آمریکا سالانه حدود ۲ میلیارد دلار برای GPS هزینه می‌کند؛ سامانه‌ای که کاربردهای نظامی، اقتصادی و زیرساختی دارد و در آینده با رقبایی مانند BeiDou و فناوری ناوبری کوانتومی روبه‌رو خواهد شد.
- GPS رایگان است اما نگهداری آن سالانه حدود ۲ میلیارد دلار برای آمریکا هزینه دارد.
- GPS فقط موقعیت‌یابی نیست و زمان بسیار دقیق آن برای شبکه‌های ارتباطی، مالی و برق نیز حیاتی است.
- آینده ناوبری در حال تغییر است و سیستم‌های BeiDou، GLONASS و Galileo در کنار فناوری‌های کوانتومی می‌توانند وابستگی به GPS را کاهش دهند.
GPS یکی از پرکاربردترین فناوری‌های جهان است که بخش بزرگی از هزینه نگهداری آن را دولت آمریکا پرداخت می‌کند. ایالات متحده هر سال حدود ۲ میلیارد دلار از منابع عمومی را برای حفظ این شبکه ماهواره‌ای هزینه می‌کند؛ سیستمی که از راهبرد نظامی و امنیت ملی تا اقتصاد جهانی نقش حیاتی دارد.
پاسخ به این پرسش که چرا آمریکا همچنان هزینه GPS را پرداخت می‌کند، به دوران جنگ سرد، برنامه‌های موشکی، اهمیت اقتصادی این فناوری، شبکه‌های ماهواره‌ای رقیب چین و روسیه و در نهایت فناوری‌های نسل آینده مانند ناوبری کوانتومی بازمی‌گردد.
سیستم GPS چگونه کار می‌کند؟
کمی از اصول پایه شروع کنیم. سیستم موقعیت‌یابی جهانی در اصل شبکه‌ای متشکل از دست‌کم ۲۴ ماهواره است که توسط نیروی فضایی آمریکا اداره می‌شود. این ماهواره‌ها در ارتفاع حدود ۲۰ هزار کیلومتری زمین در مدار قرار دارند.
هر ماهواره به‌طور مداوم دو اطلاعات اصلی را ارسال می‌کند:
- موقعیت دقیق ماهواره
- زمان دقیق ارسال سیگنال
تلفن همراه، سامانه ناوبری خودرو یا ساعت مخصوص دویدن تنها با دریافت این سیگنال‌ها می‌تواند موقعیت را محاسبه کند. دستگاه با اندازه‌گیری فاصله خود از چند ماهواره به‌صورت هم‌زمان، تنها نقطه‌ای روی زمین را پیدا می‌کند که با تمام این فاصله‌ها مطابقت دارد.
این فرایند سه‌کستریم یا Trilateration نام دارد.
در حال حاضر بیش از ۶ میلیارد دستگاه مجهز به GPS در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. انتظار می‌رود این تعداد تا اوایل دهه ۲۰۳۰ به حدود ۱۰ میلیارد دستگاه برسد؛ یعنی تقریباً به ازای هر انسان زنده یک دستگاه. تنها در آمریکا نیز روزانه بیش از ۹۰۰ میلیون گیرنده GPS مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ریشه‌های شکل‌گیری GPS
GPS در ابتدا در دوران جنگ سرد توسط ارتش آمریکا توسعه داده شد.
آمریکا به سامانه‌ای برای ناوبری نیاز داشت که بتواند موقعیت دقیق نیروها، هواپیماها و کشتی‌های جنگی را در هر نقطه از زمین مشخص کند. نیاز مهم دیگر، تعیین دقیق محل شلیک موشک‌های هسته‌ای مستقر روی زیردریایی‌ها بود.
برای اصابت دقیق به یک هدف دوردست، ابتدا باید دقیقاً بدانید موشک را از کجا شلیک کرده‌اید.
در نتیجه این نیازها، GPS شکل گرفت. این سیستم توانایی بی‌سابقه‌ای برای هدایت و هماهنگی نیروهای آمریکا در سراسر جهان ایجاد کرد و مزیت راهبردی بزرگی در برابر رقبای این کشور به وجود آورد.
