O historii nawigacji
Od chwili opuszczenia miejsca stałego bytowania człowiek zdany był na własną orientację przestrzenną, aby bezpiecznie powrócić do domu. Kierowano się w dawnych czasach punktami krajobrazu, roślinością; odległości mierzono dniami marszu czy jazdy konnej. Jednak najważniejszymi punktami orientacyjnymi zawsze były Słońce i Księżyc oraz gwiazdy. Co prawda nawigowanie przy pomocy Słońca bywało kłopotliwe ze względu na fakt, że często znajdowało się ono poza warstwą chmur, jednak z czasem i z tym problemem ludzkość sobie poradziła. Rozwiązaniem okazał się solarsteinn – kamień słoneczny. Mianem tym określano kryształy kalcytu (szpatu islandzkiego), które skierowane do Słońca, zmieniały barwę nawet wtedy, gdy zmiana oświetlenia była niewidoczna dla ludzkich oczu. Kamień słoneczny pomagał również w odnalezieniu Słońca skrytego za horyzontem. Nawigacja według Księżyca i gwiazd była dużo trudniejsza, ale umożliwiała odnajdywanie kierunku również po zmroku. Już w neolicie pierwotni łowcy podążający za zwierzyną spoglądali w niebo, zdając sobie sprawę, że Słońce i inne gwiazdy, przez fakt określonego, cyklicznego pojawiania się na nieboskłonie mogą służyć jako pomoce w wyznaczaniu kierunku. Podstawą była z jednej strony wieloletnia, wielosezonowa obserwacja porównująca pojawianie się Słońca o danej porze dnia nad
określonym punktem w terenie i porównanie danych z obserwacją nocną przez nałożenie wybranej gwiazdy na wcześniej obserwowany punkt w terenie, nad którym w dzień było Słońce. Jak historia pokazała, dobrą metodą okazało się określenie kąta zawartego między ciałem niebieskim a horyzontem. Najprostszym sposobem było użycie wyprostowanej ręki i palców jako celowników „łapiących” krawędź horyzontu oraz wybrany punkt na niebie. Właśnie tym sposobem prawdopodobnie zainspirowali się twórcy Laski Jakuba, dzięki której około 280 roku p.n.e. po raz pierwszy skatalogowano i dokładnie zbadano wysokości kątowe wszystkich obserwowanych gołym okiem z Ziemi gwiazd i ciał niebieskich. Laska Jakuba była zbudowana na planie krzyża, gdzie krótsze ramię poruszało się po dłuższym, na którym naniesiono podziałkę kątową. Ruszając krótszym ramieniem po podziałce, można było zmierzyć wysokość każdego ciała niebieskiego. Rozwinięciem tej idei był dużo poręczniejszy oktant, a później jeszcze dokładniejszy sekstant. Większość historycznych, długodystansowych wypraw terenowych, prowadzonych na niezbadanej ziemi, korzystała z tych samych rozwiązań nawigacyjnych, w głównej mierze opartych na sestancie. W XX wieku to właśnie stary sekstant i nowy chronometr lotniczy stały się szczytowymi osiągnięciami analogowej precyzji. Istotnym wynalazkiem okazał się również kompas. Wzmianka o nim pojawiła się w 1117 roku w Chinach. Zhu Yu opisuje w swojej książce magnetyczną igłę umieszczoną w naczyniu z wodą. Warto przy tym zauważyć, że o ile jest to pierwszy opis takiego urządzenia, to prawdopodobnie jakiegoś przodka kompasu używano znacznie wcześniej – magnetyt był przecież znany starożytnym Grekom i prawdopodobnie wikingom.
Nawigacja radiowa
XX wiek postawił przed ludzkością kolejne wyzwania, które zaowocowały m.in. skonstruowaniem radiowych systemów nawigacji. Nie można w tym miejscu nie wspomnieć o systemie LORAN (ang. LO ng RAnge Navigation). LORAN opracowali Amerykanie podczas II wojny światowej. Prototypowym systemem dla LORAN był brytyjski system radionawigacyjny GEE, jednak o mniejszym zasięgu i dokładności. Prace nad ulepszeniem systemu LORAN doprowadziły do powstania kolejnych rozwojowych wersji tego systemu. Amerykański system LORAN-A wycofano z powszechnego użytku międzynarodowego w 2010 roku, Europejski system LORAN-C, wyłączono w 2015, jednakże wciąż stosuje się go np. w meteorologii w celu namierzania sond aerologicznych. Jako ciekawostkę należy przytoczyć fakt, że angielski system nawigacyjny GEE pracował aż do 1970 roku. Zasada działania tego systemu opiera się na współdziałaniu grup tzw. radiolatarni (nadajników radiowych dla potrzeb nawigacji). Jedna z radiolatarni danej grupy pełniła funkcje stacji głównej. Nadawany przez nią sygnał odbierany jest przez pozostałe stacje i użytkowników systemu. Sygnał ten uruchamia kolejno podrzędne radiolatarnie grupy. Każdą z nich ze ściśle określonym opóźnieniem. Każda ze stacji odczekuje indywidualnie określony czas, po czym retransmituje ten sygnał. W zależności od położenia odbiornika, a dokładniej od jego odległości od poszczególnych radiolatarni, zmieniają się odstępy czasowe między odebranymi przez niego sygnałami.
W pierwszych odbiornikach pomiar przeprowadzano przez ręczne zgranie impulsów stacji głównej i podległej na ekranie lampy oscyloskopowej. Wyznaczane za pomocą takich prostych odbiorników hiperbole należało znaleźć na specjalnych mapach z nadrukowanymi rodzinami hiperbol ze stacji zapewniających pokrycie danego rejonu. Niemożliwe byłoby zobrazowanie wszystkich hiperbol, więc zaznaczano je ze skokiem o określoną liczbę mikrosekund, zależną od skali mapy. Do wyznaczania hiperbol pośrednich między wydrukowanymi służyła nakładka na mapę z ruchomymi skalami. Nowsze odbiorniki wyposażono w automatykę pomiaru i przeliczniki podające pozycję geograficzną. Charakterystyczną cechą systemu LORAN jest duży zasięg, dzięki czemu może być wykorzystywany przez lotnictwo, jednak ma istotną wadę związaną z występowaniem zakłóceń fal radiowych, uzależnionych od zjawisk meteorologicznych.
Pomimo zakończenia funkcjonowania systemu LORAN, który stworzono do nawigacji lotniczej i morskiej, cały świat dotąd korzysta z dobrze znanych radiolatarni (w lotnictwie) i radiopław (w komunikacji morskiej). Istnieje kilka odmian radiolatarni pracujących w nawigacji lotniczej. Najpowszechniej spotykaną jest obiekt zwany NDB (ang. Non Driectional Beacon). Jest to nadajnik bezkierunkowy, nadający swój znak rozpoznawczy w postaci trzech znaków alfabetu Morse’a nadawanych co około 30 sekund. Istnieją również radiolatarnie uzupełniające swój znak także innymi informacjami, np. meteorologicznymi lub technicznymi. Zasięg tego typu obiektów na Ziemi nie jest duży, rzędu dziesiątek kilometrów. Jednak radiolatarnie służą statkom powietrznym znajdującym się na znacznych wysokościach, bez przeszkód terenowych i zakłóceń, dlatego zasięg jest wielokrotnie większy. Ze względu na specyfikę propagacji fal średnich zasięg w nocy jest o połowę większy niż za dnia. Radiolatarnie NDB mimo ciągłego rozwoju techniki wciąż są chyba najczęściej wykorzystywanymi obiektami do celów nawigacji lotniczej. Najczęściej umieszcza się je na osi pasa, kilka kilometrów przed jego progiem i na ten punkt kierują się samoloty. W przypadku lotniska Katowice-Pyrzowice radiolatarnia NDB znajduje się kilka kilometrów na wschód od osi pasa 27. Nadaje na częstotliwości 285 kHz, a jej znakiem wywoławczym jest KTC (kilo-tango-charlie).Urządzenia nadawcze mieszczą się w niedużym kontenerze, nad którym rozciągnięta jest antena linkowa. Z kolei głównym punktem nawigacyjnym lotniska Kraków-Balice jest KRW (kilo-romeo-whisky) na częstotliwości 353 kHz. Zdarza się, że bezkierunkowe radiolatarnie umieszczane są razem z tzw. markerami (markery – radiolatarnie instalowane wzdłuż ścieżki schodzenia na pas wyposażony w ILS; w chwili gdy samolot znajduje się nad nimi w samolocie zapałają się odpowiednie kontrolki informujące pilota o dokładnym położeniu w stosunku do progu pasa). Tego typu obiekty nazywane są locator lub compass locator i ułatwiają pilotowi odnalezienie części przestrzeni, gdzie znajdują się wiązki systemu ILS. Mają one moc znacznie mniejszą niż klasyczne radiolatarnie NDB (rzędu kilkunastu watów). W przypadku lotniska Katowice-Pyrzowice nadajnik typu L możemy usłyszeć na częstotliwości 588 kHz, czyli na standardowym zakresie fal średnich. Sygnał wywoławczy to kropka-kreska-kreska-kropka.
Radiolatarnie pracujące w zakresie fal długich i średnich, choć nadal popularne, nie są jedynymi używanymi w radiokomunikacji. Coraz częściej wykorzystywane są radiolatarnie pracujące na wyższych częstotliwościach (108-118 MHZ), m.in. radiolatarnie typu VOR (np. VOR JED, czyli Jędrzejów). W tym zakresie pracują również inne systemy radionawigacyjne, np. wspomniany już ILS. Jednak i te rodzaje naziemnych środków nawigacji są obecnie wypierane przez nowocześniejsze metody oparte na nawigacji satelitarnej GPS.
Przełom w myśleniu o nawigacji nastąpił z początkiem wdrażania systemów telefonii komórkowej. Uświadomiono sobie, że nawigowanie możliwe jest również w ruchu naziemnym, nie tylko w komunikacji morskiej i lotniczej. Na początku lat jedna z poznańskich firm (pierwsza na świecie) zaprojektowała system nawigacji drogowej oparty na nadajniku telefonii komórkowej. Działanie systemu oparte było na pomiarze poziomu sygnału radiowego emitowanego przez stacje bazowe GSM. System wyznaczał współrzędne geograficzne z zadowalającą jak na tamte czasy dokładnością dochodzącą do 100 metrów. Pierwsze drożenia w Polsce bardzo dobrze rokowały; system zaczęli wdrażać Niemcy. Jednak w 1995 roku testowany od wielu lat przez wojsko system nawigacji satelitarnej GPS osiągnął pełną operatywność i zdecydowano się go udostępnić do zastosowań cywilnych. To pokrzyżowało plany polskiemu wynalazkowi, który co prawda pracuje do dziś, ale nie rozwinął się tak ekspansywnie jak system GPS.
Nawigacja satelitarna
Pomysł zaprojektowania radiowego systemu nawigacji satelitarnej zrodził się w 1957 roku, kiedy to grupa naukowców z John Hopkins University w Baltimore próbowała monitorować sygnał radiowy nadawany przez radzieckiego satelitę Sputnik 1 (chciano rozkodować jej sygnały telemetryczne). Naukowcy odkryli, że Sputnik 1 nie emituje żadnych ygnałów telemetrycznych, a przelot satelity można wyliczyć wykorzystując efekt Dopplera. Rok 1957 jest bardzo ważny w historii systemów pozycjonowania satelitarnego. Naukowcy dowiedli, że można wykorzystać sztuczne satelity do lokalizowania pozycji.
Pierwszym globalnie dostępnym systemem pozycjonowania satelitarnego był amerykański TRANSIT (NAVSAT, NNSS). Prace nad nim trwały w latach 1958-1962 (zdolność operacyjna – 1964 rok). System ten tworzony był z myślą o marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych. TRANSIT do wyznaczania pozycji wykorzystywał efekt Dopplera, co wydłużało czas pomiaru pozycji do kilkunastu minut, w rezultacie liczba potencjalnych zastosowań była bardzo ograniczona (żegluga, geodezja, hydrografia).
W 1968 roku podjęto prace nad kolejnymi systemami pozycjonowania satelitarnego. Był to program TIMATION przeznaczony dla marynarki wojennej oraz program 621 B dla wojsk powietrznych USA. Tak powstał Global Positioning System GPS – właściwie GPS–NAVSTAR (ang. Global Positioning System – Navigation Signal Timing and Ranging) – system nawigacji satelitarnej, stworzony przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, obejmujący swoim zasięgiem całą kulę ziemską. System składa się z trzech segmentów: kosmicznego – 31 satelitów orbitujących wokół Ziemi na średniej orbicie okołoziemskiej, naziemnego – stacji kontrolnych i monitorujących na Ziemi oraz segmentu użytkownika – odbiorników sygnału. Zadaniem systemu jest dostarczenie użytkownikowi informacji o jego położeniu oraz ułatwienie nawigacji w terenie. Działanie systemu polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej oraz dokładny czas wysłania danego sygnału można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Sygnał GPS zawiera w sobie informacje o układzie satelitów na niebie (tzw. almanach) oraz o ich teoretycznej drodze oraz odchyleniach od niej (tzw. efemeryda). Odbiornik GPS w pierwszej fazie aktualizuje te informacje w swojej pamięci oraz wykorzystuje w dalszej części do ustalenia swojej odległości od poszczególnych satelitów, dla których odbiornik jest w zasięgu. Wykonując przestrzenne liniowe wcięcie wstecz, mikroprocesor odbiornika może obliczyć pozycję geograficzną (długość, szerokość geograficzną oraz wysokość elipsoidalną) i następnie podać ją w wybranym układzie odniesienia – standardowo jest to WGS 84, a także aktualny czas GPS z bardzo dużą dokładnością.
System GPS jest utrzymywany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy – wystarczy tylko mieć odpowiedni odbiornik GPS. Takie odbiorniki są produkowane przez niezależne firmy komercyjne. System GPS jest darmowy i taki ma pozostać zgodnie z polityką Stanów Zjednoczonych.
Przyszłość
Zasięg nawigacji GPS jest paradoksalnie mocno ograniczony. Mimo że na powierzchni Ziemi odbieramy sygnał praktycznie w każdym miejscu, to muszą zaistnieć warunki dla bezproblemowej pracy systemu – mała warstwa chmur, niezbyt wysokie zadrzewienie, niskie budynki. Wystarczy gruby sufit lub zejście do piwnicy, aby cały system zawiódł. To jednak może zmienić się dzięki wykorzystaniu do nawigacji promieniowania kosmicznego.
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego opracowali technologię nawigacji bezprzewodowej opartą na promieniowaniu kosmicznym, które wnika na ponad 1,5 km w głąb Ziemi. System ten nie wymaga wystrzeliwania satelitów na orbitę Ziemi, a działa opierając się na naziemnych stacjach. Proponowana technologia nosi nazwę muometric wireless navigation system (MuWNS), co można przetłumaczyć na ,,mionometryczny bezprzewodowy system nawigacji”. Rozwija on tworzoną wcześniej przez tych samych badaczy technologię, która miony wykorzystywała do analizy ruchów płyt tektonicznych. Nawigacja wymaga jednak porównania odległości z co najmniej czterech punktów, jeżeli chcemy określić dokładne położenie w trójwymiarowym środowisku. Miony docierają bowiem do Ziemi nieprzerwanym strumieniem. Sama ich detekcja niewiele nam da. Dlatego też nadal konieczne jest stworzenie systemu komunikacji pomiędzy czterema stacjami a urządzeniem, którego położenie chcemy śledzić. W praktyce oznacza to, że odpowiednik satelitów w systemie MuWNS nie musi być na orbicie, ale może zostać sprowadzony na Ziemię.
Zanim jednak technologia ta w pełni się rozwinie i stanie się powszechnie dostępna minie co najmniej pięć lat. Naukowcy rozpoczęli już także prace nad kolejną wersją MuWNS o nazwie ,,Vector muPS’’, która nie będzie wymagać zegarów atomowych do pracy w czasie rzeczywistym i tym samym rozwiąże jeden z największych problemów. Nie ma jednak wątpliwości, że wyjątkowa cecha MuWNS i mionów będzie wykorzystywana, gdyż w każdym użyciu poniżej powierzchni ziemi ta nawigacja jest nieporównywalnie lepsza od GPS. W przypadku konieczności nawigacji pod ziemią lub pod wodą, np. w wyprawach ratunkowych lub geologicznych, taki system nawigacji, nawet rozstawiony lokalnie, będzie jednym z najskuteczniejszych lokalizatorów, na jaki pozwala nam nauka.
MACIEJ SKORASZEWSKI, Biuro PTPiREE
