Wykorzystanie technologii SDF w systemie ratownictwa powietrznego

Transkrypt

1 dr inż. Leszek Kachel adiunkt mjr dr inż. Jan M. Kelner adiunkt dr inż. Cezary Ziółkowski wykładowca Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna Wykorzystanie technologii SDF w systemie ratownictwa powietrznego Artykuł poświęcony jest tematyce wykorzystania dopplerowskiej metody SDF (Signal Doppler Frequency) do lokalizacji na morzu rozbitków wyposażonych w radiopławy (radio beacons). W artykule przedstawiona zostanie syntetyczna charakterystyka wykorzystywanego obecnie międzynarodowego satelitarnego systemu poszukiwania i ratowania COSPAS- SARSAT. W dalszej części zawarta zostanie idea wykorzystania metody SDF w ratownictwie powietrznym. Opracowana metoda wykorzystuje zmiany częstotliwości odbieranego sygnału wywołane efektem Dopplera. Celem oceny efektywności metody zostaną zaprezentowane wyniki badań symulacyjnych, w których przyjęto scenariusz oparty na rzeczywistej akcji ratowniczej polskiego kitesurfera w basenie Morza Czerwonego. W badaniach symulacyjnych, jako miarę efektywności przyjęto czas realizacji akcji ratowniczej oraz dokładność lokalizacji rozbitka na morzu. W końcowej części artykułu przedstawiona zostanie koncepcja wykorzystania technologii SDF w ratownictwie górskim oraz systemie ewakuacji żołnierzy w rejonie działań zbrojnych. 1. Wprowadzenie W procesie ratownictwa jednym z podstawowych elementów jest lokalizacja obiektów (rozbitków), która warunkuje podjęcie działań ratowniczych SAR (Serach And Rescue). Praktycznie wszystkie stosowane metody lokalizacji obiektów wykorzystują bezprzewodowe tory transmisyjne bazujące na propagacji fal radiowych. W praktyce do określania położenia źródeł sygnałów radiowych wykorzystywanych jest sześć następujących metod: COO (Cell Of Origin), AOA (Angle Of Arrival), RSS (Received Signal Strength), TOA (Time Of Arrival), TDOA (Time Difference Of Arrival), A-GPS (Assisted GPS, Assisted Global Positioning System) [1-3]. Zasadnicza ich część znajduje zastosowanie głównie w sieciach komórkowych dzięki rozbudowanemu systemowi stacji bazowych o ściśle zdeterminowanych położeniach oraz zastosowaniu określonej struktury czasowo-częstotliwościowej transmitowanych sygnałów.

2 Ze względu na swoją specyfikę, metody te, oprócz AOA i A-GPS, nie mogą być wykorzystane do celów ratownictwa. Ponadto każda z powyższych metod lokalizacji źródeł sygnałów ma swoje zasadnicze wady. Wykorzystanie pierwszych pięciu metod możliwe jest tylko w przypadku, gdy lokalizowane źródło sygnału jest jednym z elementów funkcjonującym w danym systemie radiokomunikacyjnym. W tym przypadku możliwe jest wykorzystanie określonej struktury transmitowanych sygnałów oraz przesyłanie danych niezbędnych do wyznaczenia położenia wybranego elementu systemu radiowego będącego ruchomym źródłem sygnału. Ostatnia z wyżej wymienionych metod, związana z metodami radionamierzania (Direction Finding, DF) [4,5], może być wykorzystana do wyznaczania położenia źródeł sygnałów funkcjonujących w warunkach pełnej niezależności od systemu realizującego procedury namiaru. Jednakże w tym przypadku, wyznaczanie kierunku na źródło promieniowania elektromagnetycznego wymaga stosowania rozbudowanych systemów antenowych w odbiorczych urządzeniach namierzających [4,5]. Wada ta w znacznym stopniu utrudnia zastosowanie metody AOA (DF) w ratownictwie. Ze względu na specyfikę akcji poszukiwawczych i ratunkowych, w praktyce do tego celu wykorzystuje się metody A-GPS (w przypadku, gdy radiopławy wyposażone są dodatkowo w odbiornik GPS) lub metodę FDOA (Frequency Difference Of Arrival), na której bazuje międzynarodowy system satelitarny COSPAS-SARSAT.. Charakterystyka satelitarnego systemu ratownictwa Rozwój systemów satelitarnych przyczynił się do opracowania rozwiązań dedykowanych systemom ratowniczym. W 1979 roku Związek Radziecki stworzył system COSPAS (КОСПАС КОсмическая Система Поиска Аварийных Судов), który został uzupełniony o system SARSAT (Search And Rescue Satellite-Aided Tracking) stworzony przez USA, Kanadę i Francję. Międzynarodowy satelitarny system poszukiwania i ratowania COSPAS-SARSAT wykorzystywany jest obecnie w ratownictwie lądowym, powietrznym i morskim [6-8]. W systemie tym wyróżnia się trzy rodzaje nadajników (radiopław awaryjnych) [6]: morskie EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon), lotnicze ELT (Emergency Locator Transmitter),

