Przejdź do zawartości

Nawigacja satelitarna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z GNSS)
Satelita GPS Block IIIA. GPS jest amerykańskim globalnym systemem nawigacji satelitarnej, udostępnianym użytkownikom cywilnym bez bezpośrednich opłat.

Nawigacja satelitarna – rodzaj radionawigacji wykorzystujący fale radiowe nadawane ze sztucznych satelitów w celu określania położenia punktów i poruszających się odbiorników wraz z parametrami ich ruchu na powierzchni Ziemi.

Jeżeli system nawigacji satelitarnej zapewnia usługi pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu w skali globalnej lub regionalnej, bywa określany zbiorczo skrótem GNSS (ang. Global Navigation Satellite System)[1]. Do globalnych systemów należą amerykański GPS, rosyjski GLONASS, europejski Galileo i chiński BeiDou[1].

Obok nich funkcjonują także systemy regionalne, których zasięg nie obejmuje całej Ziemi. Należą do nich między innymi japoński QZSS, działający w regionie Azji i Oceanii[2], oraz indyjski NavIC (IRNSS), przeznaczony dla Indii i obszaru około 1500 km od ich granic[3].

Historia

[edytuj | edytuj kod]

Gdy Związek Radziecki wystrzelił swojego pierwszego sztucznego satelitę (Sputnik 1) w 1957 r., dwaj amerykańscy fizycy z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa — William Guier i George Weiffenbach — monitorowali jego transmisje radiowe[4]. W ciągu kilku godzin zdali sobie sprawę, że dzięki efektowi Dopplera mogą dokładnie określić położenie satelity na orbicie.

Na początku następnego roku Frank McClure, zastępca dyrektora APL, poprosił Guiera i Weiffenbacha o zbadanie odwrotnego problemu, czyli ustalania lokalizacji użytkownika na podstawie położenia satelity. W tym czasie Marynarka Wojenna pracowała nad pociskiem rakietowym Polaris odpalanym z okrętu podwodnego, co wymagało dokładnej znajomości położenia jednostki. To skłoniło ich oraz APL do opracowania systemu Transit, który stał się bezpośrednim poprzednikiem współczesnych systemów nawigacji satelitarnej[5].

System Transit powstał w 1958 roku w Laboratorium Fizyki Stosowanej (APL) Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w USA. Był używany przede wszystkim w nawigacji morskiej, a także jako pomoc geodezyjna i źródło częstotliwości wzorcowej. Od 1967 roku zaczął być sporadycznie wykorzystywany również cywilnie, a na początku lat 80. stał się ogólnodostępny. Składał się z sześciu satelitów i pozostawał w użyciu do 31 grudnia 1996 roku. Zasada działania systemu opierała się na obserwacji przesunięcia Dopplera sygnału satelity poruszającego się po znanej orbicie; późniejsze prace nad przetwarzaniem danych i filtracją pozwalały ograniczać błędy orbitalne i pomiarowe do poziomu użytecznego w nawigacji[6].

W 1960 zaproponowano system satelitarny MOSAIC (ang. MObile System for Accurate ICBM Control), przeznaczony do określania położenia ruchomych wyrzutni rakiet międzykontynentalnych Minuteman. W 1963 r. przeprowadzono kolejne badania, w toku których narodziła się koncepcja GPS[7]. Z powodu wstrzymania prac nad systemem rakietowym MOSAIC nigdy nie wszedł do użytku.

W kwietniu 1964 roku armia USA umieściła na orbicie swojego pierwszego satelitę SECOR (ang. SEquential Collation of Range), opracowanego przede wszystkim jako system geodezyjny, przydatny do pomiarów położenia stacji naziemnych i poprawiania układów odniesienia[8]. System SECOR obejmował trzy naziemne nadajniki, w znanych lokalizacjach, które wysyłały sygnały do transpondera satelitarnego na orbicie. Czwarta naziemna stacja, w nieokreślonej pozycji, mogła następnie wykorzystać te sygnały do dokładnego ustalenia swojej lokalizacji. System był złożony z trzynastu satelitów. Ostatni satelita SECOR został wystrzelony w 1969 roku[9].

W 1967 roku ZSRR umieścił na orbicie pierwszego radzieckiego satelitę nawigacyjnego Cyclone, co Navipedia opisuje jako początek niskoorbitowego systemu CYKADA (ros. Цикада), złożonego z czterech satelitów na orbitach kołowych około 1000 km nad Ziemią. System zapewniał pozycjonowanie z dokładnością rzędu kilkuset metrów, a rosnące wymagania wobec nawigacji satelitarnej doprowadziły później do prac nad wysoko-orbitalnym systemem GLONASS[10].

