نظم الملاحة الساتلية: من نظام تحديد المواقع إلى غاليليو وما بعده

الملاحة الساتلية: البنية التحتية غير المنظورة للحياة الحديثة

وقد أصبح الملاحة الساتلية في هدوء أحد أكثر التكنولوجيات تحولا في السنوات الخمسين الماضية، وما بدأ كتجربة عسكرية في الستينات، يدعم الآن كل شيء من النقل البحري عبر المحيط والزراعة الدقيقة إلى التقاط التقاط الهاتف على هاتفك، واليوم، تحتفظ أربع مجموعات عالمية - GPS، GLONASS، غاليليو، وبيدو - لانغ، بنظم إقليمية عديدة، وتوفر خدمات تحديد المواقع والملاحة والملاحة في العالم.

ملاحية السواتل

وقد زرعت بذور الملاحة الساتلية أثناء الحرب الباردة، عندما طورت البحرية الأمريكية نظام المرور العابر في الستينات، واستخدمت شركة النقل مجموعة من السواتل ذات المدار المنخفض لتوفير تحديثات لتحديد المواقع كل بضع ساعات، وذلك بالدرجة الأولى بالنسبة للملاحة البحرية السطحية والسطحية، وفي حين أن التغطية المتقطعة للمرور العابر والاعتماد على التحولات التي يقوم بها دوبلر قد حدت من فائدتها في استمرار وجود مواقع عالية.

وقد سلمت وزارة الدفاع الأمريكية بالحاجة إلى نظام عالمي أكثر قوة، ففي عام ١٩٧٣، ولد مفهوم النظام العالمي لتحديد المواقع، وكان أول ساتل نموذجي، هو نافستار ١، أطلق في عام ١٩٧٨، وكان القصف الكامل ل ٢٤ ساتلا قد حقق قدرة تشغيلية أولية في عام ١٩٩٣، وكان النظام العالمي لتحديد المواقع مصمما لتوليد الطاقة لأغراض عسكرية - مما أدى إلى توقيت دقيق لضبط أجواء متناسق وملاحة الطائرات والسفن والقوات البرية الكورية.

وتعتمد جميع نظم الملاحة الساتلية على نفس المبدأ الأساسي: ]trilateration].() ويبث كل ساتل باستمرار إشارة إذاعية تحتوي على موقعه الدقيق والوقت المحدد لإرسال الإشارة، ويلتقط جهاز استقبال على الأرض إشارات من أربعة سواتل على الأقل، ويحسب التأخير الزمني لكل إشارة للوصول، ويمكن للمتلقي أن يحدد المسافة الدقيقة لكل ساتل من السواتل، مع أربعة مسافات غير معروفة.

ويكمن مفتاح الدقة على مستوى المقاس المركزي في فهم وتعويض التأخيرات في الإشارة التي تسببها الغلاف الجوي الأيوني والغلاف التروبوسفيري، وكذلك الاضطرابات المدارية والانجراف على مدار الساعة، وتستخدم أجهزة الاستقبال الحديثة الترددات المتعددة ومحطات مرجعية (مثل تلك التي تستخدم نظما للزيادة) لإلغاء هذه الأخطاء.

The Four Global Constellations

النظام العالمي لتحديد المواقع (الولايات المتحدة)

ويظل نظام تحديد المواقع هو أكثر النظم استخداما في العالم، حيث توجد مجموعة مؤلفة من 31 ساتلا تشغيليا في المدار الأرضي المتوسط على ارتفاع يناهز 200 20 كيلومتر، ويعرض النظام على الترددات المتعددة: L1 للاستخدام المدني، L2 للسواتل العسكرية (والآن أيضا المدنية في السواتل الحديثة)، و L5 للأجهزة المحمولة ذات الصلة بسلامة التطبيقات الحياتية.

غلوناس (روسيا)

وقد بدأ الاتحاد السوفياتي في تطوير نظام غلوناس في السبعينات كرد على النظام العالمي لتحديد المواقع، وقد حقق تغطية عالمية كاملة في عام 1995 ولكنه سقط في حالة من الاضطراب الاقتصادي في التسعينات، ومنذ عام 2001، أعادت روسيا النظام وحديثه، واليوم، تعمل الشبكة العالمية لسواتل الملاحة 24 ساتلاً في منطقة البحر الأبيض المتوسط على ارتفاع 100 19 كيلومتر، وهناك اختلاف تقني رئيسي في نظام تحديد المواقع هو أن نظام غلوناس - سالب يستخدم عدة قنوات.

