في هذه المدونة، سنستكشف كيفية عمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وكيف يحسب موقعنا، وكيف توفر أقمار GPS الصناعية معلومات الموقع في أي مكان على الأرض.
نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) تقنية مألوفة لدينا في حياتنا اليومية، سواءً أكان ذلك من خلال تتبع الشرطة لموقع مشتبه به أو استخدام تطبيقات الملاحة على الهواتف الذكية. إليكم مشهدًا من رواية دان براون "شفرة دافنشي": صوفي ولانغدون يختبئان في دورة مياه. تقرر صوفي مساعدة لانغدون على الهرب؛ فتأخذ جهاز التتبع من جيب معطفه الأيسر، وتضعه داخل قطعة صابون، ثم ترميه باتجاه مقطورة عابرة. تظن الشرطة خطأً أن لانغدون قد صعد إلى المقطورة، فتطارده دون جدوى، مما يسمح للانغدون وصوفي بالهروب من متحف اللوفر بأمان. كيف تمكنت الشرطة من تحديد موقع لانغدون باستخدام جهاز التتبع؟ يكمن مبدأ عمله في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هو نظام ملاحة عبر الأقمار الصناعية يقوم بحساب موقع المستخدم باستخدام الإشارات المرسلة من الأقمار الصناعية.
هل يمكن تحديد موقع ما باستخدام قمر صناعي واحد فقط؟ للأسف، لا. ذلك لأن معلومات المسافة التي يوفرها قمر صناعي واحد فقط تُشير إلى عدد لا يُحصى من المواقع المحتملة على تلك المسافة تحديدًا. ومع ازدياد عدد الأقمار الصناعية، تضيق نطاق المواقع المتداخلة من منطقة إلى خط، ثم إلى نقطة واحدة.
لفهم العدد الأمثل للأقمار الصناعية، يجب أولاً فهم مفهوم الأبعاد. تُعرَّف الأبعاد بعدد الاتجاهات التي يمكن لجسم ما أن يتحرك فيها بشكل مستقل. وذلك لأن معرفة المسافة التي قطعها الجسم واتجاه حركته من نقطة مرجعية تُمكّننا من تحديد موقعه.
في بُعد واحد، يُمكن تحديد موقع الجسم ببساطة بمعرفة المسافة التي قطعها للأمام أو للخلف. أما في بُعدين، فيلزم معرفة اتجاهين: للأمام/للخلف ولليسار/لليمين. فماذا عن الفضاء ثلاثي الأبعاد؟ في هذه الحالة، يلزم معرفة الاتجاهات الثلاثة جميعها: للأمام/للخلف، ولليسار/لليمين، وللأعلى/للأسفل. وبما أن الفضاء الذي نعيش فيه ثلاثي الأبعاد، فإن معرفة هذه الاتجاهات الثلاثة جميعها ضرورية لحساب الموقع.
لذا، يتطلب حساب الموقع بدقة في الفضاء ثلاثي الأبعاد أربعة أقمار صناعية، إذ يلزم معرفة نقطة المرجع، بالإضافة إلى الاتجاهات الأمامية والخلفية والجانبية والعلوية والسفلية. مع ذلك، وباستخدام حقيقة وجود المستخدم على سطح الأرض، يمكن اعتبار الأرض نفسها مستوى مرجعيًا، ما يعني نظريًا إمكانية حساب الموقع باستخدام ثلاثة أقمار صناعية فقط. لكن أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) الفعلية تستخدم إشارات أربعة أقمار صناعية. يُستخدم القمر الصناعي الإضافي لتصحيح أخطاء التوقيت التي تحدث أثناء إرسال واستقبال الإشارات؛ فهو يُساعد في تحديد موقع أكثر دقة من خلال حساب زمن انتقال الضوء.
والآن، دعونا نلقي نظرة على كيفية حساب معلومات المسافة الواردة من الأقمار الصناعية. في هذا القسم، ستتعرف على أهمية نظرية فيثاغورس والدوال المثلثية - التي تعلمتها في الرياضيات في المرحلة الإعدادية.
التثليث هو طريقة لحساب إحداثيات ومسافة نقطة معينة باستخدام خصائص المثلثات. بمعرفة نقطتين مرجعيتين، إذا قمت بقياس الزوايا المتكونة من قاعدة المثلث والضلعين الآخرين المتكونين من الموقع المجهول والنقطتين المرجعيتين - مع معرفة أطوال الأضلاع - يمكنك حساب الإحداثيات والمسافة باستخدام قانون الجيب وقوانين أخرى.
على سبيل المثال، لنفترض أننا نقيس المسافة من الشاطئ إلى سفينة في عرض البحر. يقيس مراقب الزاويتين α و β من نقطتين ثابتتين، A و B على التوالي. إذا عُلمت المسافة l بين A و B، أو إذا عُرفت إحداثيات النقطتين، فيمكن حساب إحداثيات السفينة عند النقطة C باستخدام خصائص المثلثات المتشابهة وقانون الجيب، وبالتالي يمكن تحديد المسافة d من الشاطئ إلى السفينة. يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على المبدأ نفسه.
يقوم بحساب موقع جسم ما على الأرض من خلال الجمع بين مواقع الأقمار الصناعية ومعلومات المسافة المقاسة منها.
يتألف نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حاليًا من حوالي 31 قمرًا صناعيًا عاملًا؛ يشكل منها 24 قمرًا أو أكثر النظام التشغيلي الأساسي، بينما تعمل الأقمار المتبقية كنسخ احتياطية أو لتحسين الأداء. تدور هذه الأقمار حول الأرض في مدارات متعددة، وهي مصممة بحيث يمكن رصد عدة أقمار GPS في وقت واحد من أي مكان في العالم. يضمن هذا إشارة مستقرة من أربعة أقمار على الأقل، مما يوفر معلومات أكثر دقة عن الموقع. وتُغذى أقمار GPS بالطاقة الشمسية.
ألقِ نظرةً سريعةً على السماء ليلاً. إذا رأيتَ نقطةً ساطعةً متحركةً بشكلٍ خاص، فقد تكون قمرًا صناعيًا لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يحسب موقعك.
