ويحدّد موثوقية وصلات البيانات في نظم الاستشعار عن بعد بصورة مباشرة نوعية وتوقيت المعلومات التي يتم جمعها من السواتل والمركبات الجوية غير المأهولة والمجسات الأرضية، ونظراً لأن الطلب على معدلات البيانات العالية والرصد في الوقت الحقيقي ينمو، فإن قنوات الاتصال تواجه تهديدات متزايدة من التدخل والضوضاء والتشويش المتعمد، وقد برزت الاتصالات على نطاق واسع بوصفها تكنولوجيا أساسية توفر القدرة على الانتشار على نطاق واسع لهذه الروابط القائمة بين البعثات.

ما هو "سبيريد سبكتروم" للتكنولوجيا؟

إن طيف النطاقات هو تقنية نقل توزع فيها طاقة الإشارة على نطاق الترددات أوسع بكثير من نطاق المعلومات الأصلية، وفي الاتصالات التقليدية الضيقة، فإن الإشارة لا تزال تحتل سوى نطاق واسع لنقل البيانات بكفاءة، ويتوسع الطيف المتعمد في نطاق الترددات التي كثيرا ما تكون ذات مزايا كبيرة للآلاف، باستخدام رمز الانتشار أو التسلسل الذي يُعرف به على جهاز الإرسال والاسترجاع.

التاريخ والتنمية

ويعود المفهوم إلى الأربعينات، عندما قام الممثل هيدي لامار وجورج أنتيل باختراع نظام لتتبع الترددات يهدف إلى حماية إشارات التوجيه في مجال الطوربيد من التشويش، غير أن فكرتهما لم تُظهر تطبيقا عمليا حتى الستينات والسبعينات، عندما أصبحت الإلكترونيات الرقمية قابلة للتنفيذ، كما أن مجموعة الرصد اللاسلكية التي اعتمدتها الولايات المتحدة في مجال الاتصالات الآمنة، ثم 80 تطبيقا مدنيا مثل الاستشعار العالمي().

المبدأ الأساسي: معالجة مسألة جني

InFT, a ratio of the transmitted bandwidth (B) in the information bandwidth (B[FLT:])

مقارنة الاتصالات بالطرق السريعة

وفي نظم ضيقة النطاق، فإن أحد مصادر التدخل - سواء من جهاز إرسال إذاعي آخر أو مناظر أو مصدر للضوضاء الطبيعية - يمكن أن يحجب الإشارة تماماً، وينشر الطيف التداخلي طاقة التدخل عبر النطاق الأوسع، بحيث لا يدخل في نطاق نطاق النطاق الترددي الإعلامي سوى جزء من التدخل، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الإشارات التي تنتشر على نطاق واسع أقل من حيث أن الضوضاء التي تسودها القوة أقل من أي شيء.

أنواع تقنيات الرش

وهناك أسرتان رئيسيتان من الأسر التي تنتشر في طيفها وتسودان نظما عملية مباشرة، تستخدم فيها أيضاً متغيرات هجينة في تصميمات متقدمة، وتقدم كل طريقة مبادلات متميزة تتسم بالتعقيد، والقدرة على مواجهة الأخطاء الناجمة عن الانفجار، ومتطلبات التزامن.

Sectrum (FHSS)

ويقسم جهاز الارسال الترددي الترددي المتاح إلى قنوات تردد عديدة، ويحول بسرعة تواتر الناقل بين هذه القنوات وفقاً لتسلسل السودرام الذي يعرفه جهاز الاستقبال، والوقت الذي يستغرقه كل قناة عادة إلى حد قصير حسب ترتيب الألف ثانية أو أقل، ويتزامن نمط التليفزيون بين جهاز الإرسال والاستقبال، مما يتيح للمتلقي متابعة سلسلة التشويش.

وفي مجال الاستشعار عن بعد، تستخدم محطة الفضاء الدولية في وصلات القياس عن بعد للسواتل ذات المدار المنخفض وفي نظم الاستشعار عن بعد العسكرية حيث تكون حماية الجم )AJ( حيوية، فمثلا تستخدم شبكة الساتل ايريديوم )FHSS( في وصلاتها المتقاطعة ووصلات المستعملين، مما يوفر القدرة على مواجهة التدخل في النطاق الترددي المنخفض، وقد يحقق نظام نموذجي من أجهزة الترددات البشرية في الاستشعار عن بعد أكثر من ١٠٠ قناة أو أكثر.

