تعتبر أنظمة الملاحة العالمية واحدة من أساسيات التواصل الرئيسية في وقتنا المعاصر والمستخدمة بكثافة في مهمات وآليات عديدة حول العالم. إن ميزة تحديد مكان الأشياء عبر أنظمة الملاحة هي أكثر ما جعلها ركيزة أساسية لاستخدامها في الملاحة الجوية والبحرية وغيره.

تشير كلمة الملاحة إلى تحديد الموقع والسرعة والاتجاه أثناء المسير، حيث أنّه في عصر ما قبل الحداثة كان يتم تحديد تلك الأمور بواسطة التلسكوب والبوصلة والخريطة، والتي تُعتبر الآن أشكالاً بدائيةً للملاحة.

يُطلق على نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية ذي التغطية العالمية اسم نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS). فإنّ النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) الخاص بالولايات المتحدة والنظام العالمي للملاحة الخاص بروسيا (GLONASS) ونظام (BeiDou) للملاحة بالأقمار الصناعية الخاص بالصين (PDS) ونظام غاليليو الخاص للاتحاد الأوروبي هي أنظمة ملاحة عالمية عبر الأقمار الصناعية يعملان بشكلٍ كامل، ويُعتبر نظام الأقمار الصناعية الخاص باليابان (QZSS) نظاماً قائماً على الأقمار الصناعية يهدف لتعزيز دقة نظام تحديد المواقع العالمي، من خلال نظام ملاحة عبر الأقمار الصناعية مستقل عن نظام تحديد المواقع العالمي، إذ يُخطط البدء بتشغيله عام 2023. أيضاً لدى الهند نظام إقليمي للملاحة بالأقمار الصناعية (IRNSS) يُطلق عليه اسم NavIC ، وهو نظام ملاحة إقليمي ذي تحكم ذاتي بالأقمار الصناعية يوفر خدمات تحديد المواقع والتوقيت في الزمن الحقيقي بدقة، ومن المخطط توسعته ليصبح عالمياً على المدى الطويل.

تتحقق التغطية العالمية لكل نظام عموماً من خلال تشكيل كوكبة من الأقمار الصناعية مكونة من 18 إلى 30 قمراً تدور في المدار الأرضي المتوسط موزعة بين عدة مستوياتٍ مدارية. تختلف الأنظمة الفعلية، ولكنها تتمتع بميلٍ مداري يزيد عن 50 درجة وفترات مدارية تبلغ اثني عشر ساعة تقريباً (على ارتفاع حوالي 20000 كيلومتر أو 12000 ميل).

يُعتبر نظام TRANSIT أول نظام للملاحة عبر الأقمار الصناعية، وهو نظام أطلقه الجيش الأمريكي في الستينيات. استند نظام TRANSIT على تأثير دوبلر: تتحرك الأقمار الصناعية في مداراتٍ معروفة وتبث إشاراتها على شكل ترددات لاسلكية معروفة. سيختلف التردد المستقبَل قليلًا عن تردد البث بسبب حركة القمر الصناعي بالنسبة للمُستقبِل. من خلال مراقبة هذا الانزياح في التردد خلال فترة زمنية قصيرة، يمكن للمستقبِل تحديد موقعه على أحد جانبي القمر الصناعي، ويمكن للعديد من هذه القياسات مجتمعة مع المعرفة الدقيقة لمدار القمر الصناعي تحديد موقع معين. تحدث أخطاءٌ في تحديد الموقع المداري للأقمار الصناعية نتيجة الاختلافات في مجال الجاذبية للأرض وانكسار أشعة الرادار، بالإضافة لعوامل أخرى. حُلّت هذه المشاكل من قبل فريق بقيادة هارولد أل. جوري من قسم بان آب للفضاء الجوي في فلوريدا بين عامي 1970 و1973. باستخدام استيعاب البيانات في الوقت الحقيقي والتقدير الذاتي، تم تضييق الأخطاء المنهجية والزائدة إلى مستوى يمكن التحكم فيه للسماح بالملاحة الدقيقة.

تكون الأنظمة الحديثة أكثر مباشرةً في عملها. يبث القمر الصناعي إشارة تحتوي على البيانات المدارية (التي يمكن من خلالها حساب موضع القمر الصناعي) والوقت المحدد لإرسال الإشارة. تشمل البيانات المدارية تقويماً فلكياً تقريبياً لجميع الأقمار الصناعية للمساعدة في العثور عليها. يُرسل التقويم الفلكي المداري في رسالة بيانات تُوضع على رمز يعمل كمرجعٍ للتوقيت. تستخدم الأقمار الصناعية ساعاتٍ ذرية للحفاظ على التزامن بين جميع الأقمار الصناعية في الكوكبة. يُقارن جهاز الاستقبال وقت البث المشفّر في إرسال ثلاثة (على مستوى سطح البحر) أو أربعة أقمار صناعية مختلفة، وبالتالي يمكن قياس زمن رحلة كل قمرٍ صناعي. يمكن إجراء العديد من هذه القياسات في نفس الوقت للأقمار الصناعية المختلفة، مما يسمح بتحديد الموقع في الوقت الفعلي بشكلٍ مستمر.

يضع كل قياس للمسافة، بغض النظر عن النظام المستخدم، جهاز الاستقبال على غلاف كروي على المسافة المقاسة من جهاز البث. عن طريق أخذ العديد من هذه القياسات ثم البحث عن نقطة اجتماعها، فيتم تحديد الموقع. ومع ذلك، في حالة أجهزة الاستقبال سريعة الحركة، يتحرك موضع الإشارة أثناء تلقي الإشارات من عدة أقمار صناعية. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ الإشارات الراديوية تبطئ قليلًا عندما تمر عبر الغلاف الأيوني للأرض، ويختلف هذا التباطؤ باختلاف الزاوية بين المستقبِل والقمر الصناعي، لأن ذلك يغير المسافة عبر الغلاف الأيوني. وبالتالي تُحاول الحسابات الأساسية العثور على أقصر خط موجه مماسي لأربعة أغلفةٍ كروية مفلطحة تتركز على أربعة أقمار صناعية. تقلل مُستقبلات الملاحة عبر الأقمار الصناعية من الأخطاء عن طريق استخدام مجموعات من الإشارات الصادرة عن عدة أقمار صناعية وروابط متعددة، ثم استخدام تقنيات مثل ترشيح كالمان لدمج البيانات المشوشة، والجزئية، والمتغيرة باستمرار في تقدير واحدٍ للموضع، والوقت، والسرعة.

كان الدافع الأصلي للملاحة الفضائية هو استخدامها في التطبيقات العسكرية. توفر الملاحة عبر الأقمار الصناعية دقةً في إيصال الأسلحة إلى الأهداف المطلوبة، مما يزيد بشكلٍ كبير من فتكها مع تقليل الإصابات غير المقصودة من الأسلحة غير الموجهة بشكلٍ صحيح. تسمح الملاحة عبر الأقمار الصناعية أيضاً بتوجيه القوات وتحديد مواقعها بسهولة أكبر، مما يقلل من خسائر الحرب.

يوجد في العالم إلى الآن 4 أنظمة ملاحة عالمية سيتم التعريف بكل نظام وتبيين الاختلافات بينها:

أولاً: نظام التموضع العالمي GPS (الولايات المتحدة الأمريكية)

إنّ نظام GPS هو الأقدم بين باقي الأنظمة وربما الأشهر، حيث تمّ البدء بعملياته منذ عام 1978 وأصبح مُتاحاً للاستخدام العالمي في عام 1994 وكان السبب في إحداثه يعود إلى أغراضٍ عسكريةٍ، فكانت تدعو الحاجة الأمنية إلى إنشاء ملاحةٍ عسكريةٍ، وكان الجيش الأمريكي هو أول من لاحظ ذلك.

ومع مرور الوقت أصبح GPS متاحاً للاستخدام العام، وهو يتضمن حالياً 33 قمر صناعي، وتتم إدارته من قبل القوات الجوية الأمريكية.

استخدامات أنظمة GPS المتعددة:

تعدُّ أنظمة GPS متعددة الاستخدامات ويمكن أن تساهم في أي قطاع تقريباً، حيث يمكن استخدامها لرسم خريطة للغابات، كما أنّها تساعد المزارعين في حصاد حقولهم، كما تساعد على قيادة الطائرة، وتُستخدم أنظمة GPS أيضاً في التطبيقات العسكرية، كما أنها تساعد طاقم الإسعاف في تحديد أماكن المصابين وغيرها من الاستخدامات الأخرى.

يمكننا القول أنّ استخدامات أنظمة ال GPS تنقسم إلى خمس فئاتٍ رئيسةٍ :

• تحديد الموقع
• المساهمة في الملاحة أي الانتقال من مكانٍ معينٍ إلى مكانٍ آخر
• التتبع أو المراقبة أي مراقبة كائنٍ معيّنٍ أو حركة شيءٍ ما وتتبع حركته
• رسم خرائط العالم
• تحديد التوقيت الدقيق

ثانياً : نظام غلوناس  GLONASS (روسيا)

وهو نظام ملاحة عالمي لروسيا، تمّ البدء بتطويره عام 1993، حيث كان يتضمن 12 قمراً صناعيّاً موّزعاً في مدارين على ارتفاع 1930 كم، وأصبح يتضمن في الوقت الحالي 27 قمراً صناعياً وجميعها لا تزال تعمل. وتتم إدارة هذا النظام من قبل القوات الجوية الروسية.

هناك 5 إصدارات من GLONASS بما في ذلك:

• GLONASS (1982)
• GLONASS-M (2003)
• GLONASS-K (2011)
• GLONASS-K2 (2015)
• (حالياً في مرحلة البحث-2025) GLONASS-KM

Assisted GLONASS :

Assisted GLONASS (A-GLONASS)  يشبه إلى حد كبير GLONASS ولكنه يحتوي على المزيد من الميزات للهواتف الذكية. تتضمن هذه الميزات التنقل، وبيانات حركة المرور في الوقت الفعلي، والمزيد من الخدمات. يستخدم A-GLONASS بالقرب من الأبراج الخلوية لتحديد موقعك الدقيق بسرعة. كما أنه يحسن أداء مجموعات الشرائح التي تأتي مع دعم GLONASS.

الفرق بين GLONASS و GPS GNSS

تشتمل شبكة GPS الأمريكية على 31 قمراً صناعياً، بينما تستخدم GLONASS  24 قمراً صناعياً. يختلف النظامان أيضًا إلى حد ما في الدقة. دقة موضع GLONASS هي 5-10 م بينما GPS، 3.5-7.8 م. لذلك ، يفوق نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) دقة GLONASS لأن أرقام الخطأ الأقل أفضل.

عند استخدام GLONASS بمفرده، لا يوفر تغطية قوية مقارنة بنظام. GPS  بشكل عام  GLONASS هو نسخة احتياطية رائعة لنظامGPS  . عندما تُفقد إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) (كما هو الحال عندما تكون بين المباني الشاهقة) فإن GLONASS يساندك.

ثالثاً : نظام غاليليو Galileo (الاتحاد الأوروبي)

غاليليو عبارة عن نظام تابع للاتحاد الأوروبي وهو نظام ملاحةٍ عالميٍّ مُتاحٌ للاستخدام المدني والتجاري، وسيتألف نظام غاليليو قريباً من ثلاثين قمراً صناعياً على امتداد ستة مداراتٍ. وفي الوقت الحالي يوجد 22 قمراً صناعيّاً (من أصل 30) في المدار، وقد أثبت هذا النظام القدرة على تشغيله مبكراً في سنة 2016، وتم تشغيله بالكامل في 2020. تتعقب مستقبلات GALILEO موقع كوكبة الأقمار الصناعية فيما يسمى "النظام المرجعي GALILEO"  باستخدام تقنية الأقمار الصناعية ومبادئ المثلثات.

ينقسم نظام جاليليو إلى ثلاثة أقسام رئيسية:

• الجزء الفضائي
• الجزء الأرضي
• المستخدم

تتمثل وظيفة الجزء الفضائي في إنشاء وإرسال إشارات الشفرة وطور الموجة الحاملة مع بنية إشارة جاليليو محددة. كما يقوم بتخزين وإعادة إرسال بيانات الملاحة المرسلة من "الجزء الأرضي".

الجزء الأرضي هو عنصر النظام الرئيسي الذي يتحكم في الكوكبة بأكملها بما في ذلك مرافق نظام الملاحة وخدمات البث. يتكون الجزء الأرضي من:

• اثنان من مراكز التحكم الأرضية (GCC)
• شبكة القياس عن بعد
• محطات التتبع والتحكم (TT&C)
• شبكة محطات توصيل المهام (ULS)
• شبكة محطات استشعار جاليليو (GSS)

يتكون قطاع المستخدم من مستقبلات. GALILEO  الغرض الرئيسي هنا هو تتبع إحداثيات القمر الصناعي وتوفير توقيت دقيق للغاية. يتم ذلك عن طريق استقبال إشارات غاليليو، وتحديد النطاقات الزائفة (وغيرها من الأشياء التي يمكن ملاحظتها) ، وحل معادلات الملاحة.

رابعًا : نظام بايدو BeiDou (الصين)

وهو نظام ملاحة خاص بالصين، يضمُّ 22 قمراً صناعياً في المدار ومن المخطط له أن تضم المجموعة الكاملة 35 قمراً صناعياً، وقد تم البدء بتطويره عام 2000 وقدّم حينها خدمات محدودة نوعاً ما، خاصّةً للمستخدمين في الصين والمناطق المجاورة.

يتكون النظام من مجموعتين منفصلتين من الأقمار الصناعية، BeiDou-1  و BeiDou-2 وسيصبح قريباً BeiDou-3

• BeiDou-1: يتكون النظام (المعروف أيضاً باسم نظام BeiDou التجريبي للملاحة عبر الأقمار الصناعية) من ثلاثة أقمار صناعية تقدم خدمات وتغطية محدودة للملاحة. تم استخدامه بشكل رئيسي من قبل المستخدمين في الصين والمناطق المجاورة. تم الاستغناء عن BeiDou-1 في نهاية عام 2012.
• BeiDou-2: ( يسمى أحياناً COMPASS ) هو الجيل الثاني من النظام. بدأ العمل في ديسمبر 2011 بكوكبة جزئية من 10 أقمار صناعية. يقدم خدمات للعملاء في منطقة آسيا والمحيط الهادئ منذ نهاية عام 2012.
• BeiDou-3 : بدأت الصين في بناء الجيل الثالث من النظام، BeiDou-3، في عام 2015. ولكن هذه المرة  للتغطية العالمية. وبمجرد إطلاقه وتشغيله بالكامل، سيوفر BeiDou-3 بديلاً لنظام GPS الأمريكي أو GLONASS أو. GALILEO  من المتوقع أن يكون BeiDou-3 أكثر دقة من الأنظمة السابقة مع دقة على مستوى المليمتر (مع المعالجة اللاحقة).

 

المراجع

[1]: The Modernization of GPS: Plans, New Capabilities and the Future Relationship to Galileo”, MacDonald, Keith. (2002), Navtech Consulting, Alexandria, July 2002

[2]: Potential Benefits of GPS/GLONASS/GALILEO Integration in an Urban Canyon, Ji, S., Chen, W., Ding, X., Chen, Y., Zhao, C. and Hu, C. (2010).– Hong Kong. The Journal of Navigation, 63, 681–693

[3]: Introduction to Navigation Systems:  www.intechopen.com

[4]: History of Navigation: Introduction : penobscotmarinemuseum.org

[5]: What are the various GNSS systems?: www.geospatialworld.net

[6]: What Are GPS Systems Used For?: www.novatel.com

[7]: What's The Differences Between the  GNSS Constellations?: www. blog.bliley.com