أساسيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

أساسيات نظام GPS

مُستقبل GPS (GPS receiver) أو نموذج GPS (GPS module)

من المحتمل أنك قد استخدمت أو تعاملت مع مُستقبل GPS من قبل. هذه المسُتقبلات توجد في معظم الهواتف الذكية والعديد من السيارات الحديثة، كما أنها تستخدم لتسيير وتتبع التجارة في جميع أرجاء العالم. هذه الأجهزة الضئيلة تستطيع إخبارك بموقعك وتوقيت المنطقة التي توجد بها بشكل فوري وفي أي مكان على سطح الكرة الأرضية بشكل مجاني! وكل ما تحتاج إليه للاستفادة من ذلك هو مستقبل GPS، هذه المستقبلات تقل أثمانها وأحجامها يوماً بعد يوم.

لكن لا تنظر إلى مستقبلات GPS صغيرة الحجم منخفضة التكلفة على أنها شيء تافه أو بسيط، فهي نتاج عقود طويلة من الهندسة بهدف الحصول على الموقع بشكل دقيق في أي وقت وفي أي مكان. وفي سبيل ذلك أُطلقت العشرات من الأقمار الصناعية -يحتوي كل منها على ساعات ذرية متناهية الدقة- منذ سبعينات القرن المنصرم، والمزيد من تلك الأقمار ما زالت تُطلق إلى يومنا هذا. هذه الأقمار تقوم بإرسال البيانات باستمرار لأسفل نحو الأرض عبر الترددات الراديوية اللاسلكية (RF frequencies). أما مُستقبلات GPS الصغيرة التي نمتلكها فتحتوي على مُعالجات (processors) وهوائيات (antennas) دقيقة تقوم باستقبال البيانات القادمة من الأقمار الصناعية مباشرة وبالتالي حساب الموقع والتوقيت على الفور. إنه لأمرٌ مدهش!

مواضيع مُقترحة للقراءة

هناك بعض المفاهيم التي تتعلق بهذا الدرس والتي يجب أن تكون على علم بها لكي تكون مُستعداً للبدء:

• أساسيات الوصلات
• النظام الثنائي
• الاتصال التسلسلي

كيف يعمل نظام GPS

تعتمد مُستقبلات GPS على مجموعة من الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية لحساب الموقع والتوقيت في أي مكان على سطح الأرض تقريباً.

لاحظ النقطة المتحركة على الكرة الأرضية وعدد الأقمار الصناعية الظاهرة.

هناك 24 قمر صناعي على ارتفاع 12000 ميل يقومون بالدوران حول الأرض بشكل مستمر. ويتم ضبط مواقع هذه الأقمار بحيث لا يوجد أكثر من 12 قمر فوق موقع ما من سطح الأرض في أي وقت. الغرض الرئيسي من الأقمار الاثني عشر الظاهرة هو نقل المعلومات إلى الأرض عبر الترددات الراديوية (تتراوح من 1.1GHz إلى 1.5GHz). بالاستعانة بتلك المعلومات بالإضافة إلى بعض الحسابات يستطيع مُستقبل (نموذج) GPS حساب الموقع والتوقيت.

كيف تستطيع مسُتقبلات GPS حساب الموقع والتوقيت؟

البيانات التي يتم إرسالها إلى الأرض من كل من الأقمار الصناعية تحتوي على معلومات مختلفة تُمّكن مُستقبل GPS الخاص بك من حساب الموقع والتوقيت بدقة. من الأجزاء المهمة التي يحتوي عليها أي قمر صناعي خاص بنظام GPS ساعة ذرية متناهية الدقة. يتم إرسال التوقيت الخاص بتلك الساعة الذرية إلى الأرض بالإضافة إلى الموقع المداري (orbital position) الخاص بالقمر الصناعي والأزمنة المستغرق للوصول (arrival times) من عدة نقاط في السماء. بعبارة أخرى يستقبل مُستقبل GPS طابع زمني (timestamp) من جميع الأقمار الصناعية الظاهرة بالإضافة إلى البيانات الخاصة بموقع كل من تلك الأقمار الصناعية (مع بعض البيانات الأخرى). ومن تلك المعلومات يستطيع مُستقبل GPS معرفة المسافة التي تفصله عن كل من تلك الأقمار الصناعية الظاهرة. إذا كان هوائي مستقبل GPS يستطيع رؤية أربعة أقمار صناعية على الأقل فهو يستطيع حساب الموقع والتوقيت بدقة.

