يستخدم الباحثون أقمار ستارلينك الصناعية لتحديد الموقع ، على غرار نظام تحديد المواقع العالمي


صاروخ سبيس إكس فالكون 9 يرتفع لأعلى بعد إطلاقه مباشرة.
تكبير / صاروخ SpaceX Falcon 9 الذي يحمل 60 قمراً صناعياً من Starlink يتم إطلاقه من مركز كينيدي للفضاء في 6 أكتوبر 2020 ، في كيب كانافيرال ، فلوريدا.

أفاد باحثون هندسيون في ورقة جديدة تمت مراجعتها من قِبل الأقران أن الإشارات الصادرة عن سواتل النطاق العريض SpaceX Starlink يمكن استخدامها لتحديد المواقع على الأرض بدقة تصل إلى ثمانية أمتار. يعد تقريرهم جزءًا من مجموعة متزايدة من الأبحاث حول استخدام إشارات من الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض (LEO) للملاحة ، على غرار كيفية عمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

لن تحل هذه التقنية محل تطبيق خرائط هاتفك الذكي في أي وقت قريب ، ويبدو أن هذه التجربة الأولية تطلبت 13 دقيقة من تتبع ستة أقمار صناعية من Starlink لتحديد موقع على الأرض. لكن الباحثين كانوا قادرين على تحقيق هذا العمل الفذ دون أي مساعدة من SpaceX ، ويقولون إن الاختبار يثبت أن الطريقة يمكن استخدامها للملاحة.

“لم يحتاج الباحثون إلى مساعدة من SpaceX لاستخدام إشارات الأقمار الصناعية ، وأكدوا أنه ليس لديهم إمكانية الوصول إلى البيانات الفعلية التي يتم إرسالها عبر الأقمار الصناعية – فقط للمعلومات المتعلقة بموقع وحركة القمر الصناعي” مقالة أخبار ولاية أوهايو قالت.

قال زاك قساس ، مدير كارمن (مركز أبحاث المركبات الآلية مع ملاحة AssurEd متعددة الوسائط) ، وهو مركز تموله وزارة النقل الأمريكية في جامعة ولاية أوهايو ، في المقال. “وعلى الرغم من أن Starlink لم يكن مصممًا لأغراض الملاحة ، فقد أظهرنا أنه من الممكن تعلم أجزاء من النظام جيدًا بما يكفي لاستخدامه في التنقل.”

أجرى البحث قساس مع جو خليفة (زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين) ومحمد نينافاي (طالب دكتوراه في جامعة كاليفورنيا في إيرفين). كاساس هو أيضًا أستاذ جامعي في جامعة كاليفورنيا في إيرفين ومدير مختبر إدراك الأنظمة الذاتية والذكاء والملاحة (ASPIN) ، بينما خليفة ونينافا عضوان في المختبر. أجريت تجربتهم باستخدام هوائي في حرم جامعة كاليفورنيا في إيرفين.

قال قساس إن “فريقه استخدم تقنيات مماثلة مع مجموعات أخرى من الأقمار الصناعية في مدار منخفض حول الأرض ، ولكن بدقة أقل ، وتحديد المواقع في نطاق حوالي 23 مترًا ،” وفقًا لمقالة أوهايو ستيت نيوز. وقال كاساس: “كان الفريق يعمل أيضًا مع القوات الجوية الأمريكية لتحديد مواقع الطائرات على ارتفاعات عالية ؛ وقد تمكنوا من الوصول إلى مسافة 5 أمتار باستخدام الإشارات الخلوية الأرضية”. يوفر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إشارات ذات أخطاء متوسطة تبلغ أقل من متر واحد.

عنوان الورقة “نتائج تتبع المرحلة الأولى للناقل وتحديد المواقع باستخدام إشارات القمر الصناعي Starlink LEO” وكان نشرت الأسبوع الماضي في مجلة IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. كما قدم الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في مؤتمر معهد الملاحة. تم تمويل عملهم من خلال منح من مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، ووزارة النقل.

“إشارات الفرصة”

وقالت الورقة البحثية إن “دراسات نظرية وتجريبية مختلفة” بحثت في إمكانية استخدام “إشارات الفرصة” من أقمار المدار العريض ذات النطاق العريض للملاحة.

وكتبوا: “مع إطلاق سبيس إكس أكثر من ألف مركبة فضائية في المدار الأرضي المنخفض ، بدأت نهضة في الملاحة القائمة على المدار الأرضي المنخفض”. “تُستقبل الإشارات من LEO SVs بقوة أعلى مقارنة بالمدار الأرضي المتوسط ​​(MEO) حيث نظام GNSS [Global Navigation Satellite System] SVs تتواجد. علاوة على ذلك ، فإن المدار الأرضي المنخفض (SVs) أكثر وفرة من GNSS SVs لتعويض الأثر المنخفض ، وإشاراتها متنوعة مكانيًا وطيفيًا “.

