أنظمة الملاحة العالمية باستخدام الأقمار الصناعية (Global Navigation Satellites Systems - GNSS)
مقدمة تآريخية
بالحديث عن الملاحة العالمية فإننا نتكلم عن نظام يحدد موقعك في العالم على خط الطول و خط العرض و ارتفاعك عن سطح الكرة الأرضية و بكلام فخم فإن ذلك يعني تحديد نقطة تمثل موقعك في الفضاء ثلاثي الأبعاد. أنظمة الملاحة الحديثة الموجودة اليوم تعمل بالأقمار الصناعية. نبدأ بأشهرها:
النظام الأمريكي - نظام تحديد التوضع العالمي (Global Positioning System - GPS):
صحيح أن النظام الأمريكي هو المعمول به على النطاق الأوسع عالمياً من حيث اكتمال مراحله. إلا أنه من الصعب الكلام عن النظام الأمريكي بدون الالتفات إلى ماضيه حيث سبقته أنظمة سابقة أخرى أكثر بدائية مثل (Transit) و الذي كان يعمل فيه منذ 1960 و الذي كان يضم تشكيلاً من 5 أقمار. أو من دون النظر إلى نظام (Timation) الذي أطلق في 1967 و الذي و إن كان يحتاج إلى ساعة كاملة إلى تحديد نقطة بدقة، إلا أنه احتوى على نظام ساعات دقيق حملت على الأقمار و الذي يعتمد عليه نظام (GPS) اليوم. في 1970 زود النظام بقاعدة أرضية ليصبح نظام أوميغا الملاحي (Omega Navigation System) أول نظام ملاحة عامل بالموجات الراديوية.يستخدم الـ (GPS) زهاء 30 قمراً صناعياً. منها 27 عاملة و 3 احتياطية. و هو برغم ميزانيته الضخمة ليس بالكثير لنظام استخدم في البداية كنظام عسكري مسؤول عن تحديد مواقع الجنود و الآليات و توجيه الطائرات عديمة الطيار و المساعدة في توجيه الصواريخ الذكية و القذائف الموجهة بمعنى آخر لمعرفة موقع أي شيء يحمل مستقبلاً لهذا النظام ليتم إرسال هذه المعلومات لوحدات مركزية ليتم اتخاذ القرار و هذا استراتيجياً لا يقدر بثمن. و اليوم الباب مفتوح على مصراعيه لاستخدام هذا النظام في التطبيقات المدنية و النظام يدمج اليوم في كل ناحية في الحياة العصرية خاصة في أجهزة الهاتف النقال.
النظام الروسي - نظام الملاحة العالمي باستخدام الأقمار الصناعية
(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema - GLONASS) و الذي يترجم إلى الإنجليزية بـ (Global Navigation Satellite System):
و يبدو أن الروس لا يقنعهم إلا نسختهم الخاصة عن هذا النظام، و هم أصحاب باع طويل في مجال الفضاء و الأقمار الصناعية. و لا زلنا نذكر محطة الفضاء مير (MIR) و التي ينظر الكثيرون إليها أصدقاء كانوا أم أنداداً على أنها فخر الصناعة السوفييتية. أول قمر من أقمار هذا النظام أطلق عام 1982، و لكن المشاكل التي أدت إلى انهيار الاتحاد السوفييتي لاحقت الروس حتى إلى الفضاء و أخرت تطوير موعد البدء بالعمل بنظامهم، فقد كان العام المقرر لإعلان عمله هو عام 1991، إلا أنه تأخر ليتم بدء العمل به اعتبارياً في الـ 14 من سبتمبر عام 1993 و الذي تم من خلال مرسوم رئاسي. أما الاكتمال الرسمي للتشكيلة القمرية للنظام كاملاً فقد كان أواخر العام 1995 و بدايات العام 1996. لكن الروس اليوم يعودون إلى الانتعاش، و في ظل توازنات القوة الراهنة فهم عاكفون بمساعدة الهنود على تطوير نظام. النظام مكون من 21 قمراً عاملاً و 3 احتياطية، تدور في 3 مستويات مدارية مختلفة. المستويات المدارية الثلاث متباعدة فيما بينها بمقدار 120 درجة بينما الأقمار الموجودة في نفس المدار متباعدة فيما بينها بزاوية 45 درجة. و القمر الواحد من التشكيلة يكمل دورة كاملة كل 11 ساعة و 15 دقيقة قاطعاً مداراً بطول 19,100 كم مائلاً بزاوية 64,8 درجة. محطات التحكم لهذا النظام موجودة بالكامل في أراضي الاتحاد السوفييتي السابق. فقاعدة التحكم و التزويد بالقاعدة الزمنية (سنأتي على ذكرها لاحقاً) موجودة في موسكو و وحدات القياس عن بعد و التتبع موجودة في سانت بطرس بيرغ، تيرنوبول و إينيسيسك و كمسومولكيسك نامور. النظام مشغّل و عامل و في الفترة الأخيرة قام الرئيس الروسي السابق فلاديمير بوتين يقتني طوقاً لكلبته مزود بمستقبل لهذا النظام و يقوم بتحديد مكانها في أي مكان في العالم كنوع من الدعاية لهذا النظام.
النظام الأوروبي - نظام غاليليو (GALILEO):
أما الأوروبيون فيبدو أنهم سيردون الاعتبار لغاليليو الذين لاحقوه يوماً في العصور المظلمة عند قوله بتكور الأرض و دورانها حول الشمس فهم اليوم يعملون على نظام شبيه بالـ (GPS) الأمريكي و (GLONASS) الروسي. النظام الأوروبي يقترض أن يعمل بتشكيلة مكونة من 30 قمراً صناعياً مع طقم السيطرة و التحكم الأرضي الكامل. على حد وصف العاملين في هذا النظام، فهو مصمم ليستطيع أن يعمل بشكل مستقل وحده، و لكنه في نفس الوقت سيسمح لمستقبلاته بالانتقال للعمل تحت النظام الأمريكي أو الروسي. و لا شك أن الإتحاد الأوروبي يشرك معه دولاً أخرى غير أوروبية في هذا النظام مثل الصين (الصين لديها نظامها الخاص أيضاً) و أوكرانيا و إسرائيل و كوريا الشمالية و من الدول العربية شاركت العربية السعودية و المغرب.
النظام الصيني – نظام بيدو (Beidou) و تعني بالترجمة إلى العربية "الدب الأكبر":
أطلقت أول أقماره في في الـ 2000 ليليه آخر في نفس العام و ليتبعهما ثالث في 2003 و كان آخر ما حرر منهم أطلق في 2007. برغم أن النظام لا يزال في بدايته و أن الأنظمة المشابهة استهلكت وقتاً طويلاً نسبياً من إلا أن قوة ناهضة مثل الصين يقترض بها أنها قادرة على الوفاء بالتزام إتمام العمل بهذا النظام في 2012 بوضع 35 قمراً في مدارها لتقدم دقة تصل إلى أقل من متر واحد مزاحمين الأمريكيين على المقدمة و ليعمل النظام بأقمار ثابتة بالنسبة للأرض (Geostationary) بعكس تلك المتحركة في مدارات فلكية كبقية الأنظمة الأخرى.
النظام الياباني (Quasi-Zenith Satellite System - QZSS) و الهندي (Indian Regional Navigational Satellite System - IRNSS):
أنظمة تطورها بلدانها لتوفر أكبر استقلالية عن النظام الأمريكي خصوصاً و ذلك لأسباب لوجستية معروفة. أما الفوائد الأخرى التي يمكن أن تقطف جراء هذا، فهو الحصول على تغطية أدق للبلدان الراعية. و هي تعمل بمبدأ عمل شبيه بالأنظمة الأخرى.
