الاساس النظرى لاجهزه Gps

**eslam mamdouh** · 02-26-2009, 09:35 PM

بسم الله الرحمن الرحيم

فكره عامه عن نظام تحديد المواقع العالمى[/COLOR][/SIZE][/CENTER]

يفضل استخدام تعبير نظام تحديد المواقع العالمى عن نظام تحديد المواقع الكونى ...وهو فى كل الاحوال موضوع حديث ومازالت تضاف اليه اضافات واراء وزياده فى دقه النظام للحصول على نتائج اكثر دقه فى القياس وتحديد المواقع .
يعتمد النظام على الفضاء المحيط بالارض والذى تشغله العديد من الاقمار الصناعيه التى تختلف فى وظائفها وفيما تحققه فمنها اقمار البث التليفزيونى والبث الرديوى , وكان الفضاء معلوم الاستفاده منه منذ الحرب العالميه الثانيه , وكتطبيق لنتائج الحرب العالميه الثانيه تم انشاء نظام لتحديد المواقع على سطح الارض باستخدام تقنيه الاقمار الصناعيه وخاصه فى نظم الملاحه البحريه والمناطق التى لا يمكن فيها الاعتماد على المساحه التقليديه والمناطق التى لا يوجد بها معالم ارضيه ثابته م الممكن منها تحديد المواقع مثل المناطق الحصراويه ومناطق الغابات الكثيفه ...... وكذلك فى الملاحه الجويه عند الارتفاع عن سطح الارض بارتفاعات ضخمه .Transit

نظام ترانزيت لتحديد المواقع:

فى بدايه انشاء النظام كان يسمى باسم نظام ترانزيت والذى كان يتكون من 6 اقمار صناعيه تحلق على ارتفاع 1100 كم وكانت تلك الاقمار تستخدم فى تحديد المواقع والملاحه البحريه والجويه وتغطيه المناطق الت يعصب فيها العمل المساحى التقليدى , ولكن ذلك النظام لم يكن دقيق واكتشفت عدم دقته عندم مقارنه الاحداثيات التى حددت من قبل النظام مع الاحداثيات التى تم تحديدها بطرق المساحه التقليديه . كما كان النظام ياخذ وقت طويل فى تحديد احداثيات المكان , فقد يحتاج الراصد الى ساعات لتحديد موقعه فى انتظار شروق احد الاقمار الصناعيه ال6 فى الافق ومنها يتمكن من تحديد مكانه ...وكلذلك فان حركه الاقمار الصناعيه فى هذا النظام بطيئه فيستغرق القمر الصناعى 107 ساعه لكى يتم دوره كامله حول الارض (4.5 يوم ) وذلك لان ارتفاع القمر عن سطح الارض قليل نسبيا وبذلك فان تاثير الجاذبيه الارضيه يؤثر على حركه وسرعه القمر الصناعى . اضافه الى ان تردد الموجات الكهرومغناطيسيه لتلك الاقمار منخفضه 400 ميجا هرتز / ثانيه مما يؤدى الى انكسار الموجه عند عبورها نطاق الايونوسفير الذى تحدث به عمليه تاين الايونات مما يؤدى الى عدم تحديد المواقع بدقه يصل الخطا الى بضعه مئات من الامتار .

: GPS نظام تحديد المواقع العالمى

ظهر النظام على يد الولايات المتحده الامريكيه وعلى نفقتها الكامله لتفادى الاخطاء الخاصه بنظام ترانزيت فتم زياده عدد الاقمار الصناعيه الى 24 قمر تسير فى 6 مدارات وكل مدار يحتوى على 4 اقمار وتم زياده ارتفاع الاقمار الصناعيه الى 20200 كم لتفادى تاثير الجاذبيه الارضيه , بالاضافه الى زياده سرعه ذبذبات الموجه حتى لا تتاثر بالمجال الكهربى لطبقه الايونوسفير الا بشكل ضئيل جدا . واصبح القمر الصناعى يتم دوره كامله حول الارض مره كل 12 ساعه .
ويلاحظ انه بذلك وللتوزيع الهندسى للاقمار الصناعيه فانه فى كل لحظه من لحظات اليوم الواحد فى اى مكان سطح الارض يتم تغطيته من خلال 4 اقمار على الاقل فى اى لحظه من لحظات اليوم .... وكانت تكلفه انشاء النظام 12 مليار دولار.

استخدمت الولايات المتحده فى هذا النظام نوعيين من الموجات الكهرومغناطيسيه ( موجات دقيقه واخرى خشنه ) واتاحت استخدام الموجه الخشنه للاستخدامات المدنيه ذات خطا فى القياس يقارب المتر , واما الموجه الدقيقه فهى خاصه للاستخدام العسكرى للولايات المتحده وحلفاءها , ولكن بعد فتره من الزمن استطاع المبرمجون الشباب فك شفره الموجه الدقيقه فاصبح ليس هناك داعى لوجودها بعد عام 2000 م واصبحت متاحه لكل دول العالم واصبح النظام متاح لكل جهات العامل للاتسخدام المدنى او الاستخدام العسكرى , ولكن احتفظت الولايات المتحده بقدرتها على التشويش عى ارسال موجات النظام عند الحاجه الى ذلك .

