آینده ناوبری: جایگزین‌های نوین GPS در راهند
فناوری‌های جدیدی در حال توسعه هستند که می‌توانند در آینده جایگزین سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) شوند. این جایگزین‌ها شامل استفاده از میدان مغناطیسی زمین، حسگرهای کوانتومی، سیگنال‌های ماهواره‌های ارتباطی مانند استارلینک و حتی دکل‌های تلفن همراه می‌شوند.
GPS سال‌هاست که به یکی از زیرساخت‌های حیاتی و نامرئی زندگی مدرن تبدیل شده است. از مسیریابی در خودروها و هواپیماها گرفته تا خدمات بانکی، حمل‌ونقل و عملیات نظامی، بسیاری از سیستم‌ها لردگان برای تعیین موقعیت خود به سیگنال‌های ماهواره‌ای GPS وابسته هستند. اما یک چالش بزرگ وجود دارد: GPS و سایر سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای (GNSS) به راحتی قابل اختلال هستند.
ایجاد پارازیت بر روی سیگنال‌های GPS در مناطق جنگی به یک امر رایج تبدیل شده است. علاوه بر این، تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که اختلالات ناشی از ماهواره‌ها نیز می‌تواند در مقیاسی بسیار وسیع رخ دهد و حتی مناطق گسترده‌ای از یک قاره را تحت تأثیر قرار دهد.
به همین دلیل، پژوهشگران در تلاشند تا روش‌هایی را توسعه دهند که بتوانند در صورت قطع یا اختلال GPS، موقعیت یک وسیله را بدون اتکا به این سیستم تعیین کنند.
نقشه‌برداری مغناطیسی زمین به جای GPS
یکی از جذاب‌ترین گزینه‌ها برای جایگزینی GPS، بهره‌گیری از میدان مغناطیسی زمین است.
پوسته زمین از انواع سنگ‌ها تشکیل شده که بسیاری از آن‌ها خاصیت مغناطیسی دارند. پراکندگی این سنگ‌ها باعث ایجاد تغییرات و ناهنجاری‌های بسیار ظریفی در میدان مغناطیسی زمین می‌شود. این ناهنجاری‌ها مانند یک اثر انگشت مغناطیسی عمل می‌کنند و در نقاط مختلف زمین الگوهای متفاوتی دارند.
اگر یک هواپیما به حسگری مجهز شود که این تغییرات را اندازه‌گیری کند، نرم‌افزار می‌تواند اطلاعات به‌دست‌آمده را با یک نقشه مغناطیسی مقایسه کرده و موقعیت هواپیما را تشخیص دهد. مزیت اصلی این روش این است که برخلاف دوربین، به نور، ابر یا شرایط جوی وابسته نیست و هم در خشکی و هم در دریا قابل استفاده است.
شرکت استرالیایی Q-CTRL یکی از پیشگامان این فناوری است. این شرکت از نوعی حسگر کوانتومی به نام مغناطیس‌سنج پمپاژ نوری (OPM) استفاده می‌کند. این حسگر با کمک لیزر و اتم‌های روبیدیوم می‌تواند میدان مغناطیسی اطراف را با حساسیت بسیار بالا اندازه‌گیری کند.
شرکت کانادایی SBQuantum نیز بر روی حسگرهای دیگری کار می‌کند که بر پایه الماس ساخته شده‌اند. این حسگرها علاوه بر شدت میدان مغناطیسی، جهت آن را نیز اندازه‌گیری می‌کنند.
چالش اصلی این فناوری در حال حاضر، کمبود نقشه‌های دقیق و یکپارچه از میدان مغناطیسی زمین است. شرکت‌هایی مانند SBQuantum برای رفع این مشکل مشغول جمع‌آوری داده‌های جدید هستند.
استفاده از ماهواره‌های استارلینک
راهکار دیگر این است که به جای ارسال سیگنال اختصاصی برای تعیین موقعیت، از سیگنال‌هایی استفاده شود که ماهواره‌ها همین حالا برای ارتباطات ارسال می‌کنند. این ایده با عنوان «سیگنال‌های فرصت» (Signals of Opportunity) شناخته می‌شود؛ یعنی استفاده از سیگنال‌هایی که اساساً برای هدف دیگری ایجاد شده‌اند.
یکی از روش‌های مورد توجه، استفاده از اثر دوپلر است. همان‌طور که صدای قطاری که به سمت ما می‌آید تغییر می‌کند و پس از عبور کاهش می‌یابد، فرکانس سیگنال یک ماهواره نیز با نزدیک شدن و دور شدن آن تغییر می‌کند. با اندازه‌گیری این تغییرات و داشتن اطلاعات مربوط به مدار ماهواره، می‌توان موقعیت گیرنده را محاسبه کرد.
آزمایشگاه ASPIN در دانشگاه ایالتی اوهایو سیستمی به نام Matrix ساخته است که می‌تواند از سیگنال ماهواره‌های استارلینک و OneWeb برای تعیین موقعیت استفاده کند. در آزمایشی در سال ۲۰۲۴، این سیستم با دریافت سیگنال ۲۱ ماهواره، توانست موقعیت یک کشتی در نزدیکی گرینلند را با خطای تنها ۲۷ متر مشخص کند.
البته این روش هنوز با چالش‌هایی روبه‌روست. ماهواره‌ها می‌توانند مسیر خود را تغییر دهند و همین موضوع می‌تواند باعث خطا در محاسبه موقعیت شود. اما اطلاعات دقیق‌تر درباره مدار ماهواره‌ها می‌تواند این مشکل را کاهش دهد. SpaceX اکنون اطلاعات پیش‌بینی‌شده مدار بیش از ۱۱ هزار ماهواره استارلینک را منتشر می‌کند و این اطلاعات مانورهای برنامه‌ریزی‌شده ماهواره‌ها را نیز در نظر می‌گیرد.
هدف: دقت دو متر
پژوهشگران در حال ترکیب روش‌های مختلف برای افزایش دقت هستند. یکی از ایده‌ها استفاده از یک گیرنده مرجع در نقطه‌ای با موقعیت کاملاً مشخص است. این گیرنده می‌تواند خطای پیش‌بینی مدار ماهواره را محاسبه و اصلاحات لازم را برای سایر گیرنده‌ها ارسال کند.
در مرحله بعد، با اندازه‌گیری مدت زمان رسیدن سیگنال از ماهواره و ترکیب آن با اطلاعات دوپلر، می‌توان موقعیت گیرنده را بسیار دقیق‌تر محاسبه کرد. بر اساس یکی از طرح‌های در حال توسعه، ترکیب اطلاعات چهار ماهواره استارلینک با داده‌های دوپلر می‌تواند در نهایت دقتی در حدود دو متر ایجاد کند؛ سطحی که به دقت GPS نزدیک است.
حتی دکل‌های موبایل هم می‌توانند کمک کنند
این ایده حتی به شبکه تلفن همراه نیز رسیده است. آزمایشگاه ASPIN در آزمایش‌هایی با نیروی هوایی آمریکا از سیگنال دکل‌های موبایل برای ناوبری هواپیما استفاده کرده است.
مزیت این روش‌ها در این است که برای کار کردن به یک سیستم ماهواره‌ای اختصاصی مانند GPS وابسته نیستند. بنابراین حتی اگر GPS دچار اختلال شود، می‌توان از مجموعه‌ای از منابع دیگر برای تعیین موقعیت استفاده کرد.
در واقع، آینده ناوبری ممکن است به جای یک سیستم واحد، به ترکیبی از میدان مغناطیسی زمین، حسگرهای کوانتومی، ماهواره‌های ارتباطی و شبکه‌های زمینی وابسته باشد.
این فناوری‌ها هنوز در مراحل توسعه و آزمایش قرار دارند و در بسیاری از موارد به دقت و بلوغ GPS نرسیده‌اند. اما یک تغییر مهم در حال رخ دادن است: برای تعیین موقعیت، دیگر الزاماً به ماهواره‌ای که مخصوص GPS طراحی شده باشد نیاز نداریم. ممکن است سیگنال‌های فراوانی که همین حالا در اطراف ما وجود دارند، در آینده بتوانند نقش یک سیستم پشتیبان جهانی برای ناوبری را ایفا کنند.