אחד האתגרים העומדים כיום בפני מרבית החברות הביטחוניות בישראל הוא כיצד להישאר “ראש לאריות” במחיר תחרותי. אתגר זה אינו פסח גם על תעש מערכות הפועלת גם בתחום הרקטות והפצמ”ר המדויקים. בתעש מערכות החליטו להתמודד עם האתגר באמצעות סימולציה ממוחשבת.
בחברה פועלת מזה שני עשורים לפחות מחלקת פרויקטי GNC בשטח, סימולציה בקרה ואלגוריתמים. בשנים האחרונות המחלקה, שמונה כ-15 עובדים, אחראית על פיתוח אלגוריתמים לכלל היחידות בחברה. המחלקה פועלת תחת חטיבת האש של תעש מערכות ומנוהלת על ידי ד”ר איינס כהן שהגיעה מהטכניון לתעש מערכות לפני מעל עשרים שנים.
לפגוע גם בתנאי אי-ודאות
“במחלקה מפתחים אלגוריתמים בשלושה תחומים עיקריים – בקרה, הנחייה וניווט”, מסבירה איינס. “רקטות צריכות להיות מדויקות וצריך סימולציה עם מודלים של תהליכים פיזיקליים שיעזרו להשיג זאת בעלות תחרותית. מטרת האלגוריתמים להביא את הרקטה או הפגז למטרה תחת אילוצים ידועים ולא ידועים”. 
בתעש מערכות מסבירים שכדי שרקטה תגיע למטרה, היא צריכה לדעת מאיפה היא באה, לאן היא הולכת, איפה היא נמצאת ומה האוריינטציה שלה. אם בעבר היו עושים בחברה בעיקר ניסויים פיזיים יקרים מאוד, התקדמות יכולות המחשוב שינתה יחס זה, וכיום מרבית הניסויים נעשים בסימולציה ממוחשבת. “כל תהליך הירי ממודל במחשב”, מסבירה איינס. “ממדלים את כל מרכיבי הרקטה. מחשב הטיסה, הסנסורים, המנוע, הסרבואים וכל מרכיב שיכול להשפיע על פעולת הרקטה. לאחר מכן, מתחילים לבחון את הפעולה של הרקטה בתנאים שונים.  
“מדובר ברקטה דקה וארוכה שהוסיפו לה הנחיה שמתקיימת תחת מעטפת יכולות מסוימת. היא יכולה לתמרן בצורה מסוימת מבחינה מבנית ואווירודינמית. אחת המטרות שלנו במחלקה היא לשמור אותה במעטפת ביצועים מתאימה. אם אתה נותן פקודת הנחיה, אבל אין לך בקרה טובה, הרקטה יכולה להתפרק. הבקרה אוכפת את הפקודה המתקבלת מהשו”ב ואחראית לכך שהמעגל ייסגר בזמן פעולה. 
“בכל רקטה מונחת יש יחידת INS ו-GPS ואלגוריתם ניווט אבל לא תמיד זה מספיק. צריך לדעת גם מאפיינים פיזיקליים של הרקטה כולל תאוצות, קצבים זוויתיים ונתונים אחרים. יש מדי תאוצה, מדי קצב וסרבו שהוא מנוע חשמלי שצריך לקבל הוראות ולסגור מעגל בזמן שיש נתונים פיזיקליים משתנים כל הזמן בזמן מעוף. אתה נותן פקודה, עד שהוא סוגר חוג מתרחש תהליך פיזיקלי הכולל אי ודאות. בשלב זה נכנסים האלגוריתמים לבקרה שפותחו בעזרת הסימולציה. זה ההבדל בין רקטה שמשיגה CEP מובטח, לבין רקטה שחורגת.    
“צריך לזכור שכל הסנסורים מגיעים עם רעש ושגיאות. את זה צריך למדל במדויק ולפתח אלגוריתמים שיתקנו את פערי היציבות והאי ודאות שלה. סביב זה בונים אלגוריתם בקרה. בנוסף, יש גם אלגוריתם הנחיה וניתוח אנרגטיות של המשימה. אם יש כלי שאפשר לשגר ל-X ק”מ ואתה מחליט לשגר אותו ל-2X, מערכת השו”ב תגיד לך שזה מחוץ לתחום האנרגטי. את ההתרעה יתנו האלגוריתמים שלנו.  
“המחלקה עובדת בצמוד עם הגורם שמפתח את חקר הביצועים עבור מערכת השו”ב. זה תחום שבודק את אחוזי ההצלחה של משימה מסוימת. הקטלניות של הרקטה בתרחיש מסוים. הם יושבים על תשתית הסימולציה שלנו. המחלקה עוסקת גם בניווט”.
