كيف يتم تحديد مكانك بواسطة الـGPS (والهاتف المحمول)

---

من فترة قابلنى صديق وقال لى حاجات شيبتنى..
التليفونات متراقبة..
ممكن أى حد يحدد موقعى..
أشيل الشريحة من الموبايل وماأركبها غير لما أتكلم..

إلخ إلخ إلخ..

وطبعاً أكيد وصلتكم حاجات مشابهة وإشاعات كتير الفترة اللى فاتت عن التتبع بواسطة المحمول..

  أنا غيرت ال(Pocket PC / JasJar) بتاعى وجبت  HTC Touch جديدة من النوع الواعر قوى..
مافيه GPS .. وذهلت لما شفت برنامج تافه فيه يحدد مكانى فعلاً ويقول لى إنت حالياً فى الشارع الفلانى وجايب صورة الشارع بالقمر الصناعى..

طبعاً إفتكرت كلام صاحبى على طول.. وقضيت الفترة اللى فاتت أكثف نظراتى الثاقبة على الموضوع ده.. وفكرت أشرح لكم كيف يعمل ..

Global Positioning System
GPS

عام 1973 بدأت وزارة الدفاع الأمريكية فى استحداث نظام عالمى لتحديد المواقع وإستبدال شبكة أقمار NavStar القديمة والمستخدمة في الملاحة (نظام Global Navigation System - GNS) بأنظمة أكثر تطوراً

وكانت النتيجة شبكة مكونة من أقمار RANSIT ونظام Global Positioning System - GPS والمكون من 27 قمراً صناعيا يدور حول الكرة الأرضية (فعليا 24 قمر صناعي مستخدم و3 اقمار أحتياطية تعمل في حالة تعطل اي من الأقمار الرئيسية) وقد تم تطوير هذا النظام على مدار 20 عاماً من الولايات المتحدة.

يتكون النظام تطبيقياً من مرسل ومستقبل.. المرسل هو شبكة الأقمار التى تدور حول الكرة الأرضية على إرتفاع 19300 كيلو متر وبمعدل دورتين يومياً.. موزعة على 8 مستويات دوران كل مستوى يصنع 55 درجة مع المستوى المجاور.. وفى كل مستوى يوجد 3 أقمار صناعية..


لماذا 3 أقمار لكل مستوى؟

جهاز استقبال GPS هو برمجة إليكترونية لطريقة هندسية تعرف باسم trilateration لتحديد موقع الجسم، ولتوضيح فكرة عمل هذه الطريقة في تحديد الموق فأن الجهاز يبدأ بالاستقبال اذا تمكن من التقاط 3 اقمار فما فوق, حيث تتلخص هذه الطريقة برسم كرة حول كل الأقمار الصناعية الثلاثة، تتقاطع الكرات الثلاثة في نقطتين واحدة في الفراغ والأخرى على الأرض. النقطة الواقعة على الأرض هي موقعك..

تخيل أنك فى الصحراء وتريد الوصول لمدينة معينة.. قمر واحد كافي لتعرف أن المدينة تبعد عنك 100 كيلو مثلاً.. لكنه لا يمكنه تحديد الإتجاه..
يعنى الموضوع هندسياً وكأنك جوه مركز دائرة نصف قطرها 100 كيلو.. المدينة موجودة على محيط الدائرة دى لكنك لا تعرف أين الإتجاه..

أما لو قمرين صناعيين.. فيمكن تحديد الإتجاه لكن المدينة هندسيا ستكون فى منطقة من نقطتى التقاطع للدائرتين.. هذه نتيجة جيدة نسبياً لكنها محيرة.. تخيل أنك فى منطقة التقاطع نفسها مثلاً فوقتها لن تعرف هل تتجه للأعلى أم للأسفل..

أما لو 3 أقمار مختلفة فمنطقة التقاطع الثلاثى دقيقة بما يكفى لمعرفة مكان شخص داخل شارع داخل المدينة مثلاً..

علشان كدا كل مستوى بيكون فيه 3 أقمار كأدوات إرسال..

