GPS III: کجا هستیم و به کجا میرویم؟

پانزده سال قبل اولین تلفن همراه مجهز به جی‌پی‌اس به بازار آمد. البته آن طرح با شکست مواجه شد اما آنچه که در آن پیشگام شده بود٬ یعنی ترکیب تجهیزات ارتباطاتی نظامی با وسایل مصرفی٬ ماندگار ماند.

شکی نیست که جی‌پی‌اس یک محصول بسیار خوب است. هدیه ای بزرگ از دوران ریگان و سیاست های جنگ سرد در مقابله با حمله و تهدید. حقیقت ناگوار درباره جی‌پی‌اس -یا GNSS که در آن زمان محرمانه بود- آن است که پس از یک سانحه دردناک هوایی در اختیار عموم قرار گرفت.

در سال ۱۹۸۳ تنها پنج سال پس از راه اندازی ماهواره NAVSTAR پرواز شماره ۰۰۷ خط هوایی کره به دلیل خطای ناوبری خلبان در هدایت مسیر و پس از عبور از آسمان شوروی سابق٬ مورد حمله قرار گرفت و سرنگون شد. واکنش جهانی به از دست دادن ۲۶۹ سرنشین هواپیما ناراحتی و نگرانی از سیاست های جنگ سرد بود. در همان زمان رئیس جمهورآمریکا٬ رونالد ریگان٬ اعلام کرد که از این پس تکنولوژی جی‌پی‌اس برای جلوگیری از چنین حوادث ناگواری به رایگان در اختیار عموم قرار خواهد گرفت.

سیستم مکان یابی جهانی (جی‌پی‌اس) در کاربردهای غیرنظامی برای مسیریابی حرکت سربازها و وسایل حمل و نقل در مکان های ناشناخته (مثلا در خلیج فارس٬ در تئاترعملیات طوفان صحرا)٬ برای اولین بار طراحی شد.

در ادامه این مطلب، جزئیات بیشتری در خصوص دوران گذار از نسخه های مختلف GPS و نحوه کارکرد آن و GPS III بخوانید.

دوران دسترسی انتخابی

به علت استفاده از چندین ماهواره٬ دقت جی‌پی‌اس از همان ابتدا بسیار خوب و تنها دارای خطایی حدود ده متر بود. البته دپارتمان دفاع آمریکا یک خطای مکان یابی را٬ به دلیل ترس شهروندان از سواستفاده تکنولوژی علیه آنها٬ به عمد به سیستم تزریق کرد. این مساله که امروزه هم گاهی رخ میدهد از همان ابتدا با نارضایتی بسیاری مواجه شد.

درهنگام اولین عملیات استفاده از جی‌پی‌اس در طوفان صحرا٬ تعداد کم واحد های سنگین٬ پرمصرف و گران قیمت گیرنده های جی‌پی‌اس باعث شد تا نیروهای نظامی به سمت گیرنده های ارزان٬ سبک و در دسترس شهروندان بروند. هرچند که این ابزارها درعمل به خاطر اعمال عمدی خطای مکان یابی بلا استفاده بودند. این معضل به حدی چشمگیر بود که باعث شد سیستم تزریق خطا (که دسترسی انتخابی یا SA نامیده می شود) تا پایان جنگ خلیج (سال ۹۰ و ۹۱ میلادی) در تمام دنیا خاموش شود.

سراسر دهه ۹۰ میلادی٬ ارتش٬ شخصیت های حقوقی و حقیقی سعی در حذف کردن SA داشتند. تعداد زیادی از مردم -از راننده های ماشین آلات کشاورزی تا مدیران فدرال- از نویز ساختگی موجود در سیگنال که باعث کاهش بازدهی و سازگاری جی‌پی‌اس در محیط میشد٬ ناراضی بودند. سرانجام این خطاهای مزاحم در سال ۲۰۰۰ به دستور رئیس جمهور آمریکا٬ بیل کلینتون٬ برای همیشه حذف شدند.

سری دیگری از ماهواره ها در حال راه اندازی هستند که نه تنها دقت جی‌پی‌اس ها بلکه امکان دسترسی آن را نیز بهبود می دهند. ۳۰ ماهواره جدید که تحت عنوان GPS Block III یا GPS III شناخته می شوند جایگزین ماهواره های قدیمی Block II خواهند شد. در حال حاضر تمام ماهواره های Block I از بین رفته اند. از ۶۴ ماهواره بلوک ۱ و۲ تنها ۳۳ تای آنها عملیاتی باقی مانده اند. سن قدیمی ترین آنها - یعنی Navstar IIA-01- نزدیک به ۲۳ سال است.

