Przegląd systemów GNSS 2018

Na ostatniej prostej

Prace przy budowie i modernizacji globalnych oraz regionalnych systemów nawigacji satelitarnej wyraźnie przyspieszają, a ich efekty są niemal na wyciągnięcie ręki. Dla użytkowników to nie tylko nowe możliwości, ale i nieznane wcześniej zagrożenia.

Przyglądając się co roku postępom w tych projektach, trudno nie odnieść wrażenia, że są one prześladowane przez różne nieszczęścia – od błędów projektowych, przez mankamenty organizacyjne i braki funduszy, po awarie sprzętowe. Wprawdzie i w tej edycji NAWI opisów niepowodzeń nie zabrakło, ale jest ich zdecydowanie mniej niż w latach poprzednich.

Widoczność satelitów GNSS w Warszawie w marcu 2018 r. przynajmniej 10 stopni nad horyzontem

GPS: naziemna katastrofa

Pod koniec poprzedniej dekady administratorzy amerykańskiego systemu nawigacji satelitarnej zapewniali, że pierwszy satelita III generacji znajdzie się na orbicie w 2014 r. Seria problemów technicznych sprawiła, że start odkładano na kolejne lata. Teraz jednak wszystko wskazuje, że aparat wreszcie dostanie zielone światło do wyniesienia na orbitę okołoziemską. Pierwszy egzemplarz wyprodukowany przez firmę Lockheed Martin przeszedł już wszystkie niezbędne testy i w październiku 2017 r.oficjalnie ogłoszono jego gotowość do startu. Na razie wiadomo jedynie, że ma on nastąpić w tym roku.

Wydarzenie to jest wyczekiwane z dużą niecierpliwoś­cią, bo skorzystają na nim różne grupy użytkowników. Na przykład amerykańskie wojsko otrzyma nowy sygnał oznaczony literą M. Przede wszystkim zapewni on zdecydowanie wyższą dokładność wyznaczania pozycji. Jaką konkretnie? „Nie możemy zdradzić szczegółów, ale rozłóżcie ręce: to będzie mniej więcej ten rząd wielkoś­ci” – tajemniczo zapowiadają administratorzy systemu.

W zastosowaniach wojskowych dokładność wcale nie jest jednak kwestią pierwszorzędną. Coraz bardziej palącym problemem okazuje się odporność na zakłócanie. Sygnał M ma zaoferować odpowiedź również na to wyzwanie. Jak zdradza administrator GPS, sygnał będzie nawet ośmiokrotnie bardziej odporny na zakłócanie.

To dla wojska. A co dla przeciętnego, cywilnego Kowalskiego? Ano, sygnał L1C! Ma to być zmodernizowany podstawowy cywilny syg­nał zastępujący dotychczasowy L1. Będą go wyróżniać m.in.: większy stopień interoperacyjności z innymi syg­nałami GNSS (ułatwi to projektowanie odbiorników wielosystemowych) oraz wyższa dokładność wyznaczania pozycji w trudnych warunkach pomiarowych – pod drzewami czy w „miejskich kanionach”.

Trzecia generacja GPS to także lepsza dostępność dwóch pozostałych cywilnych sygnałów – L2C oraz L5. Globalna dostępność L2C ma zostać osiągnięta w 2021 roku, a L5 – w 2024 roku. Z kolei na pełne pokrycie L1C musimy poczekać do końca lat 20.

Nie bez znaczenia jest dłuższa żywotność satelitów. Według projektantów powinny one bezproblemowo pracować nawet przez 15 lat, podczas gdy w starszej generacji IIF czas ten wynosi lat 12.

Wygląda więc na to, przyszłość GPS rysuje się w różowych barwach. No, jednak nie do końca. By udostępnić unikatowe możliwości satelitów nowego bloku, niezbędne jest uruchomienie segmentu naziemnego nowej generacji, tzw. OCX. Niestety, jego budowa wciąż idzie jak po grudzie. W połowie 2017 roku datę planowanego uruchomienia przesunięto o kolejne 9 miesięcy na rok 2022 (pierwotnie start OCX planowano na rok 2015!). Jako przyczynę podano pojawienie się nowych ryzyk związanych z realizacją programu, a także konieczność wymiany przestarzałego już oprogramowania i hardware’u. Rosną także koszty inwestycji. Według zaktualizowanego kosztorysu sięgnęły one 5,5 mld dolarów. Z kolei wartość kontraktu na wykonanie tych prac, podpisanego w 2010 roku z firmą Raytheon, wyniosła raptem 1,5 mld dolarów! Trudno się więc dziwić, że amerykańscy oficjele bez ogródek nazywają ten projekt katastrofą.