كل قمر من الأقمار الــ 24 يرسل باستمرار على نفس التردد إشارة كهرومغناطيسية محملة على موجة ترددها 1575MHz
وكل قمر صناعى له شفرة معينة Code خاص به ترسل مع الإشارة الحاملة وبالتالى يمكن لأى مستقبل لهذه الشفرة أن يحدد مكان وزمان تواجد هذا القمر.

أما المستقبل نفسه فهو جهاز في حجم راديو صغير يحتوى على دوائر إلكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسيسور Microprocessor متطور.. وهى أجهزة صغيرة الحجم سعرها فى حدود الـ100 دولار وتستطيع تحديد موقعك بدقة في الابعاد الثلاثة على سطح الارض. ويكون هذا النظام فعالاً في حالة التواجد في الأماكن المكشوفة.. فتستخدم في الرحلات الاستكشافية وفي الملاحة الجوية والبحرية وفي التطبيقات العسكرية والتطبيقات المدنية..
يجب أن تعلم أيضا عزيزي القارئ إن جهاز استقبال GPS يجب أن يكون على اتصال مباشر مع الأقمار الاصطناعية وان أي أشجار قد تعترضه أو مباني فإنها سوف تؤثر بشكل كبير على دقة تحديد الموقع.

يقوم المستقبل بتحديد الموقع بإستخدام طريقتين مختلفتين.. الأولى تعتمد على إزاحة دوبلر Doppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية المرسلة من الأقمار الصناعية.. وهذه الإزاحة تكون ناتجة عن السرعة النسبية بين الأرض والأقمار الصناعية..
بالإضافة لما سبق تعتمد الطريقة الثانية على قياس التأخر الزمنى بين الإشارات الكهرومغناطيسية الواصلة إليه من كل قمر من الأقمار..

يعنى ببساطة كدا الأقمار بتتحرك وتدور.. الجهاز نفسه بيلقط إشارات كل قمر.. من خلال حساباته لحركة الأقمار نفسها بيحدد موقعك إنت..


لو فهمنا الأساس اللى ماشية عليه تقنية الـGPS فممكن نفهم أكتر نظام التتبع عن طريق موجات الميكروويف (الراديو) اللى بيطلقها المحمول..

المحمول فى أساسه عبارة عن جهاز راديو متطور ذو اتجاهين (إرسال وإستقبال)..
المحطات الرئيسية وأبراج التقوية بتكون موزعة في منطقة ما.. التوزيعة دى هيه "تغطية الشبكة" للمنطقة..
المحطات والأبراج بترسم فيما بينها خلايا.. الخلايا دى هيه الرقعة مابين برجين.. ما بين محطة وبرج.. مابين برجين.. كل ده فى الآخر بيكون عامل زى مربعات الشطرنج.. وبالتالى ممكن معرفة إنت فى أنهى مربع من مربعات الشطرنج دى..
أجهزة المحمول تحتوي على مرسل ذو قدرة منخفضة.. بتتبادل بيه المعلومات مع اقرب برج..
وعندما تتحرك من مكان إلى أخر.. فأنت في هذه الحالة تتحرك من خلية اتصال إلى خلية أخرى..
وتقوم المحطة الأرضية الأقرب لك بمتابعة قوة الإشارة الصادرة من محمولك.. فإذا ابتعدت عن البرج واقتربت من حافة الخلية فان الإشارة سوف تضعف..
ومن مدى قوة وضعف الإشارة يمكن تحديد مكانك عن البرج نفسه (برضه على شكر دائرة يكون البرج مركزها وأنت على محيطها)
بتبادل المعلومات بين الأبراج والمحطات المتعددة.. يمكن تحديد مكانك بدقة متناهية (لكن بدون معرفة إرتفاعك عن الأرض.. يمعى أحدد عمارتك لكن ماعرفش إنت فى الدور الكام.. ودى اللى أنا استخدمتها فى البرنامج اللى فى آخر الصفحة)


في الحقيقة فان أجهزة استقبال GPS وأجهزة المحمول فيه بينهما تشابه إلى حد ما.. ومعظم أجهزة المحمول اللى بتتصنع حاليا مزودة بنظام استقبال GPS.
كما إن هناك أجهزة استقبال GPS يمكن توصيلها مع المحمول بواسطة سلك أو من خلال اتصال بلوتوث Bluetooth وهذه الأجهزة مزودة ببرامج مصممة بلغة جافا لتعطيك معلومات كاملة وتفاصيل دقيقة عن خريطة المنطقة المتواجد بها في تلك اللحظة. كما تزودك بالأماكن الهامة إذا كنت غريب عن المكان كان تتعرف على اقرب محطة وقود او اقرب دار سينما أو اقرب مطعم أو متجر أو استراحة أو فندق.

لتستطيع الاستفادة من نظام استقبال GPS يتوجب توفر ما يلي:

1) جهاز محمول مزود بنظام استقبال GPS.
(2 خرائط بالأقمار الاصطناعية مفصلة وبيانات حول المنطقة التي تتواجد فيها.
3) برامج للتعامل مع الخرائط ونظام استقبال GPS.


وفى الأجهزة المتطورة الغير مزودة بوحدة GPS فممكن تحديد الموقع من خلال خلايا الإتصال ما بين أبراج الشبكة.. لكن في بعض الأحيان قد تكون المسافات بين أبراج الإرسال والاستقبال بعيدة بحيث لا تتمكن من توفير الإشارة الكافية.. أو ممكن يكون هناك الكثير من الأبراج إلا أن الجبال والبنايات تعترض هذه الإشارات.. ولهذا قد نلاحظ انه في بعض المباني (وخصوصا في المصعد) لا نحصل على إشارة كافية لإجراء اتصال أو تلقي مكالمة ما..

جهاز المحمول بدون GPS يكون باستمرار معروف مكانه بالتحديد بواسطة أجهزة الكمبيوتر في محطات وأبراج الشبكة نفسها والتي تتابع قوة الإشارة في جوالك لتحدد انسب خلية تتعامل معه..

موقعك بيتحدد من خلال التالى:

(1) الزاوية بين الجوال والبرج.
(2) المدة الزمنية اللازمة للإشارة لتنتقل بين برجين متتاليين.
(3) قوة الإشارة عندما تصل للبرج.

وحيث أن العوائق الممكن أن تكون موجودة (مثل البنايات والحوائط والأشجار) تؤثر بشكل كبير درجة الاتصال بين المحمول وبرج الشبكة.. لذا فان قياسات تحديد موقع المحمول بالنسبة للمحطة تكون غير دقيقة إذا ما قورنت بنظام تحديد المواقع GPS.


يمكنكم التجربة بأنفسكم من خلال البرمجية التالية:

دى حاجة انا عملتها فى السريع لتحديد موقعك من خلال رقم تليفونك.. أيوه ده ممكن.. وممكن تجرب فى أى حد من صحابك كمان وتعرف هوه فين دلوقتى..
الفكرة بسيطة جدا.. رقم التليفون المحمول نفسه بيكون مرتبط بالSim Card عند شركات المحمول.. ودى الطريقة اللى بيعملوا بيها الروتنج للمكالمات نفسها..
شركات المحمول بتتبادل المعلومات دى مع الشركات التانية فى كثير من البلدان.. والبرمجية المعمولة مغطية بس البلاد إللى مفتوحة أكواد التبادل فيها (منها مصر لحسن الحظ)..
بربط الكلام ده كله مع Google Map اللى شايل صور ساتلايت لكل شارع وكل حارة.. البرمجية هاترمى الكلام ده كله على خريطة الجوجل وكأن القمر الصناعى بيعمل زوم على موقعك أو موقع صاحبك اللى عايز تعرف هوه فين دلوقتى..

المهم جربوها بنفسكم وقولوا لى النتيجة:

Mirage GPS


وأتمنى تكونوا استفدتم من الدرس أكتر من اللعب بالبرمجية نفسها..