3 osobiste (lądowe) PLB (Personal Locator Beacon). Radiopławy współpracujące z systemem COSPAS-SARSAT, po uruchomieniu generują zwykle emisje GB na częstotliwości 406,05 MHz. Transmitowany sygnał nadawany jest w przedziale czasu wynoszącym od 440 ms do 50 ms zawiera informacje identyfikacyjne dany obiekt (numer identyfikacyjny statku MML Maritime Mobile Service Identity) i współrzędne jego położenia, o ile radiopława jest wyposażona lub komunikuje się z odbiornikiem GPS. Sygnał ten powtarzany jest co 50 s. Do r. radiopławy mogły również wykorzystywać częstotliwość 11,5 MHz, na której generowana była emisja A1B nadajniki pracujące z tą częstotliwością wykorzystywane były jedynie do lokalizacji tj. emitowany sygnał nie zawiera żadnej informacji identyfikacyjnej. Struktura nadawanego sygnału to impulsy generowane z częstością 3 Hz, których częstotliwość zmienia się od 140 Hz do 490 Hz. Radiopławy wykorzystywane w siłach zbrojnych NATO posługują się ponadto częstotliwością 43 MHz, na której generują sygnał generowany o parametrach analogicznych do sygnałów stosowanych na częstotliwości 11,5 MHz. Strukturę oraz istotę działania systemu COSPAS-SARSAT opisano w oparciu o rys.1. Sygnały SOS nadawane przez radiopławy są odbierane przez niskoorbitalne satelity systemu COSPAS-SARSAT (LEOSAR, Low Earth Orbit SAR satellites), które retransmitują je do lokalnej stacji naziemnej LUT (Local User Terminal, LEOLUT). Rys. 1. Struktura oraz sposób działania systemu COSPAS-SARSAT [9]

4 Współrzędne położenia nadajnika EPIRB określane są w LUT na podstawie satelitarnych pomiarów dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości sygnału odbieranego z radiopławy. Pomiary przeprowadza się na częstotliwości nośnej nadajnika EPIRB, od którego wymaga się dużej stabilności krótkookresowej. Stabilność ta jest wystarczająca, ponieważ okres czasu wzajemnej radiowidzialności satelity i radiopławy jest stosunkowo krótki okres obiegu satelity COSPAS wokół Ziemie wynosi około 105 minut, natomiast satelity SARSAT około 100 minut. Informacje o katastrofie oraz o pozycji radiopławy przekazywane są z LUT do centrum sterowania MCC (Mission Control Centre), które przekazuje je dalej do określonego ośrodka koordynacji ratownictwa RCC (Rescue Coordination Centre). Centrum RCC wydaje następnie dyspozycje podległym latającym i pływającym jednostką poszukiwania i ratowania SAR, w celu rozpoczęcia akcji ratowniczych [6,7]. Zaletą systemu COSPAS-SARSAT jest globalne pokrycie powierzchni Ziemi, dzięki umieszczeniu satelit na niskich orbitach biegunowych satelity COMPAS krążą na wysokości około 999 km, przy nachyleniu względem płaszczyzny równika wynoszącej 83º, satelity SARSAT na wysokości 850 km, przy nachyleniu 99º. Wadą systemu jest dokładność określania pozycji nadajnika EPIRB oraz czas zawiadomienia stacji RCC o uaktywnieniu się radiopławy, na który składają się [7]: czas oczekiwania mierzony od momentu uaktywnienia radiopławy do momentu TCA (Time of the Closest Aproach), w którym satelita znajdzie się najbliżej EPIRB, czas przetwarzania liczony od TCA do momentu, w którym wiadomości o niebezpieczeństwie jest gotowa do wysłania do odpowiedniego ośrodka RCC; na czas przetwarzania składają się: czas przetrzymywania sygnału w satelicie, czas przetwarzania w LUT (w tym określenie pozycji radiopławy) oraz MCC, a także czas potrzebny do komunikacji wewnątrz systemu. Na podstawie danych statystycznych gromadzonych przez system COSPAS- SARSAT można dokonać oceny skuteczności tego systemu [7]: dla 44 % przypadków czas oczekiwania był krótszy od 30 minut, dla 45 % przypadków czas przetwarzania pierwszej wiadomości był krótszy od 30 minut,

