Ile satelitów widziało okolice Smoleńska 10/04?

Ile satelitów widziało okolice  Smoleńska 10/04?

...Jeżeli jednak dobry Bóg nie uwziął się na nich tego dnia, a powodów ku temu nie miał, to jakie ziemskie siły byłyby to w stanie sprawić?

[Jest to tekst specjalistyczny. Każdy, kogo on zainteresuje, proszony jest o przesłanie go do tych internetowych analityków Zbrodni Smoleńskiej, dla których nieobce są teleinformatyka i pomiary wysokości. Przecież my się między sobą nie znamy... MD]

Sławomir M. Kozak, „Przechwyceni”

Wydawca Oficyna ,,Aurora"

]]>http://www.oficyna-aurora.pl]]> e-mail: oficyna_aurora@02.pl

[z rozdziału „ROK 2013”, str. 68 i nn. md]]

...Napisałem kiedyś o jednym z takich zagadkowych przypadków, którego rozwiąza­nie z pewnością spoczywa sobie w chłodzie klimatyzowanych serwerowni jakichś jaskiń. I nie są to jaskinie Afganistanu.

"Korzystając z okazji, chciałbym w tym miejscu wspomnieć o jeszcze jednym zaskakującym zjawisku, jakie dotknęło tego dnia lotnisko w Smoleńsku. Dostrzegł je doktor inżynier Ryszard Pażus, prowadzący dziś własną działalność gospodarczą, w niedalekiej przeszłości pracownik Głównego Urzędu Geodezji i Kartografii, jego Główny Specjalista w Departamencie Kartografii, później Dyrektor Departamentu Geodezji. "Po drodze" Główny Specjalista kontraktów w Iraku, Project Manager w Etiopii, Kuwejcie i Zjednoczonych Emiratach Arabskich. W krajach tych prowa­dził nadzór nad demarkacją granic, opracowywał warunki techniczne dla demarkacji stref ekonomicznych wód terytorialnych i podziału morskiej strefy neutralnej dla państw tego regionu. Projektował, szkolił personel zagraniczny, dokonywał pomiarów geodezyjnych, wykonywał opracowania fotogrametryczne, opracowywał standardy techniczne i przygotowywał rozporządzenia wykonawcze do prawa geodezyjnego oraz kartograficznego. Prowadził nadzory, opracowywał instrukcje, publikował specjalistyczne opracowania. Jednym słowem - wybitnej klasy fachowiec, który zna się na swojej profesji.        .

Spostrzeżenia te są niezwykle ciekawe. Korzystając z uprzejmości doktora Pażusa, cytuje obszerne wyjątki artykułu, jaki zamieścił w ubiegłorocznym miesięczniku Geodeta nr 6, VI 2010:

,,Enhanced Ground Proximity Warning System (EGPWS) to udoskonalony system ostrzegania samolotu przed bliskością terenu, wprowadzony w 1996 roku w miejsce stosowanego od lat 70. ubiegłego wieku systemu Ground Proximity Warn­ing System (GPWS). Dodano w nim pomiar wysokości GPS, co znacznie zwiększyło bezpieczeństwo najtrudniejszych faz lotu, do których należą start i lądowanie.

EGPWS ostrzega pilota samolotu przed bliskością terenu, wody i przeszkód tereno­wych. Spotyka się też dla niego nazwę TAWS (Terrain Awareness Warning System), co oznacza "świadomość terenową", czyli orientację. Zasadniczym celem systemu jest utrzymanie kontrolowanej wysokości w korytarzu lądowania w warunkach ograniczonej widoczności. Najczęstsze powody niebezpiecznego zbliżania się do terenu to złe warunki atmosferyczne i nieprecyzyjna nawigacja. System ostrzegania ma w takiej sytuacji uchronić przed ryzykiem wypadku CFIT (Controlled Flight Into Terrain). Statystyki mówią, że od czasu wprowadzenia EGPWS stukrotnie obniżono liczbę CFIT. W 1974 roku w lotnictwie komercyjnym jeden CFIT przypadał na 0,8 mln startów, a w 2003 roku - na 91 mln [l]. Dalsze doskonalenie tego systemu, zwłaszcza podniesienie globalnej i całodobowej niezawodności, jest w planach EUROCONTROL (European Organisation for the Safety of Air Navigation). W perspektywie 2020 roku sytuację ma znacznie poprawić wprowadzenie GLONASS i Galileo [2]. Ocenia się, że obecnie w bazie danych EGPWS, poza globalnym nume­rycznym modelem terenu, jest 12 tys. lotnisk, w tym około 30 tys. pasów startowych z dokładnymi danymi dla obszarów startów i lądowania. (...)

