كيف يعمل نظام تحديد المواقع GPS؟

نظام تحديد المواقع العالمي أو ما يعرف اختصارًا بـGPS (Global Positioning System)، هو نظام ملاحة وتحديد مواقع يعتمد على الأقمار الصناعية. يُستخدم GPS لتحديد الموقع الجغرافي لأي جسم موجود على سطح الأرض بدقة عالية، وذلك في أي وقت وتحت أي ظروف جوية. يعتبر هذا النظام من الإنجازات التكنولوجية الحديثة التي غيّرت طريقة تفاعلنا مع العالم والبيئة، فأصبح جزءًا أساسيًا في الهواتف الذكية، السيارات، والطائرات، وحتى في بعض الألعاب التعليمية للأطفال. من المهم أن يفهم الأطفال والمعلمون وأولياء الأمور كيفية عمل هذا النظام، لما له من استخدامات متعددة في مجالات التعليم، السلامة، والترفيه.

ما هو GPS وكيف بدأ؟

بدأ تطوير نظام GPS في الولايات المتحدة الأمريكية خلال سبعينيات القرن العشرين، بواسطة وزارة الدفاع الأمريكية، وكان الهدف الأساسي منه هو دعم العمليات العسكرية عبر توفير وسيلة دقيقة لتحديد المواقع والتنقل. وفي سنة 1995، أصبح النظام جاهزًا للاستخدام المدني، فاستفاد منه العلماء والسائقون والشركات وحتى الأفراد العاديون حول العالم. يتكوّن نظام GPS من ثلاثة عناصر رئيسية: الأقمار الصناعية في الفضاء، محطات المراقبة الأرضية، وأجهزة الاستقبال التي يستخدمها الناس.

الأقمار الصناعية

يدور حول الأرض في نظام GPS حوالي 31 قمرًا صناعيًا نشطًا، تدور بشكل منتظم في مدارات محددة على ارتفاع حوالي 20,000 كيلومتر. تقوم هذه الأقمار ببث إشارات راديوية تتضمن معلومات دقيقة جدًا عن الوقت والموقع الذي يتواجد فيه القمر. تم تجهيز هذه الأقمار بساعة ذرية عالية الدقة تُمكن النظام من إرسال توقيتات مخصصة تُستخدم في العمليات الحسابية لتحديد المواقع.

محطات المراقبة الأرضية

المكون الثاني لنظام GPS هي المحطات الأرضية المنتشرة حول العالم. تقوم هذه المحطات بمراقبة الأقمار الصناعية باستمرار والتأكد من أن مواقعها ومداراتها وإشاراتها تعمل بدقة. كما تقوم بإرسال تحديثات وتصحيحات للأقمار لضمان استقرار النظام وموثوقيته. تحتوي المحطات أيضًا على أجهزة لضبط الوقت والتنسيق مع التوقيت العالمي.

أجهزة الاستقبال

هي الأداة التي يستخدمها الأشخاص للحصول على معلومات الموقع. توجد أجهزة الاستقبال في الهواتف المحمولة، الساعات الذكية، السيارات والطائرات، أو حتى في ألعاب تعليمية للأطفال. تستقبل هذه الأجهزة إشارات الأقمار الصناعية وتقوم بحساب الموقع الجغرافي للمستخدم باستخدام حسابات رياضية معقدة تعتمد على الزمن والمسافة.

كيف يحدد GPS الموقع بدقة؟

لتحديد موقع جهاز ما، يحتاج أن يستقبل إشارات من أربعة أقمار صناعية على الأقل. يتم ذلك من خلال ما يُعرف باسم “التثليث” (Trilateration)، حيث يقوم جهاز الاستقبال بحساب المسافة بينه وبين كل قمر صناعي بناءً على الوقت الذي تستغرقه الإشارة من القمر حتى تصل إلى الجهاز. باستخدام هذه المعلومات، يستطيع الجهاز رسم عدة دوائر وهمية حول كل قمر، ويتقاطع مركز هذه الدوائر عند النقطة التي يوجد فيها الجهاز.

مثلاً، إذا استقبل الجهاز إشارات من ثلاثة أقمار فقط، يمكن تقريب مكانه إلى نقطة معينة، ولكن بدقة أقل. أما إذا استقبل من أربعة أو أكثر، فإن الدقة تزداد وتصل إلى حدود مترات قليلة أو أقل. تعتمد هذه الحسابات على سرعة الضوء والدقة العالية للساعة الذرية الموجودة في الأقمار، كما تتأثر بجودة الاستقبال والعوامل الجوية والبُعد عن الحواجز مثل الجبال والمباني العالية.

ما استخدامات GPS في الحياة اليومية؟

دخل نظام GPS في كثير من مجالات الحياة ويُستخدم على نطاق واسع، سواء في المنزل أو في المدرسة أو في مجالات العمل. من الأمثلة الشائعة:

١. تحديد الموقع والتنقل: يستخدم الأطفال وأولياء الأمور GPS لمعرفة الطريق من المدرسة إلى المنزل أو خلال السفر في رحلات مدرسية.
٢. إنقاذ الأرواح: تعتمد سيارات الإسعاف وفرق الإنقاذ على GPS للوصول إلى أماكن الحوادث بسرعة ودقة.
٣. الطيران والملاحة البحرية: تعتمد الطائرات والسفن على GPS لتحديد مساراتها وتفادي الحوادث.
٤. الرياضة والصحة: يستخدم الطلاب والرياضيون أجهزة تتبع المواقع لمعرفة المسافات المقطوعة في الجري أو الركض.
٥. التعليم والأنشطة المدرسية: في بعض المدارس، يتم استخدام GPS في أنشطة تعليمية مثل تنظيم رحلات استكشافية أو تعلّم مهارات رسم الخرائط وتحديد الاتجاهات.

