كيفية تتبع الاتصالات البصرية في الفضاء الحر

يتم تطوير نظام التحكم في التعقب الجديد للاتصالات البصرية في الفضاء الحر، وهو يتألف من محورين، ذات المحورين وآلية التأشير الدقيق عالية الأداء، ومستشعر الاستحواذ البصري الخشن ومستشعر التتبع البصري الدقيق.

ما هي بصريات الفضاء الحر

باستخدام أشعة الضوء غير المرئية يمكن لـ (FSO) إرسال واستقبال معلومات الصوت والفيديو والبيانات وكان التركيز الأساسي للبحث والتطوير في (FSO) نحو المحاذاة الدقيقة بين جهازي إرسال واستقبال، ويوفر الاختراع (نظام FSO) توجيه حزمة ضوئية قابلة للتطبيق وآلية التقاط للسماح بالتتبع السريع والتوجيه الدقيق بين جهازي إرسال واستقبال لوصلة بصرية خالية من الفضاء (FSO) تتطلب محاذاة مستمرة.

يمكن لنظام التتبع التلقائي غير العادي هذا أنّ يقلل الوقت اللازم لقفل شعاع الليزر بين المحطة الطرفية والمحطة الأساسية للأدوات لتبادل المعلومات بالإضافة إلى دقتها العالية، حيث يتم توفير زاوية استقبال أوسع مقارنةً بنظام (FSO) التقليدي.

ملاحظة:“FSO” هي اختصار لـ “free space optics”.

أساسيات تتبع الاتصالات البصرية للفضاء الحر

في أنظمة التحكم بالتتبع التقليدية يتم دمج المحورين ثنائي المحور مع مشغل ضيق المدى للتحكم الدقيق في التوجيه وله دور التحكم في التوجيه الخشن بناءً على موضع (GPS) وموقف الجسم، وبالتالي فإنّ كل حركة لآليات التتبع تتأثر ببعضها البعض بواسطة خوارزميات التحكم الفردية، ويتم تقييد دقة التتبع التي تم الحصول عليها بواسطة كل حركة.

لتحسين أداء التحكم لهذا النوع ذي المرحلتين يُقترح نظام التحكم في التتبع المتزامن، ومن ميزات النظام هي التحكم التعاوني أو التنبئي باستخدام كل إشارات تحكم أو استقصاء، وتحسين الأداء للاضطرابات ومع محاور المرآة المجوفة والسريعة ذات المحورين، كما يتم تطبيق مخطط التحكم هذا على نظام التحكم في التتبع المطور ويجعل من الممكن تحقيق اتصالات بصرية مجانية في الفضاء.

كما أنّه في نظام الإرسال والاستقبال للتتبع التلقائي والتوجيه الديناميكي للاتصالات الضوئية للمساحة الخالية (FSO)، تحتوي بنية جهاز الإرسال والاستقبال على أجهزة إرسال (M) ومستقبلات (M) في تكوين (M x M) يمكنها توجيه نفسها ديناميكيًا في زوايا مختلفة؛ لإنشاء رابط بين جهازي إرسال واستقبال.

يتم حظر طلب إعداد مسار الضوء إذا لم يكن الطول الموجي الحر متاحًا في جهاز إرسال أو جهاز استقبال في عقدة على طول المسار وعدد الموارد المتبقية على حالها، وبالمقارنة مع (FSO) ثابت فإنّ الطرق التي يتم اعتمادها للتوجيه والاسترداد، التي تستغل بنية جهاز الإرسال والاستقبال (M x M) تحقق احتمالية حظر منخفضة بالإضافة إلى زيادة النسبة المئوية لاستعادة حركة المرور المتأثرة بعد فشل الارتباط.

ملاحظة:“GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

نظام التتبع التلقائي للاتصالات المتنقلة ذات الفضاء الحر البصري FSO

يمكن استخدام نظام بصريات المساحة الحرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل: شبكة الميل الأخير والشبكة المؤقتة وخدمات التعافي من الكوارث والطوارئ والاتصال الخلوي، وشبكة افتراضية من نقطة إلى عدة نقاط والاتصال اللاسلكي المحمول والعمود الفقري اتصال الإنترنت أو اتصال القمر الصناعي أو تطبيقات البث الخارجية،كما يمكن أيضًا استخدام النظام لتشكيل جزء من نظام مراقبة الحركة الجوية.

يتصل النظام ثنائي الاتجاه بين المطاريف ومحطة أرضية، كما يتم تركيب جهاز الإرسال والاستقبال على المطاريف وجهاز الإرسال والاستقبال المركب بالمحطة الأرضية، وبدلاً من ذلك فإنّ النظام قد تتواصل ثنائية الاتجاه بين مطرافين بهما واحدة من كل جهاز إرسال واستقبال مثبتة على المحطات، ويتصل النظام ثنائي الاتجاه بين مركبتين متحركتين بهما واحدة من كل جهاز إرسال واستقبال مركبين على كل مركبة متحركة.

