Nawigacja według gwiazd w myśliwcach naddźwiękowych – to nie bajka

Pojawienie się Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS) i zmniejszone zagrożenie całkowitym nuklearnym armagedonem pozostawiło zaawansowane możliwości nawigacji astralnej dla niewielkiej liczby systemów uzbrojenia i książek historycznych. Jednak teraz, gdy pojawia się możliwość walki w środowisku bojowym, w którym GPS i wszystkie jego zalety są niedostępne, unowocześnione zautomatyzowane systemy astronawigacji mogą stanowić jeden z najlepszych i najbardziej sprawdzonych sposobów na sprostanie temu wyzwaniu.

Wystarczy powiedzieć, że począwszy od operacji Pustynna Burza, potęga militarna Ameryki staje się coraz bardziej zależna od stabilnego i bardzo dokładnego systemu GPS. Wszystko, od pojedynczego żołnierza, przez formacje pancerne, po okręty podwodne z rakietami balistycznymi i grupy lotniskowcowe, korzysta z tego systemu, aby wykorzystać natychmiastowe zdolności geolokalizacyjne, podobnie jak większość amunicji kierowanej, a zwłaszcza tej, która jest wystrzeliwana z dużej odległości.

Samoloty i okręty bojowe w dużej mierze nawigują za pomocą inercyjnych systemów nawigacyjnych (INS) z wbudowanym GPS. Inercyjne systemy nawigacyjne wyposażone są w żyroskopy, które są w stanie wykrywać przyspieszenia i prędkości kątowe, dzięki czemu działają jako coś w rodzaju samodzielnego urządzenia do nawigacji zliczeniowej. Same w sobie są w stanie doprowadzić samolot lub statek w okolice, w których powinien się znaleźć, ale wraz z upływem czasu i przestrzeni ich dokładność pozycjonowania pogarsza się. Innymi słowy, im dłużej pojazd nawiguje wyłącznie za pomocą INS, tym bardziej niedokładna będzie jego rzeczywista pozycja.


Systemy te są szczególnie podatne na dryf, jeśli nie otrzymują okresowych aktualizacji z innego źródła nawigacji, takiego jak GPS lub pomoce do nawigacji radiowej (jak radiolatarnie VOR, TACAN itp). INS z wbudowanymi systemami GPS znajdują się nie tylko w dużych pojazdach wojskowych, ale są również używane w amunicji klasy JDAM (Joint Direct Attack Munition), a nawet w kierowanych pociskach artyleryjskich.

INS z wbudowanym GPS działa jako rodzaj zestawu systemów do głosowania, które wykorzystują algorytmy oprogramowania lub filtry, aby wspólnie decydować o pozycji samolotu na podstawie dostępnych danych. Jeśli jedno ze źródeł zaczyna mocno odbiegać od normy lub wykazuje oznaki nieprawidłowego działania, oprogramowanie może je odrzucić i w większym stopniu polegać na drugim. Podszywanie się pod GPS, w którym sygnał lokalizacyjny jest zastępowany fałszywym, jest jedną z taktyk wojny elektronicznej (WRE), która staje się niepokojąco powszechna. Rosja od lat ćwiczyła używanie systemów zagłuszających sygnał systemu GPS i wydarzenia w czasie trwającej wojny w Ukrainie pokazują, że dziś używa ich dość powszechnie i to z dość dużą skutecznością.

Zaawansowane i wysoce ukierunkowane ataki GPS spoofing (modyfikacja sygnału powodująca pokazanie przez odbiornik GPS nieprawidłowej pozycji) mogą teoretycznie być szczególnie podstępne, ponieważ fałszywy sygnał może dostarczać dane, które powoli zmieniają prawdziwą lokalizację pojazdu w czasie, dzięki czemu anomalia jest znacznie mniej zauważalna dla ludzkich operatorów lub logiki oprogramowania systemów nawigacji GPS/INS.

Te bardziej zlokalizowane i ukierunkowane taktyki manipulacji GPS to jedno, ale całkowita blokada sygnału GPS na małym lub dużym obszarze jest jeszcze bardziej niebezpieczna, a jest to zagrożenie, które ciągle rośnie.

Wojna elektroniczna i cybernetyczna są prawdopodobnymi drogami takiego ataku, ale broń antysatelitarna, która może wyłączyć, zagłuszyć lub nawet zniszczyć zdolności nawigacji satelitarnej u źródła, jest bardziej niepokojącą możliwością taktyczną, którą należy wziąć pod uwagę w starciu z wrogiem z równorzędnego państwa. Jednak niższej klasy zagłuszanie i cyberataki na GPS nie są zarezerwowane wyłącznie dla dobrze znanych, dużych wrogich państw. Podmioty niepaństwowe również będą coraz bardziej zdolne do prowadzenia wojny na tym poziomie.