هل فهمت كل ما سبق؟ إذا لم تفهمه بشكل جيد أو أردت أن تتعرف على المزيد فقم بالاطلاع على الشرح المفصل في الجزء الأول من أساسيات نظام GPS (GPS Fundamentals) لـ Dan Doberstein. الجزء الأول مجاني تماماً، لكن لا بد من التبرع للكاتب لقراءة الجزء الثاني.

رسم توضيحي لقطاع التحكم.

هناك أيضاً جزء آخر ضمن نظام تحديد المواقع العالمي لم نتطرق إليه بعد. فبالإضافة للأقمار الصناعية ومُستقبلات GPS هناك محطات أرضية يُمكنها الاتصال بشبكة الأقمار الصناعية وبعض مُستقبلات GPS. هذا النظام يُطلق عليه رسمياً قطاع التحكم (control segment)، وهو يُعزز من دقة مُستقبلات GPS التي نستخدمها. ومن الأنظمة الشائعة التي تستخدم قطاع التحكم لتعزيز الدقة WAAS  و  DGPS. WAAS هو النظام الشائع في معظم مُستقبلات GPS وتصل دقته إلى حدود 5 أمتار. أما نظام DGPS فيتطلب نوعاً خاصاً من مُستقبلات GPS ودقته تصل إلى حدود سنتيمتر واحد. ويعيب مُستقبلات DGPS سعرها المرتفع وحجمها الكبير بسبب احتياجها لهوائي إضافي.

دقة نظام GPS

تعتمد دقة نظام GPS على عدد من المتغيرات، أهمها وأكثرها تأثيراً هي كما يلي: نسبة الإشارة إلى الضجيج (signal to noise ratio)، موقع القمر الصناعي، الأحوال الجوية والعوائق مثل المباني والجبال. هذه العوامل من الممكن أن تتسبب في أخطاء عند تحديد الموقع. عادة ما يتسبب ضجيج الإشارة في خطأ يتراوح بين متر واحد وعشرة أمتار. أما الجبال والمباني والأشياء الأخرى التي من الممكن أن تعيق المسار بين المُستقبل والقمر الصناعي من الممكن أن تسبب خطأ يزيد بثلاثة أضعاف عن خطأ ضجيج الإشارة. يجب أن يتصل مُستقبل GPS بأربعة أقمار صناعية كي يتمكن من تحديد الموقع. الاتصال بالقمر الأول يسمح للمستقبل بالحصول على معلومات almanac (معلومات الموقع الفضائي.. وهي معلومات خاصة بمواقع الأقمار الصناعية وأيها يكون ظاهراً للمُستقبل) وبالتالي التعرف على الأقمار الصناعية الأخرى التي يجب أن يتصل بها. وبالرغم من أنه من الممكن تحديد الموقع عبر أقل من أربعة أقمار صناعية إلا أن نسبة الخطأ من الممكن أن تكون كبيرة. ويُمكن الحصول على أدق قراءة للموقع عندما تكون السماء صافية وواضحة لك بدون أي معوقات مع وجود أكثر من أربعة أقمار صناعية ظاهرة. وللتغلب على الأخطاء المتعلقة بتحديد الموقع تم ابتكار اثنين من الأنظمة المعاونة (assistants).

نظام GPS  المُساعد (Assisted GPS)

من بين تلك الأنظمة المساعدة نظام GPS المُساعد (Assisted GPS) ويُختصر AGPS. في هذا النظام يتم استخدام شبكات أرضية لاسلكية لتساعد في الربط القمر الصناعي والمُستقبل عندما تكون إشارة GPS ضعيفة أو لا يُمكن التقاطها. هناك طريقتان يُمكن استخدام AGPS بهما للمساعدة. الطريقة الأولى هي تزويد المُستقبل بمعلومات almanac الصحيحة والتوقيت الدقيق. أما الطريقة الثانية فتستفيد من القدرة الحاسوبية العالية والإشارة القوية للمراكز الأرضية لترجمة المعلومات التالفة أو المجزأة التي يستقبلها المُستقبل للحصول على قراءة أكثر دقة للموقع من المستقبل. وفي الغالب يتم القيام بوظيفة AGPS بواسطة مُستقبلات GPS مُثبتة على أبراج الهواتف الخلوية (cellular towers). عند الاتصال بتلك المُستقبلات يستطيع نظام GPS الاتصال بالقمر الصناعي بسرعة أكبر بالإضافة إلى الحصول على معلومات أكثر دقة. هذه الطريقة تُستخدم مع مُستقبلات GPS الموجودة في الهواتف النقالة والسبب في ذلك أنها تكون في بعض الأحيان أكثر دقة من المُستقبلات نفسها. نظام AGPS يوجد في الكثير من الأجهزة الأخرى بالإضافة للهواتف النقالة، كما أنه متوفر في الكاميرات وبعض المركبات. وتظهر فاعليته بشكل أكبر في المدن حيث تواجه إشارات GPS بعض الصعوبات بسبب العوائق الكثيرة المتمثلة في المباني.

نظام GPS التفاضلي (Differential GPS)

من الطرق الأخرى المُستخدمة لتحسين كفاءة نظام GPS، نظام GPS التفاضلي (Differential GPS) ويُختصر DGPS. نظام DGPS يستعين كذلك بمحطات GPS أرضية ثابتة لتحديد المواقع، ولكنه يختلف في أنه يقوم بحساب الفرق بين قراءات القمر الصناعي والموقع الأرضي. هذه المحطات الأرضية من المُمكن أن تبعد عن المُستقبل لمسافة تصل إلى 200 ميل بحري، ومن المهم ملاحظة أن الدقة تقل كلما ابتعدت عن المحطة الأرضية. يعمل نظام DGPS عن طريق محطة أرضية تقوم بإرسال إشارة تحدد الخطأ بين المدى الزائف الفعلي (actual pseudorange) والمدى الزائف المُقاس (measured pseudorange). وهذه القيمة تُقاس من خلال ضرب سرعة الضوء في الوقت الذي تستغرقه الإشارة للانتقال من القمر الصناعي إلى المُستقبل. أحد الأمثلة على أنظمة DGPS: نظام الدعم الواسع (wide area augmentation system) ويُختصر WAAS.

تم تطوير نظام WAAS بشكل أساسي من قبل إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية FAA  لتحسين أنظمة GPS في الطائرات، ويعتمد هذا النظام على محطات أرضية خاصة. هناك مجموعة من معايير الدقة خاصة بنظام WAAS لا بد أن تتوافق معها قياسات المحطات الأرضية. فعلى المستويين الأفقي والرأسي لا بد أن تكون دقة نظام WAAS في حدود 7.6 أمتار ولمدة 95% من الوقت. وتقوم هذه المحطات الأرضية بإرسال قياساتها إلى محطات رئيسية تقوم بدورها بإرسال التصحيحات إلى الأقمار الصناعية الخاصة بنظام WAAS كل خمس ثوان (أو أقل من ذك). بعد ذلك يقوم القمر الصناعي بإرسال الإشارات إلى المُستقبل عل سطح الأرض حيث تُستخدم التصحيحات لتحسين دقة نظام GPS. في بعض المناطق يستطيع نظام WAAS توفير دقة تصل إلى 1 متر أفقياً و1.5 متر رأسياً. على الرغم من أن نظام WAAS يوجد في أمريكا الشمالية فقط إلا أن هناك بعض الأنظمة المشابهة توجد في أجزاء أخرى من العالم.