تقوم فكره تحديد المواقع باستخدام نظام تحديد المواقع العالمى على فكره بسيطه مثل فكره تحديد الاحداثيات سواء الاحداثيات الكارتيزيه المستويه او الاحداثيات الجغرافيه او الاحداثيات الفراغيه التىتعتمد على الشكل الحقيقى للارض .

الشكل الحقيقى للارض :

شكل الارض الحقيقى هو شكل الجيوديسى الذى يصعب تحديد خواص هندسيه له ومنه يصعب تحديد مركز الارض .
لو افترضنا وضع حهاز مساحى على سطح الارض وقمنا بضبط الافقيه والتسامت لهذا الجهاز , فان خيط الشاغول يشير الى مركز الارض وعلى امتداده نحو المركز يشير الى نقطه النظير او الندير وامتداده نحو افق الراصد فانه يشير الى سمت الراصد. فاذا وضعنا اكثر من جهاز مساحى على مناطق مختلفه من سطح الارض فمن المفترض ان يكون خيط شاغول المستخدم فى ضبط التسامت لتلك الاجهزه تتلاقى جميعها فى نقطه واحده وتمثل تلك النقطه مركز الارض . ولكن هذا لا يحدث فى الواقع فتلك النقط لا تتلاقى مع بعضها عند ومركز الارض وذلك يرجع الى السطح الجيوديسى للارض واختلاف قوه الجاذبيه على سطح الارض لاختلاف تضاريس سطح الارض ونوع الماده الصخريه المكونه للسطح فى كل منطقه .
ولذلك فان التعامل مع السطح الجيوديسى للارض امر بالغ الصعوبه , ولذلك فتم التعامل مع سطح اخر قريب من السطح الجيوديسى فى تساوى منسوب سطح البحر , ولكن وجد ان ارتفاع سطح البحر ايضا يختلف فهو يزداد عند القارات لان القارات تتكون من ماده قليله الكثافه وهى السيليكا , بينما يقل ارتفاع المنسوب عند المسطحات المائيه التى تتميز ماده قيعانها بانها ماده مافيه ثقيله تتكون من الحديد والماغنسيوم , وذلك ادى بدوره الى تكون سطح اخر يعتبر مموج بفرق ارتفاعات تتراوح ما بين ( 20 – 30 ) متر
فتم التعامل مع سطح اخر بدون النظر الى هذا الفرق فى الارتفاع واعتبار سطح البحر سطح متصل تماما , فتم التعامل مع سطح (لقطع الناقص الدورانى )المعروف باسم الالبسويد . والتى يكون له خواص هندسيه يمكن التعامل معها , يتميز الشكل بان له قطريين ( الاقطر الاكبر هو القطر الاستوائى والقطر الاصغر وهو القطر القطبى وهو محور دوران الارض , ولكن يلاحظ ان شكل القطع الناقص الدورانى له مركزيين يمثلا دائرتيين مختلفتين .

يعبر عن العلاقه بين القطبر الاكبر الاستوائى والقطر الاصغر القطبى بما يعرف باسم نسبه التفلطح

يدور القطع الناقص الدورانى حول محوره الاصغر ليعطى مجسم معين له ابعاد وخواص هندسيه يمكن التعامل معه , ويلاحظ ان النقطه التى تعتبر مركز الطقع الناقص الدورانى غير ثابته ومتحركه تتعامل معها الاقمار الصناعيه , ولانها متغييره فتتغير معها قوه الجذب للاقمار الصناعيه وذلك يؤدى الى اختلاف سرعه دوران الاقمار الصناعيه من منطقه الى اخرى , ولتفادى تلك المشكله كان لابد من وجود محطات ارضيه لمراقبه حركه الاقمار الصناعيه ةالحفاظ على مسارتها الثابته واتجاهاتها.

الفكره المساحيه لتحديد المواقع من خلال الاقمار الصناعيه هى نفس فكره التقاطع العكسى البسيطه التى تستخدم فى جهاز اللوحه المستويه لتحديد المواقع من خلال تلاقى 3 نقط وتكون مثلت الخطأ والاعتماد على نقطه رابعه فى تحديد الموقع بدقه بالاعتماد على اسسا الاحداثيات الفراغيه ... ويلاحظ انه لا يمكن ان تتلقى 3 نقط فى نقطه واحده من الامقار الصناعيه وذلك بسبب ان ارتفاع القمر لحظه الرصد يكون مختلف وكذلك مكانه فى مستوى افق الراصد وتاثر كل قمر من تلك الاقمار بعوامل جويه مختلفه من اهمها وجود بخار الماء بالاضافه الى العوامل الارضيه المختلفه ولذلك فقد كان حتميا وجود قمر رابعه لتحديد موقع الراصد بدقه ......وبذلك فان قواعد نظم تحديد المواقع العالميه هى نفس قواعد الجغرافيه العمليه والمساحه المستويه .
Gpsكيفيه تحديد المواقع فى نظام تحديد المواقع العالمى
يتم تحديد المواقع من خلال حساب المسافه التى تستغرقها الموجات المرسله من الاقمار الصناعيه الى اجهزه الاستقبال من خلال قانون نيوتن الاول

المسافه = السرعه × الزمن

فاذا كانت سرعه الموجات الكهرومغناطيسيه معلومه وهى تساوى سرعه الضوء 300 الف كيلو متر فى الثانيه , ويكون الزمن هو الفتره التى تستغرقها الموجه فى الوصول لاجهزه الاستقبال عند اطلاقها من قمار الصناعيه , فتكون المشكله فى تحديد الوقت بدقه الذى قام القمر الصناعى فيه بارسال الموجه الى جهاز الاستقبال والوقت الذى استقبل فيه الجهاز تلك الموجه وخاصه ان سرعه الموجه عاليه جدا تقدر باجزاء دقيقه من الثانيه .
ولذلك فلمعرفه الزمن بدقه تم الاعتماد على فكره بسيطه وهى تتضح اذا فكرنا فى وجود ملعب متسع المساحه ووجود شخصيين عند طرفى الملعب, فقام كل منهما بالعد فى وقت واحد اثناء حركه كل منهما فى اتجاه الاخر , فعند وصول الشخص الاول للعد عند رقم 7 مثلا فهو يسمع رقم 1 التى قالها الشخص الاخر عند الجانب الاخر من الملعب فتكون المسافه بينهما هى الفرق بين نطق الشخص الاول لرقم واحد وسماعه لها من الشخص الثانى .
بمعنى ان القمر الصناعى يرسل اشاره موجيه خاصه الى جهاز الاستقبال فى نفس اللحظه التى يرسل فيها جهاز الاستقبال نفس الرساله المشفره الى القمر الصناعى وبذلك يمكن تحديد المسافه بين القمر الصناعى وجهاز الاستقبال من خلال ارسال واستقبال اكثر من موجه تردد بين القمر الصناعى وجهاز الاستقبال

ويتم الاعتماد على الاحداثيات الفراغيه فى تحديد المواقع بالاعتماد على الاقمار الصناعيه التى ترسل وتستقبل الترددات المتتاليه من جهاز الاستقبال ومنها يتم تحديد الموقع الدقيق لجهاز الاستقبال .

ولكن ما يحدث ان الاقمار الصناعيه تحتوى على ساعات فى غايه الدقه وهى الساعات الذريه التى تبلغ نسبه الخطا بها جزء واحد من مليون جزء فى الثانيه وهى ساعات غاليه الثمن بينما اجهزه الاستقبال تحتوى على ساعات دقيقه ولكنها ليست بنفس دقه الساعات الذريه وينتج عن ذلك ما يعرف باسم خطا التزامن.

بعض الاخطاء الخاصه بنظام تحديد المواقع العالمى :

1- الخطا الناتج عن عبور الموجات طبقه الايونوسفير مما يؤدى الى انكسار الموجه السابق ذكرها .
2- الخطا الناتج عن وصول الموجات لسطح الارض وتاثرها ببخار الماء ومجميع ظواهر سطح الارض .
3- الخطا الناتج عن وجود المرتفعات مما يؤدى الى انكسار الموجات قبل وصولها الى سطح الارض .
4- عدم كون التوزيع الهندسى للاقمار الصناعيه مناسب لعمليه الرصد , فاذا كانت الاقمار الصناعيه التى حددت الموقع فى ذلك الوقت قريبه من بعضها فان ذلك ينتج عنه خطا مثل عدم متانه المثلث وبالتالى لا يمكن تحديد الموقع بدقه ووجود خطا فى تحديد الموقع .
5- مصادر الاخطاء البشريه المتعلقه بعمليه الرصد .
6-اخطاء خاصه بطبيعه عمليه الرصد .

ويلاحظ ان نظام تحديد المواقع العالمى يحدد الاحداثيات الجغرافيه للموقع , وليست كل الدول تتعامل بذلك النظام لان بعض الدول تعتمد على نظام احداثى محلى لتحديد المواقع ولذلك فيجب امداد اجهزه تحديد المواقع ببيانات الاحداثى المحلى حتى يقوم الجهاز بحساب الاحداثيات المحليه بشكل مباشر وسريع .فمثلا النظام الاحداثى المصرى المحلى يبدا من نقطه الزهره عند الهرم الاكبر ومنا يبدا الاحداثى المحلى المصرى .

بالاضافه الى وجود نظام احداثى عالمى تم رسم به مجموعه من الخرائط فى مصر عام 1992 م وهو نظام مركيتور المستعرض .UTM
فتم رسم به مجموعه من الخرائط الطبوغرافيه فى مصر مقياس 1 : 50000
يعتمد نظام مركيتور المستعرض على تقسيم الارض الى 60 نطاق طولى 30 شرقا , و30 غربا وكل نطاق يغطى 6 درجات طوليه , كما قسم الى عده نطاقات عرضيه مقسمه بدايه من الاستواء حتى 80 درجه شمالا , ومن الاستواء حتى 60 درجه جنوبا .[/QUOTE]