הלוויין כרשת תקשורת אלחוטית

בשנת 2012 תשגר ארה”ב לוויין ניסיוני אשר מבוסס על מודולים מפוצלים, שיתפקדו ביחד כלוויין מונוליתי גדול רק בזכות רשת תקשורת אלחוטית ופרוטוקול חסין תקלות דמוי פרוטוקול האינטרנט

בימים אלה עומד להסתיים השלב הראשון בתוכנית יוצאת דופן של הסוכנות האמריקאית לפרויקטי מחקר מתקדמים בתחום הביטחוני (DARPA), אשר להערכת חלק מהמעורבים בה צפויה להיות משמעותית לפחות כמו פרויקט ARPANET משנות ה-60, שממנו צמחה רשת האינטרנט המוכרת כיום.

הסוכנות בודקת רעיון חדש בתחום החלל, שנועד לגבש תשובה לחולשות המובנות בזרוע החלל הצבאית של ארצות הברית. חולשות הנובעות מהמחיר הגבוה של כל לוויין צבאי – מודיעין, ניווט או תקשורת, הזמן הרב העובר בין ביצוע ההזמנה, השיגור ומתן השירות ללקוח, וחוסר היכולת לתקן תקלות שהתגלו לאחר השיגור לחלל.

בנוסף, מוטרדת ארצות הברית מהפגיעות הרבה של זרוע החלל שלה אשר תלויה בתיפקודם של לוויינים גדולים מאוד, והקושי בביצוע שינויים במשימות של פלטפורמות החלל שנכנסו לשימוש או לשדרג אותן בהתאם לדרישות חדשות.

תעופה במבנה

לפני שנה יצא הפרויקט לדרך תחת השם System F6, כאשר DARPA הכריזה שהיא מעוניינת לספק מענה לכל החולשות הללו באמצעות פיתוח רעיון חדש של פלטפורמה חללית: היא לא תתבסס על לוויין מונוליתי גדול ועיתר חומרה ותוכנה, אלא על העקרונות של רשת אינטרנט אלחוטית.

לאחר שבשנים האחרונות נעשו מחקרים רבים שהוכיחו את היכולת לגרום ללוויינים להקיף את כדור הארץ במבנה הדוק וניתן לשליטה, החליטה DARPA לקדם את הרעיון שלב נוסף, ולבדוק מה יקרה אם במקום לוויינים המקיפים את כדור הארץ במבנה, היא תתייחס אל פלטפורמת החלל כאל מודולים שונים המקיפים את כדור הארץ במבנה.

הרעיון החדש נקרא Fractionation. המילה הזו לא מצויה במילון, אולם היא נגזרה מהמילה Fraction (חלקיק). משמעותה היא שאין צורך לשלוח לחלל מערכות שלמות, אלא מרכיבים שונים, אשר רק לאחר שיתקשרו אחד עם השני באמצעות רשת אלחוטית דמויית אינטרנט, יוכלו לתפקד במשותף כמערכת שלמה. ניתן לכנות את הלוויין החדש בשם “לוויין מפוצל”, או אפילו “לוויין וירטואלי”.

שיתוף משאבים

כך למשל, כיום כל לוויין כולל מספר מערכות בסיסיות, בלא קשר למטעד שהוא נושא, כמו מערכות זיהוי מיקום, מערכות זיהוי כוכבים כדי להעריך את כיוון תנועתו, מחשבי בקרה ושליטה, זיכרון לאחסון מידע, תאים סולאריים לאספקת אנרגיה ועוד.

הלוויין הווירטואלי יהיה אוסף של משאבים המקושרים באמצעות הרשת. מודול אחד יוכל לספק משאבי עיבוד למודולים האחרים דרך רשת התקשורת, מודול אחר יוכל לשמש כמאגר המידע והאחסון למערכת, מודול אחר יספק אנרגיה שאותה הוא ישדר באמצעות שידורי מיקרוגל, טכנולוגיות אופטיות או טכנולוגיות אחרות למודולים האחרים, ומודול רביעי יוכל לבצע את חישובי המיקום והתנועה של הלוויין הווירטואלי עבור כל המודולים האחרים.

כאשר מדובר במטעד עצמו, הרעיון אפילו מפתה יותר. כיום המטעד והפלטפורמה החללית קשורים אחד אל השני. כל אחד מהם מטיל אילוצים על השני, המשפיעים על העלות ועל זמן התגובה. כאשר מתייחסים אל הלוויין כאל רשת אלחוטית, שבה המטעד היא עוד נקודת קצה כמו כל אבזר ברשת האינטרנט הארצית, ניתן לשגר את הפלטפורמה לפני סיום פיתוח המטעד, להחליף מטעד לפלטפורמה קיימת או להוסיף מטעדים בהתאם לדרישות המשתנות.

38 מיליון דולר

בחודש מרץ 2008 החל השלב הראשון של הפרויקט, בהיקף של 38 מיליון דולר. במסגרתו זכו מספר חברות בתקציבי פיתוח רעיונות ראשוניים ומתודה להערכת התיפקוד וקביעת היעילות של הלוויין הווירטואלי.

חברת נורתרופ-גרומן קיבלה תקציב של 6.2 מיליון דולר כדי לפתח רשת תקשורת אלחוטית בין לוויינים, מערכת שליטה ובקרה מבוזרת ופרוטוקולי רשת. עם סיום השלב הראשון, אשר צפוי בשבועות הקרובים, תציג נורתרופ-גרומן יכולות תקשורת בסיסיות, תכנון ראשוני של הרשת האלחוטית וניתוח עסקי של הטכנולוגיה. על-פי התוכנית, בשלושת השלבים הבאים של התוכנית היא תגבש את הרעיון לכלל פיתוח וייצור מלאים של הרשת, כדי להתקינה בקבוצת הלוויינים הניסיוניים.

חברת יבמ וחברת Orbital Sciences קיבלו תקציב בהיקף של 13.6 מיליון דולר לפיתוח טכנולוגיות בתחומים בעלי חפיפה חלקית: רשת תקשורת נתונים בעלת שרידות ואמינות גבוהות במיוחד, טכנולוגיות תקשורת אלחוטית אמינות, טכנולוגיית מחשוב מבוזר עמידה בתקלות, טכנולוגיה לשידור אלחוטי של אנרגיה מלוויין ללוויין וטכנולוגיות ניהוג עצמיות של אשכולות לוויינים.

בנוסף הן יפתחו, בשיתוף פעולה עם גורמים נוספים ועם האקדמיה, מודל כלכלי להערכת סיכונים ועלות לעומת תועלת של הלוויין המפוצל, ויבנו אשכול מחשבים מקושרים המאפשרים לבצע הדמייה של פעולת הלוויין המפוצל. בואינג ולוקהיד מרטין קיבלו ביחד תקציב של 19 מיליון דולר כדי להתחרות על פיתוח רעיון ראשוני לחומרת הלוויינים, אשר ייבחרו לבסוף להשתתף בניסוי.

שבעה לוויינים קטנים

בניסוי שייערך ככל הנראה לקראת סוף 2012, ישוגרו לחלל לוויינים קטנים באמצעות משגרים מסחריים, אשר ישגרו את המודולים בזמנים שונים וממקומות שונים. חמשת המודולים ייפגשו בחלל, ויתחילו בסדרת פעולות עצמיות להקמת רשת תקשורת אלחוטית, היערכות במבנה, חלוקת משאבים וביצוע משימות שיוכתבו על-ידי הניסוי.

הלוויינים יתארגנו במתכונת של ארכיטקטורה חדשה בשם Pleiades, על-שם צביר כוכבים שקיבל את שמו משבע הנימפות המתלוות אל ארטמיס, אלת הירח והציד במיתולוגיה היוונית. מערך Pleiades יכיל שבעה מודולים: חמישה מודולים במשקל של 225 ק”ג כל אחד ושני מודולים במשקל של 75 ק”ג.

המערך מיועד למשימת חלל בגובה נמוך הנושאת חיישני צילום. החיישנים מצויים בשלבים טכנולוגיים שונים, אחד מהם מאוד ותיק, אחר נמצא רק בשלבי הפיתוח הטכנולוגי והשלישי בעל מחזור חיים קצר מאוד. שילובם ביחד מסייע לקבלת מידע מסוג חדש. בנוסף לצילום, המערכת תתבקש לבצע עיבוד תמונה בחלל בהיקף גדול, לספק יכולות איחסון מאסיבי ולאפשר שינוי מיידי של המשימה כדי להיענות לצרכים בלתי צפויים.

מעניין לציין שלהערכת DARPA, היסודות הטכנולוגיים שעליהם מתבסס הרעיון אינם קשורים להנדסת חלל, אלא דווקא לתחומי המידע והתקשורת:

• רשת תקשורת בעלת יכולת הקמה עצמית
• טכנולוגיית תקשורת אלחוטית אמינה
• יכולת העברה אלחוטית של אנרגיה
• פעולת במתכונת של אשכול מחשבים
• מחשוב מבוזר

המודל הכלכלי להצדקת רעיון הלוויין הווירטואלי מבוסס על כך ששיגור לוויינים קטנים הוא זול וזמין בהתראה מינימלית. הנקודות הקריטיות במחזור חיי הלוויין הן: איחור בפיתוח ובניית המטעד, כישלון בשיגור, ותקלה בחלל. בשלוש נקודות אלה יש ללוויין המפוצל יתרון מהותי.

כושר שרידות

בניגוד ללוויין מונוליתי, שבו איחור בפיתוח המטעד מעכב את השיגור, ניתן לשגר את הלוויין המפוצל גם לפני שהמטעד, או מרכיב מסויים מהמטעד, מושלם, ולצרף אותו אל הרשת לאחר סיום בנייתו.

החיסכון המובהק ביותר קשור לכישלון בשיגור. בניגוד ללוויין מונוליתי, הלוויין המפוצל משוגר לחלל באמצעות סדרה של שיגורים של מודולים קטנים. כלומר אין כישלון אחד אשר יכול לעכב את התוכנית עד לבניית לוויין חלופי, כפי שהיה בעקבות כישלון הלוויין אופק 6 הישראלי. לכל היותר יש פיגור בשיגור של אחד מהמודולים בלבד.

כיום מצליחה תקלה בחלל, אפילו של תת-מערכת, להשבית לחלוטין לוויין מונוליתי. בלוויין מפוצל היא יכולה לפגוע בחלק מהתפקודים בלבד, שכן שאר המודולים התקינים ימשיכו לבצע את משימתם.

המשמעות של גורמים אלה אינה כלכלית בלבד. הם מבטאים את היעד הצבאי העומד מאחורי התוכנית: לוויין מפוצל הוא אמין ביותר, קשה מאוד להשמיד אותו או לנטרל אותו לחלוטין, וביצוע תיקונים בחלל (החלפת מודול פגום) היא שגרה אפשרית ואפילו סבירה.

הלוויין הוא הרשת

לא לחינם משווים ב-DARPA את פרויקט System F6 לפרויקט ARPANET המהולל. כאשר הלוויין המפוצל יהיה באוויר, לא תהיה כל מניעה לחבר אליו מודולים נוספים (“נקודות קצה” נוספות), וליצור מערך של 10, 20 או 100 מודולים לווייניים.

בהמשך, ניתן יהיה לקשר בין מספר לוויינים וירטואליים הכוללים מספר מודולים כל אחד, וליצור רשת של מאות נקודות קצה. וכאשר הרשת הזאת תתחיל לפעול, כל גוף שיורשה להתחבר אליה יוכל לשגר לחלל רק את המודול שהוא מעוניין בו, ולקשר אותו אל הרשת המתהווה. ממש כמו שכיום מחברים שרת או מחשב אל רשת האינטרנט וכך מגדילים אותה כמעט ללא הגבלה.

בשלב זה, ככל הנראה, כבר ישתנו ההגדרות המקובלות. השאלה “מהו לוויין” תהיה כמעט פתוחה לגמרי. מדוע כמעט? מכיוון שהתשובה הנכונה ביותר לשאלה מהו לוויין, תהיה פרפרזה על הגדרתו הוותיקה של סקוט מקנילי, מייסד חברת סאן מיקרוסיסטמס, שקבע כבר בשנות ה-80 כי “המחשב הוא הרשת”. בשנת 2020, אם הפרויקט יושלם בהצלחה, הלוויין יהיה הרשת.

מידע נוסף באתר דארפא

הכתבה לקוחה מתוך מגזין WaveTech