نظام اتصالات الملاحة عبر اتصالات الأقمار الصناعية GNSS 

أصبحت الملاحة عبر الأقمار الصناعية واحدة من أكثر التقنيات استخداماً وأهمية في العالم، ويُعد نظام اتصالات الملاحة عبر اتصالات الأقمار الصناعية، هو نوع من التكنولوجيا المستخدمة لتحديد موقع الأجسام المستقلة الموجودة على سطح الأرض، ولأداء هذه المهمة تستخدم تقنية القمر الصناعي عدة أقمار صناعية؛ لنقل إشارة عبر قناة من المرسل والمستقبل، حيث يمكن استخدام هذه الإشارات لتحديد الموقع وتتبع الموقع والعديد من الأغراض الأخرى.

ما هو نظام اتصالات الملاحة عبر اتصالات الأقمار الصناعية؟

النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية “GNSS”: هو مجموعة من الأقمار الصناعية توفر إشارات من الفضاء تنقل بيانات تحديد المواقع والتوقيت إلى مستقبلات “GNSS”، حيث  تُستخدم أجهزة الاستقبال هذه البيانات لتحديد الموقع.

تم تطوير أنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية في البداية من قبل القوات الجوية الأمريكية، وفي ذلك الوقت تم تسمية التكنولوجيا باسم نظام تحديد المواقع العالمي “GPS“، وكان يقتصر استخدامها فقط من قبل قوات الدفاع، ومع مرور الوقت أصبحت تقنية “GPS” متاحة للجميع على هذا الكوكب، ومع ظهور تقنية “GNSS” دخلت العديد من التقنيات الفرعية في العمل أيضاً، وهي تُعرف باسم أنظمة الملاحة الإقليمية.

• “GNSS” هي اختصار لـ “Global Navigation Satellite System”.

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

آلية عمل نظام اتصالات الأقمار الصناعية للملاحة العالمية GNSS:

يمتلك ستالايت “GNSS” موجتين حاملة مثبتتين في النطاق “L” وهما L1 (1575.42 ميجاهيرتز) وL2 (1227.60 ميجاهرتز)، والغرض الأساسي من هذين النطاقين الموجيين هو نقل الإشارات من القمر الصناعي المتصل إلى سطح الأرض، كما يمكن أن يؤدي استخدام تقنية “L-band” إلى تقليل النفقات العامة مع توفير اتصال موثوق به أقل عرضة للانقطاع، حيث يوفر تنفيذ نطاقات “L” مع تحديد موضع الهوائي المناسب عدداً من الفوائد للطائرات بدون طيار الزراعية والتقنيات البحرية والمراقبة عن بُعد.

من ناحية أخرى، تتكون مستقبلات “GNSS” الموضوعة على سطح الأرض من هوائي ووحدة معالجة والغرض من الهوائي هو استقبال الإشارات المشفرة من الأقمار الصناعية المتصلة، ووظيفة وحدة المعالجة هي فك تشفير الإشارات إلى معلومات مفيدة، كما يدور كل قمر صناعي تابع لنظام “GNSS” حول محيط الأرض بفاصل “11 ساعة و58 دقيقة وثانيتين”، حيث يتم بث معلومات الوقت الخاصة بالقمر الصناعي في شكل رموز بحيث يمكن لجهاز الاستقبال تحديد الفاصل الزمني الذي تم فيه بث الكود.

تحتوي الإشارات المرسلة من القمر الصناعي على بيانات مشفرة تساعد أجهزة الاستقبال في تحديد موقعها ويضع جهاز الاستقبال نفسه بدقة مع موقع القمر الصناعي، كما تحسب الدائرة المتكاملة الخاصة بجهاز الاستقبال الفروق الزمنية بين وقت البث ووقت استقبال الإشارة المشفرة، وبمجرد أن يضع جهاز الاستقبال نفسه بدقة مع القمر الصناعي، تقوم وحدة المعالجة بترجمة موقع جهاز الاستقبال من حيث خطوط الطول والعرض والارتفاع.

تطبيقات GNSS للصناعات الأخرى:

• اتصالات الأقمار الصناعية المتنقلة.

• خدمات الطوارئ والدقة القائمة على الموقع.

• تحسينات التنبؤ بالطقس.

• الترميز الجغرافي الفوتوغرافي.

أهداف استخدام الاتصالات في نظام GNSS:

• زيادة أداء الشبكة من حيث السعة وفعالية التكلفة والسلامة والبيئة أو قابلية التشغيل البيني.

• تقديم دعم قيم ومستقل وغير متحيز لمعرفة أفضل طريقة يمكن من خلالها دمج “EGNOS” و”Galileo” في استراتيجية الطيران لتحسين أداء إدارة الحركة الجوية الموحدة.

• المساهمة في مشاريع “SESAR” المتعلقة بالنظم العالمية لساتلايت الملاحة، مثل التطور إلى بيئة “GNSS” ثنائية التردد متعددة الأبراج.

