Rozwój nawigacji satelitarnej na świecie. W stronę precyzyjnego pozycjonowania
Systemy pozycjonowania nie są nowymi rozwiązaniami. Od zarania dziejów ludzie poszukiwali niezawodnych narzędzi, które pozwoliłyby na ustalenie ich pozycji czy to na lądzie, czy na morzu. Drastyczne zwiększenie możliwości w tej dziedzinie i zdolność do wyznaczania lokalizacji z dokładnością do pojedynczych metrów lub nawet centymetrów pojawiło się jednak dopiero wraz z opracowaniem systemów opartych o nawigację satelitarną. Początkowo systemy tego typu były używane głównie do celów wojskowych, obecnie jednak są również, przez szybko rosnące grono użytkowników, z powodzeniem stosowane do celów cywilnych.
Nawigacja satelitarna wykorzystuje do wyznaczania pozycji pomiar czasu propagacji sygnału oraz przesunięcia fazowego. Jest to więc bierny pomiar odległości pomiędzy odbiornikiem a satelitami. Jednocześnie, by poprawnie wyznaczyć pozycję, konieczny jest odbiór sygnału z co najmniej czterech satelitów wyposażonych w bardzo precyzyjne zegary atomowe, często wspierany także przez stację naziemne.
Systemy bazujące na nawigacji satelitarnej tworzone były początkowo dla wojska, które potrzebowało precyzyjnego narzędzia do wyznaczania pozycji do planowania działań militarnych z użyciem własnych sił, a także naprowadzania środków ogniowych, takich jak bomby lotnicze. Pierwsze eksperymenty w tym zakresie prowadzono w USA już w latach 50. XX wieku, a prekursorem obecnie znanych rozwiązań był system TRANSIT amerykańskiej Marynarki Wojennej wykorzystujący efekt Dopplera, z którego korzystano między innymi do naprowadzania rakiet balistycznych odpalanych z okrętów podwodnych, nawigacji morskiej oraz badań geodezyjnych i hydrograficznych, a także do innych zadań badawczych, takich jak np. wyznaczenie precyzyjnej wysokości Mount Everestu.
Na bazie doświadczeń zebranych przy tym programie, Stany Zjednoczone rozpoczęły tworzenie nowej, znacznie doskonalszej konstelacji, która stała się wzorem dla wszystkich przyszłych systemów nawigacyjnych. Efektem programu Navstar-GPS było powstanie pierwszego systemu nawigacyjnego o globalnym zasięgu, którego rozmieszczanie rozpoczęto w 1978 roku. Kolejnym krokiem milowym dla programu było zestrzelenie w 1983 roku przez sowieckie myśliwce południowokoreańskiego Boeinga 747, wykonującego rejsowy lot z Nowego Jorku przez Anchorage do Seulu, o numerze KAL007, który na skutek błędów nawigacyjnych załogi wleciał w przestrzeń powietrzną ZSRS. Po tym zdarzeniu prezydent USA Ronald Reagan zapowiedział, że system GPS zostanie udostępniony także dla użytkowników cywilnych.
GPS i przewaga na polu walki
Pierwszym konfliktem zbrojnym, w którym na szeroką skalę zastosowano systemy pozycjonowania satelitarnego była Operacja Pustynna Burza z 1991 roku. Mimo że system nie był jeszcze w pełni gotowy (na orbicie znajdowało się tylko 19 satelitów), działania zbrojne prowadzone przeciwko Irakowi wykazały ogromną przydatność GPS, a jego zastosowanie było jednym z czynników, które przyczyniły się do przytłaczającego zwycięstwa wojsk USA w tej wojnie.
Nawigacja satelitarna w służbie światowych mocarstw
Równolegle, również od lat 70. XX wieku, prace nad systemem nawigacji satelitarnej prowadził także ZSRS. Ich efektem było powstanie GLONASS-a, którego pierwszej generacji konstelacja została ukończona w 1995 roku, choć zasięg o skali globalnej osiągnięto dopiero w 2011 roku.
Pierwszy system nawigacyjny zarządzany przez instytucje cywilne zaczęła z kolei tworzyć Europa. Galileo powstał w odpowiedzi na brak zaufania wobec amerykańskiego systemu GPS i w obliczu możliwości jego zakłócenia lub wyłączenia przez operatora. Europa postanowiła więc w 2000 roku o wybudowaniu własnej konstelacji, która obecnie rozmieszczana jest na orbicie i ma osiągnąć pełną gotowość operacyjną w 2019 roku. W rozwój Galileo w ograniczonym zakresie zaangażowane są także polskie podmioty, jak np. Centrum Badań Kosmicznych PAN i Hertz Systems. Polskie firmy zaczynają również tworzyć bazujące na tym systemie aplikacje, czego wyrazem jest ogromne zainteresowanie w naszym kraju konkursem Galileo Masters. W przyszłości system Galileo ma być dokładniejszy od GPS i GLONASS, zapewniając promień błędu ok. 1 m na częstotliwości otwartej oraz ok. 10 cm na częstotliwości płatnej. Dla użytkowników instytucjonalnych, służb ratunkowych czy wojska przewidziany jest także sygnał zastrzeżony nazwany Public Regulated Services (PRS).
Zainteresowanie nawigacją satelitarną wykazały także dwa największe mocarstwa azjatyckie. O potrzebie posiadania własnego, niezależnego systemu szczególnie przekonali się Hindusi, którzy podczas toczonej w 1999 roku z Pakistanem wojny o Kargil zostali odcięci na terenie Kaszmiru od amerykańskiego systemu pozycjonowania GPS. Właśnie dlatego Indie postawiły na własny system IRNSS, którego budowę zakończono w tym roku. Podobnie Chińczycy, którzy opracowali system BeiDou. Na razie jednak oba rozwiązania zapewniają dostęp do danych jedynie lokalnie, na terenie zainteresowanych krajów i w najbliższej okolicy od ich granic. Ich twórcy nie wykluczają jednak objęcia w przyszłości zasięgiem całego globu i konkurowania z GPS, Galileo lub GLONASS-em. Chińczycy prawdopodobnie osiągną ten cel już w latach 20. XXI wieku wraz z konstelacją BeiDou-2.
Obecnie, gdy dostęp do GPS i innych systemów pozycjonowania satelitarnego bardzo się upowszechnił, dość powiedzieć, że wyposażone jest w nie każdy nowy smartphone, a także wiele innych urządzeń, należy podkreślić różnice pomiędzy zastosowaniem tego systemu dla zwykłych użytkowników od pierwotnego systemu tworzonego dla celów wojskowych. Wraz z upowszechnieniem GPS wzrósł również dostęp do środków mogących zakłócać działanie nawigacji satelitarnej lub fałszować dane. Tego typu działania często prowadzone są przez grupy przestępcze np. by uniemożliwić namierzenie skradzionych samochodów lub innych towarów.
Odbiorniki cywilne i wojskowe. Jak chronić się przed jammingiem i spoofingiem?
Podstawowa różnica pomiędzy systemami nawigacji satelitarnej dostępnymi na rynku cywilnym, a tymi używanymi przez wojsko czy służby państwowe dotyczy ich dokładności oraz, co ma szczególne znaczenie, ich odporności na zakłócenia i ataki. Zarówno w przypadku systemu GPS, jak i Galileo stworzono specjalne sygnały, które nie są dostępne dla regularnych użytkowników oraz mają być odporne na zakłócanie (ang. jamming), a także groźbę podłożenia fałszywego sygnału zniekształcającego pozycję (ang. spoofing). Zastosowanie cywilnego GPS może też umożliwić wrogowi przejęcie kontroli nad obiektem np. bezzałogowcem lub rakietą manewrującą, o czym przekonali się Amerykanie w 2012 roku tracąc nad Iranem wykonanego w technologii stealth drona RQ-170.
W przypadku systemu GPS dla użytkowników wojskowych, amerykańskie siły zbrojne stworzyły specjalny moduł kryptograficzny SelectiveAvailabilityAnti-spoofing Module (SAASM), w który od 2006 roku wyposażone są wszystkie odbiorniki wojskowe. System ma zapewniać również większą dokładność sygnału w razie zastosowania zakłócania GPS.
Zarówno w przypadku systemu amerykańskiego, jak i europejskiego będzie istniała możliwość, jeśli zajdzie taka konieczność, wyłączenia cywilnego sygnału nawigacyjnego i pozostawienia wyłącznie sygnału zastrzeżonego dla autoryzowanych użytkowników. Oznaczać to będzie, że w razie np. wybuchu konfliktu zbrojnego lub innego zagrożenia jedynie służby państwowe i wojsko będą miały dostęp do nawigacji satelitarnej opartej o te systemy.
Wojskowe odbiorniki GPS dla sił zbrojnych RP
Także w Polsce prowadzone są prace rozwojowe związane z przygotowaniem wojskowych odbiorników dla Sił Zbrojnych RP oraz innych zastrzeżonych użytkowników. Uczestniczy w nich zielonogórska spółka Hertz Systems, która już w 2004 roku rozpoczęła badania nad integracją amerykańskiego modułu kryptograficznego SAASM z odbiornikiem systemu GPS. Firma uzyskała amerykańską licencję rok później, a w 2008 roku przeprowadzono testy poligonowe, które zakończyły się pomyślnie, co zostało potwierdzone przez przedstawicieli Departamentu Obrony USA. Na mocy umów z MON oraz producentami platform, w latach 2007-2015 do Sił Zbrojnych RP trafiło ok. 600 wojskowych odbiorników HGPST T z modułem kryptograficznym SAASM.