WYSOKOŚĆ GEOMETRYCZNA

Wysokość zwaną w lotnictwie geometryczną [3] EGPWS wyznacza trzema metodami: barometryczną, radarową (radiową) i GPS. Czyli nie jeden sensor, ale kilka dostarcza danych do jej obliczenia (. . .). Pozycjonowanie horyzontalne (określenie długości i szero­kości geograficznej) służy wyłącznie do wyznaczania wysokości samolotu nad terenem.

Wysokość geometryczna jest podstawową daną niezbędną dla monitora Awareness Display, alertu Look-Ahead i ostrzeżeń głosowych. Do jej obliczenia służy kilka danych wejściowych: skorygowana wysokość barometryczną (m.in. z tytułu błę­dów pomiaru ciśnienia atmosferycznego, temperatury otoczenia i błędów układu odniesienia), wysokość RA (radar altimeter, radio altimeter), wysokość GPS, a także dane wysokościowe pasa startowego. Dzięki temu komputer pokładowy ADC (Air Data Computer) podaje wysokości uwolnione od błędów ekstremalnych temperatur i niestandardowych warunków atmosferycznych, jak np. inwersja termiczna czy też nietypowe gradienty ciśnienia atmosferycznego.

(..,) do obliczenia wysokości geometrycznej [4] wymagane są:

· wysokość radiowa (radarowa), która jest nadrzędna, bo od niej zaczyna dzia­łać system - wysyłając alerty np. dla boeinga 727 od wysokości 2450 stóp (750 m) do 50 stóp (15 m).

· wysokość barometryczna, względna, bo związana z wysokością pasa starto­wego, z uwzględnieniem poprawek lokalnych ciśnienia atmosferycznego.

. wysokość z systemu GPS. czyli wysokość elipsoidalna korygowana do wysoko­ści nad poziomem morza poprzez uwzględnienie odstępów geoidy od elipsoidy WGS-84.

Mamy więc obliczenie wysokości z sensorów o różnej dokładności VFOM (Vertical Figure of Merit). Zadanie jest o tyle proste, że realizuje się je w układzie jednowymiaro­wym rzędnych wysokości. Dokładności w specyfikacjach lotniczych są podawane według gaussowskiego prawa przenoszenia się błędów dla prawdopodobieństwa jego wystąpienia 95%. Stąd konieczność zastosowania kilku metod pomiaru, aby zbliżyć się do pewności. (. . . )

Zostawmy ocenę dokładności wysokości barometrycznej i radarowej bez rozwijania tego tematu. Wypada tylko wspomnieć, o jakim rzędzie wielkości mówimy. Według wymagań ICAO (International Civil Aviation Organization) (...) system powinien gwarantować przy podejściu do lądowania dokładność 50 stóp (15,2 m.). Takiej dokładności nie daje sama wysokość barometryczna z dwóch altymetrów pokładowych (Baro- VNAV), nawet przy zastosowaniu ściśle określonych rutynowych czynności sprawdzania i komparacji. Z kolei wysokość radiowa (radarowa) ma bardzo zróżnicowane dokładności VFOM w zależności od podłoża, od którego odbija się fala radiowa.

WYSOKOŚĆ GPS

Dlapotrzebanalizydokładnościcałegosystemu,przyzałożeniuzgodnościzwytycznymi ICAO (AC 20-138), przyjmuje się, że dokładność sensora GPS powinna być lepsza od 2 m (7 stóp) [5]. Widać z tego, jak znaczną poprawę wyznaczenia wysokości geometrycznej daje GPS. Ale wyznaczenie to musi być wiarygodne, co oznacza konieczność dodatkowej kontroli. Mowa tu o ABAS (Aircraft-Based Augmentation System), w którym zwiększenie wiarygodności, poza porównaniem z wysoko­ścią barometryczną, bierze się z monitorowania nadmiarowych pomiarów pseudo odległości do satelitów. (...)

RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), to autonomiczny (wewnątrz odbiornika GPS) monitoring zgodności danych. Ta samokontrola jakości pomia­rów wymaga co najmniej 5 satelitów z dobrą geometrią (podkr. smk) określanąwskaźnikiem niemianowanym VDOP (Rys. l i 2). Wyznaczenie podwójnego błędu średniego wysokości - w specyfikacji technicznej systemu używa się określenia VFOM - odpowiada po prostu oszacowaniu błędu z 95-procentowym prawdopodo­bieństwem jego nie przekroczenia.

Dla wykrycia błędnego pomiaru pseudo odległości do satelity i jego usunięcia z obliczeń wymagania RAIM są większe - potrzeba co najmniej 6 satelitów. (podkr. smk) Można tu dodać, że od niedawna, bo dopiero od połowy 2009 roku FAA (US Federal Aviation Administration) wymaga wykonania przed lotem analizy, czy na trasie lotu i na lotniskach, włączając lotnisko zapasowe, będzie widoczna wymagana liczba satelitów GPS [6]. Dotyczy to jednak procedur, w których GPS jest wyłącznym źródłem nawigacji samolotu. Sytuacja jest więc podobna do plano­wania pomiarów geodezyjnych odbiornikami GNSS, których wytrawny geodeta nie rozpocznie bez sprawdzenia spodziewanego PDOP (Position Dilution of Precision). Poza wspomnianym FAA [7] również EUROCONTROL dostarcza na swoich stro­nach internetowych [8] niezbędnych danych do takiego planowania. Inna jest trochę prezentacja graficzna, bo dotyczy ona trasy, nie miejsca.

Nadmiarowa liczba widocznych satelitów i dobra ich geometria na nieboskłonie to istotny element poprawnego działania RAIM. Ma to znaczenie przede wszystkim podczas fazy startu i lądowania (podkr. smk), bo na trasie przelotu samolot ma bardzo dobre warunki wyznaczania położenia GPS, "widząc" satelity nawet poniżej kąta elewacji 0°. Ale według zaleceń EUROCONTROL domyślnie przyjmuje się maskę elewacji równą 5° z możliwością wybrania opcji: 7,5°, 10° i 12,5° (9). Jest to zasadne przy prostym podejściu do lądowania, ale kiedy dolot jest w niecce doliny, należy raczej przyjmować bezpieczną maskę elewacji rzędu 15°. Takiej opcji w tym programie planowania lotu jednak nie ma. Jeżeli system ma dostęp do modelu terenu, to oczywiście prognozowanie możemy wykonać zdecydowanie dokładniej, ale dotyczy to prostego dolotu do pasa startowego. W podejściu do lądowania z nawrotem przeszkodami w odbiorze satelitów w strefie niskiej elewacji mogą być elementy samolotu (podkr. smk) [10].

SMOLEŃSK

Dopiero po tym rozbudowanym wstępie można odwołać się do diagramów poka­zujących sytuację w Smoleńsku w czasie katastrofy. Przyjmując, że doszło do niej o godzinie 2010-04-10 6:41:00 GMT, na rys. 2 i 3 [ w książce smk md] pokazano, że od 6:35 GMT gwałtownie pogarszały się warunki monitoringu RAIM oraz nastąpiło zwiększenie wskaźnika VDOP. (podkr. smk) Z kolei na szkicu konfiguracji satelitów (rys. 3) widać, jak ważny był niezakłócony odbiór z satelity SVN3 (na rys. 3 kolor czerwony), bo bez tej obserwacji pozostałe satelity nie dawały dobrego VFOM, co mogło skutkować przekroczeniem dopuszczalnego limitu dla tej fazy lotu i wysianiem sygnału "RAIM failure". Wykluczenie wysokości GPS z obliczeń powoduje skokową zmianę (pogorszenie) dokładności określania wysokości geometrycznej. (podkr. smk) Na rysunku tym strzałka pokazuje kierunek lotu.

Celem tego artykułu jest wskazanie pewnych szczegółów, które prawdopodobnie normalnie nie są przedmiotem analiz. Autorowi nie chodzi tu o rozwiązywanie zaga­dek, w których jest więcej pytań niż odpowiedzi. F aktem jest jednak, że mieliśmy tu przypadek wyjątkowego zbiegu nieszczęśliwych okoliczności, bo np. 10 minut wcześniej warunki wyznaczenia wysokości GPS były korzystne, widocznych bylo dziewięć satelitów (podkr. smk) przy masce elewacji 15° (9SVs > 10.0°), co widać na diagramie (rys. 4). Dawało to możliwość niezakłóconego monitoringu RAIM.

Na rys. 5 pokazano liczbę satelitów i wskaźnik VDOP na całą dobę 10.04.2010 z zaznaczeniem kolorem czerwonym okresów nie do zaakceptowania (Unacceptable) i okresów wątpliwych, niepewnych (Questionable).

