Współcześnie praktycznie każdy telefon na rynku dysponuje nawigacją — czyli systemem pozycjonowania, który umożliwia określenie położenia urządzenia na podstawie sygnałów z satelitów. Jest to powiązane z aplikacjami, które wykorzystują dane z satelitów, nanoszą pozycję na mapę (topograficzną, satelitarną i in.), a przy okazji podają masę dodatkowych informacji, np. o ruchu drogowym, atrakcjach w pobliżu czy dane w czasie rzeczywistym dotyczące kierunku jazdy, prędkości, odległości od celu i czasie przyjazdu. Nie byłoby tego, gdyby nie globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS).
Systemy nawigacyjne, czyli nie tylko GPS – spis treści
Nawigacja w telefonie
Aby móc korzystać z nawigacji w smartfonie, musi on mieć wbudowany odbiornik GNSS/GPS. To niepozorny układ, bez którego telefon nie jest w stanie odbierać danych z satelitów.
Tak wygląda przykładowy odbiornik stosowany w smartfonach, tabletach i akcesoriach z grupy wearables:
W zależności od zastosowanego odbiornika użytkownik może uzyskać sygnał z satelitów różnych systemów. Przykładowo, powyższy odbiornik może jednocześnie uzyskiwać sygnały z następujących systemów:
- GPS L1 C/A
- GLONASS L1
- BeiDou (BDS) B1
- QZSS L1
- Galileo (GAL) E1
- GPS L5
- Galileo E5a
- QZSS L5.
W aplikacji GPS Test można podejrzeć, w zasięgu ilu satelitów znajduje się użytkownik.
Bardziej szczegółowe dane o poszczególnych satelitach — razem z państwem, które odpowiada za dany system — można uzyskać na przykład w aplikacji androiTS GPS Test.
Jak wyznaczana jest pozycja?
W dużym uproszczeniu zasada wyznaczania pozycji opiera się na znajomości współrzędnych satelitów w momencie wysyłania sygnału i pomiarze pseudoodległości od satelity do odbiornika.
Opisuje to równanie:
W równaniu obserwacyjnym pseudoodległości ρ występują trzy niewiadome współrzędne odbiornika xodb, yodb, zodb oraz błąd synchronizacji czasu δt zegara odbiornika z czasem GPS. Wyznaczenie czterech niewiadomych wymaga obserwacji minimum czterech satelitów. Ta zasada, przedstawiona w wielkim uproszczeniu, ma zastosowanie do wyznaczenia pozycji bezwzględnej, której dokładność może nawet osiągać kilkanaście metrów (źródło: Podstawowe zasady wyznaczania pozycji z obserwacji GNSS, Instytut Geodezji i Kartografii).
Sieci satelitów w globalnym systemie nawigacji
GNSS (Global Navigation Satellite System) umożliwia określenie pozycji, prędkości i czasu w dowolnym miejscu na Ziemi. Bazuje na sygnałach radiowych przesyłanych z satelitów umieszczonych na orbicie wokółziemskiej, aby dokładnie określić położenie obiektu.
GNSS składa się z kilku systemów satelitarnych, z których każdy złożony jest z sieci satelitów umieszczonych na orbicie wokółziemskiej oraz stacji naziemnych, które kontrolują i monitorują działanie systemu.
Cztery główne, bazowe systemy nawigacji to:
- GPS (Global Positioning System) – amerykański system nawigacji, który składa się z 24 satelitów. Zaczęto nad nim pracę w 1973 roku, a pierwszego satelitę wystrzelono w lutym 1978 roku. Jego dokładność to 30-500 cm
- GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) – rosyjski system nawigacji satelitarnej, który składa się z sieci 24 satelitów, o dokładności 2,8–7,38 metra.
- BeiDou (BDS, Běidǒu Wèixīng Dǎoháng Xìtǒng) – chiński system nawigacji satelitarnej, który składa się z sieci 30 satelitów. Jego precyzja to 2,6-3,6 metra.
- Galileo – europejski system nawigacji satelitarnej, który składa się z sieci 30 satelitów.
Oprócz tego wymienia się regionalne satelitarne systemy nawigacji. Należą do nich:
- QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) – japoński system nawigacji satelitarnej, składający się z czterech satelitów.
- IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System lub NavIC, czyli Navigation with Indian Constellation) – indyjski system nawigacji satelitarnej, składający się z siedmiu satelitów.
Każdy z tych systemów składa się z sieci satelitów rozmieszczonych na orbicie, które przesyłają sygnały radiowe do odbiorników na Ziemi. Sygnały te są następnie przetwarzane przez odbiorniki, aby określić pozycję, prędkość i czas w miejscu, w którym znajduje się odbiornik. Systemy GNSS są wykorzystywane w wielu dziedzinach, w tym w nawigacji samochodowej, lotniczej, morskiej, a także w geodezji i pomiarach terenowych.
