מערכת ניווט לוויינית לאירופה

אירופה עובדת על מערכת ניווט לוויינית בשם "גליליאו", שתשחרר את האירופים מתלות ב-GPS האמריקאי ותחזק את מעמדה כשחקן מרכזי בתחום החלל

מערכות לניווט באמצעות לוויינים קיימות זה למעלה מעשרים שנה, והידועה שבהן היא מערכת האמריקנית, GPS (Global positioning system). GPS החלה את דרכה כמערכת צבאית לקביעת מיקום מדויק של צוללות וכלי שיט אחרים של הצי האמריקני, וחלחלה אל חיי היומיום של רבים מאיתנו – עד ליישום של ניווט לווייני בטלפון נייד.

מערכת מקבילה ל-GPS האמריקנית הוקמה בברית-המועצות – מערכת GLONASS. גם סין פורשת בחלל לווייני ניווט (תכנית Beidou), והודו מפתחת את GAGAN, מערכת ניווט לתת-היבשת ההודית. נוסף על כך מפתחת אירופה מערכת ניווט לוויינית משלה, הקרויה גליליאו (Galileo).

מערכת הניווט האירופית גליליאו נמצאת בשלבים ראשונים של פיתוח, וכעת פועלים בחלל שני לוויינים המשמשים לבחינות ולהדגמות טכנולוגיות. נתאר כאן את מערכת הניווט הלוויינית של אירופה, ונבחן כמה סוגיות יסוד הקשורות בה, ומעוררות שאלות בקרב קהילת החלל בעולם – למשל הרעיון לגבות מהמשתמשים במערכת תשלום (שאר מערכות הניווט הלווייניות אינן גובות תשלום מהמשתמשים, למעט שירותים מיוחדים כגון GPS דיפרנציאלי, וראו מדור זה,"חקלאות מדויקת – מהחלל", "גליליאו" 118).

מהי מערכת ניווט לווייני?

מערכת ניווט לווייני עושה שימוש בכמה עשרות לוויינים הנעים במסלולים נמוכים סביב כדור-הארץ. לוויינים אלה משדרים באמצעות גלי רדיו נתונים שונים אל עבר כדור-הארץ – קוד זיהוי של הלוויין, האלמנטים המסלוליים שלו וזמן מדויק, הנמדד באמצעות שעון אטומי המותקן בלוויין.

מקלֵט המצוי על כדור-הארץ (ברכב, כלי שיט, מטוס או אמצעי לחימה, או מוחזק ביד אדם) מחשב את המרחק בינו לבין הלוויינים הזמינים באותה עת, ובאמצעות טריאנגולציה אל הלוויינים מזהה את מיקומו.

נחוצים שלושה לוויינים לפחות על מנת למדוד מיקום על פני השטח, וארבעה לוויינים להשגת מידע גם על הגובה שבו נמצא המקלֵט. בדרך-כלל, המקלטים קולטים מספר גבוה יותר של לוויינים בכל עת נתונה, עובדה המשפרת את הדיוק.

על גליליאו

מערכת גליליאו מיועדת לשמש כמערכת הניווט הלווייני של אירופה, בהפעלה אזרחית לחלוטין (בניגוד למערך לווייני GPS או GLONASS, שאותם מפעילים גורמי ביטחון בארצות-הברית וברוסיה, בהתאמה). המערכת תציע שילוב מלא עם מערכות GPS ו-GLONASS, לשם הגדלת זמינות האותות מן הלוויינים וכן להשגת שיפור בדיוק המדידה.

החידוש בלווייני גליליאו הוא שידור בו-זמני בשני תחומים של גלי רדיו, היבט טכני שיוכל לתת דיוק ברמה של כמטר אחד, דיוק גבוה יותר מזה המוצע למשתמשים הרגילים של מערכת GPS למשל. השילוב עם מערכות ניווט לווייני אחרות יאפשר למשתמשים בגליליאו זמינות כמעט בלתי מוגבלת של איכון מיקום – למעט תנאים חריגים ביותר. המערכת האירופית גם תיידע את המשתמשים בתוך שניות על כשל בלוויין השייך למערכת.

זהו יישום חשוב במיוחד למשימות שבהן למיקום המדויק חשיבות רבה – למשל לניטור של תנועת רכבות, להנחתה של מטוסי נוסעים ולהנחיית אמבולנסים ורכב הצלה אחר. מערכת גליליאו, לכשתושלם, תכלול 27 לוויינים פעילים ועוד שלושה לוויינים רזרביים – לוויינים שישייטו במסלוליהם בחלל אך יהיו במצב "שינה" וישמשו גיבוי ללוויינים אחרים אם יתגלו בהם כשלים. בגלל הגובה הנמוך יחסית של לווייני הניווט, אורך חייהם אינו גדול במיוחד, ולכן יהיה צורך לתחזק את מערכת גליליאו בשיגורים תכופים של לוויינים חלופיים.

השאלה מדוע נכנסת אירופה ל"הרפתקה" היקרה של בניית מערכת ניווט לווייני, בעת שהיא יכולה לעשות שימוש במגוון המערכות האחרות הקיימות היום, היא שאלה מרכזית. התשובה לשאלה מורכבת, וחלקים ממנה זוכים לביקורת בלתי מבוטלת בקרב קובעי המדיניות באירופה, בעיקר בשל העלויות האדירות של המיזם והחריגות בלוח הזמנים שלו. באתר האינטרנט של המיזם מוצגות סיבות רשמיות לקיומו. מטבע הדברים, אלה הסיבות שעליהן הוסכם בין חברות האיחוד האירופי ושנוסחו לאחר בחינה מדוקדקת. יש להתייחס לגורמים שיפורטו כאל "הצהרת הכוונות" הרשמית של המיזם.

עצמאות ואי-תלות במערכות האמריקנית והרוסית

מערכת ה-GPS האמריקנית וה-GLONASS הרוסית הן מערכות צבאיות. במצבים מסוימים יוכלו מדינות אלה להגביל את השימוש בלוויינים לכוחותיהן, או אף לכבות לוויינים בעת שיחלפו מעל אזור מסוים; למרות שהסבירות לכך אינה גבוהה, אירופה מעוניינת להשיג עצמאות בניווט מבוסס-לוויינים. כיוון שניווט לווייני הפך זה כבר לשיטת הניווט הנפוצה והחשובה ביותר בתחום התחבורה הימית, האווירית והיבשתית, הנזק לכלכלה אם יכובו לווייני ניווט יהיה עצום. יש להוסיף לכך את הסכנות הבטיחותיות במקרה של מערכות להסעת המונים, כגון רכבות ומטוסים.

רמת דיוק גבוהה יותר. השילוביות עם מערכות ניווט לווייני אחרות תקנה יתרון לגליליאו, שכן רמת הדיוק תהיה גבוהה יותר, גם באזורים עירוניים (שבהם יש הסתרות של מבנים המפריעים לאותות הרדיו) ובעת שהלוויינים חולפים קרוב לאופק.

תמיכה טובה יותר במשתמשים. לווייני גליליאו ימוקמו בחלל במסלולים בעלי נטייה גדולה יותר לקו המשווה של כדור-הארץ לעומת המערכות של ארצות-הברית ורוסיה, ולכן יוכלו לתמוך בצורה טובה יותר במשתמשים בקווי רוחב צפוניים.

הגורם הכלכלי. על-ידי יצירת מערכת ניווט לווייני אירופית יוכלו תעשיות החלל, יצרני ציוד הקצה (מקלֵטים) וחברות רבות ליהנות מרווחים נאים, ולפתח תחומים עסקיים שונים.

עצמאות היא מילת המפתח להבנת הצורך האירופי במיזם זה. אפשר לראות הקבלה מסוימת לשני מיזמי ענק אירופיים נוספים – איירבאס (Airbus, תאגיד אירופי לייצור מטוסי נוסעים) ואריאן, התכנית לפיתוח משגר הלוויינים האירופי. אירופה מעוניינת – מסיבות מדיניות וכלכליות כאחד – באי-תלות בארצות-הברית או ברוסיה בתחומי מפתח, ובכלל זה בניווט לווייני.

ההשפעה הפוליטית ואלמנט היוקרה אינם נעלמים כמובן מראשי האיחוד האירופי שהובילו את המהלך לייזום מערכת גליליאו. בבחינה של מדיניות החלל האירופית, אפשר לראות בשנים האחרונות מיצוב של אירופה כשחקן מרכזי בתחום החלל, הפועל באופן עצמאי, תוך שיתוף פעולה עם ארצות-הברית, רוסיה וסין, לפי הצרכים האירופיים. יצירת נדבך חללי נוסף של עצמאות אירופית תחזק את אירופה כשחקן מוביל בתחום החלל בעשורים הקרובים.

פיתוחים טכנולוגיים הקשורים בגליליאו

על מנת להשיג עצמאות בתחום הניווט הלווייני, החליטה הנהלת מיזם גליליאו לפתח את כלל הרכיבים הנדרשים לשילוב בלוויינים עצמם, ובהם שעון אטומי מדויק המבוסס על רובידיום ומייזר מימן פסיבי (ראו הסבר להלן). הטכנולוגיות הדרושות לבניית רכיבים אלה הן מורכבות, ויש בהן כדי להשפיע בצורה חיובית על העברת טכנולוגיות לתחומי מחקר, פיתוח וייצור במגזרים שונים, ולהוות מנוע צמיחה כלכלי. בלווייני גליליאו יותקנו שני מכשירים מדויקים למדידת זמן – תנאי יסוד לקיום מערכת ניווט לווייני. את שני המכשירים מפתחות חברות אירופיות.

שעון אטומי המבוסס על רובידיום. שעון אטומי הוא שעון המבוסס על מעברים בין רמות אנרגיה אטומיות, היוצרים אות מחזורי בעל תדירות שהשינויים בה נמוכים ביותר. שעונים אטומיים הם השעונים המדויקים ביותר שנבנו עד כה, והם משמשים למגוון נרחב של יישומים, לרבות מערכות ניווט לווייני. חלק גדול מהשעונים האטומיים יוצרים תדר ידוע, ומונה המותקן במכשיר סופר את מספר המחזורים באות השעון וכך מצליח למדוד זמן בדיוק רב. השעון האטומי שפותח באירופה עבור לווייני גליליאו מבוסס על אטומי רובידיום, ודיוקו גבוה – סטיות של מאיות מיליונית השנייה ליממה. שני שעוני רובידיום הותקנו בלוויין ההדגמה הראשון של גליליאו, GIOVE A.

שעון מייזר מימן פסיבי. שעון זה הוא הראשון מסוגו ביישומי חלל. שעון זה מותקן בלוויין ההדגמה השני של מערכת גליליאו, GIOVE B. קרן מייזר היא אלומת קרינה מרוכזת של גלים מילימטריים ותת-מילימטריים. ניסויים שבוצעו באמצעות השעון הראו כי הוא המדויק ביותר שהותקן עד כה בלוויין כלשהו. פיתוח שעון זה נעשה בשווייץ.

טכנולוגיות חדשניות נוספות נבחנות עבור מיזם גליליאו – תוך הזרמת תקציבים גדולים לתכניות מו"פ ברחבי אירופה. בדרך זו מנסים האיחוד האירופי והנהלת מיזם גליליאו לייצר גירויים מדעיים וטכנולוגיים רבים, שישולבו במיזם, מחד גיסא, ויניעו פיתוחים חדשניים במגוון תחומים ויישומים מאידך גיסא.

הוכחת המערכת בתנאי חלל. מהנדסי מערכת גליליאו ביקשו לבחון בתנאי אמת – בחלל – את הלוויינים ומערכותיהם השונות, בטרם ייבנו וישוגרו עשרות לווייני המערכת. זוהי גישה חדשנית בתחום החלל, אשר אינה מסתמכת רק על בחינות קרקעיות של רכיבי הלוויינים במעבדות ובמתקני ניסוי המדמים את סביבת החלל.

זו שיטה יעילה מאוד אך יקרה, ואולם, כיוון שהאיחוד האירופי עצמו עומד מאחורי המערכת והיא מוגדרת כמיזם מרכזי שלו, אפשר לבצעה. (בהקשר זה נזכיר את האפשרות לנסות בתנאי חלל רכיבים ומערכות תוך שימוש בננו-לוויינים – וראו "לוויין קטן שלי", במדור זה, "גליליאו" 117).

הלוויין הראשון שנועד לבחון את התכנון ואת הביצועים נקרא GIOVE A, מתוצרת חברת הלוויינים הקטנים SSTL מבריטניה. לשיגור לוויין זה היתה חשיבות נוספת – הבטחת תחום התדרים שהוקצה למערכת על-ידי ITU – הגוף המתאם ומקצה את התדרים ללווייני תקשורת וניווט. אילו אירופה לא היתה מצליחה לשגר לחלל לוויין ראשון ממערכת גליליאו, היה תחום התדרים המוקצה לה עלול לעבור לרשות גורם אחר.

שילוב התעשיות האירופאיות במיזם

בהזדמנויות רבות – בעיקר בכנסים מדעיים שונים – מדגישים ראשי תכנית גליליאו, כי יש ברצונם לשלב תעשיות אירופיות שונות במיזם, מעבר לבניית הלוויינים. כך, למשל, בוחנות כמה יצרניות מכוניות באירופה שילוב של אנטנה לקליטת לווייני גליליאו כחלק אינטגרלי מגג המכונית. פיתוח אנטנות אלה יועיל לתקשורת לוויינית מתקדמת, להעברת נתונים ולניהול מערכות תחבורה חכמות. תכניות החומש של האיחוד האירופי, העוסקות במו"פ, מזמינות הצעות להצגת שימושים ויישומים שונים למיזם גליליאו.

חריגות בלוח הזמנים ובמחיר מעיבות על תכנית הדגל של אירופה בתחום החלל. נוסף על כך, מחקרים שפרסמו גופי ניתוח כלכליים מראים שהנחת היסוד של תכנית גליליאו – האמורה לספק שירותים בתשלום – אופטימית מדי: קשה להניח שמשתמשי הקצה של גליליאו ישלמו עבור שירות הניתן כיום חינם, אלא אם הוא יהווה קפיצת מדרגה של ממש.

לרוב המשתמשים, הנוהגים ברכב למשל, הדיוק של מערכת GPS האמריקנית מספיק. ואולם, למשתמשים מיוחדים, דוגמת חקלאים, מודדים וחברות העוסקות בתחזוקה ובהנחת תשתיות תת-קרקעיות – שירות ברמה הצפויה ממערכת גליליאו יהיה בבחינת שירות שכדאי לשלם עבורו. מי צודק – הנהלת המיזם או המבקרים? ניאלץ להמתין ולהיווכח.

מתוך גלילאו, גליון 121, ספטמבר 2008