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

1. Podstawowe zasady działania

Zasada działania systemów nawigacyjnych opiera się na pomiarze odległości od satelitów na orbicie, których położenie jest znane z dużą dokładnością, do anteny urządzenia odbiorczego. Każdy satelita emituje precyzyjne sygnały czasu za pomocą zegarów atomowych zsynchronizowanych z czasem systemowym. Przy odbiorze sygnału z satelitów na orbicie obliczane jest opóźnienie pomiędzy momentem wyemitowania sygnału a momentem jego odebrania przez antenę urządzenia końcowego. Korzystając z tych informacji, odbiornik oblicza współrzędne anteny. Ruchy obiektu obliczane są na podstawie pomiaru czasu potrzebnego na przemieszczanie się pomiędzy dwoma lub większą liczbą punktów o współrzędnych określonych na podstawie wstępnych obliczeń.

Dokładne pozycjonowanie w przestrzeni kosmicznej jest zapewnione, jeśli w jednocześnie zostanie odebrany sygnał z co najmniej trzech satelitów.

Aby móc dokładnie określić położenie w przestrzeni, antena odbiorcza musi jednocześnie odebrać sygnał z co najmniej trzech satelitów, a lepiej – z czterech. Trzy satelity przesyłają dane o swoim położeniu względem Ziemi i siebie nawzajem, czwarty rejestruje 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 zawierających najdokładniejsze informacje o lokalizacji wszystkich dostępnych satelitów. Aktualizacja almanachów odbywa się za pośrednictwem sieci komórkowych lub Wi-Fi, co znacznie skraca czas „zimnego startu” systemów nawigacyjnych.

Początkowo systemy nawigacji satelitarnej były opracowaniem wojskowym. Wiele z nich do dziś pozostaje pod kontrolą resortów wojskowych. Pierwszym publicznie dostępnym systemem nawigacji był amerykański GPS. Właściwie słowa „nawigacja” i „GPS” od dawna są postrzegane jako synonimy.

2.GPS

Opracowanie projektu NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) zajął się Departament Obrony USA w latach 70. ubiegłego wieku. Pierwszy satelita systemu został wystrzelony na orbitę w 1974 roku, a w ciągu następnych 20 lat w przestrzeń kosmiczną wystrzelono całą liczbę satelitów niezbędną do prawidłowego działania systemu (24 sztuki). System nawigacji GPS (The Global Positioning System) został otwarty na potrzeby cywilne, jednak aby uniknąć jego militarnego wykorzystania przez przeciwników, specjalne algorytmy siłą obniżyły dokładność systemu do około 100 m. Większość ograniczeń zniesiono jedynie na początek trzeciego tysiąclecia. System nawigacji GPS składa się z 32 satelitów krążących wokół Ziemi po orbitach kołowych w sześciu różnych płaszczyznach. Wszystkie satelity znajdują się na codziennej orbicie o wysokości 20 200 km nad poziomem morza. Dzięki temu w dowolnym miejscu planety zawsze widoczne są co najmniej cztery satelity (przeważnie jednocześnie widocznych jest od 4 do 12 satelitów). Co 30 sekund satelita transmituje sygnały radiowe o częstotliwości 1575,42 MHz, które zawierają informacje o położeniu satelity w przestrzeni, informacje o jakości sygnału, błędzie zegara satelity oraz współczynnikach modelu jonosfery.

Satelity GPS krążą wokół planety w sześciu różnych płaszczyznach
na codziennej orbicie 20 200 km nad poziomem morza.

Stacje naziemne transmitujące poprawki dla trybu różnicowego służą zwiększeniu dokładności wyznaczania współrzędnych: WAAS w USA i Kanadzie, EGNOS w krajach europejskich. Standardowe odbiorniki ustalają lokalizację z dokładnością do kilku metrów, najnowsze osiągają dokładność nawet do kilku centymetrów.

Wczesne wersje GPS miały długi, tak zwany czas „zimnego startu”. Wynikało to z konieczności przesłania almanachu (kalendarza astronomicznego) i całej gamy towarzyszących korekt do urządzenia odbiorczego. Problem rozwiązał system aGPS (Assisted GPS). Urządzenia z nim mogą odbierać informacje serwisowe z najbliższej stacji bazowej operatora komórkowego, co eliminuje potrzebę utrzymywania przez gadżety bezpośredniej komunikacji z satelitami i kilkukrotnie skraca czas uruchamiania nawigacji (dosłownie w ciągu kilku sekund).

