ما هو هوائي GNSS؟

ما هو هوائي GNSS؟

الهوائي GNSS (نظام القمر الصناعي العالمي) هو عنصر حاسم في عالم أنظمة تحديد المواقع والتنقل القائمة على الأقمار الصناعية. إنه بمثابة الواجهة بين الأبراج الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض ومستقبل GNSS على الأرض أو داخل الجهاز. تتمثل الوظيفة الأساسية لهوائي GNSS في تلقي الإشارات الراديوية الضعيفة التي يتم نقلها بواسطة أقمار GNSS ، مثل تلك الموجودة في نظام تحديد المواقع العالمي (نظام تحديد المواقع العالمي) ، و Glonass (نظام القمر الصناعي العالمي في روسيا) ، و Galileo (GNSS في الاتحاد الأوروبي) ، و Beidou (GNSS الصيني). تحمل هذه الإشارات معلومات حيوية بما في ذلك موضع القمر الصناعي ، والطوابع الزمنية ، والبيانات الأخرى اللازمة لحساب الموقع الدقيق للهوائي نفسه أو الجهاز الذي يتم توصيله به.

تأتي الهوائيات GNSS في أنواع مختلفة وتصميمات ، ولكل منها مجموعة من الخصائص وقدرات الأداء الخاصة بها. أحد الأنواع الشائعة هو هوائي التصحيح ، والذي يتم استخدامه غالبًا في الأجهزة المحمولة والمتنقلة بسبب حجمه المدمج والأداء الجيد نسبيًا في استلام إشارات GNSS. على سبيل المثال ، تتضمن العديد من الهواتف الذكية اليوم هوائيات التصحيح لتمكين الخدمات القائمة على الموقع مثل رسم الخرائط والتطبيقات. نوع آخر هو هوائي اللولب ، والذي يمكن أن يوفر كسبًا محسّنًا وتوجيهًا في بعض التطبيقات ، مما يجعله مناسبًا للسيناريوهات حيث يلزم استقبال أقوى وأكثر تركيزًا لإشارات الأقمار الصناعية ، كما هو الحال في بعض معدات المسح الاحترافية GNSS Antenna.

يتم قياس أداء هوائي GNSS بواسطة العديد من المعلمات الرئيسية. واحدة من أهم المكاسب ، والتي تشير إلى مدى فعالية الهوائي التي يمكن أن تضخيم إشارات القمر الصناعي المستلم. يمكن أن يتلقى هوائي ربح أعلى من المحتمل أن يتلقى إشارات أضعف من الأقمار الصناعية التي تكون بعيدة أو بزاوية ارتفاع أقل ، وبالتالي تحسين دقة تحديد المواقع الإجمالية. معلمة حاسمة أخرى هي نمط إشعاع الهوائي ، الذي يصف توزيع الطاقة الكهرومغناطيسية المشعة أو استلامه بواسطة الهوائي في اتجاهات مختلفة. يضمن نمط الإشعاع المصمم جيدًا أن الهوائي يمكن أن يتلقى إشارات من مجموعة واسعة من مواقع الأقمار الصناعية في السماء ، مما يزيد من فرص الحصول على بيانات موقع دقيقة.

بالإضافة إلى هذه الجوانب التقنية ، يلعب تركيب وتوظيف هوائي GNSS دورًا مهمًا في أدائه. على سبيل المثال ، إذا تم عرقلة الهوائي بواسطة الأشياء المعدنية أو مصادر التداخل الأخرى ، فيمكن إعاقة قدرته على تلقي إشارات ساتلية واضحة بشدة. لذلك ، في تطبيقات مثل أنظمة GNSS المثبتة على المركبات ، عادة ما يتم تثبيت الهوائي على السطح أو في منطقة ذات عرقلة ضئيلة لضمان استقبال الإشارة غير المُعتمد. وبالمثل ، في إعدادات GNSS المثبتة على المباني أو الثابتة ، يتم النظر بعناية في موقع الهوائي لتجنب التداخل من الهياكل القريبة أو المعدات الكهربائية.