5 dla 87 % przypadków dokładność lokalizacji radiopławu SLA (System Location Accuracy) wynosiła do 5 km, prawdopodobieństwo wykrycia pozycji radiopławu LAP (Location Acquisition Probability) wynosiła 98 %. Istota lokalizacji rozbitków przez satelity LEOSAR systemu COSPAS-SARSAT sprowadza się do pomiaru częstotliwości Dopplera, na podstawie której wyznaczane są współrzędne położenia źródła sygnału. Do lokalizacji radiopławy wykorzystywana jest w tym przypadku metoda FDOA (Frequency Difference Of Arrival), zwana również DD (Differential Doppler) [7,10]. FDOA wykorzystuje fakt zmiany częstotliwości odbieranego sygnału wzdłuż trajektorii ruchu satelity w stosunku do względnie nieruchomego źródła sygnału. Powiązanie dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości z odległością pomiędzy źródłem (radiopławą) a odbiornikiem (satelitą) daje możliwość wyznaczenia współrzędnych nadajnika, co realizowane jest zwykle przy wykorzystaniu metod korelacyjnych. Lokalizacja obiektów przez satelity LEOSAR wymaga przelotu satelity przez punkt PCA (Point of Closest Approach), czyli tzw. punkt najbliższego podejścia satelity do radiopławu (IPDC). Dokładność lokalizacji radiopławy metodą FDOA, w zależności od usytuowania orbity satelity względem rozbitka, może się wahać od kilkuset metrów do kilkusetmetrów [8]. Zasadniczymi wadami systemu COSPAS-SARSAT wykorzystującego satelity LEOSAR jest duży błąd lokalizacji oraz znaczny czas potrzebny do zbliżenia się satelity do PCA (duży czas TCA). Z metody FDOA korzysta również inny system satelitarny ARGOS, który wykorzystywany jest do lokalizacji radiowych boi (pław) środowiskowych, stosowanych w turystyce, badaniach przyrodniczych i meteorologicznych. Kilka lat temu, możliwości systemu COSPAS-SARSAT zostały poszerzone dzięki zastosowaniu satelitów geostacjonarnych (Geostationary Earth Orbit SAR satellites). Obecnie wykorzystywane są cztery satelity operacyjne tego typu (nie licząc zapasowych), umieszczone na orbicie geostacjonarnej na wysokości km w płaszczyźnie równika. Umożliwiają one odbiór sygnałów alarmowych z powierzchni Ziemi w pasie szerokości geograficznej od około 70º N do około 70º S. Satelity GEOSAR mogą przekazać informację o położeniu radiopławy awaryjnej do lokalnej stacji naziemnej LUT (GEOLUT), o ile w sygnale awaryjnym (SOS) nadana była taka

6 informacja. Wymaga to jednak, aby informacje o współrzędnych położenia były wprowadzone do sygnału alarmowego radiopławy przez zewnętrzne lub wewnętrzne urządzenia nawigacyjne. W tym przypadku do lokalizacji rozbitków wykorzystana jest metoda A-GPS. Zastosowanie satelit GEOSAR znacznie poprawia dokładność lokalizacji rozbitków i skraca czas TCA w stosunku do sytuacji, kiedy wykorzystanie satelit LEOSAR jest niezbędne [6,7]. W najbliższej przyszłości planuje się rozszerzenie możliwości systemu COSPAS- SARSAT o średnioorbitalne satelity MEOSAR (Medium Earth Orbit SAR satellites), zwane również GALILEO SAR (Galileo SAR Service), ponieważ będą one jednocześnie elementami satelitarnego systemu nawigacyjnego GALILEO. Satelity mają zostać umieszczone na wysokości 3 60 km nad powierzchnią Ziemi. Obecnie nie wiadomo jeszcze ile spośród 7 planowanych operacyjnych satelitów systemu Galileo będzie wyposażonych w aparaturę SAR (SAR payload). Lokalizacja radiopław awaryjnych ma się odbywać przy wykorzystaniu efektu Dopplera (metoda FDOA z uwzględnieniem punktu PCA) lub połączenia dwóch metod TOA oraz FOA (Frequency Of Arrival) [11]. Lokalizacja rozbitków przy wykorzystaniu satelit MEOSAR Galileo ma się charakteryzować dużą dokładnością oraz krótkim czasem oczekiwania. Dodatkowo w systemie GALILEO SAR przewiduje się możliwość komunikacji z rozbitkami za pomocą krótkich wiadomości GALILEO SAR-SMS (Galileo Serach And Rescue Short Message Service) [1]. Rozbudowa międzynarodowego satelitarnego systemu COSPAS-SARSAT, wraz z poszerzaniem jego możliwości, w ogólnym przypadku przyczynia się do skrócenia czasu oczekiwania krajowych ośrodków koordynacji ratownictwa RCC na informacje o katastrofie oraz zawężenia obszaru poszukiwań (zmniejszenia błędu lokalizacji radiopławy). Zasadniczą wadą takiego rozwiązania systemowego jest konieczność oczekiwania narodowych jednostek SAR na informacje o położeniu obiektu, o ile taka informacja nie została podana w sposób jawny przez radio rozbitków. Zatem lokalne służby ratownicze wielokrotnie są uzależnione od jednostek międzynarodowych odpowiedzialnych za koordynację i działanie systemu COSPAS-SARSAT. Wady, którymi obarczone jest takie rozwiązanie systemowe, można zminimalizować poprzez doposażenie statków powietrznych w urządzenie przetwarzania danych na bazie algorytmu SDF. Dzięki temu możliwa będzie realizacja