Jako ciekawostkę można podać, ze wokół Ziemi krąży 4550 satelitów, a tylko 136 z nich (3,6%) jest wykorzystywanych do nawigacji. Najwięcej przeznaczonych jest do komunikacji — rekordzistą jest SpaceX z 1655 satelitami.
Większa precyzja dzięki systemom SBAS
Tutaj trzeba jeszcze wspomnieć o systemach zapewniających większą precyzję nawigacji satelitarnej. SBAS (Satellite-Based Augmentation Systems) to system korekcji sygnałów GPS, który wykorzystuje specjalne stacje naziemne i satelity, ale także wiele innych źródeł danych, takich jak odbiorniki GPS, sensory meteorologiczne, a nawet radarowe systemy kontroli ruchu lotniczego, aby określić dokładną pozycję każdego satelity GPS. Te dane są następnie przekazywane do użytkowników GPS, którzy korzystają z SBAS, w celu poprawy dokładności pozycjonowania.
Systemy wspomagania SBAS mają zastosowanie w lotnictwie, żegludze, geodezji i inżynierii. SBAS wykorzystuje bowiem sieć stacji naziemnych i satelitów, aby dostarczyć dodatkowych informacji o położeniu, prędkości i czasie. Umożliwia to poprawienie dokładności nawigacji GPS z kilku metrów do kilku centymetrów.
źródło: vectornav.com
Usługi oparte na systemach SBAS świadczą globalnie takie firmy jak OmniSTAR i StarFire, podczas gdy lokalnie są to:
- WAAS (Wide Area Augmentation System) – amerykański satelitarny system wspomagający system NAVSTAR-GPS. Za pośrednictwem dwóch satelitów geostacjonarnych obejmujących terytorium Stanów Zjednoczonych transmituje do odbiorników GPS poprawki kompensujące błędy jonosfery, zegara i efemeryd.
- EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) – zbudowany przez Europejską Agencję Kosmiczną, Komisję Europejską i Eurocontrol europejski system satelitarny wspomagający systemy GPS i GLONASS, a w przyszłości Galileo.
- MSAS (MTSAT Satellite Augmentation System) – system poprawy precyzji nawigacji satelitarnej opracowany przez japońską agencję kosmiczną (JAXA).
- GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation) – system nawigacji satelitarnej opracowany przez Indian Space Research Organization (ISRO) we współpracy z Airports Authority of India (AAI).
- SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) – obecnie rozwijany w Federacji Rosyjskiej przez Russian Space Systems JSC (RKS, część Roskosmos) jako część systemu GLONASS.
Do tego dochodzą jeszcze naziemne systemy wspomagające Ground Based Augmentation Systems (GBAS), których istotnym elementem są stacje CORS (Continuous Operating Reference Station). Dostarczają one referencyjnych danych o położeniu geograficznym, które są wykorzystywane do korygowania sygnału GNSS.
Systemy te są szczególnie ważne w lotnictwie, ponieważ poprawiają bezpieczeństwo lotów, umożliwiając pilotom dokładne lądowanie nawet w trudnych warunkach pogodowych i na lotniskach, które nie mają tradycyjnych systemów lądowania.
SBAS może również być wykorzystywany w nawigacji morskiej, w geodezji i inżynierii, gdzie dokładność nawigacji jest kluczowa dla powodzenia projektów, a także przez służby porządku publicznego (policję, straż pożarną, straż miejską) czy służby ratownictwa.
System stworzony z myślą o wojsku
Systemy nawigacji satelitarnej pierwotnie były opracowane specjalnie dla potrzeb wojskowych, a dopiero później przystosowano je do zastosowań cywilnych. Taka była geneza systemu GPS, stworzonego przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, który obecnie dostarcza wojsku niezbędnych informacji dla systemów C3I (Command, Control, Communications & Intelligence).
Warto dodać, że systemy GPS służące wojsku, w odróżnieniu od systemów cywilnych, działają w innym kodzie, który zapewnia większą precyzję pomiarów (szybsze i dokładniejsze określenie pozycji, prędkości i czasu) i bezpieczeństwo. Systemy te są również bardziej odporne na zakłócenia i mają zwiększoną zdolność do wykrywania fałszywych sygnałów. Jednak ze względów bezpieczeństwa wojskowego, dane z tych systemów są zazwyczaj zaszyfrowane i dostępne tylko dla wojska i niektórych rządowych agencji.
Dane z systemu GPS wykorzystywane są w celu uzyskania dokładnej pozycji własnych jednostek, jak również pozycji sił wroga oraz lokalizacji określonych obiektów i instalacji. Nawigacja satelitarna jest również używana do planowania i śledzenia ruchów konwojów, w operacjach poszukiwawczo-ratowniczych rannych żołnierzy czy w bezzałogowych statkach powietrznych.
fot. Depositphotos/prykhodov