اندازه‌گیری میکرومترها؛ تلاش برای ساختن سامانه مکان‌یابی بهتر از GPS

سیستم مکان‌یابی جهانی (GPS) می‌تواند شما را در معابر یک شهر یا راه‌های یک کشور هدایت کند، مسیریابی در جاده‌های فرعی و خاکی با سامانه GPS به‌سادگی بزرگراه‌های شش‌بانده است. اما GPS سامانه بی‌نقصی نیست. این سامانه مسیریابی نمی‌تواند شما را در یک لاین مشخص نگاه دارد، فاصله شما با خودرو‌های مجاور را کنترل کند یا شما را به سمت مسیر خروجی هدایت کند. تمامی موارد فوق دلیل‌هایی هستند که شرکت جان دیر (John Deere) قصد دارد یک سامانه مکان‌یابی بهتر بسازد. این شرکت یکی از صنایع سنگین آمریکا و بزرگ‌ترین تولیدکننده ماشین‌آلات کشاورزی در جهان است.

سامانه مکان‌یابی GPS در دهه ۱۹۷۰ میلادی طراحی شده است. آنچه امروزه GPS دراختیار ما می‌گذارد واقعا قابل ‌توجه است؛ یک شبکه حیرت‌آور متشکل از ۲۴ ماهواره که به‌طور تقریبی به مدت ۲۷ سال در حال انجام وظیفه هستند و با چرخش در فضای منجمد دورتادور کره زمین، بی‌وقفه در حال مشاهده و ارائه کمک بدون هیچ چشم‌داشتی هستند. این تکنولوژی طراحی شده بود تا جایگزین نقشه‌های کاغذی شود که به‌ندرت دقتی در حد اینچ ارائه می‌دهند؛ اما امروزه خودروهای خودران به داده‌هایی بیش از اینکه در کدام اتوبان در حال تردد هستید نیاز دارند؛ مانند موقعیت دقیق در هر لحظه درحالی‌که با سرعت ۷۵ مایل بر ساعت در حال حرکت هستید. از سوی دیگر پهپادها و تراکتورهای خودران در حال ایجاد انقلاب در صنعت کشاورزی ملقب به کشاورزی دقیق هستند و برای محقق شدن، نیاز به موقعیت‌یابی دقیق دارند.

محققان برای اضافه کردن این سطح از دقت و به‌روزرسانی کل سیستم، مدتی است در حال کار روی نسخه جدید ماهواره‌‌ها با نام «GPS نسل سوم» جهت جایگزینی با ناوگان موجود هستند. هفته گذشته هنگامی که اسپیس ایکس ماهواره چهارم این مجموعه را در بستر پرستاره خود در فضا قرار داد، این پروژه یک گام به جلو حرکت کرد. شرکت لاکهید مارتین (Lockheed Martin) تاریخچه مختصر تلاش‌های انجام‌شده جهت به‌روزرسانی سامانه GPS را در سال ۲۰۱۲ منتشر کرد که نشان‌دهنده مسیر طولانی این پروژه تا تکمیل داشت. بنابراین می‌توان گفت با پرتاب هفته گذشته، تازه در ابتدای این فرایند هستیم. برطبق برآوردها، کل مراحل پروژه در سال ۲۰۲۳ با هزینه‌ی کل ۶ میلیارد دلار تکمیل خواهد شد.

آیا صنایع بخش خصوصی می‌توانند فرایند به‌روزرسانی GPS را بهتر انجام دهند؟ در ادامه این موضوع که جایگزین سامانه GPS چه چیزی می‌تواند باشد، به‌صورت کامل بررسی می‌شود.

پیش ‌از ‌آنکه به نقص‌های سامانه فعلی GPS اشاره کنیم، اجازه بدهید که یادآوری کنیم سامانه موقعیت‌یابی جهانی GPS یک سیستم خارق‌العاده است. در حقیقت سخت است که جاه‌طلبی و جسارت موجود در پس این مجموعه ماهواره را نادیده بگیریم. چالش‌های ارسال یک آنتن دقیق به ارزش صدها میلیون دلار با ظاهری شبیه یک ون فروش بستنی را در نظر بگیرید. برای تکمیل چشم‌انداز پیچیدگی موضوع در ذهن خود، دقت کنید که ارتش آنتن مذکور را با موشکی که در هر ثانیه بیش از ۱۲۰۰ کیلوگرم اکسیژن می‌سوزاند با سرعت یک ماخ (۱۲۳۴ کیلومتر بر ساعت) به فضا پرتاب می‌کند و سپس به‌آرامی در مدار ۲۱۰۰۰ کیلومتری زمین مستقر می‌کند. به این نکته دقت کنید که قطر کره زمین تنها ۱۲۷۰۰ کیلومتر است.

