اليوم، يكاد يكون من المستحيل أن تضيع، مهما حاولت، سواء كنت تسير في الطريق السريع أو تندفع إلى جبل إيفرست، فأنت دائما على مرأى من الأقمار الصناعية التي تدور في الفضاء، ومن خلال الملاحة عبر الأقمار الصناعية يمكن أن تخبرك بمكانك بالضبط، ومن خلال جولة مع وجود هاتف ذكي في جيبك سيكون لديك الوصول إلى جهاز استقبال GPS (نظام تحديد المواقع العالمي) الذي يمكنه تحديد موقعك، فقط اتخذ منعطفا خاطئا في سيارتك، وسوف ينبهك صوت مصمم مدعوم أيضا بنظام تحديد المواقع العالمي خذ اليسار التالي أو انعطف يمينا أو تقدم للأمام مباشرة حتى تعود بثقة إلى المسار الصحيح.

حتى أثناء ركوب الحافلة أو القطار، بالكاد من الممكن النزول في المكان الخطأ، وتمرر لوحات العرض العملية اسم المحطة التي تريدها قبل وقت طويل من نهوضك من مقعدك، بصرف النظر عن مساعدتنا في الوصول إلى وجهتنا، تستطيع الملاحة عبر الأقمار الصناعية القيام بكل أنواع الأشياء الأخرى، من تتبع الطرود ونمو المحاصيل إلى العثور على الأطفال الضائعين وتوجيه المكفوفين، ولكن كيف يعمل بالضبط؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة.

ما هي الملاحة عبر الأقمار الصناعية؟

الملاحة عبر الأقمار الصناعية يعني استخدام جهاز إستقبال لاسلكي محمول لإلتقاط إشارات سرعة الضوء من الأقمار الصناعية التي تدور في مدار (يشار إليها أحيانا تقنيا بإسم المركبات الفضائية) حتى تتمكن من معرفة موقعك والسرعة والتوقيت المحلي، وإنه بشكل عام أكثر دقة من أشكال التنقل الأخرى، والتي يجب أن تتعامل مع مشاكل مزعجة مثل ضبط الوقت الدقيق والطقس السيئ، ونظرا لأنه نظام بث يعتمد على إشارات الراديو التي تصل إلى جميع أنحاء كوكبنا، يمكن لأي عدد من الأشخاص استخدامه في وقت واحد، وفي أي مكان يحدث فيه.

نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية الأكثر شهرة، نظام التموضع العالمي لتحديد المواقع (GPS)، ويستخدم حوالي 24 قمرا صناعيا نشطا (بما في ذلك النسخ الاحتياطية)، ليلا ونهارا 365 يوما في السنة، ويتقدمون حول الأرض مرة واحدة كل 12 ساعة على المستويات المدارية التي تميل عند 55 درجة من خط الاستواء، وأينما كنت، عادة ما تكون على مرأى من نصف عدد هذه الأقمار الصناعية على الأقل، ولكنك تحتاج إلى إشارات من ثلاثة أو أربعة فقط لتحديد موضعك بدقة تصل إلى بضعة أمتار فقط.

بدأ الجيش الأمريكي نظام تحديد المواقع العالمي أو الملاحة عبر الأقمار الصناعية في عام 1973 وتم تصميم أقماره الأصلية لتدوم حوالي 7.5 عاما، ولكن من المتوقع أن يبقى الجيل الأخير على قيد الحياة مرتين، وفي المجموع، تم إطلاق حوالي 60 قمرا صناعيا في ثلاثة أجيال متميزة وعدة مجموعات منفصلة تسمى كتل، على الرغم من أن العديد منها قد تقاعد الآن، وفي وقت كتابة هذا التقرير كان إطلاق القمر الصناعي الأخير (أول قمر صناعي من تصميم الجيل الثالث) هو القمر الصناعي GPSIII SV01 في 23 ديسمبر 2018.