مبدأ العمل لهوائيات GNSS

استقبال الإشارة ونطاقات التردد

تعمل هوائيات GNSS بناءً على مبدأ استلام إشارات التردد الراديوي (RF) المرسلة بواسطة أقمار GNSS. تنبعث هذه الأقمار الصناعية إشارات في نطاقات تردد محددة ، وتم تصميم الهوائي ليكون رنينًا في هذه الترددات لالتقاط الطاقة الواردة بكفاءة. على سبيل المثال ، يستخدم نظام GPS في المقام الأول نطاق تردد L1 (1575.42 ميغاهيرتز) ونطاق التردد L2 (1227.60 ميجاهرتز) للتطبيقات المدنية والعسكرية على التوالي. نظام Glonass ، من ناحية أخرى ، يعمل في نطاقات تردد مختلفة مثل L1 (1602 MHz) و L2 (1246 MHz). لدى Galileo و Beidou أيضًا نطاقات تردد مخصصة لنقل الإشارة.

عندما يتم وضع هوائي GNSS في منطقة مفتوحة مع خط صافٍ للأقمار الصناعية ، فإنه يبدأ في تلقي إشارات RF الضعيفة. تتفاعل عناصر الهوائي ، والتي عادة ما تكون مصنوعة من مواد موصلة مثل النحاس أو الألومنيوم ، مع الموجات الكهرومغناطيسية الواردة. تم تصميم شكل وتكوين عناصر الهوائي بعناية لمطابقة الطول الموجي للإشارات المستلمة ، مما يتيح اقتران فعال للطاقة من الأمواج إلى الدائرة الكهربائية للهوائي. هذه العملية أمر بالغ الأهمية لأنها تحدد مقدار إشارة الأقمار الصناعية المرسلة يمكن التقاطها بفعالية بواسطة الهوائي.

معالجة الإشارات وتضخيمها

بمجرد أن يتلقى هوائي GNSS إشارات الأقمار الصناعية ، فإن الخطوة التالية هي معالجة وتضخيمها. الإشارات المستلمة ضعيفة للغاية ، وغالبًا ما تكون على ترتيب microvolts أو حتى النانو. لجعل هذه الإشارات قابلة للاستخدام لمزيد من المعالجة من قبل مستقبل GNSS ، يجب تضخيمها. يتم ذلك عادةً باستخدام مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء (LNAs) المدمجة مع الهوائي أو متصلا لها. تم تصميم LNAs لزيادة قوة الإشارة مع تقديم الحد الأدنى من الضوضاء الإضافية ، لأن أي ضوضاء إضافية يمكن أن تحلل دقة حسابات تحديد المواقع اللاحقة.

بعد التضخيم ، يتم ترشيح الإشارات لإزالة أي ترددات أو تداخل غير مرغوب فيه قد يكون قد تم التقاطه مع إشارات الأقمار الصناعية. تساعد عملية التصفية هذه على تنظيف الإشارة والتأكد من تمرير ترددات إشارة GNSS ذات الصلة إلى المتلقي. ثم يتم نقل الإشارات المصفاة والمضخمة إلى مستقبل GNSS ، حيث تتم معالجتها بشكل أكبر لاستخراج المعلومات اللازمة مثل موضع القمر الصناعي ، ووقت الإرسال ، وغيرها من البيانات اللازمة لحساب موضع الهوائي على الأرض.

أنواع هوائيات GNSS

هوائيات التصحيح

هوائيات التصحيح هي واحدة من أكثر أنواع هوائيات GNSS استخدامًا ، وخاصة في الأجهزة المحمولة والمحمولة. تتميز شكلها المسطح أو المستطيل أو الدائري ، مما يجعلها مناسبة للغاية للتكامل في الأجهزة الإلكترونية المدمجة. يتكون هوائي التصحيح النموذجي من عنصر تصحيح موصل مثبت على ركيزة عازلة ، مع طائرة أرضية على الجانب الآخر من الركيزة. تم تصميم حجم وشكل عنصر التصحيح ، وكذلك خصائص المادة العازلة ، بعناية لتحقيق خصائص التردد وخصائص الأداء المطلوبة.

