איך זה באמת עובד? מאחורי הקלעים של GPS, GNSS והאתגר הישראלי

בכל פעם שאנחנו פותחים אפליקציית ניווט, מזמינים משלוח או מתעדים ריצה, מכשיר הסמארטפון שלנו מתחבר באופן בלתי נראה לרשת לוויינים מורכבת שחגה אלפי קילומטרים מעלינו. עבור רובנו, הטכנולוגיה הזו נקראת פשוט GPS, אבל מאחורי הקלעים מסתתר עולם שלם של מערכות גלובליות ופיזיקה מתקדמת.

אז איך הקסם הזה עובד ברמה הטכנית, ומה קורה אצלנו, בישראל, שהופך את הסיפור הזה למורכב ואקטואלי מתמיד? הבה נצלול פנימה. מה ההבדל בין GPS ל-GNSS?

לפני שנבין את המנגנון, נעשה סדר במונחים. GNSS, ראשי תיבות של Global Navigation Satellite Systems, הוא שם המטרייה הכולל לכל מערכות הניווט הלווייניות בעולם.

ה-GPS היא המערכת האמריקאית, Global Positioning System, הראשונה והמוכרת מכולן, שפותחה במקור על ידי משרד ההגנה של ארה"ב. אולם כיום, המכשירים המודרניים שלכם אינם מסתמכים עליה בלבד אלא הם משלבים אותות ממספר מערכות מקבילות:

• ה-GPS מארצות הברית

• ה-GLONASS מרוסיה

• ה-Galileo מהאיחוד האירופי

• ה-BeiDou מסין

השילוב של כולם יחד תחת חומרת GNSS אחת מאפשר דיוק, יציבות וזמינות גבוהה בהרבה. שבבי הניווט המודרניים נקראים שבבי Multi-GNSS או Multi-Constellation, והם מתוכננים לעבד אותות מכמה רשתות לוויינים במקביל כדי להשיג את התוצאה הטובה ביותר.

למה היצרניות משתמשות בכולן?

• ככל שיש יותר לוויינים זמינים בשמיים, המכשיר ימצא את ה-4 הראשונים הנדרשים לנעילה הרבה יותר מהר.

• בתוך ערים צפופות עם גורדי שחקים, או ברחפנים שטסים קרוב למבנים או ואדיות, בניינים חוסמים חלק גדול מהשמיים. לו היינו מסתמכים על GPS בלבד, אולי היינו רואים רק שני לוויינים והניווט היה נכשל. כשכל ה-GNSS פעיל, הסיכוי שיישארו מספיק לוויינים גלויים בשמיים החשופים עולה באופן משמעותי.

• ככל שמספר הלוויינים בחישוב עולה (ולעתים המכשיר ננעל על 20-30 לוויינים בו-זמנית), רמת הדיוק משתפרת ומגיעה למטרים בודדים, אפילו בחומרה אזרחית פשוטה.

מי רואה את מי?

בניגוד לאינטואיציה, הלוויינים בשמיים לא "רואים" אתכם ולא "יודעים" איפה אתם. מדובר במערכת חד-כיוונית פסיבית לחלוטין: הלוויינים רק משדרים, והסמארטפון שלכם רק קולט. הכול מתבסס על רכיב מפתח אחד: זמן. כל לוויין נושא עמו שעון אטומי מדויק ומשדר ללא הרף אות שמכיל שני נתונים מהותיים: מיקומו המדויק בחלל וחותמת הזמן המדויקת שבה האות נשלח.

כשהסמארטפון שלכם קולט את האות, הוא משווה בין הזמן שבו האות נשלח לזמן שבו הוא הגיע. מכיוון שהאותות נעים במהירות האור, המקלט יכול לחשב את המרחק המדויק שלו מהלוויין. הדרך = המהירות כפול הזמן.

שיטת הטרילטרציה

כדי לתרגם מרחקים לנקודה על מפה, המקלט משתמש בחישובים גיאומטריים:

1. לוויין אחד: המכשיר יודע שהוא נמצא ברדיוס מסוים סביב הלוויין. דמיינו בצורת כדור תלת-ממדי.

2. שני לוויינים: נקודות המפגש בין שני הכדורים יוצרות מעגל.

3. שלושה לוויינים: חיתוך המעגל עם הכדור השלישי מצמצם את המיקום לשתי נקודות בלבד, שאחת מהן היא בחלל, כך שהיא נפסלת מייד.

4. הלוויין הרביעי: השעון הפנימי של הסמארטפון שלכם אינו שעון אטומי והוא נוטה לסטות. הלוויין הרביעי משמש לתיקון שגיאות הסנכרון של השעון במקלט ומספק את נתון הגובה. לכן, 4 לוויינים הם המינימום ההכרחי לנעילת מיקום תלת-ממדי מדויק.
   

