tisdag 28 juni 2011

Slut på precisionen

I alla krig sedan Gulfkriget 1991 så har det talats mycket om precisionsvapen och precisionsinsatser. Allmänheten förundrades över vapen som inte bara kunde träffa ett enskilt hus utan t.o.m. välja vilket fönster på huset som det skulle in igenom. Det vimlar numera av Power Point-presentationer som visar på hur ett modernt flygplan med en enda GPS-styrd bomb kan slå ut ett mål med samma sannolikhet som en armada B-29 under VK2.

Denna utveckling började dock lång tidigare. Under Vietnamkriget hade amerikanarna stora problem att slå ut Thanh Hoa bron över Song Ma floden. Man försökte med alla resurser. Till slut blev det F-4 Phantom beväpnade med den första utgåvan av Paveway-bomber som fick göra ett sista försök.

On 27 April, 12 Phantoms of the 8th Tactical Fighter Wing, based at Ubon, Thailand attacked the Thanh Hoa bridge. 8 of their number carried laser-guided bombs. The raid was carried out without hitch, and when the dust of the explosions had cleared, it became apparent that the bridge had been dislodged from its western abutment, dropping one half into the river. To complete its destruction, a second attack was scheduled for the 13 of May when 14 Phantoms were engaged, with LGBs of up to 2,000 lb (910 kg) aimed at the central pillar supporting the bridge. Once again the attack was successful and the "Dragon's jaw" was rendered completely unusable.
...
The North Vietnamese made various fanciful claims as to how many planes they shot down, but the US recognizes the loss of only 11 aircraft during attacks against the bridge. However, the concentration of air defense assets also took its toll on passing aircraft and in total an estimated 104 American pilots were shot down over a 75-square-mile (190 km2) area around the bridge during the war.

873 air sorties were expended against the bridge and it was hit by hundreds of bombs and missiles before being finally destroyed. It became something of a symbol of resistance for the North Vietnamese, and various legends of invincibility were attached to it. For the US planners, it became an obsession, and many raids were planned against it, despite their unpopularity with the pilots.


Insatser med precisionsvapen kräver bra navigeringssystem hos de flygplan som ska släppa bomberna. I militära flygplan har detta traditionellt betytt tröghetsnavigeringssystem baserat på lasergyron och accelerometrar. Men mer och mer så har man på senare år börjat förlita sig på GPS - Global Positioning System. Detta är ett nät av satelliter som med vars hjälp man kan mäta in sin position i både latitud, longitud samt höjd från jordens mittpunkt (för höjd över backen krävs en databas som innehåller markhöjden i det aktuella området).

En modern GPS har en inmätningsnoggrannhet på ca 30 meter. Detta är egentligen bättre än den ursprungliga designen, men utvecklarna av GPS-mottagare har lärt sig att inte bara läsa av signalen från satelliterna och mäta tidsskillnaden, utan även använda signalens fasförskjutning. Denna noggrannhet går att öka bl.a. med hjälp av Differentiell GPS där man använder en mycket noggrant inmätt markstation som referenssignal.

I USA har man börjat använda GPS som inflygningshjälpmedel på civila flygplatser, s.k. LP/LPV - Localizer Performance with Vertical separation. Fördelen med detta är att man slipper dyra marksystem (ILS, VOR, DME m.m.) på varje flygplats. För att förbättra noggrannheten på den civila GPS-signalen används ett system kallat WAAS - Wide Area Augmentation System som förenklat mäter in felet på GPS mottagningen och skickar upp denna signal till två extra satelliter som talar om det för alla WAAS kompatibla GPS-mottagare. Detta fungerar än så länge enbart i USA, men liknande system är under framtagning i Europa och Asien. Mest intressant vore det kanske för att använda i länder med dålig infrastruktur som t.ex. Afrika eller Sydamerika, men de kommersiella intressena är för låga.

Men nu har man i USA stött på den första verkliga utmaningen som kan stoppa fortsatt användning av GPS. Ett nytt nätverk för trådlös Internet stör ut GPS-mottagare. Framför allt så är det svagare mottagare i bilar som påverkas, men den amerikanska luftfartsmyndigheten FAA befarar även att det kommer att påverka den civila flygtrafiken i USA.

Simulations conducted by aviation standards developer RTCA for the FAA concluded “GPS is likely to be unavailable over the whole US East Coast”, based on LightSquared’s deployment plans, Robert Frazier, of the FAA’s spectrum planning and international office, told the meeting.

Potential mitigations identified by the NPEF include relocating LightSquared’s transmissions to a different frequency band and retrofitting GPS receivers with filters. But redesiging receivers and re-equipping aircraft “will take a minimum of 7-8 years, and possibly up 15 years, and would not necessarily buy back the performance lost because of the filter,” Bunce said.

“There is now overwhelming evidence of interference, and no evidence of a mitigation solution in the results,” Jim Kirkland, general counsel for GPS manufacturer Trimble Navigation, told the meeting. “It’s time to stop this and look for alternative spectrum.”


Under dessa tester gick FAA ut med NOTAM som beskrev att det kunde uppstå problem med GPS-mottagning på amerikanska östkusten.

During testing, GPS will be unreliable and may be unavailable with in a circle with a radius of 370NM and centered at 304906N/0802811W or the location known as 105.25 degrees and 52.1 NM from the SSI VOR at FL400; decreasing in area with a decrease in altitude to a circle with a radius of 325NM at FL250; a circle with a radius of 260NM at 10,000FT MSL and a circle with a radius of 215NM at 4,000FT AGL.

Troligtvis så kommer Lightsquared att få ändra sitt frekvensval. Men detta visar trots allt hur känslig GPS-tekniken är. Det kommer sannolikt att dyka upp andra system som kan påverka GPS. 4G påstår att deras frekvensval inte skall hindra GPS, men hur är det med mindre system där tillverkarna inte tänker sig för?. Samhället har också blivit otroligt beroende av GPS. Själv så har jag GPS i bägge mina mobiltelefoner samt i min pulsmätare som jag använder när jag är ute och joggar. De flesta moderna bilar har GPS. Mer kritiskt är det kanske för ambulanser och taxichaufförer som använder det för att snabbt hitta rätt adress i storstäder. Man kanske får återinföra det tuffa gatunamnsprovet för Stockholms taxichaufförer i framtiden om GPS skulle visa sig vara för känsligt?

GPS-mottagare sitter inte bara i flygplanen utan även i vapensystem som GBU-49 bomber eller den svenska Excalibur artillerigranaten. Danskarna hade problem med ett antal bomber som missade sina mål i Libyen. Om detta var GBU-49 förtäljer inte historien.

De amerikanska militära systemen innehåller förutom en ökad noggrannhet också ett störskydd som innebär att det ska tåla betydligt mer än den civila motsvarigheten. Men även militär GPS ska gå att störa. På nätet så får man många träffar om man söker på "GPS + Jammer". En del system är lagliga, andra är tänkta att användas om man vill stjäla en bil med GPS-spårning som stöldskydd. Givetvis så finns det också militära system som är tänkta att störa GPS. Inte bara för att förhindra motståndaren att slå ut känsliga mål. För en samvetslös aktör som t.ex. Khadaffi så skulle det kunna vara politiskt användbart att störa ut en NATO bomb så att den av "misstag" hamnar på ett civilt sjukhus.

Då USA styr tillgången på militära kryptonycklar och i värsta fall även helt kan stänga ner GPS-nätet så har Ryssland (GLONASS) och Europa (Galileo) börjat utveckla egna system. På grund av sviktande ekonomi så har dessa långt ifrån samma täckning som de amerikanska. Att USA skulle stänga av nätet är osannolikt, då de själv skulle drabbas. Under Gulfkriget så stängde man dessutom av den militära signalen så att de civila systemen skulle få god noggrannhet, då amerikanska försvaret helt enkelt inte hade tillräckligt många militära system att dela ut bland sina förband utan fick köpa in civila GPS-mottagare.

