کاربرد پهپادها طی سال‌های اخیر افزایش قابل‌توجهی یافته است که از استفاده برای سرگرمی‌های ساده گرفته تا خدمات پزشکی اورژانسی پیچیده را شامل می‌شود. یکی از واضح‌ترین و در‌عین‌حال حیاتی‌ترین عملکردهای پهپاد، توانایی آن‌ها برای فعالیت در شرایط اضطراری است؛ جایی‌که دخالت مستقیم افراد، خطرناک یا به‌لحاظ هزینه‌ای گران است. برای برقراری ارتباط از راه دور خلبان با پهپاد به یک لینک ارتباطی بی‌سیم به‌صورت در لحظه نیاز است. حتی در کاربردهای تجاری یا تفریحی، پهپاد برای ناوبری دقیق و ایمنی باید هدایت شود و بر اساس نوع ماموریت آن، نیازهای شبکه و کیفیت خدمات (QoS) ممکن است متفاوت باشد.
اپراتورها پهپاد را از طریق ایستگاه‌های کنترل زمینی هدایت می‌کنند که می‌تواند توسط یک هدایت‌گر دستی کوچک انجام شود و یا از طریق فناوری ماهواره و از اتاق فرمان صورت پذیرد. یک پهپاد از طریق لینک داده به یک خلبان روی زمین متصل است. خلبان پهپاد را هدایت می‌کند و ممکن است با کنترل ترافیک هوایی (ATC) ارتباط بگیرد. منظور از لینک داده، ارتباط میان خلبان و پهپاد است؛ جایی‌که خلبان ممکن است دسترسی مستقیم به پهپاد داشته باشد یا آن را به‌صورت غیرمستقیم و از طریق شبکه‌ای از لینک‌های داده مانند ارتباطات سلولی یا ماهوارهای هدایت کند. در این مقاله به ارائه جزئیاتی از نحوه هدایت هواپیماهای بدون سرنشین توسط ماهواره‌ها می‌پردازیم.
ارتباطات ماهوارهای، راهی موثر برای هدایت پهپاد
مطابق تخمین شرکت انجمن صنایع هوافضا (AIA) آمریکا سالانه بیش از یک میلیون ساعت پرواز بدون سرنشین در ایالات متحده انجام می‌شود که پیش‌بینی‌ها حاکی از افزایش این میزان در آینده است. براین‌اساس، ارتباطات ماهوارهای (SATCOM) به هموار کردن راه برای پرواز پهپادها در حریم هوایی کشورها کمک می‌کند. ارتباطات ماهوارهای یک لینک انتقال داده از طریق ماهواره‌ها در مدارهای مختلف است. اما چه مزایایی موجب روی آوردن به فناوری ماهواره برای هدایت پهپادها شده است و آیا این امر معایبی هم دارد؟
مزایا و معایب ارتباطات ماهوارهای برای هدایت پهپاد
-
مزایا
ارتباطات ماهوارهای به خلبان اجازه می‌دهد تا پهپاد را «فراتر از خط دید» (BLOS) خود به‌پرواز درآورده و حداکثر محدوده پوشش قابل تحقق را فراهم می‌کند. همان‌طور که در تصویر زیر نشان داده شده است، خلبان می‌تواند پوشش دید خود را با حذف لینک ارتباطی «خط دید» (LOS) گسترش دهد.
برخی از مزایای اساسی ارتباطات ماهوارهای در هدایت پهپاد، امکان تحرک بسیار بیشتر، قابلیت اطمینان بالا و ارتباطات پایدار در برابر پارازیت همراه با سرعت داده بالا است؛ خصوصیاتی که به فعالیت پهپادهای دارای ارتباطات ویدئویی یا حسگرهای تصویربرداری برای فعالیت‌های مهم کمک شایانی می‌کند. در بهره‌گیری از ارتباطات ماهوارهای برای هدایت پهپاد از ماهواره‌های هر دو مدار لئو و ژئو استفاده می‌شود. ارائه دید در مسافت‌های طولانی برای کاربردهای مختلف پهپادها، عملکردشان را گسترش داده و این امکان را فراهم می‌آورد تا در همه برنامه‌های هوانوردی به‌کار گرفته شوند.
