כך בקר הטיסה מזהה הרעלת נתונים בזמן אמת

בכל יום אנחנו מפקידים את הניווט שלנו בידי נקודה כחולה בטלפון, ברכב או בשעון הספורט, בלי לדעת שהיא נסמכת על אות חלש להחריד שמגיע ממרחק של 20,000 קילומטרים בחלל. כמה קל לשבש או לזייף את האות הזה? קל מאוד. אבל בעוד שהסמארטפון שלנו יבלע את הפיתיון ויציג לנו מיקום שגוי בלי למצמץ, לרחפנים מתקדמים אין את הפריווילגיה הזו. כדי לשרוד באוויר, הם היו חייבים לפתח מערכת חיסון מתמטית. בפוסט הזה נרים את מכסה המנוע ונגלה איך הם מבינים שמנסים לעבוד עליהם, ומה ההבדל בין רחפן צעצוע שיאבד כיוון וייסחף בשיבוש או בהרעלה, לכלי מקצועי שיודע לסנן את הרעש ולהמשיך במשימה היעד.

כדי להבין כיצד רחפן מזהה שיבוש או הרעלה באות הניווט הלווייני ממשפחת GNSS שכוללת מערכות כגון GPS, Galileo, GLONASS ו-BeiDou, יש לבחון את רכיבי המערכת ולעקוב אחר זרימת המידע. ברחפן מודרני קיימת חלוקת תפקידים ברורה בין מספר רכיבים. השלט משמש אמצעי תצוגה ותקשורת בלבד ואינו מזהה שיבושים בעצמו. בקר הטיסה משדר לשלט נתוני טלמטריה, והשלט מציג התרעה לטייס על תקלות מיקום. במקביל, מערך החיישנים IMU שמורכב ממדי תאוצה וג'יירוסקופים מודד כוחות פיזיקליים פנימיים כגון תאוצות קוויות ומהירויות זוויתיות. מערך חיישנים זה חסין משיבושי רדיו אך סובל מסטייה מצטברת לאורך זמן. לעומתו, מקלט GNSS מזהה שיבושים ברמה הפיזיקלית של גלי הרדיו. הוא מודד את עוצמת האות, את תדר הדיגום ואת מבנה הודעות הלוויין. המוח המרכזי שקובע בוודאות האם הנתונים הלווייניים זויפו הוא בקר הטיסה שמריץ אלגוריתם היתוך חיישנים בשם EKF, מסנן קלמן. אלגוריתם זה משווה באופן רציף בין המיקום שמקלט GNSS מדווח עליו לבין התנועה הפיזיקלית האמיתית שמערך חיישני IMU מודד.

הלוויינים משדרים אותות ממרחק של כ-20,000 קילומטרים בחלל, וכאשר האותות מגיעים לקרקע עוצמתם אפסית ועומדת על מינוס 130 dBm, עוצמה שחלשה אף מרעש הרקע האלקטרומגנטי הטבעי. במצב של חסימה, החסם מציף את הסביבה ברעש רדיו חזק בתדר הלוויינים. המקלט מנטר ברציפות את מדד יחס עוצמת הגל הנושא לרצפת הרעש. כאשר החסם פועל, רצפת הרעש קופצת, ערך היחס צונח בפתאומיות והמקלט מאבד את הנעילה על הלוויינים. בעקבות זאת המקלט מדווח לבקר הטיסה על צניחה במספר הלוויינים שנקלטים ועל אובדן פתרון מיקום. במצב של זיוף או הרעלה, התוקף משדר אות דמוי לוויין במטרה לגרום לרחפן לחשב מיקום שגוי. מקלטים מתקדמים מזהים חריגות כאשר משדר קרקעי קרוב מייצר אות מזויף. הם מזהים קפיצת עוצמה פתאומית שמעידה כי האות המזויף חזק מהאות האמיתי שמגיע מהחלל. חריגה נוספת היא איחוד פאזות בלתי טבעי שבו כל הלוויינים המזויפים מגיעים ממשדר בודד על הקרקע במקום מזוויות שונות בשמיים. בנוסף, מקלטים מתקדמים בודקים חתימה דיגיטלית מוצפנת שלווייני Galileo משדרים, ואם האות אינו מכיל את החתימה התקינה, המקלט מסמן אותו כמזויף.