دلیل این که چرا ماهواره های جدید باعث بهبود چشم گیرعملکرد جی‌پی‌اس می شوند فراتر از "دقت و سرعت بیشتر" است.

چگونگی عملکرد جی‌پی‌اس

جی‌پی‌اس یک سیستم پخش کننده است و نیازی به برقراری ارتباط از طریق دیتا برای مکان یابی ندارد (هرچند که اپلیکیشن ها برای نشان دادن مکان به دست آمده از جی‌پی‌اس بر روی نقشه نیازمند انتقال دیتا هستند). موبایل یا دستگاه مسیریاب با ماهواره ای که در فاصله ۱۲۵۰۰ مایلی آن قرار دارد به تبادل ارتباطات نمی پردازد، بلکه فقط به فرکانس های خاصی که بر روی کد مشخصی ارسال می شوند٬ گوش می دهد.

موبایل شما به یک کانال یا باند خاص که هر ماهواره آن را در کد زمانی خودش و برمنبای کلاک اتمی که در مدار قرار گرفته٬ پخش می کند، گوش می کند. اگرچه به دلیل این که هر ماهواره در فاصله مکانی متفاوتی نسبت به شما قرار دارد٬ زمانی که شما این "علائم" را دریافت میکنید احتمالا فاقد تطابق زمانی هستند). دستگاه جی‌پی‌اس سعی می کند با همزمان سازی علائم دریافتی با کلاک داخلی اش، زمان ها را یکپارچه کرده و فاصله هر ماهواره نسبت به شما را دریابد.

فرض کنید شما به اندازه x ٬ y و z  مایل از سه ماهواره فاصله دارید. آنها دست کم ۱۲۵۰۰ مایل دورتر از شما در آسمان هستند و با سرعت ۱۴۰۰۰ مایل در ساعت حرکت می کنند. شما هیچ اطلاعاتی درباره مکان فعلی و مقصد آنها ندارید و اطلاعاتی که دارید بدون داشتن کد زمانی هر کدام از ماهواره ها٬ هیچ سودی برای شما نخواهند داشت.

من میدانم کجا هستم اما تو کجایی؟

[videojs mp4="http://cdn.digiato.com/GPS, relativity, and nuclear detection.mp4"]

برای آنکه بر اساس "علائم" دریافت شده از ماهواره بفهمیم که کجا هستیم ٬ به یک بیت اطلاعاتیِ اضافه که پیشتر توسط کد زمانی منتقل شده٬ احتیاج داریم. این بیت Almanac (سالنما) نامیده می شود و حاوی اطلاعات مربوط به مشخصات مدار فعلی هر ماهواره است. درواقع موبایل شما یک مدل فلکی کوچک بر اساس زمان با دقت چند نانوثانیه می سازد و بدین ترتیب معلوم میشود که ماهواره ها در کجای آسمان هستند و شما در چه موقعیت مکانی نسبت به آنها قرار دارید.

در ابتدای استفاده از سیستم جی‌پی‌اس سه کانال مورد استفاده قرار میگرفت. دو کانال (L1/L2) برای دریافت و موقعیت یابی در کاربرد های غیر نظامی بودند. اگر یک کد رمزگذاری خاص -که عموما کد طلایی نام دارد- داشتید٬ به دقت بالاتری دست می یافتید که این دقت بالاتر درعملیات های نظامی کاربری داشت.

نهایتا کانال ٬L3 که برای تشخیص انفجارهای هسته ای رزرو شده است، زمین را برای تشخیص رویدادهای پرانرژی مادون قرمز رصد می کند. اما بیشتر از همه برای به اجرا درآمدن معاهدات منع سلاح هسته ای به کار می رود. نسخه جدید استاندارد جی‌پی‌اس ویژگی های خاص تازه ای دارند.

تازه های جی‌پی‌اس

در سیستم های اخیر بلوک۲ و بلوک۳ تعداد کانال ها به پنج افزایش یافته است. کانال L4 به کارهای تحقیقاتی اختصاص داده شده است. کانال L5 نیز مختص امنیت زندگی -اطلاعات  حیاتی و سیگنال پایلوت- است که کاربرهای "تجسس و نجات"٬  ناوگان هوایی و دریایی بسیار به این نسخه جی‌پی‌اس وابسته اند.

