Nawigacja satelitarna

Ekran nawigacji satelitarnej

Nawigacja satelitarna – rodzaj radionawigacji wykorzystujący fale radiowe nadawane ze sztucznych satelitów w celu określania położenia punktów i poruszających się odbiorników wraz z parametrami ich ruchu na powierzchni Ziemi. Jeżeli system nawigacji satelitarnej pokrywa swoim zasięgiem całą ziemię, mówi się o systemach GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems) – do takich systemów należy m.in. najpopularniejszy obecnie amerykański GPS (Global Positioning System), rosyjski GLONASS czy też europejski Galileo. Systemem, który swoim zasięgiem nie pokrywa całej Ziemi (czyli nie jest systemem GNSS), jest japoński system QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System), który dostarcza usługi na obszarze płd.-wsch. Azji i Oceanii.

Zarys historyczny

Dzisiejsze systemy satelitarne zostały zapoczątkowane przez system Transit, stworzony w 1958 w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w USA. System ten miał praktyczne zastosowanie w nawigacji morskiej oraz służył jako pomoc geodezyjna i źródło częstotliwości wzorcowej. Od 1967 system Transit zaczął być sporadycznie wykorzystywany również do celów cywilnych. Na początku lat 80. stał się ogólnodostępny. Złożony z sześciu satelitów, był stosowany do 31 grudnia 1996.

W 1960 został skonstruowany system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), mający określać koordynaty ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. Z powodu zawieszenia prac nad systemem rakietowym nigdy nie zaczął funkcjonować.

SECOR (Sequential Collation of Range) to uruchomiony w kwietniu 1964 satelitarny system lokalizacyjny i nawigacyjny. Był złożony z trzynastu satelitów, stworzony na potrzeby wojsk lądowych.

W 1967 ZSRR uruchomiło swój pierwszy system nawigacyjny CYKADA.

Zasady wyznaczania pozycji

Wyznaczanie pozycji polega na pomiarze czasu propagacji sygnału (pomiar kodowy) oraz przesunięcia fazowego (pomiar fazowy) sygnału nadawanego przez satelitę poruszającego się po znanej orbicie. W nawigacji wykorzystywane są przybliżone współrzędne satelitów nadawane w depeszy nawigacyjnej zakodowanej na transmitowanym sygnale oraz wyłącznie pomiary kodowe (dokładność ok. 30 m). W geodezji w celu zwiększenia precyzji wykorzystuje się pomiary kodowe, pomiary fazowe oraz orbity precyzyjne (współrzędne satelitów z dokładnością około 0,03 m).

Na podstawie pomiarów kodowych lub fazowych wyznaczane są odległości satelita – odbiornik. Tak wyznaczona odległość obarczona jest wieloma błędami pomiarowymi spowodowanymi: błędami zegara satelity, błędami zegara odbiornika, wpływem jonosfery, wpływem troposfery, efektami relatywistycznymi. Dlatego w pomiarach nawigacji satelitarnej wykorzystuje się systemy wspomagające, takie jak EGNOS lub serwisy ASG-EUPOS: NAWGEO, KODGIS, NAWGIS.

Znajomość odległości do satelitów pozwala na wyznaczenie współrzędnych odbiornika poprzez rozwiązanie przestrzennego wcięcia wstecz. Obserwacje do minimalnie 4 satelitów, pozwalają na wyznaczenie pozycji odbiornika, ponieważ w równaniach występują 4 niewiadome: współrzędne odbiornika XYZ oraz poprawka do zegara odbiornika.

Przy korzystaniu z nawigacji satelitarnej uwzględniane są nie tylko efekty szczególnej teorii względności (STW), a także efekty ogólnej teorii względności (OTW), która jest jej generalizacją dla zakrzywionej czasoprzestrzeni. Te drugie to m.in. opóźnienie Shapiro, nowe linie geodezyjne (w porównaniu z teoriami nierelatywistycznymi), nowy wpływ innych niż Ziemia ciał Układu Słonecznego, phase wind-up. Efekty OTW mają wpływ na orbitę satelity, jego sygnał, jego zegar i zegar odbiornika.

Działające systemy nawigacji satelitarnej

• GPS (Global Positioning System) – satelitarny system nawigacyjny Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging), zaprojektowany jako precyzyjny system określania położenia o zasięgu globalnym początkowo głównie dla potrzeb wojskowych. System działa na zasadzie biernego pomiaru odległości między odbiornikiem a satelitami.Istnieją dwie wersje systemu Navstar.PPS (Precise Positioning System) jest dostępny dla wojska USA i NATO oraz wybranych organizacji. Jest on dokładniejszy niż druga wersja - SPS (Standard Positioning System). Korzystanie z systemu SPS było i jest bezpłatne i powszechnie dostępne. Konieczny jest oczywiście zakup odbiornika, ale może to zrobić każdy i nie trzeba płacić za odbiór sygnału satelitarnego. Odbiorniki GPS, na podstawie sygnałów z satelitów obliczają swoje położenie, prędkość i dokładny czas. Większość z nich obecnie zaopatrzona jest w cyfrowe mapy i oprogramowanie wspomagające przetwarzanie tych danych w nawigacji morskiej i lotniczej, geodezji czy prowadzeniu pojazdów w miastach.
• GLONASS (Global Navigation Satellite System) – jest rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar. Metoda pomiaru i działanie systemu są podobne jak w przypadku GPS.Z początku miał być on dostępny tylko dla wojska, najprawdopodobniej dlatego w systemie w ogóle nie ma błędów typu SA. Występują jednak również dwa kanały: standardowy i precyzyjny. Kanał standardowy ma dokładność 60 metrów dla pomiarów dwuwymiarowych i 75 metrów dla trójwymiarowych. Stan systemu Glonass nadal nie jest dobry, jako że Rosja nie ma pieniędzy na utrzymywanie go. Obecnie, w systemie Glonass pracuje około dziesięciu satelitów.
• Galileo – europejski system nawigacji satelitarnej, uruchomiony 15 grudnia 2016. System ma się składać z 30 satelitów (24 operujących i sześciu w rezerwie) znajdujących się na trzech kołowych orbitach. W Europie mają powstać dwa centra kontrolujące pracę satelitów. Planowana pełna operacyjność systemu miała zostać uzyskana w roku 2020. Obecnie wysłanych zostało 26 satelitów.Docelowo, Galileo ma być cywilnym systemem nawigacji satelitarnej, zupełnie niezależnym od wojskowych sieci Navstar i Glonass. Poza danymi o pozycji i dokładnym czasie, do odbiorników użytkowników będą transmitowane informacje o wiarygodności tych danych i ewentualnych awariach systemu. Dzięki temu, możliwe będzie zastosowanie danych z sieci Galileo w aplikacjach "Safety of Life".
• Beidou – Chiński system nawigacji satelitarnej, który w chwili uruchomienia będzie obejmował swym zasięgiem tylko region Chin i państw sąsiadujących. Do końca 2020 roku planowano wystrzelenie 35 satelitów. Odbiorcom komercyjnym zapewni badanie położenia z dokładnością do 10 metrów oraz szybkości z precyzją do 0,2 metra na sekundę.Segment kosmiczny jest konstelacją hybrydową składającą się z satelitów na trzech rodzajach orbit. W porównaniu z innymi systemami nawigacji satelitarnej, BDS obsługuje więcej satelitów na wysokich orbitach, aby zapewnić lepsze właściwości przeciwekranowe, co jest szczególnie widoczne pod względem wydajności na obszarach o małych szerokościach geograficznych. BDS integruje funkcję nawigacji i komunikacji oraz posiada wiele możliwości usług, a mianowicie pozycjonowanie, nawigację i synchronizację, komunikację krótkimi wiadomościami, międzynarodowe poszukiwania i ratownictwo, wspomaganie satelitarne, wzmacnianie naziemne i precyzyjne pozycjonowanie punktów itp.
• DORIS – (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite), to system nawigacyjny stworzony przez Francję.Jest to technika, która za pomocą instrumentów znajdujących się na pokładzie satelity i radiolatarni naziemnych pozwala z dużą precyzją mierzyć zarówno trajektorię satelity, jak i położenie na ziemi. Jego główne zastosowania to geodezja (monitorowanie odkształceń gleby z wydajnością pomiarową <1  mm / rok ) lub klimatologia. W przeciwieństwie do systemu GPS, w którym nadajnik znajduje się na pokładzie satelitów, w tym przypadku na pokładzie znajduje się odbiornik.
• QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System) – japoński system, który dostarcza usługi na obszarze płd.-wsch. Azji i Oceanii.To regionalny system nawigacji satelitarnej składający się z czterech satelitów oraz satelitarny system wspomagania opracowany przez rząd Japonii w celu ulepszenia obsługiwanego przez Stany Zjednoczone Globalnego Systemu Pozycjonowania (Global Positioning System) (GPS) w regionach Azji i Oceanii, ze szczególnym uwzględnieniem Japonii. Podstawowym celem QZSS jest zwiększenie dostępności GPS w licznych miejskich kanionach Japonii, gdzie można zobaczyć tylko satelity znajdujące się na bardzo dużych wysokościach. Dodatkową funkcją jest zwiększenie wydajności, zwiększenie dokładności i niezawodności rozwiązań nawigacyjnych opartych na GPS. Dzięki wykorzystaniu jedynych w swoim rodzaju sygnałów wzmacniających z QZSS, wysoce precyzyjne pozycjonowanie na poziomie poniżej metra i centymetra stanie się rzeczywistością. W czasie katastrofy QZSS wysyła informacje o ewakuacji i umożliwia przekazywanie informacji o ewakuowanych za pośrednictwem satelitów. Oczekuje się, że QZSS, który drastycznie zmieni krajobraz usług pozycjonowania, będzie wykorzystywany w różnych dziedzinach.

Zastosowanie nawigacji satelitarnej

Oprócz zastosowań militarnych, system nawigacji satelitarnej jest obecnie spotkany w bardzo wielu różnych dziedzinach gospodarczych m.in. w:

• Ratownictwie. Nadajniki określające pozycję, pozwalają na szybką lokalizację zaginionych pojazdów, samolotów, statków oraz osób.
• Transporcie zarówno morskim, drogowym, lotniczym jak i kolejowym. Nawigacja satelitarna ma zastosowanie w automatycznej identyfikacji poruszających się obiektów, do sterowania ich trasami i ostrzegania o potencjalnych zagrożeniach.
• Nawigacji osobistej, zaczynając od pomocy w identyfikacji nieznanego terenu i dostarczaniu o nim adekwatnych informacji, poprzez nadzór nad pracownikami podczas pracy w sytuacjach zagrożenia, aż do szeroko rozumianej rekreacji.
• Administracji publicznej np. w finansach, bankowości. Systemy nawigacji satelitarnej ze swymi certyfikowanymi znacznikami czasu będą mogły zapewnić autentyczność i bezpieczeństwo elektronicznego systemu przesyłania danych. Prawdopodobieństwo nadużyć ulegnie zmniejszeniu, a wszelkie transakcje będą archiwizowane w jednorodnym i godnym zaufania systemie czasu.
• Geodezji, do określania położenia nadajnika z dokładnością sięgającą kilku milimetrów dzięki zastosowaniu pomiaru różnicowego i pomiaru faz fali nośnych, na których kody są modulowane.

Specyfikacja i wymagania

Wymagania na systemy nawigacji satelitarnej (w szczególności systemy globalne – GNSS) zostały określone m.in. przez Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego. Zdaniem organizacji istniejące systemy (takie jak GPS) nie spełniają pożądanych wymagań (związanych z transportem lotniczym), lecz mogą stać się podstawą do budowy przyszłych sieci w sposób ewolucyjnego udoskonalania istniejących systemów.

Koncepcja tak rozumianego docelowego systemu zakłada eliminację typowych niedomagań GPS poprzez zwielokrotnienie źródeł informacji pozycyjnej, zapewnienie nieprzerwanego dopływu danych korekcyjnych oraz możliwość stałego monitoringu jakości danych pozycyjnych. Faza pierwsza (zwana GNSS-1) bazuje na istniejących segmentach orbitalnych GPS Navstar i rosyjskiego systemu GLONASS. Rozwinięciem GNSS-1 ma być GNSS-2. Konstelacja satelitów nawigacyjnych będzie obejmować satelity GPS Navstar typu II F, GLONASS M i Galileo. Dokładność wynosi 30-100 metrów i wciąż trwają prace badawcze w celu jej poprawy.

Linki zewnętrzne

• Ministerstwo Przedsiębiorczości i Technologii
• Nawigacja dla ciężarówek
• European Space Agency. esa.int. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-12-21)].