ניווט אינרציאלי ושגיאות מדידים בעידן ה- MEMS

מאת: אבי דולב, אמירוניק

הצורך בניווט היה מאז ומעולם דבר חיוני שהולך יד ביד עם הטכנולוגייה. החל מהמצפן שהומצא ע”י הויקינגים בסביבות המאה ה-10 ע”י גילוי תכונת המגנטיות ועד הכרונומטר שהומצא במאה ה-18 שאיפשר ניווט מדויק יותר עבור כלי שיט.
בעידן העכשווי פותחו שתי שיטות ניווט מרכזיות: ניווט לוויני (GNSS- Global Navigation Satellite System) וניווט אינרציאלי (עצמי). הניווט הלוויני הנו מקטע של לווינים המשדרים אותות רדיו בתדר גבוה המכילים זמן ייחוס ומידע על מיקומי הלווינים. ע”י מקלט ניתן לדעת מה מיקומם ולשערך את המיקום בצורה מדויקת. הניווט הלוויני המדוייק כיום הנו ה- GPS (המחולק לקוד צבאי וקוד אזרחי), אך מפותחות מערכות הצפויות להגיע לרמת ביצועים גבוהה כמו ה- GLONASS הרוסי או ה- Galileo האירופאי. שיטה זו מיושמת באפליקציות אזרחיות כמו מערכות הניווט בכביש לרכב ועד ליישומים צבאיים כגון הנחיית ראשי טילים.
למערכות הניווט הלוויני קיימות חסרונות רבים. ראשית, יש לתחזק את הלווין ולהגן עליו מפני התנגשויות (הסיכון ליירוט הלווין תמיד קיים). שנית, אות ה- GPS מגיע למקלט בהספק נמוך וקל מאד לשבש אותו ע”י לוחמה אלקטרונית נפוצה. במקרים בו נדרש ניווט מתחת לפני השטח או במנהרות לא ייקלטו אותות ה GPS.
לעתים נדרש בנוסף למיקום על כדור הארץ גם למדוד את התאוצה או הכוחות הפועלים על המערכת וכן את הזוויות שלה
(Pitch/Roll/Yaw) והגובה (Altitude) לצרכי סטביליזציה או כסנסור למערכות אוויוניקה ומכאן קם הצורך בניווט שלא תלוי בגורמים חיצונים- ניווט אינרציאלי.

תחום הניווט האינרציאלי מחולק לשני אופנים: האופן הראשון הנו ע”י כח מסויים והשני ע”י חישת כח קוריוליס (גופים סוטים מתנועה בקו ישר גם כאשר לא פועלים עליהם כוחות חיצוניים עקב סבוב כדוה”א), ניתן לתאר את כח קו

ריוליס ע”י המכפלה הוקטורית הבאה: .
הניווט האינרציאלי מורכב מכמה אבני בניין:
גי’רוספקופים (Gyros) ומדי תאוצה (Accelerometers) –  מכשיר למדידת תנועה זוויתית או תאוצה לשמירה על יציבות וחישוב המיקום והמהירות (יש לציין שבחישוב התאוצה יש לקחת בחשבון את רכיב תאוצת הכובד, כלומר

(IMU (Inertial Measurement Unit –  משמש כמערכת ניווט אינרציאלית. בנוי על אינטגרציה של 3 גי’רויים ו 3 מדי תאוצה. רכיב זה חש 6 דרגות חופש.
(VG (Vertical Gyro – לגי’רו האנכי יש עיקרון פעולה דומה לזה של ה- IMU, אך הוא מפיק מידע גם על המהירות.
AHRS (Attitude Heading Reference System) – כמו ה- Vertical Gyro ,אך מפיק מידע נוסף על ה- Heading (ע”י מגנטומטר  ניתן לגלות את כיוון ההתקדמות יחסית לצפון) ומידע על ה- Altitude (ע”י ברומטר ניתן למדוד את הגובה מעל פני הים).
(INS/GPS (Inertial Navigation System – מערכת ניווט אינרציאלי כללית הנותנת חיווי מיקום בעל 6 דרגות חופש, תאוצה ומהירות. המערכת חסינה לגמרי לשיבוש והטעייה וניתנת אפשרות לדגום אותות GPS  לכיול בזמן אמת.

ניתן לתאר מערכת INS  בשרטוט מס’ 1. (האיור בא בצורה מפושטת ללא Kalman Filter וללא דגימת אות ה GPS).
מערכות הניווט אינרציאלי הנן עצמאיות לחלוטין ומבטלות את התלות בסביבה, חסינות להפרעות ומזג אוויר, יכולות לעבוד בקצבים גבוהים ורציפים, אולם בצד זה ישנם תופעות שגיאה מצטברת בזמן עקב שגיאת מדידים פנימית שיש לתת עליהם את הדעת בתכנון מערכת.
קיימות כמה שגיאות מוגדרות: ההיסט  ,Scale-Factor, Misalignment,
שגיאת הילוך אקראי (Random Walk) והרעש (Noise).

ה- Bias (מקובל לכנות גם כ- Drift) הנו היסט המתקבל במוצא הרכיב. הוא נמדד ביחידות hour/˚ לרכיבי Gyro וביחידות g עבור מדדי תאוצה. ההיסט מורכב מזמן ההפעלה, הטמפרטורה, מאפייני המדיד ומרכיב שגיאה אקראית. ההיסט נמדד לעומת מצב בו הערך האמיתי אמור להיות 0. אם לדוגמא ההיסט בג’ירו יהיה ערך bias כלשהו, אזי השגיאה בגודל הזווית תהייה:
.
השגיאה בזווית תשפיע על התיקון עקב תאוצת הכובד ובהנחת זווית קטנה נקבל כי רכיב התאוצה השגוי יהיה:
.
שגיאת המהירות תהייה:

שגיאת המיקום תהייה:
.

שגיאת ה- Scale-Factor הנה היחס שבין מוצא הרכיב לבין המצב בפועל (Output/Input). בדר”כ השגיאה הזו נוצרת בטמפורטורות גבוהות והיא נמדדת ביחידות של (PPM (Parts Per Million. השפעת השגיאה הנה זהה לזו של השפעת ההיסט.
רעש ה- Random Walk (הקרוי גם הילוך אקראי) הנו שגיאה שנובעת עקב מדידות רועשות במערכות IMU. מקובל לשים (LPF (Low Pass Filter לסינון חלקי של הרעש מכיוון שהרעש הנו אקראי שלא ניתן לשערוך. השגיאה נמדדת ביחידות של sec/√Hz לג’יירויים ו- mg/√Hz למדי תאוצה. ניתן לפתור חלקית את מיזעור את השגיאה ע”י מנגנון חיזוי-תיקון של מסנן Kalman, אך חשוב לציין שהרעש (Noise) תמיד יישאר והוא נובע מהמדיד עצמו או באלקטרוניקה שבסביבתו. את הרעש לא ניתן למדל היות והוא תהליך אקראי.
שגיאת ה- Misalignment נובעת מההנחה השגויה כי כל ג’ירו או מד תאוצה מודד בציר שלו. במערכות IMU  או INS מותקנים יחידת גי’רו ויחידת מד תאוצה לכל אחד משלושת הצירים. במצב ריאלי, כל יחידה תהייה מושפעת גם ממדידת תאוצה או קצב סיבוב בשני הצירים האחרים. יש צורך במדידת שגיאה זו ע”י היצרן והעברת מידע מפצה על שגיאה זו. גם את התופעה הזו ניתן למזער ע”י מסנן Kalman.
תופעות השגיאה והדרישה למזעור הובילו להתפתחות הטכנולוגית של הגי’רוסקופים.
תחילה פותחו הגי’רוסקופים המכניים שהיו במימדים גדולים ומאד לא מדוייקים. לאחר מכן, הגיע הטכנולוגייה האופטית. טכנולוגייה זו הביאה את ה- RLG  וה-   Gyro. העיקרון של הרכיבים האופטיים הנו על אפקט  Sagnac (  הפרש הפאזה תלוי במהירות הזוויתית). האפקט מתאר קרן לייזר (או אור) המפוצלת לשתי קרניים שנעות בכיוונים מנוגדים בצורה מעגלית. כאשר הקרניים חוזרות לנקודות ההתחלה באותו הזמן נוצרת התאבכות קבועה. אם ההתקן יסתובב במהירות זוויתית מסויימת, המסלול האופטי של אחד הקרניים יתקצר בעוד שהמסלול של הקרן השנייה יתארך. הקרניים יחזרו לנקודת ההתחלה שלהם (שם מצוי גלאי) בזמנים שונים עם תבנית התאבכות מוסטת שממנה ניתן למדוד את קצב הסיבוב של ההתקן. ההבדל העיקרי בין ה- RLG ל- FOG הנו שבראשון הלייזר חוזר ע”י מראות ואילו ב- FOG הנחשב ליותר זול הלייזר נע בצורה מעגלית בסיב אופטי. גם ה- FOG מאופיין בשתי תצורות: חוג פתוח וחוג סגור. תצורת החוג הפתוח נחשבת לפחות מדויקת. כך או כך, בשני התצורות אורך הסיב המעגלי הנו ארוך מאד ועשוי להגיע לכדי עשרות מטרים, דבר שמגביל את היכולת במזעור ובתחזוקה.
בטכנלוגיית ה- RLG וה- FOG קיימות מספר בעיות הנדסיות. ראשית הגודל הפיסי מכיוון שדרוש מסלול ארוך בה קרן הלייזר תוכל לנוע. קיימת תופעת ה- Lock-In הנובעת מהתלכדות שתי הקרניים שמשמעותה היא חוסר יכולת הרכיב למדוד קצבי סיבוב נמוכים (הקצב זניח וימדד כ-0). תופעת ה- Null-Shift הנה כאשר הרכיב מונה זמן סיבוב קרן הלייזר גם כאשר הקרן טרם הגיעה לנקודת ההתחלה ונוצרת שגיאה בהשוואה עם קרן הלייזר השנייה. קיים גם היסט לא מדויק הנובע מצפיפות הספק לא אחידה בלייזר (Mode Pulling). קיימת אפשרות לפתור את בעיית Lock In ע”י מנגנון הרעדה קבועה (Dithering) המונע מהקרניים להתלכד, אך הוא מייקר את המערכת.

בעייה מרכזית נוספת בטכנולגייה האופטית היא אי הוודאות של השגיאה. שגיאת ההיסט וה- Scale Factor יכולים לשנות את ערכן בצורה שלא ניתן לחזות. הערך משתנה כתוצאה מזמן ההפעלה של הרכיב, טמפרטורת האחסנה, רעידות והלמים, בעיות תאימות אלקטרומגנטית (חשיפה לשדה מגנטי) ומשוני בצפיפות קרן הלייזר עקב זיהום התווך. ליצרנים קיימת בעייה למזער את שגיאות המדידה בתנאי סביבה שונים.
הצורך בהוזלת מערכות הניווט, הקטנת המימדים והמשקל, ירידת ההספק והגדלת האמינות הביא לטכנולוגייה הבאה בעידן הניווט האינרציאלי והיא ה- MEMS (Micro Electro Mechanical System). טכנולוגייה זו יחסית חדשה ומאד מבטיחה. מהנדסי פיתוח מערכות הניווט ממקדים את רוב המשאבים כיום למזער את המדידים האינרציאליים שלהם ונתוני רמת הרעש וההיסט צפויים להיות קטנים משאר הטכנולוגיות.
העיקרון הפיסיקלי של מערכות הניווט מסוג MEMS הנו עפ”י כח קוריוליס הנמדד ע”י מיקרו אלקטרוניקה על מצע סיליקון (Si) יחד עם מכניקה זעירה בצורת מעגל משולב (IC-Integrated Circuit). המכניקה הזעירה מתאפשרת הודות לטכנולוגייה החדשנית של הורדת חלקים מהמצע והוספת שכבות אחרות ע”י תהליך Etching. רכיבי MEMS החשים את כח קוריוליס מאפשרים ייצור מערכות קטנות מדויקות אמינות וזולות. בשלות הטכנולוגיה עוד לא בשיאה, אך יש לה נתח שוק רחב בשוק הישראלי. נבחן לדוגמא את חברת Gladiator Technologies.
חברת Gladiator Technologies הנה חלוצה בתחום ה- MEMS וכבר הספיקה לרשום לעצמה למעלה מ-66 פטנטים. החברה יחסית צעירה ובנוייה ממהנדסים יוצאי חברות הניווט השונות. הצורך להקמתה הוא להביא לבשלות דיוק אסטרטגי וסטבליזציה מיטבית את טכנלוגיית ה- MEMS. אחד מעקרונות החברה הנו להציג במפרט הטכני את הנתון הכי גרוע במדידות ולא את הנתון הממוצע שהתקבל. מדובר בסיכון שיווקי שהוכיח עצמו כמשתלם ואמין בקרב הלקוחות בעת שלב האבלואציה בפרויקטים השונים.
החברה משפרת את רמת הביצועים וכל משפחת רכיבים מוגדרת כ- LandMark.
לשנת 2011, החברה הכריזה על סדרת LandMark40 והצפי לתחילת 2012 הנו למשפחת LandMark50.
ביצועי MEMS Gyro הנם ברעש של  0.003 והיסט Bias של  /˚8 (סדרת G100Z). לשנת 2012 מתוכננת הכרזה של ג’ירו דו צירי ברעש של
0.003 ושיפור דיוק ה- Gyro ל- 0.001  בהיסט /˚. מבחינת מדי התאוצה קיימת חלופה של שני סוגי MEMS Accelerometers. הראשונה ברעש של mg/√Hz עם היסט 1mg (סדרת A45 ל- g גבוה) והשנייה ברעש של mg/√Hz  ובהיסט 0.25mg (סדרת A40 הנחשבת סטנדרטית).
הדיוק נחשב ברמת ה- Ultra Low Noise ומאפשר החלפת גי’רויים קיימים סוג RLG או FOG בחוג סגור.
מבדיקות מחמירות שנעשו עולה כי האמינות הנה מאד גבוהה ב- MTBF גבוה. קיימת עמידות קשיחה להלמים ורעידות וטמפרטורת ההפעלה הנה בין -40
ל- +85 (טווחי טמפרטורות האחסון הנם גדולים יותר). רוחב הסרט של הסנסור הנו 500 וניתן לאפיין טווחי מדידת ג’ירו מ- /˚25 ± עד /˚300.
מבחינת הדרישות לסטבליזיציה מדובר ביכולת מרשימה העונה ליישומים השונים למסחר החופשי או לדרישות הצבא. תעשיות בטחוניות שונות משתמשות ברכיבי ה- MEMS Gyro של חברת Gladiator Technologies לפרויקטי רטרופיט לייצוב קני תותח, למערכות מכ”ם, אנטנות ומצלמות המאפשרות תפקוד מול מטרה מתמרנת תוך כדי תנועה. כמו כן, הרכיבים מומלצים גם לתחומי תעשיות הרכב, התעופה והתקשורת האזרחיים.
החברה מייצרת גם רכיבי ניווט אינרציאליים בטכנולוגיית MEMS בעלי מסנן Kalman העוזר בשערוך ערכי המדידה המדויקים, יכולת דגימת GPS לכיול (קיים דגל gps_degr כדי שהרכיב ידע מתי ניתן לדגום את האות מהלווין ומתי להמשיך בניווט עצמי).
משפחת LandMark40 המשווקת כיום הנה בעלת רעש של sec/√Hz בהיסט
/˚10, אולם הביצועים צפויים להשתפר בשנת 2012 לרמה של רעש של
sec/√Hz   בהיסט  1.
משפחת ה LandMark21 הותאמה שתהייה נוחה וקומפקטית במימד של קובייה בעלת צלע של אינץ’ בודד, אולם רמת הביצועים בינוניים יחסית (sec/√Hz.  בהיסט 15), אידאלי אם ניתן יהיה פחות להחמיר בדרישת הפרויקט (במקרים של אפיון יתר).
החברה משיקה גם גרסת IMU אנלוגית (MRM – Motion Reference Module) עקב דרישות רבות מצד לקוחות.
חשוב לציין ששימוש במוצרי החברה אינו דורש End User במקרים של אבלואציה ובחינות, וכל עוד לא מדובר בשימוש הרכיב לנשק השמדה המוני לא נדרשת הצהרה כזו. כמו כן, ממשלת ארה”ב מאפשרת לקנות בדולר סיוע את הרכיבים.
החברה מקפידה ליצור פרוטוקול אחיד כך שלכל המוצרים אותה התוכנה ואותו הממשק (RS485 או USB).
בשוק האירופאי המסחרי השימוש במוצרי ניווט סוג הMEMS  של החברה הנו נפוץ: בצרפת משתמשים ב- Vertical Gyro כדי למדוד את מצב הרכבת ולהטות אותה כנדרש בסיבובים. ב- Gyro משתמשים לייצוב של סירות מירוץ. בבריטניה משתמשים ב Gyro בכדי לזהות אוביקטים אוטומטית ע”י מצלמה. שימוש נפוץ של AHRS הנו לניווט של טייס אוטומטי. כמו כן, הוא משמש גם לגילוי כשלים בצינורות ארוכים מאד. פרחי הטייס בבריטניה מתחקרים טיסות ע”י שימוש ב- Vertical Gyro המחובר לסטיק (גם במערכות סימולציה). עוד שימוש ל – AHRS הנו להתמצאות עבור טנקים, עקב סוג המתכת ממנו מורכב הטנק המצפן אינו שמיש ובמהירויות נמוכות ה- GPS לא עוזר.
בגרמניה משתמשים ב- Gyro לייצוב מכשיר צילום על מל”ט המפקח על הפרות סדר ולהנחיית כטב”מ של מכבי אש המסוגל לשבור חלונות ולחפש אנשים בשטח עירוני.
באיטליה השימוש ב- INS הנו לבחינת מסלולי מירוץ ועם AHRS מייצבים כלי שיט תוך גילוי כיוון הרוח.
גם בישראל השימוש במוצרים אלה גובר ועולה ובנוסף מתחיל להשתלב בתכנוני כלים בלתי מאוישים (UAV, UGV, USV וכלים תת מימיים).
לסיכום, נכון לשנת 2011 טכנולוגיית הניווט האינרציאלי סוג MEMS הנה אידאלית למערכות הדורשות סטבליזציה וניווט בסיסי. הטכנולוגייה מבטיחה מאד ובזכות התקדמות הפיתוח המהירה מדובר בעניין של שנים בודדות עד שביצועי ה MEMS יגיעו לרמה טקטית-אסטרטגית להנחייה מדויקת מאד. היתרונות המרכזיים ברכיבי MEMS לצורכי הניווט והסטבליזציה הם קלות המשקל, בעלי מידות קטנות, דורשים תחזוקה נמוכה וצריכה דלת הספק, חסינים לשיבושים והפרעות, עמידות בתנאי סביבה קשים, הדיוק במגמת עלייה וכמובן היתרון הכי חשוב בשימוש ברכיבי MEMS: הורדת עלויות הפרויקט.