نُهج مبتكرة في مجال الملاحة الفضائية العميقة باستخدام إشارات ستيار وراديو

إن الملاحة الفضائية العميقة هي أحد أكثر الجوانب احتياجا في مجال استكشاف الفضاء الحديث، حيث أن السفر عبر المركبات الفضائية بعيدا عن الأرض إلى المريخ، وحزام الكويكبات، والكوكب الخارجية، وما بعده، لا تزال الإشارات التي تحمل إشارات إلى الفضاء وتتحول إلى ذبابة، وتمتد فترات الضوء الممتدة إلى ساعات، ويتقلص هامش الدقة إلى حد بعيد.

"فن النجوم المتقادم"

مفهوم الملاحة من قبل النجوم قديم مثل بحار البشر لكن تطبيقه في الفضاء العميق أكثر تطوراً بكثير، حيث يمكن تحديد اتجاه المركبة الفضائية بثلاثة أبعاد بدقة كبيرة من خلال مراقبة مواقع النجوم المعروفة مقارنة بالمجسات الموجودة على متن السفن، وأجهزة تعقب النجوم الحديثة هي كاميرات رقمية مدمجة تلتقط صورة للميدان النجمي،

ولا تعطي هذه التقنية مباشرة موقعاً للمركبات الفضائية في الفضاء، ولكنها توفر السياق اللازم لنظم الملاحة الأخرى، فعلى سبيل المثال، يمكن للمركبات الفضائية التي تعرف توجهها أن توجه نحو الأرض بمزيد من الدقة، وأن تحسن نوعية الإشارات اللاسلكية المستخدمة في تعقب دوبلر، وعلاوة على ذلك، يمكن للمركبات الفضائية أن تُثبِّت موقعها فيما يتعلق بتلك الأجسام.

وتشمل التطورات الأخيرة في مجال الملاحة الاستخبارية تطوير خوارزميات تعريف النجوم ذات الطابع الطويل، التي يمكن أن تعمل دون معرفة مسبقة بتوجيه المركبة الفضائية، وتستخدم هذه الخوارزميات أجهزة قياسية ذات طابع جغرافي أو شبكات عصبية للتعرف على أنماط النجوم حتى عندما يكون منظور الكاميرا مزيفاً، مما يتيح تشغيلاً موثوقاً به أثناء عمليات التناوب العالية.

الحدود والعمل

إن الملاحة الفلكية دقيقة جداً ولكنها لا تعمل عندما تكون المركبة الفضائية في ظلها أو عندما تطلق محركاتها، حيث أن سباكة العادم يمكن أن تحجب وجهة نظر متعقب النجوم، وتعويضاً عن ذلك، كثيراً ما تستخدم البعثات أجهزة قياس مغناطيسية أو وحدات قياس غير ذاتية للحفاظ على بيانات التوجه بين تحديثات المتعقبة النجوم، علاوة على أن النجوم بعيدة جداً عن مسارها، فإن مواقعها لا تتغير إلا في وقت غير مناسب.

شبكة الملاحة اللاسلكية التي تستخدم الإشارات اللاسلكية: تعزيز شبكات الأرض

وكانت الإشارات الراديوية هي الوسيلة الرئيسية للشحن الفضائي منذ فجر عصر الفضاء، وأبسط طريقة هي تتبع دوبلر في اتجاهين: محطة أرضية على الأرض تنقل إشارة إلى المركبة الفضائية، ثم تعيد إرسالها، وتسمح التحول التواتري للإشارة التي أعيدت بسبب السرعة النسبية بين المركبة الفضائية ومستودع الأرض بتجميع سرعة الأشعة فوق المركبة الفضائية.

ولزيادة تحديد الموقع، يستخدم المهندسون تقنية تسمى Delta-Differential One-Way Ranging (Delta-DOR) ، تعرف أيضاً باسم VLBI (Very Long Baseline Interferometry) للملاحة، وفي هذه الطريقة، يتلقى اثنان من محطات الأرض المنفصلة على نطاق واسع

وقد كان ديلتا دور حاسماً في المناورات الدقيقة في البعثات الكوكبية، فعلى سبيل المثال، أثناء نهج Cassini] [المركبات الفضائية إلى زحل، استخدمت دلتا - دير لتنقية المسار بحيث يمكن للمسبار أن يُحدِّد الفجوة بين الحلقات والمدارات.() وفي وقت أقرب، استُخدمت [المركبات الآلية:]

السلف في إذاعة الملاحة

ومن شأن الابتكارات الحديثة أن تزيد من سرعة الملاحة اللاسلكية، حيث أن استخدام وصلات التردد - البث مع إشارات ذاتية على النطاق X (8 GHz) وKA-band (32 GHz) - يؤدي إلى حدوث أخطاء في الغلاف الجوي للأرض وفي تقدير البلازما الشمسية.

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في استخدام الوحدات الفرعية ].() وكما توفر السواتل التابعة للنظام العالمي لتحديد المواقع الملاحة على الأرض، فإن شبكة من المركبات الفضائية في المريخ أو في نقاط لاغرانج يمكن أن تبث إشارات تتيح لغطاء أو مدار لتثبيت موقعها دون حاجة إلى دعم قائم على الأرض.() [[تغطية البيانات الواردة في المستقبل]

النهج الهجينة: أفضل العالمين

ولا توجد طريقة واحدة للملاحة مثالية لجميع مراحل بعثة فضائية عميقة، إذ أن الملاحة الملاحية المطلة تعطي توجها ممتازا ولكنها محدودة في الموقع؛ فالتتبع الإذاعي يعطي موقعا دقيقا وسرعة، ولكنه يعتمد على الهياكل الأساسية الأرضية ويخضع للتأخيرات والتجاوزات، ومن خلال الجمع بين هذه الأساليب، يمكن لنظام الهجينات أن يحقق الدقة والقوة على حد سواء، فعلى سبيل المثال، يمكن للمركبات الفضائية أن تستخدم أجهزة تتبع النجوم للحفاظ على موقفها مع القيام بعملية قياسية.