صيغ الرسائل (Message Formats)

يتم عرض بيانات GPS بعدة صيغ عبر واجهة تسلسلية. هناك صيغ رسائل قياسية (standard) وأخرى غير قياسية (non-standard) (خاصة). يُمكننا القول أن جميع مُستقبلات GPS تقريباً تقوم بإخراج بيانات NMEA. صيغة NMEA القياسية تحتوي على أسطر من البيانات تُسمى الجمل. كل جملة تحتوي على عدة بتات بيانات مُنظمة ومفصولة عن بعضها البعض باستخدام فاصلات (commas). المثال التالي يوضح جمل NMEA من مُستقبل GPS في حالة اتصال (متصل بأربعة أقمار صناعية أو أكثر مع تحديد الموقع بدقة):

$GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,*19

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E

على سبيل المثال تحتوي جملة GPGGA على ما يلي:

• التوقيت: 000 تعني الساعة 23:53 و17.000 ثانية بتوقيت جرينتش.
• خط الطول: 9040,N هو خط الطول بالدرجات جهة الشمال.
• خط العرض: 5792,W هو خط العرض بالدرجات جهة الغرب.
• عدد الأقمار الصناعية الظاهرة: 08
• الارتفاع: 1577 متر.

يتم الفصل بين البيانات باستخدام فاصلات لتسهيل قراءتها وتحليلها باستخدام الحواسيب والمُتحكمات الدقيقة (microcontrollers). وهذه البيانات يم إرسالها عبر المنفذ التسلسلي بمعدل زمني يُعرف باسم مُعدل التحديث (update rate). مُعظم أجهزة الاستقبال تقوم بتحديث المعلومات مرة واحدة في الثانية (1Hz)، لكن أجهزة الاستقبال المُتقدمة تستطيع تحديث معلوماتها عدة مرات في الثانية الواحدة، حيث تقع بين 5Hz و20Hz في بعض الأجهزة الحديثة.

قراءة بيانات GPS

معظم نماذج GPS تحتوي على منفذ تسلسلي مما يجعلها مثالية للتوصيل بمُتحكم دقيق أو بكمبيوتر.

التوصيل بُمتحكم دقيق

مُستقبل GPS من نوع EM406 GPS مع لوح EM406 Breakout

عند تشغيل نموذج GPS ما يتم إرسال بيانات NMEA (أو أي صيغة رسائل أخرى) عبر منفذ الإرسال التسلسلي (transmit pin (TX)) بمعدل بود (baud rate) ومعدل تحديث مُحددين، حتى لو لم يكن هناك اتصال بالأقمار الصناعية. ولجعل المُتحكم الدقيق الخاص بك يقرأ بينات NMEA كل ما تحتاجه هو توصيل منفذ TX الخاص بنموذج GPS بمنفذ الاستقبال RX الخاص بالمُتحكم الدقيق. ولتهيئة نموذج GPS تحتاج لتوصيل منفذ RX الخاص بالنموذج بمنفذ TX الخاص بالمتحكم الدقيق.

يقوم المتحكم الدقيق بتحليل بيانات NMEA، والتحليل (Parsing) ببساطة هو استخراج البيانات من جمل NMEA لكي يستطيع المُتحكم الدقيق الاستفادة من تلك البيانات.

على سبيل المثال من الممكن أن يحتاج المًتحكم الدقيق لقراءة الارتفاع الخاص بالمُستقبل فقط.

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

فبدلاً من التعامل مع كل هذا النص يقوم المُتحكم الدقيق بتحليل جملة GPGGA لإيجاد الارتفاع فقط (بالمتر).

1577

وبعد أن يقوم المُتحكم الدقيق بالحصول على البيانات المطلوبة من المُمكن أن يتم استخدام المعلومات للقيام بأشياء أخرى من قبل المُتحكم الدقيق.

تستطيع بطاقات أردوينو (Arduino) تحليل بيانات NMEA بسهولة بمساعدة مكتبة Tiny GPS.

التوصيل بالكمبيوتر

مُستقبل GPS من نوع EM406 GPS مع لوح EM406 Breakout ولوح 5V FTDI Breakout

من الطرق السهلة لرؤية بيانات NMEA بشكل مباشر توصيل نموذج GPS بالكمبيوتر. للقيام بالتوصيل كل ما تحتاجه هو تزويد الطاقة لنموذج GPS عن طريق لوح FTDI basic (في هذه الحالة عبر منفذي 5V و GND) ثم توصيل منفذ TX الخاص بنموذج GPS بمنفذ RX على لوح FTDI Basic.