7 w sposób bezpośredni i autonomiczny procedury lokalizacyjnej radiopławów przez każdy statek powietrzny SAR. 3. Charakterystyka technologii SDF Technologia SDF (Signal Doppler Frequency) bazuje na analitycznym opisie efektu Dopplera. Wykorzystuje ona dystynktywny charakter krzywych dopplerowskich wynikający ze wzajemnego usytuowania źródeł sygnałów i odbiornika względem trajektorii ruchu jednego z obiektów. Jej podstawę stanowi analityczny opisu efektu Dopplera [13,14], który daje możliwość wykorzystania pełnego zakresu zmienności krzywej dopplerowskiej do przestrzennej lokalizacji źródeł fal radiowych. Wyrażenie opisujące przebieg zmian dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości ma następującą postać: gdzie: k = v c, k x vt f D (, t) k f 0 1 k ( x vt) ( 1 k )( y z ) x = + (1) + + v prędkość zmiany położenia pomiędzy źródłem sygnału a odbiornikiem, c prędkość propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku, f 0 częstotliwość emitowanej fali nośnej, = ( x, y, z) sygnału. x współrzędne położenia źródła Jak wynika z powyższej zależności, wartość dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości jest funkcją współrzędnych położenia lokalizowanego źródła sygnału. Fakt ten stał się podstawą opracowania nowej metody lokalizacji źródeł fal radiowych [15-19], której istotą jest pomiar wartości chwilowej częstotliwości odbieranego sygnału przez ruchomy odbiornik pomiarowy. Na podstawie zależności (1) poszczególne współrzędne x, y, z położenia nadajnika można wyznaczyć, jako funkcje dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości zmierzonego w różnych momentach czasu. W przypadku, gdy odbiornik przemieszcza się na ustalonej wysokości nad terenem płaskim wówczas współrzędna z jest wielkością znaną i ustaloną. Dokonując elementarnych przekształceń równania (1) otrzymujemy wzory opisujące współrzędne x i y położenia źródła sygnału:

8 gdzie: y x ( 1 k ) ( 1) t1a( t ) ( ) A( t ) t A t A t 1 = v () 1 ( t1 t ) A( t1 ) A( t ) A( t ) A( t ) 1 v = ± z (3) 1 F ( ) ( t) =, ( t) F( t) A t 1 ( t) f k F D 1 = k f k 0 (4) Jak wynika z powyższych zależności, do wyznaczenia współrzędnych położenia źródła sygnału potrzebny jest pomiar wartości częstotliwości Dopplera f w dwóch D różnych chwilach czasu t i 1 t. Zatem w trakcie przemieszczania się odbiornika, na podstawie pomiaru dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości, można określić położenie promieniujących źródeł fal radiowych. Znając natomiast położenie kilku źródeł emisji, możliwe jest również wyznaczanie bieżącej pozycji odbiornika, co możne stanowić podstawę do wykorzystania metody SDF w nawigacji statków powietrznych. Ze względu na wykorzystanie efektu Dopplera, metodę SDF przyrównuje się do metody FDOA (Frequency Difference Of Arrival), określanej także akronimem DD (Differential Doppler). Metody SDF i FDOA prezentują jednakże zdecydowanie różne podejścia do techniki wyznaczania pozycji promieniujących źródeł fal radiowych. Dodatkową zaletą technologii SDF jest możliwość przestrzennej lokalizacji obiektów, czyli wyznaczania trzech współrzędnych geograficznych. Obecnie większość metod lokalizacji (np. COO, AOA, TOA, TDOA, FDOA, RSS) ogranicza się głównie do lokalizacji na płaszczyźnie, czyli wyznaczania jedynie dwóch współrzędnych położenia źródła sygnału. Metoda SDF charakteryzuje się ponadto dużą dokładnością określania pozycji, prostotą układu lokalizującego oraz niezależnością od struktury czasowo-częstotliwościowej sygnałów emitowanych przez lokalizowane obiekty. Daje to możliwość wszechstronnego i autonomicznego wykorzystania metody w licznych aplikacjach praktycznych, o czym świadczy duże zainteresowanie różnych środowisk technicznych. Dotychczas zaprezentowano kilka zastosowań technologii SDF, m.in. w obszarze: szeroko rozumianej lokalizacji źródeł emisji, rozpoznania i walki elektronicznej, monitoringu widma, ratownictwa morskiego i lądowego, radionawigacji, ze szczególnym uwzględnieniem nawigacji powietrznej oraz systemów podejścia do lądowania.

9 Zastosowanie metody SDF w ratownictwie daje możliwość zwiększenia funkcjonalności śmigłowców SAR (Serach and Rescue) wykorzystywanych w ratownictwie morskim lub lądowym (np. górskim). Dzięki technologii SDF możliwe jest rozpoczęcie akcji ratowniczej przed uzyskaniem niezbędnych informacji z obecnie wykorzystywanego Międzynarodowego Systemu Satelitarnego Poszukiwania i Ratownictwa COSPAS-SARSAT. 4. Scenariusz badań symulacyjnych Scenariusz badań bazuje na sytuacji z akcji ratowniczej polskiego kitesurfera w basenie Morza Czerwonego. Kitsurfer wyruszył w podróż w piątek rano o 6.40 na desce z egipskiej El Gouny z zamiarem pokonania ponad 00-kilometrowej trasy i dotarcia do portu Duba w Arabii Saudyjskiej rys.. Rys.. Mapka sytuacyjna położenia geograficznego polskiego kitsurfera Zamierzał on samotnie pokonać dystans Morza Czerwonego ok. 00 km. Pierwszy sygnał SOS nadany przez polskiego kitesurfera służby ratownicze odebrały w piątek o godzinie 17, a drugi sygnał o godzinie W piątek przed północą akcja ratownicza została przerwana. W sobotę odnotowano kolejne sygnały wzywające pomocy. Z sygnału wysłanego po godz wynikało, że kitsurfer może znajdować się ok. 60 km od brzegu Arabii Saudyjskiej. Kolejne dwa sygnały wskazywały na to, że

10 Polak powoli dryfował z wiatrem. Na poszukiwania wysłano śmigłowiec saudyjskiego wojska i cztery łodzie ratownicze. Pomimo znania przybliżonej pozycji rozbitka, poszukiwania były utrudnione z powodu wzburzonego morza. W rejonie poszukiwań wiał wiatr z siłą czterech stopni w skali Beauforta. Polski kitesurfing (dane z IAR Informacyjna Agencja Radiowa) nadawał sygnały S.O.S. mniej więcej, co trzy godziny niestety bez dokładnej lokalizacji. W niedzielę r. nadał kolejny sygnał o godzinie 10:47. W akcji poszukiwawczej brało udział 16 jednostek pływających i helikoptery z Arabii Saudyjskiej i Egiptu. Morska Służba Poszukiwania i Ratownictwa SAR, jak również straż pograniczna przekazywała na bieżąco koordynaty pozycji geograficznej, przeliczone na jednostki, którymi posługują się saudyjskie służby. Należało przypuszczać, że jeśli w akcji bierze udział helikopter oraz cztery statki, to powinna się ona zakończyć sukcesem w ciągu jednej, co najwyżej dwóch godzin. Tymczasem minął cały dzień i mimo lokalizacji, nie udało się kitesurfera odnaleźć. Po dłuższej nocnej przerwie o godzinie odebrano w niedzielę sygnały SOS z lokalizacją GPS. Sygnały te okazały się już skuteczne. Kitesurfera uratowano w niedzielę. Poszukiwany był przez prawie dwie doby. W badaniach symulacyjnych, jako miarę efektywności przyjęto czas realizacji akcji ratowniczej oraz dokładność lokalizacji rozbitka na morzu. W celu oceny efektywności opracowanej metodyki do lokalizacji obiektów realizowanej w ramach akcji ratowniczych opracowano oprogramowanie komputerowe. Zależność opisująca przebieg charakterystyki dopplerowskiej w funkcji współrzędnych położenia źródła sygnału stanowiła podstawę do generacji krzywej dopplerowskiej. Na podstawie przyjętych danych wejściowych uzyskiwano zbiór wartości opisujący przebieg zmian częstotliwości chwilowej odbieranego sygnału występujący na poszczególnych odcinkach trasy. W oparciu o algorytm estymacyjny opracowanej metody wyznaczano współrzędne położenia lokalizowanego źródła sygnału.

