DARPA chce navigaci bez GPS

"Satelitní navigační systém GPS vznikl pro potřeby armády, ta však často operuje v podmínkách, kdy není její signál dostupný, nebo může být snadno rušen. Proto vznikl požadavek vyvinout přesný alternativní systém, který armádě poskytne navigační informace v jakýchkoliv podmínkách a přitom bude mít stejné kvality jako GPS."

Ve skutečnosti satelitní signál nemizí jen mezi budovami, v uzavřených prostorách, v lese, pod zemí nebo pod mořskou hladinou - byl by tím prvním, co by se z našich životů vytratilo v případě vážné mezinárodní krize. Sestřelit satelit na oběžné dráze není problém, jak prokázaly například testy provedené v Číně roku 2007 nebo v USA roku 2008. A netýká se to samozřejmě jen GPS; stejně zranitelné jsou i ostatní kosmické navigační systémy včetně evropského Galilea nebo ruského GLONASS.

Od vzducholodí k jaderným ponorkám

Historie navigačních systémů je starší než by se mohlo na první pohled zdát: zrodily se už za první světové války pro potřeby velitelů německých vzducholodí bombardujících za temných nocí Anglii. Tehdy dvě navzájem vzdálené stanice vysílaly signál, z nichž vysílání jedné ukazovalo směr a signál druhé se s prvním křížil v určitém úhlu nad cílovou lokalitou.

obr: Přesnost navigačních systémů. Problém inerciální navigace je, že její přesnost rapidně klesá s časem, který uplynul od výpadku satelitního signálu

Na principu analýzy signálu z několika vysílačů pracoval také systém LORAN vyvinutý v USA během druhé světové války. Postupně byl vylepšován a z praxe se začal vytrácet až s nástupem satelitů. V poslední době o něj ale zase roste zájem - právě v v souvislosti s bezpečnostními riziky. Pozemní radiové systémy však nejsou příliš přesné a aby pokryly větší území, vyžadují velké množství vysílačů a vysílacích stožárů. Jsou proto nákladné a navíc poměrně zranitelné.

Větší zájem DARPA má o takzvané inerciální navigační systémy. Jde o zařízení obsahující velmi přesné hodiny a sadu akcelerometrů a gyroskopů. Pracuje tak, že se do jeho paměti uloží poslední známá přesná poloha určená jiným způsobem, od té chvíle pak akcelerometry měří rychlost a gyroskopy směr pohybu. Zařízení spolupracující s výkonným počítačem, je proto schopné v každém okamžiku sdělit polohu nezávisle na vnějších zdrojích signálu.

Inerciální navigační systémy se začaly uplatňovat především v jaderných ponorkách během 60. let minulého století. Byly však složité, rozměrné, poruchové a nepříliš přesné. Velkou nevýhodou těchto systémů bylo, že chyby a odchylky se postupně kumulovaly a bez častých korekcí se výsledky po nějakém čase stávaly nepoužitelné.

Vývoj mikroelektroniky a počítačové techniky ale od té doby pokročil natolik, že inerciální systémy mohou satelitní navigaci nahradit - pro začátek alespoň v případech, kdy se mobilní technika nakrátko ocitne mimo dosah signálu GPS.

Nezávislá navigace velikosti mince

Na současné verzi inerciálního navigačního systému nazvaného TIMU (Timing and Inertial Measurement Unit) spolupracuje DARPA s experty University of Michigan. Zařízení už nemá podobu rozměrné bedny vyžadující silný zdroj energie, ale čipu o rozměrech drobné mince. Ten se skládá z šesti vrstev, z nich každá je silná 50 mikronů, což je přibližně tloušťka lidského vlasu. Na těchto vrstvách jsou natištěné obvody nahrazující někdejší velké a nespolehlivé mechanické akcelerometry a gyroskopy, přičemž spotřeba energie je pouhých 200 mW.

obr: Cílem vývojových laboratoří je miniaturizace inerciálních systémů

Udává se, že chyba po hodinovém měření  polohy je menší než jedna námořní míle (1852 metrů). To sice zatím vylučuje dlouhodobé použití, ale nabízí uplatnění při krátkodobých výpadcích GPS signálu nebo v některých speciálních aplikacích.

"TIMU je například dostatečně malý a dostatečně odolný na to, aby se uplatnil v dělostřeleckých projektilech a další munici, nebo v robotických zařízeních, včetně létajících," uvedl programový manager DARPA Andrei Shkel. "Může být také součástí osobních navigačních prostředků."

DARPA se s dosaženou přesností nemíní spokojit, proto vyvíjí ještě přesnější hodiny, akcelerometry, gyroskopy a další senzory mikroskopických rozměrů, stejně jako algorytmy pro vyhodnocování jejich údajů a korekci chyb, nebo paměti s mapovými databázemi. V rámci programu C-SCAN například vznikají  senzory velikosti atomů, které by měly fenomenální přesnost. Nezávislé navigační systémy také mají využívat doplňkové zdroje polohových informací, jako je magnetické pole Země, vysílání rozhlasových a televizních stanic, mobilních sítí a dokonce i bouřkových blesků. Některé zdroje také mluví o speciálních skrytých vysílačích s malým dosahem, které by byly rozmisťovány v zájmových oblastech. Koncepce se nazývá ASPN (All Source Positioning and Navigation).

O podrobnostech se nemluví, protože, prvním odběratelem inerciálních navigačních systémů budou (nebo možná už jsou) vojáci. Stejně jako v případě GPS ale DARPA předpokládá, že se časem stanou dostupné i pro civilní sektor.

Jan A. Novák