حال برای درک پیچیدگی‌های این پروژه، محاسبات و الگوریتم‌هایی را تصور کنید که برای نگه‌ داشتن این ماهواره در مدار دقیق آن مورد نیاز است؛ به‌گونه‌ای که هرگز به سایر ماهواره‌ها اصابت نکند، همواره سیگنال‌های مربوطه را مخابره کند، باتری‌ها هرگز خراب نشوند و با گذشت ماه‌ها و سال‌ها همگام‌سازی اولیه ساعت درونی آن به‌سختی دچار خطا شود. سامانه موجود یک دستاورد عظیم است؛ اما کافی نیست.

از نظر تئوری، سامانه GPS دقتی در حد یک متر ارائه می‌دهد، اما در واقعیت این عدد چیزی در حدود ۵ متر است؛ مقداری که برای مسیریابی کافی است اما به‌سختی می‌توان آن را دقیق نامید. برای مثال، اگر دو عدد گوجه‌فرنگی و چند خیار در حیاط خانه خود کاشته باشید، به‌سادگی می‌توانید محصولات کوچک خود را بدون نگرانی از موقعیت آبیاری پرورش دهید. اما اگر سطح زیر کشت شما صدها هکتار باشد، کوچک‌ترین خطا در داده‌های موقعیت‌یابی می‌تواند شما را نابود کند.

به گفته‌ی ال سویج (Al Savage) مدیر شبکه استارفایر شرکت جان دیر: «روزگار آن سپری شده است که کشاورز تمام روز را در مزرعه کار کند و بعد از پایان کار نزد فرزندان خود در خانه بازگردد. آنچه کشاورزان امروزه می‌خواهند فراتر از فرآیندهای ساده کشاورزی است. دقت در حد کاشت ردیفی محصولات، سمپاشی دقیق و... مواردی هستند که کشاورز را در حفظ محصولات خود یاری می‌دهند.»

بنابر اعلام ناسا، زمانی‌که یک کشاورز با کمک یک تراکتور، ماشین بذرپاش، گاوآهن یا سایر تجهیزات کشاورزی را روی زمین خود می‌کشد، ردیف‌های ایجادشده در حدود ۱۰ درصد همپوشانی خواهند داشت. این بدان معنی خواهد بود که قسمت قابل ‌توجهی از مزرعه دوبرابر مقدار مورد نیاز بذر، کود و سموم دفع‌آفات لازم را دریافت خواهد کرد و انجام امور، بیش از زمان مورد نیاز طول خواهد کشید. تراکتورهای امروزی، درست مانند ماشین شما از سامانه موقعیت‌یابی دیجیتال استفاده می‌کنند، اما نیازمند سطح کاملا متفاوتی از دقت هستند. به همین دلیل، شرکت جان دیر با کمک سازمان‌های فضایی یک سامانه بهتر ساخته است.

به گفته Savage «نام این تکنولوژی GPS تفاضلی است.» جهت کسب اطلاعات موقعیت دانه‌بندی مورد نیاز کشاورزان مدرن، شرکت دیر یک مجموعه سایت‌ زمینی در سراسر جهان ایجاد کرده است که داده‌های موقعیت‌یابی ثانویه را جمع‌آوری کند. حجم عظیمی از داده توسط این سامانه به شرکت منتقل و در دو دیتاسنتر اصلی نگه‌داری می‌شوند. این اطلاعات به مجموعه‌ای از ماهواره‌های زمین ثابت که توسط شرکت Inmarsat اداره می‌شود (شرکت جان دیر پهنای باند آن‌ها را اجاره کرده است) ارسال می‌شود؛ سپس مجددا به گیرنده‌های سامانه استارفایر شرکت دیر مستقر روی تراکتورها بازمی‌گرددو طول مسیر رفت و برگشت این سیگنال‌ها از قطر کره زمین بیشتر است؛ اما در مدت‌زمان یک مرتبه نفس ‌کشیدن این جابجایی انجام می‌شود.

