הפתרון לשיבושים ולתקלות GPS: מערכת ניווט אינרציאלית

מה ההבדל בין מערכות ניווט אינרציאליות מכניות, כאלו המבוססות סיב אופטי ואלו המבוססות לייזר, מדוע העצמאות של ישראל בתחום זה כה חשובה ומה צופן העתיד לתעשייה זו?

תמונה: Pexels

מאת זלמן – ראש תחום טכנולוגיות נווט ומו”פ במפעל תממ של התעשייה האווירית, ודוד – ראש תחום הנדסת מדידי נווט במפעל תממ של התעשייה האווירית

קשה לדמיין את העולם המודרני, המבוסס על תקשורת, ללא GPS – מערכת ניווט לוויינית המאפשרת לנו לדעת בכל רגע נתון איפה אנחנו נמצאים, בכל מקום בעולם. אבל מה יקרה ביום או ברגע שמערכת זו לא תפעל? לא נוכל לדעת את מיקומנו, לא נוכל לדעת את מיקומם של אחרים (ילדים, רכבים ועוד), גופי ההצלה יתעכבו, סנכרון מערכות תקשורת ייפגע ועוד.

נהוג לחשוב שמדובר בנושא המאתגר רק את העולם הצבאי והביטחוני, אבל דוגמה להשפעתו על התחום האזרחי באה לידי ביטוי לפני כשנה: במשך כמה שבועות נרשמו הפרעות בקליטת מערכת הניווט הלווייני GPS במרחב האווירי של מדינת ישראל. איגוד הטייסים הבינלאומי הוציא התראה על שיבוש אותות GPS בסביבת נמל התעופה בן גוריון, וציין כי קיבל תלונות רבות מטייסים שחוו את ההפרעות באזור.

שיבושים דומים חוו החקלאים באזור עוטף עזה ובצפון בחודשים האחרונים. חקלאים באזורים אלו דיווחו כי הם נתקלו בשיבושים בקליטת אותות מערכת ה־GPS שלהם, שמקשים עליהם בקציר גידולי החורף ובזריעת גידולי הקיץ, וההערכות היו כי השיבושים נגרמו על ידי גורמים עוינים. מקרים אלו הדגימו עד כמה התלות במערכות מבוססות GPS היא משמעותית עבור המדינה ואזרחיה.

3 סוגים של מערכות ניווט אינרציאליות

נדמיין רכב אוטונומי שמבוסס על חיישנים שמספקים לו באופן רציף את המיקום והמהירות שלו ואת הכיוון אליו הוא נוסע. רכבים אלו צוידו במקלט GPS שמאפשר להם לקבל את הנתונים הנדרשים. זה זול, זה נגיש וזה עובד, עד שה-GPS מופרע או לא קיים. המשמעות של תקלה כזו היא קריטית – הרכב יכול לעצור, לסטות מנתיב הנסיעה ולהשבית פעילות במקרה הטוב, ובמקרה פחות טוב עלול להיקלע לתאונה.

עכשיו נדמיין מצב דומה בכלי טיס עם נוסעים או בטיל שמכוון למטרה המנווטים באמצעות GPS. כאשר המערכת נתונה לשיבוש והפרעות, בין אם מכוונות ובין אם לאו, פלטפורמות אלו לא יוכלו להשלים את משימתם.

האלטרנטיבה למערכות ניווט מבוססות GPS הן מערכות ניווט אינרציאליות. מערכות אלו מתבססות על הזנה ידנית של נקודת היציאה, ואז חישוב רציף של מיקום, כיוון ומהירות בעזרת חיישנים שונים – ללא כל צורך במידע חיצוני. מערכות אלו פועלות ללא תלות במעדכנים חיצוניים ומכאן חסינותן.

לישראל, מאז הקמתה, היה חשוב לרכוש עצמאות בתחום הניווט האינרציאלי מסיבות ברורות: חוסר התלות ביכולת טכנולוגית קריטית במדינות אחרות למשימות לאומיות, ומהצד השני המדינה לא יכלה להסתמך על מערכות ניווט מבוססות GPS (שאינן תלויות בה) לניווט.

