Na świecie istnieje kilka globalnych systemów nawigacji satelitarnej, które harmonijnie się uzupełniają: amerykański GPS, rosyjski GLONASS, europejski Galileo i chiński Beidou. Globalne systemy nawigacji są ułożone według jednej podobnej zasady. Łączą w sobie zespoły naziemnego i kosmicznego sprzętu do pozycjonowania w czasie i przestrzeni, na podstawie którego określane jest położenie, prędkość, kierunek i inne parametry ruchu obiektu.

Zasada działania systemów nawigacyjnych polega na pomiarze odległości od satelitów na orbicie, których lokalizacja jest wiarygodnie znana z dużą dokładnością, do anteny urządzenia odbiorczego. Każdy satelita emituje dokładne sygnały czasu za pomocą zegarów atomowych zsynchronizowanych z czasem systemowym. W trakcie odbioru sygnału z orbitujących satelitów obliczane jest opóźnienie między czasem wyemitowania sygnału a czasem jego odbioru przez antenę urządzenia końcowego. Na podstawie tych informacji odbiornik oblicza współrzędne anteny. Przemieszczenia obiektu są obliczane na podstawie pomiaru czasu potrzebnego na przemieszczenie się między dwoma lub więcej punktami o wcześniej obliczonych współrzędnych.

Dokładne pozycjonowanie w kosmosie jest możliwe dzięki odbieraniu sygnału z co najmniej trzech satelitów jednocześnie.

W celu dokładnego pozycjonowania w przestrzeni antena odbiornika musi odbierać sygnał z co najmniej trzech satelitów w ciągu nocy, a najlepiej z czterech. Trzy satelity przesyłają dane o swoim położeniu względem Ziemi i siebie nawzajem, czwarty - ustala czas podróży sygnału od nadajnika do odbiornika. Ponieważ satelity są w ciągłym ruchu, ich trajektoria jest śledzona przez stacje naziemne. Aktualne informacje przesyłane są do gadżetów w almanachach - bibliotekach z najdokładniejszymi informacjami o położeniu wszystkich dostępnych satelitów. Almanachy są aktualizowane za pośrednictwem sieci komórkowych lub Wi-Fi, co znacznie skraca czas „zimnego startu” systemów nawigacyjnych.

Początkowo systemy nawigacji satelitarnej były stworzone do potrzeb wojskowych. Wiele z nich do dziś pozostaje pod kontrolą organizacji wojskowych. Pierwszym publicznym systemem nawigacji był amerykański GPS. W rzeczywistości słowa „nawigacja” i „GPS” od dawna są postrzegane jako synonimy.

Popularne nawigatory podróżnicze

GPS

Rozwój projektu NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) został podjęty przez Departament Obrony USA w latach 70-tych ubiegłego wieku. Pierwszy satelita systemu został wystrzelony na orbitę w 1974 roku, a w ciągu następnych 20 lat w kosmos została wystrzelona cała niezbędna do prawidłowego działania liczba satelitów (24 sztuki). System nawigacji GPS (The Global Positioning System) został otwarty na potrzeby cywilne, jednak aby uniknąć militarnego wykorzystania przez przeciwników, celność systemu została siłą zmniejszona przez specjalne algorytmy do około 100 m. Większość ograniczeń została usunięta dopiero na początku trzeciego tysiąclecia.

System nawigacji GPS składa się z 32 satelitów, które krążą wokół Ziemi po kołowych orbitach w sześciu różnych płaszczyznach. Wszystkie satelity znajdują się na orbicie o dziennej krotności 20 200 km nad poziomem morza. W rezultacie w dowolnym punkcie planety zawsze obserwuje się co najmniej cztery satelity w danym momencie (zwykle jednocześnie widocznych jest od 4 do 12 satelitów). Co 30 sekund satelita wysyła sygnały radiowe na częstotliwości 1575,42 MHz, które zawierają informacje o pozycji satelity w kosmosie, informacje o jakości sygnału, błędzie zegara satelity i współczynnikach modelu jonosferycznego.

Satelity systemu GPS krążą wokół planety w sześciu różnych płaszczyznach po orbicie o dziennej krotności 20 200 km nad poziomem morza.

Stacje naziemne mają za zadanie poprawiać dokładność wyznaczania współrzędnych, które przekazują poprawki dla trybu różnicowego: WAAS w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, EGNOS w krajach europejskich. Standardowe odbiorniki ustalają lokalizację z dokładnością do kilku metrów, najnowsze mają dokładność do kilku centymetrów.

Wczesne wersje GPS miały długi tak zwany czas „zimnego startu”. Wynikało to z konieczności przeniesienia almanachu (kalendarza astronomicznego) i całej masy związanych z tym poprawek do urządzenia odbiorczego. System aGPS (Assisted GPS) rozwiązał problem. Urządzenia z nim mogą odbierać informacje serwisowe z najbliższej stacji bazowej operatora komórkowego, co eliminuje konieczność utrzymywania bezpośredniej komunikacji z satelitami przez gadżety i kilkakrotnie skraca czas rozpoczęcia nawigacji (dosłownie o kilka sekund).

Wizualna zasada działania technologii aGPS: 1 - satelity GPS; 2 - sygnały GPS; 3 - sygnały pomocnicze; 4 - wieża operatora łączności; 5 - mobilny gadżet.

Również w nowoczesnych modułach nawigacyjnych dostępna jest technologia Dual GPS. Odbiorniki z jego obsługą nie działają na jednej częstotliwości, jak tradycyjne odpowiedniki, ale na dwóch (L1 + L5). Taki format znacznie poprawia dokładność pozycjonowania - w niektórych przypadkach do 10-20 cm. Dual GPS pozwala poprawnie przetwarzać sygnały odbite od wieżowców w gęsto zabudowanych obszarach miejskich. Należy zauważyć, że pełne wsparcie dla L5 jest dostępne w europejskim systemie Galileo, w GPS takie nadawanie realizuje tylko połowa satelitów, a w systemie GLONASS spodziewane jest to nie wcześniej niż w 2030 roku.

Telefony odporne na wstrząsy

GLONASS

Rosyjski system radionawigacji satelitarnej GLONASS zaczął być rozwijany w ZSRR w latach 70. Testy w locie systemu rozpoczęły się w 1982 roku wraz z wystrzeleniem na orbitę pierwszego satelity. Pełna konstelacja 24 satelitów została rozmieszczona bliżej 1995 roku. Jednak ze względu na problemy finansowe i krótki okres eksploatacji statków kosmicznych do 2001 roku liczba działających satelitów została zmniejszona do sześciu.

Sytuacja odwróciła się w połowie „zerowych”, a zakończenie tworzenia systemu nawigacji GLONASS ogłoszono pod koniec 2015 roku. Opiera się na 24 aktywnych satelitach, które obracają się na średniej wysokości 19 100 km nad powierzchnią Ziemi w trzech płaszczyznach orbitalnych. Na każdej orbicie znajduje się 8 równomiernie rozmieszczonych satelitów. System GLONASS zapewnia również zapasowe statki kosmiczne.

Integralna konstelacja satelitów GLONASS składa się z 24 aktywnych statków kosmicznych.

Satelity systemu nadają dwa rodzaje emisji radiowych: sygnał nawigacyjny w paśmie L1 oraz precyzyjny sygnał nawigacyjny w pasmach L2 i L3. Błędy w określeniu lokalizacji wynoszą około 3-6 m, a z korektami - do 1 m. Ważną cechą GLONASS jest możliwość korzystania z systemu nawigacji na dużych szerokościach geograficznych w północnych i południowych regionach polarnych, gdzie łapie sygnał GPS słabo.

Galileo

Galileo to europejski system nawigacji satelitarnej stworzony jako alternatywa dla amerykańskiego GPS i rosyjskiego GLONASS. Warto zauważyć, że znajduje się pod kontrolą służb cywilnych. Dzięki pełnej flocie 24 aktywnych satelitów system zapewnia dokładność do 1 m w trybie publicznym i do 20 cm w usłudze GHA. W sumie na orbicie znajduje się 30 satelitów Galileo (6 statków kosmicznych jest w trybie gorącej gotowości).

Orbity satelitów europejskiego systemu nawigacji Galileo.

Satelity Galileo obracają się w trzech płaszczyznach orbitalnych na wysokości 23 222 km nad powierzchnią planety. Na każdej z orbit, gdy system jest w pełni rozmieszczony, znajduje się 8 aktywnych i 2 rezerwowe satelity. Ta konfiguracja konstelacji zapewnia jednoczesną widoczność z dowolnego miejsca na świecie do co najmniej czterech pojazdów.

W przyszłości satelity systemu Galileo będą mogły przekazywać alarmy użytkowników do regionalnych ośrodków koordynacji ratownictwa. W takim przypadku przekazana zostanie informacja zwrotna – potwierdzenie otrzymania powiadomień o sytuacjach alarmowych.

Interesujący fakt. W całej linii 14 iPhone'ów Apple wprowadzono funkcję komunikacji satelitarnej do wysyłania komunikatów alarmowych do służb ratowniczych w miejscach pozbawionych tradycyjnego zasięgu telefonii komórkowej.

Beidou

W 2020 roku zakończono tworzenie globalnego zasięgu dla chińskiego systemu nawigacji Beidou. Jego flotylla satelitów składa się z 48 statków kosmicznych, z których 35 jest w użyciu. Satelity są umieszczane na trzech orbitach: średniej kołowej, geostacjonarnej, geosynchronicznej nachylonej wysoko.

Stanowisko z wizualizacją zasad budowy globalnego systemu nawigacji satelitarnej Beidou.

Chęć Imperium Niebieskiego do stworzenia własnego systemu nawigacji satelitarnej wynika z chęci uzyskania niezależności od Stanów Zjednoczonych i ich systemu GPS. Dokładność pozycjonowania Beidou dla ludności cywilnej jest mniejsza niż 10 metrów, a dokładność pomiaru prędkości sięga około 0,2 metra na sekundę.

Inne systemy regionalne

Poszczególne kraje opracowują własne systemy nawigacji. Nie osiągnęły one jeszcze poziomu światowego, jednak IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) w Indiach, a także QZSS (Quazi-Zenith Satellite System) w Japonii i krajach regionu Azji i Pacyfiku działają już jako nawigacja regionalna.

Współdziałając w synergii, różne systemy nawigacyjne zapewniają dokładniejsze pomiary lokalizacji, zwłaszcza w gęsto zaludnionych obszarach i dużych obszarach metropolitalnych, gdzie sygnał jest wielokrotnie odbijany od wysokich konstrukcji. Nowoczesne gadżety często wspierają pracę ze wszystkimi znanymi systemami satelitarnymi, dzięki czemu nawigacja staje się dokładniejsza dosłownie z każdym dniem.