ارتباطات ماهوارهای به پهپاد اجازه می‌دهد تا بر محدودیت‌هایی از جمله پوشش کم و تاثیرات آب‌وهوای محلی غلبه کند. دلیل دیگر برای بهره‌گیری از فناوری ماهواره در هدایت پهپاد این است که باندهای لینک داده خط دید متراکم هستند و افزایش رشد ترافیک هوایی مستلزم اختصاص طیف رادیویی جدید برای لینک‌های داده هوایی است. ذکر این نکته ضروری است که BLOS شامل LOS هم می‌شود، بنابراین ارتباطات ماهوارهای خدمات LOS را نیز ارائه می‌دهد.
گفتنی است لینک‌های ماهوارهای معمولا از باندهای K و Ku استفاده می‌کنند که روند کنونی به‌سمت بهره‌گیری از باند Ku برای ماهواره‌های مخابراتی پربازده (HTS) است. سامانه‌های ارتباطات ماهوارهای باند Ku از داون‌لینک (دریافت داده از ماهواره) ۱۱.۷ تا ۱۲.۷ گیگاهرتز و آپلینک (ارسال داده به ماهواره) ۱۴ تا ۱۴.۵ گیگاهرتز استفاده می‌کنند. در آینده نزدیک این ماهواره‌ها ممکن است بیش از ۱۰۰ گیگابیت بر ثانیه توان عملیاتی ارائه دهند.
-
معایب
علی‌رغم تمام مزایای بهره‌گیری از ارتباطات ماهوارهای برای هدایت پهپاد، این فناوری گران بوده و فقط برای پهپادهای با ارتفاع بالا یا حداکثر برای پهپادهای ارتفاع متوسط مقرون‌به‌صرفه است، ازاین‌رو از ارتباطات ماهوارهای برای پهپادهای کوچک استفاده نمی‌شود. یکی از چالش‌های اصلی ارتباطات ماهوارهای، تاخیر است که به دو صورت تعریف می‌شود؛ یک‌طرفه و دوطرفه. مورد اول به مدت زمانی گفته می‌شود که داده از فرستنده به گیرنده می‌رسد و دومی زمان مورد نیاز برای رسیدن داده به گیرنده و سپس دریافت پاسخ از گیرنده است.
با‌توجه‌به تاخیر بالای انتقال داده در ارتباطات ماهوارهای، هدایت پهپاد به‌صورت در لحظه کمتر عملی می‌شود. دراین‌حالت می‌توان طرح کامل پرواز را در یک تراشه برنامه‌ریزی کرد تا توسط خلبان خودکار هدایت شود. در‌همین‌حال، خلبان از راه دور همچنان می‌تواند پهپاد را از طریق یک لینک کنترلی با سرعت داده تقریبا ۱۰ کیلوبیت بر ثانیه زیر نظر داشته باشد که البته نظارت در لحظه نیست. توجه به این نکته مهم است که فاصله تنها عامل موثر بر تاخیر خدمات ارتباطات ماهوارهای محسوب نمی‌شود. پهنای باند، بار روی شبکه و ظرفیت منظومه‌های ماهوارهای نمونه‌هایی از عوامل دیگری هستند که بر چنین تاخیرهایی اثر گذارند.
یکی دیگر از معایب ارتباطات ماهوارهای سطح بالای تضعیف سیگنال‌های عبوری میان دو نقطه در مسیر انتقال است که با افزایش فاصله بین فرستنده و گیرنده، این امر تشدید می‌شود. سیگنال تحت تاثیر برخی عوامل مانند فضای آزاد، اتمسفر زمین و یا انحراف بشقاب گیرنده تضعیف می‌شود که مقابله با این مشکل مستلزم استقرار تقویت‌کننده‌های قوی در ماهواره‌هاست.
مخابرات ماهوارهای اغلب دارای شکاف‌های ارتباطی است، چرا که منظومه‌های ماهوارهای ممکن است کل سطح زمین را پوشش ندهند. در طول‌های جغرافیایی بالا (از جمله قطب‌ها) بیشتر این منظومه‌ها در دسترس نیستند، زیرا پرتاب ماهواره به مدار قطبی سخت‌تر از پرتاب آن به مدار استوایی است. به‌علاوه، گاهی اوقات ماهواره‌ها در تیررس ایستگاه‌های زمینی خود قرار نداشته و در نتیجه پهنای باند مفید آن‌ها به حدود دو سوم کاهش می‌یابد. اما سامانه‌های مخابرات ماهوارهای برای پهپادها را چه شرکت‌هایی توسعه داده‌اند و چه ویژگی‌هایی دارند؟
شرکت‌های فعال در ارائه خدمات ماهوارهای به پهپادها
سامانه ارتباطات ماهوارهای پهپاد هانی‌ول و اینمارست
برخی شرکت‌ها در سراسر دنیا به توسعه سامانه‌های مخابرات ماهوارهای برای پهپاد پرداخته‌اند که از جمله مشهورترین آن‌ها می‌توان به مشارکت شرکت چندملیتی هانی‌ول (Honeywell) به‌مرکزیت آمریکا و شرکت بریتانیایی اینمارست (Inmarsat) با هدف ساخت چنین سامانه‌ای اشاره کرد. هانی‌ول کوچک‌ترین و سبک‌ترین لینک داده خود برای هدایت هواپیماهای بدون سرنشین را ساخته است که توسط شبکه ارتباطات ماهوارهای جهانی اینمارست به پهپادها خدمات‌رسانی می‌کند.
این لینک داده خدمات اتصال ماهوارهای در سراسر جهان و همچنین پخش ویدئو به‌صورت در لحظه را ارائه می‌دهد. ابزار یادشده با وزن تنها یک کیلوگرم، ۹۰ درصد سبک‌تر از کوچک‌ترین لینک داده‌های هانی‌ول است و برخی از قابلیت‌های مشابه هواپیماهای بزرگتر را برای پهپادهای کوچک در هوا یا زمین فراهم می‌کند.
پهپادها با بهره‌گیری از این سامانه می‌توانند حتی در مناطق دورافتاده یا روی آب که سایر سامانه‌های ارتباطی روی زمین مانند 4G در دسترس نیستند، متصل باقی بمانند.
خدمات ماهوارهای ایریدیوم و اسکای‌ترک برای اپراتورهای پهپاد
شرکت آمریکایی ایریدیوم (Iridium Communications) به‌طور گسترده‌ای به ارائه خدمات ارتباطات ماهوارهای پهپاد برای نظامیانی پرداخته است که جهت هدایت هواپیماهای بدون سرنشین از دستگاه‌های دستی ارزان قیمت بهره می‌گیرند. ایریدیوم با همکاری شرکت کانادایی اسکای‌ترک (SKYTRAC) که لینک‌های داده را برای هدایت پهپاد از طریق ارتباطات ماهوارهای ساخته است، در این زمینه خدمات‌رسانی می‌کند. هر پهپاد به‌عنوان یک ایستگاه رله برای گسترش پوشش‌دهی به‌کار گرفته می‌شود. پهپادها خدمات داده BLOS را به حدود هزار دستگاه کنترل در منطقه تحت پوشش خود ارائه می‌دهند و این لینک‌های داده برای پهپادهای با تاب‌آوری کم و متوسط مناسب هستند.
خدمات ماهوارهای ایریدیوم که در باند L ارائه می‌شوند، به‌دلیل فرکانس پایین‌تر آن در مقایسه با باند Ka، به مشکل اثر دوپلر (Doppler effect) در هواپیماهای بدون سرنشین کمک می‌کند. این خدمات به‌طور گسترده‌ای برای ارتباطات سیار نظامی مورد استفاده قرار گرفته و عملکرد خوبی در پوشش‌دهی مناطق وسیع نشان داده است. گفتنی است براساس اثر دوپلر در فیزیک امواج، بسامد یک موج بر اثر حرکت فرستنده یا گیرنده آن تغییر می‌کند.
ایریدیوم درحال‌حاضر به ارائه خدمات مخابرات ماهوارهای از طریق ۶۶ ماهواره خود می‌پردازد و هدف مهم آن ایجاد یک شبکه سلولی فضاپایه از طریق این ماهواره‌هاست. نسل دوم ماهواره‌های ایریدیوم موسوم به ایریدیوم نکست (Iridium NEXT) با هدف فراهم‌آوری ارتباطات راه دور توسعه می‌یابند که خدمات باند باریک داده و صوت را به کاربران سراسر جهان ارائه می‌دهد. خدمات‌رسانی منظومه ایریدیوم در باند L بوده و نرخ داده ۱۲۸ کیلوبیت بر ثانیه را برای هر کاربر فراهم می‌کند. البته ایریدیوم نیز مانند دیگر ارائه‌دهندگان خدمات مخابرات ماهوارهای حدود ۴ درصد مواقع در پوشش‌دهی دچار مشکل است.
در ماهواره‌های ایریدیوم نکست توان عملیاتی در مقایسه با ماهواره‌های نسل اول افزایش یافته است. این مجموعه از ماهواره‌ها لینک‌های ارتباطی سریع، ایمن و با تاخیر نسبتا کم‌تری را برای کاربران فراهم می‌کنند. تاخیر در ماهواره‌های نسل اول ایریدیوم به‌طور متوسط ۱۷۸ میلی‌ثانیه بود که این میزان در ماهواره‌های نسل دوم به کمتر از ۴۰ میلی‌ثانیه رسیده است. با‌این‌حال، چنین ارائه چنین خدماتی با هزینه بالاتر و آنتن‌های بزرگتر همراه است که آن را برای استفاده در پهپادهای کوچک نامناسب می‌کند.
همان‌طور که گفته شد خدمات ارتباطات ماهوارهای ایریدیوم برای هدایت پهپاد با استفاده از لینک‌های داده شرکت اسکای‌ترک صورت می‌گیرد. دی‌ال‌اس-۱۰۰ (DLS-100) اسکای‌ترک یک لینک داده باند میانی برای هدایت پهپاد از طریق مخابرات ماهوارهای بوده که به‌منظور کنترل در لحظه پهپاد، تله‌متری داده و انتقال تصاویر از هواپیماهای بدون سرنشین ساخته شده است. این لینک داده با استاندارد IP67 سازگار بوده و از سرعت آپلینک (ارسال داده به ماهواره) ۲۲ کیلوبیت بر ثانیه و داون‌لینک (دریافت داده از ماهواره) ۸۸ کیلوبیت در ثانیه برخوردار است. بنابر اظهارات متخصصان اسکای‌ترک، این ابزار امکان اتصال قطب به قطب را در سراسر جهان با قابلیت اطمینان ۹۹.۹ درصد و تاخیر بسیار کم فراهم می‌کند.
آی‌ام‌اس-۳۵۰ (IMS-350) دیگر لینک داده شرکت اسکای‌ترک است که اتصال ماهوارهای باند پهن و برخی قابلیت‌های دیگر را ارائه می‌کند. این لینک داده از سرعت آپلینک (ارسال داده به ماهواره) ۳۵۲ کیلوبیت بر ثانیه و داون‌لینک (دریافت داده از ماهواره) ۷۰۴ کیلوبیت در ثانیه برخوردار بوده و امکان کنترل پهپاد را به‌صورت در لحظه فراهم می‌آورد.
