מהנדסים רבים בגיל מסוים עשויים לזכור לטובה את תמונות הטלוויזיה הטרנסאטלנטיות הראשונות, שנשלחו דרך הלוויין Telstar. התמונות המגורענות הראשונות שהועברו לפני 60 שנה בדיוק, ביולי 1962, נראות מיושנות מאוד בהשוואה לתקני השידור של ימינו. הלוויין Telstar ולווייני התקשורת שבאו אחריו סיפקו דחיפה משמעותית לתחום תקשורת החלל. כדור הארץ מוקף כיום באלפי לוויינים, המבצעים מגוון רחב של משימות – החל מחישה מרחוק של פעילות געשית ועד אספקת שירותי אינטרנט, שיחות טלפון בינלאומיות, חיזוי מזג אוויר ורשתות נתונים פרטיות.
מאמר קצר זה עוסק במערכות תקשורת בחלל, סוקר יישומים טיפוסיים מסוימים ומציג ציוד בעלות נמוכה שתוכל לנסות כדי לתקשר עם השמיים.
תקשורת חלל – מ-Telstar ועד CubeSat
הסופר עטור הפרסים ארתור סי קלארק מצוטט לעיתים קרובות כממציא הרעיון של שימוש בלוויינים מלאכותיים הממוקמים במסלולים גיאוסטציונריים סביב כדור הארץ לממסור אותות אלחוטיים. הצעתו באוקטובר 1945 היוותה את הבסיס למחקר ולפיתוח משמעותיים, שנערכו במהלך שנות החמישים ובתחילת שנות השישים בנושא הצבת לוויינים פעילים מעל כדור הארץ. בתקופה זו, הרחבת רשתות התקשורת הגלובליות באמצעות תקשורת גלים קצרים בתדר גבוה, שלעיתים קרובות אינה אמינה, הגיעה למגבלות תפוקת הנתונים. תקשורת רדיו בגלים קצרים תלויה בהתפשטות יונוספרית, המשתנה באופן משמעותי בהתאם לשעת היום וחשופה לשיבושים עקב סופות שמש. ממסור תקשורת מיקרוגל באמצעות לוויינים פתר אתגרים אלה. פעילות המחקר והפיתוח של לוויינים הולידה מחקרים נוספים, שהרחיבו את תקשורת המיקרוגל ואת התכן של אנטנת צלחת כיוונית ביותר. שישים שנה לאחר מכן, אלפי לוויינים המקיפים את כדור הארץ מספקים שירותי אינטרנט, טלפוניה, טלוויזיה, אינטרנט של הדברים / אינטרנט תעשייתי של הדברים (IoT/IIoT), ניווט, חישה מרחוק ותקשורת צבאית. קבוצות לוויינים, המכונות מערכים, מציעות גישה לשירותים חיוניים כמו איכון גלובלי. מתקני שיגור פרטיים וממשלתיים מסייעים כיום לשיגור שוטף לחלל של לוויינים בגודל של קובייה הונגרית כפולה בלבד, המכונים CubeSats.
פתיחת הגישה לתקשורת חלל לכול
בניגוד לשנים המעצבות של תקשורת הלוויינים, פיתוח לוויין והצבתו במסלול סביב כדור הארץ פחות יקרים ומסובכים כיום. מוסדות חינוך על-יסודיים, מכללות ואוניברסיטאות יכולים להשתתף כיום ביצירה של CubeSat ולהשתמש בשירותי שיגור המסופקים על ידי NASA וארגונים מסחריים אחרים לחקר החלל המופיעים לאחרונה. כדי להגדיר טוב יותר את השימוש הגובר במהירות בלוויינים קטנים, חברת פיתוח הלוויינים האירופית Alen Space שיתפה פעולה עם מוסדות חלל מובילים כדי לסווג אותם. לוויין CubeSat בגודל 10 × 10 × 10 ס”מ, שמשקלו אינו עולה על 1.3 ק”ג, מגדיר סטנדרט של ננו-לוויין 1U.
