לוויין לכל פועל (כמעט)

אבי הר-אבן, לשעבר ראש סוכנות החלל הישראלית, בסקירה מרתקת מיוחדת ל"ישראל דיפנס" - על מערכות הניווט הלווייניות. גם ישראל בפנים

לוויין optsat 3000 של התעשייה האווירית (צילום: התעשייה האווירית)

היה זה לפני כ-35 שנים, עת שירתתי בתפקיד בכיר במערך המו"פ של צה"ל, כאשר הופיע במשרדי מנהל מרכז המיפוי הישראלי, והציע לי לראות מכשיר מעניין וחדיש, שיודע לציין בדיוק של מספר עשרות סנטימטרים את מיקומו על פני מפה. עד אז ידענו לגלות את מיקומנו על מפה רק באמצעות מצפנים, חיתוכים לאחור, קישורים לנקודות טריאנגולציה וכדומה.

הגענו לספינה קטנה (לא ישראלית), עליה היה מותקן מכשיר בגודל מכונת כביסה, שהיה מחובר לאנטנה. לאחר שהופעל המכשיר, הופיעה תצוגה ספרתית שציינה את המיקום שלנו בקואורדינטות לא מוכרות. הוסבר לנו שזו מערכת צבאית של ארצות הברית, המבוססת על לוויינים.

מאז זרמו הרבה מים בירדן, ואנו נמצאים בעידן חדש בו מונחים כמו GPS ,GALILEO ,GNSS ,GLONASS ,EGNOS ,WASS ,LAAS ואחרים כבר שגורים בפינו (הן אצל אנשי צבא והן אצל האזרחים). מי זוכר שאחרי מלחמת ששת הימים התלהבנו אפילו מ"מכשיר פלא" –הודוגרף: לאחר שהכנסת בו את נקודת הציון ההתחלתית, התקנת אותו ברכב, חיברת אותו באופן מכני למערכת מד המהירות ברכב, הוא ידע, גם אחרי נסיעה של מספר קילומטרים, לציין את הנ.צ. אליו הגיע. הדיוק היה נמוך וככל שהשטח לא היה מישורי כך גדלה השגיאה.

נחזור ל-GPS. בשנת 1978 התחיל משרד ההגנה של ארצות הברית להקים מערכת של 24 לווינים שקראו לה NAVSTAR , השם ה"עממי" הוא Global Positioning System (ובקיצור - GPS). המערכת הושלמה והפכה למבצעית בשנת 1994.

להלן סקירה קצרה של מערכות לווייני ניווט (GNSS-Global Navigation Satellite Systems) קיימות ובהקמה:

Global Positioning System) GPS)
מערכת GPS מבוססת על 24 לוויינים ייעודיים שסובבים סביב כדור הארץ בגובה 20,200 ק"מ, ובמהירות של 7000 מייל לשעה, כאשר כל אחד מהם נושא שעון אטומי, כך שבכל הלוויינים השעה זהה. כל לוויין משדר אות זמן מוצפן בסדרה פסאודו אקראית (סדרה שנוצרת במכונת מצבים ידועה עם תנאי התחלה ידועים. הייחוד בסדרות כאלו הוא שהערכים שלהן כמעט אף פעם אינם מתנגשים, וכך המקלט יכול לזהות את הלוויין ששידר על פי הסדרה הספציפית המיוחסת לו. המסלול נמצא בכל מקלט GPS ברשימה שנקראת "אלמנך GPS". מסלולי הלוויינים הכרחיים למציאת מיקום המקלט, וכל שגיאה במיקום הלוויין תגרור שגיאה גדולה במיקום שיחושב על ידי המקלט).

כל הלוויינים משדרים באותו תדר, אך לכל לוויין יש סדרה משלו, שאותו קולט המקלט הקרקעי. קליטת אותות משלושה לווינים מאפשרת, על סמך השוואת זמן משידור האות עד לקליטתו על יד המקלט הקרקעי, את חישוב המיקום על פני כדור הארץ. קליטת אות מלוויין רביעי מאפשרת גם לחשב את הגובה של המקלט על פני כדור הארץ. במקלט הקרקעי קיים בסיס נתונים המאפשר לדעת מאיזה לוויין הגיע האות המסויים, ומה מיקומו מעל כדור הארץ ומיקומו היחסי לעומת שאר הלוויינים.

הלוויינים במערכת משלימים הקפה כל 11 שעות ו-58 דקות. 24 הלווינים סובבים בשישה מישורים שונים, ארבעה בכל מישור. בנוסף, בכל מישור סובב לוויין נוסף לא פעיל המשמש כעתודה (סך הכל 24 ועוד שישה לוויינים). דיוק קביעת המיקום מושפע, בין היתר, מגורמים אטמוספריים שונים, שלא נפרט. המערכת נועדה בתחילת דרכה לשימושים צבאיים בלבד (P CODE). הדיוק שלה יכול להגיע למספר סנטימטרים. במשך הזמן הסכים הממשל האמריקאי לאפשר גם לגורמים אזרחיים בכל העולם להשתמש במערכת תוך הכנסה מכוונת של אי דיוק מסויים (C CODE). הדיוק, במקרה זה, הגיע למספר עשרות מטרים.

במאי שנת 2000 ביטל נשיא ארצות הברית, ביל קלינטון, את השיבוש המכוון והמצב כיום הוא שמכשירי GPS אזרחיים נהנים מדיוק יחסית גבוה. אף כי מבחינה טכנית יכול הממשל האמריקאי לא להפעיל את שרותי ה GPS מעל אזורים מסויימים, "טוענים" השלטונות באופן רשמי כי הם מעולם לא הפעילו אפשרות זו.

יש לציין שמיסוך האותות, לאור עוצמתם הנמוכה, אינו מהוה בעיה טכנית ולכן מפתחים היום בעולם גם אמצעים שיבטיחו את המשכיות השירות , תוך התגברות חלקית על המיסוך, לצרכים חיוניים.

GPS דיפרנציאלי (DGPS)

אחת הדרכים להתגבר על סטיות דיוק הנובעות מהפרעות אטמוספריות או משיבושים מכוונים של המפעיל (גם אם הוא טוען שהפרעות כאלה לא קיימות), היא שאחת מתחנות הקליטה תהיה במיקום ידוע בדיוק גבוה. תחנה זו מקבלת מהלוויינים את המיקום המשוער של אותה תחנה כפי שה- GPS רואה, והיות שמיקום התחנה ידוע, ניתן לחשב, על ידי השוואת שני המיקומים (האמיתי הידוע והמדומה הניתן על ידי הלוויינים), מהי הסטייה שתתקבל על ידי מערכת GPS. אותה תחנה משדרת "תיקון" של הסטיה למכשירי ה- GPS הנמצאים אתה ברשת, כך שכל מקלטי ה-GPS באותה רשת יודעים את מיקומם בדיוק גבוה (מספר סנטימטרים בודדים). לשיטה זו קוראים DGPS) - Differential Global Positioning System)

ניגזרות של מערכות GPS 

במרוצת הזמן, עם התרחבות השימושים במערכת ה GPS, בעיקר בתעופה האזרחית, כאשר נוספו דרישות חמורות של רציפות השידור, אמינות הנתונים המשודרים וכדומה, ויותרמערכות ניווט קונבנציונליות אחרות "פינו" מקומן למערכות לווייניות, פותחו מערכות ניווט איזוריות המתבססות על GPS אך "מגייסות אמצעי עזר", כמו תחנות קרקעיות (הנותנות תיקונים אטמוספריים), לוויינים גאוסטציונריים (לוויינים גדולים המשייטים מעל קו המשווה, בגובה 36,000 ק"מ וסובבות את כדור הארץ במהירות זוויתית הזהה למהירות הכדור, כך שהן נמצאות מעל נקודה קבועה) .שימוש זה יצר מערכות כמו EGNOS-מעל יבשת אירופה וצפון אפריקה-כולל ישראל, WASS - מעל ארה"ב וקנדה, ו - QZSS מעל יפן.

שימושים

תיקצר היריעה לספור את השימושים המתבססים על ניווט GPS. השימושים הצבאיים מתחילים בניווט של החייל הבודד, וכוללים גם הנחיית טילים, כלי טייס למיניהם, פגזים, זיהוי מטרות ועוד. בין השימושים האזרחים ניתן לציין ניווט בכלי רכב יבשתיים למיניהם, תיאום ובקרת ציי רכב, שימוש בתעופה, בשייט, מיפוי מדוייק, מדידת תזוזת פלטות טקטוניות המהוות את הסיבה העיקרית לרעידות אדמה, חקלאות מדוייקת ,כריית מחצבים וכדומה. שימוש אזרחי חשוב נוסף הוא השימוש בבסיס הזמן המבוסס על השעונים האטומיים שבלווינים, והמהווה חלק מהנתונים המשודרים לכדור הארץ. חישוב זמן זה חיוני לביצוע עסקות פיננסיות בילאומיות.

מערכת ניווט לווייני רוסית Global Navigation Satellite System - GLONASS 
מערכת ניווט לוויני ראשונה בגוש המזרחי ,TSIKLON, כללה 31 לווינים. היא פותחה והופעלה בברית המועצות עוד בשנים 1967-1978.המערכת שימשה בעיקר לניווט צוללות, ואף כי היתה מדוייקת - עקב הזמן הרב יחסית שנידרש לקביעת מיקום, היא לא סיפקה תשובה מספקת למערכות דינמיות כמו מטוסים וטילים בליסטיים. רק בשנת 1968 הבשילה בברית המועצות, ההכרה בצורך במערכת בעלת ביצועים טובים יותר, ובשנת 1976 החליטה הממשלה להתניע פרויקט חדש GLONASS. בדצמבר 1995 המערכת הגיעה לתצורה מלאה של 24 לווינים שמשייטים בגובה של קרוב ל- 20,000 ק"מ. למערכת דיוקים דומים ל-GPS.