بعد ذلك قم بفتح برنامج المحطة الطرفية التسلسلية serial terminal program بنفس معدل بود الخاص بنموذج GPS الخاص بك. حتى لو لم يكن النموذج في حالة اتصال من المفترض أن ترى جمل NMEA.

$GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,*19

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E

 تهيئة مُستقبل GPS

لتهيئة مُستقبل GPS من المهم للغاية معرفة نوع مجموعة الشرائح (chipset) التي يستخدمها المُستقبل الذي لديك. مجموعة الشرائح الخاصة بمُستقبلات GPS تحتوي على مُعالج قوي مسئول عن واجهة المستخدم وجميع الحسابات، بالإضافة إلى توفير الدوائر التناظرية للهوائي. كذلك تسمح مجموعة الشرائح بإرسال البيانات إلى مُستقبل GPS لتهيئة عوامل مثل معدل التحديث ومعدل بود واختيار الجمل (sentence selection)… الخ.

ولإرسال الأوامر عبر واجهة تسلسلية إلى مُستقبل GPS تحتاج إلى مجموعة الأوامر (command set) أو دليل مرجعي (reference manual). لكن قبل التعمق في مجموعة الأوامر لنموذج ما تواصل مع الشركة المُصنعة. فالعديد من مُصنعي مجموعات الشرائح يقدمون برمجيات تسمح لك بالتواصل مع نموذج GPS وتهيئته بسهولة عبر منفذ تسلسلي.

فيما يلي صحف البيانات ومجموعات الأوامر الخاصة ببعض مجموعات الشرائح الأكثر شيوعاً.

مجموعات شرائح SiRF:

• SiRF NMEA Reference Manual
• SiRF Binary Reference Manual
• SiRF Demo Software

مجموعات شرائح UBlox:

• u-blox6 NMEA and UBX Reference Manual
• u-center Demo Software

مجموعات شرائح SkyTraq:

• Skytraq Reference Manual
• SkyTraq Demo Software

بعض مجموعات الشرائح تسمح باستخدامات بروتوكولات بديلة مثل SiRF binary (لمجموعة شرائح SiRF) وUBX  (لمجموعة شرائح ublox) أو رسائل خاصة. هذه البروتوكولات تحتوي على نفس المعلومات ولكنها تستخدم النظام الثنائي (binary) بدلاً من ASCII لتسريع الاتصال.

عند الاتصال بمُستقبل GPS يجب أن يتم إنهاء معظم الأوامر بمجموع اختباري (checksum). وفي معظم الأحيان يجب أن تقوم باستخدام بوابة XOR مع كل جملة. الرابط التالي خاص بحاسبة XOR بسيطة على الإنترنت (XOR online calculator).

معجم المصطلحات المتعلقة بنظام تحديد المواقع العالمي GPS

الدقة (Accuracy): ما مدى دقة نظام GPS؟ حسناً، هذا أمر متغير، لكن في المعتاد يُمكنك التعرف على موقعك في أي مكان بالعالم خلال 30 ثانية بدقة +/– 5 أمتار. رائع! أما سبب كون الدقة +/– 5 فيعود إلى اختلاف الدقة بين مختلف النماذج (المُستقبلات)، واختلاف الوقت وصفاء الاستقبال… الخ. معظم النماذج يمكن أن تصل إلى دقة +/– 3 عند تشغيل WAAS، لكن إذا أردت دقة متناهية تصل إلى أقل من متر أو حتى إلى سنتيمتر واحد فسيكون ذلك مكلفاً للغاية ويتطلب نظام خاص يُعرف باسم DGPS.

بشكل عام للحصول على أكبر دقة ممكنة باستخدام مُستقبل GPS الذي لديك يجب أن تكون لديك رؤية واضحة للسماء وأن تكون مُتحركاً.

المسارات الذي تُظهرها مُستقبلات GPS مختلفة للطريق الموجود حول المقر الرئيسي لـ SparkFun عند السير فيه وتسجيل الموقع باستمرار.

