آیا سیگنال های تلفن همراه می تواند به فرود هواپیما کمک کند؟

در ارتفاع ۸۰,۰۰۰ فوت بالاتر از نیومکزیکو، یک جفت آنتن از یک کولر استایروفومی که از یک بالن هواشناسی آویزان است، بیرون زده است. از این ارتفاع، سیاهی فضا به آسمان‌های آبی زمین فشار می‌آورد. اما این آنتن‌ها به جای خیره شدن به این منظره شگفت‌انگیز، به دنبال سیگنال‌هایی هستند که ممکن است سفرهای هوایی را ایمن‌تر کنند.

محققان آزمایشگاه ملی ساندیا و دانشگاه ایالتی اوهایو در حال استفاده از فناوری ناوبری تجربی هستند و سیستم پشتیبانی‌ای را توسعه می‌دهند تا در مواقعی که سیستم‌های ماهواره‌ای GPS به‌درستی عمل نمی‌کنند، به هواپیما کمک کنند مسیر خود را حفظ کند.

در فاصله بیش از ۱۵ مایلی زیر این کولر معلق، برج‌های مخابراتی تلفن همراه، امواج رادیویی را به طور مداوم پخش می‌کنند. صدها مایل بالاتر، ماهواره‌های غیر GPS نیز همین کار را انجام می‌دهند.

ایده این است که از این سیگنال‌های جایگزین برای محاسبه موقعیت و سرعت یک وسیله نقلیه استفاده شود.

جنیفر سندرسون، محقق اصلی ساندیا، می‌گوید: “ما سعی نداریم GPS را جایگزین کنیم. هدف ما کمک به آن در شرایطی است که تضعیف یا مختل شده باشد.” این اختلالات می‌تواند برای خلبانان و مسافران شرایط خطرناکی ایجاد کند.

این تیم داده‌های اولیه خود را در کنفرانس GNSS+ موسسه ناوبری که از ۱۶ تا ۲۰ سپتامبر در بالتیمور برگزار شد، ارائه داد. این تحقیق از طریق برنامه تحقیقات و توسعه هدایت‌شده آزمایشگاهی ساندیا حمایت می‌شود.

نیاز به یک سیستم پشتیبان برای GPS

بدون شک، GPS همچنان استاندارد طلایی برای ناوبری است. این سیستم سریع، دقیق و قابل اعتماد است. اما سوال این است که چرا محققان به دنبال روش‌های جدید ناوبری هستند؟

سندرسون، به عنوان یک متخصص الگوریتم‌های ناوبری، می‌گوید: “من نگران تکیه بیش از حد به GPS بدون داشتن یک پشتیبان هستم.”

او توضیح می‌دهد که GPS به بخشی جدایی‌ناپذیر از جهان فناوری مدرن ما تبدیل شده است. هر روزه از آن استفاده می‌کنیم، چه در فرود آوردن یک هواپیما، رانندگی در شهر، نقشه‌برداری از محصولات کشاورزی یا زمان‌بندی تراکنش‌های بازار سهام. این وابستگی محققانی مانند سندرسون را نگران پیامدهای قطع این ارتباط کرده است.

قطع GPS تأثیرات گسترده‌ای بر جامعه می‌گذارد. برای مثال، خلبانانی که در نزدیکی مناطق درگیری پرواز می‌کنند، به احتمال زیاد GPS خود را از دست می‌دهند یا متوجه می‌شوند که غیرقابل اعتماد است. هر چه مدت بیشتری بدون GPS پرواز کنند، خطر بروز حوادث بیشتر می‌شود.

تهدیدات GPS شامل جمرها و اسپوفینگ است که می‌توانند سیگنال‌های جعلی ایجاد کرده و باعث انحراف وسیله نقلیه شوند.

بررسی سیگنال‌های جایگزین در ارتفاعات بالا

ایده ناوبری با استفاده از سیگنال‌های غیر GPS که به‌طور تصادفی در اطراف وجود دارند، چندان جدید نیست و دانشمندان آن را “سیگنال‌های فرصت” می‌نامند.