Wizualna zasada działania technologii aGPS.
Popularne inteligentne zegarki z aGPS

3. Dual GPS

Aby poprawić dokładność lokalizacji, nowoczesne moduły nawigacyjne wykorzystują technologię Dual GPS. Odbiorniki z jego obsługą działają nie na jednej częstotliwości, jak tradycyjne analogi, jednak na dwóch (L1 + L5 - 1575 MHz + 1176 MHz). Format ten znacznie zwiększa dokładność pozycjonowania – w niektórych przypadkach nawet do 10 – 20 cm Dual GPS pozwala poprawnie przetwarzać sygnały odbite od wieżowców w gęsto zabudowanych obszarach miejskich. Ponadto pasmo L5 charakteryzuje się dużą przepustowością i szybkością transmisji, dzięki czemu liczba szumów i zakłóceń jest znacznie zmniejszona.

Technologia Dual GPS pozwala znacząco zwiększyć dokładność wyznaczania lokalizacji, zwłaszcza w gęsto zabudowanych obszarach miejskich.

Należy pamiętać, że obsługa dla L5 dostępne jest w europejskim systemie Galileo oraz japońskim QZSS (więcej o nich poniżej). W GPS taką transmisję prowadzi jedynie połowa satelitów, a w systemie GLONASS należy spodziewać się tego dopiero w 2030 roku.

Popularne telefony z podwójnym GPS

4.GLONAS

Rozwój rosyjskiego systemu nawigacji satelitarnej GLONASS zaczęto rozwijać w ZSRR w latach 70. XX wieku. Testy w locie systemu rozpoczęły się w 1982 roku wraz z wystrzeleniem pierwszego satelity na orbitę. Pełna konstelacja 24 satelitów została rozmieszczona bliżej roku 1995. Jednak ze względu na problemy z finansowaniem i krótki okres eksploatacji statków kosmicznych do 2001 roku liczba działających satelitów została zmniejszona do sześciu. Sytuacja uległa odwróceniu w połowie XXI wieku, a ukończenie budowy systemu nawigacji GLONASS ogłoszono pod koniec 2015 roku. Opiera się na 24 aktywnych satelitach, które krążą na średniej wysokości 19 100 km nad powierzchnią Ziemi w trzech płaszczyznach orbity. Na każdej orbicie znajduje się 8 równomiernie rozmieszczonych satelitów. System GLONASS zapewnia także rezerwowe statki kosmiczne.

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

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

5. Galileo

Galileo to europejski system nawigacji satelitarnej stworzony jako alternatywa dla amerykańskiego GPS i rosyjskiego GLONASS. Warto zauważyć, że znajduje się pod kontrolą wydziałów 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 systemu Galileo (6 statków kosmicznych znajduje się w gorącej rezerwie).

Orbity satelitów europejskiego systemu nawigacji Galileo.

Satelity Galileo krążą w trzech płaszczyznach orbitalnych na wysokości 23 222 km nad powierzchnią planety. Gdy system jest w pełni rozwinięty, na każdej orbicie znajduje się 8 aktywnych i 2 rezerwowe satelity. Taka konfiguracja konstelacji zapewnia jednoczesną widoczność co najmniej czterech pojazdów z dowolnego miejsca na świecie. W przyszłości satelity Galileo będą mogły przekazywać sygnały alarmowe użytkownika do regionalnych centrów koordynacji ratownictwa. W takim przypadku zostanie przekazana informacja zwrotna – potwierdzenie otrzymania powiadomień o sytuacjach alarmowych.

Ciekawy fakt. W całej linii 14 iPhone'ów Apple i kolejnych modelach zaimplementowano funkcję łączności satelitarnej, umożliwiającą przesyłanie komunikatów alarmowych do służb ratowniczych w miejscach, w których nie ma tradycyjnego zasięgu sieci komórkowej.

6.Beidou

W 2020 roku zakończono tworzenie globalnego zasięgu dla chińskiego systemu nawigacji Beidou. Jej flota satelitarna obejmuje 48 statków kosmicznych i 35 satelitów w użyciu. Satelity umieszczane są na trzech orbitach: średniej kołowej, geostacjonarnej i geosynchronicznej o wysokim nachyleniu.

