מערך לוויינים

מערך לוויינים הוא כינוי למספר לוויינים אשר יש תיאום מיקומי ביניהם. למערך לוויינים שימושים שונים: מערכת ניווט לוויינית, מערכות תקשורת, סיוע במקרה אסון, ועוד.
מספר הלוויינים במערך יכול לנוע בין עשרות לעשרות אלפים. יצירת מערך שומרת על תחום כיסוי מלא של כל נקודה על כדור הארץ, ומאפשרת נגישות מלאה בשירותים השונים, בכל שעות היממה.

היסטוריה

מערך ה-GPS נשלח כבר בשנת 1973.
החל מהעשור השני של המאה ה-21, כמה גורמים הפכו את יישום שיטת מערך הלוויינים לאפשרית יותר ונפוצה:
כניסת חברות פרטיות ומסחריות לתחום החלל מציעה זמינות יותר גבוהה לשיגור
 יכולת המזעור של רכיבים אלקטרוניים, תורמת לדחיסת או הקטנת רכיבי וגודלי הלוויינים
 מעבר ויכולת בניית לוויינים על פס ייצור.
 שלושת הגורמים מעלה הובילו להוזלת השיגורים בכלל.
מזעור הרכיב שעון אטומי שדרוש לדיוק המיקום, ולסנכרון בין הלוויינים.

פריסת הלוויינים

שיגור מערך ואופן הפריסה

אם מדובר בלוויינים קטנים, בדר"כ דרך הפריסה שלהם היא בתור "מטען טרמפ", אשר משוגרים יחד עם עוד מטען יותר גדול, אך מתוזמנים לפריסה בזמן שונה. חסרון שיטה זו היא שלעיתים המערך לא משוחרר בגובה בו הוא צריך להיות מוצב, וזה דורש עוד תמרונים.
לעיתים אף משוחררים הלוויינים הקטנים, מלוויין יותר גדול.
כיום ישנן חברות אזרחיות בבעלותן משגרים קטנים, המיועדים לשיגור לוויינים קטנים ומערכי לוויינים, והצבתם בגובה אופטימלי. בין החברות RocketLab הניו זילנדית (המשגרת כמעט כל חודש) Astra, Virgin Orbit ו-Firefly האמריקאיות, ועוד.

מיקום המערך

העיקרון המנחה בפריסת מערך הוא כזה: ככל שהגובה בו משייט הלוויין נמוך יותר, הרי שהוא יוצר שטח כיסוי יותר קטן על פני כדור הארץ. בנוסף, כמות פחותה של לוויינים, עלולה לצמצם את זמינות הכיסוי. לפיכך המשחק הוא בין כמות הלוויינים לגובה בו הם נמצאים.

מספר הלוויינים הדרושים לכיסוי כדור הארץ תלוי בגובה הלוויינים: 3 לוויינים גבוהים (GEO - מסלול גאוסטציונרי) מכסים כמעט את כל כדור הארץ, אבל לפחות 50 לוויינים נמוכים (LEO - מסלול לווייני נמוך) דרושים לביצוע משימה דומה.

בנוסף, ככל שלוויין יותר נמוך, אזי הזמן שלוקח לאות שמשדר הלוויין להגיע לפני השטח, הוא יותר קצר. עניין זה הוא פרמטר משמעותי במגוון השירותים הניתנים מלוויין. לפיכך, זהו עוד גורם המשפיע על איפה לשים את מערך הלוויינים.

תיאום ושימור הפריסה

ציוד בלוויין
בלוויין צריך שיהיה המכשור המתאים לשמירה אוטונומית על המיקום העצמי, וכן להתגבר על הגרר של האטמוספירה, כגון גלגל תנע או מנוע דחף קטן.

סוף חייו של לוויין
לשם תפקוד מלא ויציב של מערך לוויינים, יהיה צורך בהחלפת לוויינים שאינם מתפקדים עוד, מסיבות שונות.

לווייני תקשורת

עם התפתחות הגלובליזציה, והדרישה לטלקומוניקציה, נעשים ניסיונות שונים להנגשת האינטרנט בכל נקודה על פני כדור הארץ. התפתחות והוזלת תחום הלוויינות הופכים תהליך זה לאפשרי, בין השאר על ידי פריסת מערכי לוויינים.

OneWeb satellite constellation 

בתחילת 2019 נשלחו לחלל ששת הלוויינים הראשונים של OneWeb satellite constellation , פרויקט ששאיפתו להנגיש את האינטרנט לכל נקודה בכדור הארץ על ידי פריסת מערך רחב היקף של לוויינים.

Starlink 

פרויקט Starlink של SpaceX תכליתו ליצור מערך רחב היקף של 12,000 מיני לוויינים אשר יספקו קישוריות אינטרנט לכל נקודה בכדור הארץ. ב-24 במאי 2019 שוגרו לחלל 60 הלוויינים הראשונים לשם הוכחת היתכנות.

China 125
חברת תקשורת סינית המתעתדת לפרוש מאות לווייני תקשורת. ב-5 ביוני 2019 היא שיגרה שני לווייני תקשורת שלה.

NSLComm
חברת ההזנק הישראלית BeetleSat (NSLComm לשעבר) תציע פריסת תקשורת אינטרנטית ל: תעשייה הצבאית, תחום הספנות, האינטרנט של הדברים (IoT) ותחומים נוספים. החברה עתידה לשגר מערך של מאות לוויינים זעירים לספק אינטרנט למקומות נידחים. 
החברה מציעה שני פרמטרים ייחודיים וחדשניים שעתידים לשנות את תחום פריסת האינטרנט העולמי :
 קצב העברת נתונים של 1.5 ג'יגה-ביט לשנייה, לעומת 20 מגה-ביט בלוויינים בגודל זהה.
 הלוויין נושא אנטנה ייחודית הבנויה מפולימר גמיש המאפשר לה להתקפל ולחסוך מקום בעת השיגור. פריסתה מאפשרת למקסם את יכולות השידור עד פי 100 ביחס ללוויינים באותו גודל.
שני הפרמטרים הנ"ל וכן בהתחשב בגודל הלוויין, עשויים לגרום להוזלת לווייני תקשורת הנתונים עד פי עשרה.

היסטוריה
ב-9 ביוני 2019 שוגר NSLSat-1.
ב-3 בינואר 2023 שוגר NSLSat-2.

אירידיום

מיזם מתחום הטלפוניה המאפשר תקשורת בין כל שתי נקודות על פני כדור הארץ. את המיזם הקימה באמצע שנות ה-90 חברת מוטורולה.

לווייני ניווט
לווייני הניווט הלווייני היו מהמערכים הראשונים להיפרס בחלל, עקב הדרישה הגבוהה ליכולת זו (גם אם לא הייתה נפוצה ופתוחה לשימוש אזרחי עד לשנות ה-90 של המאה ה-20).

הראשונות לשגר מערכים אלו היו המעצמות ברית המועצות וארצות הברית
 GPS - מערכת ניווט אמריקאית, בשליטה אזרחית למחצה. פריסה עולמית עוד משנת 1973. מערך הלוויינים המוכר והנפוץ ביותר, ומשמש כמעט בכל מערכת ופלטפורמת ניווט.
 GLONASS - מערכת ניווט רוסית, בשליטה צבאית מלאה. פריסה עולמית משנת 1982.
עם התפתחות תעשיית החלל, נכנסו לתמונה עוד מדינות, החל מתחילת המאה ה-21 :
 גלילאו - מערכת הניווט אירופאית, בשליטה אזרחית מלאה. פריסה עולמית.
 BeiDou - מערכת ניווט סינית, בשליטה צבאית מלאה. פריסה אזורית.
 QZSS - מערכת ניווט יפנית, בשליטה צבאית מלאה. פריסה אזורית.
 IRNSS - מערכת ניווט הודית, בשליטה צבאית מלאה. פריסה אזורית.

לווייני התרעה והצלה

להק ננו-לוויינים אדליס-סמסון (Adelis-SAMSON)
פרויקט של הטכניון, אשר ישמש לחישוב מיקום של מקורות קורנים (היינו בטווחי קרינה אלקטרומגנטית שונים) מכדור הארץ, לשם איתור אנשים, מטוסים וספינות, לראשונה אי פעם באמצעות מערך ננו-לוויינים. המבנה בעל שלושה ננו-לוויינים ירחף בגובה 600 ק"מ, בצורה אוטונומית, תוך תיאום המיקום.

Disaster Monitoring Constellation
תפקידה העיקרי של מערך לוויינים זה הוא לזהות אסונות טבע, ואסונות מעשה ידי אדם.
המערך בן שמונת הלוויינים הוא פרויקט בינלאומי למעקב אחרי אסונות, המשמש גם מדינות שאינן במיזם. מטרת המערך לספק מידע לצוותי חירום וסיוע על אזורים שנפגעו, למשל משריפות, רעידות אדמה ושיטפונות. המערך משמש גם ארגונים למען איכות הסביבה, כך הם יכולים לעקוב אחרי צמיחת יבולים או כריתה בלתי חוקית של יערות.
המערך מספק תמונות ברזלוציה גבוהה, בשטח ובכיסוי גבוה של כמה תמונות לאותו אזור במהלך היום.

לווייני מזג אוויר

פרויקט CloudCT
פרויקט שמטרתו לצמצם את אי הוודאות בחיזוי ובמידול מזג האוויר, וכן לספק מידע נוסף על השפעת העננים על האקלים. הפרויקט ייתן מענה לחקר שדות של עננים קטנים, שאינם נמדדים היטב בטכנולוגיות הלויינים הנוכחיות, אך השפעתם גדולה על מזג האוויר והאקלים. המערכת תספק נתונים על ההרכב הפנימי והמבנה החיצוני של עננים, באמצעות טכנולוגיה שפותחה בהשראת CT רפואי. המערך יכלול עשרה ננו לוויינים, שמשקל כל אחד מהם שלושה ק"ג וגודלו כשל קופסת נעליים. הפרויקט הוא שיתוף פעולה של הטכניון, מכון ויצמן למדע והמכון לטלמטיקה בגרמניה.

TROPICS 
TROPICS (Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats) הוא מערך של ארבעה קיובסאט שנועדו לנטר סופות ציקלון מטעם נאס"א.

אסטרונומיה לוויינית

New Worlds Mission

מערך עתידי מתוכנן של טלסקופ החלל ג'יימס וב יחד עם הלוויין Starshade להסתרת אור כוכב לשם מציאת כוכב לכת חוץ-שמשי.
המערך צריך להיות בתיאום מוחלט על מנת שטלסקופ החלל יקלוט רק את הסביבה שמסביב לכוכב, ללא הסינוור שיוצר הכוכב.

China's Miyin exoplanet project
סין מתכננת לשגר בתחילת 2030 מערך של ארבעה טלסקופי חלל, במטרה לתור אחר כוכבי לכת חוץ שמשיים.

סוגים אחרים 
 JAXA מתכננת להציב מערך לוויינים סביב כדור הארץ, שישגר את האנרגיה הנקלטת מהשמש, לעבר קולטי אנרגיה.

יתרונות וחסרונות

יתרונות
 הנגשת ופריסה כלל עולמית לצרכים השונים
 כיסוי שטח יותר זמין ותכוף
 המערך פועל כמו רשת, אם אחד יוצא מכלל שליטה, זה לא נורא, כי יש עוד הרבה שיכולים לתפוס את מקומו.
 עלות כספית ללוויין בודד וקטן נמוכה, יחסית ללוויין גדול יותר.
 (בדור החדש) בקרה אוטונומית על דיוק המיקום.

חסרונות

 תופסים המון מקום באזורים המותרים ל"חנית" לוויינים.
 במקרה של כשל מערכתי, הם עלולים לצאת משליטה ולהוות פסולת חלל.
 במקרה היותר גרוע הם עלולים לגרום לאפקט קסלר .
 תהליך שיגורם עשוי לקחת זמן רב (תלוי בכמות הלוויינים ובגודלם).
 פריסת קבוצה גדולה של לוויינים יחד, אשר יוצרו בפס ייצור, מסתכמת באיבוד סטטיסטי של כמה לוויינים בדרך.
 יצירת זיהום אור אפשרי, עקב החזרת אור לעבר כדור הארץ מהתאים הפוטו-וולטאיים.
 הפרעה לתצפיות אסטרונומיות באורכי גל שונים.

ראו גם
 לוויין מפוצל
 כדור דייסון - מערך קולטי שמש לניצול אנרגיה של כוכב

קישורים חיצוניים

 stuffin.space - מבט בזמן אמת על הלוויינים ופסולת החלל המקיפים את כדור הארץ
 קישור לאתר מעקב אחר מערכי לוויינים של מערכות ניווט לווייני
 מערך לוויינים - חלק מקורס של רשת אורט
 ייצור לוויינים בקצב מסחרר ישנה את פני תעשיית החלל, טל ענבר, 29.06.2017 - באתר סוכנות החלל הישראלית
 מערכת לוויינים המקבלות שידורי מצוקה ימיים ותחנות קרקע המנהלות את פעולות החיפוש וההצלה
 אינטרנט מהשמיים: גוגל תשקיע מיליארד דולר בפרויקט הלוויניים של SpaceX, רונן מנדזיצקי, יום שלישי, 20 בינואר 2015 באתר gadgety 
אנרגיה מתחדשת וכלכלה ירוקה כמנוע צמיחה מסמך מסכם, מחברים עידן לוי ואורי סלונים  (ראו עמוד 6 - אוטופיה ומחקר בסיסי בתחום האנרגיה המתחדשת )
 האם הלוויין AMOS6 פוצץ בכוונה או הייתה תקלה ומה עם עמוס 5.. Dec 23, 2016, באתר satworld 
 
 על הקשר בין פסולת חלל למערכי לוויינים

הערות שוליים