ناوبری ماهواره‌ای با استفاده از منظومه‌های مخابراتی مدار لئو

سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای دهه‌هاست که با تعیین موقعیت به بشر خدمات‌رسانی می‌کنند. امروزه اما منظومه‌های مخابرات ماهواره‌ای بزرگ مانند منظومه استارلینک (Starlink) شرکت اسپیس‌ایکس (SpaceX) و منظومه شرکت وان‌وب (OneWeb) که برای ارائه خدمات اینترنت به سراسر جهان در حال توسعه‌اند می‌توانند تحولی در عرصه ناوبری ماهواره‌ای ایجاد کنند. چنین منظومه‌هایی با نصب برخی تجهیزات، امکان استفاده برای مقاصد ناوبری را نیز خواهند داشت و باتوجه‌به‌ پوشش سراسری که در تمام جهان ایجاد می‌کنند، بحث استفاده از آن‌ها در ناوبری ماهواره‌ای داغ شده است.

منظومه‌های ماهواره‌ای ناوبری درحال‌حاضر در مدار مئو مستقر هستند؛ مداری که محدوده آن را از بالای مدار لئو در ارتفاع ۲ هزار کیلومتری سطح آب‌های آزاد تا زیر مدار ژئو در ارتفاع حدودا ۳۵ هزار کیلومتری مشخص کرده‌اند. اما اکنون به‌گفته پژوهشگران حوزه فضا مدار لئو برای عملکرد سامانه ناوبری ماهواره‌ای جهانی (Global Navigation Satellite System به‌اختصار GNSS) بسیار مناسب است. GNSS سامانه‌ای شامل تعدادی ماهواره کوچک برای تشخیص موقعیت دقیق جغرافیایی دریافت‌کننده‌ای است که توسط کاربر حمل می‌شود.

تاریخچه استفاده از مدار لئو برای ناوبری ماهواره‌ای

استفاده از مدار لئو برای ناوبری ماهواره‌ای به دهه ۱۹۶۰ بازمی‌گردد؛ زمانی‌که ایالات متحده سامانه ناوبری ترنزیت (Transit) خود متشکل از ۵ ماهواره را در این مدار ایجاد کرد. آمریکا بین سال‌های ۱۹۵۹ تا ۱۹۸۸ ماهواره‌های این منظومه را در مدار قرار داد و خدمات‌رسانی ترنزیت از سال ۱۹۶۴ آغاز شد. سامانه ترنزیت ابتدا برای مقاصد نظامی مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما بعدها جهت نیازهای غیرنظامی نیز از آن استفاده شد. فعالیت این سامانه در پایان سال ۱۹۹۶ و با توسعه منظومه جی‌پی‌اس و گلوناس (GLONASS) روسیه به‌پایان رسید.

البته در آن زمان یافته‌های محققان بیانگر آن بود که مدار مئو محل مناسب‌تری برای ماهواره‌های ناوبری است. آن‌ها می‌گفتند مدار مئو موجب می‌شود اختلال کمتری متوجه سیگنال‌های سامانه شده و با تعداد کمی از ماهواره‌ها بتوان پوشش مناسبی ایجاد کرد. بااین‌وجود مدار مئو برای سامانه‌های ناوبری معایبی را نیز به‌همراه داشت.

معایب مدار مئو برای ناوبری ماهواره‌ای

باتوجه‌به اینکه ماهواره‌ها در باند L فعالیت می‌کنند، استفاده‌های غیرمرتبط با GNSS پهنای باند آن را کم کرده که نتیجه آن کاهش دقت موقعیت‌یابی است. همچنین تعداد کم این ماهواره‌ها در جنگ‌های فضایی احتمالی به‌عنوان خطری بالقوه برای اپراتورها محسوب می‌شود، چرا که طرف مقابل به‌منظور از کار انداختن یا از بین بردن این ماهواره‌ها در قیاس با منظومه‌هایی با تعداد زیاد ماهواره‌ها کار آسان‌تری دارد. امروزه چندین منظومه ماهواره‌ای ناوبری جهانی و منطقه‌ای خدمات‌رسانی می‌کنند که همگی در مدار مئو مستقر هستند.

ناوبری ماهواره‌ای
نمای ماهواره‌های سامانه ناوبری ترنزیت

منظومه‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی و منطقه‌ای

درحال‌حاضر شش منظومه جهانی ناوبری ماهواره‌ای وجود دارد؛ جی‌پی‌اس متعلق به آمریکا، گالیلئو (Galileo) متعلق به اتحادیه اروپا، گلوناس (GLONASS) روسیه و بیدو (BeiDou) چین که پوشش جهانی می‌دهند و منظومه‌های IRNSS (سرواژه Indian Regional Navigation Satellite System) هند و QZSS (سرواژه Quasi-Zenith Satellite System) ژاپن که پوشش منطقه‌ای دارند.