غاليليو (الاتحاد الأوروبي)

كما أن نظام غاليليو للملاحة الساتلية الذي تسيطر عليه أوروبا، والذي يبنى لتوفير خدمات عالية الدقة في تحديد المواقع مستقلة عن القوات المسلحة الأمريكية والروسية، وقد بدأ تطويره في أوائل العقد الأول من القرن الماضي، كما أن النظام أعلن عن خدماته الأولية في عام 2016، وفي عام 2025، كان لدى غاليليو 28 ساتلاً تشغيلياً (بالإضافة إلى قطع غيار) في المنطقة المتوسطة الأجل على ارتفاع 222 23 كيلومتراً.

بيدو (الصين)

أما شبكة الملاحة في الصين فقد تطورت على ثلاث مراحل، حيث إن بيدو 1 (2000) هي نظام إقليمي يغطي الصين فقط، كما أن بيدو 2 (2012) قد توسع ليشمل منطقة آسيا والمحيط الهادئ، ويوفّر بيدو 3، الذي اكتمل في عام 2020، تغطية عالمية تضم 30 ساتلاً في المدار المتعدد الأطراف وخمسة سواتل أرضية (GO) وسواتل ذات مدار ثابت (IGSO) تعزز الأداء الإقليمي().

النظم الإقليمية ونظم التعزيز

وبالإضافة إلى المجموعات العالمية الأربع، توفر عدة نظم إقليمية تغطية ودقة معززتين.

نافيك (الهند)

وتدير منظمة بحوث الفضاء الهندية الملاحة مع الوصل الهندي، وهو نظام إقليمي يغطي الهند ويبعد حدودها عن حدودها بما يصل إلى 500 1 كيلومتر، ويتألف الساتل نافيك من سبعة سواتل: ثلاثة في المدار الأرضي العالمي وأربعة في الإيغاسو، ويبث في الترددات L5 و الترددية، ويقدم خدمات قياسية ومحدودة، ويحصل الساتل Accuracy على نحو 10 مترات في منطقة الخدمات.

QZSS (اليابان)

ونظام اليابان لسواتل كواسي - زينيث نظام إقليمي للزيادة يهدف إلى تحسين أداء النظام العالمي لتحديد المواقع في شرق آسيا وأوقيانوسيا، وتتابع سواتلها الأربعة )مع خطط لسبع( المدارات ذاتية للغاية " الشكلية - ٨ " التي تحتفظ بسواتل واحدة على الأقل فوق طاقتها تقريبا في جميع الأوقات في اليابان.

تطهير أرضي

وكثيرا ما تستكمل النظم العالمية والإقليمية بنظم التعزيز الأرضية ونظم التعزيز الساتلية، وتشمل الأمثلة نظام الولايات المتحدة لتعزيز المناطق الواسعة النطاق، ودائرة الملاحة الجوية الأوروبية، والنظام الروسي للتصحيح والرصد التفاضليين، وتحسب شبكات محطات المراجع هذه البيانات المتعلقة بتحسين سلامة المرافق التي تبث عن طريق الساتل.

ألف - التطبيقات الدافعة للابتكارات

وقد تجاوزت الملاحة الساتلية شاشات الملاحة في السيارات، ففي الطيران، تستخدم الطائرات النظام العالمي لتحديد المواقع ونظام SBAS لنهج الدقة، مما يقلل من التأخيرات واستهلاك الوقود، وتعتمد الزراعة على النظم العالمية لسواتل الملاحة ذاتيا في مجال الجرارات التوجيهية ذاتيا، ورسم الخرائط المتغيرة، ورسم الخرائط المتعلقة بالمحاصيل، وتستعمل الصناعة البحرية النظم العالمية لحصر السفن في الموانئ والرسم الإلكتروني لكل ما يربطها الشبكة العالمية لسواتل الملاحة بوصفها الوسيلة الرئيسية للملاحة.