Stanowisko z wizualizacją zasad budowy globalnego systemu nawigacji satelitarnej Beidou.

Chęć Chin do stworzenia własnego systemu nawigacji satelitarnej wynika z chęci uzyskania niezależności od Stanów Zjednoczonych i ich systemu GPS. Dokładność pozycjonowania Beidou dla cywilów wynosi niecałe 10 metrów, a dokładność pomiaru prędkości sięga około 0,2 metra na sekundę.

7. Inne systemy regionalne

Niektóre kraje opracowują własne systemy nawigacji. Dochodzą dopiero do poziomu globalnego, jednak IRNSS (Indyjski Regionalny System Nawigacji Satelitarnej) w Indiach, a także QZSS (Quazi-Zenith Satellite System) w Japonii i krajach regionu Azji i Pacyfiku już w pełni działają jako nawigacja regionalna.

8. GNSS

GNSS to skrót od Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej. Odbiorniki Multi-GNSS mogą jednocześnie odbierać sygnały nadawane przez kilka systemów nawigacji: GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, QZSS, IRNSS. Znacząco zwiększa to dokładność pozycjonowania poprzez odbieranie większej liczby sygnałów z satelitów.

W rzeczywistości termin GNSS odnosi się do całości wszystkich globalnych systemów nawigacji i geolokalizacji. I chociaż każdy z nich do przesyłania sygnałów wykorzystuje własne kodowanie, odbiorniki GNSS poprawnie interpretują odbierane informacje w ramach jednego urządzenia.

9. Łączność satelitarna w smartfonach Apple

Osobno warto wspomnieć o komunikacji satelitarnej w smartfonach Apple. służy do wysyłania komunikatów alarmowych do służb ratowniczych poza zasięgiem sieci komórkowej. To połączenie nie jest wykorzystywane jako system nawigacji. iPhone'y (model 14 i nowsze) mogą wysyłać sygnały o niebezpieczeństwie do lokalnych służb ratunkowych. Jednocześnie nie będziesz mógł samodzielnie pisać wiadomości – w Twoim smartfonie są preinstalowane gotowe szablony wiadomości. Urządzenie komunikuje się z satelitą na terenach otwartych. Podpowie Ci, w którą stronę skierować smartfon, aby uzyskać lepszy odbiór sygnału. Po nawiązaniu połączenia telefon przesyła pogotowiu geolokalizację, część danych osobowych (z dokumentacji medycznej w aplikacji "Zdrowie") oraz poziom naładowania iPhone'a.

Po uruchomieniu awaryjnego systemu satelitarnego iPhone wyświetli monit
gdzie trzeba skręcić w przestrzeni, aby niezawodnie odebrać sygnał.

Początkowo obsługę łączności satelitarnej wprowadzono jedynie w USA i Kanadzie. Jednak jest już dostępna niemal na całym świecie. Opcja nie działa tylko na urządzeniach zakupionych w Armenii, Białorusi, Hongkongu, Kazachstanie, Chinach, Kirgistanie, Makau i Rosji. Do obsługi systemu łączności awaryjnej Apple wysłał flotyllę 17 statków kosmicznych na niskiej orbicie, które wystrzelił operator satelitarny GlobalStar. Pod koniec 2024 roku Apple wprowadziło pełną obsługę przesyłania wiadomości poprzez komunikację kosmiczną (do tego potrzebny będzie iPhone z systemem iOS 18) i zainwestowało ponad 1 miliard dolarów w wystrzelenie nowych satelitów, jest to całkiem możliwe, że wraz ze wzrostem liczebności eskadry pojawią się inne funkcje, np. połączenia czy dostęp do Internetu z dowolnego zakątka globu. Jest zbyt wcześnie, aby zgadywać, jednak takie usługi z pewnością nie będą tanie.

Popularne smartfony z komunikacją satelitarną

10. Wniosek

Działając synergicznie, różne systemy nawigacji zapewniają dokładniejsze pomiary pozycji, szczególnie na obszarach gęsto zaludnionych i w dużych miastach, gdzie sygnał wielokrotnie odbija się od wysokich konstrukcji. Nowoczesne gadżety często obsługują współpracę ze wszystkimi znanymi systemami satelitarnymi, dzięki czemu nawigacja staje się dokładniejsza dosłownie z dnia na dzień.