باهمه‌این‌ها پژوهشگران به‌دنبال راهکارها و فناوری‌های جدید برای بهره‌گیری از ارتباطات ماهوارهای جهت هدایت پهپادها هستند.
ترکیب فناوری ماهواره و شبکه 5G برای هدایت پهپاد
مطابق روشی که محققان اروپایی ارائه داده‌اند، می‌توان امکان هدایت پهپاد را با ترکیب شبکه‌های تلفن همراه زمینی (LTE/5G) و شبکه‌های ماهوارهای موجود فراهم کرد. در نتیجه تاخیر کم و پوشش گسترده شبکه‌های سلولی همراه با قابلیت اطمینان بالا و در دسترس بودن ارتباطات ماهوارهای شرایط مناسبی را به‌منظور کنترل پهپاد ایجاد می‌کند. این روش برای هواپیماهای بدون سرنشینی در نظر گرفته شده است که در ارتفاع بسیار پایین (تا ۵۰۰ فوت) به‌پرواز درمی‌آیند و امکان پرواز سریع و ایمن پهپادهای تجاری را در مناطق شهری فراهم می‌کند. موضوع مهمی که با توسعه هر چه بیشتر فناوری‌های ماهوارهای برای هدایت پهپادها مطرح می‌شود، قوانین و مقرراتی است که در این حوزه وجود دارد یا در آینده وضع خواهد شد.
وضعیت استانداردهای بین‌المللی در استفاده از مخابرات ماهوارهای برای پهپاد
سازمان‌های بین‌المللی مختلف که در زمینه تدوین استانداردها فعالیت دارند، در تلاشند تا چارچوب مشخصی را دررابطه‌با بهره‌گیری از سامانه‌های مخابرات ماهوارهای برای پهپادها تعیین کنند. کمیسیون اروپا برنامه‌ای ۲ ساله را برای آزمایش و ارائه ساختاری قابل اطمینان برای یک سامانه نظارتی روی پهپادها به‌انجام رساند. در پروژه این نهاد چندین بسته کاری دیده می‌شد که یکی از آن‌ها به کار بر روی طرحی قابل اجرا و موثر برای لینک داده ارتباطات ماهوارهای پهپاد اختصاص داشت.
کمیسیون مذکور قصد داشت از طریق این بسته، تمام لینک‌های داده LOS و BLOS در دسترس را تجزیه‌وتحلیل کرده و سپس با انتخاب بهترین گزینه‌ها به بهبود آن‌ها به‌منظور عملکرد بهتر بپردازد. البته این نهاد در نتایج نهایی به هیچ‌گونه استاندارد جامع یا تعیین باندهای فرکانسی خاص برای پهپادها دست نیافتند. چندین نهاد دیگر از جمله کمیسیون فنی رادیو برای هوانوردی (RTCA) آمریکا، سازمان تجهیزات هواپیمایی غیرنظامی اروپا (EUROCAE) و همچنین یکی از بزرگترین سازمان‌های بین‌المللی توسعه‌دهنده استاندارد در ایالات متحده موسوم به ای‌اس‌تی‌ام بین‌الملل (ASTM International) نیز در حال کار بر روی توسعه استانداردهای جدید برای سامانه‌های ارتباطات ماهوارهای پهپاد هستند.
پهپادها یک فناوری نوظهور در دنیای هوانوردی هستند که ضمن ارائه خدماتی نوین و ارزشمند، از ظرفیت بالایی برای رشد اقتصادی و تسهیل بسیاری از فعالیت‌ها در جوامع برخوردارند. اطمینان از اینکه هواپیماهای بدون سرنشین بتوانند به‌طور ایمن و بدون ایجاد تهدید برای هواپیماهای سرنشین‌دار در حریم‌های هوایی فعالیت کنند، امری است که از طریق ارتباطات ماهوارهای و یا ادغام آن با برخی راهکارها و فناوری‌های دیگر میسر می‌شود.