الملاحة عبر الأقمار الاصطناعية
نظرة تاريخية

جرى استخدام الملاحة الراديوية الأرضية منذ فترة طويلة. استخدمت أنظمة ديكا ولوران وجيي وأوميغا الملاحية أجهزة إرسال راديوية أرضية ذات موجاتٍ طويلة تبث نبضة راديوية من موقع «رئيسي» معروف، تليها نبضة مكررة من عدد من المحطات «المُستعبدة». أتاح التأخير بين استقبال الإشارة الرئيسية والمُستعبدة للمستقبِل استنتاج المسافة التي تفصله عن المحطات المُستعبدة، ما يعني تحديد موقعها.
يُعتبر نظام ترانزيت أول نظام للملاحة عبر الأقمار الاصطناعية، وهو نظام أطلقه الجيش الأمريكي في الستينيات. استند نظام ترانزيت على تأثير دوبلر: تتحرك الأقمار الاصطناعية في مداراتٍ معروفة وتبث إشاراتها على شكل تردداتٍ لاسلكية معروفة. سيختلف التردد المستقبَل قليلًا عن تردد البث بسبب حركة القمر الاصطناعي بالنسبة للمُستقبِل. من خلال مراقبة هذا الانزياح في التردد خلال فترة زمنية قصيرة، يمكن للمستقبِل تحديد موقعه على أحد جانبي القمر الاصطناعي، ويمكن للعديد من هذه القياسات مجتمعة مع المعرفة الدقيقة لمدار القمر الاصطناعي تحديد موقع معين. تحدث أخطاءٌ في تحديد الموقع المداري للأقمار الاصطناعية نتيجة الاختلافات في مجال الجاذبية للأرض وانكسار أشعة الرادار، بالإضافة لعوامل أخرى. حُلّت هذه المشاكل من قبل فريق بقيادة هارولد أل. جوري من قسم بان آب للفضاء الجوي في فلوريدا بين عامي 1970 و1973. باستخدام استيعاب البيانات في الوقت الحقيقي والتقدير الذاتي، تم تضييق الأخطاء المنهجية والزائدة إلى مستوى يمكن التحكم فيه للسماح بالملاحة الدقيقة.
تضمن جزء من بث القمر الاصطناعي المداري بياناته المدارية الدقيقة. من أجل ضمان الدقة، يرصد مرصد البحرية الأمريكية (يو أس أن أوه) باستمرار المدارات الدقيقة لهذه الأقمار الاصطناعية. في حالة انحرف مدار القمر الاصطناعي، سيقوم مرصد البحرية الأمريكية بإرسال المعلومات المحدثة إلى القمر الاصطناعي. سوف تحتوي عمليات البث اللاحقة من القمر الاصطناعي المحدث على أحدث تقويمٍ فلكي.
تكون الأنظمة الحديثة أكثر مباشرةً في عملها. يبث القمر الاصطناعي إشارة تحتوي على البيانات المدارية (التي يمكن من خلالها حساب موضع القمر الاصطناعي) والوقت المحدد لإرسال الإشارة. تشمل البيانات المدارية تقويمًا فلكيًا تقريبيًا لجميع الأقمار الاصطناعية للمساعدة في العثور عليها. يُرسل التقويم الفلكي المداري في رسالة بيانات تُوضع على رمز يعمل كمرجعٍ للتوقيت. تستخدم الأقمار الاصطناعية ساعاتٍ ذرية للحفاظ على التزامن بين جميع الأقمار الاصطناعية في الكوكبة. يُقارن جهاز الاستقبال وقت البث المشفّر في إرسال ثلاثة (على مستوى سطح البحر) أو أربعة أقمار صناعية مختلفة، وبالتالي يمكن قياس زمن رحلة كل قمرٍ صناعي. يمكن إجراء العديد من هذه القياسات في نفس الوقت للأقمار الاصطناعية المختلفة، مما يسمح بتحديد الموقع في الوقت الفعلي بشكلٍ مستمر باستخدام نسخة معدلة من التثليث المساحي.
يضع كل قياسٍ للمسافة، بغض النظر عن النظام المستخدم، جهاز الاستقبال على غلاف كروي على المسافة المقاسة من جهاز البث. عن طريق أخذ العديد من هذه القياسات ثم البحث عن نقطة اجتماعها، يُحدّد الموقع. ومع ذلك، في حالة أجهزة الاستقبال سريعة الحركة، يتحرك موضع الإشارة أثناء تلقي الإشارات من عدة أقمار صناعية. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ الإشارات الراديوية تبطئ قليلًا عندما تمر عبر الغلاف الأيوني للأرض، ويختلف هذا التباطؤ باختلاف الزاوية بين المستقبِل والقمر الاصطناعي، لأن ذلك يغير المسافة عبر الغلاف الأيوني. وبالتالي تُحاول الحسابات الأساسية العثور على أقصر خطٍ موجهٍ مماسي لأربعة أغلفةٍ كروية مفلطحة تتركز على أربعة أقمار صناعية. تقلل مُستقبلات الملاحة عبر الأقمار الاصطناعية من الأخطاء عن طريق استخدام مجموعات من الإشارات الصادرة عن عدة أقمارٍ صناعية وروابط متعددة، ثم استخدام تقنيات مثل ترشيح كالمان لدمج البيانات المُشوشة، والجزئية، والمتغيرة باستمرار في تقدير واحدٍ للموضع، والوقت، والسرعة.