קשר צמוד עם השטח
אחת המשימות של איינס היא לתמוך באנשי השיווק כאשר הם צריכים לענות על שאלות לקוחות. לדוגמה, כאשר לקוח רוצה לדעת מה קורה בתרחיש בו הרקטה מאבדת את יכולת ההנחיה החיצונית. מה יהיה ה-CEP המובטח שאפשר להתחייב במקרה כזה. “את זה עושים בסימולציה”, מסבירה איינס. “יש גם בדיקות היתכנות מהירות יותר שלא דורשות הרבה חישובים. רק כדי לקבל מושג ראשוני לגבי דרישת לקוח. 
“היתרון שלנו מול המתחרים טמון בעבודה המשותפת מול מחלקות פיתוח בתעש ומול השטח. למשל, עם מחלקת פיתוח מנועים. אם הרקטה בסימולציה צריכה עוד דחף או יכולות אחרות, המידע עובר לפיתוח מנועים והם מתאימים את המנוע לדרישות הרקטה. כך גם משטחי היגוי ומכלולים נוספים. 
“כחלק מפיתוח האלגוריתמים אנחנו עוסקים גם ברשתות עצביות ומאוד מחוברים למחקר האקדמי בתחום. יחד עם זאת, הפיתוח אצלנו הוא עבור אמצעי לחימה. לכן, הפיתוח מבוסס ברובו על שיטות שנוסו והוכחו בתעש מערכות”.
בתעש מערכות מסבירים כי בשטח, הלקוחות רוצים לפעמים להשתמש ברקטות או פגזים עם תשתיות קיימות שלהם. במקרים כאלו, מדובר לעתים בחומרה זולה יחסית כאשר המדידים לא מספקים מידע מדויק. “אחד האתגרים במקרים אלו הוא לשערך נתונים שאין לך משוב מדויק מהסנסורים”, מסבירה איינס. “צריך לשערך על בסיס הצלבה של מספר נתונים מסנסורים שונים. אנחנו יודעים להתמודד עם מדידים זולים. כלומר, חומרה זולה ופחות מדויקת. הנתונים פחות טובים וצריך לסחוט את האלגוריתמים לקצה כדי להשיג אותן תוצאות. זה שחלוף בין איכות אלקטרוניקה לאלגוריתמים. מדובר באתגר לכל התעשייה.  
“ככל שהאלגוריתמים איכותיים יותר, הרקטה זולה יותר. בתעש אנחנו יודעים להביא רקטה למטרה עם  מדידים של טלפון סלולרי אם צריך. אנחנו עובדים צמוד להנדסת מערכת ומתמודדים עם אתגרים מהשטח. יש מצבים שהמשגר של הלקוח נתון, ואתה צריך להתאים את הרקטה. אם משטחי היגוי לא נכנסים במשגר, הם לא נכנסים. אז צריך פתרון בסימולציה”.
ממזערים נזק אגבי
אתגר נוסף קיים בכל פעם שיש רקטה או פגז חדשים. במקרים אלו צריך לתכנן אלגוריתמים חדשים על בסיס המידע הקיים בתעש מערכות. “אנחנו יודעים לעשות זאת בשלושה חודשים. לפתח מערכת שאפשר להתחיל לעבוד איתו. סימולציה חדשה לניסויים”, אומרת איינס. 
“במחלקה עוסקים גם בהורדת נזק אגבי של הרקטה באמצעות אלגוריתמים. אתה יכול לתת לרקטה פקודה לא להתפוצץ אם היא חורגת ממעטפת הפעולה המוגדרת שלה. יש הגדרות של שרוולי בטיחות. זה מנגנון שיודע איפה אתה נמצא ביחס למעטפת הביצועים שלך, אם אתה חורג, השו”ב מקבל התרעה.
“לפני ניסוי פיזי עושים אלפי ניסויים ויש גם סימולציה היברידית. הסימולטור ההיברידי הוא חדר מיוחד שמאפשר לחבר את מחשב הטיסה לסנסורים ולסרבואים של הרקטה. בצורה כזו אפשר לדמות את הנתונים האמתיים על פי המדידים שבפועל מותקנים אצל הלקוח. יש התאמה כמעט מלאה בין הסימולציה לניסוי פיזי. אנחנו בתעש פועלים תחת אתגר יום יומי של ייצור המוצר הכי מתקדם במחיר תחרותי. בלי סימולציה אי אפשר להגיע לזה”.
 
הכתבה פורסמה לראשונה בגיליון 39 של מגזין ישראל דיפנס