הבעיה עם ניווט מבוסס GPS

מערכת ה- GPS פועלת על ידי קבלת נתוני מיקום מהלוויינים הסובבים את כדור הארץ. אך התשתית הזו אינה חפה מבעיות:

1. דיוק מוגבל באזורים עירוניים: קליטת האותות יכולה להיחסם או להיפגע באזורים צפופים בבניינים, מנהרות או מבנים תת-קרקעיים.
2. שיבושים מכוונים או אקראיים: מערכות GPS רגישות להפרעות כמו מתקפות סייבר (jamming/spoofing), שיבושים אטמוספריים ותנאי מזג אוויר.
3. תלות במערכות לווייניות: לוויינים דורשים תחזוקה גבוהה ועלות תפעולית עצומה, מה שמגביל את יכולת ההתרחבות של המערכת.
4. עלות אנרגיה ותחזוקה: מערכות GPS מייצרות תלות גבוהה בתשתיות רחבות ובמערכות חיצוניות, מה שמייקר את השימוש לאורך זמן.

מהם שבבים חכמים ואיך הם משנים את חוקי המשחק?

במקום להסתמך על לוויינים, מערכות הניווט החדשות מבוססות על שבבים חכמים המשתמשים בטכנולוגיות מתקדמות של חיישנים ומידע. הפיתוחים הללו מאפשרים לנתח מיקום, מהירות וכיוון מבלי להזדקק ללוויינים. להלן העקרונות המרכזיים של מערכות אלו:

1. חיישנים אינרציאליים (IMU): יחידות מדידה אינרציאליות (Inertial   (Measurement Units  מודדות תנועה, תאוצה וסיבוב של המכשיר. נתונים אלה מאפשרים לחשב מיקום על בסיס תנועה בלבד.
2. טכנולוגיית LIDAR: חיישני לייזר מתקדמים, הפולטים קרן לייזר ומחשבים את החזרתה, מספקים מידע מדויק על סביבה תלת-ממדית.
3. רשתות V2X: תקשורת Vehicle-to-Everything מאפשרת חילופי נתונים בין רכבים, תשתיות ומכשירים חכמים אחרים, ליצירת מיפוי מדויק בזמן אמת.
4. מפות טופוגרפיות מתקדמות: שימוש במאגרי נתונים הכוללים פרטים טופוגרפיים מאפשר תכנון נתיב המותאם לשטח עצמו.
5. אלגוריתמים מבוססי AI: עיבוד נתונים בזמן אמת באמצעות אינטליגנציה מלאכותית מאפשר ניתוח דינמי של סביבה משתנה והתאמת נתיבים במהירות.

יתרונות טכנולוגיית השבבים החכמים

1. אמינות גבוהה בתנאים קשים

מערכות מבוססות שבבים עוקפות את הבעיות הטיפוסיות של קליטת GPS באזורים מורכבים. לדוגמה, מנהרות, תחנות רכבת או חללים תת-קרקעיים יכולים לשמור על דיוק ללא תלות בלוויינים.

• אבטחת נתונים ושיבושים

מערכות אלו עמידות בפני מתקפות שיבוש או זיוף אותות (spoofing). שימוש בטכנולוגיות מבוזרות וחיישנים עצמאיים מבטיח שמערכות הניווט לא ייפגעו על ידי גורמים חיצוניים.

• יעילות אנרגטית

מערכות אלו צורכות פחות אנרגיה, מכיוון שהן אינן דורשות כוח עיבוד משמעותי לתקשורת עם לוויינים רחוקים. בנוסף, עלות התחזוקה הכוללת נמוכה יותר.

• התאמה לעולם הרכב האוטונומי

רכבים אוטונומיים זקוקים לנתוני מיקום וסביבה מדויקים, במיוחד בתנועה צפופה. שבבים חכמים, עם שילוב של AI ו LIDAR- מאפשרים התאמה לדרישות הגבוהות הללו.

• קישוריות חכמה

תקשורת בין רכבים ותשתיות מאפשרת התאמה דינמית לתנאי הדרך, מזג האוויר והתנועה, מה שמשפר משמעותית את הבטיחות בכבישים.

אתגרים טכנולוגיים ועתיד הפיתוח

כמו כל טכנולוגיה חדשה, גם למערכות מבוססות שבבים חכמים יש אתגרים:

1. מורכבות פיתוח: שילוב טכנולוגיות כמו AI, LIDAR ו V2X- דורש תכנון קפדני ומשאבים טכנולוגיים.
2. עלות ראשונית: השבבים והחיישנים המתקדמים עשויים להיות יקרים בשלב ההשקה.
3. אימוץ נרחב: תשתיות התקשורת צריכות להתאים לתמיכה מלאה בטכנולוגיות החדשות, מה שדורש שדרוגים בפריסה גלובלית.

יישומים פוטנציאליים

תחבורה ולוגיסטיקה

• שימוש ברכבים חכמים שיכולים לנווט באזורים עירוניים צפופים ללא תלות בGPS-
• ייעול שרשראות אספקה ומשלוחים באמצעות מערכות ניווט עצמאיות ומדויקות.

שימושים צבאיים

• ניווט מדויק ללא חשיפת מידע באמצעות לוויינים, מה שמונע פגיעות במערכות בזמן משבר.

שירותים רובוטיים ואוטונומיים

• רחפנים, רובוטים ושאר מכשירים אוטונומיים יוכלו לפעול באזורים סגורים או מורכבים ללא תלות באותות GPS

ככלל ניתן לומר כי מערכות ניווט המבוססות שבבים חכמים מייצגות שינוי מהפכני בעולם הטכנולוגיה. הן לא רק מציעות דיוק מוגבר ואמינות, אלא גם פותחות את הדלת לעידן של תחבורה אוטונומית, אבטחה מתקדמת וחדשנות בלתי פוסקת. בעוד ש -GPS עדיין ישמש במסגרות מסוימות, המעבר למערכות מבוזרות וחכמות יותר הוא בלתי נמנע. העתיד כבר כאן, והוא בנוי על טכנולוגיה שמתאימה עצמה לעולם מורכב ודינמי.

הפוסט מהפך במערכות הניווט של המחר: האם שבבים חכמים יחליפו בקרוב את מערכת ה-GPS? הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מערכות הניווט שבהן כולנו משתמשים באופן יומיומי סובלות ממגבלה משמעותית: הן תלויות בתקשורת עם רשתות אינטרנט או לוויינים והופכות חסרות ערך כאשר היא משובשת – בגלל תקלה, חבלה, או מגבלה טבעית, כמו למשל במעמקי הים. פתרון לאתגר החיוני הזה עשוי לצמוח בעזרת טכנולוגיות לניווט עצמאי המצויות בפיתוח ברחבי עולם, וצפויות לאפשר לנו לדעת היכן בדיוק אנחנו נמצאים בכל רגע, ללא צורך בתקשורת סלולר או GPS.

עובדה מפתיעה היא כי ה"ווייז המושלם" הזה מסתמך על מדידה התאוצה של אטומים, שאותה ניתן לבצע באמצעות אינטרפרומטרים של אטומים קרים (Cold Atoms Interferometers) – מכשירי מדידה חזקים ושימושיים, שמהווים מצע לשורה ארוכה של יישומים מדעיים ותעשייתיים. מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף פעולה עם המרכז לטכנולוגיות קוונטים ברפאל, תורמים יכולות עוצמתיות חדשות לתחום מחקר זה, על־ידי שכלול כלי המדידה המבוססים על אטומים קרים.

במחקר חדש בהובלת חן אבינדב וד"ר דימיטרי ינקלב מקבוצות המחקר של פרופ' ניר דודזון וד״ר עופר פירסטנברג במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, הציגו החוקרים הגדלה משמעותית ביותר – פי אלף – של טווח הערכים שניתנים למדידה בעזרת אינטרפרומטרים, מבלי לפגום ברגישות ובדיוק של המדידה.

אינטרפרומטרים, כלומר מדי התאבכות של גלים, פועלים לרוב על גלי אור: מערכת של מראות גורמת לפוטון להתפצל לשני מסלולים – כלומר להיות בו־זמנית בשני מקומות שונים (סופרפוזיציה) – ולאחר מכן להתחבר מחדש בתהליך המכונה התאבכות. האינטרפרומטר שבו נעשה שימוש במחקר הנוכחי פועל דווקא על אטומים, כלומר גלי חומר, שגם הם יכולים להתפצל לשני חלקים לפי מכניקת הקוונטים. בעזרת החיישן האינטרפרומטרי, נחשף מידע רב־ערך על תאוצת האטומים ועל גודלו המדויק של כוח הכבידה בזמן ובמקום שבהם מתבצעת המדידה. זו אחת הדרכים המדויקות ביותר שישנן למדידת כבידה – כוח שלרוב מדידתו קשה במיוחד מפאת החולשה שלו ביחס לכוחות חשמליים ומגנטיים.

כדי לבצע את המדידה נדרש עוד מאמץ נוסף – לעצור כמעט לחלוטין את התנועה האקראית של האטומים, על-ידי קירור שלהם לכמה מיקרו (מיליונית) קלווין מעל לאפס המוחלט. הקירור העמוק נעשה כדי לחשוף את התכונות הקוונטיות של האטום, שאינן נגישות באובייקטים חמים יותר. לשם כך משתמשים בתא ואקום, שבתוכו מלכודת מגנטו-אופטית. אל תא הוואקום מכניסים אטומים של רובידיום, יסוד נוח לעבודה עם קרני לייזר, אשר נעים בתוכו בחופשיות. כשאחד האטומים מגיע במקרה אל המלכודת, קרני הלייזר מקררות אותו, ושדות מגנטיים מונעים ממנו לברוח. מאות מיליוני אטומים נאספים במלכודת בכל שנייה.

אפקט מוארה: שני סריגים עדינים, כמעט זהים, מספקים רגישות מדידה גבוהה – והסריג הגס הנוצר מהחפיפה ביניהם מאפשר להגדיל את הטווח הדינמי. מכון ויצמן
אפקט מוארה: שני סריגים עדינים, כמעט זהים, מספקים רגישות מדידה גבוהה – והסריג הגס הנוצר מהחפיפה ביניהם מאפשר להגדיל את הטווח הדינמי. מכון ויצמן
המדידה באמצעות אינטרפרומטרים של אטומים קרים נאלצת לתמרן בין שתי מגבלות: רגישות המדידה, כלומר היכולת להבחין ברמות שינוי מזעריות בגודל הנמדד; והטווח הדינמי – כלומר תחום הערכים שניתן למדוד. גם בהקשרים יומיומיים, תמיד ישנה פשרה בין טווח דינמי לרגישות המדידה. למשל, מאזני משקל של בני-אדם ימדדו בטווח של עד 150 ק״ג, אבל לא יזהו שינויים מזעריים של גרמים בודדים, שאותם יגלו בקלות מאזני מטבח הפועלים בטווח מדידה קטן בהרבה.

מדעני המכון הצליחו לשכלל את דרך הפעולה של אינטרפרומטר של אטומים קרים ולהתגבר על הצורך בפשרה. הם השיגו זאת על-ידי תוספת מדידות ופענוח המידע הנוסף שהתקבל מהן, תוך נטרול של ה"רעשים" שנוצרים במהלך כזה. במחקר קודם, הצליחו החוקרים לערוך מספר מדידות של האטומים בזו אחר זו, כשכל אחת מהן מתבצעת בקנה מידה מעט שונה (scale factor). השילוב בין המדידות השונות, בעזרת טכניקה המכונה מוארה (Moiré), סיפק מידע חדש שאיפשר להרחיב את טווח המדידה. ואולם בניסוי הקודם, ריבוי המדידות ומשך הזמן שחלף ביניהן הגביל את ישימות השיטה.

החידוש הגדול במחקר הנוכחי הושג בעזרת חלוקת האטומים לשתי קבוצות בכל הפעלה של הניסוי, כך שמתקבלים שני קני מידה בו־זמנית. בהפעלה בודדת בשיטה הזו גדל הטווח של המדידה פי עשרה. החוקרים לא הסתפקו בכך – וחזרו על הפעולה פעמיים או שלוש ברצף, בכל פעם עם קני מידה מעט שונים. כך הגיעו להישג המרשים של הגדלת הטווח הדינמי בסדרי גודל של פי מאה ופי אלף – תוך פגיעה מזערית ברגישות המדידה. במחקרים עתידיים, מדעני המכון מתכננים לנסות ולשכלל עוד יותר את שיטת המדידה, על-ידי שימוש בקני מידה רבים יותר בו-זמנית.

בינתיים, גם היישומים המדעיים והתעשייתיים של אינטרפרומטרים של אטומים קרים מתקדמים במהירות – והופכים את המחקר בתחום לשימושי במיוחד. מכשירים אלה כבר יצאו מהמעבדה, והופעלו במכוניות, במטוסים ועל-גבי ספינות. בעתיד ניתן יהיה להיעזר בהם לניווט עצמאי, למיפוי שדה הכבידה של כדור־הארץ ולחיפוש אחר משאבי טבע.

הפוסט בים, באוויר וביבשה – ניווט אטומי צובר תאוצה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

השוק העולמי של מכשירי ניווט לצרכנים וכן לשירותים ולמערכות ישלש את עצמו בין 2010 ל-2015, וייצג צמיחה שנתית של 25% בחמש השנים הבאות. כך עולה מסקר של חברת המחקר ABI.

"תחום מערכות הניווט עובר אבולוציה" אומר דומיניק בונטה (Dominique Bonte), ממנהלי תחום הטלמטיקה והניווט בחברת ABI. "ראשית, אי אפשר להמעיט השפעת שירותי הניווט מבוססי מכשירי קצה. שירותי החינם המוצעים בידי גוגל, נוקיה ומיקרוסופט, בשילוב עם הצמיחה בשירותי ניווט אחרים הזמינים בחנויות היישומים הניידים, מעידים על העוצמה של הצמיחה" אמר.

הפוסט ABI: בשנת 2015 יימכרו 267 מיליון מכשירי ניווט הופיע לראשונה ב-Chiportal.