إذا دققت في المثال السابق للمسارات حول المقر الرئيسي لـ SparkFun ستجد أن المواقع المرصودة تختلف بشكل أكبر عند بداية الاتصال (Lock Start) ونهاية الاتصال (Lock End)، حيث يكون نموذج GPS ثابتاً دون حركة. نظام GPS يحتوي على نسبة خطأ في حدود خمسة أمتار وهو ما يمكن ملاحظته أثناء عدم الحركة. وبمجرد حركة النموذج يُصبح المسار دقيقاً بشكل نسبي ويتمكن نظام GPS من تخمين مسارك. لكن لاحظ أيضاً أثناء السير فيما يعرف بالوادي الحضري (وهو المسار بين مبنيين مرتفعين) تقل الدقة. تذكر أن إشارات GPS لا تُبث بالضرورة من أقمار صناعية تقع فوقك مباشرة، بل من الممكن أن تكون قريبة من الأفق (وبالتالي يظهر تأثير الوادي الحضري). كما أن إشارات RF من الممكن أن تنعكس بسبب المباني والأجسام الأخرى مُسببة ما يُعرف بالتداخل متعدد المسارات (multi-path interference). تذكر دائماً أن أفضل النتائج مع نظام GPS تحصل عليها عندما تكون السماء واضحة بشكل كامل فوقك.

الهوائي (Antenna): تستقبل نماذج GPS الإشارات من أقمار صناعية تقع على بعد حوالي 12000 ميل في أي مكان في السماء (وليس فوقك مباشرة بالضرورة). وللحصول على أفضل أداء لا بد أن يكون هناك مساراً مباشراً صافياً بين الهوائي والسماء. من المفترض أن الظروف الجوية والسحب والعواصف الثلجية لا تؤثر على الإشارات، لكن أشياء مثل الأشجار والمباني والجبال وأسقف المنازل تتسبب في تداخلات غير مرغوب بها بين الإشارات وبالتالي تقل الدقة.

هناك العديد من الخيارات فيما يتعلق بأنواع الهوائيات، لكن فيما يلي نعرض أكثرها شيوعاً.

الهوائي الأصغر والأكثر شيوعاً واستخداماً هو هوائي الرقعة الخزفي (ceramic patch antenna).

هذا الهوائي تقليدي صغير الحجم رخيص الثمن، لكن قوة الاستقبال الخاصة به قليلة بالمقارنة بأنواع الهوائيات الأخرى. هذا الهوائي يحتاج لأن يتم توجيهه لأعلى مع رؤية واضحة صافية للسماء للحصول على إشارة مناسبة، أي أن كسب (gain) هذا الهوائي يكون أكبر ما يمكن عند توجيهه لأعلى.

بعض نماذج GPS تحتوي على هوائيات لولبية.

هذه الهوائيات لها أحجام أكبر من هوائيات الرقعة الخزفية، لكنها تسمح بالحصول على إشارة أقوى في أي وضعية في مقابل انخفاض الكسب بشكل ضئيل عند أي وضعية ما.

بعض النماذج تستخدم وصلات SMA مع الهوائيات.

وصلة SMA تمنحك القدرة على وضع الهوائي في أماكن مختلفة بعيداً عن باقي الدائرة. وهذا يُصبح مفيداً جداً عندما يكون نظامك لا يرى السماء بشكل جيد. على سبيل المثال بداخل مبنى أو بداخل سيارة.

معدل بود (Baud Rate): تقوم مُستقبلات GPS بإرسال البيانات عبر منفذ الإرسال (transmit pin (TX)) بمعدل بتات (bit rate) محدد. معدل البتات الأكثر شيوعاً هو 9600bps للمُستقبلات ذات التردد 1Hz، لكن أيضاً معدل 57600bps أصبح في طريقه للانتشار. قم بقراءة صحيفة البيانات الخاصة بالمُستقبل للحصول على المزيد من المعلومات.

