שירותי ניווט והיתוך נתונים

איך הטלפון תמיד יודע איפה אנחנו, גם כשאנחנו בתוך מבנים או במקומות שבהם אין קליטה של אותות לוויינים?

קרה לכם פעם שניווטתם בעיר צפופה, נכנסתם למנהרה ארוכה או לחניון תת-קרקעי והסמן על המסך המשיך לזוז איתכם בבאופן מדוייק? רובנו רגילים לחשוב שהכל קורה בזכות לוויינים אי שם בחלל, אבל בפועל, בכל פעם שאנחנו פותחים אפליקציית ניווט, המכשיר שלנו אינו תלוי רק בהם אלא מנצח על תזמורת של טכנולוגיות שעובדות יחד. הבה נציץ אל מאחורי הקלעים ונגלה את שמתרחש בתוך הטלפון שלנו בכל רגע נתון בדרכים.

האתגר הראשון: איך מקבלים מיקום מדויק בתוך שניות, אפילו כשקירות הבניין חוסמים את הלוויינים?

שירותי מיקום בטלפון הסלולרי משלבים מספר טכנולוגיות במקביל כדי להשיג רמת דיוק גבוהה זמן תגובה מהיר וחיסכון באנרגיה בגישה שנקראת מיקום היברידי. מערכות לווייניות פועלות היטב בשטח פתוח (כל עוד לא מנסים לחבל בהן) אך מתקשות לתפקד בתוך מבנים בגלל חולשת האות שאינו חודר קירות. בנוסף הן דורשות זמן רב יחסית לחיבור הראשוני. לכן המכשיר נעזר ברשתות אלחוטיות שמשפרות את התוצאה ומגשרות על פערי הקליטה.

ומה קורה כשאנחנו מסתובבים בתוך קניון ענק? איך הטלפון יודע למקם אותנו בדיוק מול החנות הנכונה, גם בלי שהתחברנו לאף רשת אלחוטית?

בניווט מבוסס רשתות אלחוטיות הטלפון סורק באופן רציף את הסביבה ומזהה את כתובות MAC שייחודיות לנתבים בלי צורך להתחבר אליהם. חברות טכנולוגיה מתחזקות בסיסי נתונים ענקיים שממפים את המיקום הגאוגרפי של נתבים ברחבי העולם. כשהמכשיר מזהה מספר נתבים סביבו הוא שולח את המזהים שלהם לשרת ומקבל חזרה מיקום ברמת דיוק של מטרים בודדים גם בתוך מבנים. במקביל משואות Bluetooth שגורמים שונים מציבים במקומות סגורים גדולים משדרות אות קבוע. הטלפון מודד את עוצמת האות ויודע למקם את המשתמש ברמת דיוק גבוהה מאוד בתוך החלל הסגור יכולת שאינה זמינה בניווט לווייני רגיל.

תעלומת המפלסים: כשאנחנו נוהגים בתוך מחלף מורכב, איך האפליקציה מבחינה בין נסיעה על גשר עילי לבין נסיעה בכביש שעובר ממש מתחתיו?

מערכות המיקום נעזרות גם באיכון סלולרי. הטלפון מודד את עוצמת האות מול אנטנות תקשורת וכך מעריך את מיקומו. הדיוק בשיטה זו נמוך יחסית אך התהליך צורך מעט אנרגיה ומספק נקודת מוצא ראשונית שמאיצה את החיבור ללוויינים. בנוסף המכשיר משתמש בחיישנים אינרציאליים כמו מד תאוצה וג'ירוסקופ. כשמאבדים את אות הלוויין אפליקציות הניווט משתמשות בחיישנים אלו כדי לחשב את מהירות הנסיעה וכיוון ההתקדמות. מכשירים מודרניים כוללים גם מד לחץ ברומטרי שעוזר לקבוע את הגובה האנכי וכך מסייע לזהות באיזו קומה נמצא המשתמש או להבחין בין נסיעה על גשר או בכביש שעובר תחתיו.

עם כל כך הרבה נתונים שמגיעים במקביל מלוויינים, אנטנות וחיישנים פנימיים, איך שירות המיקום של הטלפון מתמצא במידע, מארגן אותו ויוצר תמונת מצב חלקה ואמינה?

שילוב הנתונים מהחיישנים השונים לקבלת מיקום אמין נקרא התכת חיישנים. האלגוריתם המרכזי שמנהל את התהליך הזה הוא מסנן קלמן שפועל בלולאה מתמטית הכוללת שלב חיזוי ושלב עדכון. בשלב החיזוי החיישנים הפנימיים מודדים תאוצה קווית ומהירות זוויתית בקצב מהיר. האלגוריתם מבצע אינטגרציה על הנתונים האלו כדי לחשב את מיקום הרכב הנוכחי בהתבסס על המיקום האחרון הידוע בשיטה שנקראת ניווט משוער. בשלב העדכון האלגוריתם משתמש באות חיצוני כמו אות לווייני או נתוני רשת כדי לתקן את החיזוי של החיישנים.

הרגע הזה שנכנסים למנהרה: הקליטה החיצונית נחתכת לחלוטין, אז איך סמן הרכב עדיין ממשיך לעקוב אחרי הפניות שלנו בצורה כל כך מדויקת?

האלגוריתם בודק את רמת אי הוודאות של האות החיצוני. אם רכב נכנס למנהרה והאות פוסק או מציג שגיאות גדולות המסנן מזהה מיד שמשקל האות שואף לאפס ומחליט להסתמך לחלוטין על שלב החיזוי האינרציאלי. עם זאת חיישנים אינרציאליים צוברים שגיאת מדידה לאורך זמן בתופעה שנקראת סחיפה. אינטגרציה כפולה של שגיאת תאוצה מכוונת את המערכת לחשב מיקום שגוי תוך דקות ספורות. כאן נכנס לפעולה מנגנון התאמה למפה. האלגוריתם לוקח את החיזוי האינרציאלי וכופה עליו להתיישר אל ציר הכביש שמוגדר במפה. כשהג'ירוסקופ מזהה פנייה המערכת מחפשת את הצומת הקרוב במפה ומניחה שהנהג ביצע שם את הפנייה וכך שומרת על דיוק הניווט לאורך זמן גם ללא אות לווייני.

ומה קורה כשהמערכת עומדת למבחן במצבי קיצון? למשל, בזמן שיבושי GPS או כשאנחנו מנווטים בחניון תת-קרקעי עמוק?

אפליקציות ניווט מגיבות בצורות שונות בהתאם לזמינות הרשתות והחיישנים. במצב שבו תשתית הניווט הלווייני סובלת משיבושים אך קיימת תקשורת סלולרית והמפה טעונה במכשיר המערכת עוברת לניווט משוער ומיישמת התאמה למפה כדי לשמור את סמן הרכב על הכביש. התקשורת הסלולרית עוזרת לוודא שלא נוצרה סחיפה משמעותית. כשאין חיבור סלולרי אך קיימת קליטת לוויינים אפליקציות משתמשות במפות לא מקוונות או שומרות את המסלול בזיכרון המטמון וממשיכות להציג את ההתקדמות כל עוד הנהג שומר על הנתיב המתוכנן. בתרחיש של ניתוק מוחלט כמו נסיעה בחניון תת קרקעי האפליקציה מסתמכת בלעדית על החיישנים הפנימיים והמפה ששמורה בזיכרון אך השגיאה המצטברת הופכת למשמעותית תוך זמן קצר. כדי לפתור את הבעיה הזו במנהרות ארוכות מתקינים לעיתים משואות Bluetooth על הקירות המספקות לטלפון מיקום מדויק ומבטלות את תופעת הסחיפה לחלוטין.

נוסעים לעבודה ומוצאים את עצמכם בביירות?

בשנים האחרונות, המראה של סמן הרכב שלנו שקופץ פתאום למסלול המראה בנמל התעופה בביירות או בקהיר באמצע פקק באיילון, הפך לכמעט שגרתי. זה מעורר תהייה טבעית: איך קורה שאפליקציות הניווט החכמות והמתקדמות בעולם, אלה שיודעות לחזות כל עומס תנועה, פשוט מאבדות את הצפון? מתברר שמאחורי התופעה הזו מסתתר מאבק טכנולוגי.

קרה לכם שהמפה החליטה שאתם במדינה אחרת לגמרי? איך המערכת החכמה שלנו נופלת בפח ומשתכנעת במיקום הדמיוני הזה?

הסיבה שגוגל מפות ו-Waze מתקשות להתגבר על שיבושי ה-GPS הנוכחיים בישראל נובעת מכך שהן אינן מתמודדות עם חסימה פשוטה של האות, אלא עם התקפה מתוחכמת בהרבה הנקראת התחזות אות. במצב זה, המערכות הביטחוניות משדרות מהקרקע אות לוויינים מזויף, חזק ומסונכרן לחלוטין. עבור שבב ה-GPS בטלפון שלכם, האות הזה נראה מושלם מבחינה מתמטית ונקי מרעשים. מאחר שהשבב מתוכנת להאמין ללוויינים יותר מכל מקור אחר, ומדד חוסר הוודאות שלו נמוך מאוד, אלגוריתם מסנן קלמן משתכנע לחלוטין שהמיקום החדש, למשל נמל התעופה בביירות או בקהיר, הוא המיקום האמיתי, ובוחר להתעלם לחלוטין מחיישני התנועה הפנימיים שמנסים לטעון אחרת.

אבל רגע, האפליקציה הרי יודעת שאי אפשר לעבור מאות קילומטרים בשנייה אחת. למה היא אינה מתקנת את עצמה או משתמשת באנטנות הסלולר המקומיות שאנחנו קולטים כל כך טוב?

קפיצה פתאומית זו של מאות קילומטרים שוברת לחלוטין את מנגנון ההתאמה למפה, שנועד לתיקונים קלים בלבד בתוך תוואי הכביש המקורי. כאשר המרחק בין המיקום המשוער למפה הופך לבלתי הגיוני, האפליקציה מרימה ידיים ומציגה את אזור השיבוש. במצב כזה, גם החיישנים האינרציאליים אינם יכולים להציל את המצב לאורך זמן, שכן ללא נקודת עוגן אמיתית שתתקן אותם, השגיאה המצטברת שלהם הופכת אותם לחסרי תועלת בתוך דקות בודדות של נסיעה. בנוסף, אף על פי שהטלפון ממשיך לקלוט אנטנות סלולריות ורשתות אלחוטיות מקומיות בישראל, מערכות ההפעלה מתוכנתות להעניק עדיפות עליונה לאות הלווייני הנקלט, ובכך הן נופלות במלכודת האות המזוייף.

האם נגזר עלינו ללכת לאיבוד לנצח בזמן שיבושים, או שיש דרך ללמד את הסמארטפונים שלנו להבחין בין זיוף למציאות?

כדי לפתור את הבעיה, חברות הטכנולוגיה מנסות כעת לעדכן את אלגוריתמי התוכנה כך שיזהו קפיצות מיקום בלתי אפשריות ויסננו אותן באופן יזום. כאשר המערכת תזהה מעבר מיידי למדינה אחרת, היא תדע להתעלם מרכיב ה-GPS ותעבור להסתמך על איכון סלולרי ורשתות אלחוטיות מקומיות כדי לשמור על רציפות הניווט. במקביל, תעשיית השבבים פועלת להטמעת רכיבי תקשורת חסיני שיבוש שמסוגלים להבחין בזווית הגעת האות וכך לדעת אם הוא מגיע מהחלל או ממשדר קרקעי, פתרון שימנע את התופעה לחלוטין בדורות הבאים של המכשירים.

חתול ועכבר בחזית הטכנולוגית

הקפיצות המוזרות האלה במפה הן הרבה יותר מתקלה מעצבנת, הן עדות חיה להתנגשות שבין מערכות ביטחוניות מתקדמות לבין הטכנולוגיה האזרחית שבכיס שלנו. למרות התסכול הרגעי, מרגיע לדעת שהמוחות המבריקים בתעשייה כבר שוקדים על הפתרונות. בעתיד הלא רחוק, המכשירים שלנו יהיו חכמים מספיק כדי לזהות מתי מנסים לעבוד עליהם, ולהחזיר אותנו בבטחה למסלול. ועד שזה יקרה? זו תמיד הזדמנות טובה לרענן קצת את חוש הכיוון הטבעי שלנו!

איך שירותי המיקום מסתדרים במנהרה, במבנה ובניתוקים מהרשת?

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