المستقبل: النظم العالمية المتعددة الأبعاد، وأجهزة الاتصال، والقدرة على التكيف

وسيجلب العقد القادم عدة تغييرات تحولية إلى الملاحة الساتلية.

متلقية متعددة النظم العالمية لسواتل الملاحة

ومعظم الأجهزة الحديثة تستخدم بالفعل عدة وحدات في آن واحد، وسيكون من المعتاد بحلول عام 2030 تلقي إشارات من النظام العالمي لتحديد المواقع، ونظام غلوناس، وغاليو، وبيدو، والنظم الإقليمية مجتمعة، وهذا النهج المتعدد الأطراف الذي يحسن بشكل كبير توافره، لا سيما في المناطق الحضرية الكثيفة التي تبث فيها إشارات المباني، كما أنه يوفر أيضاً فائضاً في حالة إصابة أحد الوصلات الدولية بمرض الشذوذ، وهو ما يمثل تحدياً في البحار.

منخفض الأرض المدار (LEO)

ويمكن لمفاهيم الملاحة الأرضية الجديدة - مثل حمولات الشبكة العالمية لسواتل الملاحة التي تستضيفها شركة " إريديوم " ، وسواتل تجريبية من شركات مثل " اكسونا " الفضائية - أماكن صغيرة على ارتفاعات تقل عن ٠٠٠ ٢ كيلومتر، كما أن السواتل ذات المدار المنخفض توفر إشارات أقوى وبطءا أقل مما يجعلها أكثر مقاومة للتشويش والأخطاء المتعددة المواقع في المستقبل.

عدد الناموسيات وأجهزة الاختراع الذري

وتعود التطورات في فترات التقاطع بين الطماطم الباردة والوقت البصري بتقلص الساعات الذرية إلى الرقاقة مع الحفاظ على الدقة القصوى، ويمكن أن تحافظ ساعة الذرة على نطاق واسع داخل جهاز استقبال تابع للشبكة العالمية لسواتل الملاحة على توقيت دقيق حتى وإن فقدت إشارات السواتل للدقائق، مما يقلل من الحاجة إلى النظرة المستمرة للسماء، ولا تزال أجهزة التكليل الكميائية والقنوات الأرضية تستخدم في الملاحة غير المباشرة التي لا تزال دقيقة لساعات.

مقاومة التهديدات

كما أن الاعتماد على النظم العالمية لسواتل الملاحة ينمو، وكذلك التهديدات الناجمة عن التشويش والزغ والطقس الفضائي، ويمكن للتشويش على القوى العالية أن يعطل الإشارات على مناطق كبيرة، بينما يمكن للمصابين المتطورين أن يغذيوا مواقع مزورة لطائرات الخصم أو السفن، كما أن نظم الجيل القادم ستتضمن آليات التوثيق - مثل نطاق الترددات في نظام غاليليو المفتوح)١(.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، فإن الملاحة الساتلية ليست بدون قيود، فالأشارات ضعيفة ولا يمكن أن تخترق عقبات صلبة: فالأفق، ومرآب السيارات، والغطاء الشجري الكثيف، لا تزال تثير إشكالية، كما أن التدخل من المصادر الأرضية (مثل البرج التلفزيوني، والآلية التناسقية) يمكن أن يؤدي إلى تدهور الأداء، علاوة على ذلك، فإن الاعتماد على عشرات السواتل يجعل النظام بأكمله عرضة للهجمات المسببة.

خاتمة

ومن إطلاق الطائرات العمودية للمرور العابر إلى العصر الحديث من الوصلات المتعددة، والوضع الدقيق للمسافات، والملاحة الساتلية - المطلة على الغلاف الجوي، أصبحت العمود الفقري للهياكل الأساسية العالمية، وسيؤدي النظام العالمي لتحديد المواقع، ونظام غلوناس، وجيليو، وبيتو معا إلى زيادة موثوقية وملاءمة، بينما تملأ النظم الإقليمية مثل الملاحة البحرية والشبكة الترددية، الثغرات القائمة على زيادة الدقة إلى مستويات جديدة من التقارب.

For further reading: GPS Performance Standards], European Space Agency Galleo page, GLONASS Overview and Status, and BeiDou Navigation Satellite official.