شرح كيفية عمل نظام تحديد الموقع GPS

تستخدم الهواتف الذكية والكثير من الأجهزة الأخرى نظام تحديد الموقع GPS و الذي يعتمد على إشارات ترسل من أقمار صناعية تبعد مسافة 20000 كيلومتر عن الأرض.

لكن كيف يتمكن هاتفك الذكي من معرفة موقعك من هذه الإشارات؟

يدور حول الكرة الأرضية 24 قمر صناعي قادرة على إرسال إشارات مخصصة لنظام تحديد الموقع. يدور كل قمر في مدار مخصص له و يكمل دورتين في اقل من 24 ساعة. ترسل هذه الأقمار موجات بتردد 1575.42 ميكا هيرتز (التردد المستخدم للأغراض المدنية و يوجد تردد اخر للأغراض العسكرية فقط) تحمل معلومات عن القمر الصناعي المرسل للموجة و الوقت بدقة عالية من الساعة الذرية الموجودة على القمر. بعد مقارنة الوقت الواصل من كل قمر يستطيع جهاز الاستقبال معرفة الزمن الذي استغرقته الموجة للوصول من القمر الصناعي إلى الجهاز و ذلك عن طريق طرح الوقت الحقيقي من الوقت المرسل من القمر الصناعي. بمعرفة الزمن الذي استغرقته الموجة للوصول إلى الجهاز و بلكون سرعة انتقال الموجة ثابتة, سيتمكن جهاز الاستقبال من معرفة المسافة بينه و بين ذلك القمر الصناعي.

كيف يحدد جهاز الاستقبال موقعه بعد معرفة بعده عن القمر الصناعي ؟

إذا تمكنت من تحديد البعد بينك و بين أي نقطة, فإنك من الممكن أن تكون في أي مكان على سطح كرة حول تلك النقطة نصف قطرها هو البعد بينك و بين تلك النقطة. إن الشكل الناتج من تقاطع كرتين هو دائرة, لذلك فإنك إن علمت بعدك عن نقطتين فسيكون موقعك في أي نقطة على محيط الدائرة الناتجة من تقاطع الكرتين حول النقطتين. أما إذا تقاطعت كرة ثالثة مع الدائرة الناتجة من تقاطع الكرتين في البداية فستحصل على نقطتين للتقاطع فقط. الآن, إذا ما تقاطعت كرة اخرى من الكرات الثلاث السابقة ستتمكن من تحديد أي من النقطتين تمثل موقعك.

قد يتمكن جهاز تحديد المواقع من معرفة موقع تقريبي لك من ثلاثة أقمار فقط, و ذلك باعتبار الكرة الأرضية هي الكرة الرابعة في تقاطع الكرات أعلاه ليتمكن من تحديد أي النقطتين تمثل موقعك. لكن من المعروف أن سطح الكرة الأرضية ليس مستويا, لذلك فإن تحديد موقعك لن يكون دقيقا بالاعتماد على هذه الطريقة حيث سيعتمد جهاز الاستقبال مستوى سطح البحر لكونه مستوياً ومعرفا في الجهاز بدلا من موقعك الحقيقي. يعتبر الموقع المستخرج بهذه الطريقة موقعاً ثنائي الأبعاد.

أما إذا تمكن جهاز الاستقبال من رصد إشارة من أربعة أقمار صناعية, فإنه سيتمكن من تحديد موقعك بشكل دقيق حيث أن نتيجة تقاطع اربع كرات هي نقطة واحدة فقط تمثل موقعك بالضبط كما سيتمكن أيضاً من تحديد ارتفاعك عن مستوى سطح البحر وذلك بإيجاد البعد بين موقعك الحالي و مستوى سطح البحر على الكرة الأرضية المعرف داخل جهاز الاستقبال, لذلك من الممكن لجهاز الاستقبال بسهولة تحديد ارتفاعك عن سطح البحر, لكنه لن يتمكن من معرفة ارتفاعك عن سطح الأرض. من الممكن معرفة ارتفاعك عن سطح الأرض في نقطة معينة إذا علمت ارتفاع تلك النقطة عن سطح البحر و قمت بطرحها من ارتفاعك عن سطح البحر. يعتبر الموقع المستخرج من أربعة أقمار موقع ثلاثي الأبعاد. أي أن الجهاز سيتمكن من تحديد خط الطول و خط العرض و ارتفاعك عن مستوى سطح البحر.