سندرسون و تیم او در حال مطالعه ناوبری با استفاده از سیگنال‌های جایگزین در ارتفاعات بالا هستند. اگر بتوانند داده‌های سیگنالی از استراتوسفر جمع‌آوری کنند، ممکن است راهی برای هدایت وسایل نقلیه مانند هواپیما با استفاده از شبکه‌ای از امواج رادیویی جوی پیدا کنند.

گام بعدی: پردازش داده‌ها

با پیشرفت تحقیقات و پردازش داده‌ها، سندرسون معتقد است که نتایج اولیه نشان می‌دهد سیگنال‌های برج تلفن همراه تا ارتفاع ۸۲,۰۰۰ فوت تشخیص داده شده‌اند. اگر این سیگنال‌ها به اندازه کافی برای ناوبری تمیز باشند، این امر می‌تواند انتظارات ما از ناوبری جایگزین را تغییر دهد.

آنتن‌هایی که از یک کولر استایروفومی در ارتفاع ۸۰,۰۰۰ فوت بالاتر از نیومکزیکو آویزان هستند، در حالی که منظره‌ی شگفت‌انگیز فضای سیاه و آسمان آبی زمین را مشاهده نمی‌کنند، به دنبال سیگنال‌هایی هستند که ممکن است امنیت سفرهای هوایی را بهبود ببخشند. محققان آزمایشگاه ملی ساندیا و دانشگاه ایالتی اوهایو در حال آزمایش یک فناوری ناوبری جدید هستند که به عنوان یک سیستم پشتیبان برای حفظ مسیر هواپیما در مواقعی که GPS غیرقابل اعتماد می‌شود، عمل می‌کند.

این فناوری به سیگنال‌های رادیویی از برج‌های مخابراتی تلفن همراه در پایین و ماهواره‌های غیر GPS در بالا متکی است تا موقعیت و سرعت وسایل نقلیه را محاسبه کند. جنیفر سندرسون، محقق ارشد ساندیا، توضیح می‌دهد: “ما نمی‌خواهیم GPS را جایگزین کنیم، بلکه در شرایطی که سیگنال GPS تضعیف یا مختل شده است، می‌خواهیم از این سیستم به عنوان کمکی استفاده کنیم.”

این تیم در کنفرانس GNSS+ که از ۱۶ تا ۲۰ سپتامبر در بالتیمور برگزار شد، داده‌های اولیه خود را ارائه داد و تحقیقات آن‌ها توسط برنامه تحقیقات و توسعه هدایت‌شده آزمایشگاه ساندیا حمایت می‌شود.

دلیل نیاز به یک سیستم پشتیبان برای GPS

GPS همچنان به عنوان استاندارد طلایی برای ناوبری محسوب می‌شود؛ سریع، دقیق و قابل اعتماد. اما چرا محققان به دنبال توسعه روش‌های جدید ناوبری هستند؟

سندرسون، متخصص الگوریتم‌های ناوبری، نگران وابستگی بیش از حد به GPS بدون داشتن یک سیستم پشتیبان است. او می‌گوید: “GPS به بخشی اساسی از دنیای فناوری مدرن ما تبدیل شده است. ما به طور مداوم از آن استفاده می‌کنیم، چه در فرود آوردن هواپیما، رانندگی، یا حتی زمان‌بندی معاملات در بازار سهام.”

او توضیح می‌دهد که قطع شدن GPS می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای در جامعه داشته باشد. خلبانانی که در نزدیکی مناطق جنگی پرواز می‌کنند، اغلب با قطع یا غیرقابل اعتماد شدن GPS مواجه می‌شوند. هرچه مدت بیشتری بدون GPS پرواز کنند، خطرات بیشتری برای خلبانان و مسافران ایجاد می‌شود.

یکی از مشکلات GPS، جمرها هستند که با ارسال سیگنال‌های جعلی می‌توانند GPS را مختل کنند. سندرسون همچنین اشاره می‌کند که مشکل دیگری به نام “اسپوفینگ” نیز وجود دارد که در آن سیگنال‌های جعلی به گیرنده‌ها ارسال می‌شود و ممکن است خلبانان را به مسیر نادرستی هدایت کند.

بررسی سیگنال‌های جایگزین در ارتفاعات بالا

ایده استفاده از “سیگنال‌های فرصت” برای ناوبری با استفاده از سیگنال‌های رادیویی اطراف جدید نیست، اما بیشتر مطالعات بر ناوبری در ارتفاعات پایین تمرکز داشته‌اند. در این تحقیق، سندرسون و تیم او در حال بررسی این سیگنال‌ها در ارتفاعات بالاتر، از جمله استراتوسفر هستند.

برای جمع‌آوری داده‌ها، تیم پژوهشی بسته‌های الکترونیکی را به بالن‌های هواشناسی متصل کرده و به ارتفاعات بالا ارسال می‌کنند. این بسته‌ها شامل جفتی از آنتن‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی هستند که درون یک کولر استایروفومی عایق‌شده قرار دارند. سیگنال‌های ماهواره‌ای در این ارتفاعات انتظار می‌رود که قوی باشند، اما ممکن است مناطقی وجود داشته باشد که سیگنال‌ها در آن ضعیف یا نامنظم باشند، به‌ویژه در مناطق روستایی.

سندرسون می‌گوید: “بالاترین ارتفاعی که تاکنون به آن دست یافته‌ایم حدود ۸۰,۰۰۰ فوت بوده است. در مقایسه، مطالعات دیگر در ارتفاعاتی حدود ۵,۰۰۰ تا ۷,۰۰۰ فوت انجام شده‌اند.”

پردازش داده‌ها: گام بعدی

تحلیل داده‌های اولین پرواز به مراحل پایانی خود نزدیک می‌شود و تیم پژوهشی در انتظار دستیابی به دستاوردها و چالش‌های جدید است. سندرسون می‌گوید: “یک جنبه مهم در ناوبری، درک همه منابع خطا است. هدف من جمع‌آوری یک مجموعه داده جامع برای توسعه الگوریتم‌های سیستم‌های زمان واقعی است.”

در مرحله بعدی، یک سیستم ناوبری باید بتواند سیگنال‌ها را به سرعت به فرستنده‌های خود متصل کند و موقعیت و سرعت وسیله نقلیه را محاسبه کند. در این مرحله از تحقیق، تیم پژوهشی به صورت دستی سیگنال‌ها را به ماهواره‌ها تطبیق می‌دهد. سندرسون می‌گوید: “این فرآیند بسیار زمان‌بر است و یکی از مسائل اصلی که باید به آن بپردازیم، خودکارسازی این فرآیند است.”

با وجود چالش‌ها، سندرسون خوش‌بین است و می‌گوید که نتایج اولیه حاکی از آن است که سیگنال‌های برج‌های تلفن همراه در ارتفاع ۸۲,۰۰۰ فوت شناسایی شده‌اند. او می‌گوید: “اگر این سیگنال‌ها به اندازه کافی تمیز باشند که برای ناوبری استفاده شوند، این امر انتظارات ما از ناوبری جایگزین را به طور قابل توجهی تغییر خواهد داد.”

آزمایشگاه ملی ساندیا یک آزمایشگاه چندماموریتی است که توسط شرکت National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC، یکی از زیرمجموعه‌های Honeywell International، برای وزارت انرژی ایالات متحده اداره می‌شود. این آزمایشگاه در زمینه‌های امنیت جهانی، دفاع، فناوری‌های انرژی و رقابت اقتصادی تحقیق و توسعه انجام می‌دهد و دارای تاسیسات اصلی در آلبوکرکی نیومکزیکو و لیورمور کالیفرنیا است.