Mając to wszystko na uwadze, podatność GPS stała się ostatnio znacznie bardziej palącą kwestią strategiczną, a Pentagon stara się znaleźć nowe sposoby – a nawet stare sposoby – negowania wpływu tego typu działań wroga. Jednym z potencjalnych antidotów na tę kwestię, przynajmniej w przypadku niektórych systemów i platform, może być ożywienie i modernizacja prawdziwie „powracającej do przyszłości” (Back to the future – pun intended) koncepcji – zautomatyzowanej nawigacji gwiezdnej, zwanej również „astronawigacją”.

Dziesiątki lat przed pojawieniem się GPS ręczna nawigacja astralna pozostawała umiejętnością wykorzystywaną zarówno w środowisku morskim, jak i w przestworzach. Nawet całkiem nowoczesne samoloty zostały zaprojektowane z myślą o tej formie nawigacji. Na przykład Boeing 747 został zaprojektowany z gniazdem dla sekstantu, a Vickers VC-10 i Boeing 737 zbudowano z sekstantem peryskopowym. Ale nawet ta dodatkowa pomoc nawigacyjna stała się przestarzała, gdy systemy nawigacji radiowej stały się znacznie bardziej powszechne i dokładne.


Podobnie jak wiele kluczowych technologii, z których korzystamy dzisiaj, zautomatyzowana astronawigacja została wprowadzona jako konieczność w czasach zimnej wojny. Wraz z pojawieniem się broni zdolnej do pokonywania ogromnych odległości z dużą prędkością, musiał pojawić się sposób na automatyczną korektę niedokładności, które były nieodłącznie związane z inercyjnymi systemami nawigacji. Problem ten doprowadził do powstania systemu nawigacji astroinercyjnej (ANS).

Był to absolutnie najnowocześniejszy system w momencie jego powstania, który był w stanie automatycznie sprawdzać krzyżowo pozycję pojazdu określoną przez jego INS z pozycją określoną przez jego relację do gwiazd. Drastycznie poprawiło to ogólną dokładność systemu i było w stanie skorygować błędy związane z dryfem systemu INS. Zdolność ta została po raz pierwszy wprowadzona w pocisku manewrującym SM-62 Snark. Snark był amerykańskim prekursorem ery pocisków balistycznych z głowicami jądrowymi.

Początkowo, w 1957 roku, Snark wykazał, że prawdopodobieństwo błędu kołowego (CEP – Circular Error Probable), wynosi 17 mil po przeleceniu tysięcy mil z dużą prędkością poddźwiękową do obszaru docelowego. Nawet dla systemu przenoszenia głowic nuklearnych o dużej sile rażenia było to nie do przyjęcia. Do 1958 roku system ANS został zainstalowany, a jego CPE zmniejszyło się do czterech mil – co było niesamowitym osiągnięciem, biorąc pod uwagę ówczesną technologię.


Koncepcja ta została znacząco udoskonalona w kolejnych latach, a jednostki ANS znalazły się na platformach wysokiej klasy, w tym praktycznie na wszystkich amerykańskich rakietach międzykontynentalnych ICBM, na których są stosowane do dnia dzisiejszego, a także na jednym z najbardziej niesamowitych osiągnięć inżynieryjnych wszech czasów – samolocie rozpoznawczym SR-71 Blackbird.

Ze względu na prędkość SR-71, bliskość bardzo wrogich krajów i potrzebę zautomatyzowania czujników rozpoznawczych, nie wspominając o naturze jego krytycznego typu wykonywanych misji, posiadanie bardzo dokładnej nawigacji, która nie obciążała niepotrzebnie załogi, było absolutnie niezbędne. System nawigacji astroinercyjnej Nortronics NAS-14V2 zapewnił tę funkcjonalność samolotowi szpiegowskiemu Skunk Works.


Zestaw naprowadzania wielkości skrzyni, z ANS na górze, był instalowany na grzbiecie odrzutowca przed misjami. System ten był znany załogom Blackbirda, planistom misji i konserwatorom jako „R2-D2", a jego praca nie była tak odległa od pracy jego słynnego imiennika – droida z Gwiezdnych Wojen.


W poniższym filmie (od 53. minuty) pilot SR-71 Richard Graham opisuje również szczegółowo astroinercyjny system nawigacji odrzutowca wraz z innymi wspomnieniami dotyczącymi obsługi słynnego odrzutowca.