ولأن الأجهزة التي تحتوي على GPS أصبحت شائعة جدًا، فالعديد من تطبيقات الهواتف المحمولة تعتمد عليه، كالتطبيقات الخاصة بالمواصلات، والخرائط، وخدمات التوصيل، وحتى بعض الألعاب التي تعتمد على التحرك في الشوارع مثل لعبة “بوكيمون جو”.

كيف يمكن شرح GPS للأطفال في المدارس؟

يُعد توضيح طريقة عمل GPS للأطفال جزءًا مهمًا لتعزيز فهمهم للتكنولوجيا الحديثة وتشجيعهم على الاستكشاف والتفكير العلمي. يمكن استخدام نماذج مبسّطة وتمثيلات ثلاثية الأبعاد لتفسير كيف تقوم الأقمار الصناعية بتحديد مكان شخص على الخريطة. على سبيل المثال، يمكن للمعلمين رسم دوائر تقاطع على اللوح لتوضيح فكرة التثليث، أو استخدام تطبيقات تفاعلية على الأجهزة اللوحية يتيح للطلاب مراقبة الأقمار الصناعية الحقيقية في الوقت الفعلي.

كما قد يساعد إشراك الأطفال في أنشطة واقعية مثل نزهات تعتمد على تعقب المواقع أو البحث عن أماكن معينة باستخدام GPS على ترسيخ المفهوم بشكل عملي. يمكن كذلك دمج محتوى GPS في المواد الدراسية مثل الجغرافيا، الرياضيات، وحتى الفيزياء، وربطها بمفاهيم مثل الزمن، المسافة، والمعادلات الرياضية.

هل هناك صعوبات أو مشكلات في نظام GPS؟

رغم فوائد نظام GPS الكثيرة، إلا أن هناك تحديات يجب إدراكها، خاصة في الأماكن التي تكون فيها الإشارة ضعيفة مثل الكهوف، الأنفاق، أو بين الأبنية العالية. كما قد تتأثر دقة الإشارات بالعوامل الجوية مثل الغيوم الكثيفة أو العواصف الشمسية. من المهم أيضًا توعية الأطفال بعدم الاعتماد الكامل على GPS لأن بعض الأجهزة أو التطبيقات قد تعطي بيانات خاطئة أو تكون بحاجة للاتصال بالإنترنت.

مسألة الخصوصية أيضًا تُعد أحد الجوانب المهمة، حيث إن بعض التطبيقات قد تسجّل أماكن تواجد المستخدمين دون علمهم. لذلك، من الضروري أن يُعلَّم الأطفال أهمية الحفاظ على الخصوصية وعدم مشاركة مواقعهم الجغرافية مع الغرباء دون موافقة الأهل أو المعلم.

الفرق بين GPS وأنظمة الملاحة الأخرى

على الرغم من أن نظام GPS هو الأكثر شهرة عالميًا، إلا أن هناك أنظمة ملاحة أخرى طورتها دول مختلفة، مثل نظام GLONASS الروسي، ونظام Galileo الأوروبي، ونظام BeiDou الصيني. تعمل هذه الأنظمة بطرق مشابهة، ولكن باستخدام أقمار صناعية مختلفة. في بعض الأحيان، تعمل أجهزة الاستقبال الحديثة على استخدام أكثر من نظام، مما يحسّن من الدقة والموثوقية، خاصة في الأماكن ذات التغطية الضعيفة.

من خلال معرفة وجود هذه الأنظمة، يمكن للمعلمين توسيع فهم الطلاب نحو مفهوم “الأنظمة العالمية المترابطة”، مما يساعد الأطفال على التعرّف على التنوع اللوجستي والتقني الذي تعتمد عليه حياة الإنسان اليومية.

مستقبل GPS وتطوّره

يتطور نظام GPS باستمرار لتقديم خدمات أكثر دقة وأمانًا. من المتوقع في المستقبل القريب أن تصل دقة التحديد إلى مستوى سنتيمترات قليلة، مما سيتيح استخدامات جديدة مثل القيادة الذاتية للسيارات، الطائرات بدون طيار في توصيل الطرود، وحتى تطوير الأدوات التعليمية الموضوعية التي تعتمد على الواقع المعزز والذكاء الاصطناعي.

لذا سيكون من المهم أن نتأكد بأن الأجيال الناشئة، خصوصًا الأطفال في المدارس، على اطلاع مُبكر بهذه التقنيات، ويمتلكون فهمًا أساسيًا حول كيفية عمل GPS، ما يُساعدهم لاحقًا في التفاعل بشكل إيجابي وفعّال مع العالم الرقمي من حولهم.