středa 5. srpna 2015

RUSKÝ DRUŽICOVÝ SYSTÉM "GLONASS" A NAVIGAČNÍ SUVERENITA


Americká GPS, “navigační suverenita” a vojenské aspekty ruského navigačního systému GLONASS
Globální družicový navigační systém GLONASS je ruský (předtím sovětský) systém družicového určování polohy a navigace vyvinutý na zakázku ministerstva obrany. Je jedním z dnes již řady provozních či vyvíjených systémů družicové navigace (amerického NAVSTAR/GPS, evropského “Galileo”, čínského “BeiDou” alias “Compass”, atd.) Systém GLONASS je určen pro operativní zajišťování navigačních (polohových/časových) informací neomezenému počtu uživatelů na zemi, ve vzduchu, na moři a v kosmu. Jeho informace mohou využívat jak ruští, tak i zahraniční uživatelé bezplatně a bez omezení.
Základem systému je 24 družic, což je počet nutný pro globální pokrytí Země. Obíhají nad povrchem Země ve třech orbitálních rovinách (v každá je osm rovnoměrně rozmístěných družic) se sklonem 64,8°, výškou 19 400 km a periodou 11 hodin, 15 minut. Taková oběžná dráha je optimální pro využívání ve vysokých zeměpisných šířkách (severních a jižních polárních oblastech), kde se signál od družic amerického systému GPS přijímá obtížně.
Základní význam se systému GLONASS přikládá v oblasti zajištění obranyschopnosti Ruské federace (RF). O tom se podrobněji pojednává níže.

Současné postavení systému GLONASS

Ruský družicový navigační systém GLONASS je charakteristickým příkladem využití kosmického prostoru a kosmických možností světově významnou zemí pro zajištění svých vlastních zájmů v ekonomice a obraně státu, v neposlední řadě je významnou sférou vytváření trhu kosmických služeb. Nelze také odhlédnout od toho, že disponování vlastním kosmickým navigačním systémem je jedním z přímých příznaků existence statusu významné velmoci.
Globální družicové navigační systémy s každým dalším rokem hrají stále důležitější roli v ekonomickém rozvoji kterékoli země. Vláda RF činí řadu náročných opatření, která zajišťují zavádění navigačních technologií využívajících systém GLONASS do všech oblastí ruské ekonomiky. A samozřejmě, nejen ekonomiky RF, ale i pro řešení vojensky významných úkolů a programů souvisejících s obranou země.
Důvody, které vedou ruský stát k urychlenému rozvíjení vlastního jak globálního systému, tak i řady regionálních družicových navigačních systémů, tak souvisejí ve značné míře se zajištěním garancí strategické bezpečnosti a stabilního ekonomického rozvoje. Od samého začátku platila skutečnost, že systém GLONASS se projektoval a budoval jako systém vojenského určení.
Práce na projektu systému byly zahájeny ještě za hluboké sovětské éry v roce 1972. V roce 1982 byla vypuštěna první družice tohoto systému (první družice amerického NAVSTAR/GPS o osm let dříve). Devadesátá léta byla provázena úspěchy, ale i nezdary. V roce 1995 již bylo na oběžné dráze úplné uskupení družic, později však kvůli problémům s financováním začalo chřadnout a stávalo se stále více neprovozuschopným. V roce 1999 dostal systém status duálního systému (vojenského i komerčního), poté v roce 2001 započaly práce na obnově celého systému (v roce 2002 bylo funkčních pouze 6 až 7 družic) na bázi mechanizmu federálního cílového programu.
Princip měření je obdobný jako u amerického systému GPS. Základní odlišností od GPS je to, že družice GLONASS nejsou na oběžné dráze synchronní s otáčením Země kolem své osy, což jim zajišťuje větší stabilitu. Během aktivního provozu družic pak nejsou nutné žádné doplňkové korekce. Nicméně doba aktivního života družic je znatelně kratší. Signály z družic se vysílají se směrováním 38°, při pravé kruhové polarizaci a vysílacím výkonu 316 až 500 W (EIRP 25 až 27 dBW). Pro určování souřadnic polohy musí přijímač na Zemi uskutečňovat příjem z minimálně čtyř družic a kontinuálně vypočítávat jejich vzdálenost.
Nyní orbitální uskupení systému GLONASS čítá 29 družic, z nichž 24 jsou v nepřetržitém provozním režimu a pět dalších se testuje, nebo prostě slouží jako orbitální rezerva pro případ poruchy “ostře” provozované družice.
Pokud jde o přesnost, přiblížil se systém GLONASS ukazatelům systému NAVSTAR/GPS. Za posledních deset let se přesnost určování polohy zvýšila o řád (ze zhruba 33 m na nynějších asi 2,8 m). Systému se dostalo i mezinárodního uznání. Příjem jeho navigačních signálů se zajišťuje v přijímačích všech předních výrobců uživatelských navigačních zařízení jak profesionálního, tak i hromadného všeobecného použití. V rámci ruského federálního cílového programu udržení a rozvoje provozu systému na léta 2012 až 2020 je v plánu zvýšení přesnosti až na 60 cm (k roku 2020). Globální využívání se má rozšířit o velké množství zahraničních uživatelů.
Ke konci desetiletí se na světě očekává provozování čtyř globálních navigačních systémů. Na řadě je Evropa se systémem “Galileo” a Čína se svým systémem “BeiDou” (jinak “Compass”). Očekává se, že všechny systémy budou otevřené a interoperabilní. Velké ambice má také Indie a Japonsko. Také se očekává, že se objeví řada nových regionálních navigačních systémů (v Rusku se budují tři).
RF vidí velkou perspektivu ve spolupráci mezi svým a čínským globálním navigačním systémem. Ruský systém je ve větší míře orientován na severní, polární šířky, čínský systém je “více jižní”. Jejich vzájemné doplňování může potenciálně vést k vytvoření největšího a nejsilnějšího konkurenta jakýchkoli jiných navigačních systémů. K tomu přispívá i současné faktické strategické sbližování Ruska a Číny.
Nehledě na současné napjaté vztahy mezi RF a USA, pro kosmické programy je oboustranně důležité, aby pokračovalo partnerství a spolupráce, přičemž kooperaci je nutné budovat na bázi rovnosti a uměřenosti. Když na území RF pracují již od počátků 90. let stanice GPS (a je jich 11), zřízené USA prakticky po celém území Ruska od západu na východ, měla by se očekávat možnost recipročního svobodného rozmístění analogických pozemních stanic GLONASS na území USA. Tato otázka je ovšem zjevně politizovaná, včetně šíření zpráv o tom, že takové stanice budou mít špionážní charakter. Aby se politizace trochu přibrzdila a zchladily se vášně, dohodla se RF s USA a od 1. června 2014 byla u amerických stanic GPS umístěných na území RF provedena určitá opatření zajišťující to, že je nebude nadále možné využívat pro vojenské účely. Zdá se, že od té doby se nevyskytly závažné problémy.

“Navigační suverenita” Ruska

Nehledě na to, že donedávna nebylo uskupení družic ruského systému pro určování polohy a navigaci GLONASS na oběžných drahách úplné, navigační systém již několik let víceméně úspěšně fungoval. Aby se pokrylo signálem území Ruska, postačovalo 18 družic. Přitom se zajišťovala prakticky 100% nepřetržitá navigace v Ruské federaci (RF).
Stejně jako u amerického navigačního systému GPS (Global Positional System), se kompletní konstelace GLONASS skládá z 24 družic, z nichž 21 je v provozu a 3 jsou záložní (každá v jedné ze tří oběžných rovin). Nyní je zónou pokrytou systémem GLONASS celý svět. Je tedy možné říci, že Rusko si zajistilo svoji “navigační suverenitu”. Podle názoru expertů je její význam těžké docenit.
GLONASS-logo.jpg
Navigační suverenitu je Rusko schopné poskytnout či zajistit i jiným zemím, které mají zájem snížit rizika spojená s využíváním pouze jednoho samotného amerického navigačního systému GPS. Existence systému GLONASS jako dalšího globálního navigačního systému zmenšuje politická rizika pro země, které si je přejí snížit. Není tajemstvím, že USA mohou v případech, kdy se to stane jejich zájmem, odpojit signál GPS pro jakékoli území na světě.
Státy, které se pokládají za samostatné subjekty mezinárodní politiky (aspoň relativně) mohou podepsat dohodu s Ruskem a zajistit si tak nezávislost na americkém systému GPS. Systém GLONASS se tak v podstatě stává pro Rusko reálným politickým nástrojem, dokonce s geopolitickým přesahem.
Uskupení ruských družic systému GLONASS se provozovalo i dříve, když ještě počet zapojených družic neodpovídal projektovanému počtu. To však způsobovalo malé výpadky v určování souřadnic neboť přijímač s anténou musí “vidět” současně aspoň čtyři družice. Určení polohy podle družice systému GLONASS nebylo v jakémkoli bodě na Zemi možné. To znamená, že nebyla 100% záruka toho, že uživatel bude mít okamžitý přístup k navigační službě. Nyní je možné určit polohu v kterémkoli místě na Zemi s pouhým systémem GLONASS.
Je skutečností to, že určení souřadnic výhradně pomocí ruských družic se ve skutečnosti požaduje pouze pro vojenské účely. Rusko např. poskytuje signál s vysoce přesnými daty pro vojenské účely Indii. Podle něj se navádějí bezpilotní letouny nebo rakety. Pro běžného uživatele se lépe hodí dvousystémový přístroj, neboť je mu jedno od koho jeho navigační přístroj přijal signál, jestli od systému GLONASS nebo GPS. Tím spíše proto, že jejich společné využívání zvyšuje přesnost určení souřadnic téměř dvojnásobně. Na tuto tendenci již trh ve světě zareagoval. Většina výrobců mikroelektronických komponent s funkcí navigace buď oznámila, že chystá výrobu dvousystémových bloků,nebo už je nabízí na trhu. Takovým zařízením se v říjnu minulého roku stal i nový iPhone.
Dvousystémová zařízení se zvláště hodí v prostředí husté městské zástavby. Aby se ve městě spolehlivě zajistila nepřetržitost navigačních služeb, je potřeba mít signály z nejméně 50 družic a to nemá ani GPS, ani GLONASS.

Systém ERA-GLONASS

V Moskvě se od roku 2013 plánuje vybavovat dopravní prostředky přístroji ERA-GLONASS. Všechny nové automobily, když procházejí certifikací pro prodej na ruském trhu a na území Celní unie (členové - Arménie, Bělorusko, Kazachstán, Kyrgyzstán, Rusko), musejí být od 1. ledna 2015 povinně vybaveny zařízením systému ERA-GLONASS (ERA je ruskou zkratkou “mimořádná reakce při haváriích”). Zařízení je určeno pro automatickou registraci výjimečných událostí v silniční dopravě a je schopné přivolat např. na místo havárie dopravní policii, rychlou záchrannou pomoc, apod.
Kromě automatického režimu je pro některé mimořádné situace možný i ruční režim. Zařízení se provozují se dvěma čipy. Při dopravní havárii přístroj ihned odešle polohové souřadnice místa dispečerovi (viz obrázek níže). Bez zacházení do podrobností představuje systém ve zjednodušené podobě mobilní telefon se zabudovaným modulem GLONASS/GPS, který se montuje do automobilu.
Systém může automaticky rozpoznat vzniklou událost. Kontinuálně se monitorují elektronické senzory automobilu (reagující na bezpečnostní airbagy, prudké brzdění aj.). Sám řidič může také stisknout poplachové tlačítko, aby hovorovým spojením informoval záchranné služby o situaci. Pro provoz systému je potřebný kanál mobilní sítě, pro případ kdy vozidlo jede daleko od vymožeností civilizace (což je na rozlehlém ruském území běžné), pamatovali tvůrci systému na možnost stykování přístroje se zařízením pro družicové komunikace.
Perspektivně bude dokonce technicky možné, aby mohly pojišťovací orgány pomocí systému získávat informace o individuálních vlastnostech a chování řidičů automobilů při řízení vozu. Na oprávněnost využívání této možnosti se však názory různí.
ERA-GLONASS-č.jpg
Zavedení systému umožní zachránit každoročně až tři tisíce lidských životů. Otevřou se i další možnosti, např. autobusy budou moci odesílat data o příjezdu na nejbližší zastávku. Družicové navigační technologie tak potenciálně mohou podstatně zvyšovat kvalitu života běžných občanů.

Systém GLONASS v ozbrojených silách RF

Jak bylo zmíněno výše, ruský družicový navigační systém GLONASS byl od počátku budován na základě zakázky ministerstva obrany (tehdy ještě SSSR). Proto také nesl své vojenské kódové označení “Uragan” (stejné označení měla i první generace jeho družic). Družice druhé generace GLONASS-M měly označení “Uragan-M” a třetí generace GLONASS-K pak “Uragan-K”.
Před koncem roku 2014 bylo do ozbrojených sil RF dodáno přes 40 000 kompletů uživatelského navigačního zařízení. Systém, který využívá současná zařízení pro družicovou navigaci v ozbrojených silách RF, umožňuje vizualizaci elektronických topografických map na displeji navigačního přijímače 16C822 ”Grot-M” nebo “Orion”. V současné době navigační zařízení ještě není součástí výbavy každého vojáka, je to však věcí nepříliš vzdálené budoucnosti.
Faktický stupeň zajištění ozbrojených sil RF moderními vzory navigačního zařízení činil v roce 2012 zhruba 50%, v roce 2014 asi 85%.
14C822__GROT-M.jpg
Předpokládá se, že zajištění úplného počtu přístrojů pro družicovou navigaci, včetně určitých funkčních doplňků tak, aby to odpovídalo perspektivním potřebám, se dosáhne do roku 2020.
Dnes si již existenci moderních ozbrojených sil bez využívání dat z družicového navigačního systému nelze vůbec představit, ať již se jedná o přípravu prvků pro vedení palby dělostřelectva či provádění raketových úderů, činnost průzkumníků na bojišti nebo námořní plavby, všude je nutná nepřetržitá a přesná kosmická navigace. A ta se stále zdokonaluje. To umožňuje velitelům i jednotkám mít stále přesnější informace o poloze vlastních sil i protivníka na bojišti.

Příklad využití zařízení “Grot” systému GLONASS v dělostřelectvu

Zajímavé jsou zkušenosti z bojových střeleb jednotek samohybných 152 mm kanónových houfnic “Msta-S” prováděných s používáním navigačních zařízení “Grot”. Data pro topografické připojení, shromážděná s pomocí družic systému GLONASS se posílají do automatizovaného systému řízení palby, což značně zvyšuje přesnost prvků, potřebných pro automatické nastavení zbraňového systému při vedení palby (např. přesné vzdálenosti a polohy cíle). Ničení cílů palbou daného typu kanonových houfnic je podstatně rychlejší a jednodušší.
Přístroj “Grot” (o velikosti zhruba automobilového přehrávače hudby) je vestavěn do přístrojového panelu samochodky. Umožňuje určit polohu bojového vozidla v terénu s přesností do jednoho metru. Pro porovnání: Dříve se při výpočtech bez použití takového zařízení připouštěla chyba v určení polohy až 50 m. Na čtení souřadnic a topografické připojení k terénu se nyní spotřebuje nejvýše 20 sekund. Celá procedura probíhá v automatickém režimu bez účasti člověka, což vylučuje chyby ve výpočtech. Dříve byli do takové operace zapojeni dva až tři dělostřelci po dobu až 20 minut. Použití zařízení “Grot” navíc minimalizuje zranitelnost palebných postavení samohybných houfnic. Pro plnění palebných úkolů musela být dříve všechna bojová vozidla patřící jedné dělostřelecké jednotce umístěna pohromadě.  Všechny výpočty se prováděly pro jednu houfnici a ostatní dostávaly táž data. Nyní mohou kanónové houfnice “Msta-S” vést mířenou palbu a být přitom mezi sebou vzájemně vzdáleny až 20 km.

Široké vojenské využití zařízení na bázi systému GLONASS

V nedaleké budoucnosti bude moci mít individuální navigační zařízení systému GLONASS v principu každý voják ruské armády. Jednoznačně se předpokládá jeho začlenění do bojové výbavy “Ratnik” pro vojáka-jednotlivce. Bude to zásadním přínosem pro jednotlivého bojovníka, velitele a jednotku jako celek.
Výše zmíněný přístroj “Orion” je přenosné zařízení, které zajišťuje práci s mapami terénu, leteckými (příp. družicovými) snímky, tabulkovými a dalšími informacemi na základě atlasu nebo databáze map.
Orion-vzhled.jpg
Umožňuje vytvářet obrazy či zákresy aktuální situace a uskutečňovat výměnu dat s jinými systémy. Model terénu se v zařízení “Orion” zobrazuje v třírozměrném (3D) formátu. S jeho použitím je možné sestrojovat trasy přesunu po silniční síti a připojovat se k mapovým zdrojům internetu. Co je však hlavní, přijímač automaticky vydává aktuální data polohových souřadnic, času a rychlosti pohybu uživatele. K tomu využívá signály družicových navigačních systémů GLONASS a GPS v jakémkoli místě na zeměkouli, v libovolném časovém okamžiku a nezávisle na meteorologických podmínkách. Je zřejmé, že taková elektronická asistence je vhodná pro každého vojenského uživatele a používané systémy v jednotkách.
Navigační přístroj “Grot-M” je určen především pro velitele dělostřeleckých jednotek, průzkumníky, bojovníky v horském terénu a příslušníky speciálních jednotek. Má výkonný 32 bitový procesor a relativně velký barevný displej, na kterém se zobrazují mapy terénu s vyznačením aktuální polohy uživatele. Tělo přístroje je z odolného plastu s úsporně uloženým napájecím zdrojem.
Grot-M_zobrazení.jpg
Přístroj např. umožňuje vytvořit pochodovou osu a zobrazovat ji na pozadí digitální mapy. Přijímač signálů z družic má 32 přijímacích kanálů, tzn., že může vést současný příjem informací až z 32 družic, což značně zvyšuje přesnost určování polohy. Při plné kvalitě funkcí může být nepřetržitě v provozu 12 až 15 hodin za spodních provozních teplot od 0 do −30°С.
Je zajištěna možnost vzájemného propojování přístrojů a jejich funkčního sloučení do jednoho společně provozovaného systému. Takový geoinformační systém se v ruské armádě již používá pod názvem “Operátor”. Na bázi elektronických map se v něm sestavují plány operací a bojové činnosti pro všechny struktury a stupně velení ozbrojených sil RF. Při přípravě cvičení mohou velitelé v daném systému analyzovat terén a hodnotit jeho vlastnosti, informačně zajišťovat průběh cvičení a velitelsko-štábních nácviků, pracovat s mapami a pracovními schématy. Systém zajišťuje možnost vytváření virtuálních 3D maket terénu a vydávání dat pro palbu a údery prováděné vysoce přesnými zbraňovými systémy.

Síť pro vysoce přesnou navigaci RF

V Rusku se buduje nová komerční síť pro potřeby vysoce přesné navigace. Jde o národní družicovou síť pro vysoce přesné určování polohy, která zajistí decimetrovou až centimetrovou přesnost zjištěných souřadnic polohy na území RF a zemí, které se připojí (např. Kazachstánu).
Síť vysoce přesné navigace.jpg
Podle dostupných informací bude daná síť moci sjednocovat výsledky měření polohy od více než 600 referenčních stanic systému GLONASS na jejichž základě se budují jednotlivé regionální sítě pro vysoce přesné určování polohy a sítě velkých státních a komerčních provozovatelů.
Síť přesné navigace.jpg
Síť buduje otevřená akciová společnost “Ruské kosmické systémy” s pomocí společnosti “Ruské železnice”. Budovaná síť zajistí uživatelům rozsáhlý soubor garantovaných služeb využívajících vysoce přesné polohové informace, přičemž služby budou dostupné 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Výsledky měření polohy bude možné převádět do různých souřadnicových systémů.
Charakter poskytovaných služeb bude takový, aby služby mohly být využívány uživateli v mnoha rozhodujících odvětvích národního hospodářství RF - dopravě, zemědělství, palivově-energetickém komplexu, těžařském průmyslu, výstavbě měst a silnic, monitorování provozu kriticky důležitých objektů, geodézii, atd.