كيف يمكن للأقمار الصناعية في المدار المنخفض أن تدير إشارات متعددة بفضل تقنية جديدة؟

تقنية جديدة لزيادة كفاءة الأقمار الصناعية في توفير اتصالات متعددة

تشهد الأقمار الصناعية في المدار المنخفض تطورًا كبيرًا في إمكانياتها، حيث قد تتيح قريبًا لملايين الأشخاص حول العالم الوصول إلى اتصالات عالية السرعة. لكن على الرغم من الإمكانات الهائلة لهذه الأقمار، هناك تحدٍ تكنولوجي رئيسي يعيقها، يتمثل في قدرة مصفوفات الهوائيات الخاصة بها على إدارة مستخدم واحد فقط في كل مرة.

حلول مكلفة لتوسيع نطاق التغطية

نظرًا لهذا القيد، تحتاج الشركات إلى إطلاق كوكبات تتكون من العديد من الأقمار الصناعية أو تصنيع أقمار صناعية كبيرة تحتوي على العديد من المصفوفات لتوسيع نطاق التغطية. ومع ذلك، يعتبر كلا الحلين مكلفًا ومعقدًا تقنيًا، بالإضافة إلى المخاوف المتزايدة من ازدحام المدارات.

نموذج شركة SpaceX وشبكة StarLink

من بين الشركات الرائدة في هذا المجال، اختارت شركة SpaceX النهج الكوكبي لإطلاق شبكتها StarLink، التي تتألف حاليًا من أكثر من 6,000 قمر صناعي في المدار المنخفض حول الأرض. وقد تم إطلاق أكثر من نصف هذه الأقمار في السنوات القليلة الماضية. ويهدف إيلون ماسك إلى إطلاق عشرات الآلاف من الأقمار الصناعية الإضافية في السنوات القادمة، مما سيزيد من تغطية الشبكة ويحل مشكلة سعة المستخدمين، ولكنه قد يسبب ازدحامًا إضافيًا في المدارات الفضائية.

تقنية جديدة لتحسين أداء الهوائيات

في محاولة للتغلب على هذه التحديات، تمكن الباحثون في جامعة برينستون بالتعاون مع جامعة يانغ مينغ تشياو تونغ في تايوان من تطوير تقنية جديدة تسمح لهوائيات الأقمار الصناعية في المدار المنخفض بإدارة إشارات لعدة مستخدمين في وقت واحد. هذا الابتكار سيقلل بشكل كبير من الحاجة إلى إطلاق أعداد هائلة من الأقمار الصناعية أو استخدام أجهزة متطورة.

نشر الدراسة العلمية وتفاصيل التقنية

نشرت نتائج هذه الدراسة في 27 يونيو في مجلة IEEE Transactions on Signal Processing. وشرح الباحثون طريقة جديدة لتجاوز قيود المستخدم الواحد التي تواجهها مصفوفات الهوائيات الحالية. تعتمد هذه التقنية على استخدام مصفوفات الهوائيات لتوجيه حزم الموجات الراديوية بدقة عالية إلى الأماكن المطلوبة. كل حزمة تحمل إشارات تحتوي على بيانات مثل الرسائل النصية أو المكالمات الهاتفية.

الفارق بين الهوائيات الأرضية والفضائية

بينما يمكن لمصفوفات الهوائيات على المنصات الأرضية مثل أبراج الهواتف الخلوية إدارة عدة إشارات في نفس الوقت، تواجه الأقمار الصناعية في المدار المنخفض صعوبة في القيام بذلك بسبب سرعة تحركها الكبيرة التي تصل إلى 20,000 ميل في الساعة وتغيير مواقعها المستمر. هذه السرعة الهائلة تجعل من الصعب جدًا معالجة إشارات متعددة في آن واحد دون حدوث تشويش بينها.

الحل التقني للتعامل مع السرعة والتشويش

يعتمد الحل الذي اقترحه الباحثون على تحسين تقنيات توجيه الحزم والإشارات، بحيث يمكن للأقمار الصناعية إرسال واستقبال الإشارات لعدة مستخدمين في وقت واحد دون حدوث تداخل أو تشويش. هذا التحسين سيساعد في تجاوز القيود التكنولوجية الحالية، ويوفر إمكانيات أكبر لتوسيع نطاق التغطية دون الحاجة إلى زيادة عدد الأقمار الصناعية بشكل كبير.

تأثير حركة الأقمار الصناعية على الاتصالات

أوضح ه. فينسنت بور، أستاذ هندسة الكهرباء وعلوم الكمبيوتر في جامعة برينستون، أن سرعة الأقمار الصناعية تشكل تحديًا كبيرًا في مجال الاتصالات. ففي حديثه عن الفرق بين التواصل مع سيارة تتحرك بسرعة 60 ميلًا في الساعة والتواصل مع قمر صناعي في الفضاء، قال: “بالنسبة لبرج خلية يتواصل مع سيارة على الطريق السريع، فإن معدل تبادل البيانات يجعل السيارة تبدو كأنها لا تتحرك كثيرًا. لكن الأقمار الصناعية تتحرك بسرعة هائلة للحفاظ على مدارها في الفضاء، مما يجعل المعلومات عنها تتغير بسرعة كبيرة.”