استفاده همزمان از سیگنال‌های چند منظومه ناوبری باعث افزایش دقت مکان‌یابی و زمان‌سنجی برای ماموریت‌های اطراف زمین می‌شود. این موضوع به‌ویژه در ارتفاع‌های بسیار بالا که سیگنال‌های کمتری از سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی در دسترس است، اهمیت ویژه پیدا می‌کند.

هر کدام از این منظومه‌ها دارای طراحی و استانداردهای خاصی هستند و بهره‌گیری همزمان از آن‌ها نیازمند توسعه سامانه‌ای چند منظومه‌ای (Multi-GNSS) است. در نتیجه محققان در صدد یافتن راهی جایگزین برای این منظور شدند که ایده بهره‌گیری از منظومه‌های مخابراتی برای ناوبری ماهواره‌ای شکل گرفت.

سامانه ناوبری
سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای با پوشش جهانی و تعداد ماهواره‌های در مدار آن‌ها

ایده استفاده از منظومه‌های مخابراتی برای ناوبری ماهواره‌ای

طی سال‌های اخیر، به‌ویژه از سال ۲۰۱۸، پژوهش‌هایی به‌منظور بررسی امکان‌سنجی استفاده از منظومه‌های مخابراتی مدار لئو برای مقاصد ناوبری ماهواره‌ای صورت گرفته است. مطالعاتی نیز دراین‌خصوص بر روی منظومه‌های فعلی و آینده انجام شده است که محققان طی آن عملکرد این ماهواره‌ها برای ناوبری را از لحاظ مختلف مانند خصوصیت‌های منظومه، سطح پوشش‌دهی، قدرت سیگنال و میزان دقت در مقایسه با سامانه‌های موقعیت‌یابی بیدو و گالیلئو مورد بررسی قرار داده‌اند.

نکته قابل‌توجه در بهره‌گیری از منظومه‌های مخابراتی برای مقاصد ناوبری این است که ماهواره‌های مذکور نیازی به تجهیزات اختصاصی برای ارائه خدمات موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌سنجی (PNT) ندارند و فرستنده‌ها، آنتن‌ها، ساعت‌ها و طیف شبکه پهن باند چنین منظومه‌هایی برای فراهم‌آوری این خدمات کافی است.

نتایج مطالعات بیانگر آن است که چنین منظومه‌هایی برای مقاصد ناوبری عملکرد بهتری را در قیاس با سامانه‌های GNSS نشان می‌دهند و پلتفرم مناسبی برای ناوبری در محیط‌های چالش‌برانگیز فضا هستند. بنابراین می‌توان از آن‌ها به‌طور جداگانه یا در کنار سامانه‌های GNSS و به‌منظور تقویت عملکرد این سامانه‌ها بهره برد.

یافته‌های محققان دانشگاه تگزاس (University of Texas) آمریکا حاکی از آن است که استفاده از منظومه‌های مخابراتی برای ناوبری بدون مشارکت با اپراتور آن‌ها را می‌توان به‌عنوان یک گزینه در نظر گرفت، اما مشارکت اپراتوها در این امر (ادغام هر دو ماموریت ناوبری و مخابراتی) نتیجه بهتری دربردارد، زیرا بار ردیابی منظومه کاهش یافته و گیرنده را قادر می‌سازد تا خدمات PNT را به‌صورت مستقل ارائه دهد. درهمین‌راستا دانشمندان روشی را جهت استفاده از ماهواره‌های استارلینک برای ناوبری ماهواره‌ای توسعه داده‌اند.

موقعیت‌یابی با استفاده از ماهواره‌های استارلینک

روش ابداعی محققان بدین شکل است که طی آن از سیگنال ماهواره‌های استارلینک جهت موقعیت‌یابی با دقت بالا روی زمین استفاده می‌شود. پژوهشگران در این شیوه که از طریق آن می‌توان مانند ماهواره‌های جی‌پی‌اس به تعیین موقعیت پرداخت، از سیگنال‌های ۶ ماهواره استارلینک به‌منظور مشخص کردن موقعیت مکانی با دقتی در حدود ۸ متر بهره گرفتند.