القنوات (Channels): يؤثر عدد القنوات التي يستخدمها نموذج GPS ما على الوقت للازم لتحقيق أول اتصال (time to first fix (TTFF)). لا يدري نموذج GPS أي الأقمار الصناعية يكون ظاهراً له، لذلك كلما زادت القنوات/الترددات زادت قدرته على البحث وقل الزمن اللازم للاتصال. بعض النماذج تقوم بإغلاق القنوات الإضافية بمجرد تحقيق الاتصال من أجل توفير الطاقة. إذا لم تكن تمانع الانتظار لبعض الوقت قبل تحقيق الاتصال فسيكون استخدام مُستقبل ذي 12 أو 14 قناة مُناسباً لك.

مجموعة الشرائح (Chipset): مجموعة الشرائح في نظام GPS هي المسئولة عن القيام بكل شيء بدءاً بالعمليات الحسابية مروراً بتوفير الدوائر التناظرية للهوائي والتحكم في الطاقة وانتهاء بالتحكم بواجهة المُستخدم. إنها تقوم بالكثير من الأعمال، وهي تقريباً جميع الأعمال التي تقوم بها وحدات GPS. مجموعة الشرائح غير مرتبطة على الإطلاق بنوع الهوائي، لذلك من الممكن أن تختار من بين عدة هوائيات مُختلفة لاستخدامها مع مجموعة شرائح معينة في مُستقبلات GPS. أكثر مجموعات الشرائح شيوعاً هي ublox و SiRF و SkyTraq، وجميعها تحتوي على مُعالجات قوية يُمكن الاعتماد عليها وتقلل من وقت الاحتياز (acquisitions times). وفي الغالب يكون الاختلاف بين مجموعات الشرائح المختلفة واقعاً في استهلاك الطاقة وأوقات الاحتياز وسهولة الحصول على العتاد.

نظام GPS التفاضلي (DGPS): نظام GPS التفاضلي هو نوع خاص من مُستقبلات GPS. تحتوي مُستقبلات DGPS على هوائي إضافي يقوم باستقبال الإشارات ليس من الأقمار الصناعية فحسب، ولكن أيضاً يستقبل إشارات بشكل مباشر من محطات أرضية. في العادة تتطلب مُستقبلات DGPS هوائيين. وهناك العديد من أجهزة DGPS أكبر في الحجم وأغلى في السعر من مُستقبل GPS العادي لديك، ولكنها توفر دقة في الموقع تصل إلى سنتيمتر واحد.

الكسب (Gain): الكسب هو كفاءة الهوائي في أي اتجاه (وضعية) ما. وهذا ينطبق على الهوائيات الخاصة بالإرسال والهوائيات الخاصة بالاستقبال على حد سواء.

الاتصال (Lock أو Fix): يُقال أن الاتصال قد تحقق لمُستقبل GPS ما عندما يكون هناك على الأقل أربعة أقمار صناعية ظاهرة له بشكل جيد، وعندها يُمكن الحصول على الموقع والتوقيت بدقة.

NMEA: عبارة عن صيغة بيانات (data format) تستخدمها معظم نماذج GPS. تتكون بيانات NMEA من جمل يتم إرسالها من نماذج GPS عبر منفذ الإرسال التسلسلي (serial transmit (TX)). وتحتوي جمل NMEA على جميع البيانات الهامة مثل الموقع والتوقيت و…. الخ.

الطاقة (power): نماذج GPS لا تستهلك الطاقة بشكل كبير، ولكنها كذلك تحتاج للبعض منها لكي تستطيع استقبال البيانات الواردة من الأقمار الصناعية والمحافظة على الاتصال بها. في المتوسط تستهلك نماذج GPS الشائعة –أثناء الاتصال- في حدود 30mA عند فرق جهد 3.3V. كذلك من الممكن توفير الطاقة من خلال جعل وقت بدء التشغيل أقل ما يمكن.

PPS: نبضة في الثانية (pulse per second)، منفذ خرج يوجد في بعض نماذج GPS. بشكل عام عندما يكون تردد هذا المنفذ 1Hz تستطيع مزامنة الساعة الخاصة بنظامك مع الساعة الخاصة بنظام GPS.

وقت بدء التشغيل (ساخن، دافئ، بارد): بعض نماذج GPS تحتوي على مُكثف فائق (super-capacitor) أو بطارية للحفاظ على بيانات الاقمار الصناعية السابقة في ذاكرة مؤقتة بعد فصل الطاقة. وهذا يساعد في تقليل الوقت اللازم لتحقيق أول اتصال (TTFF) في مرات التشغيل التالية. كلما قل وقت بدء التشغيل قل استهلاك الطاقة الإجمالي.

• البداية الباردة (Cold Start): إذا قمت بإيقاف تشغيل النموذج لمدة طويلة وبالتالي تم تفريغ مُكثف التخزين المؤقت يتم فقد البيانات. بالتالي في المرة القادمة التي تقوم فيها بتشغيل النموذج سيكون بحاجة لتنزيل بيانات الموقع الفضائي (almanac) والبيانات المدارية الدقيقة (ephemeris).
• البداية الدافئة (Warm Start): بناء على الوقت الذي يبقى مصدر الطاقة المؤقت (المكثف أو البطارية) عاملاً فيه من الممكن أن تكون البداية دافئة، وهذا يعني أن بعض بيانات almanac و ephemeris تكون محفوظة، ولكن الاتصال يتطلب بعض الوقت الإضافي.
• البداية الساخنة (Hot Start): تعني البداية الساخنة جميع بيانات الأقمار الصناعية مُحدّثة وقريبة من المواقع التي كانت بها عند تشغيل النموذج لآخر مرة. في حالة البداية الساخنة يحدث الاتصال في وقت سريع للغاية.

التثليث المساحي (Trilateration): طريقة حسابية تُستخدم لحساب الموقع باستخدام عدة نقاط مرجعية. لكي يتمكن مُستقبل GPS من تحديد الموقع والتوقيت بدقة يجب أن يكون ظاهراً له في السماء أربعة أقمار صناعية على الأقل. وهو ما يطلق عليه lock أو fix. جميعنا نعلم كيفية استخدام التثليث (triangulation) لحساب المسافة إلى جسم ما باستخدام نقطتين مرجعيتين (x, y). لكن عند استخدام GPS نحتاج لمعرفة أربعة قيم هي خط الطول (longitude) وخط العرض (latitude) والارتفاع (elevation) والتوقيت (time).

TTFF: الوقت اللازم لتحقيق أول اتصال. الوقت اللازم –بعد تشغيل المُستقبل- لحساب الموقع والتوقيت بدقة اعتماداً على أربعة أقمار صناعية على الأقل. إذا كنت في موقع لا يرى السماء بشكل جيد فمن الممكن أن تصبح قيمة TTFF كبيرة للغاية.

معدل التحديث (Update Rate): معدل التحديث لنموذج GPS ما هو عدد المرات التي يقوم فيها بحساب وإعلان موقعه. المعدل القياسي لمعظم الأجهزة هو 1Hz (مرة واحدة في الثانية). الطائرات بدون طيار (UAVs) وبعض المركبات السريعة الأخرى تتطلب معدلات تحديث أكبر. معدلات التحديث 5Hz و10Hz أًصبحت أكثر انتشاراً وشيوعاً في النماذج منخفضة التكلفة. تذكر دائماً أن مُعدلات التحديث العالية تعني أن هناك المزيد من جُمل NMEA تأتي إلى النموذج.

WAAS: نظام الدعم الواسع (wide area augmentation system) (من أنظمة زيادة دقة أجهزة الملاحة) هو عبارة عن شبكة من المحطات الأرضية (تقع في أمريكا الشمالية) تقوم بإرسال البيانات التصحيحية إلى الأقمار الصناعية. يستطيع نظام WAAS إعطاء الموقع بدقة تصل إلى 5 أمتار. بعض الدول الأخرى لديها أنظمة مشابهة. على سبيل المثال النظام الأوروبي يُطلق عليه EGNOS، والنظام الياباني يُطلق عليه MSAS، والنظام الهندي يُطلق عليه GAGAN. في معظم مُستقبلات GPS تكون خاصية WAAS عاملة بشكل افتراضي، كما أنها تدعم EGNOS و MSASو GAGAN.

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)