חידושים בתחום ה-MEMS והניווט האינרציאלי

בעידן בו פזורות מנהרות תקיפה בגבולות ארצנו, בו נדרשים מיירטים בדיוק רב, בעידן הטכנולוגי של הכלים הבלתי מאוישים, תחום הניווט האינרציאלי מעולם לא היה כה רלוונטי.

במאמרים הקודמים הסברנו מושגי יסוד בתחום הניווט האינרציאלי ועל פריצת הדרך בתחום ה-MEMS. במאמר זה נסקור את החידושים של השנה האחרונה.

רקע
הניווט הלווייני (GNSS) מספק ניווט בסיסי (למשל: נ”צ ומהירות), אך הוא מאד מוגבל היות והוא לא מספק זוויות במרחב (Pitch/Roll/Yaw) מה שעושה אותו חסר ערך לסטביליזציה והנחייה מדויקת. עוד חיסרון של ניווט לווייני הינו הקלות בו ניתן לשבש את אות הלוויין ע”י לוחמה אלקטרונית פשוטה או הצורך בניווט במקומות בהם אות ה-GPS לא יכול להיקלט (מנהרות, מתחת לפני השטח, מתחת לפני הים).
לשם כך פותח הקונספט של ניווט אינרציאלי (ניווט ללא עזרים חיצוניים). העיקרון של כל מערכת ניווט אינרציאלית הינו חיבור בין 3 גירוסקופים (הג’ירו הנו סנסור שמודד מהירות זוויתית בלבד) ו-3 מדי תאוצה. ע”י אינטגרציה של כל הסנסורים ביחד ניתן להגיע למודעות מצבית ב-6 דרגות חופש (מישור – XYZ וזוויות במרחב).
הניווט האינרציאלי מחולק ל-2 טכנולוגיות: טכנולוגיית הלייזר FOG (או RLG) וטכנולוגיית ה-MEMS.
טכנולוגיית הלייזר נחשבת מדויקת יותר ופועלת על עיקרון פיזיקאלי בשם אפקט Sagnac. החיסרון הכי בולט של הטכנולוגיה הזו הינו העלות הכספית הגבוהה, אך קיימים עוד חסרונות: גודל פיזי (על מנת שיהיה מדויק נדרש מסלול ארוך עבור קרן הלייזר), צריכת הספק גבוהה, אי דיוקים במדידת תנודות קטנות, היסט הנובע מצפיפות לא אחידה בקרן הלייזר, בעיות תאלמ”ג (אי וודאות הביצועים בסביבה רוויה באותות RF), שגיאות רנדומליות שלא ניתן לנבא (למשל: טמפרטורת אכסון שונה משפיע על הביצועים בין הדלקה להדלקה).
טכנלוגיית ה-MEMS, מיקרואלקטרוניקה, הפועלת עפ”י עיקרון כח קוריוליס, פותחה תחילה על מנת להוזיל עלויות, הקטנת מימדים וירידה בהספק. הביצועים תחילה היו לא מספקים בהשוואה ללייזר, אך זה נמצא מספיק טוב ליישומים אזרחיים (שילוב בטלפונים חכמים למשל). אחד הפערים של טכנולוגיה זו הינם הביצועים רעש וההיסט.
חברת Gladiator Technologies, שמהנדסיה צמחו מתעשיות הלייזר ו-MEMS, רשמה לעצמה כ-70 פטנטים בתחום והבשילה את ה-MEMS לרמת הביצועים של הלייזר ובכך סימנה את ה-MEMS כטכנולוגיה המובילה בתחום הניווט האינרציאלי. פריצת הדרך המשמעותית הייתה בייצור רכיבים עבור סטביליזציה וניווט בדיוק רב ועם פיצוי טמפרטורה מלא ותוך כדי כך גם הוזלת העלויות לפרוייקטי הפיתוח השונים.
בצד השיפורים הטכנולוגיים, מוצרי החברה מסווגים כ-NON ITAR, כלומר שלא נדרשת עבורם הצהרת ייצוא (יתרון גדול לתעשיות הביטחוניות בארץ).
בשנת 2014 הוציאה החברה שיפורים ומוצרים חדשים, נסקור חלק מהם.

הג’ירו – אבן הבניין הבסיסית בכל מערכת ניווט אינרציאלי
הג’ירוסקופ הנו רכיב אנלוגי המודד מהירות זוויתית (מעלות לשנייה). חברת Gladiator Technologies הכריזה על 2 ג’ירויים חדשים:

G150Z –
ג’ירו MEMS מהמתקדמים בעולם שמתחרה באופן ישיר בטכנולוגיית הלייזר ומכונה Ultra Low Noise. משקלו 28 גרם והוא בעל רוחב סרט של 200Hz. היחידה מזוודת ועמידה בהלמים ורעידות כך שהיא מותאמת גם לסביבה מוטסת. היישומים הנפוצים לרכיב זה הינם בסטביליזציה עבור פלטפורמות ויישומים אלקטרו-אופטיים (או IR), אנטנות ובקרת טיסה.

G200 – דו צירי
זוהי יחידת זהב. על מנת לעשות סטביליזציה מיטבית נדרשים שני ג’ירויים ניצבים אחד לשני. יחידה זו באה לחסוך מקום ועלויות והיא מהווה ג’ירו דו צירי (Dual Axis Gyro) ביחידה בודדת. היחידה תוכננה כך שתזוזה בציר אחד לא תשפיע על הציר השני. השינוי לשנת 2014 ביחידה זו הינו מזעור ההיסט.

IMU – Inertial Measurement Unit
ה-IMU מורכב מ-3 ג’ירוים ו-3 מדי תאוצה. ע”י דגימת אותות אלה ניתן להגיע למודעות מצבית (למשל: סכימה בזמן של מהירות זוויתית נותנת את הזווית עצמה, סכימה בזמן על התאוצה נותנת מהירות. סכימה נוספת תפיק את הטווח).
החברה יכולה לעשות את אלגוריתם הסכימה בעצמה ובכך לתת את ערך הזווית עצמה במוצא הרכיב. תצורה זו נקראת Vertical Gyro.
ניתן לעשות הרחבה נוספת ע”י התקנת מגנומטר גם בתוך היחידה (למדידת הצפון) וברומטר (למדידת גובה) ובכך בנוסף לזוויות מקבלים גם חיווי גובה וצפון. לתצורה זו קוראים AHRS (Altitude Heading Reference System).
חברת Gladiator Technologies משווקת את כל סוגי התצורות, אך כעת נתמקד ברכיבי ה-IMU. קיימים כמה סוגים שונים: החל מה-LandMark50 שנותן דיוק מרבי ברמה הגבוהה ביותר ועד LandMark01 שמהווה פתרון Low Cost תחרותי לשוק ה-MEMS הנפוץ. כל הרכיבים תוכננו כך שסוג התקשורת יהיה RS485 וגם RS422 ולכולם פרוטוקול זהה (שדרוג מוצר אחד באחר לא תשפיע על התכנון).

High Performance –
בקטגוריה זו יש את סדרת ה-LandMark50 שהיא בעלת רעש של 0.0009°/sec/√Hz והיסט של מעלה בודדת לשעה. קצב הדגימה הפנימי של הרכיב הנו 4Khz, אך הדגימה בפועל של תקשורת ה-RS485 הנו עד 1Khz. סדרה זו היא מהמדויקות שיש והיא מתאימה לתנאי סביבה מהקשיחים ביותר. גודלה הפיזי הוא יחסית גדול (שוקלת כ-450 גרם). סדרת LadnMark40 פותחה למצבים בהם ניתן להתגמש מעט בביצועים (רעש של 0.002°/sec/√Hz) ולהוריד את הגודל הפיזי (שוקלת כ-100 גרם). סדרת ה-LandMark40 הינה אידאלית למיירטים ולראשי ביות. במידה ומדובר במערכת ישנה בה עדיין קיים ממשק אנלוגי ניתן לאפיין את רכיבי ה-IMU לתצורה אנלוגית. תצורה זו נקראית MRM .

Low Cost –
לחברה פתרונות זולים יותר כמו ה-LandMark20/21/30, אולם אנו נתמקד במוצר החדש מסדרת LandMark01. מדובר בסדרה חדשה לגמרי, בגודל של 1 אינץ’ מרובע ובמשקל של 25 גרם. הרכיב אטום לחלוטין לתנאי סביבה קשים ובעל דיוק רב. סדרת ה-LadnMark01 עולה בביצועיה על רכיבים דומים ומחירה זול יותר. הרכיב אידאלי למצבים בהם נדרשת סטביליזציה באוויר, בים או ביבשה. צפיפות רעש הרכיב הנה 0.005°/sec/√Hz ו-6 מעלות לשעה.
INS/GPS –
יכולת שילוב הדגימה עם אות הלוויין לצורך כיול הינה מאפיין חשוב כשמחפשים פתרון ניווט מלא. חברת Gladiator Technologies מייצרת רכיבי INS/GPS (מסדרות LandMark40 ו-LandMark50) ע”י דגימה בקצב של 10Hz של כמה מערכות לוויין: GPS (אמריקאי), GLONASS (רוסי), BeiDou (סיני) ו-GALILEO (אירופי). הנתונים ממקלט ה-GPS עוברים אלגוריתם מסנן קלמן יחד עם הדגימה האינרציאלית הפנימית כך שניתן לקבל בכל הודעת פלט של הרכיב את נתוני הניווט אחרי מסנן קלמן (עם ה-GPS) או כמידע גולמי בלבד (בלי ה-GPS). כמו כן, במידה ומזוהה הפרעה באות הלוויין או שהקליטה אינה איכותית, נתוני מציאת הצפון והגובה יישענו על המגנומטר והברומטר הפנימיים ברכיב. החברה כרגע עוסקת במחקר ופיתוח על מנת לשפר את מסנן קלמן עוד יותר וכן להעלות את קצב נתוני דגימת ה-GPS ל-20Hz ובכך להביא יכולת דיוק של DGPS .

לסיכום, במציאות העכשווית ובאתגרים הנוכחיים של המדינה נוצר הצורך המיידי לפתרונות ניווט אינרציאלי בכמה שכבות.
חברת Gladiator Technologies מיצבה עצמה כחברה מובילה בחום הניווט האינרציאלי בטכנולוגיית MEMS וממשיכה בשיפורים מתמידים. החברה התחילה בתהליך עומק על מנת לכסות מגוון צרכים החל מ-High Performance ועד Low Cost (כדוגמת ה-LandMark01 IMU).
הערה: הנתונים הטכניים כאן מתייחסים למקרה המחמיר בטמפרטורות קיצוניות ובפועל הם צפויים להיות טובים יותר.