نسل جدید GPS؛ سیستم موقعیت‌یاب جهانی در آستانه بروزرسانی بزرگ

ديجياتو

بروزرسانی 1399/09/11 - 13:30

نسل جدید GPS؛ سیستم موقعیت‌یاب جهانی در آستانه بروزرسانی بزرگ

ديجياتو/چند هفته پيش اسپيس ايکس يک ماهواره ۲۲۶۰ کيلوگرمي مجهز به آنتن را روانه فضا کرد تا به مقصد خود در ارتفاع ۲۰ هزار کيلومتري زمين يا مدار مياني سياره ما برسد. اين ماهواره نسل جديد GPS يا GPS III عملکرد سيستم موقعيت‌ياب جهاني را بهبود داده و کارايي آن را افزايش مي‌دهد.

ماهواره GPS III از اين فاصله سيگنال‌هايي را در اختيار ما قرار مي‌دهد که مي‌توانيم توسط آن به مقصد خود برسيم. اگر در مسير خود بخواهيم از دستگاه ATM پول نقد بگيريم، اين سيگنال‌ها به بانک کمک مي‌کنند که چنين برداشتي را متوجه شود و حساب ما را بروز کند. تقريبا GPS در تمام بخش‌هاي زندگي ما نقش دارد.

اين سيگنال‌ها از ماهواره GPS III به زمين خواهند رسيد که جديدترين عضو يک «صورت فلکي ماهواره‌اي» است. با اين ماهواره نه تنها جعبه‌هاي جديدي در آسمان قرار مي‌گيرند، بلکه چندين ارتقاي مهم هم در سيستم موقعيت‌ياب جهاني اعمالي مي‌شوند که زندگي ما را بهبود مي‌دهند. ما به اين ارتقاها نياز داريم.

اکثر زيرساخت‌هاي کشورهاي مختلف به GPS وابسته هستند و ما از تمام آن‌ها اطلاع نداريم چرا که بسياري از آن‌ها پشت صحنه انجام مي‌شوند. GPS به ما مي‌گويد کجا قرار داريم و براي رسيدن به مقصد به ما کمک مي‌کند، اما هسته اصلي اين فناوري زمانبندي است. اين موضوع نقش مهمي در تراکنش‌هاي مالي و خريد و فروش سهام، پيش‌بيني وضعيت آب و هوا، نظارت روي زلزله‌ها و حفظ عملکرد شبکه برق دارد.

«تونيا لادويگ»، معاون رياست بخش سيستم‌هاي ناوبري فضايي «لاکهيد مارتين» که ماهواره جديد را توليد کرده، مي‌گويد:

«عملکرد GPS فراتر از مسيرهاي رانندگي است.»

طبق پژوهشي که سال گذشته انجام شد، GPS روزانه ۱ ميليارد دلار در اقتصاد آمريکا نقش دارد که فوق‌العاده زياد است. «گرگ ميلنر» در کتاب «Pinpoint» در سال ۲۰۱۶ که از چگونگي پيدايش سيستم مبتني بر فضا و تاثير آن روي جهان مي‌گويد، نوشته:

«اندازه‌گيري ارزش کلي GPS تقريبا غيرممکن است. نمي‌توان ارزش اين سيستم را از بخش‌هايي که روي آن‌ها تاثير گذاشته، جدا کرد..»
GPS در ميان چندين «سامانه ماهواره‌اي ناوبري جهاني» (GNSS) قرار دارد که شامل «گاليلئو» اروپا، «گلوناس» روسيه و «بيدو» چين مي‌شود. GPS در ميانه مدرن‌سازي خود قرار دارد که هدف از آن، ارسال بهتر سيگنال‌ها به زمين و مقاوم‌سازي ماهواره‌ها در فضا است.

چنين پيشرفت‌هايي نه تنها براي افراد عادي مانند رانندگان سرويس‌هاي اشتراک سفر، خلبانان، بانکداران، زمين‌شناسان، کشاورزان و کاربران پهپادها و ماشين‌هاي خودران يک خبر خوب محسوب مي‌شود، بلکه براي ارتش ايالات متحده آمريکا هم از اهميت بالايي برخوردار است، بخشي که اين سيستم را راه‌اندازي کرد.

ارتش آمريکا نه تنها وابستگي زيادي به GPS دارد، بلکه آن را براي تمام افراد در سراسر جهان مديريت مي‌کند.

GPS چگونه کار مي‌کند؟
پوشش ماهواره‌اي باعث مي‌شود GPS به يک منبع هميشه در دسترس تبديل شود. ۳۱ ماهواره در صورت فلکي GPS وجود دارد که ۲۴ مورد براي عملکرد پايه آن درنظر گرفته مي‌شوند. اين ماهواره‌ها در ۶ صفحه مداري قرار دارند، بنابراين شما در هر لحظه حداقل در ديدرس چهار ماهواره قرار داريد. ۷ ماهواره ديگر در حقيقت اضافه يا يدکي هستند که در صورت نياز چرخانده مي‌شوند.

