علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
GPS III’s Long Journey Is Picking Up Speed
(بقلم: ساره سكولز – Sarah Scoles)
مع إطلاق القمر الصناعي الخامس من الجيل الجديد ، أصبح لدى الولايات المتحدة أخيرًا كوكبة قادرة على إرسال إشارات (M-Code) عالميًا التي يصعب انتحالها أو تشويشها.
أطلقت قوة الفضاء الأمريكية اليوم أحدث قمر صناعي لها ، وهو واحد من عدد قليل فقط من تصميم (GPS III) الجديد ، وهو أكثر دقة وأكثر مقاومة للتداخل – مثل تشويش الإشارة – من أشقائه الأكبر سناً.
يعني الإطلاق أن عددًا أكبر من كوكبة الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في البلاد تتمتع بقدرات أقوى على الموقع والملاحة والتوقيت ، وهي مصممة لتعيش لفترة أطول من سابقاتها – حوالي 15 عامًا ، وفي ذلك الوقت يمكن للأشخاص الذين لم يولدوا بعد أن يستخدموا خدماتها لأداء مهام تبدو الخيال العلمي الآن. (يؤدي التصميم على المدى الطويل أيضًا إلى تقليل نفايات الفضاء لتنظيفها). نادي الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي – “GPS” هو اسم العلامة التجارية الأمريكية لـ “نظام الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية” أو (GNSS) – يضم بالفعل 31 عضوًا تشغيليًا ، 27 منهم من ثلاثة أجيال سابقة. هذه هي المركبة الفضائية الخامسة لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) فقط وستحل محل أحد الأقمار الصناعية الأقدم.
يعتمد كل شيء من الهواتف المحمولة والساعات الذكية إلى أنظمة الملاحة في السيارات والطائرات التجارية وسفن الشحن على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يوجه النظام الطريق إلى المنزل ، ويحدد الأشخاص القريبين للتمرير سريعًا إلى اليسار ، ويفرض توقعات الطقس على هاتفك ، ويتيح للعدائين التباهي بأسرع أميال لهم.
بقدر ما يتعلق نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بالموقع والملاحة ، فهو يتعلق أيضًا بالتوقيت. تساعد علامة التجزئة الصارمة للساعات الذرية للأقمار الصناعية في ختم المعاملات المالية ، وتتبع ومزامنة توزيع الطاقة لشبكات الطاقة ، ومزامنة المحطات الأساسية التي ترسل إشارات الخلية. تقول تونيا لادويج ، نائبة الرئيس لأنظمة الملاحة في شركة لوكهيد مارتن ، التي تقوم ببناء طاقم (GPS III).
على الرغم من أنه لا غنى عنه للحياة المدنية ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، لم يتم إنشاء (GPS) لأي من ذلك: يتم تشغيله حاليًا بواسطة (Space Force) ، وهو يخدم أهدافًا عسكرية. “يمكن أن تكون القوات في القتال. يمكن أن تكون حركة المعدات. تقول مارغريت سوليفان ، قائدة العتاد لبرنامج المركبات الفضائية (GPS III) في مركز أنظمة الفضاء والصواريخ ، “يمكن أن تكون سفننا في البحر تقوم بمهام ردع استراتيجية”. وهذا يشمل أيضًا مساعدة الذخائر الموجهة بدقة – في الوقت المناسب ، في الهدف ، في كل مرة”.
ولكن منذ إطلاق العنان لقدراته في العالم الأوسع ، أصبح نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) منسوجًا بشكل وثيق في نسيجنا الوجودي. يقول سوليفان ، الذي يقدر أن خدمات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ساهمت بأكثر من 75 مليار دولار سنويًا في الاقتصاد الأمريكي: “أدركت حكومة الولايات المتحدة الفائدة الهائلة التي قد تعود عليها ، ليس فقط لجيشنا الأمريكي وحلفائنا ، ولكن للعالم بأسره”.
