Krótko o dziejach i działaniu GPS

Wprowadzenie do wykorzystania globalnego systemu nawigacji satelitarnej, początkowo znanego jako NAVSTAR (Navigational Satellite Time and Ranging), a następnie rozpowszechnionego pod skrótem GPS (Global Positioning System) stało się prawdziwą rewolucją w zapewnieniu większej dokładności pozycjonowania najpierw systemów wojskowych oraz tych cywilnych. A jeszcze większą dokładność uzyskano dzięki systemowi DGPS, czyli różnicowemu GPS, który wykorzystuje dodatkowo jeden lub kilka transmiterów.

Obecnie znany GPS powstał na zamówienie USAF, by sterować pociskami dalekiego zasięgu, ale szybko jego zastosowanie rozprzestrzeniło się i na inne rodzaje wojsk (głównie na systemy walki i wsparcia działań w nich stosowane). Umożliwia on dokładne określenie pozycji, prędkości i czasu w jednolitym trójwymiarowym układzie współrzędnych WGS-84 (World Geodetic System) w dowolnym miejscu na świecie. A przy tym jest dostępny 24 godziny na dobę, dla nieograniczonej liczby użytkowników i pozornie odporny na zakłócenia.

Pozycjonowanie w wojsku to proces określania miejsca położenia, przeprowadzony w celu ogólnego zorientowania się, gdzie znajduje się dany system walki czy wsparcia prowadzonych działań. Obejmuje on również działania prowadzone w celu utrzymania tych systemów na zadanej pozycji, kursie lub wewnątrz ustalonej wcześniej przestrzeni (obszarze). Tak zdefiniowaną przestrzeń (obszar) określa się często mianem domeny obiektu lub strefą jego bezpiecznego działania.

System nawigacji satelitarnej zbudowany jest w oparciu o trzy zasadnicze komponenty/elementy. Odbiornika GPS podającego pozycję, parametry nawigacyjne i czas (PNT), komponentu kosmicznego, w skład którego wchodzi 31 satelitów rozmieszczonych na 6 orbitach, oraz naziemnych stacji monitorujących i kontrolnych.

Samo wyznaczanie pozycji uzyskuje się wskutek pomiaru czasu propagacji odbieranych sygnałów, które nadawane są przez poszczególne satelity. Czasy te przeliczane są na odległości pomiędzy odbiornikiem i poszczególnymi satelitami. Aby wyznaczyć pozycję odbiornika, konieczne jest odebranie sygnałów emitowanych przez co najmniej trzy satelity. Możemy wówczas ustalić jego długość i szerokość geograficzną. Ale by uzyskać informację dotyczącą wysokości należy odbierać sygnał z co najmniej czterech satelitów.

Nowa generacja satelitarnego kierowania dla pocisków i wojska

W październiku ubiegłego roku zespół Joint Program Executive Office for Armaments and Ammu-nition's (JPEO A&A) Assured Precision Weapons and Munitions wraz z podwykonawcami przetestował precyzyjną amunicję, po raz pierwszy naprowadzaną za pomocą sieci M-Code GPS w Yuma Proving Ground.

Było to historyczne wydarzenie bowiem obecnie w systemie pozycjonowania precyzyjnie naprowadzanej amunicji wykorzystywany jest zaszyfrowany sygnał odniesienia GPS zwany kod P(Y), pozwalający jej precyzyjnie razić wybrane cele. Kod ten jest pseudolosowym, tylko pozornie przypadkowym ciągiem zer i jedynek logicznych, bo w rzeczywistości generowanym zgodnie ze znanymi algorytmami opisanymi w specyfikacji systemu. Sam Kod P (Precision) ma natomiast bardzo długi okres wynoszący około 267 dni i jest generowany 10 razy szybciej niż mający zastosowanie w środowisku cywilnym kod C/A. Kod Y jest z kolei specjalnie zaszyfrowaną wersją kodu P powstającą, jako suma modulo 2 (funkcja logiczna XOR) jawnego kodu P i tajnego kodu W.

Kody pseudolosowe spełniają w systemie NAVSTAR GPS kilka bardzo istotnych funkcji a przede wszystkim umożliwiają wykonywanie pomiarów prowadzących do określenia odległości satelita – odbiornik, tzw. pseudoodległości, które są niezbędne do wyznaczenia położenia użytkownika.

Zaszyfrowany kod P(Y) ma też na celu zablokowanie prób zakłócania systemu pozycjonowania opartego o GPS. Ale obecnie następuje jego wymiana w ramach nowego, ulepszonego wojskowego systemu pozycjonowania M-Code. Do działania wykorzystuje on kod PseudoRandom Noise (PRN) nadawany z częstotliwością 5,115 MHz.

Przewaga kodu M

A warto już w tym miejscu zaznaczyć, że GPS z kodem M ma o wiele więcej zalet. Jest to przede wszystkim jeszcze większa odporność na zakłócenia sygnału (głównie dzięki przesyłaniu sygnału w wiązce punktowej o dużej mocy z satelity). Ponadto zapewnia ulepszoną zdolność do wykrywania prób fałszowania sygnałów przez różne systemy wykorzystywane ze strony przeciwnika oraz ma ulepszoną własną kryptografię, również dla większego bezpieczeństwa jego wykorzystania.

Odbiornik, który używa, kodu M może działać autonomicznie, pomijając weryfikację konkretnej transmisji GPS. Sam sygnał jest dodatkowo szyfrowany i identyfikowany w taki sposób, aby odbiornik mógł wykryć i odrzucić fałszywe sygnały.

Możliwość korzystania z systemu pozycjonowania opartego o GPS z kodem M, zależeć będzie od tego, czy dany żołnierz/użytkownik lub system uzbrojenia jest w stanie widzieć go i słyszeć oraz wybrać to co jest prawdą w odpowiednim czasie.

I tak widzenie GPS oznacza, że użytkownik lub system (jak na przykład haubica wykorzystująca precyzyjnie naprowadzaną amunicję) musi mieć bezpośredni i wystarczający obraz z satelitów systemu pozycjonowania, tak aby określić własną lokalizację w ujęciu układu współrzędnych X, Y i Z. Wystarczający obraz oznacza, że musi zawsze widzieć co najmniej cztery satelity (w tym jeden do określenia wysokości). Przy czym widząc więcej niż cztery zapewnia się jeszcze lepszą (co oczywiste) dokładność pozycjonowania.

Informacje (takie jak np. lokalizacja satelity, czas itd.) z tych widzianych mogą być używane do wypracowania danych związanych z wystrzeleniem precyzyjnie kierowanej amunicji. Te już na wstępie załadowane dane umożliwiają jej po wystrzale szybciej widzieć i słyszeć sygnały oraz wspierać w ustaleniu, czy są one prawdziwe lub fałszywe.

Podczas gdy precyzyjnie naprowadzana amunicja rakietowa w najwyższym punkcie swojego lotu zwykle ma niezakłócony bezpośredni widok wszystkich satelitów GPS na niebie od horyzontu do horyzontu (czasami nawet osiem takich satelitów) w wypadku klasycznej artylerii odpalony pocisk może czasami początkowo widzieć mniej niż wymagane minimum cztery satelity. Może się tak zdarzyć, gdy bateria haubic znajduje się w trudnym terenie jak na przykład w głębokiej dolinie w górach, w środowisku zurbanizowanym o wysokiej zabudowie czy gęstym lesie, które to maskują pełny dostęp do satelitów. A takich obszarów gdzie sygnał z satelitów jest słabszy jest sporo, a podawana precyzja trafienia nowoczesnej amunicji dotyczy z reguły użycia jej w terenie otwartym z dobrym dostępem do sygnału GPS.

Dlatego w JPEO A&A opracowano funkcję wspomagania sieciowego Network-Assisted GPS zapewniającą dostarczanie informacji przed i w czasie tzw. gorącego startu (hot-start - wystrzełu/odpalenia). Ta technologia ma lepszy początkowy czas akwizycji, czułość i dokładność lokalizacji w porównaniu z konwencjonalnym GPS. Jest ona oczywiście wspomagana przez sieć GPS. W zastosowaniach militarnych rozwiązuje specjalne i trudne cele związane z bezpośrednią implementacją kodu P(Y), w odróżnieniu od implementacji kodu C/A stosowanego w środowisku cywilnym.

Po wystrzeleniu precyzyjnie kierowanej amunicji artyleryjskiej nabiera ona wysokości, przez co zanikają cechy maskujące terenu walki i widzi ona coraz więcej satelitów. Gdy co najmniej cztery z nich stają się aktywne, zaczyna się precyzyjnie naprowadzanie, nawet wtedy gdy haubica przed strzałem nie była w stanie zlokalizować minimalnej liczby satelitów.

Z nowym ulepszonym GPS z kodem M nadawany sygnał zapewnia już nową ilość i specyfikację danych w wypadku wystrzału/odpalenia. Kodowana, zaktualizowana funkcja wspomagania sieciowego o nazwie Network-Assisted Assured Positioning, Navigation and Timing (NA2) ma dać dla sygnału GPS z kodem M niezbędne dane do precyzyjnego sterowania już podczas fazy odpalenia.

Pozostająca nadal w jako prototypowa funkcja NA2 od JPEO A&A zapewnia automatyzację dystrybucji rozszerzonego zestawu gwarantowanego systemu pozycjonowania na całym świecie, dane nawigacyjne i synchronizacyjne (A-PNT) w wypadku gorącego startu potrzebne dla precyzyjnie naprowadzanej amunicji.

Ewaluacja nowego systemu

Przeprowadzone próby już ogniowe na czterech prototypowych układach pozycjonowania GPS z kodem M w zestawie Precision Guidance Kit (PGK). Po dwa pociski odpalono z 155 mm haubic holowanych M777A2 i samobieżnych M109A7. Dane związane z tzw. gorącym startem zostały zaktualizowane przez NA2. Pozytywne wyniki przedstawiono w niedawno wydanym końcowym raporcie z testów opracowanym przez JPEO A&A. Potwierdzono w nich, że dane pozyskiwane z satelity GPS w trybie hot-start M-Code mogą być rozpowszechniane cyfrowo poprzez sieć do systemu uzbrojenia, który z kolei wykorzystuje je do wykonywania precyzyjnych misji ogniowych z odpowiednio przygotowaną amunicją i to nie zależnie od środowiska prowadzonej walki.

Warto też wspomnieć, że koncern BAE Systems rozwija energooszczędny wojskowy odbiornik GPS kodu M o nazwie MicroGRAMTM-M. Ma on wielkości znaczka pocztowego (2,5x3,1x0,698 centymetrów), dzięki czemu bez problemu może być instalowany w szeregu typów urządzeń, wciąż zachowując swoje najważniejsze możliwości, czyli odporność na zagłuszanie sygnału i jego fałszowanie.