اين ماهواره‌ها بطور مداوم به زمين سيگنال ارسال مي‌کنند و شما مي‌توانيد آن‌ها را به وسيله گوشي هوشمند خود، دستبند هوشمند يا سيستم ناوبري خودرو و کشتي دريافت کنيد، البته آن‌ها نمي‌دانند شما در کجا قرار داريد. اين ماهواره‌ها مانند يک ايستگاه راديويي در فضا تنها اين سيگنال‌ها را پخش مي‌کنند.

«دينا گوارد»، رئيس بنياد غيرانتفاعي «Resilient Navigation and Timing» اعلام کرده:

«ماهواره‌هاي GPS در واقع ساعت‌هاي اتمي بسيار دقيق هستند و به راديويي که سيگنال زماني را منتقل مي‌کند، متصل شده‌اند.»
روي زمين گيرنده GPS که به لطف تراشه GPS مي‌تواند گوشي شما باشد، سيگنال را از ۴ يا تعداد بالاتري ماهواره دريافت مي‌کند. با اندازه‌گيري تفاوت‌هاي جزئي در زمان رسيدن سيگنال‌ها که به چندين نانو ثانيه مي‌رسد، اين سيستم مي‌تواند محل شما را تشخيص دهيد و بفهمد در حال حرکت هستيد.

«اسکات بورگت»، مهندس نرم افزار گارمين موقعيت را يکي از محصولات جانبي نحوه عملکرد اين سيستم اعلام مي‌کند. بورگت مي‌گويد:

«تمام ماهواره‌ها سيگنال‌ها را منتقل مي‌کنند و آن‌ها کاملا دقيق همگام‌سازي مي‌شوند. با اين حال براي اينکه به موقعيت مکاني خود دسترسي پيدا کنيد، زمان اهميت دارد.»
داده‌هاي زمانبندي به اطلاعات مکاني سه بعدي بسيار دقيق شامل طول و عرض جغرافيايي و ارتفاع و همچنين سرعت و جهت تبديل مي‌شوند. در اينجا گوگل مپس و اپل مپس و ساير سيستم‌ها وارد عمل مي‌شوند. آن‌ها با استفاده از اين قابليت به شما مي‌گويند که براي رسيدن به مقصد چه مسيري را دنبال کنيد.

نقش نيروي فضايي آمريکا در GPS
نيروي فضايي ايالات متحده آمريکا صورت فلکي ماهواره‌اي GPS را مديريت و نگهداري مي‌کند. هر ماهواره روزي دوبار از دور زمين عبور مي‌کند. هرچقدر هم مدارها با دقت برنامه‌ريزي شده باشند، ماهواره‌ها همچنان به مسيرهاي پرواز خود نياز دارند. يکي از فرماندهان‌ دومين اسکادران عمليات‌هاي فضايي به نام «اندرو جانسون» مي‌گويد:

«اين وسايل GPS فقط به اندازه‌اي که به آن‌ها ديتا مي‌دهيم، دقيق هستند. ما محل قرارگيري ماهواره را مي‌دانيم و آن را در يک پيام کوتاه قرار داده و براي آن ارسال مي‌کنيم و دستگاه متوجه مي‌شود که در همان منطقه قرار دارد. اين تغيير در اطلاعات، سيگنال را بطور دقيق تنظيم مي‌کند.»
اينکه نيروي فضايي آمريکا که يکسال پيش از نيروي هوايي آمريکا ايجاد شد، ماموريت خود براي GPS را انجام مي‌دهد يک موضوع اتفاق نيست چرا که GPS براي ميليون‌ها کسب و کار و شهروندان در کشورهاي مختلف حياتي است.

منشا اصلي GPS به کارهاي محرمانه وزارت دفاع آمريکا در دهه ۷۰ ميلادي برمي‌گردد که به دنبال هدف‌گيري دقيق بود. هدف اين پروژه از زبان معمار ارشد GPS به نام «برد پارکينسون»، رها کردن پنج بمب در يک حفره بود.

در سال ۱۹۸۳ زماني که يک هواپيماي مسافربري کره‌اي وارد حريم هوايي شوروي شد، هدف قرار گرفت و ۲۶۹ مسافر آن کشته شدند، رئيس جمهور وقت آمريکا يعني «رونالد ريگان» GPS را از حالت محرمانه خارج کرد و به خطوط هوايي مسافربري اجازه استفاده از سيگنال‌هاي آن را داد. با وجود استفاده از GPS توسط مردم در سراسر جهان، نيروي فضايي براي انجام ماموريت فضايي همچنان نيازهاي نظامي را در صدر اولويت‌ها قرار داده است.

در حقيقت هدف اصلي نيروي فضايي آمريکا از انجام اين ماموريت، ارائه قابليت‌هاي پايدار و قابل اعتماد GPS به نيروهاي آمريکايي است. با اين حال اين سيستم علاوه بر افراد نظامي، براي شهروندان نيز بهبود پيدا مي‌کند.

در حالي که بودجه اين ماموريت که در سال ۲۰۲۰ به ۱.۷۱ ميليارد دلار مي‌رسد توسط پنتاگون تامين مي‌شود، روي اين سيستم نظارت غيرنظامي نيز وجود دارد. وزارت دفاع و وزارت حمل و نقل ايالات متحده آمريکا بطور مشترک رياست کميته ملي اجرايي دولت براي موقعيت‌ياب فضايي، ناوبري و زمانبندي را برعهده دارند. اين کميته کارهاي مربوط به GPS را ميان آژانس‌هاي فدرال و نمايندگاني از بوئينگ، گارمين، گوگل، ايالت اوهايو و استنفورد هماهنگ مي‌کند.

به کلمات کليدي نام اين کميته توجه کنيد: موقعيت‌ياب، ناوبري و زمانبندي. اين کلمات به معناي آن است که در کجا قرار داريد، به کجا مي‌رويد و چه زماني سيگنال با گيرنده برخورد مي‌کند.

GPS III چه توانايي‌هايي دارد؟
مانند تمام سيستم‌ها، GPS هم بطور مداوم نياز به بروزرساني دارد که حالا نوبت به GPS III رسيده است. اين ماهواره‌ها يا فناوري توانايي‌هاي بيشتري در اختيار ما قرار مي‌دهند که شامل سه برابر قدرت بالاتر سيگنال‌ها و ۸ برابر توانايي بالاتر در مقابله با پارازيت است. پيش‌بيني شده عمر اين ماهواره‌ها ۱۵ سال باشد که دو برابر بيشتر از نسل قبلي است، البته انتظار مي‌رود ماهواره‌هاي قبلي براي مدت زمان طولاني‌تر فعاليت کنند.

اين ماهواره‌ها طراحي ماژولار دارند يعني ساده‌تر از گذشته مي‌توان در آن‌ها تغييرات ايجاد کرد. علاوه بر اين، يک فرکانس غيرنظامي جديد به نام «L1C» نيز در آن وجود دارد. اين فرکانس علاوه بر کمک به قدرت سيگنال، با همتاي اروپايي خود يعني گاليلئو هم سازگار است.

در نوامبر ۲۰۱۸ کميسيون ارتباطات فدرال (FCC) مجوز دريافت سيگنال‌هاي گاليلئو در آمريکا را صادر کرد. اين موضوع باعث مي‌شود شهروندان آمريکا در معرض ديد ماهواره‌هاي بيشتري قرار بگيرند. حالا با سيگنال L1C ماهواره‌هاي GPS III وضعيت را بهتر از قبل مي‌کنند.

بورگت مي‌گويد:

«اگر ماهواره‌هاي بيشتري داشته باشيد، به سيگنال‌هاي ديد مستقيم بيشتري دسترسي خواهيد داشت و ثبات بهتري را تجربه خواهيد کرد.»
ارتش در کنار اين مزيت‌ها به کد رمزگذاري شده M هم دسترسي پيدا مي‌کند که کليد بهبود قابليت‌هاي ضد پارازيت و ضد جعل است. علاوه بر اين، قابليت پرتوي نقطه‌اي براي سيگنال‌هاي متمرکز در مناطق جنگي نيز بهبود پيدا مي‌کند.

افزودن يک آرايه بازتابنده ليزري به اين ماهواره‌ها هم به افراد اجازه مي‌دهد که موقعيت آن‌ها را با ليزرهاي زميني اصلاح کنند.

اولين نسل از ماهواره‌هاي GPS III که بطور کامل توسط لاکهيد مارتين ساخته مي‌شوند، دسامبر ۲۰۱۸ پرتاب شد و در ژانويه سال جاري ميلادي عملياتي شد. ماهواره اخير که ۱۵ آبان توسط اسپيس ايکس روانه فضا شد، چهارمين ماهواره در اين مجموعه بود و بايد پيش از پايان سال ۲۰۲۱ عملياتي شود.

لاکهيد مارتين قراردادي براي تحويل ۱۰ ماهواره GPS III دارد که هزينه ميانگين هرکدام از آن‌ها به ۵۲۹ ميليون دلار مي‌رسد. با اين حال اين کمپاني اعلام کرده هزينه ساخت دو مورد آخر به ۲۰۰ ميليون دلار مي‌رسد.

زماني که ساخت اين ماهواره‌ها به پايان برسد، ۲۲ ماهواره ديگر در دهه پيش‌رو روانه فضا مي‌شوند تا جايگزين مدل‌هاي قبلي شوند.

نقاط ضعف GPS
شايد فکر کنيد هرموقع که به GPS نياز داشته باشيد، به آن دسترسي پيدا خواهيد کرد اما اين سيستم بيش از آنچه تصور مي‌کنيد آسيب‌پذير است. اگر در شهري زندگي مي‌کنيد که ساختمان‌هاي بلندي دارد، بايد مدت زمان بيشتري براي رسيدن سرويس اشتراک سفر صبر کنيد. ساختمان‌هاي بلند سيگنال‌هاي ماهواره را مسدود مي‌کنند.

اين مشکل مربوط به خط ديد مي‌شود و اغلب با حرکت برطرف مي‌شود. بايد در منطقه‌اي قرار بگيريد که ديد بهتري دارد. دولت آمريکا اعلام کرده که گوشي‌هاي هوشمند مجهز به GPS معمولا در شعاع ۵ متري زير آسمان باز عملکرد دقيقي دارند.

علاوه بر اين موضوع، با اختلال نيز مواجه هستيم که سيگنال‌هاي قوي‌تري نسبت به سيگنال‌هاي GPS هستند و نويزهاي راديويي زيادي توليد مي‌کنند. گوارد مي‌گويد:

«از آنجايي که با سيگنال‌هاي ضعيفي روبه‌ هستيم، به راحتي مي‌توان آن را مسدود کرد. تقريبا هر نويز در فرکانس خاصي باعث مي‌شود شما به سيگنال GPS دسترسي نداشته باشيد.»

اگرچه اين نويزها و اختلالات مي‌توانند براي مردم عادي دردسر ايجاد کنند، اما مشکل اصلي مربوط به اقدامات نظامي مي‌شود. دشمن مي‌تواند در عملکرد GPS اختلال ايجاد کند يا با جعل سيگنال‌ها، حرکت نيروهاي نظامي را مخفي نگه دارد يا مانع از رسيدن نيروهاي خودي به مقصد مشخصي شود.

برخي کشورها خارج از مناطق جنگي با اختلالات GPS مکان افراد را پنهان مي‌کنند و مجرمان براي سرقت‌هاي خود دست به چنين کاري مي‌زنند.

يکي ديگر از مشکلات مربوط به پروژه جديدي مي‌شود. چندين ماه پيش پنتاگون و ساير آژانس‌هاي دولتي از تصميم FCC مبني بر تاييد پروژه جنجالي يک کمپاني به نام «Ligado» براي ايجاد يک شبکه 5G سراسري تعجب کردند و شوکه شدند. فرکانس‌هاي مورد استفاده توسط Ligado بسيار نزديک به فرکانس‌هايي است که GPS استفاده مي‌کند. اگرچه Ligado اعلام کرده اين موضوع مشکلي در عملکرد سيستم موقعيت‌ياب جهاني ايجاد نمي‌کند، وزارت دفاع از عوامل ناشناخته و خطرات بسيار زياد مي‌گويد.

آسيب‌پذيري سيگنال‌هاي ماهواره‌اي از مدت‌ها قبل تبديل به يک نگراني براي جامعه GPS شده و به دنبال رفع اين مشکلات هستند. علاوه بر اين موضوع، اين سيستم نياز به پشتيبان دارد. ايده اصلي ايجاد يک سرويس زميني است که اگرچه شايد عملکرد پايين‌تري در مقايسه با GPS داشته باشد، اما در صورت وقوع مشکل مي‌توان از آن استفاده کرد. قرار بود اين سيستم امسال راه‌اندازي شود که فعلا خبري از آن نيست.

در سال‌هاي آينده راکت‌هاي بيشتري حاوي ماهواره‌هاي GPS III لاکهيد مارتين روانه فضا مي‌شوند و مدرن‌سازي صورت فلکي ماهواره‌اي ادامه پيدا مي‌کند. با اين کار کاربردهاي بيشتري براي سيستم موقعيت‌ياب جهاني پيدا مي‌شود و انتظار مي‌رود وابستگي ما به آن بيشتر از امروز شود.

اکثر ما نمي‌دانيم که زندگي روزانه‌مان تا اندازه به GPS وابسته است، البته اگر روزي به آن دسترسي نداشته باشيم به چنين موضوعي پي‌ مي‌بريم. بهبود در عملکرد آن روي زندگي ما تاثير مي‌گذارد و آسيب به آن مي‌تواند يک روز بد را براي اکثر ما رقم بزند.