Nawigacja satelitarna

Z Wiki XperiaSite.pl
Skocz do: nawigacja, szukaj

Nawigacja satelitarna, zwana też satnav (od ang. satellite navigation) to system wykorzystujący satelity do geoprzestrzennego pozycjonowania. Dzięki temu odbiorniki GPS mogą ustalić swoją pozycję, czyli długość i szerokość geograficzną oraz wysokość (stosunek do poziomu morza). Działa to poprzez wykorzystanie czasowych sygnałów wysyłanych przez satelity.

Dodatkową funkcją nawigacji satelitarnych jest możliwość bardzo precyzyjnego ustalenia czasu, co znacznie ułatwia synchronizację.

Wykorzystanie własnych satelit pozwala na niezależność od innych systemów (internetowych, telefonicznych lub innych).

Do pokrycia całej planety wystarczy 18-30 satelit MEO (medium Earth orbit) znajdujących się na różnych orbitach. Satelity są ustawione pod kątem do 50° w stosunku do płaszczyzny równika, a na obieg dookoła Ziemi wystarczy im nawet 12 godzin (system GPS).

Klasyfikacja

Systemy pozycjonowania udostępnione dla nawigacji cywilnej, a które są odpowiednio precyzyjne klasyfikuje się jako:

  • GNSS-1 - pierwsza generacja satelitarnych systemów nawigacji o zasięgu globalnym. Jest kombinacją systemów GPS i GLONASS oraz systemów SBAS (satelitarnego systemu wspomagającego) i GBAS (naziemnego systemu wspomagającego). SBASem w USA jest system WAAS, w Europie - EGNOS, a w Japonii - MSAS. GBASami są zazwyczaj regionalne systemy typu LAAS.
  • GNSS-2 - system drugiej generacji, który jest systemem całkowicie niezależnym. Takim systemem jest europejski Galileo.
  • RNSS - regionalne systemy satelitarne - BeiDou-1 (Chiny), NAVIC (Indie), QZSS (Japonia) oraz DORIS (Francja).
  • Core systems - systemy "pełne" i niezależne od innych - GPS (USA), GLONASS (Rosja), Galileo (UE) i BeiDou-2 (Chiny).
  • Globalne SBAS - satelitarne systemy wspomagające działające globalnie - OmniSTAR, czy StarFire.
  • Regionalne SBAS - satelitarne systemy wspomagające o zasięgu regionalnym - WAAS (USA), EGNOS (EU), MSAS (Japonia), czy GAGAN (Indie).
  • Kontynentalne GBAS - naziemne systemy wspomagające kontynentalne - Honeywall SmartPath (Australia) i DGPS (USA i Kanada).
  • Redionalne GBAS - naziemne systemy wspomagające o zasięgu regionalnym - CORS (USA).
  • Lokalne GBAS - służą do korekcji RTK (Real Time Konematic).

Historia

Nawigacja radiowa istnieje już od dłuższego czasu. Systemy jak DECCA, LORAN, GEE, czy Omega działają poprzez odbieranie fal długich pochodzących z transmiterów o znanym położeniu (zazwyczaj więcej niż jednej fali - jedna pochodziła od stacji oznaczonej jako "master", a reszta od stacji "slave"). Różnica w czasie dotarcia fal pozwalała na określenie pozycji.

Pierwszy system satelitarny pojawił się w latach 60. Był nim amerykański Transit, który działał przy wykorzystaniu efektu Dopplera - satelity podróżowały po określonych ścieżkach i wysyłały sygnały o znanej częstotliwości. Odbiornik odbierając kilka kolejnych sygnałów, określał ruch satelity, dzięki czemu mógł określić własne położenia.

Ustawienie satelit

Poprawne ustawienie satelit jest bardzo ważne, stąd obserwatoria należące do odpowiednich jednostek (np. US Naval Observatory) stale obserwują satelity. W k=momencie, gdy ustawienie jest niepoprawne, wysyłana jest komenda nakazująca zmianę położenia w celu powrotu na poprawną orbitę.

Nowoczesne systemy podczas przesyłu danych oraz czasu wysłania sygnału, wysyłają także informacje o przybliżonej drodze jaką przebędzie satelita w najbliższym czasie. Odbiornik naziemny porównuje czas z własnym (pochodzącym z zegara atomowego), przelicza dane co do położenia i w razie potrzeby nakazuje zmianę kursu.

Globalne systemy nawigacyjne

Aktywne GNSS

GPS

Główna strona: Global Positioning System

Amerykański system pozycjonowania Global Positioning System. Działa wykorzystując 32 satelity. Aktywny od 1978 roku, jednak dopiero od 1994 jest dostępny globalnie. Obecnie najczęściej wykorzystywany system pozycjonowania na świecie.

GLONASS

Główna strona: GLONASS

Początkowo sowiecki, a obecnie rosyjski system nawigacji satelitarnej. GLONASS to skrót od Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (czyli po prostu GNSS). Jest to system nawigacji satelitarnej wykorzystywany zarówno przez jednostki cywilne jak i Rosyjskie Siły Powietrzne (do 2014 jedynie przez ich część - Rosyjskie Defensywne Siły Powietrzne).

W chwili obecnej składa się z 24 satelity dających pełne pokrycie naszej planety.

Galileo

Główna strona: Galileo

Galileo to system powstały we współpracy między Unią Europejską i Europejską Agencją Kosmiczną, jako alternatywa i opcja uniezależnienia się od amerykańskiego GPSa.

Pierwsze projekty pojawiły się już w 2002 roku, jednak operacyjność system uzyskał dopiero 15 grudnia 2016 (i nie była to pełna operacyjność jak systemów GPS i GLONASS). Oryginalnie zakładano, że uda uzyskać się ją wcześniej, bo w 2010 roku, jednak dopiero w 2005 udało się wysłać pierwszą, i to eksperymentalną, satelitę, przez co datę tą wydłużono do roku 2014. Ostatecznie zajęło to dodatkowe 2 lata. Pełna operacyjność ma być osiągnięta do 2020 roku poprzez uruchomienie wszystkich 30 satelit MEO.

System ten i nowa generacja systemu GPS (nowe satelity GPS Block IIIA, które wejdą do użycia w 2018 roku) mają być kompatybilne, co pozwoli na łączenie ich sygnałów w odbiorniku, a więc i na jeszcze lepsze pokrycie i dokładność.

BeiDou-2

Główna strona: BeiDou Navigation Satellite System

BeiDou Navigation Satellite System 2 generacji to chiński system nawigacji satelitarnej, początkowo znany jako COMPASS.

System ten ma się składać z 30 satelit MEO i 5 satelit geostacjonarnych.

Do 2020 roku ma pokryć całą planetę, jednak w chwili obecnej (jako BeiDou-1) pokrywa jedynie obszar Azji Wschodniej (Pacyficznej).

Aktywne RNSS

BeiDou-1

Główna strona: BeiDou Navigation Satellite System

BeiDou 1 generacji to regionalny system produkcji chińskiej, który swoim zasięgiem pokrywa obszar Azji Wschodniej.

Składa się z 16 satelit i jej w trakcie rozwoju do systemu BeiDou-2 składającego się z 35 satelit i pokrywającego cały glob.

NAVIC

Główna strona: Navigation with Indian Constellation

Indyjski system będący odpowiedzią na chińskie BeiDou. Jego pełna nazwa to Navigation with Indian Constellation i jest systemem całkowicie niezależnym od innych.

Projekt został zaaprobowany przez rząd indyjski w maju 2006 roku, a jego wdrażanie rozpoczęło się 1 lipca 2013. 28 kwietnia 2016 roku na swojej orbicie znalazła się ostatnia satelita.

System składa się z 7 satelit - 3 znajdują się na orbicie geostacjonarnej, a 4 na geosynchronicznej.

QZSS

Główna strona: Quasi-Zenith Satellite System

Quasi-Zenith Satellite System to system składający się z 3 satelit, który porywa Japonię i działa jako wzmocnienie systemu GPS.

Dodatkowo satelity pozwalają na precyzyjniejsze ustawienie oficjalnego czasu w Japonii.

DORIS

Główna strona: Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite

Détermination d'Orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite to francuski system satelitarny, którego głównym celem jest określanie orbit innych satelit, choć dodatkowo służyć może do pozycjonowania.

Satelityorbity.png
Orbity, po których poruszają się satelity poszczególnych systemów GNSS oraz inne ważne orbity dla odniesienia.

Porównanie systemów

System GPS GLONASS Galileo BeiDou NAVIC QZSS DORIS
Właściciel USA Rosja Unia Europejska Chiny Indie Japonia Francja
Kodowanie CDMA FDMA CDMA CDMA CDMA CDMA CDMA
Pokrycie Globalne Globalne Globalne Regionalne
(globalne w 2020 roku)
Regionalne Regionalne Regionalne
Orbita
(km)
20.180 19.130 23.222 21.150 36.000 32.000 700-1.350
(zależnie od satelity)
Okres 11 h 58 min 11 h 16 min 14 h 5 min 12 h 38 min 23 h 56 min
(+0,1 min)
b/d 1 h 39 min (CryoSAT-2)
1h 40 min (Enviasat)
1h 52 min (Jason-1 i -2)
Docelowa liczba satelit 31 28
24 operacyjne, 2 podczas kontroli, 2 podczas testów
30 MEO 35
30 MEO i 5 GEO
7
4 MEO i 3 GEO
7 brak
Status satelit 31 aktywne 24 aktywne 18 aktywne
12 w drodze
22 aktywne
40 w drodze
6 aktywne
1 częściowo aktywna
4 aktywne
3 w drodze
6 aktywne
Częstotliwość
(GHz)
1.2276 (L2)
1.57542 (L1)
1.246 (SP)
1.602 (SP)
1.164–1.215 (E5a i E5b)
1.260–1.300 (E6)
1.559–1.592 (E2-L1-E11)
1.20714 (B2)
1.26852 (B3)
1.589742 (B1-2)
1.561098 (B1)
0,117645 (L5)
0,2492028 (S)
b/d 2 - 4 (pasmo S)
8 - 12 (pasmo X)
Dokładność
(m)
15 (bez WAAS i DGPS) 4,5 - 7,4 1 (publiczne)
0,01 (kodowane)
10 (publiczne)
0,1 (kodowane)
10 (publiczne)
0,1 (kodowane)
1 (publiczne)
0,1 (kodowane)
b/d

Sieci telefonii satelitarnej o niskiej orbicie

Systemy typu LEO (ang. low Earth orbit) korzystają z satelit do łączności, jednak te same satelity mogą też posłużyć do pozycjonowania odbiornika. Niestety nie są zbyt dokładne (do kilku kilometrów). Działaniem przypominają system francuski DORIS, ponieważ także wykorzystują efekt Dopplera do uzyskania przybliżonego położenia.

Przykładowe systemy tego typu to:

  • Globalstar - składa się z 44 satelit, wciąż jest aktywny,
  • Iridium - aktywny system złożony z 66 satelit na orbicie polarnej,
  • Orbcom - nieaktywny już system złożony z 48 satelit.
SBAS.png
Mapa z zaznaczonymi obszarami, które obejmują poszczególne SBASy.

Systemy wspomagające

Są to systemy pozwalające na poprawę dokładności, stabilności oraz dostępności systemów typu GNSS, poprzez dodanie zewnętrznych danych do procesu kalkulacji pozycji.

Satelitarne

Systemy typu SBAS (ang. satellite-based augmentation system) to systemy wspierające GNSS o sporym zasięgu działania poprzez wykorzystanie dodatkowych danych dostarczanych przez satelity nie związane z danym GNSS.

Wyróżniamy:

  • Wide Area Augmentation System (WAAS) - system, którego operatorem jest FAA (United States Federal Aviation Administration),
  • European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) - obsługiwana przez ESSP (European Satellite Services Provider), choć należy do GSA (European GNSS Agency),
  • Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) - system obsługiwany przez japońskie Biuro Lotnictwa Cywilnego będące organizacją podlegającą Ministerstwu Gospodarki Gruntami, Infrastruktury, Transportu i Turystyki,
  • Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) - choć jest to system RNSS, to jednym z jego zadań jest wspieranie działania systemu GPS,
  • GPS Aided Geo Augmented Navigation (GAGAN) - indyjski system wspierający GPS,
  • System for Differential Correction and Monitoring (SDCM) - zaproponowany przez Rosję system wspierający GLONASS,
  • Satellite Navigation Augmentation System (SNAS) - zaproponowany przez Chiny system wspierający istniejące GNSS (nie tylko BeiDou),
  • Wide Area GPS Enhancement (WAGE) - militarny system obsługiwany przez Departament Obrony USA,
  • StarFire - komercyjny RNSS należący do Johna Deere oraz firmy C-Nav Positioning Solutions (Oceaneering),
  • Starfix DGPS System i OmniSTAR system - komercyjny system RNSS obsługiwany przez firmę Fugro,
  • GPS Correction (GPS-C) - nieaktywny już kanadyjski system korekcji GPS.

Naziemne

Naziemne systemy GBAS (ang. ground-based augmentation system) lub GRAS (ang. ground-based regional augmentation system) wykorzystują stacje znajdujące się na ziemi, które przeliczają dane wysłane do nich przez GNSS. Każda ze stacji zawiera także transmiter, który przekazuje dane bezpośrednio do użytkownika końcowego (odbiornika).

Zazwyczaj GBASy wykorzystują fale bardzo wysokiej częstotliwości (VHF) i mają zasięg do 23 mil morskich (ok. 12,5 km). Jakość działania systemu GBAS jest zależna od odległości od transmittera - im bliżej tym lepsza.

GBASy są bardzo istotne dla bezpieczeństwa w lotnictwie, zwłaszcza podczas lądowania, gdzie informacje na temat bardzo dokładnej pozycji są niezmiernie ważne.

Przykładowe GBASy:

  • International Civil Aviation Organization Ground-Based Augmentation System (wcześniej zwany LASS od ang. Local Area Augmentation System) - wykorzystywane do pozycjonowania na lotniskach,
  • Nationwide Differential GPS System (NDGPS) - system dla użytkowników na lądzie i wodach USA,
  • Differential GPS (DGPS) - wspólny system GBAS USA i Kanady,
  • Honeywell SmartPath - australijski system typu GBAS.