מערכות עדכניות ועתידיות לניווט ואיכון מן החלל

הקדמה

איור 1. מסלולי לווייני הניווט השונים ביחס לכדור הארץ

לאחרונה קיימת התפתחות עצומה ותחרות בינלאומית לפיתוח מערכות לניווט ואיכון מן החלל, לא רק עבור שימוש בכדור הארץ, אלא גם עבור כל מערכת השמש ואף מעבר לזה. ישנן מערכות חדשות עם דיוק ואמינות מירביים אשר חסינות מחסימות והפרעות, במיוחד עבור מטרות צבאיות. בנוסף קיימות מערכות תוך-ביתיות אמינות בעלות דיוק יותר טוב ממטר המסייעות למכבי האש וגם למטרות נוספות.

מערכות הניווט הקיימות הינן מערכות גלובליות המשמשות לא רק לניווט, אלא גם לאיכון. מערכות אלו פועלות באמצעות לוויינים הנמצאים בחלקו העליון של מסלול MEO (Medium Earth Orbit), הנמצא בגובה של כ-20000 קילומטרים מעל פני כדור הארץ, והתקשורת מתבצעת בשימוש של גלי רדיו בתחומי המיקרוגל. חישוב פשוט והצלבת נתונים של 3 לוויינים לפחות מאפשר לקבל מיקום וקואורדינטות על פני כדור הארץ בדיוק של כ-10 מטרים.

מערכת הניווט GPS (Global Positioning System) של ארה”ב מספקת מידע על מיקום וזמן של העצם ׁ(המקלט) בכל מקום בו יש קו ראייה (Line of Sight) בין המקלט ללוויין. תחום הניווט הלווייני פותח במקור למטרות צבאיות בלבד, אך כיום משמש עבור מגוון רחב של מטרות, כגון: ניווט בדרכים, באוויר ובים, עבור תקשורת ואנרגיה, הגנה אזרחית ועוד. החלוצה בתחום הייתה ארה״ב, אשר הפעילה ראשונה את מערכת ה-GPS בשנת 1978 כדי להתגבר על הקשיים במערכות הניווט הקיימות ולשפרן, ועברה לשימוש מלא בה בשנת 1994. אחריה גם רוסיה, האיחוד האירופאי, סין, הודו ויפן התחילו לבנות מערכות לניווט ואיכון באמצאות לוויינים. כיום (נכון ל-09.07.2017) מערך ה-GPS מונה כ-32 לוויינים במסלול כאשר 31 מתוכם פעילים, הם נעים במסלולי MEO שונים בגובה של כ-20200 קילומטרים מעל פני כדור הארץ. מבנה זה יוצר מצב שבו ניתן לראות 5-8 לוויינים בכל נקודה ובכל זמן על כדור הארץ, ולכן הכיסוי גלובלי ומאפשר פעילות מלאה.

איור 2. ה- GPS הדיפרנציאלי

עקרון הפעולה של מערכות לניווט ואיכון מן החלל

הרעיון מאחורי מערכת האיכון והניווט הוא הימצאות המקלט במיקום לא ידוע, והשאיפה לגלות את מיקומו המדויק בסיוע משדרים שמיקומם ידוע מראש. מיקומו של המקלט ומהירותו מתקבלים על ידי אותות המשודרים במשדרים ונקלטים בו, בשיטת הטריאנגולציה. החישוב מגלה את המיקום הנדרש על ידי מרחק המקלט מכל אחת משלוש נקודות לפחות, כאשר מיקומן ידוע, ולאחר איחוד וחיתוך המידע, מתקבל המיקום שלו (או של העצם הנושא את המקלט כאמצעי עזר). לווייני ה-GPS הנ”ל, שמיקומם ידוע, משדרים בתדרים תקניים וקבועים: L₁=1.575GHz, L₂=1.227GHz. הראשון הוא תדר לשימוש אזרחי רגיל והשני עבור כוחות הביטחון והצבא, אשר מוצפן, דורש פיענוח ומקנה דיוק גדול יותר.

החישוב מתבצע באופן הבא: הלוויין שולח לכדור הארץ רצף נתונים בקצב נמוך של 50bps בתדר גל נושא L₁ או L₂. הרצף כולל את מספר הלוויין (בין 1-31), מיקומו באותו הזמן וגם את הזמן המדויק המתקבל משעון אטומי מדויק מאוד אשר מסונכרן עם שאר לווייני ה-GPS בדיוק של 0.6ns. המקלט מחשב את הזמן הנדרש לאות להגיע אליו (Time of Arrival), וכיוון שמהירות האות כמעט שווה למהירות האור, מכפלת הזמן במהירות תניב את המרחק שעבר האות.