11 5. Analiza wyników symulacyjnej akcji poszukiwawczej W badaniach symulacyjnych założono, że poszukiwany przez służby ratownicze SAR rozbitek wyposażony jest w radiopławę osobistą PLB, która nadaje sygnał SOS na częstotliwości f 0 = 406,05 MHz. Rozbitek znajduje się w punkcie (F) o współrzędnych (, y z ) x = ( , , 0) m wyznaczonych w układzie T 0 T0, T0 UMT (Odwzorowanie Uniwersalne Poprzeczne Mercatora). Po odebraniu sygnału SOS przez służby SAR w miejscowości Duba w Arabii Saudyjskiej (rys. ), na poszukiwanie rozbitka zostaje wysłany śmigłowiec SAR wyposażony w technologię SDF. Pomiar częstotliwości dopplerowskiej realizowany jest z dokładnością 0.1 Hz i częstością co 0.1 sekundy. Uwzględniony w symulacji punkt startu (A) śmigłowca SAR znajduje się na lotnisku, w pobliżu miejscowości Duba. Śmigłowiec przemieszcza się po trasie oznaczonej punktami A B C D E F, zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 3. Rys. 3. Trasa przelotu śmigłowca SAR wykorzystującego technologię SDF

12 Śmigłowiec SAR przemieszcza się na całej trasie z prędkością średnią v = 00 km/h. Pułap lotu wynosi około z R = 1000 m. Uwzględniając procedury lokalizacji metodą SDF, w pierwszym etapie (A B) lotu śmigłowiec może przemieszczać się w dowolnym kierunku. Zakładając, że poszukiwana osoba znajduje się na morzu, na zachód od wybrzeża Arabii Saudyjskiej, najlepszym rozwiązaniem wydaje się przelot w kierunku północnym lub południowym (wybranym w badaniach symulacyjnych). Na odcinku A B realizowany jest pomiar dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości f D. Na jego podstawie wyznaczane jest położenie źródła sygnału (radiopławy rozbitka). W punkcie B, odległym od rozbitka (F) o około 75,3 km, błąd lokalizacji rozbitka wynosi zależnością [15,16,18,19]: gdzie: x, rb = 4,4 m (rys. 3). Błąd lokalizacji definiowany jest ( x) + ( y) 0 r = = x x + y y, (5) y błąd wyznaczenia współrzędnych lokalizowanego obiektu, x 0, y 0 rzeczywiste współrzędne położenia, x, y estymowane współrzędne położenia. Następnie wykorzystując przybliżone położenie rozbitka realizowana jest zmiana trajektorii ruchu śmigłowca zgodnie z procedurą Z [0]. Na odcinku B C realizowana jest analogiczna procedura lokalizacji. W punkcie C, w którym błąd lokalizacji wynosi r C = 31,8 m (rys. 3), następuje zmiana lotu śmigłowca w kierunku na źródło sygnału (F). Na odcinku C D nie jest realizowana lokalizacja metodą SDF. W celu wyznaczenia dokładnej i aktualnej pozycji rozbitka dokonywana jest ponownie zmiana kierunku lotu śmigłowca w punkcie D, który znajduje się w odległości około 5 km od źródła sygnału (F). Na odcinku D E realizowana jest lokalizacja metodą SDF. W punkcie E, położenie rozbitka wyznaczone zostaje z dokładnością (rys. 3). Na tej podstawie następuje przelot w kierunku punktu F. 0 re = 5,3 m Współrzędne położenia UMT ( x R, y R ) poszczególnych punktów trasy przelotu śmigłowca SAR, odległość S od rozbitka (źródła sygnału) czas T dotarcia śmigłowca do tych punktów przedstawiono w tabeli 1. Natomiast w tabeli zestawione zostały następujące parametry odcinków trasy: s długość odcinka, t czas przelotu odcinka, f f zakres zmienności mierzonego dopplerowskiego przesunięcia D inf D sup

