نظام تحديد المواقع

لا تقتصر أنظمة الاتصالات اللاسلكية بين الكواكب على التواصل مع المركبات الفضائية فحسب، بل تُستخدم أيضًا لتحديد مواقعها. يستطيع الرادار تتبع الأهداف القريبة من الأرض، لكن المركبات الفضائية في أعماق الفضاء يجب أن تحتوي على جهاز إرسال واستقبال يعمل على متنها لاستقبال إشارة لاسلكية. ويمكن الحصول على معلومات التوجيه باستخدام أجهزة تتبع النجوم .

تتيح أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS) لأجهزة الاستقبال اللاسلكية المتخصصة تحديد موقعها ثلاثي الأبعاد في الفضاء، بالإضافة إلى الوقت، بدقة تتراوح بين 2 و20 مترًا أو عشرات النانوثواني. وتستخدم الأنظمة المستخدمة حاليًا إشارات الميكروويف التي لا يمكن استقبالها بشكل موثوق إلا في الهواء الطلق، وتغطي معظم سطح الأرض، فضلًا عن الفضاء القريب من الأرض.

الأنظمة الحالية والمخطط لها هي:

• نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) – نظام عسكري أمريكي، يعمل بكامل طاقته منذ عام 1995
• نظام غلوناس – النظام العسكري الروسي، يعمل بكامل طاقته منذ أكتوبر 2011
• غاليليو – الجماعة الأوروبية، يعمل بكامل طاقته منذ ديسمبر 2019
• نظام بيدو للملاحة – الصين، يعمل بكامل طاقته منذ يونيو 2020
• نظام الملاحة الإقليمي الهندي عبر الأقمار الصناعية – مشروع مخطط له في الهند

تتيح شبكات أجهزة إرسال تحديد المواقع الأرضية لأجهزة الاستقبال اللاسلكية المتخصصة تحديد موقعها ثنائي الأبعاد على سطح الأرض. وهي عمومًا أقل دقة من أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS) لأن إشاراتها لا تقتصر كليًا على الانتشار عبر خط البصر ، وتغطي مناطق جغرافية محددة فقط. ومع ذلك، تظل هذه الشبكات مفيدة لأغراض خاصة وكنظام احتياطي حيث تكون إشاراتها أكثر موثوقية، بما في ذلك تحت الأرض وداخل المباني، ويمكن تصميم أجهزة استقبال تستهلك طاقة بطارية منخفضة للغاية. ويُعد نظام لوران (LORAN) مثالًا على هذا النوع من الأنظمة.

نظام تحديد المواقع المحلي ( LPS ) هو نظام ملاحة يوفر معلومات الموقع في جميع الأحوال الجوية، في أي مكان ضمن نطاق تغطية الشبكة، حيث يوجد خط رؤية واضح لثلاثة منارات إشارة أو أكثر معروفة الموقع الدقيق لها على سطح الأرض. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

على عكس نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية الأخرى ، لا توفر أنظمة تحديد المواقع المحلية تغطية عالمية. بدلاً من ذلك، تستخدم هذه الأنظمة إشارات لاسلكية (Beacons) ذات نطاق محدود، مما يتطلب وجود المستخدم بالقرب منها. تشمل هذه الإشارات محطات البث الخلوية ، ونقاط الوصول اللاسلكية (Wi-Fi و LiFi) ، وأبراج البث الإذاعي .

في الماضي، استُخدمت أنظمة تحديد المواقع المحلية بعيدة المدى في ملاحة السفن والطائرات، ومن أمثلتها نظام ديكا للملاحة ونظام لوران . أما اليوم، فتُستخدم هذه الأنظمة غالبًا كتقنية تكميلية (وفي بعض الحالات بديلة) لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، لا سيما في المناطق التي لا يصل إليها نظام GPS أو تكون إشارته ضعيفة، كالمباني أو المناطق الحضرية المكتظة . ويمكن استخدام تحديد المواقع المحلي عبر أبراج الاتصالات الخلوية والبث على الهواتف المحمولة التي لا تحتوي على مستقبل GPS. وحتى في حال وجود مستقبل GPS في الهاتف، فإن دقة تحديد الموقع عبر أبراج الاتصالات الخلوية تُطيل عمر البطارية. كما تُستخدم هذه الأنظمة في ألعاب الملاهي التي لا تعتمد على مسارات محددة، مثل لعبة "صيد عسل ويني ذا بوه" ولعبة "قصر ميستيك" .