תמונה: Pexels

בתחום הניווט האינרציאלי קיימים 3 סוגים של מערכות: מערכות מבוססות טכנולוגיית מדידים מכנית; כאלו המבוססות על טכנולוגיית סיב אופטי; ואחרות בטכנולוגיית מהוד אופטי מבוסס לייזר. כל מערכת ניווט אינרציאלית מורכבת משני חיישנים עיקריים – מד תאוצה וסביבון Gyroscope (ג’יירו). מד התאוצה מודד תאוצה קווית ומספק את מהירות ומרחק התנועה, והג’יירו מודד מהירות זוויתית ומספק את זווית הסיבוב. בכל מערכת ניווט נמצאים שלושה מדידים מכל אחד מהם.

במפעל תממ של התעשייה האווירית, המפתח והמייצר את שלושת סוגי המערכות, פיתחו בתחילת הדרך רק מערכות מבוססות ג’יירו מכאני. השלב הבא היה פיתוח מערכות מבוססות ג’יירו סיב אופטי, הפועלות על בסיס ג’יירו מבוסס על סיבים אופטיים (FOG). במוצר זה יש סיב אופטי מלופף על ליבה ובו שתי קרני אור בכיוונים מנוגדים שצריכות להגיע לאותה נקודה באותו זמן. מכיוון שהג’יירו זז, מודדים את הפרש הזמנים בין הקרניים כדי לדעת את כיוון הסיבוב. מדידה כזו עושים בשלושה צירים במקביל וכך מקבלים את כיוון התנועה של הפלטפורמה. מד התאוצה מודד כמה מרחק היא עשתה בכל ציר. השלב הבא בתחום היה פיתוח מערכות ניווט מבוססות ג’יירו לייזר בשם RLG – Ring Laser Gyroscope. מערכת זו עובדת על עיקרון פיזיקלי של שתי קרניים שרצות בכיוונים מנוגדים, בתעלות עם פלזמה מיוננת שהופכת אותן לקרני לייזר.

שלוש המערכות נבדלות בדיוק המדידה (הסחיפה), בגודלן ובעלות הפיתוח והייצור שלהן. המערכות המכניות נחשבות למדויקות יחסית, אך טכנולוגיה הוותיקה היא היקרה והמסובכת ביותר לייצור. היתרון של המערכות המבוססות ג’יירו סיבים אופטיים הוא בגודלן הקטן יחסית, ובנוסף הן מודדות מהירויות מאוד גבוהות. אלו מערכות שהסחיפה שלהן לא קטנה, ולכן מעדיפים להשתמש בהן ביישומים טקטיים – למשל לבקרת טיסה או לצורך ניווט של אמצעים שנמצאים באוויר דקות בודדות.

מערכות מבוססות ג’יירו לייזר נחשבות למדויקות יחסית, ולכן משמשות כאשר יש צורך בדיוק גבוה. מדובר במערכות יקרות יחסית, והן מתאימות כאשר יש צורך בניווט אינרציאלי לזמן ארוך ללא GPS. מערכות מסוג זה יכולות לשמש למגוון רחב מאוד של יישומים באוויר, ביבשה ובים.

לא רק בתחום הביטחוני

כיום, השימוש במערכות מכניות הוא מועט, וגם הולך ומצטמצם. השימוש במערכות מבוססות סיב אופטי הולך ותופס תאוצה בעיקר בתחום בקרת הטיסה, והשימוש במערכות מבוססות לייזר בא לידי ביטוי בתחומים בהם יש צורך בדיוק גבוה וכאשר הגודל של המערכת לא מהווה שיקול, לדוגמה במטוסים, כלי שיט, תותחים.

טכנולוגיית ניווט אינרציאלית היא ייחודית, מורכבת ודורשת ניסיון מדעי, מחקרי וטכנולוגי ומשאבים רבים, וישראל נחשבת למוקד ידע ומרכז מצוינות בתחום הניווט, והניווט האינרציאלי בפרט. התעשייה המקומית ממשיכה לפתח מערכות ואת הדור הבא של מערכות הניווט כדי לשמר את העצמאות האינרציאלית של מדינת ישראל, מבלי להזדקק לגורמים חיצוניים.

תחום הניווט האינרציאלי מתפתח בצעדי ענק, ולא רק בתחום הביטחוני. מכיוון שמערכות אלו יכולות לספק גיבוי חיוני בשטחים בנויים ומתחת לקרקע – יותר ויותר כוחות הצלה עושים בהן שימוש, ולצדם גם תעשיות קידוחי הנפט והגז. תחום נוסף בו הולך וגובר השימוש במערכות אלו הוא תחום הרכבים האוטונומיים.