كما يوفر إرسال الإشارات باستخدام أنظمة (FSO) تبادلًا عاليًا لمعدل البيانات عبر شبكة آمنة، ومع ذلك فإنّ هذه الأنظمة محدودة في الاستقبال؛ لأنّ الهدف هو توفير محاذاة دقيقة بين جهازي استقبال ومن خلال بناء وتصميم نظام (FSO) يوفر نظام (FSO) ميزتين على الأقل هي:

• يوفر نظام (FSO) زاوية استقبال واسعة حتى في حالة عدم وجود محاذاة دقيقة.

• يوفر نظام (FSO) آلية تتبع تلقائية لقفل كلا جهازي الإرسال والاستقبال معًا أثناء اتصالات (FSO) المتنقلة.

تطور نظام التتبع التلقائي للاتصالات المتنقلة ذات الفضاء الحر البصري FSO

يحتوي كل جهاز إرسال واستقبال على جزء استقبال وجزء إرسال، وعلى وجه الخصوص يحتوي جهاز الإرسال والاستقبال على جزء استقبال وجزء الإرسال، ويوجه الجزء المرسل من جهاز الإرسال والاستقبال الموجة الكهرومغناطيسية عبر قناة الاتصال إلى الجزء المستقبِل من جهاز الإرسال والاستقبال، كما يتم تثبيت جزء الاستقبال والجزء المرسل بجوار بعضهما البعض، بطريقة توفر الوظيفة اللازمة لتوجيه حزمة الإرسال بالإضافة إلى توجيه الجزء المستقبل.

تستقبل مصفوفة مستشعرات الموجات الكهرومغناطيسية الموجة الكهرومغناطيسية المركزة وتحول الموجة الكهرومغناطيسية المركزة إلى تنسيق يمكن قياسه، كما تكتشف مستشعرات الموجات الكهرومغناطيسية مجموعة متنوعة من العوامل التي تشير إلى الموجة الكهرومغناطيسية المركزة، مثل: الطاقة والموقع البصريين.

تستطيع مستشعرات الموجات الكهرومغناطيسية قياس القدرة الضوئية في أي مكان داخل سطح الاستقبال الخاص بها، وباستخدام مصفوفة مستشعرات الموجات الكهرومغناطيسية يكون لسطح الاستقبال مساحة أكبر من جزء من سطح الاستقبال يتكون من أي جهاز كشف ضوئي واحد.

كما تسمح قراءة الطاقة الضوئية في أي مكان على المستوى البؤري أو بعيدًا عن المستوى البؤري للعدسة المستقبلة بالقدرة على استقبال الموجات الكهرومغناطيسية من أي اتجاه، كما تزيد هذه القدرة من نطاق الاستقبال لجهاز الإرسال والاستقبال، ويمكن أيضاً استخدام وحدة التحكم للنظام البصري للمساحة الحرة لتوليد إشارات تحكم وفقًا لقراءات موضعها للتحكم في جهاز توجيه داخل جزء الإرسال.

مزايا التتبع التلقائي للاتصالات المتنقلة ذات الفضاء الحر البصري

تتواصل وحدة التحكم مع جزء الإرسال باستخدام أي نظام اتصال مناسب مثل نظام اتصال سلكي أو لاسلكي، كما تقوم وحدة التحكم بتوصيل إشارات التحكم إلى الجزء المرسل باستخدام مرسل من الجزء المستقبل باستخدام حزمة ليزر معدلة خارج النطاق.

يتم استخدام بيانات رسم الخرائط التجريبية غير الخطية للمدخلات والمخرجات التجريبية للمسح التجريبي لتصميم وحدة التحكم، كما تقوم وحدة التحكم هذه بمعالجة معلومات موقع الحزمة من خريطة خطية ثابتة لمستوى ثنائي الأبعاد، مثل كاشف الموضع الإلكتروني (OPD) كمراقب وتوليد مخرجات التحكم اللازمة لتوجيه الحزمة باستخدام مشغلات إلكترونية ومرآة التوجيه السريع (FSM).

يتم حساب موضع النقطه الوسطى للشعاع باستخدام خوارزمية أحادية النبض ويتم فحص أداء نظام تتبع الحزمة أحادية النبض المصمم؛ لتوجيه شعاع الليزر المعدل ليكون في مركز مستوى الكاشف تحت الاضطرابات الجوية (المتوسطة)، ويتم تقييم التحسينات التي تم تحقيقها في توليد إشارة التحكم واستقرار الحزمة النقطية والطاقة المستلمة واحتمال الانقطاع، ومعدل خطأ البت (BER) بشكل شامل باستخدام النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها من أسِرَّة اختبار اتصالات (FSO) المصممة للمدى الأفقي البالغ (0.5 كم) على ارتفاع من (15.25 م).

ملاحظة:“BER” هي اختصار لـ “Bit Error Ratio”.

في النهاية، يمكن استخدام آلية التتبع التلقائي مع جهازي إرسال واستقبال سريعان متنقلان وكما يوفر نظام (FSO) تكلفة تصنيع منخفضة ودقة تتبع عالية ووزنًا منخفضًا لكل جهاز إرسال واستقبال، ممّا يساعد في تركيب واستخدام جسم متحرك على متن المحطات الطرفية.