בעקבות המשבר הכלכלי ברוסיה, בשנים 1989-1999, קיצוץ תקציב החלל ב80%, והצורך בהחלפה תדירה של הלווינים (אורך החיים הקצר- שלוש שנים), המערכת הדרדרה למצב שרק 6 לווינים היו פעילים. עם עלייתו של ולדימיר פוטין לשלטון, בתחילת שנת 2000, חל שינוי מהותי בנושא. פוטין קיבל החלטה אסטרטגית לשקם את המערכת הלוויינית.

הלוויינים שופרו מבחינת ביצועים ואורך חיים. התחום האזרחי ניתן כבר היום לשימוש באופן חופשי, בדומה למערכות GPS. בחלק מהמקלטים ניתן יהיה כבר בימים הקרובים לקלוט לוויינים משני המערכים GPS ו- .GLONASS הלוויין ששוגר בפברואר השנה, מסדרת GLONASS-K, משלים את המערך הרוסי ל-24 לווינים.

מערכות ניווט לוויני נוספות
כפי שכבר הוזכר, קיימות נמצאות או בשלבי הקמה גם מערכות ניווט לווינים נוספות. בסין קיימת מערכת ה-BeiDou המבוססת על שלושה לווינים. הסינים מתכוונים להפוך אותה למערכת עולמית COMPASS , שתכלול 30 לוויני ניווט, הדומים ללוויני GPS\GLONASS ו-5 לווינים גאו-סטציונריים. בהודו ניבנת מערכת אזורית IRNSS( Indian Regional Navigational Satellite System) - שתתבסס על 7 לווינים גאוסטציונריים ותתן כיסוי להודו בדיוקי של כ 7.6 מטר.היא מתוכננת לפעול ב-2014. כן כדאי להזכיר את המערכת היפנית OZSS.

GALILEO - מערכת ניווט לווייני אירופאית 

בסוף שנות התשעים נולד באירופה הרעיון לפתח מערכת ניווט עצמאית, כדי לא להיות תלוים בשתי המערכות העיקריות הקיימות GPS ו- GLONASS.

ההחלטה להקים מערכת כזו נבעה גם מנימוקים של כבוד לאומי. בתחילת הדרך תוכנן, שהמערכת תהיה מיזם משותף לנציבות האירופית ולקונצרן תעשייתי אירופאי שייבחר, אולם בהמשך, עקב תביעות תקציביות "מוגזמות" של הקוצרנים המתחרים, כאשר כמעט והוחלט לא לקים את הפרויקט, החלט על יד האיחוד האירופי לממן אותו ממקורות האיחוד. בשלב זה דובר על תקציב של קרוב לארבעה מיליארד יורו, אבל כפי שהיה צפוי, תקציב הפרויקט גלש והגיע ל-5.5 מיליארד יורו. (לדעתי, עדיין לא נאמרה המילה האחרונה ועד ניראה תקציב כולל גדול יותר).

בתחילת הדרך האירופאים חיפשו שותפים היכולים לתרום לפרויקט מבחינה טכנית ותקציבית, ואכן לאחר מאמצים רבים הצליחו ישראל וסין להכלל בין שותפים אלה: בספטמבר 2003 הצטרפה סין, בהשקעה של 230 מליון יורו, כאשר חלק מההשקעה היה צריך להיות בשיגור חלק מלווייני הקונסטלציה עם משגרים סיניים, אולם כעבור שלוש שנים סין פרשה והחליטה לפתח את מערך ה-COMPASS (ראו אזכור קודם). ביולי 2004, אחרי מאמצים רבים "והצגת קבלות" על הישגינו בתחום החלל, כולל קיום תשתיות מדעיות ותעשייתית, הסכימו האירופאיים לצרף את ישראל, שהפכה בכך לשותף השני מחוץ לאירופה (אחרי סין). במסגרת ההסכם, נאותה ישראל להשקיע סכום של 100 מיליון שקל במוצרים בהם יש לפרויקט עניין.ההחלטה על ההשקעה נעשתה אחרי בחינה ובחירה משותפת של הצרכים במערכת ושל יכולות התעשייה הישראלית.

בין הגופים הישראלים שנהנו מההשקעה, ברמות שונות, ניתן לציין את רפאל, התעשייה האווירית, חברת AccuBeat המייצרת שעונים אטומיים, הטכניון ועוד מספר מוסדות מחקר ומיזמים שהוקמו לצורך כך.

ומה צופן העתיד לעולם המערכות הלווייניות? לדעתי, הדורות הבאים בכלל לא יוכלו לדמיין את העולם בלעדיהם.

***
תמונת GPS (צילום: AP)