Nawigacja satelitarna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

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 pokrywa swoim zasięgiem całą ziemię, mówi się o systemach GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems)[1] – do takich systemów należy m.in. najpopularniejszy obecnie amerykański GPS (Global Positioning System), rosyjski GLONASS czy też europejski Galileo. Systemem, który swoim zasięgiem nie pokrywa całej Ziemi (czyli nie jest systemem GNSS), jest japoński system QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System), który dostarcza usługi na obszarze płd.-wsch. Azji i Oceanii[2].

Zarys historyczny[edytuj | edytuj kod]

Dzisiejsze systemy satelitarne zostały zapoczątkowane przez system Transit, stworzony w 1958 w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w USA. System ten miał praktyczne zastosowanie w nawigacji morskiej oraz służył jako pomoc geodezyjna i źródło częstotliwości wzorcowej. Od 1967 system Transit zaczął być sporadycznie wykorzystywany również do celów cywilnych. Na początku lat 80. stał się ogólnodostępny. Złożony z sześciu satelitów, był stosowany do 31 grudnia 1996.

W 1960 został skonstruowany system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), mający określać koordynaty ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. Z powodu zawieszenia prac nad systemem rakietowym nigdy nie zaczął funkcjonować.

SECOR (Sequential Collation of Range) to uruchomiony w kwietniu 1964 satelitarny system lokalizacyjny i nawigacyjny. Był złożony z trzynastu satelitów, stworzony na potrzeby wojsk lądowych.

W 1967 ZSRR uruchomiło swój pierwszy system nawigacyjny CYKADA.

Zasady wyznaczania pozycji[edytuj | edytuj kod]

Wyznaczanie pozycji polega na pomiarze czasu propagacji sygnału (pomiar kodowy) oraz przesunięcia fazowego (pomiar fazowy) 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 wyłącznie pomiary kodowe (dokładność ok. 30 m). W geodezji w celu zwiększenia precyzji wykorzystuje się pomiary kodowe, pomiary fazowe oraz orbity precyzyjne (współrzędne satelitów z dokładnością około 0,03 m).

Na podstawie pomiarów kodowych lub fazowych wyznaczane są odległości satelita - odbiornik. Tak wyznaczona odległość obarczona jest wieloma błędami pomiarowymi spowodowanymi: błędami zegara satelity, błędami zegara odbiornika, wpływem jonosfery, wpływem troposfery, efektami relatywistycznymi. Dlatego w pomiarach nawigacji satelitarnej wykorzystuje się systemy wspomagające, takie jak EGNOS lub serwisy ASG-EUPOS: NAWGEO, KODGIS, NAWGIS.

Znajomość odległości do satelitów pozwala na wyznaczenie współrzędnych odbiornika poprzez rozwiązanie przestrzennego wcięcia wstecz. Należy nadmienić iż obserwacje do minimalnie 4 satelitów, pozwalają na wyznaczenie pozycji odbiornika, ponieważ w równaniach występują 4 niewiadome: współrzędne odbiornika XYZ oraz poprawka do zegara odbiornika.

Przy korzystaniu z nawigacji satelitarnej uwzględniane są nie tylko efekty szczególnej teorii względności (STW), a także efekty ogólnej teorii względności (OTW), która jest jej generalizacją dla zakrzywionej czasoprzestrzeni. Te drugie to m.in. opóźnienie Shapiro, nowe linie geodezyjne (w porównaniu z teoriami nierelatywistycznymi), nowy wpływ innych niż Ziemia ciał Układu Słonecznego, phase wind-up. Efekty OTW mają wpływ na orbitę satelity, jej sygnał, jej zegar i zegar odbiornika[3].

Działające systemy nawigacji satelitarnej[edytuj | edytuj kod]

  • GPS (Global Positioning System) – satelitarny system nawigacyjny Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging), zaprojektowany jako precyzyjny system określania położenia o zasięgu globalnym początkowo głównie dla potrzeb wojskowych. System działa na zasadzie biernego pomiaru odległości między odbiornikiem a satelitami.
  • GLONASS (Global Navigation Satellite System) – jest rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar. Metoda pomiaru i działanie systemu są podobne jak w przypadku GPS-u
  • Galileo – europejski system nawigacji satelitarnej, uruchomiony 15 grudnia 2016[4]. System ma się składać z 30 satelitów (27 operujących i trzech w rezerwie) znajdujących się na trzech kołowych orbitach. W Europie mają powstać dwa centra kontrolujące pracę satelitów. Planowana pełna operacyjność system ma być uzyskana w roku 2020. Obecnie wysłanych zostały 26 satelitów[5].
  • Beidou – Chiński system nawigacji satelitarnej, który w chwili uruchomienia będzie obejmował swym zasięgiem tylko region Chin i państw sąsiadujących. Do końca 2020 roku planowane jest wystrzelenie 35 satelitów. Odbiorcom komercyjnym zapewni badanie położenia z dokładnością do 10 metrów oraz szybkości z precyzją do 0,2 metra na sekundę.
  • DORIS – (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite), to system nawigacyjny stworzony przez Francję.
  • QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System) – japoński system, który dostarcza usługi na obszarze płd.-wsch. Azji i Oceanii.

Zastosowanie nawigacji satelitarnej[edytuj | edytuj kod]

Oprócz zastosowań militarnych, system nawigacji satelitarnej jest obecnie spotkany w bardzo wielu różnych dziedzinach gospodarczych m.in. w:

  • Ratownictwie. Nadajniki określające pozycję, pozwalają na szybką lokalizację zaginionych pojazdów, samolotów, statków oraz osób.
  • Transporcie zarówno morskim, drogowym, lotniczym jak i kolejowym. Nawigacja satelitarna ma zastosowanie w automatycznej identyfikacji poruszających się obiektów, do sterowania ich trasami i ostrzegania o potencjalnych zagrożeniach.
  • Nawigacji osobistej, zaczynając od pomocy w identyfikacji nieznanego terenu i dostarczaniu o nim adekwatnych informacji, poprzez nadzór nad pracownikami podczas pracy w sytuacjach zagrożenia, aż do szeroko rozumianej rekreacji.
  • Administracji publicznej np. w finansach, bankowości. Systemy nawigacji satelitarnej ze swymi certyfikowanymi znacznikami czasu będą mogły zapewnić autentyczność i bezpieczeństwo elektronicznego systemu przesyłania danych. Prawdopodobieństwo nadużyć ulegnie zmniejszeniu, a wszelkie transakcje będą archiwizowane w jednorodnym i godnym zaufania systemie czasu.
  • Geodezji, do określania położenia nadajnika z dokładnością sięgającą kilku milimetrów dzięki zastosowaniu pomiaru różnicowego i pomiaru faz fali nośnych, na których kody są modulowane.

Specyfikacja i wymagania[edytuj | edytuj kod]

Wymagania na systemy nawigacji satelitarnej (w szczególności systemy globalne – GNSS) zostały określone m.in. przez Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego. Zdaniem organizacji istniejące systemy (takie jak GPS) nie spełniają pożądanych wymagań (związanych z transportem lotniczym), lecz mogą stać się podstawą do budowy przyszłych sieci w sposób ewolucyjnego udoskonalania istniejących systemów[6].

Koncepcja tak rozumianego docelowego systemu zakłada eliminację typowych niedomagań GPS poprzez zwielokrotnienie źródeł informacji pozycyjnej, zapewnienie nieprzerwanego dopływu danych korekcyjnych oraz możliwość stałego monitoringu jakości danych pozycyjnych. Faza pierwsza (zwana GNSS-1) bazuje na istniejących segmentach orbitalnych GPS Navstar i rosyjskiego systemu GLONASS. Rozwinięciem GNSS-1 ma być GNSS-2. Konstelacja satelitów nawigacyjnych będzie obejmować satelity GPS Navstar typu II F, GLONASS M i Galileo. Dokładność wynosi 30-100 metrów i wciąż trwają prace badawcze w celu jej poprawy[7].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. GNSS - definicja, Geoforum.
  2. QZSS - japońskie rozszerzenie systemu GPS, Radiotech.pl - Portal Radiokomunikacji Profesjonalnej [dostęp 2019-06-19].
  3. Hofmann-Wellenhof, Bernhard, Herbert Lichtenegger, Elmar Wasle. GNSS–global navigation satellite systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. Springer Science & Business Media, 2007. APA. str. 144
  4. Galileo begins serving the globe (ang.). Europejska Agencja Kosmiczna, 2016-12-05.
  5. How many Galileo satellites are now in orbit?, galileognss.eu [dostęp 2019-06-19] (ang.).
  6. ICAO Global Mohamed Smaoui: "Provisions and Regional Developments related to GNSS", Rabat, Morocco, 7‐8 November 2017
  7. Roman Pniewski, Rafał Kowalik. Modulacja AltBOC w sygnałach GNSS i jej wpływ na osiąganą dokładność pozycji obiektów ruchomych. „Logistyka”. Poznań: Instytut Logistyki i Magazynowania. ISSN 1231-5478. [dostęp 2016-07-16].