أصبحت أنظمة تحديد الموقع مؤخراً عنصراً أساسياً للبنية التحتية للمعلومات العالمية. فبفضل طبيعة هذه الأنظمة المجانية والمفتوحة والموثوقة، تم تطوير مئات التطبيقات التي تؤثر حالياً في مختلف مجالات الحياة الحديثة. لقد باتت أنظمة GPS متوافرة في جميع الأشياء، من الأجهزة النقالة، إلى الساعات الذكية، مروراً بالجرافات وحاويات الشحن والصرافات الآلية.

يهتم هذا المقال بأهم المجالات التطبيقية والبحثية التي يمكن أن تستفيد من تقانة أنظمة تحديد الموضع.

مجالات تطبيق أنظمة تحديد الموضع

• التطبيقات في الزراعة

إن تطوير وتنفيذ الزراعة الدقيقة أو الزراعة حسب الموقع لم يكن لينجح  بدون أنظمة تحديد الموضع وأنظمة المعلومات الجغرافية   Geographic Information Systems (GIS). تسمح هاتين التقانتين باقتران البيانات المجمعة في الزمن الحقيقي مع معلومات الموضع الدقيقة، في سبيل معالجة وتحليل كمية كبيرة من البيانات الجغرافية المكانية. يجري استخدام التطبيقات المعتمدة على GPS في الزراعة الدقيقة لتخطيط المزرعة، أو لرسم الخرائط الميدانية، أو لأخذ عينات التربة، أو لتوجيه الجرارات، أو لاستكشاف المحاصيل، أو لتقدير غلتها. أضف إلى ذلك، فإن أنظمة تحديد الموضع تسمح للمزارع بالعمل في ظروف الرؤية الصعبة الناتجة عن المطر الكثيف أو الغبار أو الضباب أو الظلام.

• التطبيقات البيئية

نحتاج حتى نوازن استدامة البيئة مع الاحتياجات البشرية إلى اتخاذ قرارات أفضل بمساعدة المعلومات الحديثة. تعتبر عملية جمع المعلومات الدقيقة والحديثة من أهم التحديات التي تواجه الحكومات والمنظمات الخاصة عند اتخاذ هذا النوع من القرارات. تقدم أنظمة GPS حلاً لهذا التحدي، فعندما نربط بين معلومات الموضع وبين المعلومات الوصفية الأخرى للمناطق يصبح بالإمكان تحليل مشاكل بيئية عدة من منظور جديد. فيمكن هنا تصدير معلومات الموضع إلى نظام المعلومات الجغرافية GIS على نحوٍ يسمح بتحليل المظاهر المكانية مع غيرها من المعلومات للوصول إلى فهم أعمق  وأشمل لحالة محددة مقارنةً بما كان يمكن الوصول إليه بالطرق التقليدية.

• منظومات الملاحة في السيارات Car navigation systems

لقد تم تقدير الخسارة الإنتاجية الناتجة على التأخر بسبب الاختناقات المرورية على جميع أنواع الطرقات في العالم بمئات مليارات الدولارات سنوياً. ضمن هذا المنظور، تقدم أنظمة تحديد الموضع، بدقتها ومتاحيتها العاليتين، كفاءةً وأمانأً أكبر للعربات التي تستخدم الطرق بأنواعها. فبات بالإمكان الآن التخلص من أو تقليص الكثير من المشاكل التقليدية المتمثلة في تحديد المسار وتحويل السيارات التجارية.

يتم حالياً استخدام أنظمة GIS لمراقبة مواضع العربات ولتحقيق استراتيجيات المحافظة على جدولة وصول العربات حسب المهل المحددة لها وإعلام المسافرين عن زمن الوصول الدقيق. كما تستخدم أنظمة النقل الجماعي هذه الإمكانية لتتبع القطارات والحافلات وغيرها من الخدمات لتحسين الأداء.

• منظومات المعلومات الجغرافية Geographic Information Systems (GIS)

 تضم منظومة المعلومات الجغرافية شبكات البيانات الخلوية للاتصالات، ومواضع العربات باستخدام GPS، وأدوات الإظهار البياني لهذه المعلومات.

