آیا شبکه پهن باند ایلان ماسک تبدیل به جایگزینی برای GPS خواهد شد؟

شرکت فضایی اسپیس اکس تاکنون بالغ بر ۷۰۰ ماهواره استارلینک به فضا فرستاده است و در سال‌های پیش رو، هزاران ماهواره دیگر نیز ارسال خواهد کرد. هدف اصلی شرکت زیر نظر ایلان ماسک اینست که اینترنت پر سرعت را در دسترس تقریبا تمام نقاط جهان قرار دهند و دیگر هیچ منطقه دور افتاده‌ای از کره خاکی بدون سرویس اینترنت قابل اتکا باقی نماند.

حالا محققینی که برای ارتش ایالات متحده کار می‌کنند دریافته‌اند که «صورت فلکی ماهواره‌ای» اسپیس اکس می‌تواند کاربردی ثانویه هم داشته باشد و نقش نوعی GPS کم‌هزینه، شدیدا دقیق و تقریبا غیر قابل اختلال را ایفا کند. در این متد، می‌توان از ماهواره‌های استارلینکی که اسپیس اکس تا همین امروز به مدار نزدیک زمین فرستاده برای خدمت‌رسانی جی‌پی‌اس به تقریبا تمام نقاط جهان استفاده کرد.

تاد هامفریس و پیتر لونوچی، محققین آزمایشگاه Radionavigation در دانشگاه تگزاس اخیرا در مقاله‌ای که توسط همتایان‌شان نیز بررسی شده، مدعی ساخت سیستمی شده‌اند که به کمک همان ماهواره‌هایی که اکنون در اختیار داریم و با استفاده از سیگنال‌های جی‌پی‌اس، می‌تواند دقت لوکیشنی ۱۰ برابر بیشتر از جی‌پی‌اس داشته باشد و در عین حال، مقاومت بیشتری در برابر اختلالات بیرونی از خود نشان دهد.

سیگنال‌های ضعیف

جی‌پی‌اس یا «سامانه موقعیت‌یاب جهانی» (Global Positioning System) در حال حاضر از صورتی فلکی شامل ۳۰ ماهواره تشکیل شده که در فاصله ۲۰ هزار کیلومتری از سطح زمین، به دور سیاره ما می‌گردند. هر ماهواره به صورت مداوم سیگنال‌هایی رادیویی را مخابره می‌کند که شامل محل و زمان دقیقش (به لطف ساعت‌های اتمی بسیار با دقت موجود در هر ماهواره) نیز می‌شود. رسیورهای موجود روی زمین سپس می‌توانند این سیگنال‌ها را از چندین ماهواره دریافت کنند تا محل دقیق‌شان (معمولا با خطایی در حد چند متر) محاسبه شود.

مشکل جی‌پی‌اس اما اینست که آن سیگنال‌ها معمولا وقتی به زمین می‌رسند، شدیدا ضعیف شده‌اند و به راحتی می‌توانند تحت تاثیر تداخلات اتفاقی یا تداخلات عامدانه با جنگ‌افزارهای الکترونیکی قرار بگیرند. برای مثال حملات جی‌پی‌اس مرموز در چین باعث شد که چند کشتی در لوکیشن‌هایی جعلی نمایش داده‌ شوند و در شرق مدیترانه نیز سیگنال‌های جی‌پی‌اس به طور مداوم دچار اختلال می‌شوند.

ارتش ایالات متحده اتکایی شدید بر جی‌پی‌اس دارد. سال گذشته واحد Future Command ارتش ایالات متحده (واحدی که با هدف مدرنیزه کردن جنگ‌افزارها تشکیل شده) به آزمایشگاه هامفریس سر زد تا راجع به استارتاپ جدیدی به نام Coherent Navigation صحبت کند که هامفریس یکی از موسسین آن در سال ۲۰۰۸ میلادی بوده است. Coherent که قصد دارد از سیگنال‌های ماهواره‌های Iridium به عنوانی جایگزینی اندک بهتر برای جی‌پی‌اس بهره گیرد، در سال ۲۰۱۵ توسط اپل خریداری شد.

هامفریس می‌گوید: «آن‌ها به من گفتند که ارتش آمریکا ارتباطات خوبی با اسپیس اکس دارد [در واقع این دو طی ماه می امسال قراردادی برای استفاده آزمایشی از استارلینک در شبکه‌های نظامی ارتش امضا کردند] و اینکه آیا من علاقه‌مند به صحبت با اسپیس اکس هستم تا از ماهواره‌های استارلینک‌ آن‌ها به جای ماهواره‌های قدیمی Iridium استفاده کنم یا خیر؟ صحبت‌هایمان باعث شد افراد حاضر در اسپیس اکس به وجد بیایند و ارتش هم به من یک سال فرصت دارد تا مسئله را بررسی کنم». علاوه بر یک سال وقت، Future Command میلیون‌ها دلار نیز روی کار او سرمایه‌گذاری کرد.

