Nawigacja satelitarna w monitorningu morskim i śródlądowym

NAWIGACJA SATELITARNA W MONITORINGU MORSKIM I ŚRÓDLĄDOWYM
- HISTORIA, STAN OBECNY, PERSPEKTYWY
Historia technik satelitarnych na morzu
Burzliwy rozwój technik satelitarnych w drugiej połowie XX wieku spowodował, Ŝe są one wykorzystywane
obecnie w wielu dziedzinach Ŝycia codziennego. Powszechna na świecie telewizja satelitarna zdominowała
rynek konsumencki w latach 80. Lądowa nawigacja satelitarna, uŜywana poprzednio tylko w słuŜbach
wojskowych znalazła zastosowanie u cywilnych uŜytkowników i pomimo ciągle jeszcze wysokich cen staje się
standardem.
Na morzu technika satelitarna znana i stosowana jest od ponad 40 lat.
Pierwszym i najstarszym obszarem zastosowań morskich była
nawigacja satelitarna. Historia rozwoju technik satelitarnych
rozpoczęła się w roku 1957 od wystrzelenia przez ZSRR pierwszego
sztucznego
satelity
Ziemi
„Sputnik-1”.
Niespodziewanym
następstwem obserwacji przelotów „Sputnika” było wykrycie
zjawiska Dopplera w odbieranym sygnale, co umoŜliwiło obliczanie
parametrów orbity. Naturalnym następstwem tego było zdefiniowanie
problemu odwrotnego, to jest określenie pozycji odbiornika przy
zmierzonym przesunięciu dopplerowskim i znanej trajektorii lotu. W
grudniu 1959 roku zdefiniowano załoŜenia budowy nawigacyjnego
systemu satelitarnego wykorzystujące efekt Dopplera. Powstały
pierwsze systemy nawigacji satelitarnej Transit w USA i Cykada w ZSRR, oba były systemami wojskowymi.
System Transit tworzono i rozwijano w latach 1958 - 1962 przez Laboratorium Fizyki Stosowanej (Applied
Physics Laboratory - APL) Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. System ten do eksploatacji został oddany w
1964 roku, a w roku 1967 udostępniono go uŜytkownikom cywilnym. Działał on na zupełnie innej zasadzie niŜ
obecny GPS. Określanie pozycji w tamtym systemie oparte było na wykorzystaniu zjawiska Dopplera. Istotną
wadą systemu Transit było to, Ŝe nie mógł być wykorzystywany w nawigacji lotniczej, ze względu na długi czas
pomiaru, który wynosił przeciętnie od 6 do 18 minut. Nie moŜna było uŜywać go do pomiaru szybko
poruszających się obiektów, gdyŜ w czasie odczytu obiekt znajdował się juŜ w innym miejscu. Poza tym, do
obliczeń pozycji wymagane były dokładne dane o prędkości obiektu i wysokości anteny odbiorczej nad
poziomem morza. Transit był prekursorem obecnego GPS.
Statki rybackie dalekomorskie były pierwszymi uŜytkownikami systemu nawigacji satelitarnej Transit. Na
polskich statkach system Transit pojawił się w roku 1977. UŜywany był przez statki rybackie dalekomorskie w
czasie wypraw na połowy kryla w pobliŜu Wyspy Georgia Południowa na Południowym Atlantyku. Trawlery
rybackie wykorzystywały nawigację satelitarną do oznaczania wykrytych sonarem pozycji ławic ryb, a następnie
do precyzyjnego naprowadzenia na ławicę narzędzi połowu. Efektem tego był znaczny wzrost wyników
połowowych. Pomimo bardzo wysokich cen pierwszych odbiorników nawigacyjnych wynoszących kilkanaście
tysięcy dolarów, nakłady poniesione na ich zakup szybko się zwracały. Kolejnymi uŜytkownikami systemu
nawigacji satelitarnej na morzu były statki pasaŜerskie, a następnie statki handlowe. Istotne wady systemu
Transit i Cykada sprawiły, Ŝe kilka lat po ich uruchomieniu rozpoczęto intensywne prace nad budową nowego
systemu. W 1976 roku Rosja rozpoczęła budowę systemu GLONASS, a USA w roku 1978 systemu GPS. Oba
systemy działają do dziś na zasadzie pomiaru odległości dzielącej uŜytkownika od satelity, którego pozycja jest
w danym momencie znana. Rok 1983 był przełomowy dla udostępnienia systemu GPS do uŜytku cywilnego. Po
zestrzeleniu we wrześniu 1983 roku, Boeinga 747 koreańskich Linii Lotniczych, ówczesny prezydent USA
Ronald Regan podjął decyzję o udostępnieniu systemu GPS dla lotnictwa cywilnego i statków handlowych.