• إغلاق الفجوة التقنية التشغيلية فيما يتعلق بتعرض النظم العالمية لسواتل الملاحة “GNSS” من خلال تحديد الأسباب وكذلك تحديد استراتيجيات التخفيف المناسبة.

• معالجة القضايا المؤسسية والقانونية المتعلقة بالنظم العالمية لمجموعات ستالايت الملاحة فعلى سبيل المثال قابلية تطبيق لوائح “Single European Sky” على “GNSS”.

• دعم المستخدمين العسكريين في الوصول إلى مستوى عالٍ من قابلية التشغيل البيني لحلول الملاحة عبر الأقمار الصناعية المدنية والعسكرية، مع مراعاة احتياجاتهم الخاصة بما في ذلك النظر في عناصر “GNSS” المشفرة لتمكين امتثال طائرات الدولة لمتطلبات الملاحة.

• حماية مصالح جميع مستخدمي المجال الجوي.

أساسيات نظام اتصالات GNSS:

الهدف الرئيسي من أنظمة الملاحة بواسطة الأقمار الصناعية هو أنّ الإشارات تُرسل من الأقمار الصناعية في الفضاء، ويتم استقبالها بواسطة أجهزة الاستقبال الموجودة على سطح الأرض أو بالقرب منه، وباستخدام التوقيت من الممكن تحديد المسافة من كل قمر صناعي، وبالتالي باستخدام عملية البحث ومعرفة مواقع القمر الصناعي يمكن تحديد الموقع على الأرض.

تبعث جميع الأقمار الصناعية معلومات التوقيت حتى يعرف المتلقي متى تم إرسال الرسالة، وعندما تنتقل إشارات الراديو بسرعة الضوء، فإنّها تأخذ وقتاً قصيراً جداً، ولكنه محدوداً لقطع المسافة من القمر الصناعي إلى جهاز الاستقبال، كما تنقل الأقمار الصناعية أيضاً معلومات حول مواقعها، وبهذه الطريقة يكون جهاز الاستقبال قادراً على حساب المسافة من القمر الصناعي إلى جهاز الاستقبال.

تدور الأقمار الصناعية في نظام “GNSS” في مدار أرضي متوسط، حيث عادةً ما تكون هناك ثلاثة مدارات لكل منها أربعة أقمار صناعية تكون مفعلة، كما يُعطي هذا الإعداد عدداً كافياً من الأقمار الصناعية في الاعتبار، بحيث يكون لدى أي مستخدم أرضي ما يكفي من أجل الحصول على إصلاح دقيق، كما يمكن أن يحدث فقط إذا لم يكن المستخدم محمياً بالمباني الشاهقة.

كان الاستعمال الأولي لأول نظام “GNSS” يسمى “GPS” للاستعمال العسكري، واستمر كأحد المحركات الرئيسية لتشغيلها، ومع ذلك يُتاح أيضاً للمستعملين المحليين والتجاريين بالوصول على الرغم من أنّ هذا قد لا يكون بنفس الدقة، وغالباً ما يتم بعث الإشارات من أقمار “GNSS” في النطاق L حوالي “1500 ميجاهرتز”، وعلى الرغم من ضعف الإشارات المستلمة، فإنّ التقنيات المتقدمة المستخدمة تمكن أجهزة الاستقبال من انتقاء البيانات على الأرض.

يتم التحكم في الأقمار الصناعية بدرجة عالية جداً من الدقة ولكن المحطات الأرضية توجد حول العالم في نقاط استراتيجية، بحيث يمكن استلام بيانات الحالة وتطبيق بيانات التصحيح والتحكم في الأقمار الصناعية من الأرض، كما يتم التحكم يشكل مناسب في مدارات القمر الصناعي “GNSS SatNav”؛ لأنّ الأخطاء في مدارها ستترجم إلى أخطاء في المواضع النهائية.

كما يتم أيضاً التحكم بإحكام في إشارات الوقت، حيث تحتوي الأقمار الصناعية على ساعة ذرية بحيث تكون إشارات الوقت التي ترسلها دقيقة للغاية، وعلى الرغم من أنّ هذه الساعات سوف تنحرف قليلاً وللتغلب على ذلك يتم استخدام الإشارات من المحطات الأرضية لتصحيح ذلك.

بالنسبة لمعظم أنظمة “GNSS SatNav”، يتم إطلاق عدد من قطع التبديل، بحيث إذا فشل أحد الأقمار الصناعية فيمكن للآخر أن يدخل الخدمة بسرعة، وتخضع الأقمار الصناعية لقسوة الفضاء الخارجي ويمكن أن تفشل نتيجة العديد من الأسباب، بما في ذلك العواصف الشمسية وما إلى ذلك، وبالتالي من الضروري الحصول على قطع تبديل يمكنها الدخول بسرعة إلى الخدمة، كما يضم نظام “NavStar GPS” على “24 قمراً صناعياً” نشطاً وعدداً من قطع التبديل تعتمد على عدد الأقمار التي فشلت قبل أن يتم وضع بدائل أخرى في المدار.