وقد نجحت عدة بعثات في تنفيذ تفاصيل الملاحة الهجينة، وقد أتاح هيكلها الداخلي Juno] مركبة فضائية في جوبيتر استخدام أجهزة تتبع النجوم لتحديد المواقع والتتبع الإذاعي لتحديد المدار، ولكنها تعتمد أيضا على ) Advanced Stellar Compass - جهاز تعقب مُحكمي للأشعة يمكن أن يقيّم أيضاً معدل المركبة الفضائية.

وسيلزم الملاحة الهجينة في المستقبل بالنسبة مركبة فضائية ذات سمة مسموعة يجب أن تبحر في وقت حقيقي دون انتظار أوامر من الأرض، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يستخدم رصيف على المريخ مزيجا من المشاهد النجوم (لتحديد عنوانه) والعقيدة (لتتبع حركة الملاحة) والإشارات المشعة من أجهزة مدارية (للمسار الصحيح).

الملاحة المأخوذة من قسائم الفولزر: لايتهاوس الكونية

وربما يكون النهج الأكثر جدوى في الملاحة الفضائية العميقة هو استخدام [(FLT:0]) مصارف - يتناوب النجوم النيوترونات التي تبث شعاعاً الكهرومغناطيسياً مع نظامية متطرفاً، وبعض البولزر مستقر إلى حد يتنافس فترات التناوب فيها مع الساعات الذرية.() وبقيام فترات وصول الأشعة من أشرطة المعروفة، يمكن أن تحدد مركبة فضائية()

فالاستكشاف القابل للأشعة على الهواء الطلق وتكنولوجيا الملاحة (SEXTANT) ، الذي يؤديه مركز طيران ملدار غودارد الفضائي، قد يبرهن على هذه التقنية على أداة [المميزة النسبية للشبكة الفضائية] على متن المحطة الفضائية الدولية.

ولا تزال هناك تحديات: فالأقزام يغيب عن البال، ويتطلب مجالات جمع كبيرة وفترات تكامل طويلة؛ وينبغي أن تكون نماذج التوقيت في بللسار دقيقة للغاية؛ ويجب أن تكون المركبة الفضائية قادرة على التمييز بين النبضات من الضوضاء الخلفية؛ ومع ذلك، فإن عدة وكالات فضائية تقوم بنشاط بالبحث في موقع XNAV.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وفوق الأشارات الرادعة والراديو واللوزر، توجد عدة تكنولوجيات جديدة على الأفق تعد بتثبيت الملاحة الفضائية العميقة.

الاتصال البديل كمساعدة الملاحة

ويتيح الاتصال بالليزر معدلات بيانات أعلى بكثير من معدلات الإذاعة، ولكن لديه أيضاً إمكانات الملاحة، وعندما تغلق محطة أرضية على منارة للمركبات الفضائية، يمكن للوصلة ذات الاتجاهين أن توفر قياسات دقيقة للغاية لحجم الطائرة وحجمها.

عدد أجهزة الاستشعار والحواجز الذرية

ويمكن للجيل القادم من الساعات الذرية على متن المركبات الفضائية أن يحسن بشكل كبير نوعية الملاحة اللاسلكية ذات الاتجاه الواحد، وإذا كانت المركبة الفضائية تحمل ساعة فوق سطح السفينة، فإنها يمكن أن تقيس وقت تحليق إشارة من محطة أرضية دون الحاجة إلى وصلة عودة، وأن تبسط الأجهزة وتخفض استهلاك الطاقة.

الاستخبارات الفنية للملاحة المستقلة

ويمكن للشبكات العصبية العميقة أن تجهز صوراً لتعقب النجوم على الفور، حتى مع بيانات مسببة أو جزئية، ويمكن أن تصبح خوارزميات التعلم المعززة مسارات تشكل حالات عدم اليقين في حقول الجاذبية والضغط الإشعاعي الشمسي، مثلاً، اختبار مركبات فضائية متماثلة تستخدم في مجال الملاحة الأرضية()

التحديات والنظر في المسألة

ورغم الوعد الذي قطعته هذه النُهج المبتكرة، يجب التغلب على العقبات الكبيرة قبل أن تصبح روتينية. Autonomy هو سيف مزدوج: فبينما يخفض الاعتماد على الأرض، فإنه يتطلب أيضاً إجراء عملية تجهيز على متن السفن للتحقق من حدوث حالات تأخير في أسوأ الحالات. ]

Standardization] is another challenge: Each mission currently develops its own navigation system, but a common infrastructure — such as a pulsar ephemeris service or a universal star catalog update mechanism -could reduce costs and improve interoperability. International coordination, similar to the Intersupportagency Advisory Operations (IOTG)

خاتمة

وتتطور الملاحة العميقة من عملية قائمة على الأرض وكثيفة الاستخدام للإنسان إلى نظام مستقل متعدد أجهزة الاستشعار يسخر الفيزياء من الكون، ويعطي الملاحة البخارية الدقة اللازمة للرجوع إلى المعالم وتثبيتها؛ وترسل الإشارات اللاسلكية من الأرض قياسات كمية وسرعتها التي تحدد المدارات؛ وتجمع النظم المتحركة بين هذه القوى من أجل أداء قوي؛