Zastosowanie

[edytuj | edytuj kod]
Przykładowa lista satelitów nawigacji satelitarnej w Indonezji, z której można ustalić pozycję smartfona (2025)

Nawigacja satelitarna znajduje zastosowanie zarówno w wojsku, jak i w wielu obszarach cywilnych, zwłaszcza tam, gdzie istotne są pozycjonowanie, wyznaczanie trasy, śledzenie obiektów oraz precyzyjna synchronizacja czasu. Usługi te określa się często łącznie jako PNT (ang. positioning, navigation and timing), ponieważ sygnały satelitarne pozwalają odbiornikowi wyznaczać pozycję, prędkość i czas, a nie tylko trasę użytkownika[11][12].

  • W nawigacji osobistej i rekreacyjnej ułatwia orientację w terenie oraz korzystanie z map i usług lokalizacyjnych[13].
  • W ratownictwie i służbach alarmowych umożliwia szybką lokalizację pojazdów, statków powietrznych, jednostek pływających i osób potrzebujących pomocy[14].
  • W geodezji umożliwia bardzo dokładne wyznaczanie położenia dzięki technikom różnicowym i pomiarom fazowym[15].
  • W transporcie morskim, lotniczym, drogowym i kolejowym służy do prowadzenia pojazdów, zarządzania ruchem, monitorowania flot i zwiększania bezpieczeństwa operacji[16].
  • W rolnictwie precyzyjnym wspiera automatyczne prowadzenie maszyn, zmienne dawkowanie środków produkcji i dokumentowanie prac polowych[16].

Zasady wyznaczania pozycji

[edytuj | edytuj kod]

Wyznaczanie pozycji polega na pomiarze czasu propagacji sygnału (pomiar kodowy) oraz przesunięcia fazowego sygnału nadawanego przez satelitę poruszającego się po znanej orbicie. W nawigacji wykorzystywane są przybliżone współrzędne satelitów nadawane w depeszy nawigacyjnej zakodowanej na transmitowanym sygnale oraz pomiary kodowe; osiągana dokładność zależy m.in. od geometrii satelitów, wpływu atmosfery, przesłonięć i jakości odbiornika, a w dobrych warunkach dla współczesnych odbiorników masowych jest zwykle metrowa lub kilkumetrowa[17]. W geodezji w celu zwiększenia precyzji wykorzystuje się pomiary kodowe, pomiary fazowe oraz orbity precyzyjne (współrzędne satelitów z dokładnością około 0,03 m).

W pomiarach kodowych odbiornik wyznacza pseudoodległości do satelitów, natomiast w pomiarach fazowych wykorzystuje obserwacje fazy fali nośnej. Pomiary te są obarczone błędami wynikającymi m.in. z niedokładności zegara satelity i odbiornika, wpływu jonosfery i troposfery oraz efektów relatywistycznych. Dane efemeryd, zegara satelity i jonosfery są przekazywane odbiornikowi w depeszy nawigacyjnej wraz z sygnałem pomiarowym[18]. Dlatego w praktyce wykorzystuje się także techniki i systemy wspomagające, które poprawiają dokładność, dostępność i wiarygodność rozwiązania pozycyjnego.

Obserwacje co najmniej czterech satelitów pozwalają jednocześnie wyznaczyć trzy współrzędne odbiornika oraz poprawkę jego zegara; w równaniach występują więc cztery podstawowe niewiadome.

Współczesne odbiorniki mogą równocześnie wykorzystywać sygnały kilku systemów GNSS, co zwiększa liczbę dostępnych satelitów i może poprawiać ciągłość oraz geometrię rozwiązania pozycyjnego. Łączenie wielu systemów wymaga jednak uwzględnienia różnic między ich układami odniesienia, skalami czasu i sygnałami; część współczesnych depesz nawigacyjnych zawiera parametry przesunięcia czasu między systemami, które ułatwiają taki odbiór wielosystemowy[19][20].

W obliczeniach nawigacji satelitarnej uwzględnia się efekty szczególnej i ogólnej teorii względności, ponieważ wpływają one m.in. na zegary satelitów, propagację sygnału i wyznaczanie orbit. W systemie GPS niekorygowany łączny efekt relatywistyczny powodowałby przyspieszenie zegarów satelitarnych względem zegarów na Ziemi o około 38 mikrosekund na dobę[21]. W precyzyjnych pomiarach fazowych uwzględnia się także m.in. efekt phase wind-up związany z orientacją anteny i polaryzacją sygnału[22][23].

Globalne systemy nawigacji satelitarnej

[edytuj | edytuj kod]

Obecnie istnieją cztery globalne systemy nawigacji satelitarnej. Zwykle wykorzystują one konstelacje satelitów na średnich orbitach okołoziemskich rozmieszczonych w kilku płaszczyznach orbitalnych, co pozwala zapewnić ciągłą widoczność odpowiedniej liczby satelitów nad dużą częścią powierzchni Ziemi[24].

Grafika pokazująca pozycje systemów nawigacji satelitarnej na średniej orbicie okołoziemskiej

GPS

[edytuj | edytuj kod]
 Główny artykuł: GPS.

GPS (Global Positioning System) jest amerykańskim globalnym systemem nawigacji satelitarnej, rozwijanym pierwotnie dla potrzeb wojskowych, a obecnie szeroko wykorzystywanym także w zastosowaniach cywilnych[25]. System zapewnia usługi pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu w skali globalnej, a jego architektura obejmuje segment kosmiczny, segment kontroli i segment użytkownika[25][26][27].

Galileo

[edytuj | edytuj kod]
 Główny artykuł: Galileo (system nawigacyjny).

Galileo to europejski globalny system nawigacji satelitarnej, pozostający pod kontrolą cywilną. Usługi początkowe systemu (Initial Services) są dostępne od 15 grudnia 2016 roku[28]. Galileo współpracuje z systemami GPS i GLONASS, a dzięki standardowemu wykorzystaniu dwóch częstotliwości może zapewniać wyższą dokładność pozycjonowania w czasie rzeczywistym[28]. System został zaprojektowany jako konstelacja 24 satelitów operacyjnych wspieranych przez satelity zapasowe, a jego segment naziemny obejmuje globalną sieć stacji kontrolnych i sensorowych[29].

BeiDou

[edytuj | edytuj kod]
 Główny artykuł: Beidou.

BeiDou (BDS) to chiński globalny system nawigacji satelitarnej, zapewniający usługi pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu dla użytkowników na całym świecie[30]. Obecny etap rozwoju systemu, określany jako BDS-3, został formalnie oddany do użytku w 2020 roku, co oznaczało przejście od usług regionalnych do globalnych[31]. W opisie GPS.gov operacyjny system BDS składa się z 35 satelitów[1]; w literaturze technicznej architekturę BDS-3 opisuje się natomiast jako konstelację 30 satelitów: 24 na orbitach MEO, trzech na orbitach geostacjonarnych i trzech na nachylonych orbitach geosynchronicznych[32].

GLONASS

[edytuj | edytuj kod]
 Główny artykuł: GLONASS.

GLONASS jest rosyjskim globalnym systemem nawigacji satelitarnej, stanowiącym alternatywę i uzupełnienie dla GPS[33]. System zapewnia ciągłe, ogólnoświatowe usługi pozycjonowania, nawigacji i wyznaczania czasu, a jego architektura obejmuje segment kosmiczny, naziemny i użytkownika[34]. Nominalny segment kosmiczny GLONASS składa się z 24 satelitów rozmieszczonych w trzech płaszczyznach orbitalnych po osiem satelitów[35].

Regionalne systemy nawigacji satelitarnej

[edytuj | edytuj kod]

Regionalne systemy GNSS zapewniają usługi pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu na ograniczonym obszarze geograficznym. Nie są globalnymi systemami takimi jak GPS, GLONASS, Galileo czy BeiDou, ale mogą uzupełniać ich sygnały albo zapewniać regionalne usługi niezależne.

QZSS

[edytuj | edytuj kod]
 Główny artykuł: QZSS.

QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System) jest japońskim regionalnym systemem nawigacji satelitarnej, działającym w regionie Azji i Oceanii. System został zaprojektowany jako uzupełnienie GPS, tak aby zwiększyć liczbę dostępnych satelitów i stabilność wyznaczania pozycji, zwłaszcza na obszarach miejskich i górskich, gdzie sygnały satelitarne bywają zasłaniane przez budynki lub ukształtowanie terenu[2].

QZSS rozpoczął oficjalne usługi w 2018 roku jako konstelacja czterech satelitów, a następnie był rozwijany w kierunku konstelacji siedmiosatelitarnej. GPS.gov opisuje obecny QZSS jako system obejmujący siedem lub więcej satelitów, uzupełniający GPS w Azji Wschodniej i Oceanii[2][1].

[edytuj | edytuj kod]

NavIC (wcześniej IRNSS, ang. Indian Regional Navigation Satellite System) jest indyjskim regionalnym systemem nawigacji satelitarnej rozwijanym przez ISRO[3]. System został zaprojektowany do zapewniania usług pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu na obszarze Indii oraz w regionie sięgającym około 1500 km od ich granic[3].

Architektura NavIC obejmuje segment kosmiczny, naziemny i użytkownika. Konstelacja składa się z siedmiu satelitów rozmieszczonych na orbitach GEO i GSO, a system udostępnia otwartą usługę standardową (SPS) oraz szyfrowaną usługę ograniczoną (RS) dla użytkowników upoważnionych[36][3].

Systemy pokrewne i geodezyjne

[edytuj | edytuj kod]

W rozwoju technik satelitarnych obok użytkowych systemów nawigacyjnych powstawały także rozwiązania geodezyjne i radionawigacyjne. Nie są one bezpośrednimi odpowiednikami globalnych ani regionalnych systemów GNSS, ale mają znaczenie dla pomiarów geodezyjnych, wyznaczania orbit i obserwacji Ziemi.

DORIS

[edytuj | edytuj kod]
 Główny artykuł: DORIS.

DORIS to francuski dwuczęstotliwościowy system dopplerowski i technika precyzyjnego wyznaczania orbit satelitów oraz położenia punktów na Ziemi. W odróżnieniu od systemów takich jak GPS, w których nadajniki znajdują się na pokładzie satelitów, DORIS opiera się na globalnej sieci naziemnych radiolatarni, a odbiornik znajduje się na satelicie[37].

System jest wykorzystywany przede wszystkim w geodezji satelitarnej, badaniach Ziemi i monitorowaniu zmian geofizycznych, a jego zastosowania obejmują m.in. precyzyjne śledzenie trajektorii satelitów, wyznaczanie orbit i obserwację długookresowych deformacji powierzchni Ziemi[37][38][39].

Systemy wspomagające i wymagania lotnicze

[edytuj | edytuj kod]

Wymagania dla systemów nawigacji satelitarnej w lotnictwie są określane m.in. przez Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego. Materiały ICAO z 2017 roku opisywały GPS i inne istniejące systemy jako podstawę stopniowo rozwijanej infrastruktury GNSS dla lotnictwa, wymagającej dalszego doskonalenia usług i ich regionalnego wspomagania[40].

W praktyce współczesne systemy GNSS są często wspomagane przez systemy augmentacyjne, które poprawiają dokładność, dostępność i integralność rozwiązania pozycyjnego dzięki wykorzystaniu dodatkowych danych korekcyjnych[41]. Do najważniejszych należą systemy satelitarne typu SBAS, systemy naziemne typu GBAS oraz techniki różnicowe, takie jak DGNSS, RTK i PPP, stosowane zależnie od wymagań użytkownika i skali obszaru działania[41]. Przykładowe systemy SBAS to amerykański WAAS, europejski EGNOS, indyjski system GAGAN i japoński system MSAS; ich zadaniem jest nadawanie użytkownikom informacji korekcyjnych oraz ostrzeżeń o wiarygodności sygnału[42][43][44][45].

Zobacz też

[edytuj | edytuj kod]
 W Wikimedia Commons znajduje się kategoria ilustracji związanych z tematem: Nawigacja satelitarna

Przypisy

[edytuj | edytuj kod]
  1. 1 2 3 4 Other Global Navigation Satellite Systems (GNSS). GPS.gov. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  2. 1 2 3 Overview of the Quasi-Zenith Satellite System (QZSS). QZSS. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  3. 1 2 3 4 Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) : NavIC. ISRO. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  4. ↑ William H. Guier, George C. Weiffenbach. Genesis of Satellite Navigation. „Johns Hopkins APL Technical Digest”. 19 (1), s. 178–181, 1997. [dostęp 2012-04-09]. [zarchiwizowane z adresu]. (ang.).
  5. ↑ Steven Johnson: Where good ideas come from, the natural history of innovation. New York: Riverhead Books, 2010. (ang.).
  6. ↑ Harold L. Jury. Application of the Kalman Filter to Real-time Navigation using Synchronous Satellites. „Proceedings of the 10th International Symposium on Space Technology and Science”, s. 945–952, 1973. Tokyo. (ang.).
  7. ↑ Geodetic Explorer – A Press Kit, NASA, 29 października 1965 [dostęp 2015-10-20] [zarchiwizowane z adresu 2014-01-11] (ang.).
  8. ↑ SECOR Chronology, [w:] Mark Wade's Encyclopedia Astronautica [dostęp 2010-01-19] [zarchiwizowane z adresu 2010-01-16] (ang.).
  9. ↑ GLONASS General Introduction. Navipedia. [dostęp 2026-04-29]. (ang.).
  10. ↑ GPS. GPS.gov. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  11. ↑ GPS and Telling Time. GPS.gov. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  12. ↑ GPS: From launch to everyday life, „BBC News”, 15 lutego 2014 [dostęp 2025-05-21] (ang.).
  13. ↑ GPS is a cornerstone for emergency services [online], GPS World, 31 lipca 2024 [dostęp 2025-05-21] (ang.).
  14. ↑ GNSS – Instytut Geodezji i Kartografii [online], www.igik.edu.pl [dostęp 2025-05-21].
  15. 1 2 What Can GPS Do?. GPS.gov. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  16. ↑ GPS Accuracy. GPS.gov. [dostęp 2026-05-08]. (ang.).
  17. ↑ Jaume Sanz Subirana, José Miguel Juan Zornoza, Manuel Hernández-Pajares: GNSS Data Processing, Volume I: Fundamentals and Algorithms. ESA Communications, 2013. (ang.).
  18. ↑ Luca Nicolini, Alessandro Caporali. Investigation on Reference Frames and Time Systems in Multi-GNSS. „Remote Sensing”. 10 (2), s. 80, 2018. DOI: 10.3390/rs10010080. (ang.).
  19. ↑ Oliver Montenbruck; Peter Steigenberger; Lars Prange; Zheng Deng; Qilei Zhao i inni. The Multi-GNSS Experiment (MGEX) of the International GNSS Service (IGS) – Achievements, prospects and challenges. „Advances in Space Research”. 59 (7), s. 1671–1697, 2017. DOI: 10.1016/j.asr.2017.01.011. (ang.).
  20. ↑ Neil Ashby. Relativity in the Global Positioning System. „Living Reviews in Relativity”. 6 (1), s. 1, 2003. DOI: 10.12942/lrr-2003-1. (ang.).
  21. ↑ Carrier Phase Wind-up Effect [online], Europejska Agencja Kosmiczna [dostęp 2025-01-22] (ang.).
  22. ↑ Bernhard Hofmann-Wellenhof, Herbert Lichtenegger, Elmar Wasle: GNSS–global navigation satellite systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. Springer Science & Business Media, 2007, s. 144. (ang.).
  23. ↑ Peter J.G. Teunissen, Oliver Montenbruck (red.), Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems, Springer, 2017, DOI: 10.1007/978-3-319-42928-1 (ang.).
  24. 1 2 GPS. GPS.gov. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  25. ↑ Control Segment. GPS.gov. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  26. ↑ Space Segment. GPS.gov. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  27. 1 2 What is Galileo?. Europejska Agencja Kosmiczna. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  28. ↑ What is Galileo?. EUSPA. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  29. ↑ System. BeiDou Navigation Satellite System. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  30. ↑ Completion and Commissioning of the BeiDou Navigation Satellite System (BDS-3). BeiDou Navigation Satellite System. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  31. ↑ Yuanxi Yang, Weiguang Gao, Shuren Guo, Ying Mao i inni. Introduction to BeiDou-3 navigation satellite system. „Navigation”. 66 (1), s. 7–18, 2019. DOI: 10.1002/navi.291. (ang.).
  32. ↑ GLONASS General Introduction. Navipedia. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  33. ↑ GLONASS Architecture. Navipedia. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  34. ↑ GLONASS Space Segment. Navipedia. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  35. ↑ IRNSS. U R Rao Satellite Centre. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  36. 1 2 Doppler Orbitography by Radiopositioning Integrated on Satellite. NASA Earthdata. [dostęp 2026-05-08]. (ang.).
  37. ↑ DORIS. CNES. [dostęp 2026-05-08]. (ang.).
  38. ↑ Mirosław Miętus. Zmiany systemu klimatycznego Ziemi. „ACADEMIA. Magazyn Polskiej Akademii Nauk”, 2023-08-28. DOI: 10.24425/academiapan.2021.136842. ISSN 1733-8662.
  39. ↑ Mohamed Smaoui: Provisions and Regional Developments related to GNSS. ICAO Global, 2017-11. [dostęp 2025-01-22]. [zarchiwizowane z tego adresu (2024-04-16)]. (ang.).
  40. 1 2 GNSS Augmentation. Navipedia. [dostęp 2026-04-22]. (ang.).
  41. ↑ Wide Area Augmentation System (WAAS). Federal Aviation Administration. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  42. ↑ What is EGNOS?. EUSPA. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  43. ↑ What is GAGAN?. Airports Authority of India. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
  44. ↑ MSAS Signal Structure. Navipedia. [dostęp 2026-04-26]. (ang.).
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Nawigacja_satelitarna&oldid=79868545”