استخدامها فى تحديد موقع و احداثيات الجهاز على سطح الكرة الارضية , و يقوم المستقبل بتحديد الموقع بطريقتين هما :-
أ / الاولى تعتمد على ازاحة دوبلرDoppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية
المرسلة من الاقمار الصناعية و هى ناتجة عن السرعة النسبية للدوران بين
الارض و الاقمار الصناعية .
ب / الثانية تعتمد على قياس التاخير الزمنى بين الاشارات الكهرو مغناطيسية
الواصلة من الاقمار الصناعية و إشارات جهاز الاستقبال .
2.التحديد الدقيق لاحداثيات نقطة PPS :-
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/void%280%29;Precise Point Positioning وهو نوع الاشارات المشفرة و المخصص فقط للاستخدامات العسكرية للقوات الامريكية و حلفائها فقط .
و يستخدم GPS الموجات المنخفضة L1 & L2 ليرسل إشارة ترددها 1575.42 MHZ و دلك فى نطاق التردد فوق العالى UHF band , و هده الاشارات تمر من خلال السحب و الزجاج و البلاستيك و لكنها لن تمر من خلال معظم المواد الصلبة مثل المبانى و الجبال .
إشارات GPS تحتوى على ثلاثة اجزاء مختلفة من المعلومات هى
1.Pseudo random Code ( PrC ) : وهو مجرد رمز يحدد هوية الاقمار الصناعية التى تنقل البيانات لنا و يمكنك عرض هدا الرمز على اى وحدة Germin GPS Units Satellite Page لانها تحدد الاقمار الصناعية التى نتلقى منها الاشارات .
2.بيانات التقويم الفلكى أو المدار .
3.معلومات تعديل البيانات .
هده المعلومات تدخل الى الميكرو بروسيسور و تتحد مع المعلومات المخزنة عن كل قمر صناعى من حيث مداره و سرعته و موقعه و هكدا .
و بعد عدة عمليات حسابية يحدد جهاز الاستقبال موقعه على سطح الكرة الارضية و يظهر النتائج على شاشة العرض .
وصف طريقة إستقبال الاشارات و تحديد بعد القمر عن المستقبل
يعتمد مستقبل GPS على أمواج الراديو الكهرومغناطيسية و التى تنتشر بسرعة الضوء لحساب المسافة التى تفصله عن الاقمار الصناعية و دلك لحساب المدة التى استغرقتها الامواج لتقطع المسافة .
فى وقت محدد يبدا القمر الصناعى بارسال سلسلة رقمية طويلة دات ترميز شبه عشوائى ( PRN ) و يبدا مستقبل GPS فى توليد سلسلة مطابقة تماما و فى نفس الوقت تماما و عندما تصل إشارة القمر الصناعى الى المستقبل ستكون السلسة المستقبلة متاخرة عن السلسة المتولدة بمقدار زمن الرحلة من القمر الصناعى حتى الارض . http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/aggpspr.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/aggpspr.jpg)
عندها يقوم المستقبل بضرب الزمن فى سرعة الضوء لتحديد المسافة , وناتج الضرب هو بعد القمر الصناعى عن جهاز الاستقبال تبعا للمعادلة الاتية :
و للقيام بهده العملية بهده الدقة فان كلا من المستقبل و القمر الصناعى بحاجة الى مؤقتات ( ساعات درية ) مضبوطة بالــNanosecond و يقوم المستقبل بضبط مؤقته باستمرار للحصول على اعلى دقة .
الفرق بين اشارة القمر الصناعى و اشارة جهاز الاستقبال
و لدقة حساب الموقع العديد من العوامل فى الاعتبار مثل :
1.تاثير الغلاف الجوى على الاشارات المرسلة .
2.تاثير مجال الجادبية الارضية على الاشارات المستقبلة حيث أن الجادبية تعمل على ازدياد ترددها كلما اقتربت من الارض .
مصادر الخطأ فى الاشارات ( الخطأ فى تحديد الموقع )
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/picture9.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/picture9.jpg)مصادر الخطأ فى الاشارات
1.طبقتى الايونو سفير و التروبو سفير : تؤثر طبقتى الايونو سفير و التروبو سفير على الاشارات المرسلة من الاقمار الصناعية لانها إشارات كهرومغناطيسية تتاثر باى مجال كهربى تتعرض له .
2.الاشارات متعددة القنوات : تؤثر على مدى ما يستقبله جهاز الاستقبال من إشارات
3.اخطاء استقبال و ضبط الساعة أو المؤقت
4.اخطاء المدار ( التقويم الفلكى )
5.عدد الاقمار الصناعية المرئية للمستقبل : كلما زاد عدد الاقمار الصناعية المرئية لجهاز الاستقبال كلما زادت دقة تحديد الموقع .
6.تدهور إشارات القمر الصناعى : كلما تقدم عمر القمر الصناعى كلما تدهورت إشاراته و إنحرفت قيمها عن القيم الصحيحة من حيث بيانات المدار او التقويم الفلكى و تقويم البيانات .