Satelita GPS III generacji

GLONASS: na wschodzie bez zmian

W naszym przeglądzie GNSS wieści z rosyjskiego systemu nawigacji wciąż te same. Planowane od dawna wystrzeliwanie satelitów generacji K nadal wstrzymywane jest przez sankcje gospodarcze nałożone na Rosję po inwazji na Krym. Z ich powodu niemożliwie stało się sprowadzanie z Zachodu wybranych komponentów satelitarnych, a Rosjanie sami ich jeszcze nie wytwarzają.

Przypomnijmy, że generacja K ma przede wszystkim zapewnić trzeci cywilny sygnał oznaczony jako L3, a także nadawać wiadomości nawigacyjne w technologii wielodostępu CDMA zamiast FDMA. Mówiąc prościej, wykorzystanie CDMA zwiększy interoperacyjność GLONASS-a z pozostałymi systemami GNSS, ułatwiając wytwarzanie odbiorników wielosystemowych.

Producent satelitów GLONASS, Zakłady im. Reszetniewa, deklaruje, że intensywnie pracuje nad tym, by aparaty bloku K składały się niemal wyłącznie z rosyjskich komponentów. Przyznaje jednak, że jest to zdanie bardzo trudne. Dlatego jedną z opcji branych pod uwagę jest również użycie hardware’u... chińskiego. – Do 2028 roku konstelacja GLONASS będzie składała się z aparatów wszystkich trzech generacji – deklaruje Nikołaj Testojedow, główny projektant w Zakładach im. Reszetniewa. A według planów sprzed nałożenia sankcji miało to nastąpić już w 2020 roku!

Dodajmy, że na orbicie od kilku lat znajdują się dwa satelity generacji K. Mają one jednak charakter testowy i oferują tylko wybrane funkcje planowane w docelowych aparatach tego bloku.

Jedyną dobrą wiadomością z systemu GLONASS jest to, że dzięki wyprodukowaniu ośmiu rezerwowych satelitów starszej generacji M wciąż możliwie jest utrzymanie globalnej dostępności tych sygnałów nawigacyjnych. Ostatni start aparatu GLONASS (po ponad rocznej przerwie) przeprowadzono we wrześniu 2017 r.

Galileo: 2020 i co dalej?

Po wielu pechowych latach europejski system nawigacji wyraźnie wychodzi na prostą. W listopadzie 2016 r. zgodnie z planem wystrzelono jednocześnie aż cztery satelity Galileo, po raz pierwszy wykorzystując rakietę nośną Ariane. Miesiąc później oficjalnie ogłoszono inicjalną dostępność pierwszych trzech usług tego systemu. Z kolei w grudniu 2017 r. przeprowadzono drugi poczwórny start. Ten powinien być dla nas szczególnie istotny, bo jednym z wyniesionych w kosmos jest aparat „Zofia” nazwany tak na cześć Zosi Ćwir z Krasnegostawu – zwyciężczyni konkursu plastycznego Komisji Europejskiej.

W rezultacie obecnie na orbicie znajdują się już 22 satelity Galileo, z czego 15 nadaje wiadomości nawigacyjne (stan na marzec 2018 r.). Wprawdzie to wciąż za mało, by ogłosić globalną dostępność tych sygnałów, ale już dziś stanowią one istotne wsparcie dla użytkowników GNSS na całym świecie. Szkoda jednak, że dotyczy to przede wszystkim profesjonalistów, bo w sprzęcie amatorskim obsługa Galileo to, niestety, wciąż rzadkość. Biorąc jednak pod uwagę tempo rozwoju technologicznego, można śmiało założyć, że gdy system osiągnie pełną operacyjność (rok 2020 to wciąż aktualny termin), odbiór europejskich sygnałów nawigacyjnych będzie już standardem.

W budowie Galileo nie wszystko idzie jednak jak po sznurku. Istotnym zgrzytem okazała się awaria zegarów atomowych. Na początku 2017 roku dot­knęła ona trzy zegary rubidowe i sześć wodorowych, przy czym w przypadku jednego satelity popsuły się aż dwa zegary. Na szczęście usterka nie wpłynęła na funkcjonowanie Galileo, ponieważ na pokładzie każdego satelity zainstalowano po dwa zegary każdego typu. Przyczyną awarii instrumentów rubidowych okazał się wadliwy komponent, który doprowadził do spięcia, natomiast dokładnych przyczyn usterki maserów wodorowych nie podano. Poinformowano jedynie, że ich praca musi być teraz dokładnie kont­rolowana. Administratorzy Galileo zapewniają, że w odniesieniu do satelitów już znajdujących się w kosmosie podjęto działania, które mają zapobiec wystąpieniu podobnych awarii w przyszłoś­ci. Jeśli zaś chodzi o aparaty dopiero przygotowywane do wystrzelenia, to montowane w nich zegary mają zostać przeprojektowane.