مباشرة (Squence Spread Spectrum)

ويضاعف نظام الدعم الميداني إشارة البيانات من خلال رمز ضوضاء عالية الجودة من طراز Pseudorandom، وينشر الإشارة عبر نطاق واسع، كما أن معدل الرقاقة - معدل الرمز PN - يحدد عامل الانتشار، وفي جهاز الاستقبال، يستخدم نفس الرمز PN-N-P، الذي يتزامن في الوقت، لتحلل الإشارة، ويعطي إشارة واسعة النطاق إلى المعلومات الأساسية الضيقة.

ونظام تحديد المواقع العالمي مثال بارز على نظام خدمات الدعم الميداني في مجال الاستشعار عن بعد، وينقل كل ساتل من سواتل النظام العالمي لتحديد المواقع رمزا فريدا من نوع PN، يتيح لجميع السواتل أن تتقاسم نفس النطاق الترددي (L1 في 1575.42 MHz) مع الحد الأدنى من التدخل المتبادل، وقدرة جهاز الاستقبال على ربط الرموز المتعددة في نفس الوقت، كما أن نطاق الترددات الرقمية تستخدم في عمليات الاتصال عن بعد، حيث توفر الاتصالات المقياسا قويا.

Other Variants and Hybrid Techniques

ويضع طيف العجلات المنتشرة على نطاق واسع (LRa) المستخدم في بعض شبكات الرادار والقوى المتدنية (مثلاً، لورا)، إشارة إلى تسارع الترددات على مر الزمن، ويوفر نظام الدعم المركزي قوة ممتازة ضد التحولات في رفض دوبلر، ويلائم تماماً منابر الاستشعار عن بعد الدينامية مثل نظام الرصد الجوي الموحد.

استحقاقات الرش في الاستشعار عن بعد

ويُستمد اعتماد طيف منتشر في وصلات بيانات الاستشعار عن بعد من مزايا قابلة للقياس الكمي في الموثوقية والأمن والمرونة التشغيلية، ويعالج كل من هذه الفوائد مباشرة تحديات البيئات البعيدة المدى وغير المُحَوَّلة أو المتنازع عليها في مجال الاتصالات.

تعزيز الموثوقية والتخفيف من حدة التدخل

وكثيرا ما تعمل وصلات الاستشعار عن بعد في نطاق الترددات المشتركة مع الخدمات الأخرى - مثل خدمات السواتل الثابتة، أو الهاتف المحمول، أو الاذاعة بالرادار الى التدخل المتعمد أو غير المقصود، حيث تؤدي التزايد في عدد المرات التي تعطل فيها عمليات الرصد ذات النطاق الضيق الى الحد من تدخلات النطاقات، وذلك بنسبة النطاق الترددي الموزع الى النطاق الترددي للمعلومات، مثلا، الى أن نظام تواتر الاصدار مع زيادة التجهيز في ٣٠ وحدة من وحدات التخفيضات يمكن أن يتقبل على نحو فعال اشارة واحدة.

تحسين الأمن وقلة احتمالات الاعتراض

ونظراً لأن إشارات الطيف المنتشرة تُنقل في كثافة متدنية من الطاقة، فإنها غالباً ما تظهر كضوضاء لأي جهاز استقبال لا يعرف الرمز المُنتشر، وهذا احتمال ضئيل للاعتراض (LPI) يساعد على حماية بيانات الاستشعار الحساس من بعد من الوصول غير المأذون به، كما أن الرمز المُنتشر نفسه يشكل شكلاً من أشكال التشفير: فدون معرفة بتسلسل الأشعة النائية، لا يمكن لجهاز البرمجيات الخفيف.

المقاومة في ألعاب الجمجمة وضد الجمجم

فالتشويش الداخلي يشكل تهديدا خطيرا لعمليات الاستشعار عن بعد، ولا سيما في سياقات الدفاع أو الاستخبارات، إذ يصعب قطع أشارات الطيف بشكل فعال، كما أن التشويش على النطاق الضئيل الذي يحترق من خلال جزء من النطاق الترددي لا يؤثر إلا على حد أدنى، لأن المحاولات التي يقوم بها جهاز الاستقبال للكشف عن الترددات المميتة توزع قوة التشويش على نطاق الترددات الكاملة، مما يقلل من أثره إلى مستوى متداخل.