Graham opisuje, w jaki sposób wszystkie czujniki i systemy nawigacyjne Blackbirda są zautomatyzowane przez zestaw naprowadzania, a cała misja jest wstępnie zaprogramowana w tym systemie i przed lotem jest ona testowana na ziemi. System astronawigacyjny, przypominający teleskop, znajdujący się na szczycie zestawu naprowadzającego, działa poprzez wykonywanie coraz szerszego kołowego wzoru wyszukiwania w celu znalezienia i ustalenia trzech z 64 zmapowanych w pamięci gwiazd, a następnie porównuje ich lokalizacje z kalendarzem juliańskim i bardzo dokładnym chronometrem. Na tej podstawie określa dokładną pozycję, gdy odrzutowiec znajduje się na ziemi lub gdy pędzi w powietrzu na wysokości 80 000 stóp z prędkością Mach 3. Wszystkie czujniki SR-71 są automatycznie zaprogramowane do obrazowania, zarówno optycznego, jak i radarowego, w oparciu o to, gdzie samolot znajduje się w czasie i przestrzeni podczas swojej misji, zgodnie z danymi z systemu astronawigacji.

Graham podkreśla, że tak naprawdę system ten nie różni się zbytnio od GPS, z którego korzystamy obecnie. Zamiast korzystać z konstelacji satelitów chronometrycznych na orbicie okołoziemskiej, astronawigacja wykorzystuje światło odległych gwiazd i własny chronometr, aby określić swoją lokalizację.


Wersje rozwojowe NAS-14V2 znalazły się również w innych samolotach strategicznych, w szczególności w bombowcu stealth B-2 Spirit. System jest zamontowany po lewej stronie kokpitu w pobliżu wlotu powietrza do silnika. Na zdjęciach tankowania z powietrza, takich jak to poniżej, można wyraźnie zobaczyć okno ze szkła kwarcowego, które zakrywa teleskop astrotrackera. Inne systemy astronawigacyjne, takie jak AST-201 firmy Lockheed, są również używane w satelitach, dzięki czemu mogą one niezależnie orientować się w przestrzeni.


Inny, bardziej zaawansowany system, czyli ANS-26, został zaprojektowany dla bombowca B-1B i miał inną konfigurację niż NAS-14, ale nawet w schyłkowym okresie operacji SR-71 Blackbird system w połączeniu z INS był podobno w stanie umieścić samolot w przestrzeni i czasie z dokładnością około 300 stóp.

Nowe astrotrackery wykorzystują znacznie mniej skomplikowane mechanicznie systemy do zapewnienia astrotrackingu, takie jak te, w których zrezygnowano z kardanowego teleskopu i wykorzystano w jego miejsce matrycę czujników o bardzo szerokim kącie widzenia. Technologia ta tak naprawdę istnieje od końca zimnej wojny w postaci systemów takich jak Optical Wide-angle Lens Startracker (OWLS) firmy Northrop, który wykorzystuje soczewkę holograficzną i system czujników, który jest znacznie bardziej czuły, a tym samym łatwiej mu idzie wykrywanie gwiazd.

Niedawno Northrop Grumman wprowadził na rynek system nawigacji LN-120G Stellar-Inertial-GPS, który jest używany w samolotach zwiadowczych RC-135. Ten stosunkowo kompaktowy system integruje nowoczesny system INS z GPS i astrośledzeniem, zapewniając potrójną redundancję i pozytywną wydajność nawet w środowiskach fałszujących GPS lub pozbawionych GPS. Biorąc pod uwagę, gdzie operują te samoloty – dziś regularnie latają nad Polską wzdłuż granicy z Ukrainą i Białorusią czy nad Morzem Czarnym – jest to bardzo ważna zdolność.


Obecnie tego typu systemy można jeszcze bardziej zminiaturyzować, być może do matrycy wielkości pudełka po butach i systemu obliczeniowego, który wykorzystuje wiele matryc CCD do ciągłego skanowania całego nieba w tym samym czasie. Taki system mógłby być montowany w samolotach strategicznych lub ewentualnie przenoszony w zasobniku wystającym spod skrzydła samolotu bojowego.

Nawet coś takiego jak Distributed Aperture System (DAS – system kamer rozmieszczonych wokół całego samolotu) w F-35 może być zdolny lub przynajmniej przystosowany do zapewnienia wysoce precyzyjnej nawigacji gwiezdnej działającej jako coś w rodzaju „aplikacji w tle” oprócz innych funkcji taktycznych systemu. I zamiast 64 gwiazd w bankach pamięci, może mieć tysiące, i może być w stanie znacznie zmniejszyć margines niedokładności wcześniejszych systemów.


