Satelitarna nawigacja korzysta pełną garścią z nowinek technologii informatycznej.

Cyfrowy kompas - GPS

Była to nietypowa wycieczka. Nie zwracaliśmy zbytniej uwagi ani na ciszę grudniowego lasu, ani na zamarzające powoli jezioro Torfy. Nieliczni wycieczkowicze patrzyli na nas ze zdziwieniem i z niemym pytaniem w oczach: "W co oni się tak wpatrują?". Nie był to komiks, ani żaden "game boy". Na spacer po podwarszawskich Lasach Otwockich zabraliśmy do przetestowania pewne urządzenie - wojskowy model odbiornika systemu satelitarnej nawigacji NAVSTAR, znany powszechnie jako GPS (Global Positioning System), stworzony w Stanach Zjednoczonych na potrzeby armii i wykorzystywany dziś także przez cywilów.

W okolicach tych wielokrotnie bywałem, lecz nigdy nie przywiązywałem wagi, że jestem mniej więcej na 52'05'00" szerokości geograficznej północnej i na 21'16'56" długości geograficznej wschodniej. Nie mierzyłem także prędkości, z jaką poruszam się po lesie, ani wysokości nad poziomem morza, na jakiej się znalazłem. Lecz to właśnie te i inne dane pojawiały się regularnie na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu naszego GPS.

Jeszcze dzisiaj żeglarze i studenci szkół morskich uczą się posługiwania w nawigacji sekstantem, chronometrem i żyroskopem. Jednak już jutro może okazać się, że stare techniki orientacji na morzu, lądzie i w powietrzu trafią do lamusa. Wszystko to za sprawą satelitarnego systemu nawigacyjnego - GPS.

Kosmiczna dokładność

Na system składa się zespół 24 satelitów, których właścicielem jest rząd Stanów Zjednoczonych. Satelitarną nawigację zaplanował, wdrożył i kontroluje jego działanie Departament Obrony USA. Stąd podwójna natura systemu - wojskowa i cywilna.

Codziennie satelity GPS pokonują dwunastogodzinne orbity wokół Ziemi, przekazując dokładny czas i dane o położeniu. Jest to tak pomyślane, aby użytkownik systemu mógł zawsze odebrać sygnał od 3-12 satelitów. Dzięki temu odbiornik, mierząc czas wynikający z różnicy nadejścia pierwszego i następnego sygnału z danego satelity, określa odległość od niego, a znając datę, strefę czasową miejsca pomiaru, ustala położenie danego satelity. W ten sposób wyznacza szerokość i długość geograficzną, na której znajduje się użytkownik, a także wysokość n.p.m. z dokładnością do 100 m.

Aby uzyskać dokładny pomiar czasu, na pokładzie każdego satelity znajdują się 4 atomowe zegary. Komputery pokładowe zawierają również bazy danych o aktualnym i oczekiwanym położeniu wszystkich satelitów, regularnie wprowadzane przez ziemskie stacje kontroli tego systemu. Gdy odbiornik namierzy jednego satelitę, natychmiast otrzymuje dane o pozostałych, od których uzależnione są poprawne wyniki.

Ziemskie stacje kontroli powstały w celu eliminacji błędów transmisji między satelitami a odbiornikami. Korygują one orbity satelitów i nadzorują ich systemy pokładowe. Trzy stacje zlokalizowane są w Ameryce Łacińskiej (Belize, Quito i Buenos Aires), po jednej w Wlk. Brytanii i Australii. Wraz ze stacjami amerykańskich sił powietrznych codziennie wyliczają one orbity GPS.

Dokładność pomiaru zależy również od trybu pracy: wojskowej lub cywilnej. Tak zwany Standardowy Zakres Nawigacji (Standard Positioning Service - SPS) jest przeznaczony dla użytkowników cywilnych. Pozwala na określenia pozycji z dokładnością 30-100 m. Precyzyjny Zakres Nawigacji (Precise Positioning Service - PPS), stosowany w armiach NATO, zwiększa dokładność pomiaru polożenia do 16 m, prędkość wyznaczy do 0,1 m/s, a czas do 100 nanosekund. Stosowanie PPS jest kodowane i limitowane przez służby nawigacyjne państw NATO.