Ten znany problem jest obecnie przedmiotem specjalnej troski U.S. Air Force Global Positioning Systems Wing, które zapowiedziało na początku 2010 roku moderniza­cję systemu, polegającą na przesunięciu kilku satelitów na orbitach dla poprawienia dokładności [patrz NAWI 3/2010, dodatek miesięcznika GEODETA].

UNDULACJA GEOIDY

Pozostaje jeszcze do omówienia, jak istotne jest uwzględnienie poprawnych dla miejsca lądowania odstępów geoidy od elipsoidy. Wystarczy skorzystać np. z ogółno dostępnego kalkulatora National Geospatial Intelligence Agency NGA EGM96 Geoid Calculator [11]. Dla potrzebnych tu dokładności model geoidy EGM96 w zupełności wystarcza. Dla Smoleńska różnica wysokości elipsoidalnych i wysokości n.p.m. (undulacja) to wielkość 57 stóp (17,4 m), tzn. od wysokości elipsoidalnej otrzymanej z GPS należy odjąć 57 stóp, aby otrzymać poprawną wysokość nad poziomem morza (n.p.m.). (podkr. smk) Dla lotniska w Warszawie undulacja wynosi 103 stopy. Mamy więc sytuację, w której nieuwzględnienie tej różnicy spowoduje, że system będzie z wysokości GPS obliczał wysokość geometryczną w Smoleńsku niżej o 46 stóp niż w rzeczywistości, co w systemie ABAS w konsekwencji opóźni wysyłanie sygnałów ostrzegawczych  niebezpiecznego zbliżania się do terenu. (podkr. smk).

Po lekturze tego artykułu, w sposób naturalny, o odpowiedź dobijają się już tylko dwa pytania.

Czy załoga PLF 101 po raz kolejny tego dnia, stała się ofiarą niespotykanego nigdy wcześniej nieprawdopodobnego zbiegu okoliczności, jakby mało było pozostałych, by trafić na jedyne w swym rodzaju, najtragiczniejsze w jej życiu, dziesięciominu­towe absolutne zaćmienie?

Jeżeli jednak dobry Bóg nie uwziął się na nich tego dnia, a powodów ku temu nie miał, to jakie ziemskie siły byłyby to w stanie sprawić?

[I] Just How Effective is EGPWS?

]]>http://www51.honevwell.com/aero/commonl /documents/EGPWS-Effectiveness.pdf]]>

[2] The Navigation Application & Navaid Inftastructure Strategy for the ECAC Area up to 2020, European Organisation for the Safety of Air Navigation ]]>http://www.ecacnav.com/downloads/NAV%20Application%20+%20NAVAID%20Infras...]]> Y08°^,=20Al!reed%20at%20SCG-8.pdf [jakiś błąd md]

 [3] Geometric Altitude, Honeywell

 ]]>http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/Geometric-Altitude.pdf]]>

 [4] Description of Geometric Ałtitude for the EGPWS, AlliedSignał Ełectronic & Avionics System, 1998

]]>http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/Geometric-Altitude-Paper.pdf]]>

 [5] ICAO Performance Based Navigation Manuał, RNP Special Operational Requirements Study Group (RNPSO RSG), Finał Working Draft, 7th March 2007

 [6] GPS RAIM Prediction, AIR ROUTING INTERNATIONAL, A Rockwell Collins Company, ]]>http://www.airroutinl!.com/gps-raimprediction.html]]>

 [7] AC90-100A GPS RAIM PREDICTION, U.S. Federal Aviation Administration, ]]>http://www.raimprediction.netlac90-100]]>

 [8] AUGUR GPS RAIM Prediction Tool - GPS Status, EUROCONTROL ]]>http://augur.ecacnav.com/augur/app/home]]>

 [9j AUGUR GPS RAIM Prediction TooI - Help, EUROCONTROL ]]>http://augur.ecacnav.com/augur/app/help]]>

 [10] ]]>http://www.pilotpedia.com/wiki/index.php?title-RAIM&redirect-no&printable-yes&printable=yes]]>

 [I I] National Geospatial-Intelligence Agency NGA EGM96 Geoid Calculator ]]>http://earth-info.nga.mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm96/in-tpt.html]]>

 87 ,,EGWPS", dr Ryszard Pażus (GeoDigitalGPS), Geodeta Magazyn Geoinformacyjny nr 6, VI 2010.

 88 Fragment nie wydanej drukiem książki autora zatytułowanej "Ostatni Lot PLF 101".