Giri Krishnamurthy, Mini-Circuits Engineering

Boris Benger, Mini-Circuits Applications

מבוא: ההיסטוריה והשימושים המודרניים של יישומי GNSS

מערכות GNSS (מערכות ניווט גלובלי בעזרת לוויינים) הופכות יותר ויותר להיות יישום ת”ר ((RF נפוץ הן בשימושים צבאיים וגם בשימושים אזרחיים. טכנולוגיית GNSS מוקדמת או שירותים מבוססי מיקום (LBS), פותחה באופן בלעדי לשימושים צבאיים והופעלה עם שולי שגיאה של כ-9 מ’ (10 יארד), שהיו מספקים בזמנו, אבל הם הגבילו את התאמתה לשימושי קצה שלהם נדרשה דרגה גבוהה יותר של דיוק. בזמן שחלף מאז הושקו לראשונה השירותים של מערכת GPS, לפני יותר מ- 40 שנה, התפתחות הטכנולוגיה שיפרה את הדיוק עד כדי סדר של 1.83 – 2.74 מ’. התקדמות זו של הטכנולוגיה, בשילוב עם מזעור משמעותי והפחתת עלותם של התקנים מאופשרי שירותי LBS, פתחו שוק נרחב ומתפתח של שירותי GNSS. לדוגמה, מערכת GNSS משמשת כיום בתחום החקלאות לחישובים סטטיסטיים בנוגע למזג אוויר, לתנאי קרקע ולבריאות היבול, על מנת לעזור לחקלאים להגדיל למקסימום את היבולים ואת הרווחים שלהם. חידושים כאלה עודדו את הדרישה לרכיבים שתומכים ביישומים צבאיים ותעשייתיים וביישומי צריכה.

כתוצאה מהאופי הגיאוסטציונרי (המיקום הקבוע של הלוויינים ביחס לכדור הארץ) של מערכת GNSS, כל קבוצה משרתת אזורים גיאוגרפיים מוגדרים. הקבוצה של ארה”ב הידועה בשם GPS (מערכת מיקום גלובלית) הייתה הראשונה שאחריה באו רבות אחרות. מאחר שמערכת GPS מרחפת מעל אמריקה הצפונית והאות שלה יגיע רק לאותן המערכות הממוקמות בארה”ב, קנדה ומקסיקו, שוגרו מערכות GNSS נוספות בהמשך כדי שישרתו אזורים אחרים על פני כדור הארץ. חלק ממערכות נוספות אלו כולל את Galileo מעל אירופה, GLONASS (מערכת גלובלית של לוויינים לניווט) מעל רוסיה ו- BeiDou (מצפן) מעל סין.

כל אחד מהלוויינים במערכות אלו משדר אותות בתדירויות בפס L (L1, L2 ו- L5), אשר נקלטים על ידי המקלט בהתקנים בעלי יכולת LBS על פני כדור הארץ. המקלט קולט את תדירויות הגל הנושא המתקבלות מארבעה לוויינים ומקבל את הקואורדינטות מכל אחד מהם, על מנת לחשב את המיקום הנוכחי ביחס לנקודת יעד מתוכנתת.

דרישות התכנון

פסי L1, L2 ו- L5 פועלים בתדירויות נמוכות בטווח 1 – 2 ג’יגה הרץ, אשר הופכות את הגישה אליהם לנוחה ואת ההפעלה בהן לזולה, באופן יחסי. כתוצאה מכך, תחום הספקטרום הזה משמש גם פסי שידור מרובים של יישומים עבור מערכות תקשורת אחרות. ההתפתחות הצפופה של תדירויות בפס L יצרה סיכון מוגבר של הפרעה בין פסי השידור של המערכות השונות. במערכות GNSS התוצאה של הפרעה כזו עלולה להיות שגיאת נתונים שתתבטא כהיעדר מידע או כמידע שגוי.

לכן, בעת בחירת מסננים עבור מערכות GNSS, יש חשיבות לבחירה של מסנן שיש לו דחייה גבוהה עם ברירות גבוהה או “שמלות חדות” בגרף של הפסדי מעבר (insertion loss) בתלות בתדר. רוחבי פס צרים מתאימים במיוחד ליישומים בפס L שבהם הקצאות הספקטרום צפופות ביותר, ויש חשיבות להפסדי מעבר נמוכים למען קליטת האותות החלשים באופן יחסי, המשודרים מלוויינים אל מקלטים על פני כדור הארץ.

המערכות GPS, Galileo ו-GLONASS משתמשות לעתים קרובות באותן תדירויות מרכזיות בפסי השידור L1, L2 ו-L5 ומאפשרים בכך יכולת פעולה משותפת של התקנים מאופשרי LBS בין האזורים, על אף שרוחבי הפס שונים בכל אחת מהמערכות. מערכת ה- GPS משתמשת בדרך כלל ברוחב הפס הרחב ביותר (בערך 15 מגה הרץ) בהשוואה ל- Galileo ול- GLONASS. מאחר שכל קבוצה נפרדת מהקבוצות האחרות מבחינת גיאוגרפית, לא קיימת סכנה להפרעות בין המערכות השונות בשעה שהן משתמשות באותו תדר מרכזי.

יכולת פעולה משותפת זו נוחה הן למתכנני מסננים וגם למשתמשי הקצה. למשל, מסנן GPS אשר מיועד ללכוד טווח תדירויות בפס L1, יוכל להקיף את רוחבי הפס הצרים יותר של פס E1 של Galileo ואת פס II-L1 של GLONASS. חפיפה זו מאפשרת את השימוש במסנן מעביר פס אחד במערכות GNSS מרובות ומספקת למשתמש ערך גדול יותר וניידות רבה יותר עם התקן יחיד.