مبدأ العمل
المهم لدينا هنا أنه يوجد لدينا أقمار صناعية تدور حول الأرض و تحدد لنا خط طول و عرض و ارتفاع لنقطة يحملها مستقبِل. يعني أن لدينا تشكيلاً قمراً شبيها لما يلي:
في الأعلى: شكل افتراضي لأقمار (GPS) الـ 27 و التي تدور في مسارات ثابتة حول الأرض، في الأسفل: واحد من أقمار GPS الصناعيةو من المهم هنا أن نفرق بين ذلك الجهاز الذي يرجع لنا هذه القيم (و هو بالمناسبة مستقبِل (Receiver)) و ذلك النظام المكون من 27 قمراً صناعياً (24 منها تعمل و 3 منها احتياطية في حال عطل أحدها) يزن الواحد منها ما بين 1,361 و 1,814 كيلو غراماً تدور في مدارات حول الأرض و التي يكمل الواحد منها دورتين كاملتين حول الأرض في اليوم الواحد لتقطع ما يقارب 19,300 كيلو متراً. الأقمار الصناعية هذه موزعة بحيث يكون هناك أربعة أقمار على الأقل موضوعة في "مجال الرؤية" ("Visible") في السماء. و لتقريب مفهوم "رؤية" بإمكانك أن تتخيل معنى ذلك بأنه إذا تمكنت من رؤية هذه الأقمار إذا نظرت إليها بواسطة مقراب (Telescope) فهذا يعني كذلك بأن المستقبل "سيرى" هذه الأقمار الأربع أيضاً. تماماً كما هو مبين في الشكل الآتي:
شكل يبين عدد الأقمار التي تقع في "مجال الرؤية" لنقطة مفترضة على الأرضو المستقبل بدوره يعمل على تحديد بعده عن هذه الأقمار و يقوم بحساب موقعه باستخدام طريقة سهلة في في الرياضيات تدعى التثليث الضلعي (Trilateration). التثليث الضلعي (Trilateration):
على سبيل المثال لدينا خارطة الأردن التالية:
و نحن متوضعون في هذه الخارطة في مكان ما و لكننا لا نعرف على وجه اليقين أين نحن بالضبط. و لكن بالمقابل دعنا نفرض أننا نعرف بعدنا عن مدن الكرك و إربد و الأزرق و بالضبط.
فعندما نقول أن الكرك تبعد عنا 80,4 كم، فإننا نقوم برسم دائرة مركزها مدينة الكرك و قطرها 80,4 كم، كما هو موضح في الصورة. الآن، نحن نقع على نقطة ما على هذه الدائرة، و لقد قلصنا احتمالات تواجدنا في أي مكان في الخريطة كاملة إلى محيط الدائرة. فلربما نحن في مكان ما حول البتراء أو لربما نحن في ضائعون في البادية أو أننا في مدينة القدس أو حتى في صحراء النقب. فنحن لا نزال نحتاج إلى المزيد من المعلومات لتحديد مكاننا بنقطة واحدة فقط.
بإضافة معلومة أننا نبعد عن مدينة الأزرق بـ 97,1 كم، فهذا يعني أن هناك دائرة أخرى سترسم ليكون مركزها مدينة الأزرق و قطرها 97,1 كم، تماماً كما في حالة الدائرة التي رسمناها حول مدينة الكرك. الخبر الجيد هنا هو أننا حصلنا على نقطتي تقاطع تمثلان احتمالين اثنين فقط لمكان وجودنا بدلاً من عدد لا نهائي من النقاط التي تقع على الدائرة.
بفرض أن هذه المعلومات وصلت إلى إنسان فهو وعلى الفور سينظر حوله فإذا وجد حوله رمالاً و كثباناً و قطعاناً من الجمال و قهوة عربية أصيلة و بيت شعر كريم فهو لا بد في النقطة السفلى من تقاطع الدائرتين. أما إذا كان في صخب السيارات و الهواتف النقالة و محاطاً بغابة من الإسمنت فهو في النقطة العليا من التقاطع. و لأن المستقبل جهاز أصم و من الضرورة ترجيح نقطة واحدة فكان لا بد من استفتاء نقطة ثالثة تكون الحكم في تحديد نقطة واحدة تماماً. فموضوع الترجيح هذا لن يجدي نفعاً في محيط ممتد أو بحر هائج و هو ليس يقينياً منذ البداية و ليس مستعملاً حتى كمنهج علمي ذو قاعدة صلبة بهذه الحيثيات، إنما ذكرته على سبيل التوضيح بأن الترجيح مقبول إذا كان مبنياً على أساس رياضي مثلاً. فتأتي معلومة أننا نبعد عن إربد مسافة 50 كم لترسم دائرة ثالثة تتقاطع مع الدائرتين السابقتين لتحدد نقطة واحدة تماماً.
نعم، إنها نقطة تمثل مدينة العاصمة عمان.
أنظمة التوضع العالمي تعمل تقريباً بنفس المبدأ إلا أن النقاط معلومة المكان و التي أوردناها في المثال السابق تمثل نقاطاً في السماء تحددها أماكن الأقمار الصناعية و ليست نقاطاً على الأرض بالإضافة إلى أن التحديد يتم لنقطة في فضاء ثلاثي الأبعاد و ليس على سطح خريطة مستوية ثنائية الأبعاد كما عملنا في المثال. الفارق بين الطريقتين أن الدوائر التي نرسمها ستصبح كرات لتتقاطع مع بعضها في دوائر (تماماً كما تتقاطع فقاعتا صابون مع بعضهما البعض في دائرة) و الكرة الثالثة تقطع دائرة التقاطع في نقطتين، تهمل إحداهما لأنها و بكل بساطة نقطة مستحيلة فهي ستقع على بعد مئات الكيلومترات في الفضاء الخارجي! و إذا أصررت على استخدام الرياضيات فسأقول لك بأن الأرض تمثل كرة تقاطع إضافية. هذا يعني أن 3 أقمار صناعية على الأقل كافيات لتحديد نقطة على الأرض أو على ارتفاع عشرات الكيلومترات عليها. هذا، و النظام أصلاً يأخذ قراءة البعد عن أكثر من 3 أقمار و الداعي في ذلك زيادة الدقة، يمكن للنقاط الآن أن تتقاطع بخطأ يصل إلى أقل من 15 متر. و يصغر هذا الرقم كثيراً كلما اقتربنا من تطبيقات حساسة أكثر باتجاه التطبيقات العسكرية و التي يصل هذا الرقم فيها إلى قيم أصغر بكثير و ذلك بحسب النظام الذي نتحدث عنه، فالأمريكي أدقها و ينافسه الصيني الذي أعطى دقة لنسبة خطأ أقل من (50 سنتيمتراً).العرض التالي يبين التقاطع في الأبعاد الثلاثة: و للقيام بالحسابات المطلوبة عليها فإن النظام بحاجة إلى متغيرين ليحصيهما:
- موقع 3 أقمار صناعية على الأقل.
- المسافة التي تفصل المستقبل عن هذه الأقمار.
أما عن مواقع الأقمار فإن المستقبل يبحث عن موجات راديوية معينة عالية التردد و خفيضة الطاقة ليقوم بتحليلها. هناك وحدات ذات جودة أعلى تحتوى عدداً من المستقبلات داخلها و هي قادرة على استقبال الإشارة من العديد من الأقمار في نفس الوقت. أما عن كيفية قدرة المستقبِل على معرفة البعد بينه و بين القمر المرسل فإن الرسالة التي يستقبلها المستقبل يمكن النظر إليها على أنها ختم زمني، و الفرق بين وقت الاستقبال و الختم الزمني يمثل فرق زمن يمكن الاستدلال بواسطته على بعد القمر الصناعي باعتبار سرعة الضوء في الفراغ معلومة، فالضوء كما هو معلوم يسير في الفراغ بسرعة 300,000 كم/ساعة.يمكن أن نفكر في الأمر على أنه رسالة بريد تحمل وقت الإرسال. و لنقل أيضاً أن استقبال الرسالة إلى الأردن من دولة مجاورة مثل سوريا على سبيل المثال يحتاج ليومين، و ثلاثة أيام إذا كانت الرسالة من تركيا و أربعة إذا كانت من جورجيا. الآن يمكننا أن نعرف من أين تأتي الرسالة بمجرد مقارنة الوقت استقبال الرسالة مع الوقت إرسالها.و السؤال الطبيعي بعد هذا الكلام هو أنه كيف يتم التوحيد التوقيت بين الساعتين، تلك الموجودة في المستقبل و الأخرى الموجودة في القمر الصناعي؟ في الواقع هذه قضية في غاية الأهمية حيث أن أصغر تغيير في الوقت بين الساعتين هو عشرات من الأمتار على الأرض. للحصول على الدقة المطلوبة فإننا نحتاج ساعات ذرية في المرسل و المستقبل على حد سواء. و المشكل في هذه الساعات برغم كونها ساعات دقيقة جداً و لا أظن أن أحداً منا سيضع مثلها في غرفة الضيوف! هي كونها باهظة جداً. إذا وضعنا ساعة ذرية في كل مستقبل فسيحكم على النظام بالأشغال الشاقة المؤبدة! لذا قرر عفاريت المهندسين أن يضعوا الساعات الذرية باهظة الثمن هذه على الأقمار الصناعية أما المستقبلات فزودت بساعات الكوارتز العادية و التي يتم يعاد تنضيدها (Reset) دورياً.و للتطبيقات الحساسة، يستعمل البعض وحدات خاصة تقوم بالتزامن (Synchronize) مع الأقمار الصناعية بحساب الفروق الدقيقة بين ساعات الأقمار الصناعية و الساعات الموجودة على الوحد الأرضية إذ تقوم هذه الوحدات بتزود المستقبلات التي تقع في مجال تغطيتها بتلك الفروق الزمنية الصغيرة. و لا بد أن تجد في هذه الحالة ما يشبه هذا العمود فوق أحد السطوح:
هوائي (Antenna) مثبت فوق أحد أكواخ البحث العملي و يستخدم في تقديم توقيت دقيق.و بالنسبة للتطبيقات المدنية الممكنة لهذا النظام فهي كثير و نجمل أهمها على نقاط كما يلي:
- تسهيل تحديد المواقع عند وصف الاحداثيات، أما عن الطرق الواجب سلوكها فيجب تحديد مواقع الشوارع و الأرصفة و الأنفاق و الجسور. أذكر أنني التقيت بصديق قديم على موقع (Facebook) و قد حددت له مكان بيتي بمجرد إعطاء الإحداثيات، و سيكون الطرف الآخر قادراً على تتبعها! مذهل! أليس كذلك؟
- تتبع حركة المركبات من سيارات أو بواخر أو حتى طائرات أو أي شيء مزود بمستقبِل يبلغ عن موقعه.
- ثورة في هندسة المساحة، لسنا بحاجة إلى نصب مزواة (Theodlite) على حامل ثلاثي أو أن نرهق عيوننا و الأشخاص الذين يحملون العمود أمامنا بأنه في مكانه المناسب أم لا. بعض النقرات على جهاز الـ (GPS) تحدد الأبعاد و المساحات.
- تطبيقات في المسح الجيولوجي.
- تطبيقاته مفيدة في الرصد الفلكي و تحديد الكثير من النقاط الفلكية المبنية على موقع الإنسان في الأرض.
- و حتى تتبع الحيوانات الأليفة، و على ما يبدو أن الكثيرين تخلصوا من وجع رأس مزمن بهذا التطبيق المخلـِّص!
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة صابرين - البغدادية
