מד גובה אלקטרוני

מד גובה אלקטרוני או מד גובה אלחוטי (בראשי תיבות: מג"א) המכונה גם RA או מד גובה מכ"ם או מד גובה רדיו (מכונה באנגלית גם RADALT, ראשי תיבות של: Radar Altimeter, או LRRA, ראשי תיבות של: Low Range Radio Altimeter) הוא מד גובה מבוסס מכ"ם הפועל על בסיס גלי רדיו. מכשיר המג"א נמצא בשימוש בעיקר על מטוסים ומודד גובה מעשי מעל פני השטח (בראשי תיבות מעפה"ש) בניגוד למדידת לחץ ברומטרי (במכשיר מד גובה) שמודד לחץ סטטי במקום בו נמצא המטוס ומחשב את גובהו על פי הפרש הלחצים יחסית לנקודת ייחוס (דאטום) מוגדרת, לרוב מוגדר ללחץ ברומטרי עדכני שנמדד בגובה פני הים (בראשי תיבות: מעפ"ם) או QNH (אנ'). המכשיר מודד את הגובה מהקרקע ישירות תחת המטוס או החללית על ידי תזמון מסע אלומת גלי רדיו המשודרת מן המטוס ומוחזרת אליו מן הקרקע. על פי סעיף 1.108 של "תקנות הרדיו של ה־ITU", שנכתב על ידי איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי, מד גובה רדיו מוגדר כ : "ציוד ניווט רדיו, על סיפון מטוס או חללית, הנועד לקבוע את גובה כלי הטיס, או החללית מעל פני השטח של כדור הארץ או משטח אחר." המקור באנגלית radio altimeter: Radionavigation equipment, on board an aircraft or spacecraft, used to determine the height of the aircraft or the spacecraft above the Earth's surface or another surface. ציוד ניווט רדיו יהיה מסווג על ידי שירות תקשורת הרדיו שבו הוא פועל באופן קבוע או זמני. השימוש במד גובה רדיו, מוגדר כ"שירות בטיחות החיים", חייב להיות מוגן מהפרעות, ומהווה חלק חיוני בניווט. במרבית כלי הטיס הכוללים מג"א המערכת מוגדרת כמערכת בטיחות טיסה, שתקלה בה מקרקעת את כלי הטיס. עקרון הפעולה של המערכת מבוסס על מכ"ם בו גלי רדיו משודרים אל עבר הקרקע והזמן שלוקח להם לפגוע בקרקע ולחזור חזרה נמדד. מכיוון שאות הרדיו נע במהירות האור ניתן לחשב את הגובה על פי הזמן בין שידור האות וקליטתו לאחר שהוחזר מהקרקע.  מד גובה מכ"ם בדרך כלל פועל בתחומי התדרים E band ו־Ka-band, או, עבור מדידות משוכללות יותר של גובה פני הים, ב־S band. המכ"ם מספק גם מקור אמין לשיטת מדידה של גובה מעל פני הים כאשר עורכים מסע על ימי ארוך. שימוש כזה הוא קריטי במסעות אל ומאסדת קידוח. בכלי טיס לרוב מערכת מג"א תהיה מורכבת משתי אנטנות, אחת משדרת והשנייה קולטת, המותקנות בדרך כלל באזור המבנה האחורי או הזנב של כלי הטיס. שתי האנטנות יחוברו למחשב או מגבר, המחולל ומגביר את האותות שלהם וגם מקבל את ההחזר ומחשב את המרחק. המחשב או המגבר יספק את הנתון המחושב בצורה אנלוגית או דיגיטלית למערכות המטוס וכן למחוון לטייס. למערכת יכול להיות מחוון ייעודי, או שהאות יוצג לטייס על גבי צגים רב תכליתיים. הטייס יכול לקבוע גובה התראה בו המחוון או מערכת האוויוניקה תתריע לטייס בהגעה לגובה המוגדר. פרק זה טעון עריכה. אנא תרמו לוויקיפדיה ועזרו לערוך אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. הסיבה היא: חסרים הסברים. נניח מכ"ם המקרין ממשואה הנעה כלפי מטה, אלומות שפוגעות בפני אוקיינוס שטוחים. האיור הבא מציג חתך אורך של אלומת המכ"ם האלטימטר מודד את עצמת האלומה המוחזרת מהמשטח של פני האוקיינוס. מרווח הזמן בין הקרנת אלומת המכ"ם לבין הגעת האלומה המוחזרת נמדד ועל ידי כך מוערך המרחק בין המשטח המחזיר לאלטימטר; אי סדרים על פני השטח עשויים להיות מוערכים אף הם.[דרושה הבהרה] על פי התשואה הצפויה הדופק יכול לנבוע מכמה שיקולים מתמטיים בסיסיים. האלומה הצפויה להיות מוחזרת ניתנת לחישוב בכמה צעדים מתמטיים פשוטים. מהאיור של חתך אורך של אלומת המכ"ם, ניתן למצוא את רדיוס הקצה החיצוני באמצעות משפט פיתגורס: H 2 + r p 2 = ( H + l p ) 2 = H 2 + l p 2 + 2 H l p {\displaystyle H^{2}+r_{p}^{2}=(H+l_{p})^{2}=H^{2}+l_{p}^{2}+2Hl_{p}} כאשר rp הוא הקצה המוביל של האלומה. אם נניח ש־lp2 קטן ויכול להיות מוזנח אז ניתן לפתור עבור rp: r p = 2 H l p = 2 H c t p {\displaystyle r_{p}={\sqrt {2Hl_{p}}}={\sqrt {2Hct_{p}}}} את טווח הזמן הנדרש לאלומת בעלת עצמה נמדדת מהמכ"ם לאחר שחזרה מהמשטח של פני האוקיינוס ניתן לתאר בשלושה שלבים: הזמן לפני הגעת האלומה זמן אחרי תחילת הגעת האלומה ולפני הגעת "זנב האלומה" אחרי הגעת זנב האלומה. פונקציית העצמה ניתנת לתיאור על ידי: P ( t ) = { 0 t < t o ( t − t 0 ) t p t o < t < t o + t p   1 t > t o + t p {\displaystyle P(t)={\begin{cases}0&t<t_{o}\\{\frac {(t-t_{0})}{t_{p}}}&t_{o}<t<t_{o}+t_{p}\\\ 1&t>t_{o}+t_{p}\\\end{cases}}} באמצעות המשוואה ל־rp, ונרמול על ידי נקודת שיא כוח, נקבל: הגרף הבא ממחיש פונקציית עצמה לאלומת מכ"ם. פונקציית העצמה צריכה להיות קבועה עם הזמן, לאחר שהאלומה הגיעה במלואה לפני הים או לקרקע ב־t-to)/tp = 1), אולם העצמה למעשה תרד עם הזמן בהתאם לדפוס ההארה של המכ"ם ביחס לפני הים או לקרקע. ההבדל העיקרי בין מכ"ם עיכוב דופלר (או מכ"ם מפתח סינתטי, באנגלית: "Synthetic Aperture Radar") ואלטימטר אלומה הוא שאלטימטריית עיכוב דופלר מסתכלת על חלק צר יותר של חתימת המכ"ם, אולם פולט מספר רב יותר של אלומות כדי לתת אפקט המכסה את אותה חתימה אך עם רזולוציה גבוהה יותר. המבט מעלה־מטה שבאיור מראה שטח חתימה נמוך של אות עיכוב דופלר. כדי לקבוע את עצמת האות במכ"ם עיכוב דופלר כפונקציה של הזמן, נצטרך להניח שחתימת המכ"ם של מכ"ם אלומה קטן דיו כדי להיחשב כשני מרובעים ברוחב W. לאור זאת, פונקציית העצמה יכולה להיכתב כ: P ( t ) = { 0 t < t o   2 W r ( t ) t o < t < t o + t p   2 W [ r ( t ) − r ( t − t p ) ] t > t o + t p {\displaystyle P(t)={\begin{cases}0&t<t_{o}\\\ 2Wr(t)&t_{o}<t<t_{o}+t_{p}\\\ 2W[r(t)-r(t-t_{p})]&t>t_{o}+t_{p}\\\end{cases}}} אם נשתמש במשוואה לרדיוס מהמשוואה הקודמת, העצמה כנגד הזמן, מנורמלת עם הזמן ביחס להגעה של הקצה המוביל, t ′ = t − t o {\displaystyle t'=t-t_{o}} , נותן: P ( t ′ ) = { 0 t ′ < 0   ( t ′ t p ) 1 2 0 < t ′ < t p   ( t ′ t p ) 1 2 − ( t ′ t ′ − t p ) 1 2 t ′ > t p {\displaystyle P(t')={\begin{cases}0&t'<0\\\ ({\frac {t'}{t_{p}}})^{\frac {1}{2}}&0<t'<t_{p}\\\ ({\frac {t'}{t_{p}}})^{\frac {1}{2}}-({\frac {t'}{t'-t_{p}}})^{\frac {1}{2}}&t'>t_{p}\\\end{cases}}} המחשה של העצמה המנורמלת לזמן מוצגת להלן: ישנם שני יתרונות מרכזיים שיטת עיכוב דופלר על אלטימטר אלומה "מסורתי". ראשית, המכ"ם מכסה שטח קטן יותר ולכן האלומה הנפלטת על ידי לוויין דורשת עצמה נמוכה יותר. היא מכסה את שטח חתימת המכ"ם בתדירות גבוהה יותר, אך בעזרת עצמה נמוכה יותר. שנית, צורת הגל המוחזר בעלת חתימה מורכבת יותר, המאפשרת לזמן ההגעה של האלומה, להיות מרוכז יותר. להלן רשימה של גורמים העשויים לגרום שגיאות מדידה במערכת RA: גאות ושפל – שינויי גאות ושפל גדולים באופן משמעותי מאשר וריאציות דינאמיות בגובה פני הים עקב העובדה ששינויי כתוצאה מגאות ושפל יכולים להיות על בסיס יומי או תת־יומי, יכולה הגאות לדוגמה לצור שגיאה בקירוב קבועה (לטווח זמן קצר יחסית) שחייבת להיות מטופלת שגיאה אלקטרומגנטית – ישנו מצב ימי כאשר אזור השפל (trough) של פני הגל (של הים) נוטה למקד את הגל (המוקרן מהמכ"ם ומוחזר מפני הים) חזרה לכוון המכ"ם, ואילו השיא (crest) של פני הגל נוטה לפזר את הגל המוחזר. שגיאה יונוספירית – היונוספירה יכולה להשית עיכוב על האות החוזר למכ"ם, כאשר הפלזמה האלקטרונית מאטה את מהירות החבורה של האלומה. צפיפות האלקטרונים ביונוספירה משתנה במשך היום, ולכן תיקון השגיאה מורכב יותר. טרופוספירה יבשה – שבירה כתוצאה מפגיעה בשכבת גז יבש של האטמוספירה יכולה לגרום לעיכוב נוסף באות הנקלט במכ"ם. שגיאה זו ניתנת להערכה בעזרת משוואת ססטמוינן (ΔRdry= -0.02277Po*(1+0.0026cos2φ כאשר Po הוא הלחץ בגובה פני הים בפסקל (in Pascal) ו־φ הוא קו האורך. טרופוספירה רטובה – אדי מים עשויים אף לצור עיכוב באות הקשה יותר לתיקון. תיקון לעיכוב עבור סך עמוד המים במדידת המכ"ם יכול לפצות על חלק מהשגיאה בעזרת נתונים ממודלים מטאורולוגיים כגון ECMWF ו־NCEP. הטייה גאומטרית - מכיוון שקרן המכ"ם נורית בניצב לגחון המטוס, הטיות של המטוס יכוונו את הקרן הצידה ויצרו הגדלה מכנית של זמן ההחזר ומכאן - חיווי גובה שגוי. בשנת 1924, המהנדס האמריקאי לויד אספנשילד המציא את הרדיו אלטימטר. ב־1938, מעבדות בל (כיום "מעבדות נוקיה בל") החליטו לשים את המכשיר של אספנשילד באופן שיהיה מותאם לשימוש על כלי טיס. ב־1938 בשיתוף פעולה עם מעבדות בל, "United Air Lines" התקינה את המכ"ם בחלק ממטוסיה כמכשיר למניעת התנגשות בתוואי קרקע. Radio Regulations, edition of 2016: Volume 1: Articles Sandwell, David T. "Radar Altimetry" (PDF). נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radar Altimetry Tutorial: From radar pulse to altimetry measurements". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radar Altimetry Tutorial: Delay-Doppler (or SAR) Altimetry". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) Raney, R. K. (1998). "The Delay/Doppler Radar Altimeter". IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 36: 1578–1588. "Radar Altimetry Tutorial: Ocean tides". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radar Altimetry Tutorial: Electromagnetic Bias". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radar Altimetry Tutorial: Ionospheric corrections". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radar Altimetry Tutorial: Dry troposphere correction". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radar Altimetry Tutorial: Wet troposphere correction". CNES. נבדק ב-1 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radio Altitude: The instrument of choice". Cygnus Interactive. אורכב מ-המקור ב-2011-05-24. נבדק ב-2016-06-26. "Towers Flash Radio Beams To Detect Warplanes" Popular Mechanics, September 1941