Field validation of GNSS-independent positioning enhancement using a wearable ultra-stable quantum magnetometer
تقدم هذه الورقة تحققاً ميدانياً يثبت أن مقياس مغناطيسية كمي فائق الاستقرار وقابل للارتداء يمكنه تحسين دقة تحديد المواقع المستقلة عن الأنظمة العالمية للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بشكل كبير، محققاً خطأً شعاعياً قدره 2.24 متر على مسار مشي بطول 500 متر من خلال دمج قياسات الشذوذ الجيومغناطيسي مع تقديرات التقدير الميت.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
على مدى عقود، اعتمدت القدرة على معرفة مكاننا بدقة على شبكة صامتة من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض. لقد أصبحت أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS) هذه هي العمود الفقري غير المرئي للحياة الحديثة، حيث توجه كل شيء بدءاً من شاحنات التوصيل وصولاً إلى الهواتف الذكية الشخصية. ومع ذلك، فإن هذا الاعتماد يأتي مع هشاشة خفية؛ فإشارات هذه الأقمار الصناعية تكون ضعيفة للغاية بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الأرض، مما يجعل من السهل حجبها أو تشويشها أو خداعها. علاوة على ذلك، فهي ببساطة لا تعمل تحت الأرض، أو تحت الماء، أو في الظلال العميقة للمدن المكتظة. وعندما تختفي إشارة القمر الصناعي، غالباً ما تتلاشى قدرتنا على الملاحة معها. ولحل هذه المعضلة، بحث العلماء منذ فترة طويلة في الأرض نفسها عن أدلة. فتماماً كما للأرض جبال ووديان، فإن المجال المغناطيسي للكوكب ليس أملساً تماماً؛ بل يحتوي على نتوءات ومنخفضات طبيعية دائمة ناتجة عن الصخور والمعادن في أعماق القشرة الأرضية. هذه الميزات المغناطيسية ثابتة مثل التضاريس نفسها، وهي موجودة في كل مكان على الأرض، حتى في الأماكن التي لا تستطيع الأقمار الصناعية الوصول إليها. وإذا تمكن جهاز ما من قياس هذه الاختلافات المغناطيسية الدقيقة بدقة كافية، فيمكنه استخدامها كخريطة، مما يسمح للشخص بإيجاد طريقه دون الحاجة أبداً للنظر إلى السماء.
قام فريق من الباحثين في جامعة ستراث كلايد في المملكة المتحدة مؤخراً باختبار هذه الفكرة في بيئة واقعية. فقد بنوا نظاماً قابلاً للارتداء مصمماً لقياس المجال المغناطيسي للأرض بحساسية فائقة، واستخدموه للتنقل في مسار مشاة دون الاعتماد على إشارات الأقمار الصناعية. كان جوهر جهازهم هو مقياس مغناطيسية كمي، وهو مستشعر متطور للغاية يمكنه اكتشاف التغيرات في المجال المغناطيسي التي هي أصغر من جزء من مليار من التسلا. ولجعل هذه التكنولوجيا عملية ليحملها الإنسان، صمم الفريق حزاماً خفيف الوزن يحمل المستشعر، وجهاز كمبيوتر لمعالجة البيانات، ومستشعراً قصورياً قياسياً يتتبع الحركة والاتجاه. لقد أخذوا هذا النظام إلى حقل ريفي وقاموا أولاً بالمشي في نمط شبكي لرسم خريطة للمشهد المغناطيسي، وتسجيل "البصمة" المغناطيسية الفريدة لتلك المنطقة المحددة. وقد أنشأ هذا خريطة مغناطيسية مفصلة للأرض، والتي عملت كدليل مرجعي لهم.
بمجرد اكتمال الخريطة، بدأ الباحثون تجربة الملاحة الفعلية. سار شخص يرتدي الحزام في مسار طويل ومتعرج يتضمن حلقات ومنعطفات، وقطع مسافة تزيد عن 500 متر. خلال هذه المشية، لم يستخدم النظام أي بيانات من الأقمار الصناعية لمعرفة موقعه. بدلاً من ذلك، اعتمد على طريقة تسمى "الحساب التقديري" (dead reckoning)، والتي تُقدر الموقع من خلال تتبع اتجاه وسرعة الحركة من نقطة انطلاق معروفة. وهذه الطريقة بحد ذاتها عرضة لأخطاء صغيرة تتراكم بسرعة، مما يؤدي إلى انحراف المسار المقدر عن المسار الحقيقي. ولإصلاح ذلك، قام النظام باستمرار بمقارنة المجال المغناطيسي الذي يقيسه في الوقت الفعلي مع الخريطة المغناطيسية التي بناها سابقاً. ومن خلال مطابقة القراءات الحية مع الخريطة، استطاع النظام تصحيح مساره، مما أدى فعلياً إلى إعادة المسار المقدر إلى الموقع الصحيح.
كانت نتائج هذه التجربة واضحة وقابلة للقياس. فعندما قارن الباحثون المسار الذي حسبه النظام القابل للارتداء بالمسار الحقيقي الذي سجله مستقبل أقمار صناعية عالي الدقة، وجدوا أن مطابقة الخريطة المغناطيسية حافظت على الخطأ صغيراً بشكل ملحوظ. فبدون التصحيحات المغناطيسية، انحرف موقع النظام المقدر بشكل كبير، حيث انتهى به الأمر بعيداً بأكثر من 40 متراً عن المكان الذي توقف عنده السائر بالفعل. ومع ذلك، مع تفعيل مطابقة الخريطة المغناطيسية، حافظ النظام على حدود الخطأ. كان متوسط المسافة بين الموقع المقدر والموقع الحقيقي هو 2.24 متراً فقط. وهذا المستوى من الدقة يضاهف ما يحققه هاتف ذكي عادي للمستهلك عندما يستخدم إشارات الأقمار الصناعية، ولكن تم ذلك بالكامل بدونها. أظهرت الدراسة أنه من خلال الجمع بين مستشعر كمي مستقر وقابل للارتداء وخريطة مغناطيسية مسبقة الوجود، من الممكن التنقل بدقة عالية حتى عندما تكون إشارات الأقمار الصناعية غير متوفرة تماماً.
كما عالج الباحثون المخاوف المتعلقة بما إذا كانت الأجسام التي صنعها الإنسان، مثل السيارات أو الأسوار، قد تربك المستشعر. ووجدوا أنه بينما تسبب الأجسام المعدنية المحلية اضطرابات مغناطيسية صغيرة، فإن الميزات الطبيعية واسعة النطاق للقشرة الأرضية مهيمنة للغاية لدرجة أنه لا يمكن التغلب عليها بسهولة بفعل التداخلات اليومية. نجح النظام في التنقل عبر سياج فولاذي صغير أحدث شذوذاً مغناطيسياً، مما أثبت أن هذه الطريقة قوية بما يكفي للبيئات الواقعية. لا يدعي هذا العمل استبدال الملاحة عبر الأقمار الصناعية في جميع المواقف، ولكنه يثبت أن مستشعراً مستقراً وقابلاً للارتداء يمكن أن يوفر شبكة أمان حيوية. إنه يظهر أنه عندما تصمت السماء، يمكن للأرض نفسها أن تخبرنا بمكاننا، مما يوفر وسيلة مرنة للملاحة عبر العالم المعقد والمتحدي للإشارات في كثير من الأحيان.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.