ما هو نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية؟
نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية Satellite Navigation System هو نظام يستخدم الأقمار الصناعية لإيجاد الموقع الجغرافي لجسم ما. توجد الأقمار الصناعية في مدارات محددة حول الأرض، وتحدد أماكن وجود المستقبِلات (المستخدِمين).
حتى نصل إلى أي وجهة جديدة نريدها، نستخدم غالبًا تطبيق Google Maps الموجود على هواتفنا، ونتتبع مساراته التي يرسمها بدقة كاملة حتى نصل إلى وجهتنا. فهل فكرت يومًا كيف تعمل هذه الميزة لتأمين الاتجاهات بدقة حتى الوجهة المقصودة؟
تتطلب الإجابة عن هذا السؤال معرفة بعض المعلومات عن مفهوم الملاحة عبر القمر الصناعي.
يستخدم نظام التتبع الأقمار الصناعية لتحديد الموقع الجغرافي/المكانيgeospatial position لجسم ما، بالاعتماد على رسائل ملاحة navigation message مشفرة، وهي المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي (الجزء الفضائي space segment) إلى جهاز المستخدِم user segment، بعد حصول القمر الصناعي على بيانات الملاحة من المحطات الأرضية (جزء التحكم control segment).
ما الذي يجعل نظام الملاحة فعالًا ودقيقًا للغاية؟
نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية Global Navigation Satellite System (GNSS)
يشير نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية إلى مجموعة الأقمار الصناعية التي تبث الإشارات من الفضاء، لإرسال بيانات الملاحة وتحديد المواقع إلى المستقبِلات الأرضية.
يوفر نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية تغطيةً شاملة، بهدف تحديد المواقع الجغرافية. وقد أصبح نظام تحديد الموقع العالمي GPS شائعًا جدًا لدرجة أن ظن الناس أن كل نظام ملاحة عبر الأقمار الصناعية يعمل بتقنية GPS، لكن ليس هذا صحيحًا كما سنوضح تاليًا.
أهم أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية للعديد من البلدان المختلفة:
الآن وقد علمنا بوجود أنظمة ملاحة أخرى عبر الأقمار الصناعية سوى نظام تحديد الموقع العالمي GPS، لنناقش كيف تُتبادل المعلومات الحساسة بين المستقبل ونظام الإرسال في القمر الصناعي. إننا جميعًا على دراية بمصطلح الرسالة message، وهو مفيد، لأن الأقمار الصناعية تستخدم المصطلح نفسه في التواصل.
الرسالة الملاحية Navigation Message
هي رسالة يرسلها القمر الصناعي إلى المستخدِم بعد تلقي البيانات من محطة التحكم الأرضية. توجد 3 مجموعات من البيانات لتحديد موقع وسرعة الأقمار الصناعية، تُنقل عبر الرسالة الملاحية، وهي بيانات التقويم almanac data، والرزنامة الإذاعية broadcast ephemerides، والرزنامة الدقيقة precise ephemerides (يشير مصطلح الرزنامةephemeride إلى المعلومات عن موقع جرم سماوي في فترة محددة). تُنقل رسائل القمر الصناعي عبر صيغة التبادل المنفصلة عن المستقبل RINEX، وهي التنسيق الخاص بتبادل بيانات أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية.
لكن كيف يُفك تشفير هذه الرسائل؟ لفك أي شيفرة أو حتى رسالة بسيطة، يجب أن يكون لدينا معلومات تنسيق هذه الرسالة، وRINEX هو التنسيق الذي تُنقل به الرسائل الملاحية.
صيغة التبادل المنفصلة عن المستقبِل Receiver Independent Exchange Format (RINEX)
طور المعهد الفلكي في جامعة Bern نظام RINEX لتبسيط تبادل بيانات تحديد الموقع GPS التي يجمعها المستقبِل. ومنذ تطويره، خضع RINEX للعديد من التغييرات ويجري تعديله باستمرار.
لدى RINEX ثلاثة إصدارات، آخرها هو الإصدار RINEX 3.03، وهو نسخة مطورة عن الإصدار الثالث.
الآن مع وجود العديد من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية، قد يعتقد البعض إنه من الصعب التفريق بينها، وتصنيفها وفقًا لذلك.
دعنا نوضح ذلك بمثالين على رسائل الملاحة من نظامي ملاحة مختلفين (كلاهما من الإصدار RINEX 3.03):
إذًا هل يمكنك تحديد النظام الملاحي الذي تنتمي له كل رسالة من رسالتي الملاحة هاتين؟ إذا كان جوابك لا فلا تقلق، سنفك الشيفرة معًا.
إذا أمعنا النظر في بداية الرسالة الأولى، سجد أنها تبدأ بحرف E، الذي يدل على الاتحاد الأوروبي، ما يعني إنها من نظام جاليليو. أما الرسالة الثانية فتبدأ بحرف بحرف J، الذي يرمز لليابان، أي أنها تنتمي إلى النظام الياباني Quasi-Zenith.