سيسمح استخدام GPS ضمن أنظمة المعلومات الجغرافية للحكومات بتنسيق عمليات صيانة الطرق السريعة والبناء في المناطق الريفية بكفاءة أعلى، وتزويد طريقة فعالة للحفاظ على قواعد البيانات الخاصة بالطرق السريعة وجرد الحوادث.

• أنظمة الطوارئ Emergency Systems

تم استخدام تقانات GPS لتطوير برامج التراسل عند حدوث حالات الطوارئ. يقوم نظام الطوارئ، من خلال الاتصال اللاسلكي، بإرسال معلومات الموضع المأخوذة من نظام GPS ومعلومات الحالة إلى المحطة القاعدية.  نستطيع أيضاً تحديد موضع العربات المسروقة بمساعدة أنظمة الإنذار المعتمدة على GPS الأمر الذي اعتمدته معامل صناعة السيارات. تجدر الإشارة هنا إلى وجود منتجات مختصة بحالات الطوارئ المتوفرة حالياً في الأسواق.

• الملاحة الجوية Aviation

تم أيضاً استخدام أنظمة GPS على متن الطائرات لتحسين أنظمة السلامة، وأنظمة مراقبة الملاحة الجوية، والهبوط في حالات الرؤية المعدومة. يمكن استخدام نظام GPS لتحديد ارتفاع الطائرة بدقة عُشر درجة واحدة. سيصبح بإمكان الطيارون في المستقبل القيام بأنواع أخرى من المراقبة عندما تقوم الحواسيب بإصدار تعليمات الحركة الجوية. هذا من شأنه تقليل عدد العاملين في أبراج المراقبة وفي حجرة القيادة.

• تتبع الحيوانات البرية Tracking of Wild Animals

في حال تزويد الحيوانات بمستقبلات GPS ومرسلات لاسلكية، يتم إرسال إحداثيات الموضع الذي حدده نظام GPS إلى محطة التحكم. تفيد هذه المعلومات في تتبع الحيوانات وفي دراسة أنماط حركاتهم.

• استخدام أنظمة GPS لمساعدة فاقدي البصر

يمكن استخدام نظام GPS لتحديد موضع شخص ما على خريطة جغرافية ورقمية. فيمكن هنا تزويد إمكانات ملاحية مفيدة لفاقد البصر عن طريق استخدام تحديد الموضع في الزمن الحقيقي والخرائط الرقمية والأنظمة الصوتية في حال توفرها.

• معلومات الموضع المحفوظة

يمكن استخدام معلومات الموضع المحفوظة بطرق متنوعة. نذكر منها، تتبع العاملين لتحديد الرسوم المالية (مثل رسوم الطرق السريعة، الرسوم المتعلقة بمكان الزيارة)، أو للبحث عن الأشياء المسروقة (مثل السيارات)، أو لدراسة نماذج الهجرة (عند الحيوانات مثلاً)، أو للتحقق من صحة مطالبات قانونية وغيرها.

التطبيقات المحتملة لنظام تحديد الموضع ضمن الأنظمة الموزعة وشبكات نقل البيانات

• عدادات قياس التردد Frequency Counters

بات بالإمكان أمثَلة مستقبلات GPS لتطبيقات متعلقة بالترددات والزمن. إذ تسمح تقانات أنظمة تحديد الموضع ببناء تطبيقات دقيقة لقياس التردد، وقياس الفواصل الزمنية time interval، ومعايرة الترددات ومقارنة الأطوار.

تسمح ميقاتية أنظمة تحديد الموضع GPS clock بتزويد المستخدم بتردد مرجعي ومستقر يساوي 10 MHz الأمر الذي من شأنه الوصول إلى قياسات على مستوى التردد بدقة 1/10^-12 أو على مستوى الزمن بدقة 5 نانو ثانية.

• ابتدال الدارات باستخدام ميقاتيات متزامنة Circuit switching using synchronized clocks

تصبح عملية ابتدال الدارت سهلة عندما تتم مزامنة جميع الميقاتيات ضمن الشبكة. يتم حساب جدول الابتدال مسبقاً واستخدامه لابتدال حركات المرور حسب الشرائح الزمنية. هذا الأمر يشبه استخدام إشارات تحكم مروري تجنب السيارة من التوقف المتعدد على كل إشارة.

• الأنظمة ذات الأحياز الزمنية المتزامنة Synchronous Slotted Systems

تعتبر أنظمة الأحياز الزمنية أقل عرضة للتأثر بناتج جداء المسافة بعرض الحزمة Bandwidth-distance product. لذلك، يصبح النفاذ ذو الأحياز الزمنية مناسباً أكثر للشبكات عالية السرعة أو التي تقطع مسافات طويلة. هذا هو أحد الأسباب وراء طرح شبكة المسرى المزدوج ذو الرتل الموزع Distributed Queue Dual Bus (DQDB)  والذي تم تصميمه للشبكات الأقليمية اعتماداً على الأحياز الزمنية.يقودنا المنطق نفسه لاستخدام النفاذ بالأحياز الزمنية للشبكات ذات السرعة العالية جداً. في الواقع، تم طرح بنيان الأحياز الزمنية للشبكات الضوئية بالكامل وبسرعات من مرتبة عدة جيغابت بالثانية.

تتمثل المشكلة الأساسية ببنية الأحياز الزمنية بضرورة ضمان مزامنة ميقاتيات عالية الدقة. هذه المزامنة أصبحت متاحة مع أنظمة تحديد الموضع.

• مزامنة الميقاتيات في الأنظمة الموزعة

يجب أن تتمتع الميقاتيات المستخدمة في نظام موزع بالخصائص التالية:

1. يجب ألا تختلف قيمتا الميقاتيتين في أي موقعين وفي أي لحظة بأكثر من Delta.
2. يجب ألا تختلف قيمة الميقاتية في أي موقع وفي أي لحظة عن الزمن العالمي Universal time بأكثر من Delat/2.
3. يجب أن تكون قيم أي ميقاتية متزايدة باستمرار.

نذكر من المسائل التي يجب معالجتها عند دراسة مزامنة الميقاتيات، كون الميقاتيات لا تعمل بذات الدقة في السرعة، وكون المواقع الموزعة غير قادرة على الاتصال ببعضها البعض بشكل دائم، إضافةً إلى إمكان وجود تأخير غير متوقع في توصيل الرسائل، كما أنه من الممكن أن ترسل بعض المواقع بسبب كونها مختلة الأداء أو خبيثة قيماً زمنيةً غير صحيحة أو غير متسقة.

يمكننا هنا استخدام ميقاتية GPS كمصدر لتحقيق المزامنة الخارجية للميقاتيات. تعتبر هذه التقانة من التقانات الواعدة لتزويد دقة زمنية تصل إلى مرتبة نانو ثانية الأمر الذي يفيد في تحسين أداء النظم الموزعة.

• مزامنة قواعد البيانات Database Synchronization

تستخدم معظم خوارزميات المزامنة ضمن قواعد البيانات (بعد حدوث عطل ما أو انقطاع عملية ما) سجلات الأثر Logsالمزودة بطابع زمني Timestamp لإقرار ترتيب الأفعال المطلوب إجراءها. باستخدام المزامنة من خلال ميقاتيات GPS أصبح للطوابع الزمنية دقة أعلى وبالتالي موثوقية أكبر.

• الاتصال بالزمن الحقيقي  عديم الربط Connectionless Real-time Communication

تتمثل إحدى المشاكل عند محاولة تزويد ضمانات تأخير في شبكات عديمة الربط، مثل شبكات IP، في تحديد طريقة جدولة خدمة ما مع ضمان احترام المواعيد النهائية لها.  يمكننا عند استخدام ميقاتية دقيقة الاعتماد على الموعد النهائي المضمّن مع الطرد لإيجاد الطردالذي سيجدول في اللحظة التالية.

• التأخير باتجاه واحد one-way Delay

 لا يمكن حالياً قياس التأخير باتجاه واحد من مرسل إلى مستقبل نظراً لكون ميقاتيتي الطرفين مختلفتين. باستخدام مزامنة الميقاتيات عند المرسل وعند المستقبل وفق GPS، بات بالإمكان قياس التأخير من المرسل إلى المستقبل وحتى عند كل بدالة Switch بشكل دقيق اعتماداً على طابع زمني وحيد.

• التوجيه المعتمد على التأخير  Delay-based Routing

تستخدم بعض الشبكات بما فيها الأنترنت تأخير الوصلات لاتخاذ قرارات متعلقة بالتوجيه. لكن بما أن الوصول إلى قيم دقيقة للتأخير هو أمر صعب فعلياً لذلك يتم اللجوء إلى قيم تقديرية أو إلى قياس التأخير بالاتجاهين Roundtrip delay. أما عند استخدام GPS، فبات من الممكن قياس التأخير باتجاه واحد لتحقيق التوجيه.