Branża geodezyjna z dużym zainteresowaniem śledzi przygotowania do uruchomienia usługi komercyjnej Galileo (CS – Commercial Ser­vice). W jej ramach użytkownicy na całym świecie, który wykupią odpowiednią subskrypcję oraz będą posiadali kompatybilny dwuczęstotliwościowy odbiornik, zyskają dostęp do specjalnego kanału E6b. Transmitowane na nim dane PPP (Precise Point Positioning) pozwolą na pomiar z dokładnością lepszą niż decymetr. Mechanizm uwierzytelniania zapewni z kolei wiarygodność wyznaczanych współrzędnych, co pozwoli na korzystanie z serwisu w wielu profesjonalnych zastosowaniach. Na podkreś­lenie zasługuje to, że Galileo ma być jedynym systemem, który zaoferuje tego typu rozwiązanie.

Zgodnie z decyzją Komisji Europejskiej testy CS powinny potrwać do 2018 roku. Na lata 2018-2020 przewidziano fazę wstępnej operacyjnoś­ci. Usługa ma być gotowa do 2020 roku, gdy planowane jest ogłoszenie pełnej operacyjnoś­ci całego systemu Galileo. Na razie nie podjęto decyzji co do wysokości opłat za dostęp do sygnału E6b. Co najciekawsze, administrator Galileo poważnie rozważa jego darmowe udostępnienie!

Choć system jeszcze w pełni nie ruszył, eksperci już zaczynają się zastanawiać, w jakim kierunku powinien się dalej rozwijać. W rezultacie pod skrzydłami Europejskiej Agencji Kosmicznej powoli rodzi się koncepcja II generacji Galileo. Na razie jej założenia są takie, że ma zagwarantować wyższą jakość pozycjonowania oraz nowe funkcje, choć przy zachowaniu tzw. wstecznej kompatybilności. Krótko mówiąc, nie będzie konieczna wymiana odbiorników Galileo na nowe. Pierwsze szczegóły dotyczące II generacji mamy poznać pod koniec 2018 roku.

Rakieta Ariane potrafi wystrzelić na raz cztery satelity Galileo

EGNOS nie tylko dla GPS

A skoro o nowych generacjach mowa, należy wspomnieć o planach modernizacji EGNOS, czyli europejskiego satelitarnego systemu wspomagania (tzw. SBAS). Na początku 2018 roku podpisano kontrakt na budowę III wersji jego rozwiązania. Przedmiotem umowy jest m.in. udoskonalenie usługi bezpieczeństwa życia (Safety of Life – SoL). Oprócz poprawek dla sygnałów satelitarnych serwis ten zapewnia dane o ich wiarygodności, co pozwala szerzej korzystać z odbiorników satelitarnych w tzw. zastosowaniach bezpieczeństwa życia, w szczególności w transporcie pasażerskim. W czasie nie dłuższym niż 6 sekund SoL ma alarmować o znaczących spadkach dokładności sygnałów nawigacyjnych. Serwis ten jest coraz powszechniej wykorzystywany w lotnictwie podczas podchodzenia do lądowania przy gorszej widoczności. Na mocy kontraktu podpisanego z ESA firma Airbus ma przystosować tę usługę również do potrzeb użytkowników na morzu i lądzie. Ma także zwiększyć odporność serwisu na cyberataki.

Sporym ograniczeniem w stosowaniu EGNOS jest dziś to, że nadaje on korekty wyłącznie dla kanału L1 systemu GPS. Realizacja podpisanego właśnie kontraktu ma to zmienić. EGNOS V3 ma bowiem obsługiwać dwie częstotliwości zarówno dla GPS, jak i europejskiego Galileo.

Na te zmiany przyjdzie nam jednak trochę poczekać. Zgodnie z przyjętym harmonogramem EGNOS V3 ma ruszyć w 2023 roku. Początkowo będzie on nadal obsługiwał tylko jedną częstotliwość. Druga ma zostać wprowadzona po półtora roku.

BeiDou mocno przyspiesza

Do jesieni 2017 roku w chińskim systemie nawigacji działo się niewiele, ale w listopadzie ruszyło hurtowe wystrzeliwanie satelitów III generacji. Dotychczas z powodzeniem przeprowadzono 3 podwójne starty. W ich efekcie na orbicie znajduje się już 11 satelitów tego bloku, a do końca 2018 ma być ich 18. Kompletna konstelacja składająca się z 30 aparatów powinna być gotowa w roku 2020. Wtedy też ma zostać ogłoszona pełna operacyjność BeiDou na całym świecie.