يحتوي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على ثلاثة مكونات رئيسية، تعرف تقنيا بإسم الأجزاء، هناك جزء واحد في الفضاء وجزء على الأرض وجزء في جيبك، وتشكل الأقمار الصناعية الـ 24 ما يعرف باسم الجزء الفضائي من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ولكن النظام يعتمد أيضا على شبكة تحكم أرضية معقدة من الهوائيات والشاشات ومحطات التحكم (جزء التحكم)، والتي تتمحور حول محطة تحكم رئيسية ( MCS) في القاعدة شريفير الجوية في كولورادو الولايات المتحدة الأمريكية (مع نسخة احتياطية في قاعدة فاندينبرج الجوية في كاليفورنيا)، وبصرف النظر عن قسمي الفضاء والتحكم، فإن الجزء الأساسي الآخر من الملاحة عبر الأقمار الصناعية هو الجزء المستخدم، جهاز استقبال إلكتروني تحمله في يدك أو تحمله في سيارتك.

الملاحة عبر الأقمار الصناعية نسخة من التثليث :

إن العثور على موقعك بإستخدام إشارات الأقمار الصناعية هي نسخة عالية التقنية من خدعة الملاح القديمة التي تتم بإستخدام اسم التثليث، وافترض أنك تمشي في الغابة على أرض مستوية تماما، ولكنك لا تعرف مكانك، وإذا كان بإمكانك رؤية معلم عبر الأشجار (ربما تلة بعيدة)، ويمكنك تخمين مدى بعده، يمكنك إلقاء نظرة على الخريطة ومعرفة أنه يجب أن تكون في مكان ما على دائرة نصف قطرها (المسافة من التل ) هي المسافة التي توقعتها، ومعلم واحد وحده لا يستطيع تضييق موقفك أكثر من هذا، ولكن ماذا لو رأيت فجأة معلما ثانيا في اتجاه آخر، الآن يمكنك تكرار العملية، ويجب أن تكون على مسافة معينة من هذا الكائن أيضا، في مكان ما على دائرة ثانية، ضع هاتين القطعتين من المعلومات معا وتعلم أنه يجب أن تكون في مكان تلتقي فيه الدائرتان أحد المكانين على الأرض، ومع معلم ثالث، يمكنك تضييق موقعك إلى نقطة واحدة، وهذا هو جوهر التثليث البسيط، ويعمل التثليث مع خط البصر وقليلا من التخمين، وبوصلة وخريطة، وبأساليب أكثر فخامة مثل الإشارات اللاسلكية والرادار، وهو يعمل أيضا بطريقة أكثر تعقيدا بإستخدام الأقمار الصناعية الفضائية.

التثليث المساحي :

بإستخدام ميزة الملاحة عبر الأقمار الصناعية، فإن معالمك الملاحية هي أقمار صناعية تطير عبر السماء فوق رأسك، ونظرا لأنهم يبعدون مسافة 20000 كم (12600 ميل) تقريبا، بعيدا عن الغلاف الجوي للأرض، ولأنهم يتحركون بإستمرار (وليس ثابتا، مثل المعالم المرتبطة بالأرض)، فإن العثور على موقعك منهم أكثر صعوبة، وإذا التقطت إشارة من قمر صناعي وتعلم أنها تبعد 20000 كم، فيجب أن تكون في مكان ما على دائرة نصف قطرها 20000 كم، تتمركز على هذا القمر الصناعي، بإشارتين، من قمرين صناعيين مختلفين يجب أن تكون في مكان تلتقي فيه دائرتان (في مكان ما في دائرة متداخلة)، وتضعك ثلاث إشارات في واحدة من نقطتين في تلك الدائرة وهذا يكفي عادة لمعرفة مكانك، لأن إحدى النقاط قد تكون في الهواء أو في منتصف المحيط، ولكن مع أربع إشارات، أنت تعرف موقعك بدقة، ويعرف البحث عن موقعك بهذه الطريقة بإسم التثليث المساحي.

كيف يعمل نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية ؟
تعمل جميع أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية بشكل عام بنفس الطريقة، فهناك ثلاثة أجزاء شبكة الأقمار الصناعية، ومحطة تحكم في مكان ما على الأرض تدير الأقمار الصناعية، وجهاز الإستقبال الذي تحمله معك، ويبث كل قمر صناعي باستمرار إشارة موجية راديوية نحو الأرض، ويقوم جهاز الإستقبال بالإستماع لهذه الإشارات، وإذا كان بإمكانه التقاط إشارات من ثلاثة أو أربعة أقمار صناعية مختلفة فيمكنه معرفة موقعك الدقيق.