Rodzina polskich odbiorników GPS
Hertz Systems produkuje odbiorniki GPS, m.in. w wersjach do systemów wymagających wzorcowej częstotliwości lub czasu i dedykowanych do warunków trudnych. Podstawowym produktem zielonogórskiej firmy jest natomiast platformowy odbiornik HGPST T.
Urządzenie przeznaczone jest do współpracy z komputerem pokładowym, nawigacją inercyjną, radiostacją i innymi urządzeniami, które potrzebują danych typu PVT (pozycja, prędkość, czas). Może on także współdziałać z systemami dowodzenia i zobrazowania pola walki. Według zapewnień producenta konstrukcja odbiornika uniemożliwia przy tym przechwycenie danych kryptograficznych przez przeciwnika.
Odbiornik z modułem SAASM może odbierać i dekodować sygnały C/A oraz P(Y) na częstotliwościach (L1, L2) transmitowanych przez system GPS. Odbiornik zapewnia przy tym pracę w trybie PPS (Precise Positing Service), co daje pełny dostęp do wojskowej częstotliwości GPS i utrzymanie dokładnego wskazania czasu i pozycji w przypadku występowania zakłóceń lub podłożenia fałszywego sygnału.
W Zielonej Górze produkowane są też odmiany specjalistyczne odbiornika HGPST T-FTS i T-EFTS z zabudowanym modułem wzorca czasu częstotliwości. Dzięki temu możliwa staje się synchronizacja czasu i częstotliwości różnych platform wojskowych takich jak np. stacje radiolokacyjne znajdujące, się w odległych od siebie pozycjach. Synchronizacja czasu może być także przydatna do komunikacji i nawigacji. Według informacji producenta adaptacyjny algorytm kalibracyjno–kontrolny umożliwia przy tym generowanie sygnałów wzorca czasu 1PPS i częstotliwości 10MHz także w razie utraty dostępu do sygnału GPS lub jego zagłuszenia. W normalnych warunkach dokładność sygnału 10MHz ma być większa niż 1x10-12.
Odbiornik HGPST-EFTS został stworzony w 2010 roku na potrzeby Sił Powietrznych, w celu zastąpienia cywilnego wzorca GPS wciąż używanego przez polskie lotnictwo i obronę przeciwlotniczą. Odbiornik przeznaczony jest dla stacji radarowych, systemów łączności takich jak LINK 16 oraz systemów BMS i BFT.
HGPST T/T-(E)FTS na polskich platformach bojowych
Urządzenie HGPST T znalazło zastosowanie w systemach uzbrojenia, opracowanych przez krajowy przemysł i wdrażanych lub planowanych do wprowadzenia w Siłach Zbrojnych RP. Systemy trafiły m.in. do transportera opancerzonego Rosomak, produktów PIT-RADWAR: stacji radiolokacyjnej Soła, radiolokacyjnego zestawu rozpoznania artyleryjskiego Liwiec (wersja HGPST-EFTS) i systemu przeciwlotniczego Poprad, produkowanej przez Huta Stalowa Wola wieloprowadnicowej wyrzutni rakietowej Langusta, a także do zestawu rakietowo-artyleryjskiego Pilica wytwarzanego przez Zakłady Mechaniczne Tarnów.
Sprzęt w wersji HGPST-EFTS znalazł także zastosowanie na niszczycielu min Kormoran II Marynarki Wojennej RP. Jak zapewnia producent, w przyszłości może on stanowić wyposażenie okrętów Czapla i Miecznik, a wojskowe odbiorniki GPS takie jak HGPST T są proponowane dla platform pozyskiwanych w ramach programów obrony powietrznej czy modernizacji wojsk pancernych i zmechanizowanych Sił Zbrojnych RP.
Polski odbiornik PRS. Szansa na zwiększenie udziału w tworzeniu Galileo
Hertz Systems angażuje się także w rozwój odbiornika dwusystemowego mogącego odbierać sygnał także z satelitów europejskiej konstelacji Galileo. Zgodnie z zapowiedziami europejskiej agencji GSA koordynującej europejski program nawigacyjny, sygnał PRS (Public Regulated Service) ma być dostępny już w 2020 roku, zapewniając Europie niezależność od amerykańskiego GPS-a.
Zielonogórska spółka jest jednym z kilku europejskich producentów, którzy ubiegają się o udział w programie PRISMA realizowanym w ramach programu ramowego UE Horyzont 2020. W ramach prac przy tym projekcie opracowywany będzie odbiornik sygnału PRS z modułem bezpieczeństwa. Autoryzacja ma zostać przekazana jedynie czterem europejskim wykonawcom, którzy w pierwszych latach będą mieć licencje na produkcję odbiorników PRS.