איור 3. מערכת ה- WAAS

נדרשות 3 קואורדינטות של המקלט וכן שגיאת השעון שלו, ולכן יש צורך במידע מ-4 לוויינים לפחות, ולפתרון של מערכת משוואות עם 4 נעלמים.

למערכת 3 מרכיבים עיקריים: לוויינים, מקלטים ותת-מערכת הבקרה הנמצאת על פני כדור הארץ ומורכבת מתחנות קרקע השולטות ומפקחות על מסלול הלוויינים, וגם מתקנות אותם לפי הצורך במידה וקיימת שגיאה או סטייה.

GPS דיפרנציאלי עם סיוע מתחנות קבועות

מערכת ה-GPS הדיפרנציאלית משתמשת בתחנות קבועות על הקרקע שמיקומן ידוע, ומהווה ייחוס למקלטים. התחנות מקבלות אותות מהלוויינים ומפענחות את המיקום של עצמן על סמך המידע הזה, אבל כיוון שמיקומן ידוע ממילא – ניתן לחשב את שגיאת הסטייה מהלוויין. לאחר מכן התחנה שולחת את אות התיקון למקלט, כלומר את ההפרש בין הערך הנקוב לערך הנמדד מהלוויין והמקלט מתקן את מיקומו העצמי בהתאם לסטייה זו, ומאפשר להגדיל את דיוק מערכת ה-GPS עד מטר אחד.

איור 4. מודל של הדגם החדש
GLONASS-K2

מערכות לניווט ואיכון מן החלל ברחבי העולם

WAAS – ארה”ב משתמשת במערכת נוספת שמטרתה שיפור ביצועי הדיוק, האמינות והזמינות של מערכת ה-GPS. ה-WAAS (Wide Area Augmentation System), אשר בבסיסה הרעיון של שימוש בתחנות ייחוס קרקעיות בצפון אמריקה והוואי ובהוספת מספר לוויינים גאוסטציונריים (אשר נייחים ביחס לכדור הארץ) עבור מדידת השינויים באותות לווייני ה-GPS בחצי הכדור המערבי. המדידות מנותבות לתחנות בקרה ראשיות הממפות את תיקוני השגיאה ושולחות הודעת תיקון ללווייני ה-WAAS כל 5 שניות, לאחר מכן הם משדרים את האות המתוקן למקלטים הנתמכים ע”י מערכת ה-WAAS.

המערכת מאפשרת דיוק של עד 7.5 מטרים אנכי, ואופק מדויק הרבה יותר – באזורים הקרובים לתחנות הייחוס הדיוק הוא עד מטר בודד. הזמינות והאמינות השתפרו עם מערכת ה-WAAS והיא זמינה 99.999% מן הזמן באזור השירות, כלומר מושבתת רק עד 6 דקות בשנה, כאשר מערכת ה-GPS הרגילה זמינה כ-95% מהזמן ויכולה להיות מושבת עד 4 ימים בשנה.

איור 5. מערכת ה- EGNO

מערכת ה-GPS נמצאת תחת השליטה של ארה״ב, והיא יכולה להוריד את דיוק הניווט כרצונה, לכן מספר מדינות מפתחות מערכות עצמאיות משלהן לניווט באמצעות לוויינים.

GLONASS – רוסיה (ברה”מ לשעבר) פיתחה את מערכת ה-GLONASS (Global Navigation Satellite System). מערכת הניווט הרוסית מורכבת כיום מ-27 לוויינים במסלול, מתוכם 23 פעילים, כולם במסלול MEO ומסודרים

ב-3 מישורי הקפה בגובה של כ-19130 קילומטרים מעל כדור הארץ – נמוכים במקצת מלווייני ה-GPS. מערכת הבקרה ממוקמת בשטחי רוסיה ואורך חיי הלוויינים הראשונים היה 3 שנים בלבד, דבר שגרם להפרעות רבות. בשנת 2002 עקב המצב הכלכלי הקשה ברוסיה, רק 8 לוויינים היו פעילים ולא ניתן היה לספק ניווט גלובאלי, אולם ב2003- הושקה תוכנית GLONASS-M, אשר שידרגה את אורך חיי הלוויינים ל-8 שנים. עד שנת 2008 עלה מספר הלווינים ל-18 ותוכניתGLONASS-K שידרגה את אורך חייהם ל12- שנים. משנת 2011 מערכת ה-GLONASS מכסה את כל שטחה של רוסיה וגם 90% משטח כדור הארץ, עם כ-24 לוויינים. בשנת 2016 שוגרו עוד 2 לוויינים, ועד 2020 רוסיה מתכננת לבנות דור חדש של לווייני ניווט עם עוד 15 לוויינים מסוג M ו-22 לוויינים מסוג K.

איור 6. תחנות הקרקע ) RIMS ( של EGNOS בטכניון
בחיפה: A – תחנה ראשית, B – תחנה משנית לגיבוי.

EGNOS – שירות הניווט האירופאי EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) מיועד לשיפור הדיוק של לווייני ה-GPS (עד כניסת מערכת ה- GALILEO במלואה), כולל משיבים ייעודיים על 3 לווייני GEO המשרתים את אירופה. המערכת תעלה את הדיוק עד פי-10 ממערכת ה-GPS לרמת דיוק של 2 מטרים בלבד, ותהיה פתוחה לשימוש הציבור ללא הגבלה.

נתוני התיקון משודרים על תדר ה-GPS ולא נדרש מקלט נוסף. בכל לוויין יהיה משיב מיוחד המוקדש ל-EGNOS. המידע שמספקת מערכת ה-EGNOS מסייע לשיפור נתונים כגון דיוק, שלמות, המשכיות וזמינות אות המיקום. להשגת מטרות אלו דרושות תחנות קרקע, ועד כה נפרסו כ-44 תחנות ייחוס ברחבי העולם המחוברות ביניהן ויוצרות את רשת הניווט. תחנות אלה מרכזות את נתוני הבקרה ומכינות לשידור מיידי. מתוכן 34 תחנות RIMS, שהן תחנות הקולטות אותות גם מלווייני ה-GPS של ארה״ב, 4 תחנות MCC המעבדות את המידע וסופרות את תיקוני ההפרש, ו-6 תחנות NLES השולחות נתוני דיוק אמינים ומירביים לשלושת המשיבים בלוויינים הגיאוסטציונריים כדי לאפשר להתקני הקצה לקלוט אותם. 3 מתוך תחנות ה-RIMS נמצאות במזרח התיכון: בתורכיה, במצרים ובישראל. התחנה בישראל הוקמה בחיפה והיא פרי יוזמתה של המינהלת הישראלית למו״פ האירופי, ה-ISERD בביצוע של התעשייה האווירית. השקת התחנה נעשתה בטכניון בספטמבר 2016 והיא משמשת למטרות אזרחיות וצבאיות בתחומי התעופה, שייט ימי, רכבות ותחבורה יבשתית.

GALILEO – מערכת ה-GALILEO של האיחוד האירופאי, היא החלופה האירופאית המשוכללת למערכת ה-GPS המבוססת על פרויקט

איור 7. מערכת ה- GALILEO

ה-EGNOS, היא מיועדת במיוחד לשימוש אזרחי ותציע שילוב בין המערכת הרוסית והמערכת של ארה”ב, על מנת להגדיל את הזמינות ולשפר את הדיוק בכל העולם. הלוויינים (30 במספר, 27 פעילים, 3 לגיבויי בנוסף ללווייני ה-GEO) ישדרו בו-זמנית בשני תחומי תדרים הפתוחים לכל המשתמשים, יספקו דיוק של מטר בודד, וינועו ב-3 מסלולי MEO בגובה של כ-23200 קילומטרים מעל פני כדור הארץ. עד כה שוגרו 18 לווייני GALILEO, מתוכם 15 פעילים. עם זאת המערכת המתבססת על הפרויקט עדיין נמצאת בתהליכי ניסוי ובדיקה ועתידה להתחיל לפעול במהלך שנת 2017. קיימות שתי מערכות בקרה קרקעיות באירופה, אשר מסנכרנות ומתקנות את השגיאות ושולחות אות תיקון חזרה ללוויינים.

חידוש נוסף הוא היכולת לבצע חיפוש והצלה גלובליים (Search and Rescue) אשר מבוססים על המערכת המבצעית COSPAS-SARSAT: הלוויינים יצויידו במשדר שיעביר אותות מצוקה מהמקלט שבמצוקה, למרכזי הצלה ועזרה אזוריים, ובמקביל המקלט יקבל הודעה כי מצבו נקלט והעזרה בדרך (Return Link Message). כאן קיים שידרוג במשוב למשתמש מרוב המערכות הקיימות.

איור 8. מקלט GPS מסוג M-CODE המגן מחסימות עוינות

BEIDOU – COMPASS – גם לסין יש מערכת ניווט לוויינית, ה-BEIDOU, שפותחה כדי להימנע מתלות במדינות אחרות ונועדה בשלב הראשוני להעניק שירותי ניווט ומידע גיאוגרפי למדינות מזרח אסיה. המערכת הראשונית פותחה בשנת 2000 ולוותה בשיגור של כ-9 לוויינים. בשנת 2004 החלו הסינים לשתף פעולה בפרויקט ה-GALILEO ושיפרו מהותית את הידע שלהם בנושא. בשלב מאוחר יותר פרשו הסינים מהפרויקט האירופאי מכיוון שהאירופאים לא הסכימו לשגר לווייני GALILEO באמצעות משלחים סינים, ובשנת 2007 הרחיבו את המערכת המקוריתBEIDOU למערכת משוכללת יותר אשר תוכל להתחרות ב-GPS וב-GALILEO. הסינים החליפו את שם המערכת העתידית ל-.COMPASS

הדור הבא של המערכת הסינית יכסה את כלל כדור הארץ עם 35 לוויינים: 5 לווייני , 3 לוויינים גיאוסינכרוניים עם זווית נטייה ביחס לקו המשווה – כך שגם אזורי הקטבים יקבלו כסוי מלא, והשאר לווייני MEO בגובה של כ21500- קילומטרים. כיום נמצאים רק כ-20 לוויינים במסלול ומערכת הניווט פועלת בצורה חלקית בלבד.

IRNSS – ההודים הצטרפו למשחק בשנת 2006, אז אישרה ממשלת הודו תוכנית לפיתוח מערכת ניווט לוויינית אזורית. המערכת, שנכנסה לשימוש באפריל 2006, פעילה רק בשטח הודו ועד

איור 9. הדמיית מערכת האיכון
עבור הכבאים

כ-1500 קילומטרים מחוץ לגבולותיה. היא כוללת כ-7 לוויינים ותחנות קרקע המרוכזות בהודו. 3 לוויינים הוצבו במסלול GEO מעל המזרח הרחוק בגובה של כ-36000 קילומטרים ושאר הלוויינים הוצבו במסלול גיאוסינכרוני עם זווית נטייה של כ-29 מעלות ביחס לקו המשווה. מאחר וכל הלוויינים הוצבו במסלול GEO, תהיה אפשרות לקשר רציף בינם לבין התחנות הקרקעיות.

יתרון נוסף למערכת ההודית הוא בכמות הלוויינים המועטה בחלל לצורך הניווט. האותות במערכת ישודרו בתדרי S-BAND ו-L-BANDבתחום של 1GHz-4GHz ואינם מושפעים ממזג האוויר אפילו בתנאי גשם חזק. המערכת פועלת עבור שירות אזרחי בדיוק של 10 עד 20 מטרים ובאמצעות אותות מוצפנים עבור שירותים צבאיים בדיוק טוב יותר, ובנוסף תשמש גם לבקרת טילים בסביבת הודו.

QZSS – יפן מפתחת את מערכת ה-QZSS העתידית, שתמנה רק 4 לוויינים אזוריים במסלולי GEO עם זווית נטייה כך שחלק ניכר מהזמן יחוגו מעל ליפן ויספקו שירותי מיקום כהרחבה של שירותי ה-GPS. הלוויין הראשון של המערכת שוגר בשנת 2010, אך בניית הלוויינים האחרים התעכבה. בשנת 2013 נחתם חוזה עם חברת מיצובישי אלקטריק להרחבת המערכת ל-4 לוויינים. השקת המערכת צפויה להתקיים עד סוף שנת 2017, כשתחנות הפיקוח ימוקמו ביפן וברחבי המזרח הרחוק. המערכת תוכל לשמש גם ליישומים ניידים כדי לספק שירותים מבוססי תקשורת כגון וידאו, אודיו ונתונים. החסרון של המערכת הוא בדיוק שלה, אשר יהיה מוגבל כשתעבוד במצב עצמאי, לכן המערכת תהיה תלויה בלווייני ה-GPS ונתפסת כשירות הרחבה בלבד.

מערכות GPS צבאיות המוגנות מחסימות והפרעות

(GPS Receivers Resist Jammers)

מקלטי GPS המוגנים מאותות חוסמים ומשבשים הינם מקלטים חדשים שפותחו עבור חיל האוויר האמריקאי,הם עמידים בפני הפרעות וחסימות עוינות.

לוויני ה-GPS מספקים מידע לגבי מיקום מדויק עבור משתמשים רבים, כולל חיל האוויר של ארה”ב. טייסי קרב ואחרים תלויים בדיוק ובאמינות של מידע זה, לכן כדי להבטיח ביצועים משופרים במערכות ה-GPS שלהם, חברת Rockwell Collins פיתחה ויצרה מקלטי GPS מיוחדים של קוד צבאי 770 (M-Code) עבור מרכז מערכות החלל והטילים של , עם חומרה המיועדת למטוסי הדור החמישי. המקלטים המתקדמים ביותר נועדו לספק עמידות גבוהה לאותות שיבוש וחסימות של ה-GPS.

מהמטוסים המתקדמים של הדור החמישי ליישומים קרקעיים וימיים, טכנולוגיה זו עונה על הצרכים של הלוחמים לניווט GPS אמין ומאובטח, ולהגברת מודעות במצבים שונים. המקלטים החדשים חסיני חסימות מדגימים התקדמות גדולה בטכנולוגיה הצבאית.

מערכות M-CODE נועדו לספק ביצועי GPS משופרים מאוד עבור משתמשים צבאיים, ובמקביל לבצע שיתוף עם מקלטי GPS אזרחיים ו/או מקלטי GPS צבאיים קיימים. מקלטי M-CODE ניתנים ליישום על פלטפורמה חדשה בעלי פעולה אוטונומית. כלומר, המשתמש יכול לחשב את המיקום על ידי השוואת אותות ה-M-CODE מול האותות הקיימים, ולבחור את הטוב ביותר.

תחום הנווט והאיכון התוך ביתי

(Indoor Positioning System) הינה טכנולוגיית הניווט הביתי (בתוך מבנים) השונה מאוד מהמקבילה החיצונית שלה, ה-GPS: עקב הפרעה של גגות, קירות, ומבנים מבטון החוסמים את אות הלוויין, נוצר מצב של הנחתה ופיזור של האות והוא לא חודר מספיק פנימה לתוך המבנה כדי להפעיל את מקלט הניווט והאיכון כנדרש. אם לא די בכך, האות עבר כבר כ-20200 קילומטרים והוא צריך לעבור גם דרך גגות וקירות. לכן, בדרך כלל, אינו פועל Indoors , ובמידה וכן (תיאורטית), ה-GPS לא יוכל לדעת באיזו קומה בתוך המבנה נמצא המקלט. לכן, יש כאן צורך בטכנולוגיה שונה. אין סטנדרט אחיד ולכן ישנם מספר שיטות מיוחדות בהן שימוש בגלי רדיו, אולטראסאונד ואפילו אינפרא אדום למטרות הניווט הביתי. בנוסף, נעשה שימוש במידע מחיישני הטלפון הסלולרי כמו חיישני לחץ המספקים גובה, ג’ירוסקופים המספקים מידע באיזה כיוון עומד המשתמש, ו-Accelerometers הסופרים צעדים. שיטת האולטראסאונד משתמשת בגלי הקול, המפוענחים על ידי מיקרופון הממוקם בחדר נתון, אך הגלים הקצרים והקירות מגבילים את הניווט לחדר הספציפי בלבד.

ניתן לשפר את הרגישות של המיקרופון ולחלק אזורים לתתי-אזורים על מנת לשפר את הביצועים. במערכות של גלי רדיו נעשה שימוש ב-Wi-Fi וב-WLAN – שיטות זולות וזמינות, הן בבתים והן בעסקים ובמקומות ציבוריים. שטח הכיסוי שלהן גדול יחסית ונדרשת רק תוכנה על מנת ליישם את הניווט .Indoors חוקרים ב-MIT גילו דרך להשתמש במכשירי Wi-Fi כדי לגלות אחד את השני בתוך המבנים. הטכנולוגיה נקראת CHRONOS והיא מאפשרת למכשירים להשוות אותות רדיו בתחום Multiwideband : משדר ומקלט מבצעים סימולטנית קפיצות בתדר בטווח שבין 35 תדרי ה-Wi-Fi (בין 2.4GHz-5.8GHz). בכל תדר הקצב של האות הצובר פאזה משתנה, המשדר מדלג כל 2-3 שניות, והמקלט משווה בין הפרשי הפאזה בכל שלב, כך שה-CHRONOS יכולה לחשב את זמן הגעת האות, ולמצוא את המרחקים בדיוק רב. במידה וקיימת יותר מאנטנה אחת, ניתן לחשב גם את הזווית ביניהם ולאתר אותם במרחב. בניסויים שנערכו התקבל דיוק של 65 סנטימטרים בתוך המבנה, אך קיימת מגבלה: כל מכשיר חייב לעבור כיול מרחק חד פעמי. היעד הבא הוא שיפור הרזולוציה, בניית גבולות וירטואליים ושימוש במספר חיישנים לקבלת דיוק מירבי. החשיבות של מערכות ניווט Indoors להצלת חיים וצרכים אחרים גדולה מאוד במיוחד עבור מכבי אש ולוחמה באזורים בנויים ובמנהרות. המחקר וההשקעות בתחום הזה גדלים במהירות, כמו במקרה של פיתוח מערכת ניווט חדשה עבור כבאים. מערכת זו נועדה לאיתור בני אדם בתוך בניינים בוערים שהכבאים לא היו בהם קודם ולא הכירו אותם, וכן לאתר את עצמם ולמצוא את כיוון היציאה לאחר שכבר נכנסו לבניין.

אבל זה רק חלק מהבעיה: יש צורך במיפוי כל הבניינים באופן מדויק על מנת שהמידע יהיה שמיש. בעיה נוספת היא העובדה כי ציוד ה-Wi-Fi יכול להישרף. הפתרון הוא מערכת שפותחה על ידי מכבי האש בארה״ב ה-GLANSER

(Geospatial Location Accountability and Navigation System for Emergency Responders). המערכת כוללת יחידה לבישה המתחברת לציוד הנשימה של כל כבאי, כשבכל יחידה יהיה IMU המשתמש בג’ירוסקופ, Accelerometers העוקבים אחר התנועה בשלושה ממדים, ומקלט GPS. בנוסף המערכת כוללת מכ”מ דופלר לתיקון המהירות, חיישן לחץ לשינויים בגובה ורדיו למדידת המרחק לתחנת הבסיס וליחידות סמוכות אחרות. רשת הרדיו משדרת פולסים קצרים בשביל להתגבר על בעיית ה-.Multipath האלגוריתם בתוך כל יחידה משתמש ב-Kalman Filters ומאגד את כל נתוני הכניסה על מנת לבצע חיזוי מדויק מאוד של מיקום היחידה. ניתן לעבוד בצורת Mesh Network, כאשר עד כ 11- יחידות ברשת יכולות לתקשר עם תחנת הבסיס ועם עצמן. צורת עבודה זו מאפשרת ליחידות לשתף מידע ולחלוק נתוני המיקום שלהן לטובת שיפור הדיוק.

איור 10 . מערכת עתידית לניווט ואיכון במערכת השמש

מלבד הציוד הלביש, המערכת כוללת 3 משדרי רדיו חיצוניים, יש צורך להקימם בכל הגעה לזירת האירוע. הפתרון היעיל הוא להציבם בתוך סולמות ומכוניות מכבי האש. המשדרים מחוברים ביניהם באופן אלחוטי, וגם לתחנת הבסיס, שתשמש כמקור לשעון אטומי של המערכת ותאתר את מיקומה ואת המשדרים על ידי אות GPS חיצוני (כי כולם ממוקמים בחוץ), וכך תיתן נקודת ייחוס טובה מההתחלה, כלומר המיקום הראשוני בכניסה למבנה. המשדרים יעבירו את האותות מהיחידות הלבישות לתחנת הבסיס, אשר תקבע את הטווח בו היחידות נמצאות על ידי תזמון הגעת האותות (ומידע מהחיישנים האחרים), ותחשב את מיקומן התלת-מימדי על ידי גיאומטריה פשוטה של טריאנגולציה. המידע יעבור בזמן אמת באופן אלחוטי למחשב המפקד, עליו יהיו טעונות המפות של המיקום, וכך הוא יוכל לשלוט על המתרחש, להכתיב נתיב מילוט, לכוון את הצוות שלו ולראות איפה כל אחד נמצא בייחס לאחר.

במהלך הבדיקות, השימוש במערכת הראה יתרון על השיטות הקודמות: הכבאים הצליחו לנווט בצורה יעילה ומהירה, בלי לעשות ולו פנייה שגוייה אחת, להציל את כל בני האדם שהיו בסכנה ולהשלים את כל המשימה בזמן שיא של 6 דקות בלבד, לעומת 30 דקות בשיטה הישנה יותר.

החסרון הבולט היחיד של השיטה הוא עלותה הגבוה, העומדת על כ2000-3000- דולר ליחידה. היתרון שלה הוא היכולת לקבל דיוק מירבי של מטר בודד ואמינות של 100%.

ניווט ואיכון במערכת השמש ובחלל הרחוק

בני האדם השתמשו באור הכוכבים על מנת להנחות אותם למצוא את כיוון היעד, אולם לאחרונה עובדים על הרעיון של שימוש באותות X-Ray של כוכבים ״מתים״ אשר ינחו אותנו במסעות העתידיים בחלליות לירח, לכוכבי הלכת ומחוץ למערכת השמש. צוות של NASA פיתח לאחרונה מערכת אשר יכולה לשמש כ-GPS בין-כוכבי, והיא עתידה בקרוב להיות מותקנת על תחנת החלל הבינלאומית (ISS) לניסוי. כיום הניווט על פני כדור הארץ ובחלל הקרוב מסביב מסתמך על רשת תקשורת ותחנות מעקב הנמצאות על כדור הארץ עצמו, כאשר החלליות והלוויינים משוגרים לחלל, תחנת הקרקע משדרת גלי רדיו לכיוונם, ולאחר שהגלים חוזרים מבוצע חישוב של הזמן הלוך וחזור והיסט דופלר של הגל, כך צוות הקרקע מגלה את מיקום החלליות, הלוויינים ומיקום מכשירי הניווט על פני כדור הארץ. אבל ככל שהחללית מתרחקת מכדור הארץ, כך השיטה הופכת ללא מדויקת ולא יעילה עקב המרחק הרב.

המערכת החדשה מתבססת על Pulsars – כוכבי ניטרון מיוחדים אשר באופן טכני נחשבים ״מתים״, אך עדיין מסתובבים ופולטים אלומה חזקה של קרינה אלקטרומגנטית. כתוצאה מהסיבוב, הקרינה הנראית על כדור הארץ דומה לאור אשר זוהר ודועך וחוזר חלילה. הפולסים הללו יוצרים מרווחי זמן מדויקים ויציבים של מילישניות עד שניות בודדות (msec to sec), בדומה לדוגמת השעון האטומי בלווייני GPS, ויכולים לשמש לניווט בדיוק גבוה.

הדרך הקלה ביותר להבין את רעיון ה-Pulsar היא להשוות אותו ל-GPS של ארה״ב, לציוד על הקרקע. הלוויינים מעבירים הן את מיקומם והן זמן מדויק, המקלט משתמש במידע זה ובחישוב עם מהירות האור מגלה את המרחק שלו מהלוויין.

במקום שימוש בגלי רדיו על החללית יהיה מקלטXNAV, המסוגל לקלוט גלי X-Ray מכוכבים מרובים באמצעות טלסקופים לקרינת X ולקבוע את מיקומו בהתאם למידע זה. המקלט יקלוט פוטוני X-Ray מהאור הזוהר והדועך של ה-Pulsars, ויחשב ״עקומת אור״ עבור 4 כוכבים או יותר, כאשר ה-Peak בכל עקומה יהיה מתוייג עם זמן מדויק. זמן זה יהיה שונה בכל נקודה במערכת השמש, כלומר זמן קצר יותר לכוכבים קרובים וארוך יותר עבור כוכבים רחוקים, מנתונים אלו החללית תוכל לחשב את מיקומה התלת ממדי בחלל.

בשביל לבדוק את המערכת, NASA הקימה מעבדה “Pulsar-on-table” הכוללת ציוד של חומרה ותוכנה, מקור לגלי X-Ray וגלאי מובנה. במקום לבצע סימולציה למדידות בלבד, הציוד יוצר בעצם את המדידות עצמן. הבדיקות הראו כי הדיוק המתקבל הוא ברמה של קילומטר אחד, אבל המטרה היא לרדת לשגיאה מירבית של מאות מטרים בודדים בחלל ומחוץ להשפעת כדור הארץ. הצוות של NASA רוצה לבדוק במיוחד את המסלול של תחנת החלל הבינלאומית ISS ובמהלך שנת 2017 ציוד ה-X-Ray עתיד להיות מותקן שם.

איור Pulsating Star .11

סיכום ותחזיות לעתיד

מספר מדינות בעולם שואפות ליצירת מערכת ניווט עצמאית באמצעות לוויינים למטרות שונות: צבאיות, הגנה ואזרחיות. המערכת השולטת בעולם היא ה-GPS ורוב העולם, כולל ישראל, תלוי בארה״ב לשימוש בניווט הלווייני. היום פועל הדור השני של לווייני ה-GPS, כאשר בעתיד, עד שנת 2020, צפויות מערכות הניווט להשתפר ולהגיע לדיוק מירבי של מטר בודד. כבר היום קיים תכנון לדור השלישי של

מערכת ה-GPS, ובשנת 2018 ישוגר הלוויין הראשון מסדרה זו על ידי חברת Lockheed Martin.

מערכת ה-GPS של ארה״ב בדור השלישי תוכל להעניק דיוק של כמטר ולתת עלומה כיוונית להגנה מפני חסימות. בנוסף היא תציע קשר רדיו בין לווייני ה-GPS, מחזירי LASER למדידת מרחקים, ותת מערכת לחיפוש והצלה , במיוחד עבור מטרות צבאיות. המערכת צפויה להיות פעילה גלובלית עד שנת 2020.

מערכת ה-GLONASS הרוסית פחות משוכללת וכמעט גלובלית במסגרת תוכנית ה-GLONASS-K. בשתי המערכות הללו קיימות תת מערכות צבאיות משוכללות ומדויקות יותר מאשר אזרחיות.

מערכת ה-GALILEO האירופית איננה פעילה במלואה עדיין וכוללת רק 11 לווייני MEO פעילים )מתוך 30 מתוכננים) ומספר לווייני GEO. מערכת ה-GALILEO של האיחוד האירופאי תשתף פעולה עם המערכת של ארה”ב עבור מטרות אזרחיות בלבד, ותאפשר שרות עולמי אמין עבור דיוק עתידי של כמטר אחד.

מערכת ה-COMPASS , הדור השני של מערכת ה-BEIDOU הסינית, התפתחה מאוד וכוללת כ 15- לווייני ניווט פעילים במסלול MEO (מתוך כ- 30 מתוכננים) בתוספת לוויני GEO וגיאוסינכרוניים עם זוית הטייה ביחס לקו המשווה המסוגלים לתת שרות אזורי במזרח הרחוק ולכל העולם למטרות אזרחיות, ושרות מדויק ביותר למטרות צבאיות. בנוסף היא תעניק אמינות ודיוק רב יותר של עד כ 10- סנטימטרים לפי פירסומים סיניים.

המערכת ההודית מורכבת מ-7 לווייני GEO וגיאוסינכרוניים בעלי זווית נטייה של 29 מעלות, וכוללת ערוצים אזרחיים וצבאיים מדויקים יותר. ה-IRNSS ההודית כבר הוקמה והיא אזורית בלבד אבל עצמאית למטרות אזרחיות וגם צבאיות.

המערכת היפנית תהיה אזורית עבור מספר מדינות במזרח הרחוק ותהיה פעילה לקראת 2018. היא תורכב מ-4 לוויינים במסלול GEO, תמנה רק ערוצים אזרחיים ותשתמש בשירותי ה-GPS של ארה״ב.

ישראל בגלל מצבה הגיאו-פוליטי קשורה למערכת ה-GPS, אך פעילה בפרויקטים לפיתוח ה-GALILEO, וגם בעלת תחנת קרקע של EGNOS הממוקמת בטכניון בחיפה, אשר נועדה לשפר את המיקום במקלטי ה-GPS בשטח המדינה. בנוסף פיתחה ישראל אפליקציה לניווט לווייני באמצעות ה-GPS, Waze – שהופעלה לראשונה בארץ בלבד, ומאז שימושית בכל מקום בעולם, ולבסוף נרכשה על ידי .GOOGLE

ארה”ב באמצאות חברת Rockwell Collins פיתחה מערכת M CODE עבור מקלטי GPS של כוחות ההגנה, מקלטים אלו אמינים ועמידים בפני חסימות עוינות בעיקר וחסינים להפרעות רדיו.

העוסקים בתחום הניווט הלווייני אופטימיים ומקווים שיהיה תיאום בין המערכות השונות של הניווט הלווייני, כך שכל משתמש בעולם יוכל להנות ממערכת מאוד אמינה ומדויקת, שתכיל גם פונקציות לחיפוש והצלת נפשות ולמזעור נזקי טבע.

יתרה מזאת, צפויות להיכנס לשימוש מערכותIndoor GPS אשר יעזרו לנווט בתוך מבנים, למכבי אש, למשל, המחפשים עבור ניצולים, בנוסף תכלול יכולות להתמצאות במגוון שטחים סגורים כגון שדות תעופה, מוזיאונים, קניונים, קמפוסים וכיוצא באלה.

לאחרונה NASA החלה בתכנון ראשוני של מערכת ניווט בין-כוכבי עבור חלליות ולוויינים סביב כוכבי לכת אחרים. המערכת תהיה מבוססת על קליטת פולסים בקרינת X מכוכבים “מתים” במיקום ידוע, במקום אותות מיקרוגל מלווייני ניווט קיימים. מקלטי המיקרוגל של ה-GPS ומערכות אחרות יוחלפו לגלאי קרינת X בחלליות ובלוויינים, ודיוק המיקום הצפוי יהיה טוב יותר מקילומטר. מערכת ניסויית ראשונה צפוייה להיות מורכבת בתחנת החלל הבינלאומית ב-2017 והיא תוכל להביא תועלת בחקר החלל בעתיד הרחוק יותר.

ביבליוגרפיה

1.ד”ר יעקב גוון, “לוויינים קשר התקשורת”, עיתון מדע של מכון וויצמן, ספטמבר 1984.