מערכות לניווט לוויינים

מאת: מקסים חנין, פלורינה  דרור, ד”ר סעד תפוחי, פרופ’ יעקב גוון

GPS
מערכת GPS (Global Positioning System) פותחה עי משרד ההגנה האמריקאי בשמה המקורי Navstar.
זו הייתה מערכת לניווט לווייני הראשונה בעולם ובמקור הייתה אמורה לשמש את הצבא האמריקאי, אך עם הזמן נמצאו לה גם הרבה שימושים אזרחיים.
מערכת ה-GPS מורכבת משלושה מקטעים תפקודיים:
1. מקטע חללי (כל לווייני ההפעלה)
2. מקטע השליטה (כל תחנות קרקע מעורבים במעקב על המערכת: שליטה על תחנות בסיס, בקרת התחנות, ושליטה על תחנות הקרקע)
3.מקטע המשתמש (כל המשתמשים האזרחיים והצבאיים)
מקטע החללי של  מערכת ה-GPS מורכב מ- 30 לוויינים מבצעיים  המקיפים את כדור הארץ על 6 מישורים מסלוליים שונים (5 לוויינים לכל מסלול), הנמצאים במסלול MEO בגובה 20200 ק”מ ונעים במסלול מעגלי אשר נוטה ב-55 מעלות כלפי קו המשווה. כל לוויין משלים את מסלולו
ב- 12 שעות.
בגלל הסיבוב של כדור הארץ, הלוויין יהיה בעמדה הראשונית שלו מעל פני כדור הארץ  אחרי  כ – 24 שעות (23 שעות 56 דקות ליתר דיוק). 32 לוויינים, זהו מספר  לוויינים מקסימאלי אשר מתוכנן להיות כרגע במערכת.  הלוויינים משדרים שני אותות SPS- לצורך ניווט רגיל (לשימוש אזרחי) ו-PPS לצורך ניווט מדויק (לשימוש צבאי). על כל לוויין מותקן שעון אטומי אשר נותן זמן מדויק לצורך חישוב מדויק של המיקום. קיימות שלוש גרסאות של לווייני GPS:
גרסה 1  – Navstar או GPS Block 1  שוגר בתאריך 22.02.1978, לאחר מכן שוגרו עוד 10- לוויינים מגרסה זו. המערכת הראשונית נועדה לבחינת ישימות של מערכת ניווט ולא שימשה למטרות מבצעיות. סך הכול שוגרו 11 לוויינים מהגרסה הזאת בין השנים (78-85)19. בגרסה הראשונה הלוויינים היו נטויים ב-63 מעלות. משקל של רוב הלוויינים היה 450 ק”ג, ובנוסף היו מספר לוויינים במשקל 163 ק”ג ואחד 750 ק”ג. הלוויין היה בעל ייצוב תלת-צירי עפ”י נקודות שפל (nadir). מערכת החשמל כללה 2 לוחות סולריים בעלי הספק 410וואט וסוללות NiCd. על כל לוויין מותקנים 2 שעוני רובידיום ושעון צזיום (שעונים אטומיים). מערכת הנעה של הלוויין פעלה על דלק הידרוזין. אורך החיים מתוכנן של הלוויין היה 5 שנים אך למעשה הם פעלו הרבה יותר. על כל לוויין הותקנו 3 אנטנות:
1.אנטנת L-Band – משדרת אות לניווט בתחומים 1 L ( 1575.42 MHz) ו-  2 L ( MHz 1227.60). אות 1L כולל גם את הקוד הרגיל וגם את הקוד המדויק, ואות 2L כולל רק את הקוד המדויק.
2.אנטנת S-Band – משמשת לצורך בקרה וטלמטריה.
3.אנטנת UHF – משמשת לצורך תקשורת בין לוויינית.