ميزة أخرى للأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض هي أنها “لا تتطلب خدمات أو بنية تحتية إضافية ومكلفة من مزود النطاق العريض.” لكن هذا لا يعني أن مهمة الباحثين كانت سهلة. وكتبوا “مع ذلك ، لا يكشف مقدمو خدمات النطاق العريض عادة عن بنية الإشارات المرسلة لحماية ملكيتهم الفكرية. وعلى هذا النحو ، سيتعين على المرء تشريح إشارات LEO SV لرسم عناصر ملاحية”.

ال ملخص من العرض التقديمي في مؤتمر الباحثين أشار إلى أن مزودي النطاق العريض يمكنهم تغيير بروتوكولاتهم لدعم الملاحة. لكن الباحثين يجادلون بأن نهج الطرف الثالث الخاص بهم أكثر قابلية للتطبيق على الرغم من أنه يتطلب “بنى مستقبلات أكثر تعقيدًا”.

“[T]تتطلب البروتوكولات الحالية لدعم قدرات الملاحة تغييرات كبيرة في البنية التحتية الحالية ، وقد لا تكون تكلفة الشركات الخاصة مثل OneWeb و SpaceX و Boeing وغيرها ، والتي تخطط لإطلاق عشرات الآلاف من أقمار الإنترنت ذات النطاق العريض في المدار الأرضي المنخفض ، وكتبوا “على استعداد للدفع”. علاوة على ذلك ، إذا وافقت هذه الشركات على تلك التكلفة الإضافية ، فلن تكون هناك ضمانات بأنها لن تفرض على المستخدمين رسومًا مقابل خدمات الملاحة الإضافية. في ظل هذه الظروف ، يصبح استغلال إشارات ساتلية النطاق العريض في المدار الأرضي المنخفض بشكل انتهازي نهجًا أكثر قابلية للتطبيق “.

خوارزمية جديدة

اعتبر الباحثون سابقًا “نهجًا معرفيًا لتتبع تردد دوبلر لإشارات LEO SV غير المعروفة” لكنهم قالوا في أحدث أوراقهم إن هذه الطريقة “لا يمكنها تقدير المرحلة الحاملة ، ولا يمكن اعتمادها هنا لأنها تتطلب معرفة فترة المنارة داخل الإشارة المرسلة ، وهو أمر غير معروف في حالة Starlink LEO SVs. ” للتغلب على هذا الحاجز ، فإنهم “يتطورون[ed] خوارزمية تتبع طور الموجة الحاملة لإشارات Starlink دون معرفة مسبقة ببنيتها “.

قالت الصحيفة:

لا يُعرف سوى القليل عن إشارات الوصلة الهابطة Starlink أو واجهتها الهوائية بشكل عام ، باستثناء ترددات القناة وعرض النطاق الترددي. لا يمكن للمرء بسهولة تصميم جهاز استقبال لتتبع إشارات Starlink بالمعلومات المذكورة أعلاه فقط لأن هناك حاجة إلى فهم أعمق للإشارات. تكون أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات (SDR) مفيدة في مثل هذه المواقف ، لأنها تسمح للمرء بأخذ عينات من نطاقات طيف الترددات الراديوية. ومع ذلك ، هناك تحديان رئيسيان لأخذ عينات إشارات Starlink: (1) يتم إرسال الإشارات في Ku / Ka-bands ، وهو ما يتجاوز ترددات الموجة الحاملة التي يمكن أن تدعمها معظم SDR التجارية ، و (2) يمكن أن ترتفع عروض نطاق قناة الوصلة الهابطة إلى 240 ميجاهرتز ، وهو ما يفوق أيضًا قدرات حقوق السحب الخاصة التجارية الحالية. يمكن حل التحدي الأول باستخدام خلاط / محول خفض بين الهوائي و SDR. ومع ذلك ، لا يمكن أن يكون عرض النطاق الترددي لأخذ العينات مرتفعًا إلا بالقدر الذي تسمح به حقوق السحب الخاصة. بشكل عام ، لا تتطلب أطر الملاحة الانتهازية الكثير من المعلومات من مصدر الاتصال / الملاحة (على سبيل المثال ، فك تشفير بيانات القياس عن بعد أو التقويم الفلكي أو المزامنة مع تمهيد معين). لذلك ، فإن الهدف من المستقبل هو استغلال ما يكفي من إشارة الوصلة الهابطة لتكون قادرة على ذلك [to] إنتاج مراقبات ملاحية خام (على سبيل المثال ، دوبلر ومرحلة الناقل).

