הצגת המקור של הדף "מד גובה אלקטרוני"

[[קובץ:RederAltimeter.gif|ממוזער|תמונה המדגימה מחוון מג"א]]
'''מד גובה אלקטרוני''' או '''מד גובה אלחוטי''' (ב[[ראשי תיבות]]: '''מג"א'''; {{שם בשפת המקור|שם=Radar altimeter|שפה=אנגלית}}, בראשי תיבות: '''RA'''; מכונה גם '''מד גובה מכ"ם''' או '''מד גובה רדיו'''; מכונה באנגלית גם '''RADALT''', ראשי תיבות של '''R'''adar '''A'''ltimeter; או '''LRRA''', ראשי תיבות של '''L'''ow '''R'''ange '''R'''adio '''A'''ltimeter) 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]] (מעל פני הים; בראשי תיבות: מעפ"ם) או QNH {{אנ|Altimeter setting}}. המכשיר מודד את הגובה מהקרקע ישירות תחת ה[[כלי טיס|מטוס]] או ה[[חללית]] על ידי תזמון מסע אלומת גלי רדיו המשודרת מן המטוס ומוחזרת אליו מן הקרקע.

== היסטוריה ==
בשנת 1924, המהנדס האמריקאי לויד אספנשיד {{אנג|Lloyd Espenschied}} המציא את מד הגובה האלחוטי.

ב־1938, מעבדות בל (כיום "[[מעבדות נוקיה בל]]") החליטו להתאים את המכשיר של אספנשיד לשימוש בכלי טיס.{{הערה|{{Cite web|url=http://www.amtonline.com/publication/article.jsp?pubId=1&id=1337|title=Radio Altitude: The instrument of choice|publisher=Cygnus Interactive|accessdate=2016-06-26|archiveurl=https://web.archive.org/web/20110524104756/http://www.amtonline.com/publication/article.jsp?pubId=1&id=1337|archivedate=2011-05-24|url-status=dead}}}}

ב־1938 בשיתוף פעולה עם מעבדות בל, התקינה [[יונייטד איירליינס]] את המכ"ם בחלק ממטוסיה כמכשיר למניעת התנגשות בתוואי קרקע.{{הערה|[http://books.google.com/books?id=69kDAAAAMBAJ&pg=PA26&dq=Popular+Science+1933+plane+%22Popular+Mechanics%22&hl=en&ei=YmMmTp_ZMszksQLn1cziCw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=6&ved=0CD0Q6AEwBTgU#v=onepage&q&f=true "Towers Flash Radio Beams To Detect Warplanes" ''Popular Mechanics'', September 1941]}}

== הגדרה ==
על פי סעיף 1.108 של "תקנות הרדיו של ה־[[איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי|ITU]]", שנכתב על ידי [[איגוד הטלקומוניקציה הבין-לאומי|איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי]] (ITU), מד גובה אלחוטי הוא:

{{ציטוט|תוכן='''מד גובה אלחוטי''': ציוד ניווט רדיו (Radionavigation), במטוס או בחללית, הנועד לקבוע את גובה [[כלי טיס|כלי הטיס]], או ה[[חללית]] מעל פני השטח של כדור הארץ או של משטח אחר.|שפה=אנגלית|תוכן במקור=''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.|מקור=סעיף 1.108 של תקנות הרדיו של ה־ITU{{הערה|[http://search.itu.int/history/HistoryDigitalCollectionDocLibrary/1.43.48.en.101.pdf Radio Regulations, edition of 2016: Volume 1: Articles]}}|מירכאות=כן}}

ציוד ניווט רדיו יהיה מסווג על ידי שירות תקשורת הרדיו שבו הוא פועל באופן קבוע או זמני. השימוש במד גובה אלחוטי, מוגדר כ"[[שירות בטיחות|שירות בטיחות החיים]]", חייב להיות מוגן מהפרעות, ומהווה חלק חיוני ב[[ניווט]]. במרבית כלי הטיס הכוללים מג"א המערכת מוגדרת כמערכת בטיחות טיסה, שתקלה בה מקרקעת את כלי הטיס.

== עקרון פעולה ==
[[קובץ:AERO Friedrichshafen 2018, Friedrichshafen (1X7A4785).jpg|ממוזער|דוגמה לחבילת מג"א של [[גרמין|חברת גרמין]] הכוללת שתי אנטנות ומחשב. המחשב מספק נתונים דיגיטליים המגיעים למערכות המטוס ומוצגים לטייס]]
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 ב[[מהירות 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|K<sub>a</sub>-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 ומ[[אסדת קידוח]].

בכלי טיס לרוב מערכת מג"א תהיה מורכבת משתי אנטנות, אחת משדרת והשנייה קולטת, המותקנות בדרך כלל באזור [[מבנה כלי טיס|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 ל[[מחווני טיסה|מחוון לטייס]]. למערכת יכול להיות מחוון ייעודי, או שהאות יוצג לטייס על גבי [[תצוגה רב-תכליתית|צגים רב תכליתיים]]. הטייס יכול לקבוע גובה התראה בו המחוון או מערכת האוויוניקה תתריע לטייס בהגעה לגובה המוגדר.

== אלטימטריה מוגבלת אלומה ==
{{עריכה|חסרים הסברים|נושא=מדע וטכנולוגיה}}
נניח מכ"ם המקרין ממשואה הנעה כלפי מטה, אלומות שפוגעות בפני אוקיינוס שטוחים. האיור הבא מציג חתך אורך של אלומת המכ"ם{{הערה|שם=sandwell|{{Cite web|url=http://topex.ucsd.edu/rs/altimetry.pdf|title=Radar Altimetry|accessdate=1 January 2014|last=Sandwell|first=David T.}}}}

[[קובץ:Satellite_Radar_Diagram.jpg|גבול|230x230 פיקסלים]] [[קובץ:Pulse-Limited_Radar_Ground_Footprint.jpg|גבול|287x287 פיקסלים]]

מד הגובה 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 למד הגובה; אי סדרים על פני השטח עשויים להיות מוערכים אף הם.{{הבהרה|מה הכוונה "להיות מוערכים"?}}{{הערה|{{Cite web|url=http://www.altimetry.info/html/alti/principle/waveform/welcome_en.html|title=Radar Altimetry Tutorial: From radar pulse to altimetry measurements|accessdate=1 January 2014|publisher=CNES}}}} על פי התשואה הצפויה הדופק יכול לנבוע מכמה שיקולים מתמטיים בסיסיים.{{הערה|שם=sandwell|{{Cite web|url=http://topex.ucsd.edu/rs/altimetry.pdf|title=Radar Altimetry|accessdate=1 January 2014|last=Sandwell|first=David T.}}}} 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]]:

<math>H^2+r_p^2=(H+l_p)^2=H^2+l_p^2+2Hl_p</math>

כאשר r<sub>p</sub> הוא הקצה המוביל של האלומה. אם נניח ש־l<sub>p</sub><sup>2</sup> קטן ויכול להיות מוזנח אז ניתן לפתור עבור r<sub>p</sub>:

<math>r_p=\sqrt{2Hl_p}=\sqrt{2Hct_p}</math>

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:

<math>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}
</math>

באמצעות המשוואה ל־<math>r_p</math>, 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־<math>(t-t_o)/t_p = 1</math>, אולם העצמה למעשה תרד עם הזמן בהתאם לדפוס ההארה של המכ"ם ביחס לפני הים או לקרקע.{{הערה|שם=sandwell|{{Cite web|url=http://topex.ucsd.edu/rs/altimetry.pdf|title=Radar Altimetry|accessdate=1 January 2014|last=Sandwell|first=David T.}}}}

[[קובץ:Satellite_Pulse-Limited_Radar_Return_Pulse_Power.jpg|גבול|287x287 פיקסלים]]

== מכ"ם עיכוב דופלר ==
[[קובץ:Satellite Radar Diagram.jpg|שמאל|border|200px|Satellite Radar Diagram]]
{{ערך מורחב|מכ"ם מפתח סינתטי}}
ההבדל העיקרי בין מכ"ם עיכוב דופלר (או מכ"ם מִפתח סינתטי; באנגלית: Synthetic Aperture Radar) ומד גובה 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.{{הערה|{{cite web|title=Radar Altimetry Tutorial: Delay-Doppler (or SAR) Altimetry|url=http://www.altimetry.info/html/alti/principle/alti_doppler_en.html|publisher=CNES|accessdate=1 January 2014}}}} המבט מעלה־מטה שבאיור מראה שטח חתימה נמוך של אות עיכוב דופלר.
[[קובץ:Delay-Doppler Radar Ground Footprint.jpg|שמאל|border|200px|Delay-Doppler Radar Ground Footprint]]

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.{{הערה|{{cite journal|last=Raney|first=R. K.|title=The Delay/Doppler Radar Altimeter|journal=IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing|year=1998|volume=36|pages=1578–1588}}}}

לאור זאת, פונקציית העצמה יכולה להיכתב כ:
<math>P(t) = \begin{cases}
 0 & t<t_o \\
 \ 2W r(t) & t_o<t<t_o+t_p \\
 \ 2W [r(t) - r(t-t_p)] & t>t_o+t_p \\
\end{cases}
</math>

אם נשתמש במשוואה לרדיוס מהמשוואה הקודמת, העצמה כנגד הזמן, מנורמלת עם הזמן ביחס להגעה של הקצה המוביל, <math> t'=t-t_o </math>, נותן:

<math>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}
</math>

המחשה של העצמה המנורמלת לזמן מוצגת להלן:

[[קובץ:Satellite Delay-Doppler Radar Return Pulse Power.jpg|שמאל|border|287px|Satellite Delay-Doppler Radar Return Pulse Power]]

ישנם שני יתרונות מרכזיים שיטת עיכוב דופלר על מד גובה אלומה "מסורתי". ראשית, המכ"ם מכסה שטח קטן יותר ולכן האלומה הנפלטת על ידי לוויין דורשת עצמה נמוכה יותר.{{הערה|שם=sandwell}} 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.{{הערה|שם=sandwell}}

== מאזן שגיאות ==
להלן רשימה של גורמים העשויים לגרום שגיאות מדידה במערכת RA:
* '''גאות ושפל''' – שינויי גאות ושפל גדולים באופן משמעותי מאשר וריאציות דינאמיות בגובה פני הים.{{הערה|שם=tides|{{cite web|title=Radar Altimetry Tutorial: Ocean tides|url=http://www.altimetry.info/html/alti/dataflow/processing/geophys_corr/ocean_tides_en.html|publisher=CNES|accessdate=1 January 2014}}}}
:עקב העובדה ששינויי כתוצאה מגאות ושפל יכולים להיות על בסיס יומי או תת־יומי, יכולה הגאות לדוגמה לצור שגיאה קבועה בקירוב (לטווח זמן קצר יחסית) שחייבת להיות מטופלת.{{הערה|שם=tides}}
* '''שגיאה אלקטרומגנטית''' – בסביבה ימית קורה שאזור 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.{{הערה|{{cite web|title=Radar Altimetry Tutorial: Electromagnetic Bias|url=http://www.altimetry.info/html/alti/dataflow/processing/geophys_corr/electromagnetic_bias_en.html|publisher=CNES|accessdate=1 January 2014}}}}
* '''שגיאה יונוספירית''' – היונוספירה יכולה להשית עיכוב על האות החוזר למכ"ם, כאשר הפלזמה האלקטרונית מאטה את [[מהירות חבורה|מהירות החבורה]] של האלומה.{{הערה|שם=iono|{{cite web|title=Radar Altimetry Tutorial: Ionospheric corrections|url=http://www.altimetry.info/html/alti/dataflow/processing/geophys_corr/ionosphere_en.html|publisher=CNES|accessdate=1 January 2014}}}}
:[[צפיפות אלקטרון|צפיפות האלקטרונים]] ביונוספירה משתנה במשך היום, ולכן תיקון השגיאה מורכב יותר.{{הערה|שם=iono}}
* '''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 (Saastamoinen):{{הערה|{{cite web|title=Radar Altimetry Tutorial: Dry troposphere correction|url=http://www.altimetry.info/html/alti/dataflow/processing/geophys_corr/dry_troposphere_en.html|publisher=CNES|accessdate=1 January 2014}}}}{{ש}}
:<math>\Delta R_{\text{dry}}=-0.02277Po\cdot (1+0.0026\cos{2\varphi})</math>
:כאשר <math>Po</math> הוא הלחץ בגובה פני הים בפסקל (in Pascal) ו־<math>\varphi</math> הוא קו האורך.
* '''טרופוספירה רטובה''' – אדי מים עשויים אף לצור עיכוב באות הקשה יותר לתיקון.{{הערה|שם=wetTrop|{{cite web|title=Radar Altimetry Tutorial: Wet troposphere correction|url=http://www.altimetry.info/html/alti/dataflow/processing/geophys_corr/wet_troposphere_en.html|publisher=CNES|accessdate=1 January 2014}}}}
:תיקון לעיכוב עבור סך עמוד המים במדידת המכ"ם יכול לפצות על חלק מהשגיאה בעזרת נתונים ממודלים מטאורולוגיים כגון ECMWF ו־NCEP.{{הערה|שם=wetTrop}}
* '''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.

== הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}

[[קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה]]
[[קטגוריה:בקרה אווירית]]
[[קטגוריה:מכשירי מדידה]]
[[קטגוריה:ניווט]]