ومع ذلك ، فقد تم حياكة بعض المشاكل في هذا النسيج أيضًا. تمتلك الأقمار الصناعية القديمة ، بالطبع ، تقنية قديمة ، وتعمل في بيئة أكثر غدرًا مما كانت عليه من قبل. البنية التحتية المدارية – مثل النوع الأرضي – عرضة للتدخل. يمكن للوكلاء محاكاة ساخرة لإشارة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، مما يؤدي إلى تزوير يتنكر في صورة الشيء الحقيقي ، لخداع سفينة ، على سبيل المثال ، للاعتقاد بأنها في المكان الخطأ. أو يمكنهم تشويش الإشارة ، وبث التداخل الذي يغرق في إشارة “أنت هنا الآن” الضعيفة من الفضاء. خذ على سبيل المثال عمليات التشويش الروسية للطائرات الأمريكية بدون طيار فوق سوريا. أو شاهد كيف أدى التشويش على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الخاص بالولايات المتحدة إلى وقوع الطيارين التجاريين ، الذين حلّقوا بالقرب من الاختبارات العسكرية في الداخل ، في مشاكل. لكن لا يجب أن يكون مثيري الشغب عملاء حكوميين ، فقط أشخاص لديهم بعض النقود الإضافية وقليلًا من المعرفة الرقمية.
يعتبر التدخل أمرًا مؤلمًا إذا كان جارك يخدعك ويخدعك خرائط (Google) الخاصة بك. إنها أيضًا مشكلة للعمليات العسكرية. “إذا كنت تحاول شق طريقك عبر بيئة غير مألوفة أو غير ودية ، فأنت بحاجة إلى أن تكون قادرًا على الاعتماد على تحديد المواقع الدقيق والمتاح لمعرفة مكانك ، والتنقل لمعرفة وجهتك ، والتوقيت لمزامنة الجميع، يقول سوليفان.
“لقد عرف الناس أن هناك تحديات مع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لعقود” ، هذا ما قالته دانا جوارد ، رئيس مؤسسة (Resilient Navigation and Timing Foundation) ، وهي مؤسسة غير ربحية تدعو جزئيًا إلى النسخ الاحتياطي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وهو نظام بديل حتى لا نلتزم بالفضل لهذه المجموعة الواحدة من الأقمار الصناعية. “ولا يوجد نظام مثالي. أنا لا أسمي الطفل القبيح. أنا أسمي الطفل غالي الثمن ويحتاج إلى الاهتمام”.
يعد التداخل السهل نسبيًا جزءًا من سبب وجود برنامج تحديث (GPS III). تعمل هذه الأقمار الصناعية منذ عام 2008 ، عندما حصلت شركة لوكهيد على العقد. على الرغم من أنه كان من المقرر أصلاً أن يذهب الثالث الأول إلى الفضاء في عام 2014 ، إلا أنه تم تأجيله حتى عام 2018. ومنذ ذلك الحين ، ذهب أربعة آخرون – بما في ذلك إطلاق (SV-05) اليوم – إلى المدار ، على الرغم من أن الأربعة الأولى لم تبدأ إلا في عام 2020. استغرق الأمر أكثر من عام للإعلان عن أول تشغيل ، لكن الجداول الزمنية تسارعت منذ ذلك الحين. يتوقع (Ladwig) أن تحصل (SV-05) على الضوء الأخضر بعد أسابيع قليلة من إطلاقها.
إن الإطلاق هذا الصباح (17-6-2021) ، على متن صاروخ (SpaceX Falcon 9) باستخدام معزز صاروخي تم إطلاقه وتجديده سابقًا ، يضع في مداره قمر (GPS 24) الذي يمكنه إرسال ما يسمى بـ (M-Code) ، وهي إشارة ذات أمان معزز. هذا هو الرقم السحري الذي تحتاجه (Space Force) لتوفير عمليات (M-Code) كاملة حول العالم. أو ، حقًا ، قال سوليفان: “إنه ليس سحرًا. إنها رياضيات”. يمكن لعشرين من الأقمار الصناعية في مداراتها الصحيحة أن تغطي الكوكب بأكمله.