Niezależnie od dokładnej konfiguracji nowoczesnego systemu nawigacji powietrznej, taka zdolność mogłaby w dużej mierze poradzić sobie z utratą sygnału GPS. Możliwe jest nawet stworzenie „wirtualnego systemu GPS” przy użyciu wysoko latających samolotów z zainstalowaną astronawigacją i innymi technologiami GPS, aby wspierać platformy taktyczne działające poniżej. Taka koncepcja mogłaby pozwolić na częściowo scentralizowane podejście zastępujące GPS i teoretycznie byłaby w stanie nie tylko zapewnić nawigację dla samolotów, ale także dla ich uzbrojenia, przynajmniej przez określony czas i na określonym obszarze geograficznym. Innymi słowy, tylko te wysoko latające samoloty wymagałyby systemów takich jak astronawigacja, ale wszystkie sojusznicze samoloty i uzbrojenie w ich bezpośrednim otoczeniu bojowym korzystałyby z nich w podobny sposób, jak obecnie działa GPS.

Przykładowo, trio dronów o wysokim pułapie i długim czasie lotu (HALE), takich jak RQ-180, a nawet wysoko latające bombowce B-21, mogłoby przeniknąć do przestrzeni powietrznej wroga przed lub wraz z siłami uderzeniowymi samolotów taktycznych, pocisków manewrujących i wabików wystrzeliwanych z powietrza. Te platformy HALE wykorzystywałyby automatyczne systemy nawigacji gwiezdnej, aby przez cały czas ustalać bardzo dokładną pozycję, a następnie mogłyby łączyć te informacje z platformami taktycznymi i amunicją poniżej.

Pozwoliłoby to tym jednostkom na bardzo precyzyjne pozycjonowanie w czasie i przestrzeni. Zasadniczo jest to tymczasowa i trudna do zniszczenia sieć GPS. A ponieważ nie jest ona stała, znacznie trudniej byłoby ją zdegradować lub wręcz zagłuszyć. Gdyby mogła ona korzystać z zastrzeżonych kanałów łączności, zwłaszcza kierunkowej, takich jak MADL w F-35, zamiast wielokierunkowego sygnału podobnego do GPS lub Link 16, mogłaby być jeszcze bardziej odporna na ataki.


W przyszłości roje bezzałogowych bojowych pojazdów powietrznych mogłyby wykorzystywać nawigację gwiezdną, a także byłyby w stanie robić to w tańszy, „rozproszony” sposób. Nie wszystkie bezzałogowe statki powietrzne w roju potrzebowałyby takiego systemu, powiedzmy tylko jeden na grupę, powiedzmy od sześciu do tuzina statków powietrznych. Samolot ten może dostarczać aktualizacje pozycjonowania do innych UAV-ów w swojej grupie. Gdyby ten UAV został utracony lub musiał się wycofać, grupa mogłaby po prostu połączyć się z inną działającą jednostką przenoszącą astronawigację. Korzyści i zwiększona dokładność mogą być również osiągnięte poprzez połączenie wielu dronów wyposażonych w astronawigację na dużym obszarze.

Najważniejsze jest to, że z doświadczenia wiemy, że nawigacja astralna, najstarsza forma nawigacji, działa bardzo dobrze w zautomatyzowanej formie, a biorąc pod uwagę, jak daleko technologia posunęła się od końca zimnej wojny, zwłaszcza pod względem automatyzacji i jakości czujników, koncepcja astronawigacji jest prawdopodobnie gotowa na ogromny przełom w miniaturyzacji i dokładności. W ten sposób może dać Stanom Zjednoczonym decydującą przewagę w przyszłych scenariuszach walki na wysokim poziomie, a niektóre z tych scenariuszy mogą obejmować siły amerykańskie zagłuszające GPS wokół siebie z własnej woli.

Renesans astronawigacji już trwa w Marynarce Wojennej Stanów Zjednoczonych, która ponownie uczy swoich marynarzy starożytnych umiejętności ze względu na groźbę utraty sygnału GPS. Pojawiają się też coraz częstsze apele o wprowadzenie nowych, zautomatyzowanych systemów astronawigacyjnych na okrętach, które uzupełnią, a w przypadku wojny nawet zastąpią GPS w ich zintegrowanych zestawach nawigacyjnych. Nie zdziwmy się, jeśli technologia ta zacznie być oceniana przez armię również pod kątem zastosowań w walce lądowej.


Oczywiście istnieją również ograniczenia tych systemów, a słaba pogoda i zaciemnienie pola bitwy mogą drastycznie ograniczyć ich użycie. Kwestie te mają jednak znacznie mniejszy wpływ na samoloty, a zwłaszcza te wysoko latające, które służą celom strategicznym.

Przede wszystkim astronawigacja jest kolejnym przypomnieniem, że niektóre z najtrudniejszych problemów, przed którymi stoją dziś wojskowi planiści, mogą być bardzo łatwo rozwiązane przy użyciu technologii niegdyś uważanych za przestarzałe.