Ważną cechą różniącą SPS od PPS jest możliwość posługiwania się przy stosowaniu PPS współrzędnymi topograficznymi płaskimi (dostrzeżemy je nad liniami siatki mapy topograficznej; wyznaczają bezwzględną odległość od równika i południka 0ř) zamiast współrzędnymi geograficznymi. Jest to niezwykle istotne w locie bojowym, a zwłaszcza przy precyzowaniu miejsca bombardowania lub ostrzału artyleryjskiego.

Nawigacja w khaki

O takiej dokładności w akcjach bojowych wojsko marzyło od dawna. Niedokładne współrzędne wielokrotnie powodowały katastrofy samolotów, które nie mogły znaleźć na czas powietrznej cysterny, albo zniszczenie niewłaściwego obiektu. GPS znacznie poprawił skuteczność wykonywania zadań. Wystarczy zdefiniować trasę pocisku samosterującego Tomahawk, aby trafił on jak po sznurku np. w drzwi biura Saddama Husajna.

Nowa technologia sprawdziła się w wojnie w Zatoce Perskiej. Świat obiegł film ekipy CNN, która nakręciła "inteligentną" wędrówkę do celu po ulicach Bagdadu tego pocisku. Tomahawk zgrabnie omijał poszczególne budynki, skręcał w prawo lub w lewo, jakby był osobiście pilotowany przez człowieka. Była to zasługa cyfrowego planu Bagdadu, ściśle sprzężonego z GPS. Pamiętajmy jednak, że akcja Amerykanów spowodowała poważne zamieszanie w morskiej nawigacji. Bez uprzedzenia USA odcięły cywilnych użytkowników GPS od systemu, co zagroziło bezpieczeństwu światowej żeglugi.

Bez GPS trudno sobie wyobrazić najbardziej spektakularną akcję amerykańskich komandosów w Bośni. Na początku czerwca 1995˙r. został zestrzelony w czasie lotu patrolowego F-16 pilotowany przez kapitana Scotta O'Grady. Pilot przez kilka dni przedzierał się między posterunkami żołnierzy serbskich i bośniackich na miejsce wyznaczone jako punkt ratunkowy dla lotników amerykańskich. Pomagał mu w tym przenośny odbiornik GPS. Śmigłowce oddziału marines, wyspecjalizowanego w odszukiwaniu zaginionych, potrzebowały tylko kilkunastu sekund, aby zabrać lotnika. Po raz kolejny precyzja satelitarnej nawigacji zadecydowała o powodzeniu akcji.

W chwili obecnej przenośne urządzenia GPS są standardowym wyposażeniem dowódcy drużyny w armii amerykańskiej. W listopadzie br. firma Rockwell - jak podaje w swoim serwisie WWW - dostarczyła wojsku w ramach długoterminowego kontraktu wartości 21,9 mln˙USD, stutysięczny ręczny odbiornik GPS PLGR-95. Jego parametry, odporność na wstrząsy, odbiór sygnałów aż z 12 satelitów, praca w trybach SPS i PPS czynią z niego podstawowy "kompas" w działaniach bojowych. Ponadto współrzędne trasy można wprowadzić z komputera, co znacznie ułatwia jego obsługę.

Wojsko Polskie stosuje GPS w systemie NAVSTAR, lecz w kodzie cywilnym. Wejście Polski do NATO wymusi wyposażenie armii w nowoczesne odbiorniki, umożliwiające pracę w kodzie wojskowym. Zamówienia mogą sięgnąć kilkunastu tysięcy sztuk, założywszy że drużyna liczy ok. 10 żołnierzy, a na początku XXI˙w. nasza armia ma liczyć ok. 180˙tys. żołnierzy. Szczególnie ważne będzie wyposażenie pododdziałów zwiadowczych, gdzie wskazane jest, aby prawie każdy zwiadowca posiadał GPS. Zarazem wymogi NATO spowodują konieczność wymiany systemów nawigacji pokładowej w wszystkich rodzajach sprzętu bojowego - od czołgu po okręt.

Aby cywil nie błądził we mgle...

Cywilny segment rynku rozwija się ostatnio bardzo dynamicznie. GPS jest niezbędny dla floty handlowej, geodetów i żeglarzy. Trzeba oczywiście rozróżnić potrzeby nawigacji lotniczej od wyznaczania współrzędnych działki budowlanej na planie zagospodarowania miasta. Systemy Informacji Geograficznej (GIS) również wiele skorzystały na tym systemie. Dzięki wykorzystaniu precyzyjnego GPS, praca geodetów uległa znacznemu przyspieszeniu. Stąd już tylko krok do powstania map jeszcze dokładniejszych niż dzisiejsze.

Najprostszy, cywilny model GPS kosztuje mniej niż 500˙USD. Lepsze, z różnorodną korekcją błędów, kosztują 1000-5000 USD, niezależnie od trybu pracy SPS lub PPS. Cena systemów superdokładnych (dokladność 1 mm - 1 cm) dochodzi do 40˙tys. USD. Ceny nie uwzględniają oprogramowania koniecznego do współpracy z komputerami ani kosztów przeszkolenia personelu.

Na kłopoty GPS

Pojazdy wyposażone w odbiorniki GPS wraz z CD-ROM, na którym znajduje się zestaw map konkretnego państwa czy planów miasta są najnowszym krzykiem mody wszystkich salonów samochodowych.

To są już komputery pokładowe, ideą działania przypominające komputery w samolotach. Właściciel np. mercedesa wyjeżdżając w trasę do nieznanego miasta, może ją sobie szybko zaplanować. Panel komputera wskaże mu azymut, nakreśli drogę, a w czasie jazdy wyliczy, ile czasu zajmie dojazd do wybranego hotelu. W połączeniu z multimedialną bazą danych, podpowie kierowcy, co warto po drodze zobaczyć i jak tam dotrzeć. W nieznanym dla kierowcy mieście komputer, sprzężony z GPS, przeprowadzi go przez wszystkie ulice, sugerując zarazem najlepszą trasę.

Auto-Pilot System APS, tworzony przez firmy Bosch-Blaupunkt i Mercedes-Benz, bazuje na systemie nawigacji satelitarnej. Na razie program dotyczy topografii Niemiec. Informuje kierowcę, jak najszybciej dojechać do celu. Program wyposażony jest w cyfrową mapę drogową, zapisaną na CDüROM. GPS przekazuje systemowi aktualną pozycję samochodu. Inne czujniki odpowiadają za informacje o planowanej trasie i bieżącej prędkości.

Z podobnym systemem spotkamy się również na warszawskich ulicach. Od kilku miesięcy Tramwaje Warszawskie w codziennej praktyce wykorzystują GPS. System, zaprojektowany na zamówienie Tramwajów przez wyspecjalizowaną izraelską firmę, pozwala dyspozytorowi na dokładne śledzenie ruchu tramwajów. W razie awarii nie ma problemu z ustaleniem jej miejsca.

Niepozorna informatyka

W ciągu ostatnich kilku lat pojawiło się na rynku wiele różnych urządzeń, w których znalazła zastosowanie technologia informatyczna. Można kupić zarówno sterowany komputerowym procesorem odkurzacz z odpowiednim oprogramowaniem, jak i przenośny notes elektroniczny, który szybkością swoich obliczeń przebija kilka generacji maszyn liczących.

Systemy nawigacji satelitarnej są dobrym przykładem inwazji technologii informatycznej w każdą dziedzinę życia. Trudno sobie wyobrazić poprawne działanie tego systemu bez sprawnego oprogramowania, ukrytego w układach scalonych odbiorników. Musi ono podołać w bardzo krótkim czasie rozwiązywaniu równań trygonometrycznych i różniczkowych (na nich opiera się sposób wyliczenia pozycji użytkownika), korygować dane przekazywane przez satelity, zakłócone w jonosferze, a w wielu modelach wizualizować kurs w postaci wyświetlanego na bieżąco szkicu trasy.

Zwykle pojawienie się nowej technologii pobudza inne obszary rynku. Dotyczy to również GPS. Dzięki niemu rozwija się rynek samochodowych autopilotów, inteligentnych przewodników, czy superdokładnych map topograficznych.

Jaka siatka?

Należy zastanowić się, jakie odwzorowanie powierzchni ziemi należy zastosować w polskich mapach topograficznych. Z pozoru nie ma to nic wspólnego z GPS, lecz trzeba pamiętać, że dokładność pomiaru jest skorelowana z odpowiednią siatką kartograficzną, względem której system wyznacza swoją pozycję.

Dostępne w Polsce mapy topograficzne stworzono wykorzystując odwzorowanie elipsoidy Krasowskiego. Standard map krajów należących do NATO opiera się na odwzorowaniu WGS-84 (World Geodetic System 1984). Wymusza to zmianę przyjętego standardu odwzorowania map topograficznych.

Zarząd Topograficzny Sztabu Generalnego WP pracuje nad wprowadzeniem modyfikacji wojskowych map topograficznych. Przy korelacji starego układu z nowym mają być brane pod uwagę charakterystyczne punkty w terenie o współrzędnych podanych w układzie z 1942 r. i komputerowo zmieniane na WGS-84.

Zapotrzebowanie na mapy topograficzne co roku wzrasta. Używanie systemów GPS, zależnych od przyjętych siatek geograficznych, wymaga stałej uwagi, czy nasz autopilot będzie wskazywał te same dane, co wydrukowana aktualnie mapa. Co nam po GPS, skoro pomiar wskazywałby co innego niż mapa?

Ostrzeżenie przed silnym sztormem

Wiara w bezawaryjną moc GPS może ulec zachwianiu, gdy przypomnimy sobie, co się stało w czasie wspomnianej wyżej wojnie w Zatoce Perskiej. W końcu właścicielem systemu jest rząd Stanów Zjednoczonych. Ile razy jeszcze GPS z przyczyn strategicznych przestanie działać? Zresztą może się zdarzyć jeszcze gorsza sytuacja, gdy sygnały z satelitów NAVSTAR zostaną świadomie zniekształcone, aby wprowadzić zamęt u potencjalnego przeciwnika, a przy okazji powodując nawet katastrofę w nawigacji cywilnej. Należy sądzić, że z tych powodów niedługo się pojawią się nowe systemy kosmicznej nawigacji przezbaczone wyłącznie dla celów cywilnych. To powinno zmniejszyć obawy o poprawność działania GPS.

Z GPS po lesie

Zanim poszliśmy nad jezioro Torfy, nasz GPS zapisał współrzędne geograficzne samochodu. Gdy wracaliśmy okrężną drogą, jako kompas służył nam azymut wyznaczony przez odbiornik. Sukcesywnie odliczaliśmy, że samochód jest oddalony o 1000, 500, 200 m. Przy samochodzie GPS wskazał, że nasz cel jest w kwadracie 100x100 m. Niestety, to urządzenie pracowało w kodzie cywilnym. W tym przypadku nie miało to jednak większego znaczenia. Wsiedliśmy do samochodu, a GPS z komputerową dokładnością wypisywał, że oddalamy się coraz bardziej od miejsca postoju. 5, 10, 20 km z prędkością 80 km/h - podawaną dokładniej niż standardowy samochodowy szybkościomierz.

Dziękuję Panu Markowi Wachowiczowi z firmy Scandinavian Avionics za pomoc przy powstawaniu tego artykułu.