מערכת ניווט מבוססת לווינים היא אמצעי שמותקן בחלק גדול מהרחפנים ומהווה כלי הכרחי בחלק גדול ממתארי השימוש הן למטרות פנאי והן למטרות מקצועיות. חלק גדול מהתקלות שמתרחשות במהלך ההטסה או בהכנות לה נובעות מבעיות בתפקוד ה-GPS. הבנת פעולת ה-GPS ומגבלותיו יכולה לסייע לנו להמנע מתקלות ולנצל את הכלי בצורה המיטבית.
בפוסט זה נדון באופן פעולת ה-GPS וניגע במספר נקודות שיש לתת עליהן את הדעת בעת השימוש.
מה פירוש המילה "GPS"?
משמעות צירוף האותיות GPS הוא Global Positioning System או בעברית: מערכת איכון עולמית. במקור מערכת ה-GPS הוקמה על ידי משרד ההגנה האמריקאי, במקור תוכננה לפי 24 לווינים וכוללת כיום 31 לווינים (בהמשך נתייחס ל-24 לווינים בהסבר שנוגע לפעולת המערכת). הלווינים חגים בגובה 20,200 ק"מ ומשך ההקפה שלהם הוא 11 שעות ו-58 דקות. חשוב לציין שצירוף האותיות GPS מהווה את כינויה של המערכת האמריקאית וישנן עוד מספר מערכות שהוקמו על ידי מדינות שונות:
GLONASS – מערכת הניווט הרוסית.
גלילאו – מערכת הניווט של האיחוד האירופאי.
BeiDou – מערכת הניווט הסינית.
QZSS – מערכת הניווט היפנית. משמשת לניווט בעיקר באסיה ואוקינאיה.
IRNSS – מערכת הניווט ההודית. משמשת לניווט בעיקר באזור האוקיינוס ההודי.
כיום רק המערכת האמריקאית והמערכת הרוסית עובדות בצורה מלאה ונותנות כיסוי בכל נקודה על פני כדור הארץ.
כלים שאנחנו מטיסים בד"כ מתקשרים בזמן נתון עם יותר ממערכת אחת, בארץ ברוב המקרים יהיה מדובר במערכת ה-GPS או במערכת ה-GLONASS.
למעשה המונח שבו היה נכון יותר להשתמש בכותרת ובפוסט כולו הוא: Global Navigation Satellite System או GNSS. צרוף האותיות GNSS הוא כינויה של המערכת העולמית כולה.
המידע שאנחנו מקבלים ממערכת ה-GNSS כולל שלושה מרכיבים: Position, Velocity, Time -PVT.
Position- מיקום הרחפן בשלושה מימדים x,y,z.
Velocity- מהירות הטיסה של הרחפן וכיוון הטיסה.
Time- זמן עולמי וסנכרון למערכת.
איך מערכת ה-GNSS עובדת?
24 הלווינים מחולקים בין 6 מסלולים כאשר בכל מסלול משייטים 4 לווינים. הטווח בין מסלול למסלול הוא 60 מעלות.
לווין שולח אות שמכיל את הנתונים הבאים:מיקום הלווין בחלל, זמן שליחת ההודעה ומצב תקינות המערכת. האות שמשדר הלווין מגיע לכדור הארץ במהירות האור כך שבאמצעות הנוסחה: זמן X מהירות=דרך (זמן- הזמן שלוקח לאות להגיע למקלט, מהירות- מהירות האור) ניתן לחשב את הדרך- המרחק בין הלווין למקלט.
ברמה העקרונית קליטה של 4 לווינים מספיקה לחישוב PVT, עם זאת בד"כ המערכת תציג קליטה של 4 לווינים כלא מספקת לאור האפשרות לשגיאות שעשויות לנבוע מאי דיוקים שנובעים מ:
אי דיוקים בזמן (האות שמשודר במהירות האור כ-300,000 קילומטר בשנייה כך שטעות של מיליונית שנייה בקביעת השעה יוצרת שגיאה של כ-300 מטר בחישוב המרחק מהלויינים ).
השפעות אטמוספריות וקרקעיות שונות שגורמות לאות לנוע בקו שאינו ישר ולכן האנדיקציה למרחק בין הלווין למקלט אינה מדויקת.
שגיאות בקביעת מיקום הלווין בחלל.
שגיאות מערכת אחרות.
ברחפני DJI בד"כ נקבל אינדיקציה של "(Safe to fly (GPS" במצב P- Position כאשר יש קליטה של 8 לווינים או יותר. מצב שבו אנו קולטים מעל 12 לווינים יתכן רק כאשר אנו מנצלים לווינים מיותר מרשת אחת. הסיבה היא שברשת שמבוססת על 24 לווינים נוכל לראות בזמן נתון לכל היותר 12 לווינים.
מה גורם לתקלות בפעולת מערכת ה-GPS?
תקלות בפעולת ה-GPS ברחפנים יכולות להיגרם מבעיות בקליטה של לווינים או מתקלות ברכיב ה-GPS שמורכב מהשבב ומהאנטנה. תקלות בקליטת הלווינים יכולות להתרחש מבחירת מיקום בעייתי של ההמראה. לדוגמא אם נחליט להמריא באזור שמוקף בבניינים גבוהים או מואדי סביר שנתקל בבעיות קליטה.
שיבושים בקליטת אנטנת ה-GPS עשויים להגרם כתוצאה משימוש בכיסויים שונים או התקנים לא תקניים שהתווספו לרחפן ויתכן שיסתירו את האנטנה או ישבשו את פעולתה. כמובן שתתכנה תקלות שנובעות מכשל בשבב ה-GPS עצמו או מרכיבים קשורים ברחפן כגון המצפן או ה-MUI, תקלות מאין אלה בד"כ יותר קשות לתפעול ברמת המפעיל ותדרש פניה למעבדה מקצועית.
הבט חשוב בהפעלת רחפנים מונחי GPS הוא תחום הלוחמה האלקטרונית (במקרה שלנו בגרסתה האזרחית). האות שנקלט על ידי רכיב ה-GPS ומשודר כאמור ממרחק של כ-20,200 ק"מ הוא חלש ביותר ועוצמתו היא 120 dBM, ניתן באמצעים פשוטים וזולים יחסית לשדר אות בעצמה גבוהה יותר וכך לנטרל לחלוטין את יכולת הרחפן לקלוט אות GPS.
אפשרות נוספת היא לשדר אות שלא רק ישבש אלא גם יטעה ויוביל את הכלי לחשב מיקום שגוי ואפילו לנווט לנקודה לא נכונה במקרה של הטסה באמצעות אפליקציות טיסה אוטונומיות. כמובן שאמצעים אלה יקרים יותר, קשים יותר לרכישה והפעלתם דורשת ידע שלא מצוי בידי כל אחד אולם כמו כל טכנולוגיה גם פה המחירים ירדו והתפוצה תעלה ככל שיגבר הביקוש.
למרות המגבלות ה-GPS מהווה כלי רב עוצמה שמעלה את היכולות שמציגים הרחפנים לרמה גבוהה ביותר ומאפשר הפעלה בטוחה ומדויקת של כלי הטיס.