13 częstotliwości oraz definiowany zależnością: F D jego procentowy udział w całkowitym zakresie zmian, fd sup fd inf sup inf 100% 100% f D fd F = = max D. (6) fd kf0 Tab. 1. Współrzędne położenia punktów trasy przelotu śmigłowca SAR Punkt x R y R S T [m] [m] [m] [s] [min] A ,00 B ,00 C ,00 D ,08 E ,58 F ,7 Tab.. Parametry odcinków trasy przelotu śmigłowca SAR Odcinek s t f D inf f D sup F D [m] [s] [Hz] [Hz] [%] A B ,79,9 6,61 B C ,95 4,96 6,64 C D ,0 74,63 0,95 D E ,05 0,13 34,96 E F ,1 73,90 49,37 Zmiany dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości, które zmierzono na poszczególnych odcinkach trasy przelotu śmigłowca przedstawiono na rysunku 4, natomiast na rysunku 5 zilustrowano przebieg średniego błędu lokalizacji uzyskanego na całej trasie.

14 Rys. 4. Fragmenty krzywych Dopplera mierzone na poszczególnych odcinkach trasy przelotu śmigłowca SAR Rys. 5. Przebieg średniego błędu lokalizacji na trasie przelotu śmigłowca SAR

15 Przedstawione wyniki badań symulacyjnych pokazują dużą dokładności lokalizacji radiopławy PLB przez śmigłowiec SAR wyposażony w technologię SDF. Na dwóch pierwszych odcinkach trasy przelotu śmigłowca (A B, B C), radiopława została zlokalizowana z dokładnością około 0 30 m, przy odległości pomiędzy śmigłowcem a rozbitkiem rzędu 75 km. Na przedostatnim odcinku trasy (D E), błąd lokalizacji radiopławy wyniósł natomiast około 5 m. Estymacja położenia rozbitka z dokładnością rzędu pojedynczych metrów daje możliwość szybkiego odnalezienia rozbitków zwłaszcza w warunkach słabej widoczności. Dodatkowym atutem jest fakt, że realizacja akcji ratowniczych z wykorzystaniem technologii SDF nie wymaga uzyskiwania informacji o położeniu rozbitka z satelitarnego systemu COSPAS-SARSAT. Porównanie uzyskanych wyniku badań symulacyjnych z rzeczywistą akcją ratowniczą przeprowadzoną na Morzu Czerwonym (dla opisanego scenariusza) świadczy o dużej efektywności technologii SDF. Efektywność tę można pokazać porównując czas realizacji symulowanej akcji ratowniczej (30,7 min) z czasem bezpośredniego przelotu śmigłowca pomiędzy punktami A i F (,7 min). Trasa przelotu śmigłowca wynosiła 10,358 km, natomiast odległość bezpośrednia pomiędzy punktami A i F 74,44 km. 5. Podsumowanie W referacie przedstawiono ocenę efektywności technologii SDF do prowadzenia akcji ratowniczej z wykorzystaniem statku powietrznego dla scenariusza symulacyjnego bazującego na rzeczywistym zdarzeniu. Tematyka referatu związana jest z realizacją podstawowej procedury prowadzenia akcji ratowniczej, jaką jest lokalizacja obiektu. Prezentowana technologia SDF bazuje na analitycznej zależności łączącej częstotliwość Dopplera ze współrzędnymi położenia źródła można wyznaczyć poszczególne współrzędne na podstawie pomiaru częstotliwości chwilowej odbieranego sygnału. Ze względu na charakter przebiegu krzywych Dopplera, istniej ograniczony obszar skutecznego pomiaru częstotliwości, w którym określanie współrzędnych nadajnika jest możliwe. Poprzez wybór odpowiednich parametrów ruchu odbiornika pomiarowego tj. trajektorii ruchu i prędkości można wpływać na zasięg prowadzenia lokalizacji źródeł promieniowania fal radiowych.

