1. المبدأ التقني
يعتمد نظام تحديد المواقع العالمي (نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)) على طريقة التثليث بالأقمار الصناعية. ويتكون من ثلاثة أجزاء: الجزء الفضائي (كوكبة الأقمار الصناعية)، والجزء الأرضي (محطة المراقبة)، وجزء المستخدم.(جهاز تعقب نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)).
(1) إطلاق إشارة القمر الصناعي
يوجد أكثر من 24 قمرًا صناعيًا (بما في ذلك الأقمار الاحتياطية) موزعة في مدار أرضي متوسط يبلغ حوالي 20200 كيلومتر، حيث يرسل كل منها رسائل ملاحية بشكل مستمر تحتوي على معلمات مدارية وطوابع زمنية.
(2) استقبال الإشارة وحلها
جهاز المستخدم(جهاز تعقب نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)) يحتاج إلى التقاط 4 إشارات أقمار صناعية على الأقل، احسب المسافة عن طريق قياس فرق زمن انتشار الإشارة (Δt) (الصيغة: المسافة =
سرعة الضوء × Δt)، ثم أنشئ كرة افتراضية يكون القمر الصناعي مركزها. نقطة التقاطع هي إحداثيات المستقبِل ثلاثية الأبعاد (خط الطول، خط العرض، الارتفاع).
(3)تصحيح الخطأ
يتم استخدام معلمات تصحيح التأخير الأيوني وبيانات تعويض خطأ مدار القمر الصناعي التي يوفرها نظام مراقبة الأرض لتحسين دقة تحديد المواقع إلى مستوى الأمتار (المدنية) أو السنتيمترات (العسكرية).
2. عملية تحديد المواقع
يتم تقسيم تحديد المواقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى أربع مراحل لتحقيق عملية حلقة مغلقة من التقاط الإشارة إلى الإخراج عالي الدقة:
(1)اكتساب الإشارة ومزامنتها
الجهاز تعقب نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يقوم بمسح إشارة القمر الصناعي وفك تشفير بيانات مدار القمر الصناعي ومعلمات الساعة في رسالة الملاحة.
(2) قياس المسافة الزائفة
من خلال مقارنة وقت إرسال إشارة القمر الصناعي (المأخوذة من الرسالة) بوقت الاستقبال (الساعة المحلية)، يتم حساب المسافة التقريبية (المسافة الزائفة) التي تحتوي على الخطأ.
(3) الحل الإحداثي
يتم استخدام بيانات النطاق الزائف لأربعة أقمار صناعية أو أكثر لإنشاء المعادلات، ويتم حل الموضع المكاني ثلاثي الأبعاد للمستقبل بطريقة المربعات الصغرى (مطلوب ≥4 أقمار صناعية للقضاء على انحراف الساعة).
(4) التصحيح الديناميكي
من خلال الجمع بين تقنية نظام تحديد المواقع التفاضلي (نظام تحديد المواقع العالمي (DGPS)) أو تقنية تحديد المواقع الديناميكية في الوقت الفعلي (آر تي كيه)، من خلال تفاعل البيانات بين محطة المرجع والمحطة المتنقلة، يتم القضاء على الأخطاء مثل تأثير المسارات المتعددة والتداخل الجوي، وتحسين الدقة إلى مستوى السنتيمتر.
3. سيناريو التطبيق
لقد اخترقت تقنية نظام تحديد المواقع العالمي (نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)) الصناعة والزراعة والجيش والحياة اليومية:
(1)النقل والملاحة
تخطيط الملاحة في السيارة في الوقت الحقيقي للمسار الأمثل لتجنب الأقسام المزدحمة (دقة تحديد المواقع 5-10 أمتار).
تدمج المركبات ذاتية القيادة بيانات ليدار وGPS لتحقيق تحديد المواقع على مستوى المسار (خطأ ≤ 20 سم).
(2)الزراعة الدقيقة
القيادة الأوتوماتيكية للآلات الزراعية والتسميد المتغير (خطأ دقة البذر ≤ 2 سم)، مما يقلل من هدر الموارد.