نعلم الآن بوجود أنظمة مختلفة ترسل رسائل ملاحة مختلفة، وهي بدورها مشفرة وفقًا لنظام محدد، لذلك نحتاج -لفك تشفيرها- إلى أن نعرف كيف نحدد الرسالة المعطاة، ثم نستخدم خوارزميات معينة لفك تشفيرها (باستخدام المفهوم المعتاد لهيكل البيانات).
بالعودة إلى تطبيق خرائط غوغل Google Maps، الذي يستخدم نظام GPS لتحديد المواقع، يرسل المستخدِم إشارات إلى القمر الصناعي عبر جهازه طالبًا منه اتحديد الاتجاه للوصول إلى وجهة محددة. يستقبل القمر الصناعي هذه الإشارات، وباستخدام صور الأقمار الصناعية، يُرسِل القمر الصناعي رسالة ملاحية إلى جهاز المستخدِم بصيغة مشفرة، ثم يُفك تشفير هذه الرسالة عبر التطبيق ليقودنا إلى وجهتنا.
خاتمة
الملاحة عبر الأقمار الصناعية هو نظام يعتمد أساسًا على القمر الصناعي بتطبيقاته التجارية والاستراتيجية. وهو بالغ الأهمية فيما يخص الأمن الوطني، إذ تستطيع هذه التقنية المساعدة على تحديد موقع الأطراف المعادية ورسم خرائط لمناطق محددة.
أحدث هذا النظام ثورةً في الملاحة وتحديد الموقع، وبعد أن أدركت الدول مدى أهمية هذا النظام وفعاليته، سعت إلى تطوير أنظمة الملاحة الخاصة بها تدريجيًّا، لتتجنب التبعية لدول أجنبية.
المصدر
نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية Satellite Navigation System هو نظام يستخدم الأقمار الصناعية لإيجاد الموقع الجغرافي لجسم ما. توجد الأقمار الصناعية في مدارات محددة حول الأرض، وتحدد أماكن وجود المستقبِلات (المستخدِمين).
حتى نصل إلى أي وجهة جديدة نريدها، نستخدم غالبًا تطبيق Google Maps الموجود على هواتفنا، ونتتبع مساراته التي يرسمها بدقة كاملة حتى نصل إلى وجهتنا. فهل فكرت يومًا كيف تعمل هذه الميزة لتأمين الاتجاهات بدقة حتى الوجهة المقصودة؟
تتطلب الإجابة عن هذا السؤال معرفة بعض المعلومات عن مفهوم الملاحة عبر القمر الصناعي.
يستخدم نظام التتبع الأقمار الصناعية لتحديد الموقع الجغرافي/المكانيgeospatial position لجسم ما، بالاعتماد على رسائل ملاحة navigation message مشفرة، وهي المعلومات التي يرسلها القمر الصناعي (الجزء الفضائي space segment) إلى جهاز المستخدِم user segment، بعد حصول القمر الصناعي على بيانات الملاحة من المحطات الأرضية (جزء التحكم control segment).
ما الذي يجعل نظام الملاحة فعالًا ودقيقًا للغاية؟
نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية Global Navigation Satellite System (GNSS)
يشير نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية إلى مجموعة الأقمار الصناعية التي تبث الإشارات من الفضاء، لإرسال بيانات الملاحة وتحديد المواقع إلى المستقبِلات الأرضية.
يوفر نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية تغطيةً شاملة، بهدف تحديد المواقع الجغرافية. وقد أصبح نظام تحديد الموقع العالمي GPS شائعًا جدًا لدرجة أن ظن الناس أن كل نظام ملاحة عبر الأقمار الصناعية يعمل بتقنية GPS، لكن ليس هذا صحيحًا كما سنوضح تاليًا.
أهم أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية للعديد من البلدان المختلفة:
- نظام تحديد الموقع العالمي GPS: هو النظام الأمريكي للأقمار الصناعية، الذي يعمل منذ 1978، ويوفر للمستخدِمين خدمات تحديد الموقع والملاحة وضبط الوقت، ويتألف من 3 أجزاء، الجزء الفضائي ووحدة التحكم وجهاز المستخدِم.
- نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية الهندي الإقليمي (IRNSS): المعروف باسم Navlc، وهو نظام ملاحة إقليمي طورته الهند لتوفير خدمة معلومات تحديد الموقع للمستخدمين من الهند، ويخدم المستخدمين في نطاق دائرة نصف قطرها 1500 كيلومتر من شبه القارة الهندية، وبدأ العمل في يوليو 2013.
- نظام الملاحة عبر القمر الصناعي Quasi-Zenith (QZSS): نظام الملاحة الياباني، ويتكون أساسًا من الأقمار الصناعية في مدارات quasi-zenith (QZO)، ويُعرف عادةً باسم نظام تحديد الموقع الياباني Japanese GPS، وبدأ العمل في نوفمبر 2018.
- نظام جاليليو Galileo: النظام التابع للاتحاد الأوروبي، وأُطلق سنة 2011، ويوفر معلومات خدمة التوقيت وتحديد المواقع للمستخدمين الأوروبيين.