دانشمندان برای استفاده از سیگنال‌های ماهواره‌ها نیازی به کمک اسپیس‌ایکس و دسترسی داده‌های ارسالی از طریق ماهواره‌ها نداشتند و فقط از اطلاعات مربوط به موقعیت و حرکت ماهواره‌ها استفاده کردند. به‌گفته زک کساس (Zak Kassas)، محقق دانشگاه ایالتی اوهایو (Ohio State University) آمریکا، آن‌ها برای این منظور سیگنال‌ها را دریافت کرده و الگوریتم‌های پیچیده‌ای را جهت تعیین موقعیت مکانی خود طراحی کردند.

کساس و تیم تحقیقاتی او با مطالعه منظومه استارلینک و تجزیه‌وتحلیل سیگنال‌های ارسالی از آن‌ها، الگوریتمی را توسعه دادند که می‌تواند از سیگنال‌های چندین ماهواره برای تعیین موقعیت روی زمین بهره بگیرد. محققان سپس با استفاده از یک آنتن سعی کردند از طریق ماهواره‌های استارلینک موقعیت آن را تعیین کنند.

آن‌ها توانستند موقعیت آنتن را با دقت حدودا ۷.۷ متر تعیین کنند. برای مقایسه، ماهواره‌های جی‌پی‌اس به‌طور کلی چنین کاری را با دقت ۰.۳متر تا ۵ متر انجام می‌دهند. بنابر اظهارات کساس، این تیم با استفاده روش‌های مشابه از طریق دیگر منظومه‌های ماهواره‌ای مدار لئو نیز توانست موقعیت‌یابی را با دقتی کمتر، در حدود ۲۳ متر، انجام دهد.

یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد ماهواره‌های این منظومه ممکن است در آینده بتوانند به‌عنوان جایگزینی برای ماهواره‌های جی‌پی‌اس مطرح شوند. منظومه مخابراتی دیگری که می‌توان از آن هم برای ناوبری ماهواره‌ای استفاده کرد، وان‌وب است.

استارلینک
نمای ماهواره‌های منظومه مخابراتی استارلینک

برنامه انگلیس جهت استفاده از منظومه وان‌وب برای ناوبری ماهواره‌ای

وان‌وب که در انگلیس و آمریکا شعبه دارد، سال ۲۰۲۰ دچار ورشکستگی شد، اما مدتی بعد دولت انگلیس و شرکت هندی بهارتی گلوبال (Bharti Global Ltd) آن را به‌طور مشترک و با مبلغی معادل ۱ میلیارد دلار (هر کدام ۵۰۰ میلیون دلار) خریداری کردند. ممکن است یک هدف انگلیس از چنین اقدامی، تملک یک سامانه موقعیت‌یابی مستقل باشد؛ چرا که به‌دنبال خروج این کشور از اتحادیه اروپا، انگلیس دیگر تملکی نسبت به سامانه موقعیت‌یابی گالیلئو (Galileo) قاره سبز نخواهد داشت.

به‌گفته مسئولان انگلیس، منظومه وان‌وب د‌رحال‌حاضر فقط برای ارائه خدمات اینترنت است، ولی نسل بعدی ماهواره‌های این منظومه با اعمال تغییراتی می‌توانند جهت ارائه خدمات PNT مورد استفاده قرار گیرند. چنین موضوعی می‌تواند آینده ناوبری ماهواره‌ای جهانی را نیز تحت تاثیر قرار داده و سطح عملکرد آن را ارتقا دهد.

وان‌وب
نمای ماهواره‌های منظومه مخابراتی وان‌وب

تاثیر منظومه‌های بزرگ مخابراتی در آینده ناوبری ماهواره‌ای

بنابر اظهارات کارشناسان، عملکرد ماهواره‌های ناوبری در مقابل اختلال‌ها در مدارهای کم‌ارتفاع‌تر نسبت به مدار مئو بهبود می‌یابد؛ ازاین‌رو مدت‌هاست که استفاده از مدار لئو برای این نوع ماهواره‌ها مدنظر است، اما چنین امری با‌توجه‌به کم شدن ارتفاع ماهواره‌ها نیاز به ایجاد منظومه‌های بزرگ داشته و هزینه زیادی دربردارد.

به‌علاوه، ماهواره‌های منظومه‌های مخابراتی در طول موج کوتاه‌تری نسبت به ماهواره‌های فعلی GNSS فعالیت می‌کنند که در نتیجه استفاده از آنتن‌های گیرنده نسبتا کوچک و قوی را میسر می‌سازد. بااین‌اوصاف با توسعه منظومه‌های بزرگ مخابراتی و تعبیه برخی تجهیزات روی ماهواره‌های آن‌ها می‌توان به بهبود کارآیی ناوبری ماهواره‌ای در آینده امیدوار بود.

منبع ion gpsworld arxiv espash wikipedia
نوشته‌های که ممکن است علاقه‌مند باشید :
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.