واحدة من مزايا هوائيات التصحيح هي انخفاضها نسبيا وسهولة التكامل. على سبيل المثال ، في الهواتف الذكية ، يمكن دمج هوائيات التصحيح بسهولة في غلاف الجهاز دون تناول مساحة كبيرة. كما أنها توفر مكاسب لائقة وخصائص الإشعاع في نطاقات تردد GNSS ، مما يتيح استقبال موثوق لإشارات الأقمار الصناعية. ومع ذلك ، قد لا يكون مكاسبها عالية مثل بعض أنواع الهوائيات الأخرى ، ويمكن أن يتأثر أدائها بعوامل مثل اتجاه الجهاز ووجود كائنات قريبة قد تسبب التداخل.

هوائيات الحلزون

الهوائيات الحلزونية هي نوع آخر من هوائي GNSS الذي يوفر خصائص أداء فريدة. وهي تتكون من ملف حلزوني من الأسلاك أو الأنابيب الموصلة ، مما يمنحهم شكل أسطواني متميز. يعمل هوائي اللولب بناءً على مبدأ الاستقطاب الدائري ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا في بعض التطبيقات. يساعد الاستقطاب الدائري على تقليل آثار تلاشي الإشارة والتداخل المتعدد ، والتي هي مشاكل شائعة في استقبال إشارة GNSS.

يمكن أن توفر هوائيات Helix ربحًا مرتفعًا نسبيًا مقارنةً بهوائيات التصحيح ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي يلزم استقبالًا أقوى لإشارات الأقمار الصناعية. على سبيل المثال ، في معدات المسح المهنية أو في بعض أنظمة تحديد المواقع عالية الدقة ، يمكن استخدام هوائيات Helix لضمان تحديد موقع دقيق وموثوق حتى في البيئات الصعبة. ومع ذلك ، فهي عمومًا أكبر وأكثر ضخمة من هوائيات التصحيح ، والتي قد تحد من استخدامها في بعض الأجهزة المحمولة أو المقيدة للمساحة.

هوائيات ثنائي القطب

هوائيات ثنائي القطب هي نوع كلاسيكي من الهوائي الذي يمكن استخدامه أيضًا لتطبيقات GNSS. يتكون هوائي ثنائي القطب من عنصرين موصلان على قدم المساواة ، وعادة ما يتم فصلهما بفجوة صغيرة. في سياق GNSS ، غالبًا ما يتم تعديل هوائيات ثنائي القطب أو تحسينه للعمل في الترددات المحددة لأنظمة GNSS. يمكنهم تقديم عرض ترددي واسع نسبيًا وخصائص الإشعاع في كل مكان جيد ، مما يعني أنها يمكن أن تتلقى إشارات من مجموعة واسعة من الاتجاهات في السماء.

ومع ذلك ، قد لا توفر هوائيات ثنائي القطب ربحًا مرتفعًا مثل بعض الهوائيات GNSS المتخصصة الأخرى. يمكن أن يتأثر أدائهم أيضًا بالبيئة المحيطة ، مثل وجود الأشياء الموصلة القريبة التي يمكن أن تشوه نمط إشعاع الهوائي. على الرغم من هذه القيود ، يتم استخدام هوائيات ثنائي القطب في بعض الأحيان في التطبيقات حيث يلزم وجود حل بسيط وفعال من حيث التكلفة لاستقبال إشارة GNSS ، كما هو الحال في بعض أجهزة التتبع الأساسية أو في الإعدادات التجريبية.

العوامل التي تؤثر على أداء هوائي GNSS

نمط الكسب والإشعاع

إن كسب هوائي GNSS هو عامل حاسم يؤثر بشكل مباشر على قدرته على تلقي إشارات الأقمار الصناعية الضعيفة. كما ذكرنا سابقًا ، يشير الكسب إلى مدى فعالية الهوائي التي يمكن أن تضخيم الإشارات المستلمة. يمكن للهوائي أعلى الكسب أن يلتقط إشارات من الأقمار الصناعية التي تكون بعيدة أو بزوايا الارتفاع المنخفض ، وهو أمر مفيد لتحسين دقة تحديد المواقع الشاملة. على سبيل المثال ، في التطبيقات التي يوجد فيها مستقبل GNSS في وادي أو محاط بالمباني الطويلة ، يمكن أن يساعد هوائي عالي الأداء في التغلب على توهين الإشارة الناجم عن العقبات ولا يزال يتلقى قوة إشارة كافية من الأقمار الصناعية.

يلعب نمط الإشعاع للهوائي أيضًا دورًا مهمًا. يجب أن يوفر نمط الإشعاع المصمم جيدًا استقبالًا موحدًا نسبيًا للإشارات من اتجاهات مختلفة في السماء. إذا كان نمط الإشعاع اتجاهيًا للغاية ، فقد يفوت الإشارات من بعض مواقع الأقمار الصناعية ، مما يؤدي إلى بيانات تحديد المواقع غير المكتملة أو غير الدقيقة. من ناحية أخرى ، إذا كان النمط متعدد الاتجاهات ، فقد يتلقى الكثير من التداخل غير المرغوب فيه من مصادر أخرى ، مما يؤدي إلى تحطيم جودة الإشارة. لذلك ، فإن العثور على التوازن الصحيح في تصميم نمط الإشعاع أمر ضروري لأداء هوائي GNSS الأمثل.

نطاق التردد وعرض النطاق الترددي

يتم تحديد نطاق التردد الذي يعمل فيه هوائي GNSS بواسطة نظام GNSS المحدد الذي تم تصميمه للعمل معه. كما ذكرنا من قبل ، تستخدم أنظمة GNSS المختلفة نطاقات تردد مختلفة لنقل الإشارة. على سبيل المثال ، يبلغ نطاق تردد GPS L1 1575.42 ميغاهيرتز ، ويجب ضبط الهوائي على هذا التردد لتلقي إشارات GPS بكفاءة. إذا لم يتم ضبط الهوائي بشكل صحيح إلى نطاق التردد الصحيح ، فلن يكون قادرًا على التقاط الإشارات بشكل فعال ، مما يؤدي إلى ضعف الأداء.

بالإضافة إلى نطاق التردد المحدد ، فإن عرض النطاق الترددي للهوائي مهم أيضًا. يشير عرض النطاق الترددي إلى نطاق الترددات التي يمكن للهوائي أن يعمل عليها بأداء مقبول. يمكن أن يتلقى هوائي عرض النطاق الترددي الأوسع إشارات من أنظمة GNSS المتعددة التي تعمل في نطاقات تردد مختلفة قليلاً ، مما يوفر المزيد من المرونة في التطبيقات التي يلزم التوافق مع أنظمة مختلفة. ومع ذلك ، قد يأتي عرض النطاق الترددي الأوسع مع بعض المقايضات ، مثل انخفاض ربح أو زيادة التعرض للتداخل في بعض الحالات.

التدخل والعرقلة

التداخل هو عامل رئيسي يمكن أن يؤدي إلى تحطيم أداء هوائي GNSS بشكل كبير. هناك العديد من مصادر التداخل ، بما في ذلك أجهزة التردد الراديوية الأخرى التي تعمل في المنطقة المجاورة ، مثل الهواتف الخلوية ، وأجهزة التوجيه Wi-Fi ، وأجهزة الاتصال اللاسلكية الأخرى. يمكن أن تنبعث هذه الأجهزة إشارات قد تتداخل مع نطاقات تردد GNSS ، مما يسبب التداخل وجعل من الصعب على الهوائي أن يتلقى بدقة إشارات الأقمار الصناعية. على سبيل المثال ، في بيئة حضرية مزدحمة حيث توجد العديد من الأجهزة اللاسلكية المستخدمة ، قد يواجه هوائي GNSS تداخلًا كبيرًا.

تشكل العوائق أيضًا تحديًا لأداء الهوائي GNSS. يمكن للكائنات المادية مثل المباني والأشجار والجبال أن تمنع أو تخفيف إشارات الأقمار الصناعية ، مما يقلل من قوة الإشارة التي يتلقاها الهوائي. في التطبيقات المثبتة على المركبات ، على سبيل المثال ، إذا تم تثبيت الهوائي بالقرب من الجسم المعدني للمركبة أو المكونات المعدنية الكبيرة الأخرى ، فقد يعاني من انسداد أو انعكاس ، مما يؤدي إلى وضع غير دقيق. لذلك ، من الضروري دراسة متأنية لموقع تثبيت الهوائي والبيئة المحيطة لتقليل تأثير التداخل والعرقلة.

تطبيقات الهوائيات GNSS

الخدمات القائمة على التنقل والمواقع

أحد أكثر التطبيقات انتشارًا لهوائيات GNSS في الخدمات القائمة على الملاحة والموقع. في المركبات ، مثل السيارات والشاحنات والسفن ، يتم استخدام هوائيات GNSS بالاقتران مع مستقبلات GNSS لتوفير معلومات دقيقة عن أنظمة الملاحة. يمكّن ذلك برامج التشغيل والملاحين من تحديد موقعهم الدقيق على الخريطة ، وتخطيط طرق ، واستلام تحديثات حركة المرور في الوقت الفعلي. على سبيل المثال ، تعتمد تطبيقات التنقل الشهيرة على الهواتف الذكية على هوائي GNSS المدمج داخل الجهاز لتوفير خدمات قائمة على الموقع مثل اتجاهات الدوران ، ونقاط البحث عن الاهتمام القريبة ، وأوقات وصول تقديرية.

في صناعة الطيران ، تعد الهوائيات GNSS ضرورية أيضًا للملاحة الطائرات. يتم استخدامها في أنظمة إدارة الطيران لتحديد موضع الطائرة وارتفاعها وسرعة بدقة ، مما يسمح لعمليات طيران آمنة وفعالة. لقد أدى استخدام GNSS في الطيران إلى تحسين دقة وموثوقية التنقل مقارنة بالطرق التقليدية ، مما يقلل من خطر الأخطاء وتعزيز سلامة الطيران.

مسح ورسم الخرائط

تلعب هوائيات GNSS دورًا حيويًا في مسح التطبيقات ورسم الخرائط. يستخدم المساحون المحترفون أجهزة استقبال GNSS عالية الدقة مجهزة بهوائيات متخصصة لقياس موضع ونقاط النقاط بدقة على سطح الأرض. يستخدم هذا لإنشاء خرائط مفصلة ، وتحديد حدود الممتلكات ، وإجراء المسوحات الأراضي. على سبيل المثال ، في مشاريع البناء ، يتم استخدام هوائيات GNSS لتحديد موقع زوايا وحدود مواقع البناء بدقة ، مما يضمن تنفيذ البناء وفقًا للتصميم المخطط له.

في الدراسات الاستقصائية الجيولوجية والبيئية ، يتم استخدام هوائيات GNSS أيضًا لتتبع حركة قشرة الأرض ، ومراقبة التغييرات في الأشكال الأرضية ، ودراسة توزيع الموارد الطبيعية. تتيح الدقة العالية لتحديد المواقع المستندة إلى GNSS جمع بيانات مفصلة ودقيقة في هذه المجالات ، مما يمكّن العلماء والباحثين من فهم سطح الأرض وتغييراتها بشكل أفضل مع مرور الوقت.

تتبع الأصول وإدارة الأسطول

تستخدم هوائيات GNSS على نطاق واسع في أنظمة تتبع الأصول وإدارة الأسطول. في صناعات الخدمات اللوجستية والنقل ، تستخدم الشركات أجهزة تتبع GNSS مع الهوائيات لمراقبة موقع وحركة سياراتها وحاوياتها وغيرها من الأصول القيمة. هذا يسمح لهم بتحسين الطرق وتحسين أوقات التسليم وتعزيز أمان أصولهم. على سبيل المثال ، يمكن لشركة الشحن استخدام هوائيات GNSS على حاوياتها لتتبع موقعها أثناء العبور ، مما يضمن وصولها إلى وجهاتها في الوقت المحدد ولا تضيع أو سرقت.

في حالة إدارة الأسطول ، توفر هوائيات GNSS على المركبات بيانات موقع في الوقت الفعلي لمديري الأسطول ، وتمكينهم من مراقبة سلوك السائق واستهلاك الوقود وصيانة المركبات. هذا يساعد في تقليل التكاليف التشغيلية ، وتحسين الكفاءة ، وضمان الامتثال للوائح. بشكل عام ، أحدث استخدام هوائيات GNSS في تتبع الأصول وإدارة الأسطول ثورة في الطريقة التي تدير بها الشركات أصولها المحمولة.

اعتبارات تصميم هوائي GNSS

الحجم وعامل الشكل

يعد حجم وشكل هوائي GNSS اعتبارات مهمة ، خاصة في التطبيقات التي تكون فيها المساحة محدودة. في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية ، يجب أن يكون الهوائي صغيرًا بما يكفي