• Kövess minket!

Tech/Tudomány

A GPS és társai - I. rész

A GPS és társai - I. rész

Horváth Csaba havi rendszerességgel tart előadást a tengeri hajózás fortélyairól, amelynek első témája a műholdas navigáció témáját járta körbe. Az első előadás szöveges kivonatát folytatásokban mi is közzétesszük.

Második rész: A GPS és társai - II. rész
Harmadik rész: A GPS és társai - III. rész

Az amerikai műholdas navigációs rendszert, a GPS-t mindenki ismeri, sokan használják is. Azonban nem csak a GPS létezik, vannak globális és regionális versenytársai is (amelyek egyben partnerei is) és ezeknek számos alrendszere van. Jelen pillanatban egy konkurenciája van, továbbá két másik világméretű rendszer van kiépítés alatt, amelyek már tesztüzemben működnek. Ezeket azonban kevesen ismerik, így az sem túlságosan közismert, hogy a rohamos fejlődés következtében ebben az évtizedben milyen változásokra számíthatunk.

Tegye fel a kezét, aki hallott már a GPS-ről! [Mindenki felemeli a kezét.] Tegye fel a kezét, aki hallott az orosz GLONASS-ról! [A hallgatóság harmada felemeli a kezét.] Ki hallott az Európai Unió által fejlesztett GALILEO-rendszerről? [Talán minden negyedik ember.] Most tegye fel a kezét, aki ismeri a kínai COMPASS-t! [Alig látok kezeket a magasban.] Ki ismeri az EGNOS-t, vagy a WAAS-rendszert, hallottatok-e arról, hogy az indiaiaknak vagy a japánoknak is van saját regionális rendszerük? [Nem szólal meg senki…]

Látható, mennyire nem közismertek a műholdas navigációs rendszerek, és az általuk biztosított, valamint a jövőben kínált lehetőségek. Pedig a GLONASS az amerikai GPS-szel együtt épült, de sokáig titkos katonai rendszerként működött, csak a 2000-res évek elején nyitották meg a polgári felhasználók előtt. Már ma vannak olyan vevőkészülékek, amelyek mindkét rendszer műholdjairól érkező jeleket képesek venni.

A GALILEO az EU legnagyobb, ismétlem a legnagyobb projektje, mégis elég keveset hallunk arról, hogy a katonai ellenőrzés alatt álló GPS-től való függetlenség okán euró milliárdokat fektetnek a 2020-ig felálló saját globális műholdas navigációs hálózatba. Ugyanakkor a lendületesen feltörekvő kínai gazdaság is képessé vált arra, hogy egymaga kifejlesszen egy regionális műholdas hálózatot, amit szintén 2020-ig világméretűvé bővít. Az évtized végére a Föld körül több mint 100 navigációs műhold fog keringeni, amelyek segítségével a Föld bármely pontján, bármikor képesek leszünk méteres pontossággal – az alrendszerek segítségével pedig centiméteres pontossággal – meghatározni a földrajzi helyzetünket. Mindez az olyan interoperábilis vevők segítségével, amelyek bármelyik rendszerhez képesek csatlakozni, mégpedig a felhasználó beavatkozása (sőt, tudta) nélkül.

Miután már ma sem a GPS az egyetlen navsat rendszer, helytelen a „GPS” tulajdonnevet általánosságban a műholdas navigáció megnevezésére köznévként alkalmazni. Ez olyan, mintha a mobiltelefonos hálózatokat nemes egyszerűséggel csak „tékom”-nak vagy „orindzs”-nak hívnánk, noha jól tudjuk, hogy ezeknek több szereplője van, melyek egymás versenytársai és partnerei is egyben, amikor felváltva használjuk őket. Célszerűbb tehát, ha megtanuljuk a műholdas rendszerek neveit, általánosságban pedig a globális navigációs műholdas rendszereket gyűjtőnéven, az angol Global Navigation Sattelite Systems elnevezésből eredő GNSS mozaikszóval illetjük!

GNSS = Global Navigation Sattelite Systems
A regionális rendszerek között szót ejtünk a japán QZSS-ről, az India által felépített IRNSS-ről és a kínai Beidou-1 rendszerről, amiből a Beidou-2 (más néven Compass) globális hálózat kiépül.
A GNSS alrendszerei két nagy csoportra oszlanak: a műhold alapú (SBAS) és a földi bázisú (GBAS) helyi alrendszerekre, melyeknek az a szerepe, hogy az általuk lefedett területen precízebb és speciális szolgáltatást nyújtsanak a felhasználók számára. Ezekről is szó lesz az előadás végén.

Előzmények
Mielőtt alaposabban szemügyre vennénk az elektronikus navigáció csúcsát képező műholdas hálózatokat, tekintsük át a rádiónavigáció főbb állomásait. Nem kell időben sokat visszalépni: a XIX. és XX. század fordulójára megyünk vissza (jóllehet, az első lépések megfigyelésére még jó néhány évtizedet visszaléphetnénk…).

 

A rádióiránymérő (RDF) és a RADAR
A rádiózás elterjedésével hamarosan nyilvánvalóvá vált, hogy egy rádióadó iránylata megfelelő antenna segítségével megmérhető, ez pedig – a vizuális iránylatméréshez hasonlóan – jól használható navigációs célokra, mégpedig ez előbbinél jóval nagyobb távolságokon. A rádióiránylatok mérésének alapelveit ebben az időszakban dolgozták ki. A rádióhullámok visszaverődésének jelensége, a visszhang szintén alkalmasnak mutatkozott arra, hogy navigációs célokra használják fel. A század elején zajló forradalmi változásokkal kapcsolatban Marconi, Tesla és az orosz nevét kell megemlíteni, továbbá...: Rudolf Kühnhold német kísérleti fizikust, a Kriegsmarine (német haditengerészet) kieli Kommunikációs Rendszerek Kiséleti Intézetének tudományos igazgatóját a Funkmessgerät, a „rádió mérőberendezés”, a radar német atyjaként emlegetik. A francia mérnök, Émile Girardeau 1934-ben olyan radar rendszert fejlesztett ki, melynek terve „Tesla által megfogalmazott elvek szerint fogant”. Popov már balti-tengeri rádiókísérletei során lejegyezte, hogy a rádiójel visszaverődésének jelensége felhasználható lenne tárgyak észlelésére. Amikor 1924-ben a német Luftwaffe gépei mélyen berepültek a Szovjetunió területére, a szovjetek megfigyelő rendszert akart kiépíteni. Pavel Oscsepkov a Leningrádi Elektrofizikai Intézettel együttműködve rádiójelek alkalmazásával kezdte a kísérleteket, s hamarosan 3 km-en belül sikerült repülőgépet észlelni. A kutatást megakasztotta, hogy Sztálin 1937-ben lefejezte a hadvezetését. A kutatásokat irányító légierő főparancsnokát kivégezték, Oscsepkov pedig 10 évre szibériai gulágba került. Nyolc éves kutató munkát követően a Szovjetunió úgy lépett be a II. világháborúba, hogy nem volt használható radarberendezése.

Itt meg kell említeni a magyar Bay Zoltánt is. A Műegyetem professzora a Sas rádiólokációs rendszerrel 1944-ben a János-hegyről Székesfehérvárig látott és repülőgépeket tudott észlelni. Tegyük hozzá, hogy Bay a háború után is végzett kísérleteket a radarral: 1946-ban radarvisszhangot fogott a Holdról, így a radarcsillagászat egyik kiemelkedő úttörőjének számít.

Bár számos országban (Dél-Afrikában, Ausztráliában és Új-Zélandon, sőt Japánban is) végeztek kísérleteket a radarral, végül is Nagy-Britanniában sikerült használható eredményt produkálni. Robert Watson-Watt jelentős szerepet kapott ebben a munkában, őt tekintik a radar „feltalálójának” – de talán jobb, ha a „gyakorlatban is használható radar megalkotójának” nevezzük.

A II. világháború kitörésekor mind az angolok és amerikaiak, mind a németek és olaszok, de még a japánok is rendelkeztek valamilyen, többé-kevésbé használható felderítő eszközökkel. Angliában, a Temze torkolatában felállították az öt rádióállomásból álló Chain Home rádióiránymérő rendszert. Németországban a Standard Elektrik Lorenznél kutató Dr. Ernst Kramar fejlesztette ki a rádióadók segítségével végzett egyenlőjelű adók közötti iránymérést, amely a Sonne nevet kapta. Más frekvenciákon dolgozott a hasonló Mond és Stern nevű hálózat, amelyet a Luftwaffe és a német U-boatok (tengeralattjárók) használtak. Egy alkalommal a briteknek sikerült elfogniuk egy Sonne-térképet, amiről úgy gondolták, hogy ami jó a németeknek, az jó a briteknek is, így létre hozták a saját rendszerüket, a Consolt. A Sonne rendszer nagy előnye az volt, hogy csak egy egyszerű vevőre volt szükség, viszont nem volt elég pontos és érzékeny volt a rádiózavarásra, az interferenciára. Az angolok tehát azzal tudtak védekezni, hogy sikeresen zavarták a német állomások adását, így a német repülők az üres mezőket bombázták… A Consol-rendszer viszont igen nagy hírnevet szerzett a háború alatt, így később is ajánlott navigációs rendszer maradt, olyannyira, hogy az utolsó még üzemelő stavangeri (Norvégia) adó csak 1991 után (!) fejezte be működését.

Hiperbola-navigáció
Az úgynevezett hiperbola-navigációs rendszerek a harmincas években több szálon indulva jelentek meg és fejlődtek, elsősorban a II. világháborús haditechnika részeként. A hiperbola-navigáció elve a rádióhullámok segítségével a rádióadók között mérhető távolságkülönbségek meghatározásán alapul. A távolságkülönbségeket leíró matematikai függvény a hiperbola, a térképen meghatározható helyzetvonalak hiperbolák lesznek. Több rádióadó pár segítségével több hiperbola metszésvonala adja a vevő meglehetősen pontos földrajzi pozícióját.

A rendszerek közül a tengeri navigációban a három legismertebb és legelterjedtebb a brit DECCA, a különböző amerikai LORAN-rendszerek és az amerikai fejlesztésű, első alkalommal világméretű lefedettséget biztosító OMEGA-lánc.

1944-ben az első QM Decca-láncot a dél-angliai parton állították fel, mely szerepet kapott a Neptun-hadműveletben: az Admiralitás 21 aknakereső hajót szerelt fel vevőkkel, amelyek QM-lánccal sikerrel navigáltak az Angol-csatornán, miközben a normandiai partraszállás előkészítéseként megtisztították a területet az aknáktól. A háború után a Decca-láncok Európában, majd a világ más tájain egyre szaporodtak és nagy népszerűségre tettek szert a polgári felhasználók körében. A műholdas rendszerek megjelenésével a Decca ideje lejárt, így a Decca Navigator System működése 2000. március 31-én éjfélkor leállt.

Az amerikai LORAN (LOng RAnge Navigation szavakból alkotott mozaikszóként) első hálózata, a LORAN-A 1943 elejére állt fel, majd az ötvenes években telepített LORAN-C láncok az USA egész kontinentális területét és Alaszkát lefedte, de a Földközi-tengeren, Szibériában, a Közép- és Távol-keleten is számos lánc épült.

A 90-110 kHz frekvenciasávban üzemelő LORAN-C 0,25 tengeri mérföldnél jobb abszolút pontosságot szavatolt a megfelelően felszerelt katonai és civil járműveknek, nappal 1200, éjjel akár 2400 tengeri mérföld távolságig. Kereskedelmi, halász- és sporthajók is használták. A LORAN-rendszer az elmúlt évtizedben a műholdas rádiónavigáció nagyarányú előretörése következtében elavulttá vált, így a LORAN-C 2010. február 8-án befejezte a működését. Az amerikai LORAN-rendszer szovjet megfelelője a CHAYKA. Az OMEGA hiperbola-navigációs rendszert az U.S. Navy dolgozta ki a katonai légi járművei részére. A hálózat kiépítése1968-ban indult, s valóban az egész földfelszínen 4 mérföld pontosságú pozíció meghatározást biztosított. Az ötvenes-hatvanas években a kísérleti rendszert még RADUX-nak hívták, de miután a rádióspektrum alsó határán a 10 kHz frekvenciát választották vivőfrekvenciának, John Alvin Pierce, az „Omega-rendszer atyja” a görög ábécé utolsó betűjét, az omegát választotta a rendszer nevének. Az igen alacsony frekvencia kisugárzásához kb. 400 méter magas antennatornyokat kellett építeni, amelyek 10 kW teljesítménnyel sugároztak. Összesen csak 8 nagyméretű antennát állítottak fel a világ különböző pontjain.

Amikor a műholdas rendszerek széles körben elterjedtek, az Omega működése gazdaságtalanná vált, a további üzemeltetése indokolatlan lett. 1997. szeptember 30-án minden állomás véglegesen beszüntette az adást. A rendszer szovjet ellenpárja az ALPHA.
 

 

OMEGA ADÓTORNYOK
Az Omega adótornyaival kapcsolatban két érdekes helyszín érdemes megemlíteni. A Kaneohe Omega-állomás Ha’iku Oaku-n (Hawaii) az U.S. parti őrség kezelésében állt. 1943-ban húzták ki az antennát két 850 méteres sziklacsúcs közé a Ha’iku-völgy fölött. Az építkezéshez majd’ 4 000 fokból álló meredek lépcsőt építettek, amit úgy emlegetnek, mint „lajtorja a mennyországba” (Stairway to Heaven), mert a völgyből nézve a lépcső felső része elvész a hegyekre telepedő felhőben. A lépcső veszélyessége okán ma zárt terület, de vakmerő fiatalok időnként megmásszák, és videóikat feltöltik a YouTube-ra… A II. világháború alatt az antenna hosszúhullámú rádióadóként üzemelt a tengeralattjárókkal való kapcsolattartásra. Ezzel az adóval ugyanis egészen a tokiói-öbölben járó amerikai tengeralattjárókat is el tudták érni, még akkor is, ha a hajók víz alatt maradtak! A hatvanas évek végén alakították át az Omega rendszer csendes-óceáni állomásává – ez az egyetlen állomás, ahol nem kellett extra magas tornyot építeni, mert az antennát maguk a hegyek tartják.
A libériai Paynesville Omega-adótorony 417 méteres magasságával Afrika legmagasabb építménye. 1997-ben leállt a rendszer, az egész rádióállomást átadták a libériai kormánynak. A rácsszerkezetű torony – noha a festése megkopott – nem rozsdás most sem. Libériában a fémhulladék az egyik legkeresettebb árucikk, ennek ellenére, meglepő módon a torony még ma is áll. Ma már szabadon megközelíthető, a bátrabbak még fel is mászhatnak a létrákon, szó szerint a felhők közé. A működése során szigorúan lezárt volt a torony környéke is, ennek köszönhetően számos érdekes elmélet született a helyiek között a rendszer „valódi természetét” illetően. Egyesek szerint a torony gigantikus megfigyelő eszköz volt: „A rendszer olvasni tudott az emberek agyában. Ha valaki Libéria ellenes gonosz szándékkal érkezett, az antenna ezt felfedezte, s egy repülőgép felszippantotta az illetőt a torony tetejére, ahol letartóztatták.” A rendszer azonban valahogy nem működött, amikor Charles Taylor, a libériai polgárháború prominens hadura, a későbbi libéria elnök ide érkezett… (Charles Taylor később a hágai nemzetközi bíróság elé került.)

Második rész: A GPS és társai - II. rész
Harmadik rész: A GPS és társai - III. rész

Az előadás-sorozatról

A célom az, hogy a hajózás különböző területeiről válogatott témákat mutassak be a hallgatóságomnak érdekesen, színesen.

Az első előadás a műholdas navigációról szól, hiszen közkedvelt navigációs eljárásról van szó, azonban az amerikai GPS-en kívül a többi globális és lokális rendszer vajmi kevéssé ismert.

A második előadás az árapályos tengeren való hajózásról szól. Az Adrián hajózók nem szoktak hozzá az árapály jelenségéhez, így keveset tudnak erről a kérdésről.

A harmadik, májusi előadás évfordulóhoz kötődik. A brit parlament által alkotott „Hosszúsági Törvény” 300. évfordulójának alkalmából beszélek a hajózás évszázados nagy problémaköréről, a földrajzi hosszúság, és az idő pontos meghatározásának a XVIII. századig megoldhatatlan feladatáról. A téma kapcsán szó lesz a történet helyszínéről, Greenwichről is.

Talán még június elején tartok egy előadást, majd a nyári szünet után, várhatóan októberben folytatjuk a sorozatot újabb érdekes témákkal.

Az előadás a Jachtnavigátor nautikai enciklopédia hamarosan megjelenő II. kötetének „Az elektronikus navigáció története” és „Elektronikus helymeghatározás” című fejezeteinek és ábráinak felhasználásával készült.