7.الاتاحية المنتقاه Selective Availability ( SA ) : من الثمانينيات الى أول مايو 2001 , و هى نسبة خطأ مقصودة فى تحديد الموقع , وكانت موضوعة بواسطة حكومة الولايات المتحدة الامريكية بغرض منع المستخدمين المدنين من تحديد موقعهم بدقة و خاصة مستخدمين الاجهزة الملاحية , و كانت الاتاحية المنتقاه فى حدود 100متر ثم انخفضت الى 22 متر ثم تم الغاؤها فى 1/5/2001 .
م مصادر الخطأ فى الاشارات الانحراف الناتج عن الخطأ ± متر 1 طبقة الايونو سفير 0.5 2 طبقة التروبو سفير0.5 3 الاشارات متعددة القنوات 0.6 4 اخطاء استقبال و ضبط الساعة 0.3 5 اخطاء المدار ( التقويم الفلكى ) 2.5 6 الاتاحية المنتقاه ( SA ) 22 7 تدهور إشارات القمر الصناعى 1.5 المجموع المجموع± 32.4
جدول (1) يوضح مقدار الخطا الناتج عن كل سبب من اسباب اخطاء تحديد الموقع
كل هده الاسباب تؤدى الى تراجع دقة تحديد الموقع بواسطة أجهزة GPS الى ما يقارب ± 8 متر كخطأ فى تحديد الموقع , مما أدى الى ظهور Satellite/Ground Based Augmentation Systems (S/GBAS) أنظمة التعزيز و توسيع المجال و هى عدة أقمار صناعية اضافية تصحح إشارات الاقمار العادية و تبث القيم الصحيحة نحو الكرة الارضية , ويستطيع أى جهاز إستقبال استقبالها ثم تصحيح البينات المرسلة له من الاقمار العادية .
أنواع أجهزة الأستقبال
1.الاجهزة الملاحية ) الاجهزة المحمولة يدويا Hand Held Receivers ) Navigational Receivers : و هى الاجهزة سهلة الاستخدام و التى لاتحتاج الى خبرة كبيرة لتشغيلها ,بالاضافة الى رخص ثمنها 300 : 3000 ريال سعودى ( 450 : 4500 جنيه مصرى ) و دلك لرخص مكوناتها الداخلية من الناحية التقنية للتعامل مع الاشارات المستقبلة.
2.الاجهزة الچيوديسية ( Geodetic Receivers ) : و هى الاجهزة الهندسية دات الدقة العالية فى الاستقبال و تحديد الاحداثيات حيث يصل الخطأ فى حساب الاحداثيات الى اقل من واحد سنتيمتر , و تتميز بمكونات داخلية عالية التقنية و أسعارها اغلى من 3000 ريال سعودى ( 4500 جنيه مصرى ) كما أنها تتطلب خبرة هندسية كبيرة و برامج حاسب آلي متخصصة.
فــــــــــوائد GPS
يساهم GPS فى :
1.زيادة كفاءة جميع وسائل و انواع المواصلات و تقليل مخاطرها .
2.مراقبة كل التحركات فى الارض سواء بشرية أو تغيرات فى الظروف المناخية مثل العواصف
و الزلازل .
فى الزراعة يستخدم GPS فى تطبيق تقنية الاحكام الزراعى Precision Farming
و دلك فى محاولة لتنفيد أنسب المهام فى أنسب المواقع فى أنسب الاوقات .
يستخدم GPS فى :
1)تحديد الموقع و الارتفاع بالتحديد ( الاحداثيات و المنسوب ) .
2)السرعة اللحظية و المتوسطة .
3)تحديد الوضع .
4)تحديد المسار .
5)مسافة الرحلة من موقعك الى مقصدك .
6)مسافة الرحلة من مكان الى مكان اخر .
7)أوقات الشروق و الغروب .
8)الوقت المتوقع للوصول الى وجهتك .
9)أفضل طريقة لبلوغ هدفك بإستخدام خرائط رقمية مخزنة فى داكرة جهاز الاستقبال .
إستخدامات GPS العامة
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledrthryjn.bmp (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledrthryjn.bmp)
يستخدم GPS فى مجالات عديدة مثل الملاحة و الزراعة و الجغرافيا و السياحة و أنشاء الطرق و الجسور و السكك الحديدة و المطارات و إعداد و تحديث الخرائط , حيث يعتبر الخطوة الاولى فى نظم المعلومات الجغرافية GIS .
ýتستخدمه البواخر و القوارب الخاصة لتحديد موقعها فى البحار .
ýشركات النقل لتحديد موقع سياراتها فمثلا سيارات الاجرة فى اوروبا تستخدم GPS حتى ترسل أقرب سيارة اجرة متواجدة بجوار صاحب الطلب .
ýقريبا جدا سوف يوضع فى كل سيارة جهاز إستقبال يقوم بارشاد السائق الى اسهل الطرق ليصل الى مقصده , وهدا الجهاز مزود بخرائط الكترونية بشوارع العالم و عن طريق المعلومات التى يستقبلها من الاقمار الصناعية يمكن معرفة الشوارع المزدحمة و تجنبها و حاليا فى اليابان يتم تطوير سيارة تستعين بالــ GPS و الخرائط الالكترونية فى تمكين السيارة من معرفة الطريق دون الحاجة الى قائد عن طريق مجسات الكترونية فى السيارة .
ýأما فى مجال الطائرات فاستخدام هدا النظام يمكن من التحكم فى حركة الطائرات فى الجو و السماح للطائرات بالطيران على مسافات متقاربة من بعضها البعض للتخفيف من الازدحام الملحوظ فى المطارات .
إستخدامات GPS الزراعية
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/combine.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/combine.jpg)
يستخدم الــ GPS فى الزراعة فى مراعاة البعد المكانى فى المزرعة , تحديد نوع التربة فى كل جزء منها , تحديد أنسب أنواع المحاصيل للتربة , تحديد و متابعة الزراعة أول بأول مثل تحديد كمية المياه و كمية و نوع الاسمدة المطلوبة , فى تطبيق تقنية الاحكام الزراعى Precision Farming و دلك فى محاولة لتنفيد أنسب المهام فى أنسب المواقع فى أنسب الاوقات .
توجيه الجرار : المزراعين يمكنهم وضعها على الجرارات و المركبات حيث يمكنها حفظ طريقة الحرث و السير فى خطوط متوازية , و دلك يجرى فى عمليات مختلفة مثل الزراعة و التسميد و الافات و الحصاد و حفظ طرق سير الجرار , و بدلك سوف يتم توفير الكثير من المال .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/riceplantingrobot.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/riceplantingrobot.jpg)
كيفية توجيه الجرار و الحرث باستخدام GPS
إستهداف الحشرات و أكلات المحاصيل : إن الحشرات لاتهاجم المحاصيل بشكل منتظم , و بدلا من تفشى نشاط الحشرات سوف نركز على مناطق معينة حيث انه من خلال مستقبل الــ GPS سوف نحدد اماكن الحشرات ثم نرسل طائرات مكافحة الحشرات و بالتالى سوف تستهدف هده الطائرات اماكن معينة بدلا من التعامل مع الحقل كله , و سوف توفر هده الطريقة الكثير من الوقت و الوقود و المبيدات الحشرية ,كما ستقلل من التعرض للمواد الكيميائية .
تتبع الثروة الحيوانية : تحديد موقع كمية كبيرة من حيوانات المزرعة
من خلال الــ GPS , حيث ستعلق اجهزة الارسال فى القلادات عندما يرسل
الحيوانات الى الاسواق و بالتالى سوف يمكن رصدها بسهولة .
رصد الغلة : تقدير الاختلافات فى العائد عبر المزرعة .
جمع و تحليل و تقسيم عينات التربة : جمع عينات كثيرة من المزرعة
و رسم الخرائط الكنتورية و خرائط الاستخدام Land Use ( بواسطة
البرمجيات و الـ GPS ) و هكدا يمكننا تحديد المناطق التى تحتاج الى
علاج (سواء إنحدارات أو رى أو عزيق أو تسميد أو تلوث بالمبيدات )
و بعد إجراء هدا العلاج ثم يمكننا جمع عينات اخرى بواسطة الــ GPS
و تحديد مدى نفع ما قمنا به .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/palayers.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/palayers.jpg)
العمل عند إنخفاض الرؤية : خلال الامطار و الغبار و الضباب و الظلام .
كل ما سبق سوف يساعد فى تقليل النفقات و إرتفاع عائد الانتاج و إيجاد أكثر الحلول ملائمة لعمليات الخدمة الزراعية
( GBAS ) أنظمة التعزيز و توسيع المجال
Ground Based Augmentation Systems
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waas.gif (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waas.gif)
و سوف نتناول منها نظام تعزيز نطاق الشبكة الامريكى ( WAAS ) و هو :
يطوره و ينشأه FAA إدارة الطيران الفيدرالية , DOT وزارة النقل .
و الغرض الاساسى من انشاءه هو تحقيق افضل تغطية لزيادة دقة الــ GPS و تصحيح اخطاءه عن طريق :
قياس التغيرات و الاخطاء فى نظام GPS و تصحيح هده الانحرافات ثم ارسالها للاقمار الثابتة بالنسبة للارض ( مرة كل خمسة ثوانى على الاقل ) ثم تبث الاقمار الثابتة بالنسبة للارض التصحيح الى المستخدمين او اجهزة استقبال الــ GPS حيث يمكن لاجهزة GPS إستقبال موجاتها .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waasaccuracy2.gif (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waasaccuracy2.gif)الفرق بين دقة GPS قديما و الدقة بعد استخدام WAAS
و يتكون من قطاعين :-
1.القطاع الارضى : و هو 38 محطة مرجعية ( 20 محطة فى USA , 7 فى الاسكا , واحدة فى هاواى , واحدة فى بورتوريكو , 5 فى المكسيك , 4 فى كندا ) .
2.القطاع الفضائى : و هو عبارة عن قمران صناعيان PANAMSAT & TELESAT .
(http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/slide0001image001.jpg)
أماكن المحطات المرجعية و انواع الاقمار الصناعية لنظام التعزيز الامريكى WAAS
تقسيم النظم العالمية لأقمار تحديد المواقع
i.نظم الملاحة الاساسية GNSS 1 :-
a)GPS by USA
b)GLONASS by Russia
c)Galileo System by EU
d)Beidou COMPASS by China
ii.أقمار الملاحة الاقليمية GNSS 2 :-
a)QZSS by Japan ( 3 أقمار صناعية )
b)Beidou by China
c)IRNSS by India ( 7 أقمار صناعية )
d)DORIS by French
iii.نظم التعزيز الاقليمية SBAS :-
a)WAAS by USA
b)EGNOS by EU
c)MSAS by Japan
d)GAGAN by India
iv. نظم التعزيز التجارية :-
a)OMNISTAR
b)STARFIRE
v.على مستوى القارات و بناء نظم التعزيز :-
مثل GRAS فى أستراليا , و وزارة النقل الامريكية الوطنية و الشبكة العالمية التفاضلية DGPS
GLONASS
وهو النظام المرفوع بواسطة روسيا ( الاتحاد السوڤيتى ) و يجرى الان ترميمه و إعادته للتشغيل الكامل بمساعدات من الهند .
Galileo System
النظام المقترح بواسطة الاتحاد الاوروبى و هو فى مرحلة الانتشار الاولى و من المقرر ان يبدا العمل عام 2012 , و يستخدم الموجات L1,L2,L5 , و قد تم البدء فى تنصيبه من 28 ديسمبر 2005 بتكلفة 2.4 مليار إسترلينى ,و نظام Galileo System متوافق مع نظام GPS و دلك لزيادة الدقة .
Beidou COMPASS
من المقرر ان يبدا العمل فى عام 2015 و هو عبارة عن 30 قمر صناعى متوسط المدار الارضى و خمسة اقمار صناعية ثابتة بالنسبة للارض GEO Satellite كنظام تعزيز .
منقول عن الموسوعة العالمية للمعلومات والاتصالات
تأليف احمد عبداللاه أحمد (http://mouhassan.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/0)
عن موقع كنول
و من الثمانينيات بدا الاتحاد السوڤيتى فى تنصيب النظام الروسى GLONASSلتحديد المواقع ثم تلاه الاتحاد الاوروبى بتنصيب نظامه Galileo System و المتوافق مع النظام الامريكى GPS , و الصين بنظامها الخاص Beidou COMPASS , و الان تسعى معظم دول العالم المتقدمة لامتلاك أنظمتها الخاص لتحديد المواقع و إن كانت أقليمية غير عالمية .
إن نظم تحديد المواقع كانت مصممة خصيصا للاستخدامات العسكرية ........
و لكنها اليوم تساهم فى زيادة كفاءة جميع وسائل و انواع المواصلات و تقلل مخاطرها كما يمكنها مراقبة كل التحركات فى الارض سواء بشرية أو تغيرات فى الظروف المناخية مثل العواصف و الزلازل , و فى الزراعة تستخدم فى تطبيق تقنية الاحكام الزراعى Precision Farming و دلك فى محاولة لتنفيد أنسب المهام فى أنسب المواقع فى أنسب الاوقات .
تستخدم الأنظمة العالمية لتحديد المواقع بواسطة الأقمار الصناعيةفى مجالات عديدة مثل الملاحة و الزراعة و الجغرافيا و السياحة و أنشاء الطرق و الجسور و السكك الحديدة و المطارات و إعداد و تحديث الخرائط , حيث يعتبر الخطوة الاولى فى نظم المعلومات الجغرافية GIS .
وصف مكونات شبكة GPS
1.قسم التحكم و المراقبة : وحدات تراقب اداء الاقمار الصناعية و تصحح الاخطاء فور حدوثها
2.قسم الفضاء : 24 قمر صناعى فى ستة مستويات , فى كل مستوى اربعة اقمار صناعية , على ارتفاع حوالى 19300 كيلو متر
3.قسم المستخدمين : أجهزة إستقبال لها عدة مميزات :
üتعمل طوال الاربعة و عشرون ساعة , طوال السبعة ايام , طوال السنة .
üتغطى جميع انحاء الارض .
üلا يتاثر بالظروف الجوية ( الحرارة و المطر و الجليد و العواصف و الرعد و البرق ) .
üدقة عالية جدا قد تصل الى سنتيمترات .
üانخفاض تكلفته الاقتصادية بالنسبة للطرق الاخرى .
üلايحتاج الى خبرة متخصصة لتشغيله .
شبكة الاقمار الصناعية المتكاملة
انظمة تحديد المواقع GPS عبارة عن 27 قمر صناعى يدور حول الارض ( 24 قمر صناعى مستخدم + 3 إحتياطى ) و لقد تم تطوير هدا النظام فى الولايات المتحدة الامريكية مند 1973 و هو يتكون من مرسل و مستقبل , اما المرسل فهو عبارة عن شبكة اقمار صناعية تدور حول الارض على ارتفاع 19300 كيلومتر لمرتين يوميا موزعة على ثمانية مستويات كل مستوى يصنع 55 درجة مع المستوى الاخر
و يوجد فى كل مستوى ثلاثة اقمار ( و يقال فى بعض المراجع أن عدد الاقمار الصناعية 32 قمر – بما فيهم الاقمار المتقاعدة و البدلاء – يدورون فى ستة مستويات كل مستوى به اربعة اقمار صناعية ) . http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledukfyulkyuk-.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledukfyulkyuk-.jpg)
(http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledukfyulkyuk-.jpg)
قطر دائرة المسار حول الكرة الارضية يصل الى 134400 كيلو متر , على ارتفاع 19200كيلو متر عن سطح الارض , و سرعتها تصل الى 11200 كيلومتر فى الساعة
يدار القمر الصناعى الواحد بواسطة الالواح الشمسية و البطاريات .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/gps-sat..jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/gps-sat..jpg)gps satellite
glonass satellite
و اطلقت الاقمار الاولى فى عام 1978 و تم اكتمالها 24 قمر فى عام 1994 , متوسط عمر القمر الواحد عشرة اعوام , و يجرى تجهيز و اطلاق البدلاء باستمرار , يزن القمر الصناعى الواحد 906 كيلو جرام و عرضه 5.168 متر عند فرد الالواح الشمسية , و القدرة المستخدمة فيه تصل الى 50 وات أو أقل .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/metoppayload.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/metoppayload.jpg)
تستخدم و ترسل أقمار GPS إشارتين منخفضتين القدرة من إشارات الراديو و هما L1 & L2 , و إعتبارا من 2007 فإن الولايات المتحدة الامريكية هى الدولة الوحيد التى تمتلك نظام كامل للملاحة و تحديد المواقع , بطاقة تصل الى 32 قمر صناعى فى ستة مستويات فى المتوسط .
لمادا نستخدم ثلاثة اقمار صناعية لتحديد الموقع ؟
إن تقاطع الاسطح الكروية الناتجة عن الاقمار الصناعية الثلاثة من
سطح الارض يعطى نقطتين احدهما هى الموجود فيها جهاز استقبال
GPS على سطح الكرة الارضية و الاخرى توجد فى الفضاء .
مهمة مستقبل GPS هى تحديد موقع القمر الصناعى و المسافة بين كل
قمر صناعى و بين موقع المستقبل على الارض .
إشارات الاقمار الصناعية
1.تحديد موقع نقطة واحدة SPP :-
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/void%280%29;Single Point Positioning و هو النوع المتاح للتطبيقات المدنية و الدى يستطيع اى جهاز استقبال الحصول على إشارته و استخدامها فى تحديد موقع و احداثيات الجهاز على سطح الكرة الارضية , و يقوم المستقبل بتحديد الموقع بطريقتين هما :-
أ / الاولى تعتمد على ازاحة دوبلرDoppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية
المرسلة من الاقمار الصناعية و هى ناتجة عن السرعة النسبية للدوران بين
الارض و الاقمار الصناعية .
ب / الثانية تعتمد على قياس التاخير الزمنى بين الاشارات الكهرو مغناطيسية
الواصلة من الاقمار الصناعية و إشارات جهاز الاستقبال .
2.التحديد الدقيق لاحداثيات نقطة PPS :-
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/void%280%29;Precise Point Positioning وهو نوع الاشارات المشفرة و المخصص فقط للاستخدامات العسكرية للقوات الامريكية و حلفائها فقط .
و يستخدم GPS الموجات المنخفضة L1 & L2 ليرسل إشارة ترددها 1575.42 MHZ و دلك فى نطاق التردد فوق العالى UHF band , و هده الاشارات تمر من خلال السحب و الزجاج و البلاستيك و لكنها لن تمر من خلال معظم المواد الصلبة مثل المبانى و الجبال .
إشارات GPS تحتوى على ثلاثة اجزاء مختلفة من المعلومات هى
1.Pseudo random Code ( PrC ) : وهو مجرد رمز يحدد هوية الاقمار الصناعية التى تنقل البيانات لنا و يمكنك عرض هدا الرمز على اى وحدة Germin GPS Units Satellite Page لانها تحدد الاقمار الصناعية التى نتلقى منها الاشارات .
2.بيانات التقويم الفلكى أو المدار .
3.معلومات تعديل البيانات .
هده المعلومات تدخل الى الميكرو بروسيسور و تتحد مع المعلومات المخزنة عن كل قمر صناعى من حيث مداره و سرعته و موقعه و هكدا .
و بعد عدة عمليات حسابية يحدد جهاز الاستقبال موقعه على سطح الكرة الارضية و يظهر النتائج على شاشة العرض .
وصف طريقة إستقبال الاشارات و تحديد بعد القمر عن المستقبل
يعتمد مستقبل GPS على أمواج الراديو الكهرومغناطيسية و التى تنتشر بسرعة الضوء لحساب المسافة التى تفصله عن الاقمار الصناعية و دلك لحساب المدة التى استغرقتها الامواج لتقطع المسافة .
فى وقت محدد يبدا القمر الصناعى بارسال سلسلة رقمية طويلة دات ترميز شبه عشوائى ( PRN ) و يبدا مستقبل GPS فى توليد سلسلة مطابقة تماما و فى نفس الوقت تماما و عندما تصل إشارة القمر الصناعى الى المستقبل ستكون السلسة المستقبلة متاخرة عن السلسة المتولدة بمقدار زمن الرحلة من القمر الصناعى حتى الارض . http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/aggpspr.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/aggpspr.jpg)
عندها يقوم المستقبل بضرب الزمن فى سرعة الضوء لتحديد المسافة , وناتج الضرب هو بعد القمر الصناعى عن جهاز الاستقبال تبعا للمعادلة الاتية :
و للقيام بهده العملية بهده الدقة فان كلا من المستقبل و القمر الصناعى بحاجة الى مؤقتات ( ساعات درية ) مضبوطة بالــNanosecond و يقوم المستقبل بضبط مؤقته باستمرار للحصول على اعلى دقة .
الفرق بين اشارة القمر الصناعى و اشارة جهاز الاستقبال
و لدقة حساب الموقع العديد من العوامل فى الاعتبار مثل :
1.تاثير الغلاف الجوى على الاشارات المرسلة .
2.تاثير مجال الجادبية الارضية على الاشارات المستقبلة حيث أن الجادبية تعمل على ازدياد ترددها كلما اقتربت من الارض .
مصادر الخطأ فى الاشارات ( الخطأ فى تحديد الموقع )
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/picture9.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/picture9.jpg)مصادر الخطأ فى الاشارات
1.طبقتى الايونو سفير و التروبو سفير : تؤثر طبقتى الايونو سفير و التروبو سفير على الاشارات المرسلة من الاقمار الصناعية لانها إشارات كهرومغناطيسية تتاثر باى مجال كهربى تتعرض له .
2.الاشارات متعددة القنوات : تؤثر على مدى ما يستقبله جهاز الاستقبال من إشارات
3.اخطاء استقبال و ضبط الساعة أو المؤقت
4.اخطاء المدار ( التقويم الفلكى )
5.عدد الاقمار الصناعية المرئية للمستقبل : كلما زاد عدد الاقمار الصناعية المرئية لجهاز الاستقبال كلما زادت دقة تحديد الموقع .
6.تدهور إشارات القمر الصناعى : كلما تقدم عمر القمر الصناعى كلما تدهورت إشاراته و إنحرفت قيمها عن القيم الصحيحة من حيث بيانات المدار او التقويم الفلكى و تقويم البيانات .
7.الاتاحية المنتقاه Selective Availability ( SA ) : من الثمانينيات الى أول مايو 2001 , و هى نسبة خطأ مقصودة فى تحديد الموقع , وكانت موضوعة بواسطة حكومة الولايات المتحدة الامريكية بغرض منع المستخدمين المدنين من تحديد موقعهم بدقة و خاصة مستخدمين الاجهزة الملاحية , و كانت الاتاحية المنتقاه فى حدود 100متر ثم انخفضت الى 22 متر ثم تم الغاؤها فى 1/5/2001 .
م مصادر الخطأ فى الاشارات الانحراف الناتج عن الخطأ ± متر 1 طبقة الايونو سفير 0.5 2 طبقة التروبو سفير0.5 3 الاشارات متعددة القنوات 0.6 4 اخطاء استقبال و ضبط الساعة 0.3 5 اخطاء المدار ( التقويم الفلكى ) 2.5 6 الاتاحية المنتقاه ( SA ) 22 7 تدهور إشارات القمر الصناعى 1.5 المجموع المجموع± 32.4
جدول (1) يوضح مقدار الخطا الناتج عن كل سبب من اسباب اخطاء تحديد الموقع
كل هده الاسباب تؤدى الى تراجع دقة تحديد الموقع بواسطة أجهزة GPS الى ما يقارب ± 8 متر كخطأ فى تحديد الموقع , مما أدى الى ظهور Satellite/Ground Based Augmentation Systems (S/GBAS) أنظمة التعزيز و توسيع المجال و هى عدة أقمار صناعية اضافية تصحح إشارات الاقمار العادية و تبث القيم الصحيحة نحو الكرة الارضية , ويستطيع أى جهاز إستقبال استقبالها ثم تصحيح البينات المرسلة له من الاقمار العادية .
أنواع أجهزة الأستقبال
1.الاجهزة الملاحية ) الاجهزة المحمولة يدويا Hand Held Receivers ) Navigational Receivers : و هى الاجهزة سهلة الاستخدام و التى لاتحتاج الى خبرة كبيرة لتشغيلها ,بالاضافة الى رخص ثمنها 300 : 3000 ريال سعودى ( 450 : 4500 جنيه مصرى ) و دلك لرخص مكوناتها الداخلية من الناحية التقنية للتعامل مع الاشارات المستقبلة.
2.الاجهزة الچيوديسية ( Geodetic Receivers ) : و هى الاجهزة الهندسية دات الدقة العالية فى الاستقبال و تحديد الاحداثيات حيث يصل الخطأ فى حساب الاحداثيات الى اقل من واحد سنتيمتر , و تتميز بمكونات داخلية عالية التقنية و أسعارها اغلى من 3000 ريال سعودى ( 4500 جنيه مصرى ) كما أنها تتطلب خبرة هندسية كبيرة و برامج حاسب آلي متخصصة.
فــــــــــوائد GPS
يساهم GPS فى :
1.زيادة كفاءة جميع وسائل و انواع المواصلات و تقليل مخاطرها .
2.مراقبة كل التحركات فى الارض سواء بشرية أو تغيرات فى الظروف المناخية مثل العواصف
و الزلازل .
فى الزراعة يستخدم GPS فى تطبيق تقنية الاحكام الزراعى Precision Farming
و دلك فى محاولة لتنفيد أنسب المهام فى أنسب المواقع فى أنسب الاوقات .
يستخدم GPS فى :
1)تحديد الموقع و الارتفاع بالتحديد ( الاحداثيات و المنسوب ) .
2)السرعة اللحظية و المتوسطة .
3)تحديد الوضع .
4)تحديد المسار .
5)مسافة الرحلة من موقعك الى مقصدك .
6)مسافة الرحلة من مكان الى مكان اخر .
7)أوقات الشروق و الغروب .
8)الوقت المتوقع للوصول الى وجهتك .
9)أفضل طريقة لبلوغ هدفك بإستخدام خرائط رقمية مخزنة فى داكرة جهاز الاستقبال .
إستخدامات GPS العامة
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledrthryjn.bmp (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/untitledrthryjn.bmp)
يستخدم GPS فى مجالات عديدة مثل الملاحة و الزراعة و الجغرافيا و السياحة و أنشاء الطرق و الجسور و السكك الحديدة و المطارات و إعداد و تحديث الخرائط , حيث يعتبر الخطوة الاولى فى نظم المعلومات الجغرافية GIS .
ýتستخدمه البواخر و القوارب الخاصة لتحديد موقعها فى البحار .
ýشركات النقل لتحديد موقع سياراتها فمثلا سيارات الاجرة فى اوروبا تستخدم GPS حتى ترسل أقرب سيارة اجرة متواجدة بجوار صاحب الطلب .
ýقريبا جدا سوف يوضع فى كل سيارة جهاز إستقبال يقوم بارشاد السائق الى اسهل الطرق ليصل الى مقصده , وهدا الجهاز مزود بخرائط الكترونية بشوارع العالم و عن طريق المعلومات التى يستقبلها من الاقمار الصناعية يمكن معرفة الشوارع المزدحمة و تجنبها و حاليا فى اليابان يتم تطوير سيارة تستعين بالــ GPS و الخرائط الالكترونية فى تمكين السيارة من معرفة الطريق دون الحاجة الى قائد عن طريق مجسات الكترونية فى السيارة .
ýأما فى مجال الطائرات فاستخدام هدا النظام يمكن من التحكم فى حركة الطائرات فى الجو و السماح للطائرات بالطيران على مسافات متقاربة من بعضها البعض للتخفيف من الازدحام الملحوظ فى المطارات .
إستخدامات GPS الزراعية
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/combine.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/combine.jpg)
يستخدم الــ GPS فى الزراعة فى مراعاة البعد المكانى فى المزرعة , تحديد نوع التربة فى كل جزء منها , تحديد أنسب أنواع المحاصيل للتربة , تحديد و متابعة الزراعة أول بأول مثل تحديد كمية المياه و كمية و نوع الاسمدة المطلوبة , فى تطبيق تقنية الاحكام الزراعى Precision Farming و دلك فى محاولة لتنفيد أنسب المهام فى أنسب المواقع فى أنسب الاوقات .
توجيه الجرار : المزراعين يمكنهم وضعها على الجرارات و المركبات حيث يمكنها حفظ طريقة الحرث و السير فى خطوط متوازية , و دلك يجرى فى عمليات مختلفة مثل الزراعة و التسميد و الافات و الحصاد و حفظ طرق سير الجرار , و بدلك سوف يتم توفير الكثير من المال .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/riceplantingrobot.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/riceplantingrobot.jpg)
كيفية توجيه الجرار و الحرث باستخدام GPS
إستهداف الحشرات و أكلات المحاصيل : إن الحشرات لاتهاجم المحاصيل بشكل منتظم , و بدلا من تفشى نشاط الحشرات سوف نركز على مناطق معينة حيث انه من خلال مستقبل الــ GPS سوف نحدد اماكن الحشرات ثم نرسل طائرات مكافحة الحشرات و بالتالى سوف تستهدف هده الطائرات اماكن معينة بدلا من التعامل مع الحقل كله , و سوف توفر هده الطريقة الكثير من الوقت و الوقود و المبيدات الحشرية ,كما ستقلل من التعرض للمواد الكيميائية .
تتبع الثروة الحيوانية : تحديد موقع كمية كبيرة من حيوانات المزرعة
من خلال الــ GPS , حيث ستعلق اجهزة الارسال فى القلادات عندما يرسل
الحيوانات الى الاسواق و بالتالى سوف يمكن رصدها بسهولة .
رصد الغلة : تقدير الاختلافات فى العائد عبر المزرعة .
جمع و تحليل و تقسيم عينات التربة : جمع عينات كثيرة من المزرعة
و رسم الخرائط الكنتورية و خرائط الاستخدام Land Use ( بواسطة
البرمجيات و الـ GPS ) و هكدا يمكننا تحديد المناطق التى تحتاج الى
علاج (سواء إنحدارات أو رى أو عزيق أو تسميد أو تلوث بالمبيدات )
و بعد إجراء هدا العلاج ثم يمكننا جمع عينات اخرى بواسطة الــ GPS
و تحديد مدى نفع ما قمنا به .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/palayers.jpg (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/palayers.jpg)
العمل عند إنخفاض الرؤية : خلال الامطار و الغبار و الضباب و الظلام .
كل ما سبق سوف يساعد فى تقليل النفقات و إرتفاع عائد الانتاج و إيجاد أكثر الحلول ملائمة لعمليات الخدمة الزراعية
( GBAS ) أنظمة التعزيز و توسيع المجال
Ground Based Augmentation Systems
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waas.gif (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waas.gif)
و سوف نتناول منها نظام تعزيز نطاق الشبكة الامريكى ( WAAS ) و هو :
يطوره و ينشأه FAA إدارة الطيران الفيدرالية , DOT وزارة النقل .
و الغرض الاساسى من انشاءه هو تحقيق افضل تغطية لزيادة دقة الــ GPS و تصحيح اخطاءه عن طريق :
قياس التغيرات و الاخطاء فى نظام GPS و تصحيح هده الانحرافات ثم ارسالها للاقمار الثابتة بالنسبة للارض ( مرة كل خمسة ثوانى على الاقل ) ثم تبث الاقمار الثابتة بالنسبة للارض التصحيح الى المستخدمين او اجهزة استقبال الــ GPS حيث يمكن لاجهزة GPS إستقبال موجاتها .
http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waasaccuracy2.gif (http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/waasaccuracy2.gif)الفرق بين دقة GPS قديما و الدقة بعد استخدام WAAS
و يتكون من قطاعين :-
1.القطاع الارضى : و هو 38 محطة مرجعية ( 20 محطة فى USA , 7 فى الاسكا , واحدة فى هاواى , واحدة فى بورتوريكو , 5 فى المكسيك , 4 فى كندا ) .
2.القطاع الفضائى : و هو عبارة عن قمران صناعيان PANAMSAT & TELESAT .
(http://knol.google.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/xb9ud5/slide0001image001.jpg)
أماكن المحطات المرجعية و انواع الاقمار الصناعية لنظام التعزيز الامريكى WAAS
تقسيم النظم العالمية لأقمار تحديد المواقع
i.نظم الملاحة الاساسية GNSS 1 :-
a)GPS by USA
b)GLONASS by Russia
c)Galileo System by EU
d)Beidou COMPASS by China
ii.أقمار الملاحة الاقليمية GNSS 2 :-
a)QZSS by Japan ( 3 أقمار صناعية )
b)Beidou by China
c)IRNSS by India ( 7 أقمار صناعية )
d)DORIS by French
iii.نظم التعزيز الاقليمية SBAS :-
a)WAAS by USA
b)EGNOS by EU
c)MSAS by Japan
d)GAGAN by India
iv. نظم التعزيز التجارية :-
a)OMNISTAR
b)STARFIRE
v.على مستوى القارات و بناء نظم التعزيز :-
مثل GRAS فى أستراليا , و وزارة النقل الامريكية الوطنية و الشبكة العالمية التفاضلية DGPS
GLONASS
وهو النظام المرفوع بواسطة روسيا ( الاتحاد السوڤيتى ) و يجرى الان ترميمه و إعادته للتشغيل الكامل بمساعدات من الهند .
Galileo System
النظام المقترح بواسطة الاتحاد الاوروبى و هو فى مرحلة الانتشار الاولى و من المقرر ان يبدا العمل عام 2012 , و يستخدم الموجات L1,L2,L5 , و قد تم البدء فى تنصيبه من 28 ديسمبر 2005 بتكلفة 2.4 مليار إسترلينى ,و نظام Galileo System متوافق مع نظام GPS و دلك لزيادة الدقة .
Beidou COMPASS
من المقرر ان يبدا العمل فى عام 2015 و هو عبارة عن 30 قمر صناعى متوسط المدار الارضى و خمسة اقمار صناعية ثابتة بالنسبة للارض GEO Satellite كنظام تعزيز .
منقول عن الموسوعة العالمية للمعلومات والاتصالات
تأليف احمد عبداللاه أحمد (http://mouhassan.com/k/-/-/1ixeil8besv1h/0)
عن موقع كنول