ניווט לווייני מרובה תדרים

חשבתם שאתם שולטים ברחפן שלכם אבל מספיק שיבוש קטן אחד כדי לשנות את כל התמונה לחלוטין. רוב המערכות כיום פשוט לא מוכנות לאתגר הזה, אבל הבנה נכונה של הטכנולוגיה יכולה להציל את המצב ולמנוע אובדן של כלים יקרים.

לוויינים משדרים אותות לניווט רחפנים ומערכות אוטונומיות במספר תדרי רדיו נפרדים שמוכרים בתעשייה כאותות L כמו L1, L2 וכן L5. בעבר יצרני רחפנים אזרחיים הסתמכו לרוב על תדר יחיד בלבד, אך כיום עקב העלייה החדה באיומי שיבושים אלקטרוניים, בפרט כאן בישראל, התעשייה עוברת בהדרגה למערכות רב תדריות. הפוסט מיועד למי שרוצים לדעת ולהבין את ההבדלים הפיזיקליים והמתמטיים שבין התדרים הללו. הבנה זו מאפשרת לנו לחזות את נקודות התורפה של כל מערכת ניווט לווייני ולדעת מתי עלינו להפעיל מערכות חלופיות כדי להבטיח את שרידות הכלי.

אות L1 הוא התדר האזרחי הבסיסי שפועל ב-1575.42 MHz והוא התדר הוותיק והנפוץ ביותר בעולם. תוכלו למצוא אותו בכל סמארטפון וברחפני צילום מסחריים ברמת הכניסה. שבבים שתומכים באות L1 זמינים בעלות אפסית וצורכים מעט מאוד אנרגיה ולכן תדר זה אידיאלי עבור רחפנים קטנים וקלים שיש להם מגבלות סוללה. החיסרון המרכזי שלו מתבטא בפגיעות גבוהה לשיבושים אלקטרוניים. כיוון שזהו התדר הסטנדרטי שמוכר לכולם מפתחי מכשירי חסימה פשוטים וזולים מכוונים את תדרי הרעש שלהם ישירות אליו. בנוסף לכך האות סובל מהפרעות אטמוספריות כשהוא עובר ביונוספירה ורגיש מאוד לתופעת Multipath שבה האותות קופצים מבניינים, יוצרים הדים שקריים ומבלבלים את אלגוריתם מיקום הרחפן. מגבלות אלו מורידות את רמת דיוק הניווט למטרים בודדים.

תדר משני נוסף הוא L2 שפועל ב-1227.60 MHz. במקור התדר שימש לצרכים צבאיים בלבד אך כיום הוא פתוח לשוק האזרחי ותעשיית הרחפנים מנצלת אותו בעיקר להפעלת טכנולוגיית RTK שנדרשת למיפוי ולמדידות. כשמשלבים את נתוני התדר L2 יחד עם אות L1 מחשב הרחפן יכול לחשב את ההפרשים במהירות התקדמות שני האותות דרך האטמוספירה. יכולת זו מאפשרת לאלגוריתם לתקן אוטומטית שגיאות יונוספריות ולחשב מיקום ברמת דיוק סנטימטרית. למרות זאת לוויינים משדרים את אות L2 בעוצמה נמוכה יחסית לאות L1 וכתוצאה מכך בסביבות מאתגרות כמו אזורים עירוניים צפופים או תחת חופת עצים עבותה האות מתנתק ועצמים סביבתיים חוסמים אותו בקלות רבה יותר.

אות L5 הוא התדר שמתקדם יותר מכולם במרחב האזרחי ופועל ב-1176.45 MHz. מהנדסים פיתחו אותו במקור עבור כלי טיס מאוישים כחלק מתקני שירותי הגנת החיים וכיום יצרנים מתחילים לשלב אותו ברחפנים מתקדמים ויקרים יותר. תדר L5 מספק חסינות גבוהה במיוחד מפני תופעת Multipath. המבנה המתמטי המורכב שלו לצד רוחב הפס הרחב שבו לוויינים משדרים אותו מאפשרים למקלט הרחפן להבחין בקלות רבה בין האות המקורי הישיר לבין ההד שחוזר מקיר של בניין. כמו כן לוויינים משדרים אותו בעוצמה חזקה משמעותית כך שמשבשים פשוטים מתקשים מאוד להפיל אותו. עם זאת עיבוד ופענוח של אות L5 דורשים שבבי סיליקון חזקים ויקרים יותר שמגדילים את צריכת ההספק של הסוללה. מעבר לכך לווייני GPS ישנים עדיין אינם תומכים בו כלל אף על פי שרשת Galileo ודור הלוויינים החדש של GPS תומכים בו במלואו.

כדי להתמודד עם סביבה שסובלת מחסימות GNSS תכופות הפתרון נמצא בהיתוך חיישנים. רחפן מודרני שנושא מקלט רב תדרי וקולט במקביל את אותות L1 וכן L5 מסוגל לזהות בזמן אמת נפילה חדה באיכות האות בתדר אחד. במצב כזה האלגוריתם מבצע בידוד תקלות ועובר להסתמך מידית על התדר השני בלבד מבלי לאבד את נתוני המיקום. ההבנה העמוקה של ההבדלים בין התדרים עוזרת לאנשי מחקר לדעת מתי החומרה המסחרית מספקת מענה מלא לבדה ומתי עלינו בצוותי הפיתוח של חברת Mathematic.ai לפתח מעטפת אלגוריתמית עצמאית כמו ראייה ממוחשבת או ניווט אינרציאלי מתקדם כגיבוי למניעת תרחישי איבוד שליטה והתרסקות.

סוף לעיוורון הלווייני ואיך שילוב תדרים מציל מערכות אוטונומיות בשדה הקרב האלקטרוני

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