کانسپت استفاده از ماهواره‌های موجود در مدار نزدیک زمین برای موقعیت‌یابی، ایده‌ای آنقدرها جدید نیست. در واقع برخی از نخستین فضاپیماهای ایالات متحده که در دهه ۱۹۶۰ به فضا پرتاب شدند، در ارتفاع ۱۱۰۰ کیلومتری زمین می‌گردیدند و اطلاعات لوکیشن را در اختیار کشتی‌ها و زیردریایی‌های نیروی دریایی این کشور قرار می‌دادند. یکی از اصلی‌ترین مزایای صورت فلکی ماهواره‌ای در مدار نزدیک زمین اینست که سیگنال‌ها می‌توانند هزاران برابر قدرتمندتر از جی‌پی‌اس باشند. اما نقطه ضعف‌شان نیز اینست که تنها محدوده کوچکی را پوشش می‌دهند و بنابراین پوشش تمام نقاط جهان نیازمند صدها یا حتی هزاران ماهواره است.

بهبود و توسعه

ساخت یک شبکه کامل از ماهواره‌های حاضر در مدار نزدیک زمین به همراه ساعت‌های فوق دقیق، کاری بسیار هزینه‌بر خواهد بود. استارتاپ Xona Space Systems واقع در بِی‌اِیریا اما قصد دارد دقیقا همین کار را بکند و یک صورت فلکی ماهواره‌ای با بیش از ۳۰۰ ماهواره Pulsar تدارک دیده که طی شش سال آینده شروع به کار خواهند کرد.

ایده هامفریس و لوناچی متفاوت است: آن‌ها می‌خواهند با یک به‌روزرسانی نرم‌افزاری ساده، قابلیت‌های ارتباطی ماهواره‌های استارلینک را دستکاری کنند و سیگنال‌های جی‌پی‌اس هم سرویس‌های موقعیت‌یابی و مسیریابی را ارائه خواهد کرد.

این دو مدعی شده‌اند که سیستم‌شان حتی می‌تواند برای اکثر کاربران، دقتی بالاتر از تکنولوژی سنتی جی‌پی‌اس به ارمغان آورد. این بدان خاطر است که رسیور جی‌پی‌اس روی هر ماهواره استارلینک، از الگوریتم‌هایی استفاده می‌کنند که به ندرت آن‌ها را در محصولات مخصوص مصرف‌کنندگان خواهید یافت: به عبارت دیگر، رسیورهایی با قابلیت موقعیت‌یابی لوکیشن با دقتی که تنها چند سانتی‌متر خطا دارد. این تکنولوژی‌ها، از مشخصه‌های فیزیکی سیگنال رادیویی جی‌پی‌اس و رمزنگاری‌شان بهره‌برداری خواهند کرد تا محاسبات مربوط به لوکیشن با دقت بالاتری انجام شود. اساسا ماهواره‌های استارلینک خواهند توانست تمام وظایف پردازشی سنگین را برای کاربران روی کره زمین انجام دهند.

ماهواره‌های استارلینک هم اساسا نوعی روتر فضایی به حساب می‌آیند و می‌توانند به سرعت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه دست پیدا کنند. ماهواره‌های جی‌پی‌اس از سوی دیگر با سرعت کمتر از ۱۰۰ بیت بر ثانیه قادر به برقراری ارتباط هستند.

لانوچی توضیح می‌دهد: «در سیگنال‌های مخابره شده توسط ماهواره‌های جی‌پی‌اس آنقدر بیت اندکی بر ثانیه وجود دارد که نمی‌توان اطلاعات تازه و شدیدا دقیق راجع به اینکه ماهواره‌ها واقعا کجا هستند را به دست آورد. اگر شما فرصت‌هایی چند میلیون برابر بیشتر برای دریافت اطلاعات از ماهواره‌تان داشته باشید، اطلاعاتی که به دست می‌آورید به مراتب نزدیک‌تر به حقیقت خواهد بود».

سیستم جدید که هامفریس آن را «موقعیت‌یابی مرکب مدار نزدیک زمین» می‌نامد، از محاسبات آنی زمان و مکان در مدار استفاده خواهد کرد تا لوکیشن کاربران را با خطای ۷۰ سانتی‌متری تشخیص دهد، حداقل تخمین‌ها این را نشان می‌دهد. برای مقایسه، اکثر سیستم‌های جی‌پی‌اس موجود در اسمارت‌فون‌ها، ساعت‌های هوشمند و اتومبیل‌ها دقتی به اندازه چند متر دارند.

اما بزرگ‌ترین مزیت برای پنتاگون این خواهد بود که اختلال در عملکرد موقعیت‌یابی مرکب مدار نزدیک زمین به مراتب سخت‌تر است. نه‌تنها سیگنال‌ها در سطح زمین بسیار قدرتمندتر خواهند بود، بلکه آنتن‌های فرکانس‌های مایکروویو هم حدودا ۱۰ برابر راستاتر از آنتن‌های جی‌پی‌اس خواهند بود. این یعنی دریافت سیگنال‌های ماهواره‌ای واقعی، بسیار راحت‌تر از دریافت سیگنال‌های دستگاه کورکننده آنتن خواهد بود. هامفریس می‌گوید «حداقل چنین امیدی داریم».

بنابر محاسبات صورت گرفته از سوی هامفریس و لانوچی، سیستم موقعیت‌یابی مرکب مدار نزدیک زمین می‌تواند سرویس موقعیت‌یاب مداوم را در اختیار ۹۹.۸ درصد از جمعیت جهان قرار دهد و این کار با استفاده از تنها ۱ درصد از ظرفیت داون‌لینک استارلینک و کمتر از ۰.۵ درصد از ظرفیت انرژی این ماهواره انجام خواهد شد.

تاد والتر، پژوهشگر آزمایشگاه جی‌پی‌اس در دانشگاه استنفورد که دخالتی در این پروژه ندارد می‌گوید: «به نظرم این راهکاری بسیار قدرتمندتر و دقیق‌تر از جی‌پی‌اس صرف خواهد بود. و اگر نیازی به دستکاری ماهواره‌های استارلینک نباشد، قطعا سریع‌ترین و آسان‌ترین راه برای بهبود تکنولوژی خواهد بود».

البته که این تکنولوژی محدود به ماهواره‌های اسپیس اکس نیست. صورت فلکی شرکت ورشکسته OneWeb که اکنون دارد توسط دولت بریتانیا خریداری می‌شود هم می‌تواند نقش یک سیستم موقعیت‌یاب قدرتمند را ایفا کند. اما لوناچی عقیده دارد که دست بالا در حال حاضر، در اختیار استارلینک است.

موقعیت‌یابی مرکب مدار نزدیک زمین اما چند ضعف نیز دارد. نخستین صورت فلکی ماهواره‌های استارلینک قرار نیست در عرض جغرافیایی بالاتر از ۶۰ درجه کار کند و این یعنی کاربرانی که در هلسینکی زندگی می‌کنند از مزایای آن بی‌بهره خواهند بود، همینطور سربازانی که شاید در آینده مجبور به نبرد در قطب شمال یا قطب جنوب شوند.

استفاده زمینی از سیستم هم به معنای اجبار به استفاده از آنتن‌های استارلینک خود اسپیس اکس خواهد بود که به مراتب گران‌قیمت‌تر از چیپ‌های جی‌پی‌اس ارزان‌قیمتی که به راحتی درون تمام اسمارت‌فون‌ها و ساعت‌های هوشمند جای می‌گیرند، تلقی می‌شوند. هر سرویسی که در آینده از موقعیت‌یابی مرکب مدار پایینی زمین استفاده کند برخلاف جی‌پی‌اس برچسب قیمت بسیار بالایی خواهد داشت. به این دلیل ساده که اسپیس اکس نیاز دارند سرمایه‌گذاری عظیمش روی استارلینک، بازگشت مالی داشته باشد. به همین دلایل، این‌طور نیست که همه با استفاده از چنین سیستمی موافق باشند.

برایان منینگ، مدیرعامل Xona می‌گوید: «ما مدت‌ها پیش به این رویکرد نگاه کردیم و نه ظرفیت‌های تجاری و نه ظرفیت‌های فنی آن منطقی به نظر نمی‌رسید. به همین خاطر است که ما داریم روی یک صورت فلکی ماهواره‌ای مستقل کار می‌کنیم».

اگرچه نه ارتش ایالات متحده و نه اسپیس اکس واکنشی به این مقاله نشان نداده‌اند، اما محققان امیدوارند که ایلان ماسک ارزش این تکنولوژی جدید را درک کند و از پتانسیل‌ها برای تغییر دادن سیستم‌های موقعیت‌یاب در سراسر جهان استفاده نماید.