فناوری‌های جدید می‌توانند در آینده جایگزین GPS شوند؛ از میدان مغناطیسی زمین و حسگرهای کوانتومی گرفته تا سیگنال ماهواره‌های Starlink و حتی دکل‌های تلفن همراه.
GPS سال‌هاست به یکی از زیرساخت‌های نامرئی زندگی مدرن تبدیل شده است. از مسیریابی خودرو و هواپیما گرفته تا خدمات بانکی، حمل‌ونقل و عملیات نظامی، بسیاری از سیستم‌ها برای تعیین موقعیت به سیگنال‌های ماهواره‌ای وابسته‌اند. اما یک مشکل مهم وجود دارد: GPS و دیگر سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای (GNSS) به‌سادگی قابل اختلال هستند.
ایجاد پارازیت روی سیگنال‌های GPS در مناطق جنگی به امری رایج تبدیل شده است. علاوه بر این، پژوهش‌های جدید نشان می‌دهد اختلال‌های ناشی از ماهواره‌ها نیز می‌تواند در مقیاسی بسیار بزرگ رخ دهد و حتی مناطق وسیعی از یک قاره را تحت تأثیر قرار دهد.
به همین دلیل، پژوهشگران در حال توسعه روش‌هایی هستند که بتوانند در صورت قطع یا اختلال GPS، موقعیت یک وسیله را بدون اتکا به این سیستم تعیین کنند.
نقشه مغناطیسی زمین به جای GPS
یکی از جذاب‌ترین گزینه‌ها استفاده از میدان مغناطیسی زمین است.
پوسته زمین از سنگ‌های مختلفی تشکیل شده که بسیاری از آن‌ها خاصیت مغناطیسی دارند. پراکندگی این سنگ‌ها باعث ایجاد تغییرات و ناهنجاری‌های بسیار ظریف در میدان مغناطیسی زمین می‌شود. این ناهنجاری‌ها مانند نوعی اثر انگشت مغناطیسی هستند 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 مهم این روش این است که برخلاف دوربین، به نور، ابر یا شرایط جوی وابسته نیست و روی خشکی و دریا قابل استفاده است.
شرکت استرالیایی Q-CTRL یکی از شرکت‌هایی است که روی این فناوری کار می‌کند. 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 روی حسگرهای دیگری کار می‌کند که بر پایه الماس ساخته شده‌اند. این حسگرها علاوه بر شدت میدان مغناطیسی، جهت آن را نیز اندازه‌گیری می‌کنند.
مشکل اصلی این فناوری در حال حاضر کمبود نقشه‌های دقیق و یکپارچه از میدان مغناطیسی زمین است. شرکت‌هایی مانند SBQuantum برای حل این مشکل مشغول جمع‌آوری داده‌های جدید هستند.
استفاده از ماهواره‌های Starlink
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 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 Starlink 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 Starlink 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 Starlink 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. ASPIN Lab 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.