در سیستم های جدید٬ روش جایگذاشت دیتا در همان سیگنالی که کد طلایی را استفاده میکند٬ اعمال شده تا سیگنال های اضافی برای کاربران غیرنظامی و کانال های فقط-نظامی (به ترتیب کد L2C و M) تولید شوند و هر دو وظیفه را بطور جداگانه بر عهده بگیرند.

کد L2C می تواند تا که ۲۵۰ بار یافتنی تر باشد -که هم معنی با قوی تر بودن سیگنال نیست-. این کد روی کانال متفاوتی نسبت به قبل عمل می کند و باعث میشود که به دو کانال دسترسی داشته باشیم و بتوانیم به طور بلادرنگ آنها را با یکدیگر مقایسه کنیم. این امکان بدان معناست که می توان اختلالات جوی را جبران نموده و در نتیجه به موقعیت مکانی دقیق تری دسترسی پیدا کرد.

کد M همان برگ برنده ای است که عملکرد جی‌پی‌اس با توجه به تغییرات جدید را توجیه می کند. دو پیشرفت عمده در این رابطه جهت دار شدن و ضد پارازیت بودن است. به جای سیستم معمول -پخش در کل زمین- ماهواره بلوک ۳ دارای دو آنتن جهت دار کد M و پخش کننده خواهد بود. این امکان برای سربازها گیرندگی صد برابر قویتری را در مخروط پرتو فراهم می کند که فقط عرض چند صد کیلومتر را  پوشش می دهد.

به همین ترتیب٬ سیگنال های کد M حاوی تکنیک هایی برای اصلاح خطا٬ ضد پارازیت بودن٬ ضد حمله و جعل و پخش دیتا هستند تا بر سیستم های ممانعتی محلی غلبه کرده و سربازها را مطمئن کنند که بدون توجه به شرایط آب و هوا٬ مکان و یا دشمن، بهترین اطلاعات مکانی برایشان فراهم شود.

ورای همه این ها٬ یک امکان بهبود یافته دیگر که عرضه می شود کلاک سریع تر روبیدیوم است که امکان زمان سنجی دقیق تر و مکان یابی بهتر را فراهم می کند. در عین حال٬‌ پنل های خورشیدی پیشرفته تر٬ توان بیشتری را برای آنتن های قوی تر فراهم کرده که منجر به دریافت توان بیشتر در گیرنده می شود.

همیشه وقتی پای دولت ها در میان باشد امکانات ویژه تری درخواست می شود. ناسا برای بهتر دنبال کردن مدارها از زمین٬ درخواست پس بازتابگرها یا آینه های لیزری کرده است و نیروی هوایی خواستار بیشتر شدن قابلیت جستجو و نجات موجود در کانال های فعلی شده است. این بخشی از استانداردهای جهانی سیستم های جستجو و نجات موجود در ۳۷ کشور است که علاوه بر امکان تشخیص بلافاصله سیگنال اورژانسی و مکان آن٬ قابلیت ارسال پیام های کوتاه به گیرنده را نیز فراهم می کند.

آیا پیشرفت ها فقط در فضا است؟

بسیاری از این تغییرات و به روزرسانی ها علاوه بر ماهواره ها بر روی سیستم های ایستگاه های زمینی نیز به اعمال شده است. پیش از این المان های کنترل عملیاتی در زمین OCS نامیده می شدند. ایستگاه های زمینی در سرتاسر زمین پخش شده اند و مسیرهای مدارها٬ تراکم پوشش دهی و قابلیت های جستجو و نجات، و تشخیص فعالیت های هسته ای را برای شبکه جی‌پی‌اس هماهنگ می کنند. همچنین خطاهای احتمالی ناشی از تاخیرات زمانی نسبی مزاحم را اصلاح می کنند. نسخه های جدید ایستگاه های زمینی (OSX) علاوه بر داشتن اغلب پیشرفت های نسخه های جدید جی‌پی‌اس٬ امکان  تبادل عملکرد بین سیستم های آمریکایی و GNSS اروپا را نیز فراهم می کنند.

اما متاسفانه همین پیشرفت های سیستم GPS III، مانع از انتشار آن می شود. برای ساختن سیستم های مدیریتی و ایستگاه های عملیاتی زمینی قراردادهایی بسته شده است اما هزینه های ساخت آن ها سرسام آور پیش بینی شده است.