:: الروبوت في بيئات النواة والتعددية

كما أن منابر الاستشعار عن بعد تعمل في بيئات ذات ضوضاء كبيرة أو مناطق حضرية متعددة التعاطف، أو تضاريس جبلية، أو بالقرب من أجسام المياه التي تسبب فيها التأملات إلغاء الإشارة. كما أن خصائص الترميز الآلي التي تستخدمها إدارة الدعم الميداني تجعل من المتأصل بين التكاثر: فالنسخ المتأخرة من الإشارة لا ترتبط بالمسار المباشر المرغوب فيه، وبالتالي فإنها لا تسهم إلا في زيادة طفيفة في الحد الأدنى من الضوضاء بعد الهبوط.

تطبيقات في نظم الاستشعار عن بعد

وقد أصبحت تقنيات الطيف المُنتشرة الآن مدمجة في مجموعة واسعة من من منابر الاستشعار عن بعد، من سواتل رصد الأرض الكبيرة إلى الطائرات الصغيرة بدون طيار وشبكات الاستشعار في الموقع، وتبرز الأقسام الفرعية التالية سيناريوهات النشر الرئيسية.

الاتصالات الساتلية

ويستخدم جميع السواتل الحديثة للاستشعار عن بعد طيفاً من الطيف لا يقل عن التتبع والربط بين أجهزة القياس الرئيسية (TTTC) ويسمح بعثات الاستشعار الفضائية الأوروبية، على سبيل المثال، باستخدام نظام " دي اس " في النطاق الترددي للتحكم والتقدير عن بعد، مع تحقيق مكاسب في التجهيز حول 20 درناً، بما يكفل إغلاق وصلات الربط حتى أثناء فترات التحلل المنخفضة من خلال الغلاف الأيوني.

مركبات جوية غير مأهولة

وتعتمد المركبات الجوية فوق المدارية المستخدمة في الرصد والمراقبة والاستشعار البيئي على طيف منتشر لوصلات القيادة والمراقبة، وعلى وصلات مخفضة للفيديو/البيانات، وتسمح وصلات الترددات العالية المدى المستخدمة في العديد من عمليات المركبات الجوية المتعددة الترددات بالتدخل في عمليات النقل البري - خطوط الكهرباء وغيرها من الطائرات، وتتفادى هذه البرمجيات وجود عوامل متعددة في نظم التحكم بالطائرات غير المباشرة (مثل نطاق الترددات الثابتة التي يبلغ 2.4 غيرتز)

شبكات الاستشعار عن بعد البرية

وتواجه شبكات كبيرة من أجهزة الاستشعار الأرضية - مثل الرادارات الجوية، والشاشات السيزمية، والمرصدات البيئية - التي كثيرا ما تتواصل عبر قنوات الاتصال اللاسلكية على مسافات ممتدة، كما أن طيف السحب يتيح لهذه الشبكات العمل في نطاقات زراعية خالية من الرخص (مثلا، 900 ميغاهيرتز، و2.4 غيهرتز، و5.8 غيرتز) مع وجود شبكات مرصدية مصغرة.

الخلاصة والاتجاهات المستقبلية

ولا تزال تكنولوجيا الطيف المكشوف تشكل حجر الزاوية في وصلات بيانات الاستشعار عن بعد الموثوق بها، إذ أن قدرتها على التخفيف من التدخل، ومقاومة التشويش، والعمل بقوة في البيئات المزعجة والمتعددة التعاطفات، تجعل من الضروري وجود نظم استشعارية حديثة ومستقبلية، حيث أن الطيف الكهرومغناطيسي يزداد ازدحاما بالسواتل والأجهزة المتفجرة والشبكات اللاسلكية، فإن الحاجة إلى انتشار الطيف لا تتسع إلا في الات الناشئة التي تكيفية

وللاطلاع على مزيد من القراءة عن طيف الاتساع الأساسي وتطبيقات الاستشعار عن بعد، انظر الموارد التالية: