קבוצת חוקרים ומהנדסים צעירים מחיל האוויר, מפא"ת, מב"ת (תע"א), הטכניון וחמ"ן הציגה בשבוע שעבר בכנס מיוחד באוניברסיטת ת"א מחקר היתכנות של מערך לוויני ניווט המבוססים על הפלטפורמה של הננו לוויין CUBESAT.

פרטים נוספים:

http://www.hayadan.org.il/israelspace300605.html

חשיפה ראשונה: GPS כחול לבן
קבוצת מהנדסים ישראליים מציעה לשגרם לווינים זעירים שיבצעו
את כל מה שעושים לוויני ה-GPS הגדולים
30.6.2005
מאת: אבי בליזובסקי


סיכום הרצאתו של רז טמיר, באירוע מיוחד שהתקיים באוניברסיטת ת"א, 28/6/05 לרגל הצגת תוכנית ללוויני הניווט זעירים. בכנס נטלו חלק גם מנהל סוכנות החלל הישראלית, צבי קפלן, המנהל הקודם אבי הר-אבן, ד"ר נוח ברוש ועוד רבים מבכירי תעשיית החלל.


מבוא: מהם לוויני CubeSat
CubeSat הם לווינים זעירים בעלי תפקוד מלא. מדובר בלווינים בגודל 10 על 10 על 10 (כאשר בכל יחידת איחסון על המשגר ניתן להציב 3 לווינים או לווין אחד בגודל 10 על 10 על 30. תמורת סכום של 3,500 דולרים ניתן לרכוש את הלווינים המוכנים ככוללים מחשב, מערכת הפעלה ומשדר. רק להוסיף מטען מועיל (מטעד) ולשגר (מה שמוסיף עלות של לפחות 40 אלף דולר).
תקן הפיקו-לווניים מדגם CubeSat
הלויינים בגודל 10 על 10 על 10 סנטימטרים ובמשקל 1 קג, הפך כיום הבסיס לאחד ממשפחות הפיקו לווינים המקובלות. במקור הוצע התקן על ידי פרו'פ בוב טוויגס מאוניברסיטת סטנפורד ומאוחר יותר פותח בשיתוף עם פרופ' ג'ורדי פויגסוארי Jordi Puig-Suari באוניברסיטה הפוליטכנית של קליפורניה וסאן לואיס אובסיפו. לרמות הדגש על פשטות ומחיר נמוך, תקני CubeSat נותנים מענה לכל הנושאים הקריטיים הנדרשים להצלחת המשימה, החל מהממד החיצוני של הלווין ועד למשגר ה- P-POD, כדי לבצע ניסויים ותהליכי אינטגרציה.
בהשוואה למשימות הלווינים העולות מיליוני דולרים רבים, לפרויקטי CubeSat הם בעלי פוטנציאל לשותפויות חינוכיות ולהטמעה מוצלחת במשימות מדעיות ותעשייתיות במחיר הרבה יותר זול.

טמיר: "כשחזרתי מכנס הלווינים הזעירים בשנה שעברה שאלתי האם כדאי לעשות תחרות בין האוניברסיטאות בארץ למציאת שימושים ללוין. אחד הרעיונות היה לחוש ברעידות אדמה כמה שעות לפני שהן קורות, יש השערה שלפני רעידות האדמה יש השפעה על השדה המגנטי של כדור הארץ. נשלחו כמה לווינים שביקשו למצוא את המתאם הזה.
"במקום לבזבז משאבים וזמן על פיתוח הלווין, השיקול הוא שיש כבר לווין מתפקד וצריך לחשוב איזה מטען מדעי מציבים בתוכו."
בסופו של דבר התגבשה קבוצה של כ-15 מהנדסים המקדישים לכך את זמנם הפנוי. מדובר באנשים העובדים במבת, מת"א, משרד הבטחון, חיל האוויר ורפאל. המשימה של הצוות היא לבנות רשת GPS המבוססת על הלווינים הללו.


כיצד פועלים לוויני GPS
"לווין GPSמשגר קרן ובודק את המרחק שלו לכדור הארץ. אם יודעים היכן נמצאים 4 לווינים כאלה, פותרים ארבע משוואות עם ארבעה נעלמים ויודעים היכן אנחנו נמצאים (אם גי זה הולך ומסתבך בגלל דופלר ועוד כמה דברים. בעיקרון לווין GPS הוא שעון מעופף. הטענה שלנו היא שלווין קטן יכול לעשות אותן פעולות כפי שעושה לווין GPS גדול. בלווין ה- CubeSat יש תאים סולריים – שתי אנטנות שהן אנטנות GPS ובתחתית יש רטרו רפלקטור – כל קרן אור שפוגעת בו מחזיר בדיוק לכיוון שהיא באה. הלווינים הללו יכולים להחליף כל אחד לווין שהגודל שלו חדר והמשקל שלו 500 קילוגרם. מטרתנו היא לפשט את המערכות שעל הלווין ולהוריד לתחנות הקרקעיות את מה שלא צריך להיות על הלווין.

ללווינים הנוכחיים יש יכולת להאזין לכדור הארץ והשעון שלהם מדויק ומתעדכן. אצלנו לעומת זאת, הלווין חרש. אנחנו צריכים לבצע תיקונים לנתוני המיקום של הלווינים, לרבות הסחיפה שלהם, בכדור הארץ. לשם כך משתמשים בתחנת SLR – SATLITE LASER RAGING. התחנות משדרות קרני לייזר ופוגעות בלווין וכך הן מקבלות נתון על מיקומו. על ידי זה שאני קולט אותו ויודע איפה הוא נמצא אני יודע גם מה הסטיה של השעון. באותה תחנה קרקעית משערכים את הסחיפה שלו מהמיקום (בגלל גרר ופעילות השמש והירח). את המידע הזה אנחנו משדרים במקום ללוין עצמו, אל יחידות הקצה. אם יש לי מקלט של GPS אני משדר את המידע אליו או בעזרת לווין תקשורת או בעזרת האינטרנט. במקום שקובץ התיקון יהיה על הלווין, משודר קובץ תיקון קטן מאוד אל יחידת הקצה. מרגע זה יחידת הקצה מבצעת את אותה פעולה כמו קודם, רק שהיא משתמשת בקובץ התיקון שנמצא אצלה ולא משודר מהלווין. הלווין לא צריך לדעת היכן הוא נמצא. הוא משדר לכל הכיוונים והקליטה על הקרקע נעשית על ידי היחידה.

הלווין כולל מד שמש –כדי שיכוון את עצמו כך שהתאים הסולריים יפנו לעבר השמש. היות והלווין צריך לסובב את עצמו לשמש הוא נעזר בשטף המגנטי של כדור הארץ. ברגע שאני מעביר חשמל בסליל הוא הופך להיות מגנטי ומנסה להתיישר עם השדה המגנטי. בכל לווין כזה יש סוללה (הנטענת ביום והמשמשת להפעלת הלווין בשעות הלילה), משדר, רפלקטור וכמובן מחשב. וכן רכיב המבקר את קצב הסיבוב של הלווין.


למה צריך עוד מערכת GPS?
כידוע הרוסים, האירופים והסינים מתכננים שיגור מערכות לוויני ניווט. טמיר מנה שתי סיבות למה אפשר להוסיף עוד. האחת: הסרת התלות באמריקנים שעלולים בעת מלחמה לשתק ולו גם אזורית את פעילות מערכת ה-GPS שכבר כולם תלויים בה מצד אחד להפעלת כלי נשק, ומצד שני גם לסיוע לכוחות החילוץ. בנוסף יש יתרונות. סיבה שניה: לווינים עוברים שלשידור בשני תדרים. שכבת היונסוספירה מכילה מולקולות טעונות המגיבות עם הגל האלקטרומנגנטי, דבר הגורם להאטה או האצה של הגל. שידור בכמה גלים ומכמה לווינים יאפשר הורדת הטעות מ-10 למטר למטר אחד. המערכת שלנו מתוכננת מראש לשדר ב-2 תדרים.
"סיבות נוספות: אנחנו יכולים להוסיף למערכת משימות שונות –חיזוי רעידות אדמה, אנחנו בכל מקרה מודדים את השדה הגמנטי של כדור הארץ כדי לכוון את הלווין. אפשר להוסיף משימות מדעיות ובנוסף, אין מניעה, שאם אשים מצלמות זעירות על כל הצדדים של הקיובסטים אפשר לקבל תצלומים שוטפים של כדור הארץ ברזולוציה נמוכה."

"רצינו לענות על השאלה האם יש למערכת כזו זכות קיום או לא? לפיכך לא המשכנו לתכן הסופי אלא התמודדנו עם השאלות הבסיסיות: באיזה גובה להציב את הלווינים, איך נספק את המידע המדויק בדבר הסטיות של הלווין מבחינת מיקום ומבחינת שעון. האם אפשר להגיע לכיסוי כולל אם אין ללווינים מערכת הנעה והם עלולים להסחף לאיזור אחד ולהשאיר חלקים גדולים מכדור הארץ לא מכוסים, מה ההספק הנדרש, כיצד שומרים על המסלול, וכיצד שומרים על הלווין מבחינה תרמית. :


באיזה גובה להציב את הלווינים?
"כמו מערכת GPS אנחנו רוצים לכסות שטח גדול ככל האפשר (עד רוחב 60), להפעיל מספר מינימלי של תחנות קרקעיות ולשמור על הקונספט של תחנה קרקעית חכמה, לווין טיפש). הלווין צריך להתרגל לסביבת החלל – משרעת מאוד קיצונית של טמפרטורות כי אין הסעה של החום. הלווין נמצא בתוך השדה הגמנטי של כדור הארץ, הקרינה הנפלטת מהשמש והקרינה הקוסמית. אנחנו צריכים לעשות חלופה בין כל מיני שיקולים. אני רוצה שהלווין יהיה גבוה, כי אין לו מערכת הנעה. מצד שני ככל שאני עולה, ההספק הנדרש גדול יותר. אני רוצה להיות מתחת לחגורת ון אלן , ככל שאני גבוה יותר אני מכסה יותר מכדור הארץ ויכול להסתפק בפחות לווינים. מספר הלווינים גורם לבחירה בגובה גבוה, קרינה , גרר – גבוה, הספק – נמוך. בסוף החלטנו על 850 קילומטרים.

כמה לווינים?
טמיר: "חישבנו תחילה האם תספיק קונסטלציה של 10 לווינים בכל אחד מ-10 מסלולים עד קו רוחב 60 מעלות. לסידור הזה קוראים קונסטלצית ווקר. הצלחנו עם 10 מסלולים ו-10 לווינים בכל מסלול ורצינו לראות אם דבר כזה יכול לספק מה שאנחנו רוצים. משמעות הדבר: להציב 100 לווינים בגובה של 850 ק"מ, כך שניתן כיסוי של 4 לווינים בכל רגע, ב-85% מהזמן. ביצענו סימולציה והגענו למסקנה שצריך 12 מישורים ו-12 לווינים בכל מישור כאשר הלווין מתחיל לפעול כשהוא בגובה של 5 מעלות מעל האופק אם היינו עולים בגובה ל-7,000 גם עם 6 לווינים ב-6 מסלולים יש כיסוי מלא.
הבעיה תיפתר במדויק, אם נמשיך בתהליך. בינתיים הסתפקנו בכך."


מה בדבר דיוק השעונים?
טמיר: "הלווין הוא שעון. ככל שיהיה לי שעון יותר מדויק בלווין אוכל לדעת בודאות יותר גדולה את המרחק. שעונים הנמצאים על לוויני GPS הם שעוני צזיום המגיעים לדיוק של 10 במינוס 13. יש היום למכירה באינטרנט שעונים של 10 במינוס 12 לכל היותר, מבוסס על אטומי ריבידיום. בשעונים אלה אני יכול להרשות לשעון להסחף פחות משעה ולפיכך חייבים לעדכן את השעון כל 50 דקות. יש היום שעונים אטומיים של 10 בחזקת מינוס 13 ביחידות של סנטימטרים בודדים. ההערכה היא שעד שיגיע מועד השיגור הטכנולוגיה תבשיל.

הספק
"הלווין צורך 12-14 ואט לתפעול שלו, כולל המחשב, השידור והטענת הסוללות לקראת הלילה. בחנו כמה תצורות. תצורה סגורה מספקת את אותם 14 ואטים, עם פאנלים עם נצילות של 14%. היות וזה לא מספיק כי צריך גם לאגור אנרגיה לשעות הלילה אנחנו צריכים להגדיל את שטח הפנים ומכוונים אותו מול השמש. בתצורה הזו אנחנו מסוגלים לספק 25 ואט.

הפרשי טמפרטורות
הפרשי הטמפרטורות מצד לצד הם גבוהים. אבל מכיוון שהלווין קטן, קרינת השמש, הקרינה המוחזרת מכדור הארץ וההספק הפנימי מביאים את החום המרבי ל-35 מעלות ביום ו-4 מעלות בלילה, בדיוק איזור המחיה של המערכות החשמליות שלנו. יתכן שנצטרך אמצעים לבקרה תרמית אבל אלה יהיו אמצעים פאסיביים. לא נצטרך להפעיל גופי חימום או לסלק את החום.

תחנת הקרקע
תחנת SATELITE LASER RANGING יורה לייזר ירוק בתחום הנראה. יש תחנות כאלה למכירה. התחנה יורה ללווין קרן לייזר והיא יודעת לשערך איפה היה לווין בכל רגע. דיוק של עשרות סנטימטרים. אני יודע לחזות ללוין בעוד חמש שעות. שתי תחנות כאלה, אחת בכל קצה של כדור הארץ אני מסודר היטב. זה נותן מענה לסחיפות המסלול , לא לסחיפות השעון. התחנות לסחיפת שעון הרבה יותר פשוטות אלה תחנות בעלות שעון מדויק שקולטות את הלווינים. אני יודע את הזמן שלי והמיקום שלי ולכן אני יכול לפתור משוואות אחרות ולחשב בעזרתם את מיקום הלווין.

שיגור
"הלווין והשיגור עולים 50 אלף אבל זה נכון אם מוכנים להתפשר על מסלול שמישהו אחר בחר, דבר שמתאים אולי לניסוי, אך לא למערכת מבצעית. שיגור מוכוון עבורנו הוא מאוד יקר. ונבחנות שתי חלופות –אוקראינית וישראלית.
בחנו את משגר דניפר, ששיגר עד כה 15 קיובסטים בשני שיגורים שונים כטרמפיסטים. בתחילה נעשה דבר כזה, נעלה על שיגור קיים כטרמפיסטים, נביא לארץ תחנת SLR ניידת, נבצע את המדידות על 5 לווינים. אם נרצה את המערכת בפריסה מלאה, נשגר כמו שצריך. משמעות הדבר העא לשגר את הטיל למסלול של 850 קילומטר, השלב השלישי שלו משאיר לווין אחד, עולה גובה, מבצע 3 הקפות, יורד בחזרה ומוריד לווין שני. שוב עולה. תוך 9 שעות מציבים כך עשרה לווינים. כבר עשו שיגורים כאלה שבהם הציבור קונסטלציות לווינים. במקביל לפעילות של הקבוצה שלנו, אני גם מדריך בסמסטר הזה קבוצה של סטודנטים בטכניון שמטרת הפרויקט שלהם היא להגיע בסוף סמסטר אחד לתכנון ראשוני של המערכת, בתוך שנה לתכנון קריטי ואחרי שנתיים אולי להגיע למצב שהטכניון ירכוש כמה יחידות כאלה וישגרם.
במלמ היה תכנון של משגר דומה. ישבה קבוצה של סטודנטים שחישבה אפשרות לשגר גם לשגר ממטוס. בשלב העליון יש מערכת המורכבת ממנוע ובצדדים שלה יש 10 פיפודים. אותם פיפודים מכילים כל אחד לווין. השלב הזה מוכנס למסלול ומבצע את אותו התרגיל שיכול לבצע הדניפר. המחיר עדיין לא ידוע.

המסקנות – המערכת אפשרית. עוצמת השידור לטווח של 3,000 קילומטר היא 4 ואט. בלבד. משקל הלווין במקרה הגרוע 4.5 ק"ג. אפשר אפילו לרדת בקילוגרם. מגיעים לדיוק של 24 מטר, וניתן לשפר אותו על ידי שימוש בשני תדרים.

הקבוצה ממשיכה להתכנס ומנהל סוכנות החלל הישראלית, צבי קפלן, גם הבטיח לסייע לה לקדם את הפרויקט כדי לבצע בחינה הנדסית מעמיקה יותר.

גם כשלא היה הרבה, היה לנו הכל