III generacja zapewnia m.in. wyższą dokładność wyznaczania pozycji. Dokładność sygnału w kosmosie (a więc bez uwzględnienia wpływu atmosfery) powinna być nie gorsza niż pół metra, z kolei dla przeciętnego użytkownika wyniesie od 2,5 do 5 metrów. Poza tym nową generację wyróżnia zmodyfikowany cywilny sygnał B1, który ma być bardziej odporny na zakłócanie i efekt wielodrożności, a także kompatybilny z planowanym sygnałem GPS L1C oraz już dostępnym Galileo E1. Nowy blok oferuje ponadto usługę poszukiwawczo-ratowniczą.

W 2018 roku ma zostać przeprowadzony start pierwszego z trzech satelitów geostacjonarnych, które zaoferują satelitarne korekty dla sygnałów BeiDou (tzw. BDSBAS). Co ciekawe, korekty te powinny być dostępne również na obszarze Polski.

Lokalne jest modne

Z kronikarskiego obowiązku wypada również wspomnieć o inicjatywach lokalnych. W 2016 r. ogłoszono start indyjskiego regionalnego systemu nawigacji Navic (wcześniej znanego jako IRNSS). Obejmuje on swoim zasięgiem całe Indie wraz z pasem o szerokości 1500 km wokół granic tego kraju, umożliwiając wyznaczanie pozycji z dokładnoś­cią nie gorszą niż 10 metrów. Radość nie trwała jednak długo. Najpierw na początku 2017 roku w jednym z 7 satelitów awarii uległy wszystkie trzy zegary atomowe. W sierpniu wystrzelono więc aparat zapasowy, ale wskutek usterki technicznej dotarł on na niewłaściwą orbitę i jest bezużyteczny.

Przyspieszenia dostał za to japoński system QZSS. Od 2010 roku składał się tylko z jednego satelity, ale w 2017 r. z powodzeniem wystrzelono kolejne trzy. Pozwoli to ogłosić w tym roku pełną operacyjność tego rozwiązania. A jest ono ciekawe przynajmniej z kilku względów. Po pierwsze, orbity satelitów dobrano tak, by nad obszarem Japonii były one zawsze widoczne wysoko ponad horyzontem. Po drugie, QZSS zaoferuje usługę precyzyjną, która pozwoli wyznaczać współrzędne z centymetrową dokładnoś­cią. Dodajmy, że Japończycy nie zamierzają spoczywać na laurach i po 2023 roku chcą rozbudować konstelację tego systemu o kolejne trzy satelity.

Własny regionalny system chce mieć też Korea Południowa. KPS (Korean Positioning System) ma się składać z siedmiu satelitów (w tym trzech geostacjonarnych), a nadawany przez nie sygnał powinien być dostępny w odległoś­ci około tysiąca kilometrów od granic tego kraju i umożliwiać pozycjonowanie nawet z dokładnością 1 m. Wstępne plany zakładają, że system ruszy dopiero w 2034 roku.

Z kolei Australia i Nowa Zelandia testują własny system SBAS. Ma on oferować korekty na dwóch częstotliwościach, a także usługę PPP, która pozwoli osiągnąć nawet decymetrową dokładność pomiaru.

Po pierwsze, bezpieczeństwo

Przeglądając prezentacje multimedialne administratorów poszczególnych systemów satelitarnych, trudno nie zauważyć, że skupiają się oni na nowych satelitach, sygnałach i usługach oraz rosnącej dokładności pozycjonowania. Coraz więcej ekspertów zwraca jednak uwagę, że dziś należy się pilnie skoncentrować na zupełnie innym zagadnieniu, a mianowicie bezpieczeństwie. Co komu po centymetrowej dokładnoś­ci pomiaru, skoro skuteczne zakłócanie czy fałszowanie sygnałów nawigacyjnych to technologicznie bułka z masłem. Już nieraz udowodniły to chociażby Rosja czy Korea Północna. Tylko kwestią czasu jest sięgnięcie po tego typu środki zarówno przez rządy, jak i organizacje terrorystyczne lub grupy hakerów. Użytkownikom pozostaje czekać na nowy, bezpieczniejszy sprzęt i z większą ostrożnoś­cią podchodzić do wskazań odbiorników satelitarnych.

Mapa prezentująca zasięg spoofingu sygnałów GNSS w okolicy Kremla (Fot. Moscow Times)

Jerzy Królikowski