Doppler-Based GNSS Variometry for Velocity Estimation in High-Dynamic Sounding Rocket Missions

تخيل أنك تحاول تتبع طائر طنان يندفع عبر عاصفة. لتعرف مكانه بالضبط ومدى سرعته، قد تحاول التقاط سلسلة من الصور عالية الدقة. إذا تحرك الطائر بسرعة كبيرة أو اهتزت الكاميرا بسبب الرياح، فقد تظهر الصور ضبابية أو مفقودة تماماً. هذا هو التحدي الذي يواجه تتبع الأجسام عالية السرعة مثل الصواريخ. يستخدم العلماء نظاماً يسمى GNSS (وهو نفس التقنية التي توجه هاتفك) للاستماع إلى الإشارات من الأقمار الصناعية. عادةً، يحاولون قياس "الطور" (phase) للإشارة — فكر في الأمر كعدّ العدد الدقيق للموجات في صوت ما — للحصول على بيانات سرعة دقيقة للغاية. ومع ذلك، عندما ينطلق صاروخ بقوة هائلة، يمكن للإشارة أن تتشوه، وتضيع حسابات الموجات الدقيقة تلك. يترك هذا العلماء مع فجوة في بياناتهم في الوقت الذي هم فيه أمسّ الحاجة إليها: خلال الجزء الأكثر إثارة وعالية السرعة من الرحلة. السؤال الكبير هو: إذا فُقدت الصور عالية الدقة، فهل لا يزال بإمكاننا معرفة السرعة باستخدام طريقة أبسط وأكثر متانة؟

تتعمق هذه الورقة البحثية في هذا المشكل تحديداً من خلال اختبار حيلة ذكية على صواريخ حقيقية. قرر المؤلفان، كارولينا غيني وأوغستو ماتزوني من جامعة سابينزا، التوقف عن محاولة عد الموجات والاستماع بدلاً من ذلك إلى "نبرة" الإشارة، المعروفة باسم إزاحة دوپلر (Doppler shift). الأمر يشبه كيف يبدو صوت صفارة الإنذار أعلى كلما اقتربت سيارة الإسعاف منك، وأقل حدة كلما ابتعدت. ورغم أن هذه الطريقة ليست بدقة "عد الموجات"، إلا أنها أكثر صلابة وأقل عرضة للتعطل عندما تصبح الأمور فوضوية. أطلق الفريق صاروخين صغيرين — أحدهما في روكاراسو بإيطاليا، والآخر في تكساس بالولايات المتحدة الأمريكية — يحملان إعداداً حاسوبياً خفيف الوزن ومتوفراً تجارياً. قارنوا طريقة "عد الموجات" بطريقة "الاستماع إلى النبرة" خلال الرحلات. تشير النتائج إلى أنه بينما تكون طريقة "عد الموجات" أكثر سلاسة عندما تكون الأمور هادئة، إلا أنها غالباً ما تفشل في التقاط ذروة سرعة الصاروخ خلال مرحلة الدفع المكثفة. في المقابل، استمرت طريقة "دوپلر" في العمل طوال الوقت، ونجحت في تتبع سرعة الصاروخ حتى عندما استسلمت الطريقة الأخرى.

قصة الصاروخين

لفهم ما حدث، دعونا نلقي نظرة على المهمتين اللتين نفذهما الفريق. الصاروخ الأول، الذي انطلق في إيطاليا في مايو 2025، خاض رحلة "طبيعية". انطلق للأعلى، ثم حلق بهدوء ليصل إلى ارتفاع ذروة يبلغ حوالي 1,200 متر، ثم هبط ببطء باستخدام مظلة. أما الصاروخ الثاني، الذي انطلق في تكساس في يونيو 2025، فكان أكثر دراماتيكية. كان يمتلك محركاً أقوى وطار لمسافة أعلى (حوالي 2,600 متر)، لكن الأمور ساءت؛ إذ لم تعمل مكابح الهواء بشكل صحيح، وفشلت المظلة في الانفتاح. وهذا يعني أن الصاروخ لم يتباطأ بلطف، بل سقط عائداً إلى الأرض في هبوط سريع وغير منضبط.

جهز الفريق كلا الصاروخين بحمولة بسيطة: جهاز كمبيوتر "راسبيري باي" (Raspberry Pi) وشريحتين صغيرتين لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). ضبط الفريق هذه الشرائح لتستمع إلى الأقمار الصناعية بسرعات مختلفة — بعضها يستمع مرة واحدة في الثانية (1 هرتز) والبعض الآخر يستمع بشكل أسرع (2 هرتز أو 5 هرتز). كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان بإمكانهم حساب سرعة الصاروخ بمجرد النظر إلى البيانات الخام التي جمعتها الشرائح، دون الحاجة إلى نظام ملاحة معقد.