לפי מסד הנתונים Nanosats, ארגון פרטי לחקר החלל, הצמיחה במספר הננו-לוויינים של חברות ומוסדות אקדמיים עולה בהרבה על זו של סוכנויות חלל במימון ממשלתי (איור 1).
איור 1: שיגורים (בפועל וצפויים) של ננו-לוויינים בין השנים 1998 ל-2027 לפי סוג הארגון. (מקור: אריק קולו, מסד הנתונים של Nanosats, www.nanosats.eu)
התפלגות הגדלים של הננו-לוויינים ששוגרו אחידה למדי (איור 2), וניתן להבחין גם בסיווג חדש – פיקו-לוויין, שמשקלו נע בין 0.1 ל-1 ק”ג.
איור 2: שיגורים (בפועל וצפויים) של ננו-לוויינים בין השנים 1998 ל-2027 לפי סוג הננו-לוויין. (מקור: אריק קולו, מסד הנתונים של Nanosats, www.nanosats.eu)
לוויינים מוצבים בדרך כלל באחד משלושת המסלולים של לוויינים סביב כדור הארץ: גיאוסטציונרי (GEO), בינוני (MEO) או נמוך (LEO).
- לוויין GEO, החג בגובה של כ-36,000 ק”מ מכדור הארץ, נראה כאילו הוא נשאר במקומו למרות שהוא מסתובב עם כדור הארץ. מסלול זה מציע תקשורת רציפה לאנטנות המותאמות לטווח של הלוויין.
- לווייני MEO ו-LEO קרובים בהרבה לכדור הארץ, לרוב 2,000 עד 30,000 ק”מ (MEO) ו-160 עד 2,000 ק”מ (LEO), ואינם גיאוסטציונריים.
דרך נוספת להכניס לוויינים למסלולים בגובה רב (עד 130 ק”מ), הסמוכים לכדור הארץ, היא שיגור ניסיוני מבלונים. גישה זו מציעה תהליך שעלותו פחותה מזו של שיגור רקטות. הנציבות האירופית גם מימנה מחקר להערכת פלטפורמה המשוגרת מבלון כדי לספק דרך קלה ונוחה יותר להצבת ננו-לוויינים במסלול נמוך סביב כדור הארץ.
צעדים ראשונים בתקשורת חלל
מהנדסים ויזמים יכולים לחקור תקשורת חלל ולוויינים ולהשתמש בה בדרכים רבות. אלו השוקלים לפתח קריירה בתחום זה עשויים להצטרף לתוכנית אוניברסיטאית, כמו אלו המופעלות על ידי אוניברסיטת Warwick או על ידי מרכז החלל של אוניברסיטת Surrey. תיכון ותפעול של לוויינים מחייבים תמהיל רחב של מיומנויות, הכולל מגוון של התמחויות הנע בין הנדסת RF לאסטרודינמיקה. באוגוסט 2022, הפעילה סוכנות החלל האירופית (ESA) את בית ספר הקיץ הראשון שלה לסטודנטים באוניברסיטה שאין להם מעורבות קודמת בתחום הלוויינים – ESA Academy CubeSat.
כדי לספק מענה לצורך של ארגונים מסחריים זריזים להפעיל תחנות קרקע לווייניות ולתאם באופן גלובלי תקשורת חלל עמוק, ניתן להבחין גם בהתפתחות של מרכזי מצוינות לתקשורת חלל. דוגמה לכך היא Goonhilly Earth Station – האתר האירופי שקלט את תמונות הטלוויזיה הראשונות ששודרו מהלוויין Telstar.
חומרת רדיו המוגדרת על ידי תוכנה (SDR) ותוכנת קוד פתוח כמו SDR Console ו-GNU Radio, הזמינות בנקל, מאפשרות להתנסות באופן בסיסי יותר בתקשורת חלל בקלות יחסית. דוגמאות לקהילת קוד פתוח כוללות את MyriadRF, המשלבת משאבי חומרה ותוכנה ומציעה פרויקטים מתועדים היטב. MyriadRF שואפת לבנות קהילה, שהחברים בה משתפים פעולה כדי להנגיש חדשנות אלחוטית למספר רב ככל היותר של אנשים.
יזמים, המשתמשים ביישומי SDR פשוטים, כוללים אסטרונומי רדיו וחובבי רדיו. הקהילה העולמית של חובבי לוויני הרדיו, AMSAT, שיגרה את הלוויין הראשון שלה (OSCAR) בשנת 1961. מאז, שיגרה AMSAT מעל שישים לוויינים, שמתוכם עשרים פעילים כיום. כשמשתמשים במקלט SDR ובאנטנת יאגי או צלחת בעלת שבח גבוה, ניתן לקלוט אותות מטרנספונדרי הממסור הלווייניים QO-100 של AMSAT. הקהילה התקינה את ציוד התקשורת QO-100 בלוויין הגיאוסטציונרי Es’hail 2 ששוגר בשנת 2018.
מקלטי SDR הם דרך נוחה וזולה לחקור מגוון רחב של נושאים בתחום הרדיו אסטרונומיה – החל משינויים בקו המימן, דרך חריגות מגנטיות וכלה בחיפוש סימני חיים מחוץ לכדור הארץ.
סקירת מוצרי RF
ניתן להתנסות במקלט SDR לווייני באמצעות אחד ממודולי ה-SDR הזולים והמוכנים לשימוש כמו ADALM-PLUTO של Analog Devices ואחד מלוחות ההערכה מסדרה LimeSDR.
LimeSDR של Lime Microsystems
שני לוחות ההערכה מסדרה LimeSDR, LimeSDR ו-LimeSDR Mini (איור 3), מצוידים במעגל המשולב LM7002M של Lime Microsystems – מקמ”ש RF הניתן לתכנות בשטח.
איור 3: לוחות ההערכה ל-RF LimeSDR (משמאל) ו-LimeSDR Mini (מימין) למקמ”ש ה-RF LMS7002M של Lime Microsystems. (מקור: Lime Microsystems)
מקמ”ש LM7002M, המסוגל לפעול ברציפות בין 100kHz ל-3.8GHz, כולל נתיבי מקמ”ש כפולים, מסוגל לבצע פעולות דופלקס מלא ודופלקס בחלוקת זמן ותומך ברוחב פס ניתן לתכנות של 160MHz באפנון RF. הלוחות מתאימים להכנת אב טיפוס למגוון רחב של יישומי רדיו מוגדרי תוכנה – החל מרשתות IoT ומכונה למכונה (M2M), דרך תקשורת רדיו המבוססת על תאים סלולאריים קטנים וכלה בקליטת תמונות לוויין של מזג אוויר. דוגמאות אחרות למקרי שימוש הן רדיו אסטרונומיה, הזרמת מדיה ומערכות פיקוד לרחפנים.
הלוחות מצוידים גם ב-Intel Altera Cyclone IV FPGA, ב-256MB של DDR2 SDRAM ובמתנד Rakon RPT7050. הספק המוצא של ה-RF מגיע עד +10dBm, והלוחות כוללים שישה ערוצי מקלט וארבעה נתיבי משדר (שניים ל-LimeSDR Mini). איור 4 מציג את הארכיטקטורה הפונקציונאלית הכללית של המעגל המשולב של מקמ”ש ה-FPRF LMS7002M.
איור 4: תרשים הבלוקים הפונקציונאליים של מקמ”ש ה-FPRF LMS7002M של Lime Microsystems. (מקור: Lime Microsystems)
תוכנות קוד פתוח פופולאריות ל-SDR, כגון SDR Console, GNU-Radio, SoapySDR, UHD ו-Pothos, תומכות באופן מלא בלוחות ההערכה של LimeSDR. תוכל לגשת לדוגמאות פרויקטים ב-MyriadRF. אתר הקהילה של Lime Microsystems מתמקד גם בפרויקטים כמו MarconiISSta. פרויקט זה מובל על ידי ה-Technische Universität Berlin הגרמנית, ונתמך על ידי ESA ועל ידי המרכז הגרמני לתעופה וחלל (DLR). לוח LimeSDR בתחנת החלל הבינלאומית ממפה את ספקטרום הרדיו העולמי כדי לעקוב אחר הפרעות, ולעודד שיתוף פעולה טוב יותר של הספקטרום.
ADALM-PLUTO של Analog Devices
ההתקן האנלוגי מבוסס ה-USB ADALM-PLUTO הוא מודול SDR מלא ופלטפורמת לימוד להנדסת RF. הוא מספק נתיב קליטה יחיד ונתיב שידור יחיד, ומסוגל לפעול בחצי דופלקס או בדופלקס מלא. טווח ה-RF הרציף נע בין 325MHz ל-3.8GHz, ברוחב פס מיידי מרבי של 20MHz. התקן זה הוא פלטפורמה חסכונית ליצירת אב טיפוס RF, שניתן לשלב בפרויקט נרחב יותר או להשתמש בה באופן עצמאי בסביבת בדיקות מעבדה ומדידה. ADALM-PLUTO (איור 5) כולל מעגל משולב ביותר של מקמ”ש RF (AD9363 של Analog Devices) ו-Xilinx Zynq Z7010 FPGA.
איור 5: מודול ADALM-PLUTO של Analog Devices ללמידה פעילה של SDR. (מקור: Analog Devices)
נוסף להנאה מתמיכה מקיפה בתוכנת קוד פתוח של SDR, ניתן לגשת ל-ADALM-PLUTO גם באמצעות שפת התכנות MathWorks MATLAB ובאמצעות תוכנת ההדמיה Simulink. כלים הנדסיים אלה מרחיבים את אפשרויות השימוש ב-ADALM-PLUTO למקרים של ניתוח, מחקר ותיכון מבוסס מודלים.
המעגל המשולב והגמיש AD9363 של מקמ”ש ה-RF מבית Analog Devices מתאים למגוון רחב של יישומי סלולאר, סטרימינג אלחוטי, תקשורת לוויינים ורדיו חובבים. הוא כולל שישה נתיבי מקלט דיפרנציאלי (או שתים עשרה יציאות בעלות קצה יחיד) וארבע יציאות של משדר דיפרנציאלי (איור 6). לולאות נעולות פאזה (PLLs) המשולבות במלואן מבצעות סינתזה של תדר שבר N לערוצי הקליטה והשידור. הספק השידור המרבי הוא +7dBm עד +8dBm בהתאם לתדר המשדר.
איור 6: תרשים הבלוקים הפונקציונאליים של המעגל המשולב והגמיש AD9363 של מקמ”ש ה-RF מבית Analog Devices במודול ה-SDR ADALM-PLUTO. (מקור: Analog Devices)
לוח ההערכה למגברים EV1HMC8413 של Analog Devices משלים את המודול ADALM-PLUTO. לוח זה מספק פלטפורמת הערכה למעגל המשולב של מגבר ה-RF בעל הפס הרחב HMC8413 (איור 7). המגבר מספק שבח של +19dBm בטווח של 10MHz עד 7GHz. יישומים אופייניים כוללים הגברת היציאה של מעגל משולב של מתנד מקומי במעגל של ערבל, או הגברת הספק היציאה של ה-ADALM-PLUTO.
איור 7: לוח ההערכה של מגבר ה-RF EV1HMC8413 של Analog Devices. (מקור: Analog Devices)
מסקנות
מאמר קצר זה התמקד באופן, שבו יזמים ומהנדסי אלקטרוניקה יכולים לחקור תקשורת לוויינים. הגישה למודולים ולערכות SDR גמישים ובעלי תמיכה הולמת בעלות נמוכה, בשילוב המגוון הרחב של כלי תוכנה וקהילות קוד פתוח, יקלו על בניית אב הטיפוס לפרויקט הראשון שלך.