يجعل تشفير (M-code) من الصعب الانتحال: يمكن لأجهزة الاستقبال الموجودة على الأرض استخدام الرمز نفسه لمعرفة ما إذا كانت الإشارة أصلية أم لا. بينما يتم أيضًا تشفير الإصدار الأقدم من الإشارة المحمية للجيش ، فإن تشفير (M-code) يمثل “الجيل التالي من الأمان” ، كما يقول سوليفان.
على الأقمار الصناعية (GPS III) ، سيتم أيضًا بث (M-Code) بشكل أقوى ، مما يجعل التشويش أكثر صعوبة. يقول لادويج: “فكر في شخص ما يصرخ أو يتحدث بصوت عالٍ أمام حشد من الناس ويحاول أن يسمعهم الجميع”. إذا كان شخص آخر يصرخ (جهاز تشويش محتمل) ، فسيتعين على مكبر الصوت (قمر GPS الصناعي) التحدث بصوت أعلى حتى يتم سماعه.
لكن (M-Code) يكون مفيدًا تمامًا فقط إذا كان بإمكان المستخدمين على الأرض استلامه بشكل صحيح ، والبنية التحتية اللازمة على الأرض ، التي أنشأها المقاول الدفاعي (Raytheon) ، غير موجودة تمامًا بعد. لقد تأخر نظام التحكم التشغيلي من الجيل التالي للشركة بسنوات وتجاوزت ميزانيته مليارات الدولارات. تم تعيينه الآن على الإنترنت في عام 2023.
لإيقاف هذا الوضع ، تم تكليف شركة (Lockheed Martin) بتحديث نظام التحكم الأرضي (GPS) الحالي التابع لقوة الفضاء ، والذي حافظت عليه الشركة منذ عام 2013 ، للتعامل مع الاستخدام المبكر لـ (M-Code) (بشكل أساسي ، الإصدار التجريبي). وافقت (Space Force) على تحديث البرنامج المطلوب ، للاستخدام في العمليات ، في أواخر عام 2020. تسمح ترقية أخرى للقوة الفضائية بالتحكم في الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي III ، وهذه – جنبًا إلى جنب مع أقرانهم الأكبر سنًا الذين تم تمكينهم من رمز M – تستوعب مبكرًا عالميًا عمليات (M-Code) بينما الإصدار الدائم يشق طريقه إلى الانتهاء.
لن يلتقط المدنيون إشارة (M-Code) ، المخصصة للعمليات العسكرية مثل استهداف الأسلحة وتوجيه الطائرات وتوصيل الإمدادات. لكن يمكنهم مع ذلك الاستفادة من آخر جديد تبثه أقمار (GPS III) ، يسمى (L1C). إنها “الإشارة المدنية” الرابعة الموجودة ولكنها فريدة من نوعها من حيث أنها “قابلة للتشغيل البيني” مع عمليات البث من أنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية الأخرى ، مثل (Galileo) في أوروبا ، و (QZSS) الياباني ، و (BeiDou) الصيني. يمكن لأي شخص لديه جهاز استقبال مناسب التقاط إشارات من أي من تلك الأبراج ، مما يوفر مزيدًا من الدقة (وقليلًا من النسخ الاحتياطي). ينبعث (L1C) أيضًا أقوى من الإشارات القديمة.
مع (GPS III) ، سيحصل المستخدمون العاديون أيضًا على مستوى أعلى من الدقة (إذا كان لديهم أجهزة استقبال يمكنها الاستفادة من تلك البيانات التفصيلية – نوعًا ما يشبه كيف تتطلب مشاهدة التلفزيون بدقة عالية HDTV). في الماضي ، سمح لك نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بمعرفة موقعك على بعد حوالي 10 إلى 33 قدمًا من مكانك الفعلي. مع الساتس الجديدة ، سيكون من 3 إلى 10 أقدام.
يحدث هذا التعزيز بفضل الساعات الذرية الأكثر وضوحًا: يلتقط مستقبل (GPS) الإشارات من الأقمار الصناعية المختلفة ، مختومة بالأوقات فائقة الدقة عند إرسالها. يمكن لجهاز الاستقبال بعد ذلك معرفة المدة التي استغرقتها الإشارات للانتقال إلى الأرض واستخدام الفرق لتحديد مسافة كل قمر صناعي من موقعه. هذه المعلومات المحسوبة ، يمكن للمستقبل أن يبصق البقعة التي تشغلها على الأرض ، بشكل أساسي من خلال التثليث الهائل. كلما كانت الطوابع الزمنية أفضل ، زادت دقة موقعك. الآن عندما تستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للقيادة ، يمكنك أن تعرف على وجه اليقين أنك قد فاتك دورك.
إذن ما مدى قوة هذا الجيل الجديد من أقمار (GPS) الصناعية ومقاومتها للتدخل؟ تقول المزاعم الأكثر استشهادًا ، التي قدمها صانعو شركة (Lockheed Martin) وأحيانًا الجيش ، أن (GPS III) أكثر دقة بثلاث مرات ، وأكثر مقاومة للتشويش بثماني مرات من تكرارات (GPS) السابقة.
لكن بعض مراقبي الصناعة يعتقدون أن قدرات (GPS III) ليست ثورية كما قد تبدو. يقول (Goward): “من المحتمل أن يكون البرنامج قد تم بيعه بشكل مبالغ فيه”. ويضيف أن صخبها “ليس غير صحيح ، ولكن ربما ليس بنفس الأهمية التي قد يبدو عليها”. يجادل بأن الزيادة في الدقة بمقدار ثلاثة أضعاف لن تهم كثيرًا المستخدم العادي. بعد كل شيء ، يمكنهم الشعور بأنهم لا يزالون على مسار (AllTrails) الصحيح حتى لو كانت نقطتهم تقع على بعد أقدام قليلة من المسار. يقول (Goward): “بالنسبة لأولئك الأشخاص الذين يحتاجون حقًا إلى تحديد موقع (GPS) دقيق حقًا” ، مثل المزارعين الدقيقين الذين يستخدمون البيانات الجغرافية المكانية لتحسين حقولهم ، “يحتاجون إلى سنتيمترات”.
وفي مقال رأي نُشر مؤخرًا في مجلة (National Defense Magazine) ، أكد كبير العلماء السابق في قيادة الفضاء بالقيادة الجوية للقوات الجوية جين ماكول أن زيادة مكافحة التشويش بثمانية أضعاف لن تكون كافية أيضًا. حتى إشارات (GPS) القوية هذه ، والتي يجب أن تسافر آلاف الأميال من الفضاء ، لا تزال ضعيفة مقارنة بالإشارات التخريبية.
لكن سوليفان يشير إلى أن أمن الأقمار الصناعية لا يتعلق فقط بالقوة ؛ يتعلق الأمر أيضًا بكيفية تصميم الإشارة. كما أن معدات المستخدم الموجودة على الأرض ستتمتع أيضًا “بقدرات إضافية لمكافحة الانحشار والأمن” ، كما تقول ، “حتى تعمل هذه الأشياء معًا”.
لقد كان طريقًا طويلاً للحصول على أقمار صناعية لنظام تحديد المواقع العالمي III تدور في المدار وتعمل ، ورحلة التطوير لم تنته بعد. مثل الأجسام الأرضية التي من المفترض أن يوجهوها ، فإنهم يمضون قدمًا ، لكنهم لم يصلوا بعد.
المصدر:
https://www.wired.com/story/gps-iiis-long-journey-is-picking-up-speed/