آنگونه که Savage توضیح می‌دهد: «شما در مورد ۱۲ الی ۱۳ هزار مایل و در برخی مواقع ۲۰ هزار مایل صحبت می‌کنید و تمام این فرایند در ۵ ثانیه انجام می‌شود، بنابراین قادر خواهید بود حجم داده منتقل‌شده و سرعت آن را تجسم کنید.» مدتی که طول می‌کشد تا سیگنال‌ها از ماهواره‌های GPS به زمین برسند درکنار خطاهای هرچند ناچیز ساعت سیستم در مدار و نویز سیگنال‌های ناشی از ذرات با بار الکتریکی در اتمسفر، از دقت داده‌های سامانه GPS موجود می‌کاهد. با ترکیب داده‌های ماهواره‌ای و شبکه زمینی، شرکت جان دیر قادر است موقعیت‌یابی را با دقت بالاتری انجام دهد.

به گفته Savage: «هنگامی که سمپاشی می‌کنید، نیاز دارید به‌صورت ویژه‌ای دقیق باشید. بنابراین امکان صرفه‌جویی در مصرف علف‌کش‌ها، قارچ‌کش‌ها، سموم دفع آفات و اسپری‌ها خواهید داشت.»

اگر سایت‌های تکنولوژی را دنبال کنید، از حجم زیاد اخبار در مورد فناوری 5G آگاه هستید. مجموعه‌ای از مزایا برای شبکه سریع سلولی جدید وجود دارد که مهم‌ترین آن سرعت است. شرکت کوالکام نمایشی از بیشینه سرعت بارگذاری با سرعت حدود ۴٫۵ گیگابیت ‌بر ثانیه و میانگین سرعت انتقال در حدود ۱٫۴ گیگابیت ‌بر ثانیه ارائه داده است. این سرعت جهت دریافت دو ساعت فیلم در ۱۷ ثانیه کافی است؛ در مقایسه با حدود ۶ دقیقه زمان مورد نیاز در صورت استفاده از اتصال 4G. به بیان دیگر، تلفن‌های 5G جدید حدود ۱۰۰۰ بار سریع‌تر از گوشی تلفن حال حاضر شما خواهند بود.

اما فناوری 5G چیزی فراتر از تلفن همراه خواهد بود. کوالکام قانع شده است که فناوری 5G بستری برای تعامل خودروهای آینده و پوشش استفاده از آن، در آینده شامل همه ما خواهد بود. برای دستیابی به این هدف، تراشه‌های کوالکام کاری فراتر از ارسال سریع‌تر داده انجام می‌دهند. آن‌ها از نوعی ارتباط با نام CV2X (ارتباط بی‌سیم خودرو به هر چیزی) پشتیبانی می‌کنند که ارتباط مستقیم بین خودروها و سایر اشیای هوشمند موجود در زیرساخت‌های شهری را ارائه می‌دهد.

بخش کوچکی از برنامه‌های صنعت خودرو شرکت کوالکام، شامل ایجاد یک سیستم هدایت و ناوبری جهت حذف مشکل خطای ۱ تا ۵ متر GPS است. برای انجام این برنامه، شرکت به مجموعه پتنت‌های خود اتکا کرده است; این برنامه شامل ترکیب داده‌های موجود از ماهواره‌های سامانه جهانی موقعیت یابی (شامل GPS، سامانه گالیله اتحادیه اروپا، گلوناس روسیه و سایر سامانه های موجود) با داده‌های تکنولوژی جدید موقعیت‌یابی دقیق بهبود یافته بر اساس بینایی (VEPP) است. ماهیت برنامه کوالکام بر استفاده از تصاویر دوربین‌های ویدئویی جهت مشخص کردن موقعیت دقیق یک خودرو استوار است.

به گفته ناکول دوگال، معاون ارشد مدیر محصول شرکت کوالکام: «هزینه انجام این روش نجومی نیست. جهت انجام این کار شما به یک دوربین استاندارد مشابه آنچه امروزه دراختیار دارید خواهید داشت... همه آنچه نیاز خواهید داشت اکنون دردسترس است.»

مقایسه دقت موقعیت‌یابی تکنولوژی VEPP شرکت کوالکام و داده سامانه DGPS 

اما اینجا یک موضوع وجود دارد: تکنولوژی CV2X برای سالیان طولانی رؤیای شرکت‌های تکنولوژی بوده است و اگرچه مزایایی ارائه می‌دهد، چالش‌هایی نیز با خود به ‌همراه دارد. برای نمونه، موضوع یافتن پهنای باند: سازمان‌های تنظیم مقررات پهنای باند باریک در محدوده 5.9Ghz را برای ارتباط خودرو با خودرو رزرو کرده‌اند؛ اما تلاش‌های نظارتی جهت پیش‌برد پروژه به‌ معنی واقعی پیشرفتی نداشته است. آنگونه که آجیت پای، رئیس کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) ماه گذشته نوشت، «باند 5.9Ghz برای مدت طولانی در انتظار بهره‌برداری بوده است. مردم آمریکا به مدت دو دهه برای استفاده از این باند میانی مهم منتظر بوده‌اند و زمان انتظار به سر رسیده است.»

با وجود ادعای پای، آمریکایی‌ها درخواست جدی برای این تکنولوژی ندارند; تعداد کمی از مردم در طی شبانه روز در مورد اختصاص باند فرکانسی فکر می‌کنند. اما حرکت ماه گذشته FCC در ارتباط با مدرن کردن باند 5.9Ghz خبر خوبی برای CV2X است. البته هنوز راه طولانی پیش ‌روی فناوری 5G در خودروها وجود دارد.

از نظر تئوری، سامانه GPS دقتی در حد یک متر ارائه می‌دهد؛ اما در واقعیت این عدد در حدود ۵ متر است

مشکل روند پیشرفت کند عملیاتی شدن فناوری 5G را باید به مورد بالا افزود. با یک بررسی اولیه می‌توان متوجه شد که اولین مودم 5G در سال ۲۰۲۲ برای خوروها ارائه خواهد شد و مدل‌های پیشرفته تا سال ۲۰۲۵ آماده نخواهند شد. همچنین زیرساخت‌های خیابان‌ها جهت ارتباط با این مودم‌ها جهت ایجاد قابلیت خودران در سطح استفاده تجاری تا سال ۲۰۲۵ آماده نخواهند شد. در همین حال، به گفته Savage، سامانه استارفایر شرکت جان دیر ‌اکنون قادر به استفاده از 5G ،GPS، گلوناس روسیه، QZSS ژاپن، IRNN و سایر سامانه‌های موقعیت‌یابی است. بنابراین هنگامیکه 5G به‌صورت گسترده مورد استفاده قرار گیرد، به پر کردن شکاف‌های موجود کمک خواهد کرد.

به گفته Savage: «معتقد هستم 5G زمانی‌که به کشاورزان مناطق روستایی در نقاط دوردست اروپا و هلند برسد، واقعا کمک‌رسان خواهد بود. همچنین هر جا تپه‌های زیادی وجود داشته باشد، زمین ناهموار باشد یا حرکت وسیله نقلیه مانع از دریافت سیگنال ماهواره‌ها شود، 5G راهگشا خواهد بود.»

یک نکته در اینجا نیازمند توجه است: GPS نسل سوم، 5G و استارفایر لزوما تکنولوژی‌های رقیب یکدیگر نیستند. هیچ شرکت یا تکنولوژی قادر نیست بر این حوزه تسلط کامل داشته باشد و سایرین را از دور رقابت خارج کند و نیازی هم به این امر  ندارد. اشاره به این موضوع مهم است که 5G، دقت سامانه استارفایر شرکت جان دیر را ارتقا خواهد داد، نه اینکه جایگزین آن شود. به همین صورت GPS نسل سوم و 5G درکنار یکدیگر (و نه در رقابت با دیگری) خودروهای خودران را در مسیر صحیح هدایت خواهند کرد. هر یک از این تکنولوژی‌ها مسیرهایی متفاوت هستند که به یک مقصد منجر می‌شوند: موقعیت‌یابی بهتر برای همه و همه چیز، بدون توجه به کاربرد آن.

تا آن زمان، هر دو دستتان را روی فرمان نگه دارید و از دریاچه‌ها دوری کنید. یک سامانه GPS جدید در راه است؛ اما برای رسیدن به آن، باید با سرعت موانع را برطرف و به سمت این تکنولوژی حرکت کنیم.