تطوير نظام جديد لتحسين الاتصالات الفضائية

لمواجهة هذا التحدي، قام الباحثون بتطوير نظام يسمح بتقسيم الإرسال من مصفوفة هوائيات واحدة إلى عدة أشعة، دون الحاجة إلى أجهزة إضافية. هذا التطوير يعني أن الأقمار الصناعية ستتمكن من إدارة إشارات متعددة في وقت واحد، وبالتالي تجاوز قيد المستخدم الواحد لكل مصفوفة هوائيات.

تشبيه التقنية الجديدة بتوجيه الشعاع

قارن شانغ-هو (لورانس) تساي، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة يانغ مينغ تشياو تونغ، هذه التقنية بتوجيه شعاعين مختلفين من مصباح يدوي واحد بدلاً من الحاجة إلى عدة مصابيح. وقال: “الآن، نحتاج فقط إلى مصباح واحد.” وأضاف: “هذا يمثل تقليلاً هائلًا في التكلفة وفي استهلاك الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية للأقمار الصناعية في المدار المنخفض.”

تقليل الحاجة إلى عدد كبير من الأقمار الصناعية

تعني هذه التقنية الجديدة أنه يمكن تقليل عدد الأقمار الصناعية المطلوبة لتغطية مساحات واسعة. أوضح تساي أن “شبكة تقليدية من الأقمار الصناعية في المدار المنخفض قد تحتاج إلى 70 إلى 80 قمرًا صناعيًا لتغطية الولايات المتحدة فقط.” وأضاف: “الآن، مع هذه التقنية، يمكن تقليل هذا العدد إلى حوالي 16 قمرًا صناعيًا فقط.”

إمكانية دمج التقنية في الأقمار الصناعية الحالية

أكد ه. فينسنت بور أن هذه التقنية الجديدة يمكن دمجها في الأقمار الصناعية الموجودة بالفعل، مما يعني أنه لا حاجة لتصنيع أقمار جديدة بشكل كامل. وأضاف: “الفائدة الرئيسية هي أنه يمكنك تصميم قمر صناعي أبسط، مما يوفر في التكاليف والجهد ويزيد من كفاءة التصميمات المستقبلية.”
 

ازدحام المدار المنخفض وخطر التصادم

تقيم الأقمار الصناعية في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي للأرض، ضمن مدار يتراوح بين 100 و1,200 ميل عن السطح. توفر هذه المنطقة من الفضاء مساحة محدودة، ومع زيادة عدد الأجسام الطائرة في المدار المنخفض، يزداد خطر التصادم بين الأقمار الصناعية. التصادم يؤدي إلى تفتت الأجسام وإطلاق شظايا صغيرة، والتي بدورها قد تصطدم بأجسام أخرى، مما يشكل خطرًا مستمرًا على الأجهزة الفضائية.

التحديات المستقبلية للغلاف الجوي

أوضح بور، أحد الباحثين في هذا المجال، أن “القلق الرئيسي ليس من الاصطدام بقمر صناعي ساقط، ولكن من المستقبل الطويل الأجل للغلاف الجوي”. وأشار إلى أن الفضاء قد يصبح ملبدًا بالحطام الفضائي، مما يعوق قدرة الأقمار الصناعية على العمل بكفاءة ويزيد من خطر الحوادث الفضائية.

تسارع صناعة الأقمار الصناعية في المدار المنخفض

مع تزايد الاهتمام بالصناعة الفضائية وزيادة الطلب على خدمات الإنترنت عبر الأقمار الصناعية، تقوم شركات كبرى مثل أمازون وOneWeb بنشر مجموعات من الأقمار الصناعية في المدار المنخفض. التقنية الجديدة التي تم تطويرها لتحسين الكفاءة والحد من المخاطر تساهم في تقليل احتمالية الاصطدام، مما يجعل الفضاء أكثر أمانًا.

البحوث النظرية وأهميتها في التطبيق العملي

أشار بور إلى أن البحث الذي تم إجراؤه في هذه الورقة هو بحث نظري بحت، يعتمد بالكامل على الرياضيات. وقال: “هذه الورقة كلها رياضيات، ولكن في هذا المجال بالتحديد، يميل العمل النظري إلى أن يكون تنبؤيًا جدًا.” هذا يعني أن التحسينات المتوقعة في الكفاءة قد تكون قريبة من التحقق العملي.

تجارب ميدانية واختبارات على الأرض

منذ نشر الورقة، قام الباحث المشارك شانغ-هو تساي بإجراء تجارب ميدانية باستخدام هوائيات تحت الأرض، وأثبت أن الرياضيات التي اعتمدتها الدراسة صحيحة ويمكن تطبيقها في الواقع. وأضاف تساي: “الخطوة التالية هي تنفيذ هذه التقنية في قمر صناعي حقيقي وإطلاقه إلى الفضاء.”