לוויין קוד פתוח

בתחילת 2010 ישוגר לחלל ננו-לוויין במשקל של 3 ק”ג בלבד אשר פותח ומיוצר על-ידי עמותת INSA הישראלית. הוא ישמש כתחנת ממסר לחובבי רדיו, כמעבדה גנרית זולה לבדיקת רכיבי חלל חדשים, ויפתח עידן חדש של לוויינים שיתופיים במתכונת של קוד פתוח

הכתבה פורסמה בגליון האחרון של כתב העת WAVETECH

ההתנגשות בין לוויין תקשורת רוסי לא פעיל לבין לוויין תקשורת של אירידיום בתחילת חודש פברואר, המחישה את הבעיה הגדולה ביותר של תעשיית החלל: תקלה במהלך משימה היא כמעט בלתי ניתנת לתיקון. במקרה יוצא דופן זה ההתנגשות הסתיימה בטוטל-לוס, אולם גם במקרים של תקלות אחרות, לעתים פעוטות בקנה מידה של כדור הארץ, משימת החלל מסתיימת באסון.

מסיבה זו קשה מאוד לשלב רכיבים חדשים או טכנולוגיות חדשניות בתעשיית החלל. כל גוף הפועל בחלל, ממשלתי או מסחרי, מעדיף להשתמש ברכיבים שנוסו והוכחו בחלל לפני שיתקין אותם על פלטפורמה אשר שיגורה יעלה עשרות ומאות מיליוני דולרים.

רעיון חדש שהגתה העמותה הישראלית ללוויינות זעירה – INSA) Israel Nano Satellite Association) בישראל עשוי לשנות מציאות זו. בתחילת שנת 2010 תשגר העמותה לחלל לוויין ישראלי חדש ויוצא דופן: ננו-לוויין השוקל 3 ק”ג בלבד ואשר ישמש כפלטפורמה זמינה וזולה המאפשרת לשגר רכיבים לחלל, לבדוק אותם בתנאי אמת ולהעניק להם אישור Space Proven, אשר יפתח בפניהם את שוק החלל העולמי.

לוויין לפי דרישה

המושג ננו-לוויין אינו המצאה ישראלית. לרוב, מסווגים את הלוויינים לשלוש קבוצות עיקריות. מיני-לוויינים מרכזיים השוקלים 100 ק”ג עד טון. מיקרו-לוויינים השוקלים מ-10 עד 100 ק”ג, ננו-לוויינים השוקלים 1-10 ק”ג, ופיקו-לוויינים השוקלים מ-100 גרם ועד 1 ק”ג.

העניין בננו-לוויינים גבר לאחרונה, לאחר שסין ביצעה ניסוי להשמדת לוויין בחלל בינואר 2007, וארצות הברית ביצעה ניסוי דומה בפברואר 2008. שני הניסויים דחפו את ארה”ב להגביר את המאמצים להקניית יכולת תגובה מהירה. כלומר, שיגור מהיר לפי דרישה של לוויינים קטנים וזולים.

הלוויין הישראלי מתאים אומנם להגדרה זו: פיתוחו עולה לא יותר מחצי מיליון דולר והוצאות השיגור נחשבות זעומות בהשוואה לפרויקטי חלל אחרים, אולם הוא נועד להשיג יעדים אזרחיים: פיתוח פלטפורמה של “מעבדת חלל” לבדיקת רכיבים מהמדף, פיתוח דור חדש של חובבי רדיו בישראל, בדיקת שיטות טלמטריה שונות והשגת יעדים חינוכיים כמו מעורבות פעילה של סטודנטים ותלמידי תיכון בפרויקט חלל אמיתי.

מעבר לכך, הלוויין מפותח במתכונת של קוד פתוח ובכך מביא בשורה מהפכנית לתעשיית החלל העולמית. העמותה פותחת את מפרטי הלוויין בפני כל גוף המעוניין בכך, על-מנת ליצור קהילה שיתופית בדומה לקהילת הקוד הפתוח אשר יצרה מהפיכה בתעשיית התוכנה. היא גם מאפשרת לחובבי רדיו מכל העולם להשתלב במערך קליטת נתוני הטלמטריה ומעמידה אותו לרשותם כתחנת ממסר גלובלית.

שיתוף פעולה ישראלי

עמותת INSA הוקמה בשנת 2006 על-ידי קבוצה של כ-15 עובדים מתעשיית ההיי-טק והחלל הישראלית מחברות דוגמת תע”א, רפאל, חברת חלל תקשורת, HP-אינדיגו ועוד. העמותה נתמכת על-ידי התע”א, המאפשרת לה להרכיב את הלוויין במפעל מבת ומסייעת לה במימון חלקי.

שניים ממובילי הקבוצה, מידד פריינטא ורז טמיר, העובדים בתע”א, סיפרו ל-WaveTech על הרעיון מאחורי הלוויין. פריינטא מחטיבת חלל של מפעל מבת משמש כדובר הקבוצה וכמהנדס מערכת של הלוויין. היה בצוות הנדסת המערכת של עמוס 2 ומהנדס המערכת הראשי של הלוויין הישראלי צרפתי Venus ולוויין התקשורת עמוס 3. ד”ר רז טמיר, מייסד ומנכ”ל INSA, משמש כיום כראש תחום ננו-לוויינים במפעל מבת חלל של התעשייה האווירית.

טמיר: “עד כה הגיע רוב המימון מהתעשייה האווירית. חלק מהמקטע הקרקעי ממומן על-ידי עיריית הרצליה. עלות הרכיבים מסתכמת בכ-150 אלף דולר, כאשר שעות העבודה של חברי העמותה במתקני התע”א נעשות בהתנדבות. הלוויין ישוגר כמטען נלווה (Piggy Back) בשיגור של מטעד מסחרי גדול, ככל הנראה על-גבי משגר הודי או רוסי. עלות השיגור מוערכת בכ-200 אלף דולר, וכיום אנחנו מנסים לאתר תרומות למימון השיגור”.

במובנים רבים, תעשיית החלל כבר נהנית מפירות הפרויקט. הוא הצליח לגרום לשיתוף פעולה בין מהנדסים מתע”א ורפאל, ובעקבות הלקחים העולים ממנו בוחנת כיום התע”א כניסה לתחום הננו-לוויינים.

חובבי רדיו צעירים

לדברי פריינטא, תחנת השליטה הראשית תפעל מהמרכז למדעים בהרצליה. גוף זה מאגד בתי ספר תיכון מהאזור, כאשר התלמידים במגמת החלל בראשות ד”ר אנה הלר יבנו בכוחות עצמם מערך קליטה המבוסס על מוצרים מסחריים שמהם “הופשטו” מעגלי התקשורת. כבר היום מעורבים בפרויקטי העמותה יותר מ-300 תלמידים יהודים וערבים. “כל אחד מהם הוא נכס, ורבים מהם יצטרפו בעתיד לתעשיית החלל הישראלית”.

כיצד יתחברו חובבי רדיו מהעולם אל הלוויין?

פריינטא: “כל חובב רדיו בעולם יוכל להוריד מהאתר שלנו (www.insasite.com) קובץ exe שיפענח את הטלמטריה מהלוויין ויאפשר לשלוח אלינו את הנתונים באינטרנט. מהנסיון שנצבר משיגור הלוויינים Genesat ו-Cubesat של נאס”א, שיתוף הפעולה של חובבי הרדיו הוא מדהים. חובבי הרדיו הלווייניים הם היותר מבוגרים, מנוסים ומבוססים. באמצעות שילוב לימודי חלל ולימודים לקבלת רשיון חובבים, אנו פועלים לשינוי המגמה ולשילוב צעירים בתחום”.

“בשנים האחרונות מעטים מצטרפים לחובבות רדיו והגיל הממוצע שלהם עולה בכל שנה. אולם התחום החדש של חובבות רדיו לווויינית מחייה מחדש את הקהילה ומביא אליה צעירים רבים. בקרוב תיפתח במרכז למדעים בהרצליה כיתת לימוד של חובבי רדיו מורשים, אשר יתקשרו עם הלווויין ויזרימו דם חדש לקהילת החובבים בישראל”.

לשמוע את הלוויין

החובבים תהיה השפעה ממשית על התפתחות התחום והלוויינים הבאים. אחת ממטרות הלוויין היא לבחון את יעילות השימוש של שיטות אפנון שונות: שיטת AFSK (Audio Frequency-Shift Keying) לעומת אפנון BPSK (Binary Frequency-Shift Keying).

אפנון AFSK נפוץ היום הרבה יותר בקרב לווייני חובבים, ובעיקר לוויינים הנבנים במחלקות ללימודי חלל באוניברסיטאות, אולם יעילותו קטנה יותר. יתרונו בכך שהוא מבוסס על תדרי שמע, אשר קל לחברם לכניסת השמע של משדר כלשהו ולשדרם לעבר כדור הארץ. דבר המאפשר “לשמוע” את אותות הלוויין. לעומת זאת, אפנון BPSK מחייב “ניתוח” של המשדר וגם שימוש במקלט מסוגAll-Mode , אך יתרונו בהענקת ערוץ תקשורת אמין יותר.

טמיר: “קהילת חובבי הרדיו תוכל לבחון את שתי השיטות ולסייע לנו לגבש החלטה איזו מהן טובה יותר לננו-לוויין”.

כיצד הלוויין יפעל כמעבדת חלל?

“סביבת החלל מאופיינת בקרינה חללית, ואקום, מחזורי טמפרטורה קיצוניים והלמים חזקים בשלב השיגור. המעבדות המצויות על-פני הקרקע מספקות לא יותר משני פרמטרים בו-זמנית, ולכן קשה מאוד לבדוק רכיבי חלל חדשים. התוצאה היא שב-30 שנות תעשיית החלל, שיעור התקלות של מערכות חדשות כמעט לא השתנה.

“מעבדת חלל כמו שאנו מציעים היא אינטרס מסחרי מובהק של יצרני רכיבים, מכיוון שכיום המחיר של קבלת תג Space Proven (או Space Heritage) מסתכם בכמיליון דולר לפחות. המעבדה היא גנרית ומאפשרת לכל יצרן להגדיר את הטלמטריה שלה הוא זקוק כדי לאשר את הרכיב, ואנו משלבים אותה בטלמטריה של הלוויין”.

מעבדה בחלל

כבר בשיגור הראשון כולל הלוויין רכיבים לצורך בדיקת תפקוד בחלל. בהם: שעון אטומי של חברת אקיוביט מהר חוצבים בירושלים, מכשיר GPS של חברת BAE ישראל (לשעבר רוקאר), וסוללת ליתיום-יון עתירת אנרגיה של חברת ABSL הבריטית, הנחשבת מיצרניות הסוללות החשובות בתעשיית החלל.

רז טמיר מסביר שהיכולת של הלוויין לשמש כמעבדה גנרית מבוססת על הגדרת המערכת כממשק סטנדרטי בפרוטוקול התקשורת IIC, וכמערכת בעלת גורם צורה של PC104 בעל 104 פינים. “בנוסף, יש בלוויין כרטיס ממשקים המדבר עם מרבית הסטנדרטים המקובלים וכרטיס המרות פרוטוקולים המאפשר לנו ‘לדבר’ עם כל יחידה שהיא קטנה מספיק כדי להיכנס ללוויין.

“הגודל במקרה זה לא מהווה מגבלה משמעותית, מכיוון שמבדיקה שלנו עולה שיותר מ-70% מכל התקלות ברכיבי חלל בעולם הם של רכיבים הקטנים מ-10 X 10 ס”מ.

“מעבדה כזו מעניקה שירות חשוב גם ליצרני לוויינים, לא רק לספקי הרכיבים. היצרנים מתמודדים עם הקושי להשיג רכיבים שאושרו בעבר לשימוש בחלל, ובינתיים ייצורם הופסק והם יצאו מהשוק. בין הנהנים, כמובן, גם תעשיית החלל הישראלית, אשר תקבל יכולת לפתח רכיבים חדשים ולאשר אותם לשימוש בעלות סבירה.

“בשיגור גם נבדוק מערכות המהוות חלק בלתי נפרד מהפלטפורמה. למשל מגנטומטרים של חברת ארזים, שעד היום לא שוגרו לחלל. המגנטומטרים יוצרים שדות חשמליים בשלושה צירים, אשר מאפשרים לייצב את הלוויין ביחס לשדה המגנטי של כדור הארץ”.

קוד פתוח

נושא מרתק וייחודי ללוויין הישראלי, הוא הרעיון של לוויין קוד פתוח (Open Source). עד היום פעלה תעשיית החלל תחת כללים נוקשים של סודיות. מלבד בפרוייקטים מדעיים מובהקים, כל גוף או חברה נוהגים לשמור את קלפיהם הטכנולוגיים קרוב מאוד לחזה. הם מספקים ללקוחות צד שלישי רכיבים, פלטפורמות או שירותים, אבל לא משתפים אותם בידע שהביא לפיתוחם.

עמותת INSA החליטה לשנות את הכללים. היא מפרסמת באתר האינטרנט שלה את המידע הטכני של מבנה הלוויין, עקרונות הפעולה, השיקולים הטכניים ואת המידע אודות האלגוריתמים. “אנחנו מאמינים שגישת הקוד הפתוח מאפשרת לשתף פעולה בין גורמים רבים, ותביא בסופו של דבר להצמחת תעשיית שירותים חדשה לחלוטין”, מסביר טמיר.

כבר כעת הרעיון מעורר התלהבות בעולם. “האתר שלנו מקבל כניסות מכל העולם, כולל ממדינות כמו איראן ועיראק. קיבלנו בקשות מרומניה ומאוקראינה לסייע להן בתכנון ננו-לוויין, והעמדנו את המידע לרשותן תמורת מתן קרדיט בתוכניות הננו-לוויינים שלהן. קהילת החלל גם תורמת לנו ידע רב, ואנחנו עובדים בשיתוף פעולה עם גורמי חלל מסקוטלנד, מהולנד וממדינות נוספות.

“אנחנו מאמינים שאנשי הננו-לוויינים מהווים קהילה בפני עצמה”, מבהיר טמיר, אשר יזם את יום העיון לננו-לוויינים במסגרת כנס החלל ע”ש אילן רמון שנערך בבית חיל האוויר בהרצליה בינואר השנה.

לוויין בגודל של קופסת נעליים

הלוויין הראשון, InKlajn1 (ע”ש חלוץ החלל הישראלי ד”ר מרסל קליין), מתוכנן לנוע במסלול שמש (הליו–סינכרוני) בגובה של 650 ק”מ, ולהקיף את כדור הארץ בכל 90 דקות. בניגוד ללוויינים אחרים, הוא לא מכיל מנועי ניווט, והשליטה על תנועתו תתבצע באמצעות שלושה מגנטו-טורקרים.

כדי לחסוך במשקל, המתכננים גם ויתרו על מערכות גילוי כוכבים ואיתור שמש סטנדרטיות. במקום זאת, הלוויין ינצל את הפנלים הסולריים כמערך חיישנים המאפשר לזהות היכן נמצאת השמש באמצעות ניתוח עוצמת החשמל שהם מייצרים.

בסך הכל, הפלטפורמה כוללת ארבע מערכות חישה ובקרה מרכזיות: מגנטומטר תלת-צירי למדידת השטף המגנטי של כדור הארץ. ג’ירוסקופ תלת-צירי המבוסס על טכנולוגיית MEMS למדידת שינויים בתאוצה הכיוונית של הלוויין. מערך התאים הסולאריים המשמש כאמור גם כחיישן למדידת כיוון השמש ושלושה מגנטים ליצירת מומנט פיתול (Magneto-torquers) בשלושה צירים ביחס לשדה המגנטי של כדור הארץ, כדי לשלוט במיקום הלוויין ובזווית הנטייה שלו.

בתוך הפלטפורמה מותקנים שני מחשבים שונים המגבים זה את זה. מחשב המבוסס על מעבד MSP430 של חברת TI, שהוא מעבד RISC דל-הספק 16 סיביות אשר יכול להתחבר ישירות לאבזרים היקפיים אנלוגיים, ומחשב המבוסס על מעבד LEON3, שהוא מעבד 32 סיביות של חברת Aeroflex Gaisler המבוסס על ארכיטקטורת SPARC V8.

כל אחד מהמחשבים יכול לתפקד כמעבד ראשי (Master) הפועל בתדר של כ-7.3 MHz. שניהם פועלים באמצעות קוד תוכנה זהה וקומפקטי מאוד: עד 10 Kb בלבד. תפקודי התוכנה העיקריים כוללים: קריאת נתוני הטלמטריה מכל היחידות, הערכת מיקום הלוויין באמצעות הפעלת אלגוריתמים המחשבים את מצבו ביחס לשמש ולשדה המגנטי של כדור הארץ, בקרת הטמפרטורה של יחידות הלוויין השונות והערכת מצב הלוויין: בדיקת תאימות בין הפעולות הלוגיות המתבצעות במחשב לבין המידע על מיקום הלוויין.
התכנון והבנייה מבוססים על חסכון מקסימלי במשאבים, כולל משאבי תכנון. כל המערכות ממומשות בכרטיסי PCI104 סטנדרטיים המחוברים זה לזה באגד הדוק, כפי שמקובל בתחום הטילאות. בנוסף, הפלטפורמה כוללת מחזיר פינתי (Corner Reflector), להחזרת אותות SLR (Satellite Laser Ranging) המשוגרים מהקרקע. אותות אלה מסייעים לקבוע בדיוק רב את גובה, מהירות וכיוון תנועת הלוויין, ומשמשים גם כאותות בקרה לניסוי מערכת ה-GPS הנסיונית שתותקן בו.

העמותה קוראת לכל מי שנושא החלל קרוב לליבו ומרגיש שיש לו מה לתרום, להצטרף אליה.
אתר העמותה
יצירת קשר

הכשרת חובבי הרדיו הצעירים ובניית תחנת הקרקע בהרצליה נעשים בשיתוף עם אגודת חובבי הרדיו בישראל.