נקודה מדעית מרתקת: השעונים האטומיים בלוויינים נעים במהירות עצומה ונמצאים רחוק מכדור הארץ. בשל כך, פועלים עליהם חוקי תורת היחסות הפרטית והכללית שגורמים לזמן שלהם לרוץ מהר יותר בכמה עשרות מיקרו-שניות ביום לעומת הזמן על הקרקע. ללא תיקון קבוע של המשוואות הפיזיקליות הללו, ה-GPS שלכם היה צובר שגיאה של קילומטרים בכל יום!

ואיך זה עובד בפרט בישראל?

בישראל, מעבר לעבודה הרגילה של מקלטי ה-GNSS, קיימות שתי תופעות מרכזיות שמשפיעות על הדיוק והתפקוד של המערכות בשטח:

1. רשת ה-RTK של מפ"י, המרכז למיפוי ישראל

עבור משתמשי קצה רגילים, דיוק של מטרים בודדים הוא מצוין. אך עבור מודדים, מהנדסים, רחפנים מקצועיים וחקלאות מדויקת, נדרש דיוק סנטימטרי. לשם כך, מפעיל המרכז למיפוי ישראל רשת של תחנות קרקעיות קבועות, תחנות ייחוס, שפזורות ברחבי המדינה.

תחנות אלו יודעות את מיקומן האבסולוטי המדויק על פני כדור הארץ. הן קולטות את אותות הלוויינים, מחשבות את השגיאה האטמוספרית הנוצרת באותו רגע, בגלל מעבר האות ביונוספירה, ומשדרות תיקונים בזמן אמת, טכנולוגיית RTK - Real-Time Kinematic, למקלטים מיוחדים בשטח.

2. שיבושי GNSS יזומים (GPS Spoofing)

בשנים האחרונות, ובמיוחד בעתות חירום ביטחוניות, אזרחי ישראל חווים תופעה רחבה של שיבושים יזומים במערכות המיקום. השיבוש המרכזי נקרא Spoofing, הטעיית מיקום.

בניגוד לחסימה פשוטה, Jamming, שרק מנתקת את האות, הטעיה היא מורכבת יותר: מערכות הגנה צבאיות משדרות אותות GNSS מזויפים וחזקים יותר מהאותות המקוריים שמגיעים מהחלל. המכשירים האזרחיים מולכים שולל ומחשבים מיקום שגוי לחלוטין, שגורם לנו להתעורר בתל אביב אבל לראות בוויז או באפליקציות המשלוחים שאנו נמצאים בשדה התעופה בביירות או בקהיר. המטרה של מערכות אלו היא להגן על שמי המדינה מפני איומים מונחי GNSS, כמו כטב"מים או טילים מדויקים.

להשראה

מערכת ה-GNSS היא עדות ליכולת ההנדסית האנושית, שילוב של קוסמולוגיה, פיזיקה יחסותית, חומרה זעירה ומתמטיקה טהורה. בפעם הבאה שהמפה שלכם קופצת למיקום הנכון, או ללבנון/מצרים/ירדן, תדעו שמאחורי הקלעים מתרחש דיאלוג מהיר במהירות האור בין המכשיר שלכם לבין צי לוויינים שחג בריק של החלל.

איך זה באמת עובד? מאחורי הקלעים של GPS, GNSS והאתגר הישראלי

איך זה קשור אלינו במתמטיקאי מחקר ופיתוח בע"מ? אנחנו מקימים בימים האלה ארגון שנותן מענה הוליסטי מבוסס רחפנים מאיסוף הנתונים השיטתי ועד לתובנות ולפתרונות ולתוצרים עבור לקוחות מענפי התכנון, הבנייה, האכיפה, החקלאות והתשתיות.

אם אתם זקוקים לשותף טכנולוגי עתיר ניסיון שיודע לספק שירותי מחקר ופיתוח Hands-on, מארגוני אנטרפרייז ועד סטארט-אפים, ממשרדי תכנון ועד למפעלי אנרגיה, על מנת להוציא חזון אלגוריתמי שלכם מהכוח אל הפועל? הבה נדבר!

שלמה יונה,

מייסד ומדען ראשי, 

מתמטיקאי מחקר ופיתוח בע"מ

053-7326360

shlomo.yona@mathematic.ai

https://mathematic.ai

פודקאסט על החברה ועליי, שלמה יונה, ואופן העבודה שלנו ואיתנו:

A technical deep dive about Mathematic.ai