הצורך של יותר ויותר גופים אזרחיים במערכות אלו מייצר עבור הפועלים בתחום אתגרים שונים, הכרוכים בהתאמת המערכות לצרכים השונים, תוך מתן מענה טכנולוגי מקיף המביא לידי ביטוי את גודל המערכות, מחירן ויכולותיהן.

הכתבה בחסות תעשייה אווירית

התעשייה האווירית רואה בחדשנות כאחד מיסודות ההצלחה ומשקיעה משאבים אדירים במחקר ופיתוח של טכנולוגיות העתיד בשוק הצבאי והאזרחי. אנחנו פועלים גם בזירה הבינלאומית, בין היתר כ- Corporate Partner באקסלרטור הבינלאומי Starburst וכחברה בקונסורציום בארה"ב בתחום ה- New Space של Techstars-Starburst יחד עם חיל האוויר האמריקאי, נאס"א, לוקהיד מרטין, MAXAR ו-SAIC. כחברה ששמה חקוק על המערכות הטכנולוגיות המובילות בארץ ובעולם, אנו מבינים שחיבור עם סטארטאפים הוא הכרחי ופותחים את שערינו לרעיונות חדשניים תוך סיוע להפוך את הרעיון למציאות. לפרטים נוספים, לחצו כאן.

Avatar

כתב אורח

אנחנו מארחים מפעם לפעם כותבים טכנולוגים אורחים, המפרסמים כתבות בתחומי התמחות שלהם. במידה ואתם מעוניינים לפרסם פוסט בשמכם, פנו אלינו באמצעות טופס יצירת קשר באתר.

הגב

6 תגובות על "הפתרון לשיבושים ולתקלות GPS: מערכת ניווט אינרציאלית"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
אחד מפשוטי העם
Guest
אחד מפשוטי העם

נשמע מעניין.. לשימוש אזרחי ולא לשימוש צבאי.

מישהו
Guest

נחמד שכותבים על דברים כאלה והדברים אפילו נכונים.
מעניין ללמוד על מנגנוני החישוב ואיך הדברים קורים באופן יותר טכני.
אבל מערכות אינרציאליות צוברות שגיאה עם הזמן ודורשות איפוס מידי כמה שעות.

מישהו
Guest

מערכות FOG טרם מיצו את יכולתן. הכתבה אינה מדייקת לחלוטין. RLG היא טכנולוגיה ישנה יותר מ FOG, יקרה יותר ופחות מדויקת. ישנה גם טכנולגית HRG שהיא ליישומים טקטיים (דיוק נמוך). נכון להיום חברת iXblue ממציאת ה FOG, השיגה שמירה על מיקום במשך 360 שעות ללא GPS/GNSS או כל אמצעי חיצוני אחר… זהו יישום אסטרטגי, לא טקטי.

מישהו
Guest

אריאל
Guest

נשמע מעניין,
הבעיה עם מוטסים למשל היא שקצב ההתקדמות שלהם באויר לא פרופורציונאלי להתקדמות בקרקע כיון שעלולה להיות רוח נגדית. לכן תאוצה וזוית לא יספקו תוצאה נכונה.

יכול להיות שפיתרון משלים הוא כיול לפי תמונת הכוכבים (על בסיס תאריך ושעה נוכחיים) שיכול להוות מדד לא רק בנוגע למיקום בכדו”א לפי המרחק בין גרמי שמיים ידועים בשעה הזו של הלילה.

יצחק כהן
Guest

ב”ה
היות ומדובר על פתרונות אזרחיים אז קיימים עוד שיטות נוספות, שגוגל משתמשים בחלק מהם

לדוגמה איתור מיקום באמצעות רשתות wifi, מגיע לרמת דיוק מאוד גבוהה (הרשתות שכבר נסרקו באמצעות google street, וכן גם מגישה של גוגל לטלפונים האישיים שלנו תמיד ותרומתינו לגוגל)

איתור באמצעות ניתוח תמונה, שוב מגיע לרמת דיוק גבוהה, מתאים גם למטוסים / טילים

הפתרון האמיתי הוא שילוב של הכל ביחד

wpDiscuz

תגיות לכתבה: