GPS

Nazwa: Global Positioning System – NAVigation Signal Timing And Ranging (NAVSTAR-GPS)
Kraj rozwijający system: Stany Zjednoczone
Aktualna liczba satelitów: 31 (7 IIR, 7 IIR-M, 12 IIF, 5 III – stan na kwiecień 2023 r.)
Docelowa liczba satelitów: 32 (z czego 24 aktywne)
Liczba orbit: 6
Inklinacja orbity: 55°
Wysokość orbity: 20 183 km
Okres obiegu Ziemi: 11 godzin 58 minut
Ogłoszenie pełnej operacyjności: 17 lipca 1995 r.
Zajmowane częstotliwości: L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz), L5 (1176,45 MHz)

Historia
W 1968 r. Departament Obrony USA zdecydował o utworzeniu komitetu składającego się z reprezentantów każdej ze służb armii amerykańskiej (NAVSEG - Navigation Satellite Executive Group), który miał pokierować całością prac i określić jedną wspólną koncepcję systemu nawigacji satelitarnej.

Po pięciu latach badań, w 1973 r., zadecydowano, że wiodącą instytucją będzie US Air Force, która wkrótce przedstawiła założenia nowego systemu. Połączył on elementy z niezależnie prowadzonych do tej pory projektów. Jego cechą podstawową jest transmisja precyzyjnego sygnału czasu. W grudniu tego samego roku program zatwierdzono do realizacji. Po kolejnych pięciu latach testów i badań, 22 lutego 1978 r., wystrzelono pierwszego satelitę z tzw. bloku I (składającego się z 6 satelitów krążących na trzech orbitach o nachyleniu 63° do płaszczyzny równika).

Tak zrodził się NAVSTAR GPS (Navigation System with Time And Ranging), popularnie zwany GPS, składający się dzisiaj z 24 operacyjnych satelitów poruszających się po sześciu orbitach na wysokości ponad 20 tys. km i okrążających Ziemię w ciągu niespełna 12 godzin. W ramach eksperymentalnego bloku I w latach 1978-85 pracowało łącznie 11 satelitów. Dla satelitów GPS przewidziano też inną rolę. Poza aparaturą do celów nawigacyjnych od kwietnia 1980 r. zabierają one w kosmos również czujniki promieni X, radiometry optyczne i detektory fal radiowych, umożliwiające rejestrowanie wybuchów nuklearnych na Ziemi i w atmosferze.

W następnych latach Amerykanie umieszczali na orbitach kolejne generacje satelitów w ramach bloków: II, IIA (od 1993) i IIR (od 1999), wymieniając zużyte satelity na coraz to doskonalsze i powiększając ich liczbę. Całkowitą zdolność operacyjną system osiągnął jednak dopiero w 1995 r., gdy w kosmosie znalazły się 24 satelity Bloku II i IIA. Tym samym dobiegał końca nawigacyjny żywot dopplerowskiego TRANSITA (1996 r.).

Kolejną przełomową datą był 2 maja 2000 roku, kiedy decyzją ówczesnego prezydenta USA Billa Clintona wyłączono zakłócanie sygnału GPS zwane selektywną dostępnością (Selected Availability – SA). Dzięki temu dokładność systemu dla użytkowników cywilnych wzrosła z około 100 m do 3-5 metrów.

Od 2005 roku rozpoczęto wystrzeliwanie aparatów generacji IIR-M. Wyróżniała je przede wszystkim emisja drugiego kanału cywilnego (L2C), który przy pomiarach dwuczęstotliwościowych znacząco ułatwiał wyznaczanie opóźnienia jonosferycznego. Nowością były także dwa bardziej odporne na zakłócanie kanały wojskowe – L1M i L2M. Ostatni satelita generacji IIR-M, oznaczony jako SVN-49, od połowy 2009 roku rozpoczął także nadawanie demonstracyjnej wersji trzeciego sygnału cywilnego przeznaczonego głównie dla lotnictwa, czyli L5.

Satelita generacji IIF

W pełni sprawny L5 emitowany jest natomiast od sierpnia 2010 roku przez pierwszy aparat generacji IIF (SVN-62, na zdjęciu powyżej). Blok ten wyróżnia ponadto dłuższa żywotność satelitów (12 zamiast dotychczasowych 10 lat) oraz możliwość lokalnego zwiększania mocy sygnału wojskowego.

W latach 2010-11 przeprowadzono rekonfigurację satelitów GPS do tzw. konstelacji Expandable 24. Efektem jej wprowadzenia jest polepszenie widoczności satelitów, a więc m.in. lepsze wskaźniki DOP. Operację tę przeprowadzono z myślą o amerykańskich wojskach stacjonujacych w górzystym Afganistanie. Skutki jej wprowadzenia odczuli także użytkownicy cywilni na całym świecie.

W lutym 2016 roku włączono do konstelacji GPS ostatniego satelitę generacji IIF.

W kierunku III generacji

23 grudnia 2018 roku z powodzeniem wystrzelono pierwszego satelitę GPS III generacji. Dodajmy, że wystartował on ze znacznym opóźnieniem – pierwotnie planowano, że znajdzie się w kosmosie jeszcze w 2014 roku.

Z punktu widzenia przeciętnego użytkownika GPS najważniejszą zmianą, jaką przyniesie III generacja satelitów, będzie nowy podstawowy cywilny sygnał L1C. Po pierwsze, będzie on bardziej kompatybilny z innymi sygnałami GNSS, przede wszystkim z nadawanym w ramach europejskiego systemu Galileo sygnałem E1. Ma to ułatwić budowanie wielosystemowych odbiorników satelitarnych. Po drugie, L1C ma zapewnić lepszą jakość pozycjonowania w trudnych warunkach pomiarowych – w szczególności w miastach. Co istotne, charakterystyka L1C gwarantuje jego wsteczną kompatybilność z dotychczasowym podstawowym sygnałem L1.

Na pełną dostępność L1C musimy jednak jeszcze sporo poczekać. O ile modernizacja GPS będzie postępować zgodnie z planem, nastąpi to dopiero pod koniec lat 20.

Wystrzeliwanie kolejnych satelitów GPS III będzie również oznaczać coraz lepsze pokrycie świata dwoma pozostałymi cywilnymi sygnałami GPS, czyli L2C oraz L5. Globalna dostępność tego pierwszego ma zostać osiągnięta w 2023 r., a drugiego – w 2027 r.

Kolejny wyróżnik nowej generacji to dłuższa żywotność satelitów. Ich oczekiwany czas pracy wzrasta z 12 do 15 lat.

Nowością jest także użycie do wystrzelenia tego satelity rakiety wielokrotnego użytku Falcon 9, co pozwala znacznie obniżyć koszty operacji. Wcześniej wykorzystywano do tego celu jednorazowe rakiety należące do United Launch Alliance.

Satelita generacji IIIA

Opracowanie Jerzy Królikowski, 2010 (ostatnia aktualizacja: 2023 r.)