آیا جایگزین GPS در راهه؟

حتماً اسم GPS (Global Positioning System) به گوشتون خورده و هر روز از اون برای مسیریابی تو گوشی یا ماشینتون استفاده می‌کنید. ولی آیا تا به حال فکر کردید که اگر این سیستم ماهواره‌ای به هر دلیلی از کار بیفته، چه اتفاقی می‌افته؟

بذارید اینطوری بگم! یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های GPS اینه که سیگنال‌های اون از ماهواره‌ها میان. این سیگنال‌ها نسبتاً ضعیف هستن و می‌تونن در برابر پارازیت (jamming) یا جعل (spoofing) آسیب‌پذیر باشن. شاید فکر کنید این فقط روی مسیریابی شما تأثیر می‌ذاره، اما واقعیت چیز دیگه‌ایه! زیرساخت‌های حیاتی خیلی از کشورها، از جمله شبکه برق، شبکه‌های مخابراتی، تراکنش‌های مالی و مراکز داده، همگی برای زمان‌سنجی دقیق به GPS وابسته هستن. دولت آمریکا GPS رو یه Single Point of Failure یا به فارسی "نقطه شکست واحد" (اگه ترجمه بهتری دارید منو مطلع کنید) می‌دونه و به دنبال یک سیستم مکمل برای ارائه زمان‌سنجی به این زیرساخت‌های حیاتیه. تخمین زده می‌شه که اگر GPS از دسترس خارج بشه، اقتصاد آمریکا میلیاردها دلار در روز ضرر خواهد کرد.

اینجاست که Broadcast Positioning System (BPS) وارد می‌شه. BPS بر پایه استفاده از زیرساخت‌های تلویزیونی موجود کار می‌کنه و یه سیستم نوآورانه‌ست که زمان و موقعیت رو با استفاده از سیگنال‌های پخش تلویزیون دیجیتال ATSC 3.0 فراهم می‌کنه. به‌جای اینکه سیگنال از ماهواره بیاد، از برج‌های تلویزیونی پخش می‌شه. این سیستم کاملاً با استاندارد ATSC 3.0 سازگاره و می‌تونه کاملاً مستقل از GPS، اتصال اینترنت و یا سرویس تلفن همراه کار کنه.

عملکردش شبیه به GPSـه، اما با یه تفاوت کلیدی: در سیگنال ATSC 3.0، بخشی به اسم "Preamble" وجود داره که BPS یه مهر زمانی (timestamp) دقیق رو تو این Preamble جاسازی می‌کنه. این timestamp دائماً می‌گه که این سیگنال در چه زمانی از برج پخش شده.
هم‌زمان اطلاعات مربوط به موقعیت دقیق برج (عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و ارتفاع) در یک کانال داده اختصاصی به اسم "Physical Layer Pipe" (PLP) قرار داده می‌شه. دستگاه کاربر، سیگنال‌ها رو از چندین برج تلویزیونی دریافت می‌کنه و با استفاده از اطلاعات زمان ارسال سیگنال (که توی Preamble وجود داره) و موقعیت دقیق برج‌ها (که توی PLPـه)، دستگاه می‌تونه زمان رسیدن سیگنال (TOA) رو اندازه بگیره و بعدش با روش‌هایی شبیه به GPS، موقعیت خودش رو از طریق چندجانبه‌سازی (multilateration) محاسبه کنه.

برای تعیین موقعیت (نه فقط زمان)، حداقل به سیگنال سه برج در مکان‌های فیزیکی متفاوت نیازه تا موقعیت‌یابی انجام بشه. هرچه تعداد برج‌های بیشتری در دسترس باشن و از نظر جغرافیایی پراکنده باشن، عدم قطعیت در موقعیت‌یابی کمتر می‌شه. فاصله فیزیکی حداقل یک کیلومتر یا بیشتر بین ایستگاه‌ها برای تعیین موقعیت مفید نیازه.

بخش PLP که اطلاعات موقعیت برج رو حمل می‌کنه، باید بسیار مقاوم باشه تا بتونه پوشش‌دهی در فواصل دور از فرستنده و همچنین در محیط‌های داخلی عمیق یا چالش‌برانگیز رو فراهم کنه. انتظار می‌ره BPS از PLP با ویژگی‌های مقاوم استفاده کنه که در نسبت سیگنال به نویز (SNR) پایین‌تر از 5dB- قابل دریافت باشه.

توسعه‌دهنده‌های BPS از آزمایش‌های اولیه نتایج بسیار خوبی به‌دست آوردن. این سیستم ابتدا در محیط آزمایشگاهی و بعد در یک محیط با توان کم و حالا در یک محیط با توان کامل در واشنگتن دی‌سی در ایستگاه WHUT مستقر شده. آزمایش‌ها پایداری و دقت بالایی رو نشون دادن. در آزمایش‌های اولیه، گیرنده BPS در یک دوره دو هفته‌ای در محدوده +/- 40 نانوثانیه باقی موند. آزمایش‌های ۲۴ ساعته هم دقتی در حدود +/- 100 نانوثانیه رو نشون دادن. این سطح از دقت، بسیار بالاتر از نیاز زیرساخت‌های حیاتیه که معمولاً در حدود یک میکروثانیه‌ست.

شبیه‌سازی‌ها با استفاده از چهار برج نشون دادن که دقت موقعیت‌یابی برای 100,000 نقطه تست، خطای میانگین ۳۵ متر با انحراف معیار ۲۲ متر داره.

از مزایای کلیدی BPS می‌شه به استقلال از GPS اشاره کرد که می‌تونه در صورت اختلال یا قطع GPS به عنوان یه جایگزین یا مکمل قابل اعتماد عمل کنه، یا به مقاومت سیگنال‌های تلویزیونی که از برج‌های زمینی میان و معمولاً قوی‌تر از سیگنال‌های ماهواره‌ای هستن و می‌تونن به‌خوبی تو محیط‌های داخلی یا شهری دریافت بشن. برخی حتی پیشنهاد دادن که BPS می‌تونه به‌عنوان یه پشتیبان عالی برای GPS در کاربردهای هوانوردی استفاده بشه. حتی حامیان این سیستم معتقدن که BPS می‌تونه دلیلی محکم برای تسریع گذر به استاندارد جدید ATSC 3.0 باشه.
برای جزییات بیشتر به اسلایدهایی زیر رجوع کنید:
https://www.gps.gov/governance/advisory/meetings/2022-11/matheny-mondal.pdf