Men hur beroende vill Europa bli av USA för att få kryptonycklar till sina GPS-system? Kan denna utveckling skynda på framtagandet av ett fullt utbyggt Galileo? Eller blir resultatet bara att man fortsätter att behålla sina gamla analoga navigeringssystem som ILS, DME, NDB m.m.? Militära flygplan får nog fortsätta att lita på dyra lasergyron och accelerometrar ett tag till i sina tröghetsnavigeringssystem. Annars så blir det bara att övergå till yttäckande bombning som under VK2. Laserbomber är dock inte lika känsliga som GPS-styrda vapen, då de trots allt styrs av själva laserpekaren på flygplanet eller av en FAC - Forward Air Controller på marken. Men föraren eller FAC:en måste kunna peka ut rätt mål med hög precision och där är GPS ett bra hjälpmedel.

För att spekulera en smula. Hur väl accepterade hade "precisionskrigen" i Gulfen 1991 och Kosovo 1999 blivit utan precisionsvapen? Hur stor hade då viljan att genomföra insatser i Afghanistan 2001 och Irak 2003 för att inte nämna Libyen 2011 varit?

Före precisionsvapnens införande i Vietnam.



Efter precisionsvapnens införande i Gulfkriget 1991.



13 kommentarer:

  1. Japanerna hade ju ett tidigt svar på problemet:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Yokosuka_MXY7_Ohka

    Mer seriöst.
    Det borde väl gå att bygga mottagare som är inkopplade på alla tre systemen samtidigt?

    SvaraRadera
  2. WAAS har haft motsvarighet i Europa under några år. Systemet kallas EGNOS och är helt kompatibelt med WAAS. De flesta nya GPS:er använder detta, men tyvärr är kunskaperna ofta bristande i FM i detta område. Inga problem att bygga mottagare för flera system. I arktis kombinerar man fördelaktigt GPS med ryska Glonass. Bara att jämföra täckningen i Sverige på swepos hemsida http://swepos.lmv.lm.se/ under satellitprediktering Kommer man längre norrut kan det vara större chans att få täckning av en rysk satellit än en amerikansk, men just det vi skall ju inte satsa på att hjälpa våra nordiska grannar vid eventuella kriser om nyttjande rätter för olja o gas. http://www.ui.se/nyheter/ryssland-gor-ansprak-pa-halva-arktis.aspx Annars hade vi för länge sedan haft fartyg med Glonass och lite högre isklass På fartyg går det snabbt att montera ombord en mottagare,men hur snabbt går det på Gripen eller hkp? /Anders

    SvaraRadera
  3. Magnus Redin28 juni 2011 21:08

    Europas envishet med Galileo har troligtvis samma grund som europas envishet med att utveckla Ariane raketerna.

    När rymdtekniken var ny och USA och Sovjet var långt före alla andra försäkrade USA Västeuropa att de kunde köpa satellituppskjutningar på den fria marknaden i USA. Det fungerade utmärkt tills västeuropeiska TV-satelliter började bli bättre än de amerikanska. När amerikanske satelliter började konkurreras ut vart bärraketerna plötsligt dyra och svårtillgängliga.

    Efter läxan att marknaden bara är fri när det gynnar USA satsades det miljarder på Ariane och man vart till slut även rent kommersiellt konkurrenskraftig och tog en stor del av den globala marknaden.

    Det varade ostört tills Sovjet föll och deras uppskjutningar började bjudas ut på världsmarknaden, de hade både rationellare fabriker, robustare system och billigare arbetskraft än någon annan så de började sopa mattan med konkurrenterna. Väst införde någon form av ransoneringssystem för tillgången till ex sovjetiska system för att skydda sina leverantörer men ungefär då slutade jag följa utvecklingen.

    Jag förstår och håller med om att man inte kan lita på enbart USA för vitala tekniska system som är flaskhalsar för många företag. De måste ha riktig konkurrens för att det skall funka och finns den är allt väl.

    SvaraRadera
  4. Tord Ottosson Löf28 juni 2011 21:22

    Apropå GPS

    Högre noggrannhet för en rörlig mottagare fås genom kodmätning från fler satteliter samt att använda flera radiofrekvenser än en, då det är jonosfärens störningar som ger den största störfaktorn på noggrannheten. Jonosfären påverkar de olika frekvenserna olika.

    Vidare kan precisionen även öka genom att köra signalen genom filter (te.x. Kalmanfilter). Dessa filter gör det möjligt att genom att använda tidigare data öka precisionen.

    Vad du kallar fasförskjutning antar jag vara bärvågsmätning. Bärvågsmätning kan bara genomföras för att få ut avstånden mellan ingående fasta mätstationer, dock med stor noggranhet som ökar med mättiden.

    Noggrannheten där flera frekvenser används är 1-3 m beronde på antal sateliter och rymdväder, för bärvåg är noggrannheten 5 mm vid en mätning på 10 min.

    SvaraRadera
  5. USA har provat ut GPS antenner, som är okänsliga för störning från marken,s.k nulling antenna, sen kan USA använda flera frekvenser, både L1,L2 och flera kommer i nya satelliter.

    Eftersom INS idag,får plats på tumnageln, så har snart alla sålda GPS:er och även Smartphones detta! Egnos gav mej ett EPE på 4 m och sämre fel, skall inte militära GPS/INS styrda bomber heller ha! Inom GeodesiGPS har man 5 millimeter precision,med RTK.

    SvaraRadera
  6. Jag håller med Magnus, men själv tyckte jag mig se ett samband med att USA kunde tänka sig att _visa_ satellitbilder för regeringschefer, men inte låta dem behålla bilderna.

    SvaraRadera
  7. GPS i all ära, men att det skulle vara så enkelt som att bara montera en GPS-mottagare på en dumbomb är nog att missbedöma människans förmåga att hitta på motmedel, givet militär forskningsfinansiering och ett intresse av att skydda sig mot precisionsvapen.

    Det finns ett par andra utvecklingstendenser som man inte bör glömma när man tittar på militära navigeringsmetoder. Den ena utgår från att bilindustrin m fl nu drivit fram en första generation billiga solid-stategyron. Tre treaxliga gyron och t ex kalmannfitrering ger redan med dagens generation "bilgyron" bra precision till exempellöst lågt pris. Detta kommer vapenindustrin säkert att ta tillvara för dagens generation bilgyron kommer snart att följas av gen2, gen3 o s v med fortsatt mycket lågt pris.

    Nästa navigeringssystem kan utgå från det faktum, att jordens terräng / topografi numera är noggrant kartlagd. Terrängreferensnavigering är i o f s inte användbar över öknar och stora vattenytor men är mycket svårstörd och ger mycket god precision. Ternav har använts i ett antal vapensystem sedan länge men jag förutspår att ytterligare generationer utvecklas när världens vapenutvecklare inser att laserutpekning inte är så användbart i låga molnbaser och GPS... ja, det är ju diskuterat härovan.

    Mycket för er ´schenjörer att bita i, allså!

    /bloggbosse

    SvaraRadera
  8. Efter att ha sprungit 25 varv på innerbanan på både Stockholms Stadion och andra arenor hoppades jag att man hade andra system än GPS för att styra vapenlasten. De spår som ritats upp efter loppen skulle förvisso kunna förklara mina blygsamma resultat, men har väldigt lite med verkligheten att göra. Att gena över innerplanen eller lägga en del av loppet på läktaren är inte ovanligt...