تشمل أمثلة الأنظمة الحالية ما يلي:

• شركة لوكاتا
• بسودوليت

تعتمد أنظمة قياس زمن الرحلة على تحديد المسافة بقياس زمن انتقال الإشارات النبضية بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. وعند معرفة المسافات لثلاثة مواقع على الأقل، يمكن تحديد موقع رابع باستخدام التثليث . ويُعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مثالاً على ذلك.

تعاني أجهزة التتبع البصرية، مثل أجهزة التتبع بالليزر، من مشاكل تتعلق بخط الرؤية ، ويتأثر أداؤها سلبًا بالضوء المحيط والأشعة تحت الحمراء. من ناحية أخرى، لا تتأثر هذه الأجهزة بتشوهات الرؤية في وجود المعادن، ويمكنها تحقيق معدلات تحديث عالية نظرًا لسرعة الضوء. ^{[ 7 ]}

تتميز أجهزة التتبع فوق الصوتية بمدى محدود نظرًا لفقدان الطاقة مع المسافة المقطوعة. كما أنها حساسة للضوضاء المحيطة فوق الصوتية، وتتميز بمعدل تحديث منخفض. مع ذلك، تتمتع بميزة عدم الحاجة إلى خط رؤية مباشر.

لا تتأثر الأنظمة التي تستخدم موجات الراديو مثل نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية بالضوء المحيط، ولكنها لا تزال بحاجة إلى خط رؤية مباشر.

يستخدم نظام المسح المكاني منارات (بصرية) وأجهزة استشعار. ويمكن تمييز فئتين:

• الأنظمة الداخلية حيث يتم وضع المنارة في موضع ثابت في البيئة ويكون المستشعر على الجسم ^{[ 8 ]}
• في الأنظمة الخارجية حيث تكون أجهزة الإرسال موجهة نحو الهدف وتكون أجهزة الاستشعار في موقع ثابت في البيئة

بتوجيه المستشعر نحو جهاز الإرسال، يمكن قياس الزاوية بينهما. وباستخدام تقنية التثليث، يمكن تحديد موقع الجسم.

تتمثل الميزة الرئيسية للاستشعار بالقصور الذاتي في أنه لا يتطلب مرجعًا خارجيًا. فهو يقيس الدوران باستخدام جيروسكوب أو الموقع باستخدام مقياس تسارع بالنسبة إلى موقع واتجاه ابتدائيين معروفين. ولأن هذه الأنظمة تقيس المواقع النسبية بدلًا من المواقع المطلقة، فقد تعاني من أخطاء متراكمة، وبالتالي فهي عرضة للانحراف. لذا، فإن إعادة معايرة النظام دوريًا ستوفر دقة أكبر.

يستخدم هذا النوع من أنظمة التتبع وصلات ميكانيكية بين المرجع والهدف. وقد استُخدم نوعان من هذه الوصلات. الأول عبارة عن مجموعة من الأجزاء الميكانيكية التي يمكن لكل جزء منها الدوران، مما يوفر للمستخدم إمكانيات دوران متعددة. ويتم حساب اتجاه الوصلات من زواياها المختلفة المقاسة باستخدام مشفرات تزايدية أو مقاييس جهد. أما النوع الثاني من الوصلات الميكانيكية فهو عبارة عن أسلاك ملفوفة على شكل لفائف. ويضمن نظام زنبركي شد الأسلاك لقياس المسافة بدقة. وتعتمد درجات الحرية التي تستشعرها أجهزة التتبع ذات الوصلات الميكانيكية على بنية هيكلها الميكانيكي. وعلى الرغم من توفير ست درجات حرية في أغلب الأحيان، إلا أن نطاق الحركة المتاح عادةً ما يكون محدودًا بسبب حركية المفاصل وطول كل وصلة. كما أن وزن الهيكل وتشوهه يزدادان مع ازدياد بُعد الهدف عن المرجع، مما يفرض حدًا على حجم العمل. ^{[ 8 ]}

تقيس أنظمة فرق الطور الفرق في طور الإشارة الواردة من جهاز إرسال على هدف متحرك مقارنةً بطور الإشارة الواردة من جهاز إرسال مرجعي. وبذلك، يمكن حساب الحركة النسبية لجهاز الإرسال بالنسبة لجهاز الاستقبال.