גרסה 2 – נקראה GPS Block 2/2A שוגרה לראשונה בשנת 1989. הגירסה הנ”ל מהווה מערכת מבצעית, אשר כוללת 24 לוויינים ב-6 מישורים הנוטים ב-55 מעלות. הלוויינים בעלי ייצוב תלת-צירי יחסית לנקודת שפל. אורך חיים המתוכנן של כל לוויין הינו 7.3 שנים. מערכת חשמל כוללת שני לוחות סולריים בעלי הספק 710 וואט וסוללות NiCd. משקל הלוויין הינו 1816 ק”ג. על כל לוויין מותקנים שני שעוני צזיום ושני שעוני רובידיום(סה”כ 4 שעונים אטומים), כאשר שעוני צזיום הינם שעוני גיבוי. כמו כן מותקנים חיישני פיצוץ אטומי אשר מזהים כל פיצוץ אטומי על כדור הארץ ומשדרים את מיקומו המדויק בזמן אמת.
על כל לוויין מותקנות אנטנות הבאות:
1.אנטנת L-Band – משדרת לשידור אות הניווט ב-5 תת תחומים:
1.1 1L ( 1575.42 MHz) – אות הכולל קוד רגיל SPS וקוד מדויק PPS.
1.2 2L ( 1227.60 MHz) – כולל רק את הקוד המדויק PPS.
1.3 3L (1381.05 MHz) – משמש כמערכת NUDET אשר מגלה פיצוץ אטומי או כל אירוע אחר בעל אנרגיה גבוהה בתחום אינפרא-אדום.
1.4 4L ( 1379.913 MHz) – נמצא בתהליך פיתוח לצורך תיקונים יונוספריים נוספים.
1.5 5L (1176.45 MHz) – נועד לארגונים הצלה אזרחיים כגון משטרה, אמבולנסים וכו’.
תדר זה נמצא בתחום בינלאומי מוגן ומאפשר קליטה ללא הפרעות. תחום זה נמצא  בשימוש בגרסה F2 ומעלה.
2.אנטנת S-Band – משמשת לצורך בקרה וטלמטריה.
3.אנטנת UHF – משמשת לצורך תקשורת בין לוויינית.
לפעולה תקינה הלוויינים דורשים תקשורת עם כדור הארץ. לצורך כך קיימת אנטנת S-Band אשר מקשרת בין לוויין לתחנת הקרקע במצב אוטומטי (AUTONAV Mode). כמו כן דרושה תחזוקה שוטפת של הלוויינים. שעוני צזיום אשר נועדו לגיבוי דורשים ניפוח של צינור הקרן פעמיים בשנה, הפעולה דורשת כיבוי של הלוויין למשך 18 שעות. בנוסף לכך פעם בשנה דרושה פעולת תיקון של המסלול, הפעולה מבוצעת ע”י מנוע הידרוזין ודורשת בממוצע 12 שעות.
גרסה 3 חדשה והקיימת של הלוויין – GPS Block 2R. בגרסה הזו שופרה מערכת חשמל שעכשיו בנויה משני לוחות סולריים המבוססים על תאי N-on-P, ושתי סוללות NiH2. ההספק של מערכת החשמל הגיעה ל1.13 קילוואט. המשקל של הלוויין גדל והינו 2032 ק”ג ואורך החיים עלה ל-10 שנים.
גרסה עתידית של הלוויין – לוויינים מגרסה 3 נמצאים עדיין בפיתוח וישוגרו החל משנת 2013.
המערכת החדשה תקרא GPS3 (Block3).
יעודה העיקרי של מערכת החדשה יהיה:
1. להגביר את האות M Signal) ) תוך פריסה של  אנטנות כיווניות.
2. שיפור  באותות L1C / L2C כדי להתגבר על הפרעות היונוספרה, ולהיות פחות רגישים להפרעות RF.
3.הוספת תדר אזרחי נוסף 5L שישודר בתדר  1176.45.
4.אפשרויות חיפוש והצלה חדשות.
כמו כן יחודשו תחנות הקרקע והמערכת אמורה להיות פעילה לחלוטין במתכונת החדשה עד שנת 2021.

GLONASS
מערכת GLONASS (Global Navigation Satellite System) – הינה מערכת לניווט לווייני אשר פותחה ברוסיה. המערכת הועתקה ממערכת GPS אמריקאית ולכן מבנה ואופן פעולתה דומים לאלו של ארה”ב.
פיתוח ותחזוקה ותקצוב של מערכת ניווט GLONASS נעשים ע”י תוכנית מיוחדת של הסוכנות הפדראלית הרוסית. דיוק וזמינות של מערכת GLONASS השתפרו באופן ניכר בשנים האחרונות והתוכנית עתידות במערכת. דרושים 21 לוויינים במסלול MEO אשר נעים ב-3 מסלולים מעגליים (7 לוויינים בכל מסלול). הלוויינים נמצאים בגובה 19100 ק”מ ונוטים בזוית הטייה 64.8 מעלות ביחס לקו המשווה. הלוויין הראשון שוגר בשנת 1982 והמערכת הפכה להיות פעילה ב – 24.09.1993. כמו במערכת GPS משודרים 2 אותות בתחומים 1L ו-2L, אשר מאפשרים ניווט רגיל וניווט מדוייק.
ללוויין קיימות 2 גרסאות:
GLONASS – הגירסה הראשונה של הלוויין. בין השנים 1982-2005 שוגרו 12 לוויינים מהגירסה הזו. משקל לוויין הינו 1415 ק”ג. הלוויין כולל שני לוחות סולריים והספק חשמלי שלהם הינו 1000 וואט. אורך החיים של הלוויין רק 4 שנים  וזה דורש שיגורים של לוויינים בתדירות גבוהה. על הלוויין מורכבת אנטנת L-Band אשר משדרת ב-25 ערוצים עם הפרדה של 0.5625MHz עם EIRP של 25-27) dBW ) הערוצים הנ”ל נמצאים בתחומים 1L -2L. הגל המשודר בעל קיטוב מעגלי צד ימין -RHC. כיום לוויינים מגרסה זו כבר אינם פעילים וחלקם הורד מן המסלול.
GLONASS-M – לוויינים מהדור השני. השיפור העיקרי של הלוויין יחסית לקודמו, בכך שאורך החיים של הלווין הוגדל ל-7 שנים. מסת הלוויין גדלה גם היא והינה 1570 ק”ג. שופרה גם מערכת החשמל ועכשיו לוחות סולריים מייצרים הספק של 1450 וואט. מערכת השידור משדרת אותות ב-3 תחומים 1L, 2L ו-5L. שני התחומים נועדו לשימוש צבאי ושניים לשימוש אזרחי. הודות להוספת תחום אזרחי נוסף, הדיוק של המערכת גדל פי 2.5. כמו כן שופרה מערכת ייצוב של הלוויין ועכשיו דיוק של כיוון לשמש שווה 2 מעלות (בהשוואה ל-5 בגרסה קודמת). כיום כל הלוויינים הפעילים של המערכת הם לוויינים מדגם GLONASS-M.
GLONASS-K – הדור השלישי  של מערכת GLONASS. המערכת נמצאת כיום בפיתוח. הלוויין אמור להיות מוקטן פי 2 בעל משקל של רק 745 ק”ג בלבד. אורך החיים של הלוויין צריך להגיע ל-10 שנים. הוא ישדר אותות בשלושה תחומים ב- L-Band . יתרון נוסף של הגרסה הזאת בעלות שיגור. לוויינים של דור ראשון ושני שוגרו באמצעות משגר מסוג Proton-M. הודות למשקל הקטן של הגרסה האחרונה ניתן לשגר 2 לוויינים בו זמנית על משגר Soyuz-2, שמהווה משגר קטן יותר מ- Proton ועלות השיגור שלו הרבה יותר קטנה. מועד השיגור הראשון, שבהתחלה היה מתוכנן לשנת 2006, טרם נקבע.