גם במקרה שבו מקלט GNSS מקבל נתונים מזויפים, בקר הטיסה מפעיל מנגנון ביקורת מתמטי ופיזיקלי קשיח של מסנן קלמן מורחב. מסנן זה מבצע היתוך חיישנים בכל שבריר שנייה שכולל שני שלבים עיקריים. בשלב החיזוי, בקר הטיסה מנבא את המיקום ואת המהירות התיאורטיים של הרחפן לפי חוקי התנועה של ניוטון, תוך שימוש במדידות התאוצה והמהירות הזוויתית ממערך חיישני IMU. המערכת מחשבת זאת על ידי חיבור המיקום הקודם, מכפלת המהירות בפרק הזמן, ומחצית מכפלת התאוצה בריבוע פרק הזמן. בשלב העדכון וההשוואה, המקלט קולט מדידת מיקום חדשה מהניווט הלווייני ומחשב את ההפרש בינה לבין החיזוי. הפרש זה מהווה את ערך החדשנות. בקר הטיסה מחזיק פרמטר סף סטטיסטי לסינון חריגות. כאשר מתרחש זיוף והמיקום קופץ פתאום בעשרות מטרים בזמן שחיישן IMU לא מודד שום תאוצה תואמת, ערך החדשנות נוסק. המערכת מזהה חריגה, קובעת שנתוני המיקום שגויים ודוחה את המדידה. אם הדיווח הסותר נמשך לאורך זמן, שונות השגיאה של המסנן חוצה את סף הכשל. בשלב זה הבקר מנתק לחלוטין את הניווט הלווייני ועובר למצב חירום כדוגמת שמירת גובה ברומטרי בלבד או נחיתה אנכית במקום, או מה שלא יהיה שהמטיס קבע שיתבצע בנוהל חירום כשיכולת ניווט נפגעת.

תרשים זרימה בסיסי לגילוי הרעלה או חסימה של אותות ניווט לווייני

היכולת לזהות שיבושים ולהתמודד איתם משתנה באופן משמעותי בין דרגות הרחפנים השונות. רחפני פנאי כוללים לרוב מקלט תדר יחיד ואנטנה כלל כיוונית בודדת. כלים אלו חסרי הגנה חומרתית מחסימות, ולכן חסימה גורמת לאובדן אות מיידי, וזיוף מיומן עלול להטעות אותם. בתגובה לזיוף מיקום, מנגנון מובנה מזהה מיקום של נמל תעופה וכופה נחיתת חירום או נעילת מנועים. במקרה של אובדן אות, הכלים מסתמכים על חיישן IMU לזמן קצר בלבד עד להיווצרות סחף חריף. לעומת זאת, רחפנים מקצועיים וצבאיים מכילים מקלט מרובה תדרים ותמיכה במנגנוני אימות דיגיטליים. יצרנים מציידים אותם במערכות הגנה אקטיביות כמו מערך אנטנות חכם שמודד פאזות ומייצר חסימה בכיוון מקור השיבוש. ברחפנים אלו אלגוריתמיקה מתקדמת מזהה את הזיוף, מתעלמת מהמיקום השגוי וממשיכה במשימה. כגיבוי לניווט לווייני הם משלבים חיישנים אופטיים שמאפשרים ריחופים מדויקים וניווט רציף. תמונת המצב ההנדסית, מלמדת כי מקלט הניווט הלווייני מזהה שיבוש ברמה הפיזיקלית של גלי הרדיו, בעוד שבקר הטיסה מזהה סתירות בין המיקום הלווייני לבין חוקי התנועה הפיזיקליים של הרחפן. טכנולוגיות ניווט אופטיות ומערכות אנטנות מתקדמות מאפשרות לרחפנים להמשיך לטוס בצורה מדויקת גם כאשר התוקף משבית לחלוטין את אות הניווט.

התשובה לשאלה איך מתגלה חסימה או הרעלה של אותות הניווט הלווייני היא איפוא, בקר הטיסה ומסנן הקלמן המורחב. זה המוח שקובע שה-GNSS מזוייף, תקוע או חסר.

לצד התחושה שפתרנו בעיה עדיין מסתתר מלכוד גדול, חולשה של המוח המתמטי הזה. מסנן קלמן הוא שומר סף מצוין נגד פולשים אלימים שבועטים בדלת, כלומר תוקפים שמשנים את המיקום בבת אחת ומייצרים קפיצה דרמטית בערך החדשנות. אבל מה קורה כשהתוקף הוא גנב שקט? לוחמת סייבר מודרנית משתמשת בטקטיקה מתוחכמת שנקראת הרעלה זוחלת. ממש כמו המשל על הצפרדע שמרתיחים אותה לאט בסיר במקום לזרוק אותה למים רותחים. במצב זה, המשדר המזויף לא מקפיץ את הרחפן במאה מטרים, אלא מסיט אותו בחצי סנטימטר בלבד בכל שנייה. עבור מסנן קלמן, הסטייה הזעירה הזו נראית כמו רעש נורמלי לחלוטין שאפשר להחליק. לאט לאט, בלי שאף נורת אזהרה תידלק, המסנן מעדכן את המיקום שלו לפי הזיוף, גורר איתו את חיישני התנועה הפיזיקליים, ומוביל את הרחפן שולל בעיניים עצומות.

כדי לסבך את המצב עוד יותר, לחיישני התנועה הפנימיים ה-IMU יש שעון חול פנימי משלהם. ברגע שהרחפן מבין שהוא תחת מתקפה ומנתק את הקשר עם הלוויינים, הוא נשאר בחושך רדיופוני. הסטייה המצטברת של חיישני התנועה, שאותה הזכרנו קודם, אינה סתם שגיאה קטנה; היא גדלה כמו כדור שלג מתגלגל. בתוך דקות ספורות ללא עוגן חיצוני, הרחפן יפתח סחף של עשרות ומאות מטרים ויאבד את דרכו. מסנן קלמן לבדו, עם כל הגאוניות המתמטית שלו, הוא בסך הכל מאזניים שמנסים לשקול את אמינות המידע. הוא לא יכול לייצר יש מאין, ואם שני מקורות המידע שלו, הלוויין המורעל וחיישן התנועה המסתחרר, מאבדים אחיזה במציאות, הרחפן יתרסק או ייסחף.

אז איך הכלים המקצועיים בכל זאת שורדים וממשיכים במשימה? התשובה היא שהם אינם מסתמכים על גיבור בודד, אלא על צוות הגנה רב-שכבתי. בקו ההגנה הראשון, עוד לפני שהאותות מגיעים למסנן המתמטי, רחפנים מקצועיים משתמשים באנטנה חכמה שמכונה CRPA (מערך אנטנות מבוקר פאזה). אם אנטנה רגילה היא כמו אוזן פתוחה שקולטת רעשים מכל כיוון, אנטנת CRPA היא כמו קבוצת אוזניים שמקשיבות יחד. כשתוקף על הקרקע מנסה להציף את הרחפן באותות מזויפים או ברעש חזק, האנטנה החכמה מזהה את הזווית המדויקת שממנה מגיע השיבוש. בעזרת חישוב מהיר, היא משנה את הרגישות שלה ומייצרת סוג של שטח מת, מעין חומה אלקטרונית ממוקדתת שמופנית ישירות לעבר המשבש. בכך היא פשוט מחרישה את כיוון האויב וממשיכה להקשיב אך ורק ללוויינים האמיתיים שבשמיים.

במקביל, כדי לנטרל את ההרעלה הזוחלת ולמנוע סחף, המחשב בודק את עקביות המידע לאורך זמן ומצטייד בעיניים דיגיטליות: מצלמות שסורקות את הקרקע שמתחתיהן ומחשבות את כיוון הטיסה לפי תוואי השטח האמיתי. טכנולוגיה שמכונה ניווט אופטי. תמונות הקרקע הללו חסינות מפני שיבושי הרדיו ומספקות את העוגן הפיזיקלי הנחוץ. כאשר מסנן קלמן משלב את הראייה הממוחשבת יחד עם חסימת כיוון השיבוש הפיזית של האנטנה החכמה, הוא הופך מאלגוריתם היתוך פשוט למערכת חיסון בלתי ניתנת להכנעה, שמאפשרת לרחפן להשלים את המשימה ולשוב הביתה בשלום.

 כיצד היתוך חיישנים מתקדם, אנטנות חכמות וניווט אופטי מאפשרים לרחפנים מקצועיים להתגבר על שיבושי וזיופי GPS מתוחכמים

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