Kolejnym przełomem w udostępnianiu systemu GPS było zaprzestanie w roku 2000 celowego zakłócania
dokładności sygnałów dla uŜytkowników cywilnych. Obecnie odbiorniki GPS są powszechnie stosowane na
wszystkich statkach, a nawet na małych jachtach.
Drugim obszarem zastosowań technik satelitarnych na morzu jest łączność radiowa ze statkami. W lutym 1982
roku rozpoczął pracę system łączności satelitarnej Inmarsat przeznaczony do łączności ze statkami, który działa
do dziś. Na przestrzeni lat zmieniała się technika i technologia systemu Inmarsat. Pierwszym systemem był
analogowy Inmarsat -A, który oferował podstawowe usługi telekomunikacyjne: telefon, teleks, fax i transmisję
danych z prędkością 9,6 kbit/s. Ograniczenia systemu Inmarsat-A wobec rozwijających się potrzeb
telekomunikacyjnych sprawiły powstawanie nowych systemów Inmarsatu: C, B, M, mini-M, mini-C, D, Fleet i
najnowszego wprowadzanego do uŜytku w tym roku systemu FleetBroadband.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Trzecim obszarem zastosowań technik satelitarnych na morzu jest międzynarodowy system satelitarny
ratownictwa COSPAS/SARSAT (Kosmiczeskaja Sistemma Poiska Awarijnych Sudow/Search and Rescue
Satellites), który powstał w roku 1979 z połączenia Rosyjskiego systemu COSPAS i Kanadyjko-AmerykańskoFrancuskiego SARSAT. System ten słuŜy do automatycznego alarmowania za pomocą radioboi awaryjnej w
przypadku katastrofy lotniczej lub morskiej. Na tonących statkach radioboja uruchamiana jest przez kontakt z
wodą, a w samolotach wykorzystywana jest siła grawitacji. Pierwszy raz systemu COSPAS-SARSAT uŜyto w
1982 roku, podczas poszukiwań zaginionej w kanadyjskich Górach Skalistych awionetki.
Obecny stan wykorzystania nawigacji satelitarnej w monitoringu morskim
Obecnie technika satelitarna uŜywana jest na morzu do nawigacji,
telekomunikacji, poszukiwania i ratownictwa morskiego oraz do
monitoringu statków i określania pozycji obiektów morskich takich
jak wieŜe wiertnicze, znaki nawigacyjne, przeszkody nawigacyjne
stałe i czasowe.
Podstawowym systemem nawigacji i monitoringu morskiego
pozostaje amerykański GPS oraz D-GPS działający w oparciu o stacje
referencyjne lądowe, zapewniający większą dokładność określania
pozycji. Wadą tego systemu jest to, Ŝe jest systemem wojskowym
udostępnionym do uŜytku cywilnego bez gwarancji jakości i ciągłości
jego działania. GPS uŜywany jest na statkach z ograniczonym zaufaniem. Mimo tego, wobec braku alternatywy,
znajduje zastosowanie równieŜ w pozostałych gałęziach gospodarki morskiej, głównie w eksploracji mórz i
oceanów, określania pozycji statków i wieŜ wiertniczych, prac hydrograficznych, oznakowania nawigacyjnego.
Do zapewnienia bezpieczeństwa Ŝycia na morzu, uŜywany jest system Inmarsat, dzięki któremu statki mogą
wezwać pomoc i podać swoją pozycję w niebezpieczeństwie.
Do celów ratownictwa morskiego powszechnie uŜywany jest na wszystkich statkach system COSPAS/SARSAT.
SłuŜy on do lokalizacji miejsca katastrofy z wykorzystaniem zjawiska Dopplera. Dzięki niemu, od początku jego
działania uratowano 18 tys. osób. Obecnie zarejestrowanych jest ok. 460 000 radioboi EPIRB (Emergency
Position Indicating Radio Beacon).
Perspektywy rozwoju zastosowania nawigacji satelitarnej w monitoringu morskim do roku 2012
Obecnie wykorzystywany na statkach system nawigacji satelitarnej GPS jest w trakcie modernizacji i w roku
2011 będzie oferował większe dokładności określania pozycji. RównieŜ system Glonass jest reaktywowany oraz
modernizowany i w roku 2009 powinien osiągnąć pełną operacyjność. W roku 2008 powinien zostać oddany do
uŜytku europejski system EGNOS, a w roku 2012 w końcowej fazie uruchamiania powinien znajdować się
europejski system nawigacji satelitarnej Galileo. Dzięki znacznemu zwiększeniu liczby satelitów wzrośnie
niezawodność i dokładność określania pozycji. Wzrośnie zaufanie do systemów nawigacji satelitarnej i
bezpieczeństwo Ŝeglugi.
Do określania pozycji w radiopławach awaryjnych rozpocznie się uŜywać systemów nawigacji satelitarnej o
dokładności ok. 1 m, zamiast obecnie zjawiska Dopplera, którego dokładność wskazywania pozycji wynosi
ok. 3 km.
Perspektywy rozwoju zastosowania nawigacji satelitarnej w monitoringu morskim do roku 2020
Do roku 2020 na świecie będzie działało kilka systemów nawigacji satelitarnej: amerykański - GPS, rosyjski Glonass, europejski – Galileo, chiński – Compass/Beidou, hinduski - IRNSS (Indian Regional Navigational
Satellite System), japoński – QZSS i inne. Dzięki mnogości satelitów oraz certyfikowanemu systemowi Galileo
pozycja będzie dokładna oraz pewna. W przypadku wystąpienia zakłóceń w pracy systemu, uŜytkownik zostanie
o tym natychmiast poinformowany. Dzięki temu osiągnięty zostanie wysoki stopień bezpieczeństwa nawigacji.
Przewiduje się wzrost natęŜenia ruchu morskiego. Nastąpi automatyzacja kontroli i sterowania ruchem statków.
Rola nawigatora na statku sprowadzi się do kontroli pracy urządzeń i interwencji w sytuacjach awaryjnych.
Radiopławy awaryjne będą dokładnie wskazywały pozycję wypadku oraz zapewnią łączność wideotelefoniczną. Jednocześnie będą odbierały potwierdzenie odbioru alarmu przez stację brzegową. Rozbitkowie
będą posiadali indywidualne urządzenia do wzywania pomocy z wbudowanym odbiornikiem do dokładnego
określania pozycji rozbitka.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Nowoczesne systemy telekomunikacji satelitarnej umoŜliwią monitorowanie nie tylko ruchu statków, ale
równieŜ stan techniczny całego statku. Dzięki temu moŜna będzie zapobiegać wypadkom. Monitoring ruchu
statków będzie wspomagany systemami teledetekcji. Kontrola połowów statków rybackich będzie w pełni
zelektronizowana. Teledetekcja satelitarna będzie wykorzystywana do wykrywania katastrof morskich oraz
rozbitków. Wykrywane będą niedopuszczalne zrzuty zanieczyszczeń przez statki.
Potencjalne korzyści z rozwoju i wykorzystania technik satelitarnych na morzu w kontekście polskim
Techniki satelitarne będą powszechnie wykorzystywane na całym świecie. Polska musi dorównać innym
państwom, aby nie pozostać na marginesie rozwoju nowoczesnego społeczeństwa. Wykorzystanie technik
satelitarnych w gospodarce morskiej umoŜliwi zapewnienie bezpieczeństwa Ŝeglugi u wybrzeŜy Polski a takŜe
na drogach wodnych śródlądowych i rekreacyjnych. Znacząco zmniejszy się liczba wypadków morskich. Dzięki
wyposaŜeniu marynarzy w indywidualne urządzenia wzywania pomocy i natychmiastowej łączności radiowej
wszyscy rozbitkowie będą uratowani.
Dzięki teledetekcji powierzchni wód Bałtyku środowisko morskie będzie skutecznie chronione przed
zanieczyszczeniami ze strony statków. Rozlewy olejowe będą natychmiast wykrywane i dzięki temu będą mogły
być szybko neutralizowane. Przyczyni się to do uzyskania czystych wód Bałtyku.
Nowoczesne systemy telekomunikacyjne w połączeniu z systemami nawigacji satelitarnej umoŜliwią szerokie
stosowanie telematyki w morskich systemach transportowych. Dzięki temu moŜliwe będzie utrzymanie
konkurencyjności Polskiego transportu morskiego i śródlądowego.
Opracowanie: W. Salmonowicz
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl