Nawigacja satelitarna będzie dużo lepsza. Bo satelity będą szybciej krążyć wokół Ziemi

Zastanawialiście się, jak kiedyś pływano po oceanach, gdy nie było GNSS, czyli systemów globalnej nawigacji satelitarnej, które potocznie określamy mianem GPS? Jak latały samoloty, gdy trzeba było inaczej nawigować niż dzięki informacjom, które dziś każdy ma w swoim telefonie? I nie było internetowych zestawień najlepszej samochodowej nawigacji.

Satelity w nawigacji wykorzystywano na długo zanim powstał GPS

Gdyby cofnąć się niewiele w czasie, do epoki, gdy na orbicie Ziemi znajdowały się już satelity, pomocą w odpowiedzi na powyższe pytania, są niedawne pomysły, by wykorzystać sygnały nadawane przez satelity sieci Starlink do określania pozycji na Ziemi. Wtedy zanim powstał GPS, GLONASS, GALILEO i jeszcze kilka innych systemów nawigacji satelitarnej, do określania pozycji również wykorzystywano satelity.

Nie przeznaczone bezpośrednio do tego celu, ale dzięki metodzie dopplerowskiego określania pozycji źródła sygnału, można było dość dobrze określić pozycję statku na oceanie. Pierwsze próby podejmowano już po umieszczeniu przez Związek Radziecki satelity Sputnik 1. Potem dość szybko powstał system Transit, który był w praktyce pierwszym systemem nawigacji satelitarnej. Działał od 1963 roku (oficjalnie uruchomiono go w 1968 roku) do 1996 roku, gdy oficjalnie został wyłączony.

Po lewej satelita SECOR, prototypowego systemu do określania pozycji obiektów na Ziemi. Po prawej satelita systemu Transit (fot: JHUAPL, NASA)

Nawigacja w czasach przedsatelitarnych

Zanim na dobre satelitarna nawigacja zaczęła być wykorzystywana w komunikacji, stosowano sygnały z naziemnych nadajników radiowych, na podstawie których określano pozycję statku, samolotu. Potem pojawiły się, wciąż stosowane, systemy INS (nawigacja bezwładnościowa), które wykorzystują informacje z zestawu sensorów (żyroskopy, akcelerometry, magnetometry) do określenia tempa i kierunku ruchu. Zautomatyzowały one wcześniejsze pomiary tego typu wykonywane przez człowieka.

System nawigacji bezwładnościowej, taki jak stosowano go kiedyś na okrętach podwodnych (fot: National Air and Space Museum, Smithsonian Institution)

Zanim takie rozwiązania stały się powszechne w XX wieku, gdy nie wystarczała już nawigacja wizualna, a samolot był daleko od lotniska i wysoko na niebie, wciąż istotna była nawigacja na podstawie gwiazd, Słońca i Księżyca, tak jak przez setki, a nawet tysiące lat wcześniej, podczas podróży morskich.

Zwykły użytkownik nawigacji satelitarnej nawet nie zastanawia się jak to działa

Dziś akceptując uprawnienia aplikacji mobilnej do określania naszej pozycji na podstawie danych satelitarnych (bo pozycję można określić także na podstawie innych cech środowiska, w którym się znajdujemy, np. adresu IP pobliskiej sieci), zwykle nie zastanawiamy się nad odpowiedzią na pytania, ile satelitów potrzeba do poprawnego wyznaczenia pozycji (powinny być przynajmniej 3, a najlepiej 4, by dokonać korekty błędów zegara w odbiorniku). Czy tym, że w nawigacji satelitarnej bardzo istotny jest dokładny pomiar czasu, a uwzględnianie efektów relatywistycznych jest czymś oczywistym.

Już na w połowie lat 90. XX wieku Sony oferowało w Polsce system nawigacji satelitarnej Pyxis bazujący na sieci satelitów GPS, skierowany do żeglarzy. Było to urządzenie o rozmiarach trochę większych od dysku 3,5 cala i porównywalnej wadze

W tym tekście nie zajmujemy się jednak technikaliami GNSS, a skupiamy się na kwestiach ilościowych, czyli tym ile systemów nawigacji obecnie mamy i jak te stan może zmienić się w przyszłości.

Działające obecnie systemy GNSS na świecie

Każdy system GNSS zapewnia różną precyzję detekcji pozycji (od kilku metrów do poniżej metra) zależnie od typu odbiorcy, które chce się nią posługiwać (cywilny, militarny). Systemy dzielimy też na globalne i lokalne, czyli takie, które zadziałają na całym świecie, a także takie, które działają tylko lokalnie, jak japoński QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) operujący w regionie Azji i Oceanii, czy NavIC (NAVigation with Indian Constellation) obsługujący rejon Indii i okolic.

Z perspektywy zwykłego użytkownika, czyli osoby, która posługuje się smartfonem do określania pozycji, nie jest istotne, który system w danej chwili jest w zasięgu i oferuje najlepszy sygnał. Stosowane układy w smartfonach, czasem oddzielne, najczęściej zintegrowane z chipsetem, obsługują więcej niż jedną konstelację satelitów (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou).

Dziś nawigacja satelitarna to nie tylko domena podróżników, nawet takie urządzenia jak traktory, miejska komunikacja czy nawet hulajnogi elektryczne wynajmowane na czas, nie moga obyć się przez popularnego GPSu (na zdjęciu wizualizacja satelitów Galileo)

Ciekawa zabawą może być użycie np. aplikacji GPSTest (wersja dla Android), która pokazuje ile satelitów jest obecnie w zasięgu naszego telefonu oraz, które aktualnie są wykorzystywane do określenia pozycji.

Poniżej zestawienie globalnych systemów GNSS (realna liczba satelitów jest większa niż ta, które obecnie działają, ze względu na stopniowe uzupełnianie sieci i wycofywanie nieaktywnych już jej elementów, a także obecność satelitów zapasowych):

• GPS, czyli Global Positioning System - to amerykańska sieć, działająca w pełni od 1993 roku (prototypowy satelita trafił na orbitę w 1978 roku), wykorzystuje 31 satelitów na orbicie około 20180 km nad Ziemią
• GLONASS, czyli GLObal NAvigation Satellite System - to rosyjska sieć, działająca w pełni od 2011 roku (po raz pierwszy działała już w 1995 roku), wykorzystuje 22 satelity na orbicie 19130 km nad Ziemią
• Galileo - to sieć europejska, która dopiero w 2021 roku osiągnęła pełną funkcjonalność operacyjną, wykorzystuje 23 satelity na orbicie 23222 km nad Ziemią
• BDS, czyli BeiDou Navigation Satellite System - to chiński system nawigacji, który doczekał się już kilku generacji, najnowsza to 3 generacja satelitów z 2020 roku, wykorzystuje 5 satelitów na orbicie geostacjonarnej (35786 km) i 30 satelitów na orbicie 21150 km nad Ziemią

Ponieważ są to systemy globalne, ich użytkownicy mają w danym momencie dostęp do ograniczonej liczby satelitów w danym momencie, które znajdują się w zasięgu widzenia urządzeń wyposażonych w układy GNSS. Warto tu zauważyć, że niektóre urządzenia mobilne, w tym ubieralne, mogą bazować na informacjach udostępnianych przez połączony z nimi telefon, ale też mogą mieć własne układy do określania tej pozycji. Z oczywistych powodów to drugie rozwiązanie jest najpraktyczniejsze.

Europejski pomysł na sieć satelitów GNSS na niskiej orbicie

Obecne globalne systemy pozycjonowania to satelity na orbitach MEO (średnia orbita ziemska, czyli około 20 tysięcy km nad Ziemią) lub orbicie GEO (geostacjonarna). Korzysta z nich według danych za 2021 roku około 6,5 miliarda urządzeń, a ich rynek rośnie w tempie 10% rocznie. Niedługo będzie ich więcej niż ludzi na Ziemi (w połowie listopada 2022 roku ludzka populacja osiągnie 8 miliardów).

Pojemność dzisiejszych sieci GNSS jak i siła ich sygnału może w końcu okazać się niewystarczająca dla rosnących potrzeb użytkowników.

Koncepcja sieci satelitów na niskich orbitach wokół Ziemi

Wychodząc z takiego założenia ESA zaproponowała system LEO-PNT (Low Eart Orbit - Positioning, Navigation and Timing) z flotą satelitów umieszczonych na orbicie kilkuset km nad Ziemią, która mogłaby współpracować z satelitami Galileo. Na podobnych wysokościach operują również satelity telekomunikacyjne Starlink.

Dzięki współpracy sieci satelitów na wyższych i niższych orbitach wokółziemskich udałoby się wprowadzić nawigację satelitarną na nowy poziom. Ustalanie pozycji byłoby znacznie szybsze, błędy mniejsze, a sygnał mógłby penetrować dokładniej wnętrza zabudowań

Sieć GNSS zlokalizowana na niskiej orbicie (LEO) miałaby ewidentne zalety. Moc sygnału satelitów byłaby większa, ich pozycję, ze względu na szybszy ruch po takiej niskiej orbicie względem odbiorcy, dałoby się precyzyjniej określić. Na dodatek orbita LEO zapewnia lepszą ochronę elektroniki na pokładzie takiego satelity przed zakłóceniami z przestrzeni kosmicznej, na przykład burzami magnetycznymi. Sam satelita byłby też wielokrotnie mniejszy (Galileo waży około 700 kg, satelita LEO-PNT ważyłby około 70 kg, czyli cztery razy mniej niż obecne Starlinki), tańszy w produkcji oraz łatwiejszy do wymiany.

Łączna liczba satelitów do nawigacji satelitarnej może być większa niż Starlinków

Zakładając, że powstaną sieci LEO-PNT i to nie tylko taka wdrożona przez ESA, ale też przez innych operatorów, a do pracy na rzecz pozycjonowania uda się zmusić również satelity Starlink, to nie jest błędem twierdzenie, że łączna liczba satelitów nawigacyjnych będzie większa niż liczebność tej ostatniej sieci.

Sieć LEO-PNT pozwoliłby na skuteczne określanie pozycji użytkownika nie tylko na zewnątrz pomieszczeń jak to ma miejsce obecnie, ale również wewnątrz, przy jednoczesnej większej odporności na wszelkiego typu radiowe zakłócenia.

Źródło: inf. własna, ESA, Orolia, Geospatialworld, fot wejściowe: ESA / P. Carril