- نظام BeiDou: نظام الملاحة الصيني، وأُطلق في أكتوبر 2000.
- نظام GLONASS (Global Navigation Satellite System): نظام الملاحة الروسي، أُطلق في أكتوبر 1982.
الآن وقد علمنا بوجود أنظمة ملاحة أخرى عبر الأقمار الصناعية سوى نظام تحديد الموقع العالمي GPS، لنناقش كيف تُتبادل المعلومات الحساسة بين المستقبل ونظام الإرسال في القمر الصناعي. إننا جميعًا على دراية بمصطلح الرسالة message، وهو مفيد، لأن الأقمار الصناعية تستخدم المصطلح نفسه في التواصل.
الرسالة الملاحية Navigation Message
هي رسالة يرسلها القمر الصناعي إلى المستخدِم بعد تلقي البيانات من محطة التحكم الأرضية. توجد 3 مجموعات من البيانات لتحديد موقع وسرعة الأقمار الصناعية، تُنقل عبر الرسالة الملاحية، وهي بيانات التقويم almanac data، والرزنامة الإذاعية broadcast ephemerides، والرزنامة الدقيقة precise ephemerides (يشير مصطلح الرزنامةephemeride إلى المعلومات عن موقع جرم سماوي في فترة محددة). تُنقل رسائل القمر الصناعي عبر صيغة التبادل المنفصلة عن المستقبل RINEX، وهي التنسيق الخاص بتبادل بيانات أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية.
لكن كيف يُفك تشفير هذه الرسائل؟ لفك أي شيفرة أو حتى رسالة بسيطة، يجب أن يكون لدينا معلومات تنسيق هذه الرسالة، وRINEX هو التنسيق الذي تُنقل به الرسائل الملاحية.
صيغة التبادل المنفصلة عن المستقبِل Receiver Independent Exchange Format (RINEX)
طور المعهد الفلكي في جامعة Bern نظام RINEX لتبسيط تبادل بيانات تحديد الموقع GPS التي يجمعها المستقبِل. ومنذ تطويره، خضع RINEX للعديد من التغييرات ويجري تعديله باستمرار.
لدى RINEX ثلاثة إصدارات، آخرها هو الإصدار RINEX 3.03، وهو نسخة مطورة عن الإصدار الثالث.
الآن مع وجود العديد من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية، قد يعتقد البعض إنه من الصعب التفريق بينها، وتصنيفها وفقًا لذلك.
دعنا نوضح ذلك بمثالين على رسائل الملاحة من نظامي ملاحة مختلفين (كلاهما من الإصدار RINEX 3.03):
إذًا هل يمكنك تحديد النظام الملاحي الذي تنتمي له كل رسالة من رسالتي الملاحة هاتين؟ إذا كان جوابك لا فلا تقلق، سنفك الشيفرة معًا.
إذا أمعنا النظر في بداية الرسالة الأولى، سجد أنها تبدأ بحرف E، الذي يدل على الاتحاد الأوروبي، ما يعني إنها من نظام جاليليو. أما الرسالة الثانية فتبدأ بحرف بحرف J، الذي يرمز لليابان، أي أنها تنتمي إلى النظام الياباني Quasi-Zenith.
نعلم الآن بوجود أنظمة مختلفة ترسل رسائل ملاحة مختلفة، وهي بدورها مشفرة وفقًا لنظام محدد، لذلك نحتاج -لفك تشفيرها- إلى أن نعرف كيف نحدد الرسالة المعطاة، ثم نستخدم خوارزميات معينة لفك تشفيرها (باستخدام المفهوم المعتاد لهيكل البيانات).
بالعودة إلى تطبيق خرائط غوغل Google Maps، الذي يستخدم نظام GPS لتحديد المواقع، يرسل المستخدِم إشارات إلى القمر الصناعي عبر جهازه طالبًا منه اتحديد الاتجاه للوصول إلى وجهة محددة. يستقبل القمر الصناعي هذه الإشارات، وباستخدام صور الأقمار الصناعية، يُرسِل القمر الصناعي رسالة ملاحية إلى جهاز المستخدِم بصيغة مشفرة، ثم يُفك تشفير هذه الرسالة عبر التطبيق ليقودنا إلى وجهتنا.
خاتمة
الملاحة عبر الأقمار الصناعية هو نظام يعتمد أساسًا على القمر الصناعي بتطبيقاته التجارية والاستراتيجية. وهو بالغ الأهمية فيما يخص الأمن الوطني، إذ تستطيع هذه التقنية المساعدة على تحديد موقع الأطراف المعادية ورسم خرائط لمناطق محددة.
أحدث هذا النظام ثورةً في الملاحة وتحديد الموقع، وبعد أن أدركت الدول مدى أهمية هذا النظام وفعاليته، سعت إلى تطوير أنظمة الملاحة الخاصة بها تدريجيًّا، لتتجنب التبعية لدول أجنبية.
المصدر