رسم خرائط الأراضي الزراعية بدون طيار ومراقبة الآفات لتحسين كفاءة العمل
(3)العسكرية والأمنية
توجيه الصواريخ (دقة نظام تحديد المواقع العالمي العسكري ≤ 10 سم)، والوعي بحركة القوات والوضع في ساحة المعركة.
تحديد موقع الأشخاص المنكوبين بسرعة أثناء عمليات الإنقاذ في حالات الطوارئ (على سبيل المثال المتسلقين المفقودين).
(4)البحث والهندسة
المراقبة الجيولوجية (على سبيل المثال قياس إزاحة الصدع الزلزالي بدقة ملليمترية).
مراقبة التشوهات في هندسة البناء وتشخيص صحة الجسور.
(5)الحياة اليومية
الملاحة عبر الخرائط المتنقلة، وإدارة السياج الإلكتروني للدراجات المشتركة.
تسجيل مسار الأنشطة الخارجية (على سبيل المثال تتبع مسار الماراثون).
3. الميزة
(1) تحديد المواقع بدقة عالية
دقة نظام تحديد المواقع العالمي (نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)) المدني تتراوح بين 5 إلى 10 أمتار (لا توجد قيود على سياسة جنوب أفريقيا)، والإصدارات العسكرية تصل إلى سنتيمترات.
(2) التغطية العالمية
98% من سطح الأرض يمكنه استقبال إشارات الأقمار الصناعية، ولا توجد قيود جغرافية (المناطق القطبية لديها إشارات ضعيفة).
(3)الوقت الحقيقي والاستمرارية
تردد تحديد الهدف الديناميكي يصل إلى 10 هرتز، يدعم التتبع المستمر للأشياء المتحركة عالية السرعة (مثل الطائرات والسكك الحديدية عالية السرعة).
(4) منخفضة التكلفة وسهولة الاستخدام
وتبلغ تكلفة أجهزة الاستقبال المدنية 100 يوان فقط، ولا تتطلب أي دعم إضافي للبنية الأساسية.
4. القصور
(1) ضعف القدرة على التكيف البيئي
لا يمكن تحديد مواقع المشاهد الداخلية والأنفاق والمرائب تحت الأرض بسبب انسداد الإشارة (يجب استخدام تقنية واي فاي-فاي أو بلوتوث لإصلاح العمى).
المناطق المرتفعة أو الغابات الكثيفة معرضة لتأثير المسارات المتعددة (انعكاس الإشارة يؤدي إلى انحراف الموقع، خطأ ≥50 م).
(2)الاعتماد على التكنولوجيا العالية
تعتمد بشكل كامل على إشارات الأقمار الصناعية، وعرضة للعواصف الشمسية، والتدخل البشري (مثل انتحال نظام تحديد المواقع العالمي)، مما يؤدي إلى فشل تحديد الموقع.
تعتمد التطبيقات عالية الدقة على أنظمة التعزيز الأرضية (مثل نظام تحديد المواقع العالمي (DGPS))، مما يزيد من تكلفة النشر وتعقيده
(3) استهلاك الطاقة والقيود المادية
استهلاك عالي للطاقة في وضع التموضع المستمر (على سبيل المثال، انخفاض عمر بطارية الهاتف الذكي بنسبة 20% -30%).
قد يؤدي الطقس القاسي (العواصف الممطرة أو الرعدية) إلى تقليل جودة استقبال الإشارة والتأثير على استقرار الموقع.
5. الملخص
أصبحت تقنية تتبع نظام تحديد المواقع العالمي (نظام تحديد المواقع العالمي (GPS))، بفضل تغطيتها العالمية ودقتها العالية ودقتها اللحظية، من البنى التحتية الأساسية للمجتمع الحديث. ورغم محدودية الأعطال الداخلية والتداخل البيئي، تواصل تطبيقاتها التوسع من خلال دمج تقنيات تحديد المواقع متعددة المصادر (مثل استقبال الوضع المزدوج لنظام بيدو +نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)) وخوارزمية التفاضل المُحسّنة. ومن المتوقع أن يُسهم دمج نشر مجموعات الأقمار الصناعية منخفضة المدار وتقنية اتصالات الجيل الخامس (5G) في إحداث نقلة نوعية في مجال تحديد المواقع الداخلية والخارجية، وتعزيز الابتكار في مجالات المدن الذكية والقيادة الذاتية.