نظام تحديد المواقع العالمي:
يتم تنظيم الخصائص التقنية والتشغيلية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في ثلاثة أجزاء متميزة: قطاع الفضاء وقطاع التحكم التشغيلي (OCS) وقطاع معدات المستخدم، تقوم إشارات GPS التي يبثها كل قمر صناعي وتحمل البيانات إلى كل من معدات المستخدم ومرافق التحكم الأرضية بربط الأجزاء في نظام واحد، يوضح بإيجاز إشارات وأجزاء نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
قسم الفضاء:
تتقسم كوكبة (GPS) من 24 قمرا صناعيا متسلسله في 6 مستويات مدارية بميل 55 درجة و 20،051 كيلومترا (12532 ميلا) فوق الأرض، يكمل كل قمر صناعي مدارًا واحدًا في نصف يوم فلكي، وبالتالي يمر فوق نفس الموقع على الأرض مرة واحدة كل يوم فلكي حوالي 23 ساعة و 56 دقيقة، مع هذا التكوين المداري وعدد الأقمار الصناعية سيكون لدى المستخدم، في أي مكان على الأرض أربعة أقمار صناعية على الأقل في العرض 24 ساعة في اليوم.
قسم التحكم والسيطرة:
يتكون نظام (GPS OCS) من محطة التحكم الرئيسية (MCS) الموجودة في قاعدة فالكون الجوية في كولورادو سبرينغز كولورادو محطات المراقبة عن بعد الموجودة في هاواي ودييجو غارسيا وجزيرة أسينسيون وكواجالين وهوائيات الوصلة الصاعدة الموجودة في ثلاث من أربع محطات مراقبة عن بعد وفي MCS.
كما تساهم محطات المراقبة عن بعد الأربع في التحكم بالقمر الصناعي من خلال تتبع كل ساتل (GPS) في المدار ومراقبة إشاراته الملاحية ونقل هذه المعلومات إلى (MCS)، يمكن للمحطات الأربع تتبع ومراقبة مكان كل قمر صناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمدة 20 إلى 21 ساعة في اليوم، تقوم الاتصالات الأرضية والفضائية بتوصيل محطات المراقبة عن بعد بـ MCS.
معدات المستخدم:
تختلف معدات مستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بشكل كبير من حيث التكلفة والتعقيد اعتمادًا على تصميم المتلقي والتطبيق، يمكن أن تتراوح مجموعات أجهزة الاستقبال التي تختلف حاليًا في السعر من حوالي 135 دولارًا أمريكيًا أو أقل إلى 30 ألف دولار أمريكي من أجهزة بسيطة إلى حد ما، كما توفر فقط معلومات تحديد الموقع الأساسية إلى وحدات معقدة متعددة القنوات تتعقب جميع الأقمار الصناعية في العرض، وتؤدي مجموعة متنوعة من الوظائف، تتكون معظم مستقبلات GPS من ثلاثة مكونات أساسية:
(1) هوائي يستقبل الإشارة وفي بعض الحالات لديه قدرات مضادة للتشويش.
(2) وحدة استقبال – معالج تقوم بتحويل الإشارة الراديوية إلى حل ملاحي صالح للاستخدام.
(3) وحدة تحكم عرض تعرض معلومات تحديد الموقع وتوفر واجهة للتحكم في جهاز الاستقبال.
خصائص الإشارة والمفاهيم التشغيلية:
يعتمد نظام GPS على مبدأ “pseudoranging” لتوفير معلومات دقيقة عن تحديد الموقع والسرعة والتوقيت، يرسل كل قمر صناعي في المدار إشارة راديو مستمرة برمز فريد يتضمن بيانات حول موقع القمر الصناعي والوقت المحدد لبدء الإرسال المشفر، كما يتم الاحتفاظ به بواسطة الساعات الذرية الموجودة على متنه، يتم إنشاء قياس المسافة الزائفة عن طريق قياس المسافة بين مستقبل المستخدم والقمر الصناعي عن طريق طرح الوقت الذي أرسل فيه القمر الصناعي الإشارة من الوقت الذي استقبله فيه المستخدم.
بشكل عام يمكن تحديد موضع المستخدم ثلاثي الأبعاد عن طريق قياس النطاقات في وقت واحد من مستقبل المستخدم إلى ثلاثة أقمار صناعية، ومع ذلك نظرًا لأن الأقمار الصناعية GPS وساعات جهاز الاستقبال غير متزامنتين تمامًا، فإن الملاحظات من قمر صناعي رابع ضرورية للتخلص من تحيز ساعة المستقبِل الشائع لجميع قياسات (Pseudorange) الزائف يوضح مفهوم التشوه المزيف لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
بدلاً من إرسال رمز واحد على إشارة راديو واحدة (كما هو موضح أعلاه) يرسل كل قمر صناعي في الواقع إشارتين مميزتين للطيف المنتشر تحتويان على رمزين مختلفين رمز الاستحواذ الخشن (C / A) ورمز الدقة (P)، يتم بث كود (C / A) على إشارة الموجة الحاملة L-band (المعروفة باسم L1)، والتي يتركز ترددها عند 1575.42 MHz، كما يتم بث الكود P على الموجة الحاملة L1 في تربيع الطور مع الموجة الحاملة (C / A)، وعلى تردد الموجة الحاملة الثاني (المعين باسم L2) والذي يتمركز عند 1227.60 MHz.
يوفر رمز L1 C / A إمكانية تحديد المواقع مجانًا للمستخدمين المدنيين والتجاريين في جميع أنحاء العالم، ويُعرف باسم خدمة تحديد المواقع القياسية (SPS)، عادةً ما يتم تشفير P-code باستخدام تقنيات تشفير وكالة الأمن القومي وإمكانية فك التشفير متاحة فقط للجيش والمستخدمين المعتمدين الآخرين،.
وفقًا لما تحدده وزارة الدفاع الأمريكية ترفض عملية التشفير المعروفة باسم مكافحة الانتحال (AS) الوصول غير المصرح به إلى رمز P، وتحسن أيضًا بشكل كبير قدرة جهاز الاستقبال على مقاومة الإغلاق على إشارات (GPS) المحاكية، والتي يمكن أن توفر معلومات تحديد الموقع غير الصحيحة لمستخدم GPS، توفر P-code على كل من إشارات الموجة الحاملة L1 و L2 من خلال إمكانية فك التشفير للمستخدمين المعتمدين تحديدًا أكثر دقة للمواقع ويُعرف باسم خدمة تحديد المواقع الدقيقة (PPS).
التوافر الانتقائي وأخطاء تحديد المواقع الأخرى:
تنخفض دقة (GPS) لمستخدمي (SPS) من خلال عملية تعرف باسم التوافر الانتقائي (SA)، هو تدهور متعمد في دقة (GPS) يتم تحقيقه عن طريق التغيير المتعمد للوقت الدقيق للساعات على متن الأقمار الصناعية، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في إشارة GPS) ومن خلال توفير بيانات تحديد المواقع المدارية غير الصحيحة في رسالة الملاحة (GPS).
وعادةً ما يتم تعيين SA على مستوى يوفر دقة تحديد المواقع بمقدار 100 متر (2 drms) لمستخدمي SPS 2، ينص توجيه السياسة الرئاسية الصادر في مارس 1996 بشأن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على أن نية حكومة الولايات المتحدة “التوقف عن استخدام”.
عادةً ما يتم تمثيل دقة (SPS) باستخدام قياس أفقي بمقدار 2 درم أو ضعف جذر متوسط مربع خطأ المسافة الشعاعية، عادةً يمكن تمثيل (2 drms) بيانياً كدائرة حول الموضع الحقيقي تحتوي على ما يقرب من 95 بالمائة من تحديدات الموضع.
التوفر الانتقائي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في غضون عقد من الزمن بطريقة تتيح الوقت والموارد الكافية للقوات العسكرية للاستعداد الكامل للعمليات من الناحية العملية هناك العديد من مصادر الخطأ بخلاف SA التي يمكن أن تؤثر على دقة الموقع المشتق من (GPS).
وتشمل هذه الأخطاء غير المقصودة في الميقاتية والمدارية والأخطاء التي تسببها التأخيرات الجوية وأخطاء تعدد المسيرات والأخطاء الناجمة عن ضوضاء المستقبِل والأخطاء الناتجة عن هندسة القمر الصناعي الرديئة، تم تصميم العديد من التقنيات والأنظمة الفنية لتحسين دقة (GPS SPS)، تتراوح هذه التقنيات من تكامل معدات مستخدم (GPS) مع أنظمة الملاحة تحديد المواقع الأخرى مثل وحدات الملاحة بالقصور الذاتي إلى تحسين GPS من خلال تقنيات التتبع التفاضلي والحامل.
