Definicja

Systemy nawigacji satelitarnej – systemy przeznaczone do dokładnego wyznaczania położenia punktu lub poruszającego się obiektu w trzech wymiarach na podstawie pomiaru przez odbiornik czasu podróży sygnału radiowego od satelity do anteny odbiornika. Do wyznaczenia współrzędnych niezbędne jest przetworzenie sygnałów pochodzących przynajmniej z czterech satelitów, a także znajomość ich położenia w trakcie wykonywania pomiarów.

Każdy system nawigacji satelitarnej składa się z trzech segmentów:

• kosmicznego (tj. satelitów nadających sygnały nawigacyjne),
• kontrolnego (naziemnych ośrodków monitorujących funkcjonowanie segmentu kosmicznego),
• użytkownika (a więc wszystkich odbiorników śledzących segment kosmiczny).

Ze względu na zasięg systemy nawigacji satelitarnej możemy podzielić na globalne i regionalne.

Systemy globalne (GNSS - Global Navigation Satellite Systems) obejmują swoim zasięgiem całą Ziemię. Z reguły składają się z 20-30 satelitów orbitujących na kilku średnich orbitach (MEO - Medium Earth Orbit) o inklinacji przekraczającym 50° i okresie obiegu Ziemi około 12 godzin. Obecnie jedynym w pełni operacyjnych globalnym systemem jest amerykański GPS (Global Positioning System). Pod koniec 2010 roku ma do niego dołączyć rosyjski GLONASS (Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema), a za kilka lat europejski Galileo oraz chiński Compass (znany także pod nazwą Beidou-2). Każdy z nich emituje lub ma emitować przynajmniej dwa sygnały oferujące różną precyzję pomiaru i przeznaczone dla różnych grup użytkowników.

Skrót GNSS używany jest także w odniesieniu do koncepcji jednego, międzynarodowego systemu nawigacji (Global Navigation Satellite System), który - w przeciwieństwie do GPS i GLONASS - byłby rozwiązaniem całkowicie cywilnym. Terminu tego po raz pierwszy użyto w 1991 roku podczas posiedz

enia Międzynarodowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego (ICAO). Za początek jego budowy należy jednak uznać 15 października 1993 roku, gdy 68 delegatów z 11 państw (w tym Polski) zawarło wstępne porozumienie w sprawie uruchomienia GNSS. W pierwszym etapie budowy system ochrzczony jako GNSS-1 ma się składać z: GPS, GLONASS, WADGPS oraz EGNOS, WAAS i MSAS. Segment kosmiczny takiego rozwiązania będzie liczyć ponad 50 satelitów. Rozwiązaniem docelowym ma być jednak GNSS-2, czyli całkowicie cywilny system zarządzany przez jedną organizację międzynarodową. W literaturze jest on utożsamiany z w pełni operacyjnym systemem Galileo wspieranym przez EGNOS. W ostatnich latach w kierunku koncepcji GNSS-2 zmierza jednak także amerykański GPS, czego przykładem jest m.in. wprowadzenie nowych cywilnych sygnałów: L2C, L5 i L1C.

Systemy regionalne (RNSS) obejmują z kolei swoim zasięgiem tylko pewien ograniczony obszar, z reguły fragment kontynentu. Ich głównym zadaniem jest lokalne zwiększanie dostępności i dokładności systemów GNSS, toteż nie są one rozwiązaniami samodzielnymi. Obecnie jedynym funkcjonującym systemem RNSS jest chiński Beidou (3 satelity). Wkrótce ma do niego dołączyć japoński QZSS (2 satelity), a za kilka lat indyjski IRNSS (5 satelitów). W niektórych źródłach rozwiązania RNSS utożsamiane są z satelitarnymi systemami wspomagającymi (SBAS, patrz niżej)

Pozycja wyznaczana przy wykorzystaniu sygnałów GNSS jest zawsze obarczona kilkoma rodzajami błędów. Można do nich zaliczyć m.in.: opóźnienia jonosferyczne i troposferyczne, efekt wielotorowości, zakłócenia czy błędy orbitalne i zegara (więcej w „Alfabecie GPS”). Część z nich można zmierzyć i następnie uwzględnić w pomiarach w czasie rzeczywistym lub po ich zakończeniu (postprocessing), zwiększając tym samym ich dokładność. Do tego celu stworzono różnorodne systemy wspomagania. Można je podzielić na dwie grupy:

• Satelitarne Systemy Wspomagające (SBAS – Satellite Based Augmentation Systems) – rozwiązanie transmitujące poprawki dla sygnałów GNSS za pomocą jednego lub kilku satelitów geostacjonarnych (z reguły są to wielofunkcyjne aparaty telekomunikacyjne). Korekty obliczane są na podstawie danych z kilkunastu do kilkudziesięciu stacji pomiarowo-obserwacyjnych, transmitowane do satelity SBAS, a następnie retransmitowane na Ziemię. Niektóre rozwiązania SBAS oferują także informacje o wiarygodności systemów nawigacji. Jest to szczególnie przydatne np. w lotnictwie, żegludze czy podczas operacji służb ratunkowych. Ze względu na zasięg działania systemy SBAS można podzielić na regionalne i globalne. Do tych pierwszych zaliczyć można m.in.: EGNOS (Europa), SDCM (Rosja), MSAS (Japonia), WAAS (Ameryka Północna) i GAGAN (Indie). Przykładem rozwiązania globalnego jest komercyjny OmniSTAR. W zależności od techniki pomiaru systemy SBAS zwiększają dokładność wyznaczania pozycji od 2-3 metrów do kilku decymetrów.
• Naziemne systemy wspomagania satelitarnego (GBAS – Ground Based Augmentation Systems) w porównaniu do SBAS charakteryzuje je dużo mniejszy zasięg działania oraz większa dokładność pomiarów i elastyczność. Systemy te oferują usługi w czasie rzeczywistym lub w trybie postprocessingu. Te pierwsze bazują na obliczeniach DGNSS (Differential GNSS) lub bardziej dokładnych RTK (Real-Time Kinematic). Transmisja danych odbywa się przez radio (fale UHF lub VHF) lub internet (także przez sieci GSM).

Schemat działania systemów GBAS (źródło: ASGEupos.pl)

Działanie systemów GNSS bywa porównywane przez specjalistów do obserwowania żarówki o mocy 25 W oddalonej o 10 tys. mil. Dobrze uzmysławia to wrażliwość tej technologii na przypadkowe lub celowe zakłócenia, a także przeszkody terenowe. W niektórych przypadkach gęsty las lub wysoka zabudowa okazuje się wystarczającym czynnikiem, by odbiornik nie mógł wyznaczyć pozycji lub zrobił to z dużym błędem. Z tego powodu producenci sprzętu – zarówno amatorskiego, jak i profesjonalnego – inwestują coraz więcej środków w technologie przyspieszające inicjalizację odbiorników satelitarnych lub też umożliwiające wyznaczanie pozycji przy słabym sygnale lub przy jego chwilowym braku. Zaliczyć do nich można m.in.:

• A-GPS (Assisted GPS) – wyko rzystanie serwerów operatora sieci komórkowej do skrócenia czasu inicjalizacji odbiornika. Po raz pierwszy zastosowane w 2002 roku w Stanach Zjednoczonych. Obecnie jest to popularna usługa w wielu sieciach telefonicznych.
• HiGPS (High Integrity GPS, znane także jako iGPS) – rozwiązanie polegające na retransmisji sygnału GPS przez satelity telekomunikacyjne sieci Iridium. Jego głównym celem jest przeciwdziałanie celowemu zakłócaniu, jak również zwiększenie dostępności sygnału nawigacyjnego w terenie zabudowanym lub zalesionym. System rozwijany jest przez armię Stanów Zjednoczonych oraz firmę Boeing i ma być ukończony na początku 2011 roku. Jego jedynym użytkownikiem będzie wojsko.
• INS (Inertial Navigation System – Inercyjny System Nawigacji) – rozwiązanie wspomagające pozycjonowanie satelitarne lub też zastępujące je w przypadku utraty odbioru sygnałów GNSS. W zależności od konfiguracji wykorzystuje ono m.in.: odometry (drogomierze), akcelerometry, żyroskopy itp. Obecnie systemy tego typu coraz częściej instalowane są w urządzeniach amatorskich (smartfony, aparaty fotograficzne itp.).
• Triangulacja GSM, COO (Cell of origin)– wyznaczenie położenia telefonu przy wykorzystaniu informacji o najbliższych masztach sieci komórkowych. Dokładność takiego rozwiązania wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset metrów i jest z reguły najwyższa w miastach. Technologia ta nie wymaga dostępności sygnałów GNSS.
• WPS (Wi-Fi Positioning System) – wyznaczanie położenia na podstawie dostępnych sieci Wi-Fi. Technologia ta została rozwinięta przez firmę Skyhook Wireless. Może być wykorzystywana zarówno jako wsparcie dla GNSS, jak również jako autonomiczny system pozycjonowania. Urządzenia WPS najczęściej korzystają z sieci Wi-Fi będących punktami dostępu do internetu. Taka technologia najlepiej sprawdza się w miastach (gdzie jest duże zagęszczenie sieci Wi-Fi) – osiąga wtedy dokładność nawet 20-30 metrów. Bardziej zaawansowana odmiana WPS korzysta z sieci Wi-Fi przeznaczonych specjalnie do pozycjonowania. Technologia ta jest szczególnie przydatna wewnątrz budynków, np. do lokalizowania obiektów lub osób w rozległych halach. Przy odpowiednim zaprojektowaniu takiego rozwiązania dokładność pozycjonowania wynosi nawet kilka metrów.
• wykorzystanie sygnału telewizyjnego – koncepcja rozwijana przez amerykańską firmę Rosum i izraelską Siano. Ma ona być alternatywą dla rozwiązań korzystających z sieci Wi-Fi i GSM, głównie z uwagi na dużo większą moc sygnału TV. Na razie nie ma ona jednak praktycznego zastosowania na większą skalę.

Opracowanie Jerzy Przywara
wrzesień 2010 r.