    SvaraRadera
  9. Många datornätverk fungerar med tidgivning från GPS. Jag undrar om inte det vore ett värre problem.

    Fundersam

    SvaraRadera
  10. newborg:

    Tumnagelstora INS? Tyvärr finns det inte.

    Vilka MEMS-acc har motsvarande prestanda som QA2000/3000? (http://www.inertialsensor.com)

    Vilka MEMS-gyron har motsvarande prestanda som GG1320?

    http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-documents/Missiles-Munitions/GG1320AN_Digital_Laser_Gyro.pdf

    Har du tittat på hur _STOR_ prestandaskillnaden är mellan dessa sensortyper?

    Det finns många fler länder än USA som provar antennstörskyddsystem.

    SvaraRadera
  11. Nog finns det MEMS mindre än tumnageln!

    http://www.imego.com/CommonResources/Files/www.imego.com/Documents/DataSheets/IMT30_2008.pdf

    LMV har en fin presentation här:

    http://swepos.lmv.lm.se/seminarium/gnss-swepos-2009/JS%20Imego.pdf

    Precisionen är sämre än stora lasergyron, men vilka lasergyron vill man kosta på i en bomb eller borr 2000m nere i marken.

    Precisionen räcker väl till under den korta tid som GPS ev.störs ut!

    SvaraRadera
  12. newborg:

    Du byter begrepp... INS - Intertial Navigation System. Dvs TN-system som klarar av klassisk tröghetsnavigering autonomt utan annan stöttning än en barohöjdmätare. Dessa kräver "nav-grade"-sensorer, för gyrosidan innebär detta bias < ca 0.01 grad/h.

    Imego... ett institut som från och till sysslar med mems-baserade gyron och har forskare som är duktiga på att sälja in en vision av vad framtiden kanske en gång kan ge.

    Om du exempelvis tittar på sidan 7 i Imegos LMV-presentation, så jämförs körsbär med vattenmeloner. Imego visar egen prestanda under konstant temperatur och ingen dynamik - och framför allt stabilitet när gyrot väl har startat. Övriga sensorer representeras med prestanda över fullt temperaturområde (typ -40 - +85degC), dynamik & vibration(0 - 30g).

    Om vi nu kunde hitta en applikation med konstant temp och ingen dynamik/vibration - så är det ändå 250 deg/h som vi skall jämföra med hos nyaste fjärilsgyrot. Se tabell 6-3 i databladet länkat nedan.
    http://www.sensonor.com/media/72845/ts1545.r5%20datasheet%20stim210.pdf

    "Precisionen är sämre än stora lasergyron, men vilka lasergyron vill man kosta på i en bomb eller borr 2000m nere i marken."

    Ett borr har kanske lämpliga egenskaper för MEMS-sensorer - inte vet jag. För styrda vapen brukar man prata om "tactical grade"-sensorer. De två klassiska exemplen på dessa är LN-200 från gamla Litton och HG-1700 från Honeywell. Dessa har gyrobias runt 1deg/h och acc-bias runt 1mg.

    Varför skulle bomb-GPSen vara störd bara en kort stund/avstånd? Det behövs ingen stor störsändare för att störa några kilometer bort. Då är det inte längre trivialt att hålla nominell träffbild.

    Taktiska RLG-gyron är inte så stora. Se sidan 1-1 i länken nedan.

    http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA266418&Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf

    SvaraRadera
  13. "En modern GPS har en inmätningsnoggrannhet på ca 30 meter. "

    Nogrannheten är betydligt bättre än så, speciellt för flygande applikationer. Se nedan för prestanda med bra civila mottagare. Militära är inte sämre.

    http://www.gps.gov/systems/gps/performance/accuracy/histogram.png

    Det går att läsa mer på

    http://www.gps.gov/systems/gps/performance/accuracy/

    SvaraRadera