على غرار أنظمة الاستشعار بالقصور الذاتي، قد تعاني أنظمة فرق الطور من أخطاء متراكمة، وبالتالي فهي عرضة للانحراف، ولكن نظرًا لإمكانية قياس الطور بشكل مستمر، فإنها قادرة على توليد معدلات بيانات عالية. نظام أوميغا (نظام الملاحة) مثال على ذلك.

تستخدم أنظمة الاستشعار المباشر للمجال مجالًا معروفًا لتحديد الاتجاه أو الموقع: تستخدم البوصلة البسيطة المجال المغناطيسي للأرض لمعرفة اتجاهها في اتجاهين. ^{[ 8 ]} ويستخدم مقياس الميل مجال جاذبية الأرض لمعرفة اتجاهه في الاتجاه الثالث المتبقي. مع ذلك، لا يشترط أن يكون المجال المستخدم لتحديد الموقع من مصدر طبيعي. إذ يمكن لنظام مكون من ثلاثة مغانط كهربائية موضوعة بشكل متعامد أن يُحدد مرجعًا مكانيًا. في جهاز الاستقبال، تقيس ثلاثة مستشعرات مركبات تدفق المجال المُستقبل نتيجةً للاقتران المغناطيسي . وبناءً على هذه القياسات، يُحدد النظام موقع واتجاه جهاز الاستقبال بالنسبة إلى مرجع المُرسِلات.

تعتمد أنظمة تحديد المواقع البصرية على مكونات بصرية ، كما هو الحال في المحطات الشاملة . ^{[ 9 ]}

نظرًا لأن لكل تقنية مزاياها وعيوبها، فإن معظم الأنظمة تستخدم أكثر من تقنية واحدة. يحتاج النظام القائم على تغيرات الموقع النسبي، مثل النظام بالقصور الذاتي، إلى معايرة دورية مقابل نظام يعتمد على قياس الموقع المطلق. تُسمى الأنظمة التي تجمع بين تقنيتين أو أكثر بأنظمة تحديد المواقع الهجينة. ^{[ 16 ]}

أنظمة تحديد المواقع الهجينة هي أنظمة لتحديد موقع جهاز محمول باستخدام عدة تقنيات مختلفة لتحديد المواقع. عادةً ما يكون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) أحد المكونات الرئيسية لهذه الأنظمة، إلى جانب إشارات أبراج الاتصالات الخلوية، وإشارات الإنترنت اللاسلكي، وأجهزة استشعار البلوتوث ، وعناوين بروتوكول الإنترنت (IP) ، وبيانات بيئة الشبكة. ^{[ 17 ]}

صُممت هذه الأنظمة خصيصًا للتغلب على قيود نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، الذي يتميز بدقة عالية في المناطق المفتوحة، ولكنه ضعيف الأداء في الأماكن المغلقة أو بين المباني الشاهقة ( تأثير الوادي الحضري ). في المقابل، لا تتأثر إشارات أبراج الاتصالات بالمباني أو سوء الأحوال الجوية، ولكنها عادةً ما توفر تحديدًا أقل دقة للموقع. أما أنظمة تحديد المواقع عبر شبكة الواي فاي، فقد توفر تحديدًا دقيقًا للغاية للموقع في المناطق الحضرية ذات الكثافة العالية لشبكات الواي فاي، وتعتمد على قاعدة بيانات شاملة لنقاط الوصول إلى شبكة الواي فاي.

يتم استكشاف أنظمة تحديد المواقع الهجينة بشكل متزايد لبعض الخدمات المدنية والتجارية القائمة على الموقع ووسائل الإعلام القائمة على الموقع ، والتي تحتاج إلى العمل بشكل جيد في المناطق الحضرية لتكون قابلة للتطبيق تجاريًا وعمليًا.

تشمل الأعمال المبكرة في هذا المجال مشروع مختبر المكان، الذي بدأ عام 2003 وتوقف عام 2006. وتتيح الطرق اللاحقة للهواتف الذكية الجمع بين دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وانخفاض استهلاك الطاقة في تحديد نقاط انتقال معرف الخلية. ^{[ 18 ]} وفي عام 2022، تم عرض نظام تحديد المواقع SuperGPS، الذي يعمل بدون أقمار صناعية ، والذي يتميز بدقة أعلى من نظام GPS باستخدام شبكات الاتصالات الحالية. ^{[ 19 ] [ 20 ]}