كيف يعمل نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية ؟ تبقى الأقمار الصناعية في مواقع معروفة وتتنقل الإشارات بسرعة الضوء، وتتضمن كل إشارة معلومات حول القمر الصناعي الذي جاءت منه وختم زمني يوضح متى غادر القمر الصناعي، وبما أن الإشارات هي موجات راديو، يجب أن تسافر بسرعة الضوء، ومن خلال ملاحظة وقت وصول كل إشارة، يمكن لجهاز الإستقبال معرفة الوقت المستغرق للإنتقال والمسافة التي قطعتها بمعنى آخر، كم يبعد عن القمر الصناعي المرسل، ومع ثلاث أو أربع إشارات، يمكن لجهاز الاستقبال معرفة المكان بالضبط على الأرض.

كيف يحسب نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية المسافة من الوقت ؟

لنفترض أنك تحمل هاتفا محمولا يعمل بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو بنظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية في سيارتك، كيف تعرف المسافة الدقيقة إلى الأقمار الصناعية الثلاثة أو الأربعة التي تستخدمها لحساب موقعك؟ يقوم كل قمر صناعي بإشعاع الإشارات التي تكون في الواقع، وسجلات مختومة بالوقت لموقعه في ذلك الوقت، ونظرا لحملها بواسطة موجات الراديو، يجب أن تنتقل الإشارات بسرعة الضوء (300000 كم أو 186000 ميل في الثانية)، من الناحية النظرية، إذا قام جهاز الإستقبال بالتقاط الإشارات في وقت لاحق، ولديه ساعة خاصة به، فإنه يعرف كم من الوقت استغرقت الإشارات للوصول من القمر الصناعي والمسافة التي قطعتها (لأن المسافة = السرعة ×الزمن)، ويبدو هذا حلا لطيفا وبسيطا، ولكنه يقدم مشكلتين إضافيتين.

أولا، كم تستغرق الإشارة للإنتقال؟ ألم نتبادل مشكلة واحدة بأخرى (وقت المسافة)؟ يتضمن حل هذا إصدارا عالي التقنية من مزامنة الساعات، ويحمل كل قمر صناعي أربع ساعات ذرية دقيقة للغاية (اثنان سيزيوم واثنان روبيديوم ، وعادة ما تكون دقيقة لشيء مثل ثانية واحدة في 100000 سنة)، وفي حين أن أجهزة الإستقبال (التي لديها أقل الساعات الدقيقة الخاصة بهم) تستقبل إشاراتهم وتعوض الوقت الذي يستغرقه سفرهم لأسفل من الفضاء، وهذا يعني أن كل جهاز استقبال يمكنه معرفة الوقت الذي استغرقته كل إشارة للوصول إليه وبالتالي إلى أي مدى تنتقل.

ثانيا، على الرغم من أن موجات الراديو تنتقل بالفعل بسرعة الضوء، إلا أنها تفعل ذلك فقط في فراغ (في مساحة فارغة تماما)، ولا تنتقل الإشارات الراديوية التي تنطلق إلينا من الأقمار الصناعية الفضائية عبر الفضاء الخالي ولكن من خلال الغلاف الجوي للأرض، بما في ذلك الغلاف الجوي المتأين (المنطقة العليا من الغلاف الجوي للأرض، والتي تحتوي على جزيئات مشحونة، والتي تساعد الموجات الراديوية على السفر) والغلاف الجوي (المضطرب، منطقة غير مشحونة من الغلاف الجوي حيث يحدث الطقس، والتي تمتد حوالي 50 كيلومترا أو 30 ميلا فوق سطح الأرض)، ويشوه الغلاف الجوي المتأين والتروبوسفير إشارات الأقمار الصناعية ويؤخرها بطرق معقدة للغاية، ولأسباب مختلفة تماما، ويجب على أجهزة استقبال نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GPS) أن تعوض لضمان قدرتها على إجراء قياسات دقيقة للمسافة.