طريقتان للاستماع

تقارن الورقة بين طريقتين رئيسيتين لتحديد السرعة:

1. "عداد الموجات" (Carrier-Phase): هذه هي الطريقة عالية الدقة. تحاول عد العدد الدقيق للموجات اللاسلكية بين القمر الصناعي والصاروخ. الأمر يشبه محاولة قياس مسافة عن طريق عد كل خطوة تخطوها بدقة. إنها دقيقة للغاية، ولكن إذا تعثرت أو اهتزت الأرض (مثل لحظة إطلاق الصاروخ)، فإنك تفقد عدّك.
2. "المستمع إلى النبرة" (Doppler): تنظر هذه الطريقة إلى مدى سرعة تغير تردد الإشارة. الأمر يشبه الاستماع إلى صفير قطار يتغير صوته أثناء مروره بجانبك بسرعة. هي ليست بدقة عد الخطوات، لكن من الصعب جداً أن تفقد تتبعها. حتى لو كان القطار يهتز، فإن صوت الصفير لا يزال يتغير في حدته.

ما وجدوه

كانت النتائج درساً واضحاً في "الصلابة فوق المثالية".

الرحلة الإيطالية (روكاراسو):
خلال الرحلة الإيطالية السلسة، كانت طريقة "عداد الموجات" بالفعل أكثر دقة عندما تعمل. ومع ذلك، كان بها عيب رئيسي: توقفت عن العمل خلال الجزء الأهم من الرحلة — مرحلة الدفع عندما كان الصاروخ يتسارع بأقصى سرعة. نظرًا لأن الصاروخ كان يهتز بشدة، فُقدت الإشارة، وكانت البيانات مليئة بالفجوات. وعندما حاول الفريق إعادة بناء السرعة، فات "عداد الموجات" ذروة السرعة تماماً، حيث وصل إلى حوالي 120 م/ث بدلاً من 150 م/ث الفعلية.

من ناحية أخرى، لم يتوقف "المستمع إلى النبرة" (دوپلر) عن الكلام أبداً. لقد استمر في تسجيل البيانات طوال الوقت. ولأنها لم تفقد الإشارة، فقد نجحت في التقاط ذروة سرعة الصاروخ البالغة 150 م/ث. ورغم أن أرقامها كانت "أكثر ضجيجاً" (أقل دقة) من عداد الموجات، إلا أنها قدمت صورة كاملة للرحلة.

رحلة تكساس:
كانت مهمة تكساس أكثر فوضوية. هنا، فشلت طريقة "عداد الموجات" تماماً. لقد تعرضت الإشارة لاضطراب شديد لدرجة أن الفريق لم يتمكن من الحصول على أي بيانات سرعة مفيدة منها على الإطلاق. كانت طريقة "المستمع إلى النبرة" هي الوحيدة التي نجحت، حيث تمكنت من تتبع الصاروخ طوال عملية الصعود عالية السرعة والهبوط العشوائي غير المنضبط.

ومن المثير للاهتمام، وجد الفريق أن الاستماع بشكل أسرع (2 هرتز) ساعد في التقاط تفاصيل الرحلة بشكل أفضل من الاستماع بشكل أبطأ (1 هرتز). في رحلة تكساس، أدى إعداد 2 هرتز وظيفة متفوقة في تقريب ذروة سرعة الصاروخ، حيث لم يخطئ إلا ببضعة أمتار في الثانية، بينما قلل إعداد 1 هرتز من تقدير السرعة بفارق هائل (حوالي 80 م/ث). ومع ذلك، لاحظ الفريق أيضاً أن الساعة الداخلية للصاروخ — "الميترونوم" الذي يحافظ على ضبط الوقت للبيانات — تصرفت بشكل مختلف اعتماداً على السرعة. عند 1 هرتز، كانت الساعة مستقرة بشكل مفاجئ. ولكن عند 2 هرتز، بدأت الساعة في التذبذب أكثر، ويرجح أن معدل أخذ العينات الأسرع كان أكثر حساسية للاهتزازات العنيفة والتغيرات الحرارية للرحلة الفوضوية. لذا، بينما وفر إعداد 2 هرتز الأسرع قراءة سرعة أكثر دقة، فإنه عرّض الأجهزة أيضاً لمزيد من الإجهاد، مما تسبب في انحراف الساعة بشكل أكبر.

الخلاصة

تشير الورقة إلى أنه بالنسبة للصواريخ عالية السرعة، خاصة خلال مرحلة الدفع العنيفة، فإن "المستمع إلى النبرة" (دوپلر) هو الأداة الأكثر موثوقية. قد لا يكون بدقة "عداد الموجات"، لكنه لا يستسلم عندما تشتد الأمور. وجد المؤلفون أن التباين القائم على دوپلر هو وسيلة قوية لتقدير السرعة عندما تكون الطرق الأكثر دقة عرضة للفشل بسبب فقدان الإشارة.

كما نظروا أيضاً في الساعة الداخلية للصاروخ، والتي تعمل كميترونوم للبيانات. ووجدوا أنه في رحلة تكساس الفوضوية، بدأت الساعة في التذبذب أكثر عند الاستماع بسرعات أعلى (2 هرتز) مقارنة بـ (1 هرتز). وقد أكد هذا أن البيئة القاسية للرحلة أثرت على الأجهزة، مما جعل "المستمع إلى النبرة" أكثر قيمة لأنه يستطيع التعامل مع هذا التذبذب بشكل أفضل من "عداد الموجات" الهش.

باختصار، إذا كنت تريد تتبع صاروخ قد يحطم نفسه من شدة الاهتزاز، فلا تعتمد على الطريقة التي تتطلب صمتاً مثالياً. استمع إلى النبرة، وستسمع القصة كاملة.