16 Dokładność lokalizacji źródeł sygnałów warunkują zasadniczo dwie wielkości dokładność pomiaru wartości częstotliwości chwilowej, a tym samym częstotliwości Dopplera oraz odległość nadajnika od odbiornika w chwili realizacji pomiaru. Im odległość ta jest mniejsza, tym popełniany błąd przy określaniu współrzędnych położenia źródła sygnału jest mniejszy. Poprzez odpowiedni dobór metodyki pomiarowej związanej z wyborem różnych trajektorii ruchu odbiornika pomiarowego, można uzyskać jednocześnie szeroki zakres realizacji pomiarów i dużą dokładność lokalizacji źródła promieniowania fal radiowych [18,19]. Zaprezentowany w referacie scenariusz akcji ratowniczej wykorzystujący możliwości lokalizacji źródeł fal radiowych na bazie technologii SDF, wykazał znaczącą efektywność opracowanej metody zarówno w zakresie czasu jak i kosztów związanych ze zbiorem środków technicznych i ludzkich niezbędnych do prowadzenia akcji ratowniczych. Uzyskane na gruncie teoretyczno-symulacyjnym wyniki stanowią podstawę do przeprowadzenia pomiarów w warunkach rzeczywistych, co umożliwi praktyczną weryfikację technologii SDF. 6. Literatura 1. A. Küpper A., Location-Based Services. Fundamentals and Operation, John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, UK, Y. Zhao, Standardization of mobile phone positioning for 3G systems, IEEE Communications Magazine, vol. 40, no. 7, pp , J. Stefański, Metody i standardy pozycjonowania terminali w systemach komórkowych, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 6, vol. LXXIX, str , S. E. Lipsky, Microwave Passive Direction Finding, SciTech Publishing, Inc. (reprint of John Wiley & Sons: NY 1987), Raleigh, NC, USA, S. Rosłoniec, Metody wyznaczania współrzędnych kątowych wykrywanego obiektu za pomocą monoimpulsowych urządzeń radiolokacyjnych, Prace Przemysłowego Instytutu Telekomunikacji, vol. LIV, nr 134, str. 1-18, J. Czajkowski, Satelitarny system COMPAS-SARSAT do lokalizacji rozbitków, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, vol. LXXXI, nr 10, str , J. Czajkowski, Tendencje rozwojowe systemu GMDSS, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, vol. LXXXII, nr 1, str. 8-10, N. Levanon, M. Ben-Zaken, Random Error in ARGOS and SARSAT Satellite Positioning Systems, IEEE Transaction on Aerospace and Electronic System, vol. AES-1, no. 6, pp ,

17 10. A. Amar, A. J. Weiss, Localization of narrowband radio emitters based on Doppler frequency shifts, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 56, no. 11, pp , A. Lewandowski, B. Niehoefer, C. Wietfeld, Performance evaluation of satellitebased search and rescue services: Galileo vs. COSPAS-SARSAT, 008 IEEE 68th Vehicular Technology Conference, VTC 008-Fall, Calgary, Canada, , pp A. Lewandowski, B. Niehoefer, C. Wietfeld, Concept and performance evaluation of a Galileo-based emergency short message service, 009 IEEE 69th Vehicular Technology Conference, VTC 009-Spring, Barcelona, Spain, , pp Rafa J., Ziółkowski C., Influence of transmitter motion on received signal parameters An Analysis of the Doppler effect, Wave Motion, Elsevier, January 008, vol. 45, issue 3, p Ziółkowski C., Zjawisko Dopplera w systemach radiokomunikacji mobilnej, Krajowa Konferencja Radiokomunikacji, Radiofonii i Telewizji 005, KKRRiT 005, Kraków, czerwca 005, str Ziółkowski C., Kelner J. M., Lokalizacja źródeł sygnałów radiowych z wykorzystaniem efektu Dopplera, Krajowa Konferencja Radiokomunikacji, Radiofonii i Telewizji 006, KKRRiT 006, Poznań 7-9 czerwca 006, str Ziółkowski C., Rafa J., Kelner J. M., Lokalizacja źródeł fal radiowych na podstawie sygnałów odbieranych przez ruchomy odbiornik pomiarowy, Biuletyn WAT Nowe Technologie w Telekomunikacji, 006, vol. LV, nr specjalny, s C. Ziółkowski, J. Rafa, J. M. Kelner, Sposób namiaru i lokalizacji źródeł przestrzennych fal radiowych z wykorzystaniem efektu Dopplera, zgłoszenie patentowe nr P z dnia ; Biuletyn Urzędu Patentowego, vol. XXXVI, nr 1(899), str. 4, J. M. Kelner, Analiza dopplerowskiej metody lokalizacji źródeł emisji fal radiowych, rozprawa doktorska, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa P. Gajewski, C. Ziółkowski, J. M. Kelner, Wpływ długości i położenia odcinka pomiarowego na dokładność lokalizacji źródeł fal radiowych metodą dopplerowską, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, vol. LXXXIII, nr 8-9, str , 010.