• زمن الحياة Time To Live (TTL)

يُستخدم حقل TTL ضمن الطرود لحذف الطرود القديمة من الشبكة. يتم سابقاً تخفيض قيمة الحقل TTL بقيمة 500 ms عند كل موجه أو الاستعاضة عنه بعدد القفزات. لكن، وبغض النظر عن القيمة الحقيقية التي بقي الطرد فيها ضمن الموجه، فباستخدام GPS، يمكن تخفيض قيمة TTL بالقيمة الفعلية التي قضاها الطرد ضمن الموجه.

• موضع الموارد Resource location

تستطيع الأجهزة النقالة، باستخدام الخرائط الرقمية والمعلومات عن البيئة المحيطة، أن تحدد مواقع الموارد القريبة ومن ثم استخدامها.

يمكن أيضاً استخدام الموضع المشتق من نظام GPS لتحديد أماكن الموارد المكررة (مثل أقرب طابعة أو مخدم ملفات ضمن بيئة نقالة) حتى في حالة تعطل أحد الموارد.

• البروتوكولات المتكيفة مع الموضع Location Adaptive Protocols

تعتبر الشبكات حالياً مستقلة عن الموضع حيث تجري جميع قرارات جدولة الخدمات دون النظر إلى الموضع. لكن يوجد العديد من التطبيقات التي تستطيع، في حال حددت الموضع، أن تقدم خدمات مختلفة. نذكر من الأمثلة على الخدمات المتعلقة بالموضع:

• البيت أو المكتب أو السيارة. يحدد الموضع هنا وسيط النقل المتوفر للمستخدم (أسلاك نحاسية أو شبكة نقالة أو أمواج راديوية) وعرض الحزمة المتاحة وتكلفة الاتصال ومعدل الأخطاء.
• السياج الإلكتروني. تستخدم بعض الشركات جدران فيزيائية لمنع خروج أوراق العمل خارجها. يمكن هنا تحقيق النوع نفسه من الحماية للمعلومات باستخدام GPS. أي بمعناً آخر، يمكن استخدام المعلومات فقط عندما نكون موجودين ضمن منطقة جغرافية محيطة بالشركة.

التسليم في الشبكات اللاسلكية Handoffs

يتم هنا استخدام المعلومات عن حدود الخلية وموضع الجهاز النقال لاتخاذ قرار التسليم بدلاً عن الاعتماد على قوة الإشارة التي يستقبلها الجهاز النقال من مجموعة من المحطات القاعدية.

• خوارزمية التحكم بقدرة الإرسال التكيفي Adaptive Transmission Power Control Algorithm

تعتبر كفاءة الطاقة ضمن الحوسبة والاتصالات من أهم عوامل نجاح الحوسبة النقالة. فمن المتوقع ألا تتجاوز نسبة تحسين مدة حياة البطارية 20% خلال السنوات العشرة القادمة الأمر الذي من شأنه توفير قدرة محدود للأجهزة النقالة. تحاول خوارزميات التحكم بقدرة الإرسال التكيفي أمثَلة القدرة اللازمة للإرسال. فيمكن استخدام قدرة أقل عندما تكون المحطة القاعدية قريبة مقارنةً بالقدرة المطلوبة عندما تكون المحطة القاعدية بعيدة. بمكن لهذه الخوارزميات أن تستخدم الموضع المشتق من GPS ومعلومات الاتجاه.

تقدم هذه الخوارزميات ميزتين للشبكات النقالة عن طريق استخدام أقل للقدرة والسماح بإعادة استخدام التردد في الخلايا.

• الهوائيات الموجهة Directional antennas

ترسل الوحدات النقالة حالياً الطاقة وفق جميع الاتجاهات وبشكل متساوٍ. يكون الجزء الموجه نحو المستقبل مفيداً فقط بينما تضيع باقي القدرة في الفضاء. باستخدام الموضع المعتمد على GPS، يمكن أن تكون الهوائيات موجهة الأمر الذي سيفيد في تقليص متطلبات القدرة وصرف البطارية وعندئذ تخفيض وزن الوحدة.

تفيد الهوائيات الموجهة بشكل خاص في الاتصالات البعيدة مثل اتصال التوابع الصنعية.

• التقسيم المؤقت للخلية لتجنب الاختناقات Temporary Cell Partitioning for Congestion Avoidance

يفيد تقسيم الخلية في الاتصالات النقالة في زيادة إعادة  استخدام الطيف الترددي والمساعدة في تقليص الاختناقات. تتطلب هذه الإجرائية التحضير المسبق والتغيير المستمر. أما في حال استخدام التسليم المعتمد على GPS، فيمكننا الحصول على معلومات المخططات الرقمية للخلايا والهوائيات الموجهة، ويمكننا أيضاً تقسيم الخلايا بشكل مؤقت. يمكن ايضاً استخدام السيناريو السابق عند تعطل إحدى المحطات القاعدية.

• التوجيه من الند للند مع مستقبلات محدودة النطاق Peer-to-peer Routing with Limited Range Receivers

تستخدم غالبية الشبكات المدنية اللاسلكية حالياً بنة تحتية مسبقة التأسيس كالاعتماد على الوحدات القاعدية. هذه البنية غير متوافرة في البيئات العسكرية التي تسعى إلى استخدام شبكات اتصال من نوع ند لند تسمح على سبيل المثال لجندي أن يرسل إشارة إلى جندي آخر مروراً بمجموعة من الجنود الموجودين على المسار بينهما. تلعب كل وحدة نقالة دور نظام نهائي وموجه في الوقت نفسه. تكون هنا كل وحدة مدركة لإحداثيات مواضع بقية الوحدات كما تستخدم هذه المعلومات لإيجاد أقصر مسار إلى كل وجهة.

حتى تصبح هذه الشبكات فعالة،  يجب أن تكون استراتيجية أمثلة الشبكات متكيفة مع معدل الحركة ضمن الشبكة. فالمقاربات التي تستخدم جودة الوصلة الراديوية كمعامل أساسي للتحكم في قرارات بروتوكولات التوجيه  يمكن أن تصبح غير مناسبة ضمن بيئات كثيرة الحركة. تزود أنظمة GPS معلومات عدة مثل الموضع والعنوان والسرعة إضافةً إلى طوبولوجية المكان. لذلك، يمكن الاستناد إلى هذه المعلومات لتحديد أفضل المسارات لتوصيل طرود المعلومات في الشبكات.

• توصيل البريد الإلكتروني اعتماداً على الموضع الجغرافي

يتم توجيه الرسائل، في الشبكات السلكية، اعتماداً على العنوان، الذي ليس له أي علاقة بالموضع الفيزيائي للوجهة. تحتاج بعض التطبيقات أن ترسل رسالة إلى مجموعة وجهات/أي وجهة Multicast/Anycast موجودين ضمن بقعة جغرافية محددة. هنا، يصبح هذا النوع من عنونة المواضع ممكناً عند تجهيز المستقبلات بنظام GPS.

• التحكم الموزع بالروبوتات

يمكن تطبيق تقانات أنظمة تحديد الموضع على الروبوتات بغرض التتبع والتحكم، أو بغية أن تؤدي هذه الروبوتات أفعالاً متعلقة بالموضع. فيمكن هنا أن تستفيد الروبوتات الذكية من معلومات الموضع المتوافرة لها. يمكننا أيضاً التحكم بمجموعة موزعة من الروبوتات (أي مجموعة روبوتات مؤدية غاية معينة) أو من العربات بدون سائق باستخدام نظام تحديد الموضع.

الخاتمة

لقد أصبحت أنظمة تحديد الموضع مستخدمة في جميع مجالات الحياة تقريباً، فإضافة إلى التطبيقات السابقة، يوجد الكثير من التطبيقات المختلفة والتي تغطي مجالات أخرى والتي لا مجال لذكرها هنا.

حالياً، لا يكاد يخلو جهاز نقال من مستقبل GPS وكذلك الأمر فإنه لا يوجد جندي أو عربة على أرض المعركة لا يستخدم هذه التقنية. نشهد أيضاً ابتكار وإضافة تطبيقات جديدة بشكل يومي وهذه الابتكارات محدودة فقط بالخيال البشري.