נקודות לשיפור עתידיות בפרויקט GLONASS הם:
1.פריסה של 24 לוויינים  (21 פעילים + 3 לגיבוי) עד סוף שנת 2012.
2.להגיע בעתיד לרמת ביצועים זהה או טובה יותר לזו של   (GNSS).
3.שדרוג אותות ניווט והצגת אותות CDMA חדשים 1L,2L,3L.
בפועל תוכנית GLONASS נמצאת בפיגור
Galileo
הינה מערכת לניווט לווייני אירופאית אשר נמצאת עדין בפיתוח. המערכת אמורה להיות המשוכללת מכל מערכות ניווט לווייני.  המערכת תכלול 30 לוויינים, כאשר  3 לווייני מתוכם יהיו לוויינים פעילים וישמשו  לגיבוי במסלול MEO. הלוויינים ישוגרו למסלול מעגלי בגובה 23222 ק”מ, יהיו נטויים ב-56 מעלות וימוקמו ב-3 מסלולים, כך שבכל מסלול יהיו 9 לוויינים. לוויינים שכשלו, אך גם במצב תקין הם ישדרו נתונים. משקל כל לוויין 675 ק”ג. אורך חייהם הינו 12 שנים.
על הלוויינים מותקנות המערכות הבאות:
מערכות תקשורת כוללת:
1.אנטנת L-BAND – משדרת נתוני ניווט בשני ערוצים: 2L ו-1L . כאשר בערוץ 1L משודרים קוד אזרחי וקוד מסחרי, ובערוץ 2L משודר רק קוד מסחרי.
2. אנטנת SAR) Search and Rescue)  קולטת אותות מצוקה ממשדרי חירום בכדור הארץ ומעבירה אותם לרשויות המתאימות באזור המצוקה.
3.אנטנת C-BAND – קולטת אותות בקרה מתחנת קרקע, בין היתר משמשת לסנכרון של שעונים אטומים.
4.אנטנת S-BAND – הינה חלק ממערכת טלמטריה, עקיבה ובקרה. האנטנה משדרת מצב של מערכות הפועלות על הלוויין, וקולטת אותות בקרה והפעלה של המערכות. בנוסף האנטנה פועלת כמכ”מ ומודדת גובה הלוויין בדיוק של מטרים ספורים.
מערכת חיישנים כוללת:
1.חיישני אינפרא אדום וחיישני שמש- שניהם מהווים חלק ממערכת ייצוב של הלוויין ומכוונים אותו אל כדור הארץ. חיישני אינפרא אדום מזהים הבדלי טמפרטורה בין חלל החיצון לאטמוספרה של כדור הארץ וחיישני שמש הינם חיישני אור הנראה ומזהים מיקום של השמש.
2.מחזיר לייזר – מחזיר אור מיוחד אשר מאפשר מדידת גובה הלוויין בדיוק של כמה ס”מ באמצעות החזרת קרן לייזר אשר נשלחה מתחנת קרקע. המדידה מבוצעת פעם בשעה כיוון שמדידה באמצעות אנטנת S-Band מדויקת מספיק.
3.מפזרי חום – מהווים חלק ממערכת קירור \ חימום של הלוויין. מפזרים את החום העודף של מערכות הפועלות על הלוויין ומאפשרים פעולתן התקינה.
המכשור כולל:
1.שעון מימן פסיבי (Passive hydrogen clock) – הינו שעון אטומי ראשי. בליבו של השעון מתרחש תהליך פירוק גרעיני אשר גורם לתדר מדויק של  1.4. השעון הזה מסוגל לתת זמן בדיוק של ns  0.45 במרווח של 12 שעות (סטייה של שניה ב-3 מיליון שנים). על כל לוויין מורכבים שני שעונים מסוג זה.
2.שעון רובידיום (Rubidium clock) – שעון אטומי אשר מבוסס על פירוק של חומר בשם רובידיום. מאפשר לתת זמן בדיוק של ns  1.8 במרווח של 12 שעות (סטייה של שנייה ב- 761 אלף שנים). על כל לוויין מורכבים שני שעונים מסוג זה.
