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. באמצעות מערך לוויינים ניתן להבטיח כיסוי מלא של כל נקודה על כדור הארץ, נגישות מלאה לשירותים השונים בכל שעות היממה.

 סוגים אחרים של קבוצות לוויינים 
יש להבחין בין מערך לוויינים לבין:
 צבירי לוויינים, שהם קבוצות של לוויינים הנעים קרוב מאוד זה לזה במסלולים כמעט זהים;
 סדרות לוויינים או תוכניות לווין (כגון לוויני Landsat או לווייני Sentinel), שהן דורות של לוויינים המשוגרים ברצף;
 ציי לוויינים, שהם קבוצות של לוויינים מאותו יצרן או מפעיל, הפועלים באופן עצמאי זה מזה (לא כמערכת).

היסטוריה
ממוזער|שעון אטומי ממוזער שנחשף ב-2004.

מהרכיבים האלקטרוניים החשובים בלוויין אשר במערך.
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 המוזכרים למעלה הובילו להוזלת השיגורים.
מזעור הרכיב שעון אטומי שדרוש לדיוק המיקום, ולסנכרון בין הלוויינים.

פריסת הלוויינים
שיגור מערך ואופן הפריסה
אם מדובר בלוויינים קטנים, בדרך כלל 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
שמאל|ממוזער|250px|דיאגרמה המראה מסלולים סביב כדור הארץ, המסלול הנמוך LEO מסומן בתכלת. המסלול של תחנת החלל הבינלאומית מסומן בקו האדום שבתוך התכלת. מסלול לווייני בינוני MEO מסומן בצהוב. מסלול גאוסטציונרי GEO בקו השחור.
העיקרונות המנחים בפריסת מערך הם:

 ככל שגובה שיוט הלוויין נמוך יותר, הוא מכסה פחות שטח על פני כדור הארץ. ככל שגובה שיוט הלוויין גבוה יותר, הוא מכסה שטח גדול יותר על פני כדור הארץ, כך שכדי לכסות חלקים נרחבים יותר של כדור הארץ נדרשים יותר לוויינים למערך. כדוגמה 3 לוויינים גבוהים במסלול גאוסטציונרי) מכסים כמעט את כל כדור הארץ, ולקבלת אותו הכיסוי על ידי לוויינים במסלול לווייני נמוך) נדרשים לפחות 50 לוויינים.
 מספר מצומצם של לוויינים, עלול לצמצם את זמינות הכיסוי.
 ככל שהלוויין יותר נמוך, הזמן שלוקח לאות שמשדר הלוויין להגיע לפני כדור הארץ קצר יותר. זה עשוי להיות פרמטר משמעותי במגוון השירותים הניתנים באמצעות הלוויין.

תיאום ושימור הפריסה
ציוד בלוויין
לוויין צריך להיות בעל מכשור המתאים לשמירה אוטונומית על המיקום העצמי, וכן צריכה להיות יכולת להתגבר על הגרר של האטמוספירה, למשל באמצעות 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 
ממוזער|שיגור "מחסנית" של 60 הלוויינים הראשונים בפרויקט Starlink
פרויקט Starlink של SpaceX תכליתו ליצור מערך רחב היקף של 42,000 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
ממוזער|פריסת האירידיום מאפשרת תקשורת גם באנטארקטיקה
מיזם מתחום הטלפוניה המאפשר תקשורת בין כל שתי נקודות על פני כדור הארץ. המערכת כוללת מערך של 66 לוויינים פעילים, המבטיחים כיסוי גלובלי, ומספר לוויינים נוספים לצורך יתירות. הלוויינים משייטים בגובה של כ-781 ק"מ. את המיזם הקימה חברת מוטורולה באמצע שנות ה-90.

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 מערכי ניווט 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, החל במאה ה-21 הצטרפו מדינות נוספות:
 גלילאו - מערכת הניווט של האיחוד האירופי, 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
ממוזער|הדגמה של פריסת המערך 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 ורציפות - כיסוי שטח יותר בזמינות גבוהה יותר
 יתירות - המערך פועל כמו רשת, אם אחד יוצא ממתפקוד, יש עוד הרבה שיכולים לתפוס את מקומו.
 עלות כספית ללוויין בודד וקטן נמוכה, יחסית ללוויין גדול יותר.
 (בדור החדש) בקרה אוטונומית על דיוק המיקום.
 יצירת פס רחב של תעבורת מידע

חסרונות
ממוזער|חלק קטן מפסולת החלל המקיפה את כדור הארץ בכמה מסלולים
ממוזער|הבזק לוויין אירידיום מהחזרה של קרני השמש. פריסה של אלפי לוויינים נוספים, עלולה לגרום לזיהום אור
 תופסים מקום רב באזורים המותרים ל"חניית" 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 במספר 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

*
*