تتبع ستة أقمار صناعية لمدة 800 ثانية

أثناء التجربة ، “تم تجهيز الجهاز الطرفي الراديوي العالمي الثابت (USRP) 2945R التابع لشركة National Instruments (NI) بهوائي Ku من الفئة الاستهلاكية ومحول خفض الضوضاء المنخفض (LNB) لاستقبال إشارات Starlink في النطاق Ku. كتب. “تم ضبط عرض النطاق الترددي لأخذ العينات على 2.5 ميجاهرتز وتم ضبط تردد الموجة الحاملة على 11.325 جيجاهرتز ، وهو أحد ترددات Starlink للوصلة الهابطة.”

سجل الباحثون إشارات Starlink لمدة 800 ثانية ، أو حوالي 13.3 دقيقة. وكتبوا: “خلال هذه الفترة ، مر ما مجموعه ستة من Starlink SVs ترسل بتردد 11.325 جيجاهرتز فوق جهاز الاستقبال ، واحدة تلو الأخرى”. قام الباحثون بتخزين عينات من إشارات Ku “للمعالجة خارج الخط”.

تم تقدير موضع المستقبل باستخدام مقدر المربعات الصغرى غير الخطية الموزونة (WNLS). كانت النتيجة 25.9 مترًا من الموقع الحقيقي ، لكن الخطأ انخفض إلى أقل من ثمانية أمتار عند “تجهيز جهاز الاستقبال بمقياس ارتفاع (لمعرفة ارتفاعه)”.

جاء في خاتمة الورقة:

أظهر هذا الحرف نتائج تتبع المرحلة الأولى وتحديد المواقع مع إشارات Starlink LEO SV الحقيقية. تمت صياغة نموذج للإشارة المرسلة من Starlink SV ، وتم تطوير خوارزمية تتبع طور الناقل تعتمد على KF (مرشح كالمان]لتتبع إشارة Starlink. أظهرت النتائج التجريبية تتبع طور الناقل لستة Starlink LEO SVs خلال فترة 800 تقريبًا كان أداء تحديد الموقع الناتج هو: خطأ 7.7 m 2-D عندما يكون ارتفاع المستقبل معروفاً ، و 25.9 m 2-D خطأ و 33.5 m 3-D خطأ عندما يكون ارتفاع المستقبل غير معروف.

أطلقت SpaceX أكثر من 1700 قمر صناعي لكنها تخطط في النهاية إطلاق عشرات الآلاف من أجل توسيع قدرة خدمة النطاق العريض وتوفرها. ومن المفترض أن تسهل هذه الأقمار الصناعية الإضافية أيضًا بناء أنظمة ملاحية من النوع المتصور في البحث الجديد.

اتصلنا بالباحثين اليوم للاستفسار عن احتمالات استخدام أقمار ستارلينك الصناعية للحصول على نتائج الموقع في شيء أقرب إلى الوقت الحقيقي وحول كيفية تصورهم لاستخدام الأنظمة القائمة على المدار الأرضي المنخفض في الملاحة عندما تكون الأساليب والتكنولوجيا أكثر تقدمًا. سنقوم بتحديث هذه المقالة إذا حصلنا على رد.

تحديث: رد قساس علينا وقدم لنا مزيدًا من المعلومات حول التجربة ، مشيرًا في رسالة بريد إلكتروني “انتظرنا 800 ثانية من أجل الحصول على إشارات من ستة أقمار صناعية ، لأننا لم نتمكن بعد من رؤية ستة أقمار صناعية فوقنا في وقت واحد”. سيتغير ذلك مع إطلاق سبيس إكس المزيد من الأقمار الصناعية. قال كاساس: “نحن نعد تجربة أخرى لتقدير الموقع في الوقت الفعلي ، حيث سنستخدم أربع إشارات من أقمار ستارلينك فوقنا في نفس الوقت”.

في نهاية المطاف ، خطة سبيس إكس لإطلاق عشرات الآلاف من الأقمار الصناعية “ستسمح بالملاحة في الوقت الحقيقي ومستوى أعلى بكثير من الدقة مما حققناه حتى الآن ،” قال. على المدى الطويل ، يرى Kassas هذا على أنه “نظام ملاحة مستقل” بدلاً من نظام يكمل نظام GPS فقط. “إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) قابلة للاشتعال والتحايل بسهولة وغير موثوقة / قابلة للاستخدام في العديد من البيئات (على سبيل المثال ، الأخاديد الحضرية العميقة ، في الداخل ، وتحت مظلة الأشجار) ،” قال. “نأمل أن توفر أقمار المدار الأرضي المنخفض نظامًا بديلاً مرنًا ودقيقًا للملاحة إذا / عندما لا تتوفر إشارات GPS أو تتعرض للخطر.”



المصدر

عبيدة محمد
مبرمج ومصمم مواقع وتطبيقات ومهتم بالتقنية بكل فروعها محب للذكاء الاصطناعي والتقنيات الحديثة الاخرى حاصل على شهادة في البرمجة من Microsoft و Udacity