3.מערכת בקרת שעונים – המערכת שמקשרת בין 4 השעונים. במצב תקין פועל שעון מימן אחד והשני כבוי, כמו כן אחד משעוני רובידיום נמצא בכוננות והשני כבוי. המערכת בודקת תקינות של השעון הראשי. כאשר מתרחש כשל של שעון ראשי המערכת מנתקת אותו ומחברת שעון רובידיום שהיה בכוננות באופן מיידי. לאחר מכן המערכת מכבה את שעון המימן התקול, מפעילה שעון מימן שני ומכניסה את שעון הרובידיום השני לכוננות.לאחר כמה ימים כאשר שעון מימן חלופי נכנס לפעולה מלאה, המערכת מנתקת את שעון הרובידיום ומחברת את השעון הראשי. אחרי ששעון מימן ראשי מחובר המערכת מעבירה שעון רובידיום אחד לכוננות ומכבה את השני. מערכת בקרת שעונים מאפשרת קבלת זמן מדויק לאורך כל החיים של הלוויין.
4.מחולל תדר שידור – אחראי על יצירת אות סינוס המשמש משדר L-Band. תדר שידור נקבע ע”י מערכת בקרת שעונים והנתונים הנקלטים מתחנת קרקע ע”י אנטנת C-Band.
5.מחשב ראשי – אחראי על הפעלת כל המערכות של הלוויין.
מערכת הייצוב כוללת:
1.ג’אירוים (Gyroscopes) – מודדים מהירות סיבוב של לוויין.
2. גלגלי תגובה (Reaction wheels) – שולטים על סיבוב של לוויין ומאפשרים כיוון של תאים סולריים כל הזמן בכיוון השמש.
3.מוט מגנטי  (Magnetic bar) – אחראי על שינוי סיבוב של גלגלי תגובה.
מערכת חשמל כוללת:
1.לוחות סולריים – מייצרים הספק חשמלי של 1600 וואט. פריסת הלוחות הינה 13 מטר.
2.סוללות – אוגרות חשמל לצורך פעולת הלוויין כאשר הוא נמצא בחלק החשוך של כדור הארץ.
3.מערכת בקרה – אחראית על העברת חשמל מלוחות סולריים ומהסוללות למערכת הלוויין, וכמו כן על טעינת הסוללות ע”י לוחות סולריים.
Beidou
מערכת ניווט עתידית סינית. המערכת נמצאת בשלבי פיתוח ראשוניים. המערכת תכלול 35 לוויינים כך שבניגוד למערכות אחרות, 5 מהם יהיו במסלול GEO ו-30 אחרים במסלול MEO בגובה 21500 ק”מ. המערכת מיועדת בעיקר לשימוש צבאי, אך תוכל לשמש גם יישומים אזרחיים. מכיוון שמערכת Beidou הינה מערכת צבאית סודית, רשויות סיניות פרסמו מעט מאוד נתונים אודותיה.
הגירסה הראשונה של הלוויינים נקראת
1 Beidou. סה”כ שוגרו 4 לוויינים ניסויים למסלול גאוסטציונרי בין השנים 2000-2007. שני לוויינים מהגרסה הזו נמצאים במסלול ופועלים, לוויין אחד סטה מהמסלול ואחד נוסף נמצא במצב פעולה לא ידוע. הגרסה הזו הינה ניסיונית ומיועדת לבחינת ישימות של המערכת. 1 Beidou   הינם לווייני תקשורת גאוסטציונרי מדגם 3-DFH אשר עברו הסבה. הלוויין משדר בתחום S-Band וקולט בתחום L-Band. הלווין שוקל 2200 ק”ג ואורך חייו 5 שנים.
הגירסה המבצעית של לווייני ניווט נקראת 2 Beidou. לוויינים מהגירסה הזו מחולקים לשני סוגים:
Compass-G – 5 לוויינים אשר ישוגרו למסלול LEO.
Compass-M – 30 לוויינים שישוגרו למסלול MEO.
המערכת תספק שני שרותים – צבאי ואזרחי בעלי הנתונים הבאים:
שרות צבאי – דיוק של 10 מטרים, סינכרון שעון בדיוק של ns 0.2 ומדידת מהירות בדיוק של m/s0.2
שרות אזרחי – דיוק של 100 מטרים, סנכרון שעון בדיוק של ns 10 ומדידת מהירות בדיוק של m/s0.2
לווייני MEO עתידיים יחולקו ל 6 מסלולים. לוויינים ראשונים מסוג זה שוגרו בשנת 2007.
תדרי שידור הלוויין הם נומינליים  1.20714, 1.26852, ו   1.561098/1.589742.
תדרים אלו נקלטו מלוויין MEO ראשון ששוגר.
סין יכולה להכניס לשימוש מערכת ניווט מקומית המורכבת מ-12 לוויינים  כבר בשנת 2012,  ותמשיך לפעול להשלמת מערכת כוללת. כרגע תאריך סיום משוער אינו ידוע, אך המטרה לסיים עד שנת 2020.
השיתוף פעולה בין מערכתי
קיימת אפשרות לקלוט בו זמנית נתונים מכמה מערכות ניווט. כך למשל מכשירי ניווט רוסיים יכולים לקלוט בו זמנית אותות מ-GPS ו-GLONASS, מכשירים סיניים יהיו מסוגלים לעבוד בו זמנית עם מערכות Beidou ו-GLONASS ומכשירים אירופאיים יעבדו על מערכות GPS,GLONASS ו- Galileo. התכונה הזו מאפשרת להגדיל את דיוק הניווט לרמה גבוהה ביותר ולהגדיל את הכיסוי עד 100%.

סיכום
המערכת היחידה שפעילה ב-100% הינה מערכת GPS האמריקאית. נעשה בה שימוש רחב הן בתחום הצבאי והן בתחום האזרחי. דוגמאות לשימוש במערכת רבות: החל מפצצות מונחות GPS ועד תוכנות ניווט במכשירים סלולאריים. כעת פיתוח המערכת נמשך ובעוד מספר שנים יהיו זמינים יישומים נוספים כמו למשל ערוץ תקשורת נוסף שישמש ארגוני חילוץ והצלה. בנוסף על לווייני GPS מותקנת מערכת המזהה פיצוצים אטומים או כל פיצוץ בעל עוצמה תרמית גדולה בכל שטח כדור הארץ בזמן אמת. מערכת יכולה להתריע על ניסויים אטומים של מדינות עוינות ולמעשה כמעט על  כל שיגור טיל בליסטי על פני כדור הארץ.
מערכת GLONASS פעילה חלקית נכון להיום, בגלל קשיים כלכליים של רוסיה ולא ידוע מתי המערכת תופעל באופן מלא.
מערכת Galileo תהיה המערכת המשוכללת ביותר בין כל מערכות הניווט. הלוויינים של המערכת כוללים שעון מימן פסיבי שהינו שעון אטומי מדויק ביותר. העובדה הזו מאפשרת קביעת מיקום בצורה מדויקת ביותר. כמו כן המערכת תוכל לאתר אותות מצוקה ממשדרי חירום על כדור הארץ ולהעביר את מיקומם לכוחות הצלה. בנוסף ניתן למדוד את הגובה המדויק של הלוויין באמצעות מערכת מיקום מיוחדת, זה מאפשר להעלות דיוק קביעת המיקום עוד יותר. המערכת נמצאת עדיין בפיתוח ולא תופעל לפני שנת 2014.
מערכת (Compass) Beidou נמצאת כרגע בפיתוח ולא ידוע מתי תהיה פעילה באופן מלא. כמו כן מספר לוויינים ששוגרו לא הגיעו למסלולם או לא פעלו כראוי, אך סין מאוד נחושה להצליח בפרויקט במיוחד בשביל התחום הצבאי.