הלוויין כרשת תקשורת אלחוטית - הידען
הלוויין כרשת תקשורת אלחוטית
ראשי » מחשוב וטכנולוגיה » מיחשוב ורובוטיקה » טכנולוגית מיחשוב
רוני ליפשיץ 11 ביולי 2009 18 תגובות
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
הדמיית אמן של לוויינים וירטואליים מקושרים. מערכת של מערכות
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
הלוויין המפוצל בנוי ממודולים שונים, אשר רק לאחר שיתקשרו אחד עם השני באמצעות רשת תקשורת אלחוטית דמויית אינטרנט, יתחילו לתפקד במשותף כמערכת שלמה
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
לוויין מונוליטי - מסורתי
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.
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
שיתוף משאבים. בכל אחד משני הלוויינים שבחזית התמונה חסרות תת-מערכות קריטיות (מסומנות ב-X). הם משלימים את המשאבים החסרים באמצעות רשת תקשורת אלחוטית המאפשרת להם לתפקד יחדיו כלוויין מונוליתי שלם
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
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
לוייינים לויין וירטואלי תקשורת אלחוטית
אודות המחבר - רוני ליפשיץ
חן טי 15 ביולי 2009 בשעה 14:45
תודה מיכאל על העזרה והרצון הטוב!
אולי כך נוכל להציל עוד זוג אקדמאים שעובדים בנקיון משרדים ושוקלים לחזור לארץ המקור.
מאת מיכאל ר. (בעבר מיכאל) 15 ביולי 2009 בשעה 00:13
חן טי:
אבדוק אם אני מכיר מישהו שיכול להיות מעוניין אבל הייתי רוצה להצביע על שני דברים שיכולת לשפר בתגובתך:
האחד הוא לכתוב אותה כתגובה לכתבה "תגובות חופשיות".
השני הוא להפנות את הבקשה לכולם ולא רק אלי כיוון שיכול להיות שמישהו אחר יוכל לעזור.
חן טי 14 ביולי 2009 בשעה 16:07
עורך האתר שלום רב, אני מבקש את סליחתך על ההודעה הזו, אך אני מנסה לעזור לעולה חדש ואודה לך אם תהיה איתי סבלני 🙂
חן טי.
מיכאל שלום רב,
אני מכיר מהנדס כימייה צעיר ומוכשר עם תואר שני בהנדסת מים שעלה לארץ לאחרונה מקולומביה ומחפש עבודה בארץ כבר זמן רב, ומאחר ולא מצא הוא התחיל לעבוד בנקיון משרדים.
אני יודע שזה לא הפרום הנכון לחפש עבורו עבודה, אך חשבתי אולי אתה מכיר מישהו או מישהם המחפשים אדם עם הרבה אנרגיה ומוטיבציה ודרישות צנועות.
המידה וכן שמו דוד דלרוסה: 052.89.09.676
מאת מיכאל ר. (בעבר מיכאל) 13 ביולי 2009 בשעה 23:23
זה הרבה יותר קשה מלקלקל לוויין.
כדי להרוס לוויין צריך רק לפגוע בחלקים חיוניים שלו (במיוחד מעגלים אלקטרוניים, עדשות, מראות וכדומה).
ברגע שפוגעים במערכות אלו הלוויין הופך לזבל חלל אבל לא מפסיק להתקיים.
כדי לסכל את הסכנה הנובעת מאסטרואיד צריך ממש לאדות את כולו או להסיט אותו באופן משמעותי ממסלולו.
צריך גם להבין שבשעה שללוויין יש אנטנות מיוחדות שנועדו לקלוט אנרגיה, לאסטרואיד אין כאלו אנטנות.
חן טי 13 ביולי 2009 בשעה 23:21
חן טי 13 ביולי 2009 בשעה 23:16
מיכאל, הרי ניתן להמיס/ לפורר אסטרואיד סמלול מסוכן לכדור הארץ אם ניתן למקד פרץ אנרגיה חזק, לא?
משתמש אנונימי (לא מזוהה) 13 ביולי 2009 בשעה 23:14
סליחה מיכאל, אנונימי זה חן טי, לא זכרתי שמחקתי את הקוקיז 🙂
מאת מיכאל ר. (בעבר מיכאל) 13 ביולי 2009 בשעה 22:49
אני מניח שכל התסריטים שתיארת אפשריים אם כי חלקם קשים לביצוע.
אני גם מניח שמתכנני המערכת יעשו מה שביכולתם כדי למזער את הסכנה של התסריטים זדוניים שביניהם (למשל, על ידי כיווניות מאד מדויקת של קולטי האנרגיה והפנייתם לכיוון שאינו זה של כדור הארץ).
משתמש אנונימי (לא מזוהה) 13 ביולי 2009 בשעה 22:34
מיכאל, אם ניתן להעביר אנרגיה מלוויין ללוויין, במידה ומעבירים כמות גדולה מדי, האם המקלט ישרף?
ובהמשך לאותה מחשבה קרימינלית : האם ניתן להעביר פרץ אנרגיה מרוכז ומדוייק לשם הרס, בתור נשק? או האם ניתן להעביר פרץ אנרגיה עז במיוחד ללוויין רחוק מאד שיקבל זאת כאנרגיה? ואם נפליג עם הדמיון: האם ניתן להעביר עם אותו פרץ גל אנרגיה מתוכנן גם מידע, כמו שניתן להעביר מידע על קרן ליזר?
סטודנט תא 11 ביולי 2009 בשעה 02:35
ניראה לי שהתוכנית באה בתגובה לניסוי של הסינים להשמיד לווין בחלל
באעמת ניראה שהחלק המהפכני באמת הוא העברת אנרגיה מלווין אחד לשני
מאת מיכאל ר. (בעבר מיכאל) 11 ביולי 2009 בשעה 01:51
לדעתי יש פרויקטים כאלה בתכנון.
אינני זוכר איפה קראתי את זה אבל נתקלתי גם בתכנית לפרוס מספר טלסקופים במסלול המקיף את השמש ולהשתמש במרחק העצום ביניהם כדי להגדיל מאד את הרזולוציה של התמונה.
חן טי 11 ביולי 2009 בשעה 01:41
מיכאל שלום רב 🙂
הצדק איתך בנוגע למיקום.
השאלה שלי היא מדוע לא מיצרים טלסקופים קטנים- כמו הלווניים- שבמיקומים שונים בחלל יוכלו, ע"י כח מיחשוב משותף, לייצר תמונה רחבה ומדוייקת יותר מהאבל אחד גדול ויקר.
בדיוק על פי גרסת האינטרנט של הלווינים המוצגת בכתבה אפשר לעשות בנוגע למחקר החלל. תאר לך שואולי יכולים להעלות 100 מיני-טלסקופים לחלל, החסרים את מגבלות האטמוספירה ביחס לטלסקופים על כדור הארץ. חשוב כמה איכות יכול להיות המידע המסופק ממאה נקודות מבט ועיבוד שונות?
מאת מיכאל ר. (בעבר מיכאל) 11 ביולי 2009 בשעה 00:32
ההפרדה משפרת את המצב בכמה אופנים.
התרומה הפשוטה ביותר שלה היא יכולת התיקון – אם מטע"ד אחד מתקלקל שולחים לוויין חלופי עם מטעד חלופי ואין צורך להחליף את כל המכלול.
תרומה נוספת נובעת מן העובדה שפגיעה של גוף חיצוני באחד הלוויינים אינה פוגעת פיזית באחרים בשעה שאם הם היו גוף אחד הייתה העברת אנרגית הפגיעה מסבה למכלול נזק נוסף על זה שנגרם בפגיעה עצמה.
מעובדה זו המהווה בעצמה יתרון – עולה גם יתרון נוסף של הגברת יעילותה של הכפלת רכיבים לצורכי גיבוי.
כשהלוויין הוא גוף אחד אז פגיעה חיצונית באחד מן הרכיבים תגרום בהסתברות גבוהה גם לפגיעה ברכיב הגיבוי שלו בשעה שכאשר הלוויין מפוצל – הגיבוי אינו נפגע.
מה היתרון של טלסקופ על הירח על פני טלסקופ בחלל?
נראה לי שהסביבה הירחית יוצרת בעיקר חסרונות כי בכל רגע נתון הירח מסתיר לכל אחד מן הטלסקופים חצי מן היקום בשעה שבחלל יכולים הטלסקופים לצפות לכל כיוון בכל עת.
חן טי 10 ביולי 2009 בשעה 23:51
מתי כבר יעלו פרוייקט של הקמה מרחוק של טלסקופ על הירח?
אפשר לבנות מספר טלסקופים-על בחלל כאשר כח מחשוב משותף שלהם יכול להשיג ידע רב על מה שקורה בחלל מזוויות שונות ובטכנולוגיות שונות.
החלק החדשני ביותר בכתבה הוא לדעתי העברת אנרגיה מלווין אחד לשני.
לא ברור 10 ביולי 2009 בשעה 23:40
אם כל לווין קטן כזה מבצע תפקיד אחד ספציפי ומשמעותי במערך איך זה יפתור בדיוק את בעיית הפגיעות? הרי מספיק שלווין אחד קטן כזה מושמד או מתקלקל וכל המערך מפסיק לתפקד…. אז מה בדיוק יצא להם מזה שפיצלו לווין אחד למספר לווינים קטנים? עדיין אחד מהם שיוצא מכלל פעולה משבית את המערך כולו.
לי 10 ביולי 2009 בשעה 08:54
לא. זה אומר שהלווין הראשון הגדול יוחלף בכמה קטנים, הבא אחריו כבר יוחלף רק בלווין קטן אחד, שעושה את העבודה ומקבל את שאר הדברים מהכמה הקטנים של הראשון.
bio 10 ביולי 2009 בשעה 08:47
אין לנו מספיק space junk בחלל ?
גישה כזו תגרום שכל לווין גדול, שאין בעייה לטפל בו ולשרוף אותו
בגמר השימוש, יתפצל לעשרות אויביקטים קטנים
גם ככה נורא צפוף שם
4 באוקטובר 2008 אין תגובות
יהויכין יוסף ז"ל היה אחד מבכירי מדעני האקלים בעולם