چرا دشمنان نمی‌توانستند سیگنال GPS را دریافت کنند؟
تا حدی می‌توانستند. سیگنال‌های GPS به‌صورت آشکار منتشر می‌شوند و هر دستگاه گیرنده‌ای می‌تواند آن‌ها را دریافت کند. با این حال آمریکا راهکاری هوشمندانه به کار گرفت و دو نسخه متفاوت از سیگنال را منتشر کرد.
سیگنال دقیق رمزگذاری شده بود. در نتیجه تنها نیروهای آمریکایی و متحدان این کشور به بالاترین سطح دقت سیستم دسترسی داشتند.
سایر کاربران باید از سیگنال دومی استفاده می‌کردند که کیفیت آن عمداً کاهش داده شده بود. این ویژگی که Selective Availability نام داشت باعث می‌شد موقعیت‌یابی غیرنظامی حدود ۱۰۰ متر خطا داشته باشد.
این وضعیت در ماه مه سال ۲۰۰۰ تغییر کرد. Bill Clinton رئیس‌جمهور وقت آمریکا دستور توقف Selective Availability را صادر کرد.
در نتیجه این تصمیم، دقت هر گیرنده غیرنظامی بلافاصله حدود ۱۰ برابر افزایش یافت. این تغییر در مدت کوتاهی دائمی شد و این قابلیت نیز دیگر در ماهواره‌های جدیدی که ساخته شدند قرار نگرفت.
با این حال ارتش آمریکا برتری خود را از دست نداد. به جای مختل کردن سیگنال GPS در سراسر جهان، اکنون می‌توانند GPS را فقط در یک منطقه درگیر جنگ از کار بیندازند و اجازه دهند سایر کاربران بدون تأثیرپذیری به مسیر خود ادامه دهند.
چرا آمریکا همچنان هزینه GPS را پرداخت می‌کند؟
دولت آمریکا همچنان هزینه GPS را تأمین می‌کند زیرا این سیستم برای عملیات نظامی، امنیت ملی و هوانوردی اهمیت حیاتی دارد. با وجود بی‌میلی دولت‌های پیشین برای تأمین مالی خدماتی که به کشورهای خارج از آمریکا نیز سود می‌رسانند، GPS همچنان جایگاه خود را حفظ کرده است.
دلیل آن چندان دشوار نیست. برآورد می‌شود GPS از سال ۱۹۸۳ تاکنون در ۱۰ صنعت مختلف آمریکا، از کشاورزی و معدن گرفته تا حمل‌ونقل دریایی، بیش از ۱.۴ تریلیون دلار رشد اقتصادی ایجاد کرده باشد.
حدود ۹۰ درصد از این ارزش نیز تنها از سال ۲۰۱۰ به بعد ایجاد شده است. رشد انفجاری گوشی‌های هوشمند و خدمات مبتنی بر موقعیت مکانی مانند ناوبری، تاکسی اینترنتی و تحویل غذا که بر سیگنال رایگان GPS بنا شده‌اند، از عوامل اصلی این رشد اقتصادی بوده‌اند.
مهم‌تر از موقعیت: GPS زمان را نیز تأمین می‌کند
با این حال ارزشمندترین چیزی که GPS فراهم می‌کند، در واقع موقعیت نیست؛ بلکه زمان است.
هر ماهواره GPS به ساعت‌های اتمی مجهز است. سیگنال زمان‌بندی بسیار دقیق این ماهواره‌ها پایه بسیاری از سامانه‌هایی است که بیشتر مردم هرگز به آن‌ها فکر نمی‌کنند.
- شبکه‌های تلفن همراه را همگام‌سازی می‌کند.
- برای میلیاردها تراکنش در بازارهای مالی مهر زمانی ایجاد می‌کند.
- به حفظ تعادل شبکه‌های برق کمک می‌کند.
تمام این موارد نشان می‌دهد از دست دادن GPS می‌تواند پیامدهای بسیار شدیدی داشته باشد.
قطع GPS چه هزینه‌ای برای آمریکا دارد؟
تحقیقات انجام‌شده توسط RTI در کارولینای شمالی نشان می‌دهد از دست دادن GPS می‌تواند روزانه ۱ میلیارد دلار برای آمریکا هزینه داشته باشد. در بدترین زمان ممکن، این خسارت می‌تواند بسیار بیشتر شود.
برای مثال، یک قطعی ۳۰ روزه در فصل کاشت بهاره، زمانی که کشاورزان برای هدایت تراکتورها به GPS با دقت سانتی‌متری متکی هستند، می‌تواند به‌تنهایی خسارت‌های کشاورزی را تا ۱۵ میلیارد دلار افزایش دهد.
پژوهشگران در گزارش خود این وضعیت را چنین توصیف کرده‌اند:
«چنین قطعی طولانی‌مدتی ممکن است بعید باشد. با این حال یافته‌های ما نشان می‌دهد زیان اقتصادی روزانه ۱ میلیارد دلاری بسیار بیشتر از هزینه ساخت سامانه‌های پشتیبان GPS است.»
با توجه به این موضوع، تعجب‌آور نیست که آمریکا بیش از ۸ میلیارد دلار برای ارتقای سامانه ماهواره‌ای خود هزینه کرده است.
Patricia Crouse استاد علوم سیاسی در New Haven University معتقد است تمایل آمریکا برای ادامه پرداخت هزینه GPS از یک نگاه «عمل‌گرایانه» ناشی می‌شود.
او درباره این موضوع می‌گوید:
«حتی اگر سیستم Starlink متعلق به Musk از نظر تئوری بتواند جای GPS را بگیرد، نمی‌توانید مردم را مجبور کنید با هزینه شخصی خود از ماهواره‌های خصوصی استفاده کنند. روشن است که ما هزینه سیستم‌های GPS را از طریق مالیات پرداخت می‌کنیم، اما این کار به شکل غیرمستقیم انجام می‌شود. تلاش برای متوقف کردن تأمین مالی آن می‌توانست به هرج‌ومرج بزرگی منجر شود. علاوه بر این برخلاف تصور برخی آمریکایی‌ها، ما مالک آسمان نیستیم.»
رقبا و جایگزین‌های GPS
GPS تنها سیستم موقعیت‌یابی جهانی موجود در جهان نیست. اروپا سیستم Galileo را دارد. چین و روسیه نیز سیستم‌های خود را توسعه داده‌اند که اگرچه استفاده از آن‌ها کمتر است، مزایای مهمی برای این کشورها ایجاد می‌کنند.
BeiDou؛ پاسخ چین به GPS
پاسخ چین به GPS، BeiDou Navigation Satellite System است که در سال ۲۰۲۰ به‌طور کامل در سراسر جهان فعال شد.
BeiDou پوشش جهانی ارائه می‌دهد اما به‌ویژه در آسیا عملکرد بسیار قدرتمندی دارد. این سیستم در این منطقه از نظر دقت می‌تواند با GPS رقابت کند و حتی در برخی موارد عملکرد بهتری داشته باشد.
BeiDou ویژگی دیگری نیز دارد که آن را از بیشتر سامانه‌های ناوبری متمایز می‌کند. کاربران می‌توانند از طریق ماهواره‌های این سیستم پیام‌های متنی کوتاه ارسال کنند.
این قابلیت به این معناست که فردی که در یک بیابان دورافتاده، رشته‌کوه یا وسط اقیانوس گرفتار شده است، حتی بدون دسترسی به سیگنال تلفن همراه می‌تواند ارتباط برقرار کند.
با این حال این سیستم کاملاً بی‌نقص نیست. BeiDou در سراسر آسیا عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد اما دقت آن در مناطق دیگر جهان معمولاً کاهش پیدا می‌کند. همچنین برای دسترسی به برخی از پیشرفته‌ترین قابلیت‌های آن، سخت‌افزار تخصصی‌تری نسبت به GPS مورد نیاز است.
با این حال اهمیت ژئوپلیتیکی سیستم چین زمانی بیشتر آشکار شد که گزارش‌هایی منتشر شد مبنی بر اینکه ایران در جریان درگیری با اسرائیل شروع به فاصله گرفتن از GPS و استفاده از این سیستم کرده است.
برای کشورهایی که تمایلی به وابستگی به واشنگتن در شبکه‌های ناوبری ندارند، گزینه‌هایی مانند BeiDou تنها مزایای عملی ندارند؛ بلکه استقلال فناوری و نظامی بیشتری نیز فراهم می‌کنند.
GLONASS؛ سیستم موقعیت‌یابی روسیه
سیستم جایگزین روسیه GLONASS نام دارد. این سیستم ابتدا در دوران اتحاد جماهیر شوروی توسعه داده شد و در سال‌های بعد مورد نوسازی قرار گرفت.
GLONASS مانند BeiDou که برای چین ایجاد استقلال راهبردی می‌کند، برای مسکو نیز با هدف ایجاد آزادی راهبردی و کاهش وابستگی به GPS طراحی شده است.
بزرگ‌ترین نقطه قوت GLONASS به نحوه حرکت ماهواره‌های آن در مدار زمین مربوط می‌شود. نحوه قرارگیری ماهواره‌ها باعث می‌شود این سیستم در عرض‌های جغرافیایی بالا پوشش بسیار خوبی داشته باشد.
به همین دلیل GLONASS به‌ویژه در مناطق شمالی و قطب شمال بسیار مؤثر است؛ مناطقی که سیگنال‌های استاندارد GPS در آن‌ها اغلب ضعیف می‌شوند یا عملکرد مناسبی ندارند.
در مقابل، GLONASS در بسیاری از مناطق دیگر جهان، به‌خصوص مناطق نزدیک خط استوا، معمولاً دقت پایین‌تری نسبت به GPS و BeiDou مدرن ارائه می‌دهد.
روسیه همچنین در طول تاریخ با هزینه بالای ساخت و پرتاب ماهواره‌های جدید و تأخیرهای تولید آن‌ها دست‌وپنجه نرم کرده است.
چرا کشورها به چند سیستم ناوبری نیاز دارند؟
برای کشورهایی مانند چین و روسیه، داشتن یک سیستم ناوبری مستقل وابستگی به GPS را کاهش می‌دهد. اما روندی در حال شکل‌گیری است که حتی کشورها و شرکت‌هایی که به GPS دسترسی دارند نیز به فراتر از یک سیستم واحد نگاه می‌کنند.
Andy Proctor معاون رئیس Royal Institute of Navigation و پژوهشگر Imperial College London درباره اقدامات انجام‌شده برای مقابله با افزایش استفاده از اختلال سیگنال می‌گوید:
«محصولات اکنون به‌گونه‌ای ارتقا پیدا می‌کنند که بتوانند در برابر موارد اختلال سیگنال که می‌دانیم در حال افزایش هستند، از سیستم‌های اروپایی و روسی نیز استفاده کنند. به این ترتیب دستگاه شما می‌تواند سیگنال‌های مرتبط را هر کجا که قرار داشته باشد دریافت کند.»
آینده GPS چه خواهد بود؟
برای آمریکا که تلاش می‌کند برتری خود را در سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی حفظ کند، همه‌چیز مطابق برنامه پیش نمی‌رود.
در اوایل امسال، نیروی فضایی آمریکا برنامه‌ای اکتشافی برای افزودن ماهواره‌های ناوبری کوچک‌تر و کم‌هزینه‌تر با هدف افزایش قابلیت اطمینان GPS را بی‌سروصدا کنار گذاشت. این برنامه پیش‌تر به‌عنوان یکی از اهداف اولویت‌دار تعیین شده بود.
علاوه بر این، نوسازی و به‌روزرسانی بخش‌های زمینی GPS به کاری دشوار تبدیل شده است.
Andy Proctor شرایط را این‌گونه خلاصه می‌کند:
«ماهواره‌ها تقریباً ساده‌ترین بخش کار هستند. بخش واقعاً دشوار، عملیات روی زمین و مدیریت فضاپیماست.»
به گفته Proctor، آمریکا تلاش می‌کند سامانه‌های زمینی خود را که قدمت آن‌ها به اوایل دهه ۱۹۹۰ بازمی‌گردد، به‌روزرسانی کند تا سازگاری آن‌ها با جدیدترین فناوری‌های فضایی افزایش یابد و در برابر حملات سایبری مقاوم‌تر شوند.
با وجود بیش از ۸ میلیارد دلار هزینه‌ای که تاکنون انجام شده، این تلاش‌ها همچنان ادامه دارد. حتی پنتاگون برای سرعت بخشیدن به روند کار، این فرایند را به Lockheed Martin واگذار می‌کند.
ناوبری کوانتومی؛ فناوری احتمالی پس از GPS
هم‌زمان دانشمندان در حال بررسی فناوری‌هایی هستند که ممکن است روزی وابستگی ما به GPS را به‌طور کامل کاهش دهند.
یکی از امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها ناوبری کوانتومی است.
برخلاف GPS که با دریافت و تحلیل سیگنال‌های ماهواره‌ای کار می‌کند، یک سیستم ناوبری کوانتومی می‌تواند حرکت خود را به‌صورت مداوم اندازه‌گیری کند.
این سیستم با استفاده از حسگرهای فوق‌العاده دقیق که از ویژگی‌های عجیب فیزیک کوانتومی بهره می‌برند، قادر است هر شتاب‌گیری، چرخش و تغییر جهت را دنبال کند.
سیستم با به‌روزرسانی مداوم این اطلاعات می‌تواند بدون نیاز به برقراری ارتباط با ماهواره‌ها، موقعیت خود را محاسبه کند.
ناوبری کوانتومی چه مشکلی را حل می‌کند؟
این فناوری می‌تواند یکی از بزرگ‌ترین نقاط ضعف GPS را برطرف کند: GPS تنها زمانی کار می‌کند که سیگنال در دسترس باشد.
- در خارج از مدار زمین، سیگنال‌های GPS بیش از حد ضعیف می‌شوند.
- زیردریایی‌هایی که زیر آب فعالیت می‌کنند، به این سیگنال‌ها دسترسی ندارند.
- در جریان درگیری‌های نظامی، دشمنان می‌توانند سیگنال‌ها را مختل یا جعل کنند.
ارتش آمریکا پیش از این آزمایش‌های محرمانه فناوری ناوبری کوانتومی را در مدار انجام داده است.
Proctor که شرکت مستقلی برای ارائه مشاوره در زمینه کاربرد فناوری کوانتومی در سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی دارد، معتقد است ما در «آستانه» یک جهش مهم در فناوری کوانتومی قرار داریم.
اگر این پیش‌بینی درست باشد، فناوری‌ای که در نهایت GPS را جایگزین خواهد کرد، ممکن است همین حالا در حال شکل‌گیری باشد.
سؤالات متداول درباره GPS
چرا GPS برای کاربران سراسر جهان رایگان است؟
زیرا دولت آمریکا هزینه نگهداری و توسعه این سامانه را تأمین می‌کند. این سیستم علاوه بر کاربردهای نظامی، برای اقتصاد و زیرساخت‌های حیاتی آمریکا نیز اهمیت زیادی دارد.
هزینه سالانه GPS برای آمریکا چقدر است؟
آمریکا هر سال حدود ۲ میلیارد دلار از منابع عمومی برای حفظ شبکه GPS هزینه می‌کند.
آیا GPS تنها سیستم موقعیت‌یابی جهانی است؟
خیر. Galileo اروپا، BeiDou چین و GLONASS روسیه نیز از سیستم‌های مهم موقعیت‌یابی ماهواره‌ای در جهان هستند.
آیا GPS فقط برای تعیین موقعیت استفاده می‌شود؟
خیر. ساعت‌های اتمی ماهواره‌های GPS سیگنال‌های زمانی بسیار دقیقی ارائه می‌کنند که برای همگام‌سازی شبکه‌های تلفن همراه، تراکنش‌های مالی و شبکه‌های برق نیز اهمیت دارد.
آیا ناوبری کوانتومی می‌تواند جایگزین GPS شود؟
ناوبری کوانتومی یکی از فناوری‌های امیدوارکننده برای کاهش وابستگی به GPS است. این فناوری می‌تواند بدون اتکا به سیگنال ماهواره‌ای، حرکت و موقعیت را اندازه‌گیری کند.
جمع‌بندی
GPS رایگان است زیرا آمریکا تأمین مالی آن را به‌دلیل اهمیت نظامی، امنیتی، زیرساختی و اقتصادی ادامه می‌دهد. این سیستم تنها موقعیت مکانی ارائه نمی‌کند؛ زمان بسیار دقیق آن نیز پایه عملکرد بسیاری از شبکه‌ها و خدمات حیاتی است.
در کنار GPS، سیستم‌هایی مانند BeiDou، GLONASS و Galileo نقش مهمی در کاهش وابستگی به یک شبکه واحد دارند. در آینده نیز فناوری ناوبری کوانتومی می‌تواند مسیر تازه‌ای برای موقعیت‌یابی بدون اتکا به سیگنال‌های ماهواره‌ای ایجاد کند.
اگر این مقاله برایتان مفید بود، آن را با علاقه‌مندان فناوری و اخبار علمی به اشتراک بگذارید.
