Jeszcze niedawno cywilna nawigacja satelitarna ograniczała się do jednego systemu, jednej częstotliwości i dwóch tuzinów satelitów. Za kilka lat te wartości będą kilkukrotnie wyższa. Wszystko świetnie, tylko co z tego będzie mieć przeciętny zjadacz chleba? Ano, całkiem sporo praktycznych korzyści!

Aby móc wyznaczyć pozycję, potrzeba ich minimum cztery. Sęk w tym, że przy takiej właśnie liczbie inicjalizacja pomiarów (zwana „łapaniem fiksa”) trwa stosunkowo długo – nawet kilka minut. A gdy już mamy to za sobą, to z powodu niekorzystnego układu satelitów dokładność pomiaru spada z kilku do nawet kilkudziesięciu metrów.

Korzystając tylko z jednego globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS – Global Navigation Satellite System), takie sytuacje wcale nie należą do rzadkości. Można się o tym przekonać, bawiąc się narzędziem do planowania pomiarów satelitarnych. Przykładowo, w Warszawie przy idealnie odsłoniętym niebie i korzystaniu tylko z jednego systemu nawigacji (tj. GPS) nasz odbiornik „widzi” 11-15 satelitów. Nieźle! Ale w obszarze mocno zabudowanym (załóżmy, że przy horyzoncie zasłoniętym do wysokości 45 stopni) ta liczba spada już do 3-6. Ze złapaniem fiksa może być więc kłopot.

↓ Liczba satelitów nawigacyjnych widocznych przynajmniej 45 stopni powyżej horyzontu w Warszawie. Jak widać, im więcej systemów, tym większa szansa złapania fiksa

Problem rozwiązuje dodanie nowych systemów – rosyjski GLONASS zwiększy tę liczbę do maksymalnie 8, jeśli dorzucić jeszcze europejski Galileo, będzie to już 9, a razem z chińskim BeiDou – do 11. A większość tych systemów jest wciąż rozbudowywanych, więc wartości te wkrótce wzrosną! Zarówno dla amatorów, jak i profesjonalistów oznacza to znacznie szybszego fiksa i wyraźnie dokładniejszy pomiar – szczególnie w mieście, lesie czy w górach.

Jak to jednak w życiu bywa, nie ma róży bez kolców – odbiór większej liczby satelitów oznacza zauważalny wzrost zużycia energii. Z tego powodu w amatorskich urządzeniach dodatkowe systemy włączane są dopiero w trudniejszych warunkach pomiarowych. W bardziej profesjonalnym sprzęcie możemy na ogół ręcznie włączać i wyłączać wybrane systemy.

↓ Tak zmieniała się i będzie się zmieniać liczba satelitów GNSS. Systemy WAAS, EGNOS, GAGAN, MSAS i SDCM to rozwiązania, o których tu nie piszemy. Nie są to bowiem satelity nadające typowe sygnały nawigacyjne, ale poprawki do nich (fot. raport roczny projektu Multi-GNSS)

A co nam po dodatkowych częstotliwościach? Te zapewniają przede wszystkim wyższą dokładność pomiaru. Jak to możliwe? Otóż w jonosferze sygnał satelitarny nie biegnie idealnie po linii prostej, a jego prędkość się zmienia. Tak powstaje tzw. opóźnienie jonosferyczne – jedna z bardziej znaczących składowych błędu pomiarów GNSS (od kilku do nawet kilkudziesięciu metrów). A co ma on wspólnego z dodatkowymi sygnałami satelitarnymi? Otóż opóźnienie dla każdej częstotliwości jest inne. Jeśli więc odbiornik śledzi dwie częstotliwości nadawane z tego samego satelity, to można w dużym stopniu wyeliminować błąd związany z tym zjawiskiem. Inna zaleta płynąca z wielu częstotliwości to zwiększa wiarygodność pomiaru, np. w razie celowego lub przypadkowego zakłócania lub awarii jednego z nadajników satelity.

Poza tym nowe sygnały GNSS to nowe możliwości – np. jeszcze lepsza dokładność pomiaru czy zwiększona odporność na zakłócenia. Dedykowane częstotliwości mają lub będą mieć np. piloci, armia, służby ratunkowe i porządkowe lub… ci, co za dostęp do nich zapłacą. Zasadniczą wadą pracy na kilku częstotliwościach jest natomiast kilkukrotnie wyższa cena odbiornika. Patrząc jednak na ewolucję rynku GNSS, nie ma wątpliwości, że będzie ona szybko spadać.

Wszystkie te możliwości brzmią pięknie, szkoda tylko, że trochę musimy jeszcze na nie poczekać. Budowa i modernizacja systemów GNSS idzie bowiem jak krew z nosa.

GPS trwa i trwa mać

Tak jak marka Adidas stała się powszechnym określeniem sportowych butów, tak GPS został synonimem nawigacji satelitarnej. Nic dziwnego, wszak to pierwszy i przez długi czas jedyny system GNSS. Wydaje się więc, że jego funkcjonowanie jest czymś oczywistym. Otóż, niekoniecznie! Wprawdzie obecnie administratorzy GPS-a chwalą się rekordowym tempem wystrzeliwania satelitów (w 2014 i 2015 r. wyniesiono ich aż 7), to perspektywy na najbliższą przyszłość rysują się w ciemnych barwach.

Obecnie kończy się wystrzeliwanie aparatów generacji IIF (wyniesiono już 11 z 12). Wyróżnia je m.in. nadawanie już na trzech cywilnych częstotliwościach (oprócz podstawowego kanału L1, również na nowych L2C i L5) oraz na nowym wojskowym kanale M, a także większa odporność emitowanych sygnałów na celowe lub przypadkowe zakłócanie.

W następnej kolejności na orbity miały trafiać satelity trzeciej generacji. Ich najważniejszym wyróżnikiem miało być nadawanie na udoskonalonym podstawowym cywilnym kanale L1 (to ten, który jest śledzony przez nasze smartfony i tablety), który ma zostać przemianowany na L1C. Ta dodatkowa literka to wbrew pozorom zapowiedź sporej zmiany.

Po pierwsze, sygnał ma być bardziej zbliżony do tego nadawanego przez Galileo, co oznacza lepsze i tańsze odbiorniki wielosystemowe. Po drugie, L1C ma mieć większą moc niż L1, co przełoży się na lepsze wyznaczanie pozycji w trudnych warunkach pomiarowych, w tym większą odporność za zakłócanie, i to dla wszystkich użytkowników systemu. Poza tym satelity III generacji miały zapewnić globalną dostępność sygnału L2C (przeznaczonego dla geodezji i GIS-u) oraz L5 (dla służb ratowniczych i lotnictwa).

Miały, ale ich wystrzelenie mocno się opóźnia. Start pierwszego aparatu tego bloku wstępnie planowano na rok 2014, ale wskutek problemów technicznych przesunięto go na rok 2017 (na razie). Oznacza to, że na pełne pokrycie świata sygnałami L2C trzeba poczekać do roku 2018, a w przypadku L5 – do 2021 r.

↓ Aktualna dostępność sygnału GPS L2C, który ma ułatwić wykonywanie dokładnych pomiarów satelitarnych. Dodajmy, że na razie sygnał jest w fazie testów. Ma się to zmienić wkrótce (fot. GPS Directorate)

↓ Aktualna dostępność sygnału GPS L5, który ma służyć przede wszystkim służbom ratunkowym. Dodajmy, że na razie sygnał jest w fazie testów. Ma się to zmienić wkrótce (fot. GPS Directorate)

Co gorsza, by uruchomić nowe możliwości satelitów III generacji potrzeba zmodernizować segment naziemny do tzw. standardu OCX. Niestety, i to się mocno opóźnia. Możliwe, że rozwiązanie to będzie gotowe dopiero w roku 2023! Zaniepokojony tym poślizgiem amerykański odpowiednik NIK-u alarmuje, że za kilka lat nie da się wykluczyć lokalnych niedostępności takiej liczby satelitów GPS, która jest niezbędna do złapania fiksa. Administrator systemu zarzeka się jednak, że taka sytuacja jest wykluczona.

Polityczny GLONASS

Ewolucja rosyjskiego systemu nawigacji jest ściśle związana z najnowszą historią tego kraju. Pomysł budowy systemu był oczywiście zimnowojenną odpowiedzią na plany uruchomienia GPS. GLONASS udało się jednak uruchomić już po upadku „żelaznej kurtyny”, w 1995 roku. Raptem kilka lat później, wskutek kłopotów gospodarczych związanych m.in. z pierestrojką, starty kolejnych satelitów wstrzymano, a liczebność konstelacji szybko spadła poniżej 24 aparatów, niezbędnych do utrzymania globalnej dostępności sygnałów.

Losy systemu odwróciły się, gdy na Kremlu zasiadł Władimir Putin, dla którego GLONASS stał się oczkiem w głowie. Nie tylko zwiększył on finansowanie systemu, tak że w 2011 roku udało się ponownie ogłosić jego pełną operacyjność, ale także – strasząc cłami zaporowymi – zmusił producentów elektroniki do montowania w swych urządzeniach odbiorników śledzących również GLONASS. To właśnie dzięki temu obsługa tego systemu w smartfonach i tabletach stała się standardem.

↓ Władimir Putin z urządzeniem nawigacyjnym systemu GLONASS – władca Rosji nawet nie ukrywa, że GLONASS to jego oczko w głowie. Gdyby nie jego zaangażowanie, system z pewnością by upadł (fot. Kremlin.ru)

Teraz – jak wiadomo – w Rosji znów nie dzieje się najlepiej. Dla GLONASS-a problemem okazały się sankcje gospodarcze nałożone na ten kraj, w wyniku których Rosjanie nie mogą sprowadzać niektórych komponentów satelitów nowej generacji K. A blok ten miał wprowadzić w tym systemie sporo zmian. Nowe aparaty mają być lżejsze, być bardziej żywotne, oferować nawet 4-krotnie wyższą dokładność pozycjonowania i nadawać na nowym cywilnym kanale L3. Bodaj najważniejszą nowością jest jednak zmiana technologii wielodostępu z FDMA na CDMA. Mówiąc po ludzku: chodzi tu o zwiększenie kompatybilności GLONASS z systemami GPS i Galileo, co przełoży się na łatwiejszą (a więc i tańszą) produkcję odbiorników wielosystemowych.

↓ Satelity GLONASS poruszają się po trzech płaszczyznach orbitalnych. Wyróżnikiem tej konstelacji jest duży kąt inklinacji orbit, co – mówiąc prościej – oznacza, że satelity GLONASS są lepiej widoczne na wysokich szerokościach geograficznych (fot. Roscosmos)

Na razie na orbicie znajdują się tylko dwa satelity generacji K1, oferującej tylko wybrane nowości przewidziane w bloku K. Wszystkie „atrakcje” będzie mieć dopiero blok K2 – na pierwsze satelity tego typu musimy jednak poczekać przynajmniej do 2018 roku. Kolejne lata muszą minąć, nim zostanie osiągnięte globalne pokrycie nowymi sygnałami.

Galileo: a to Europa właśnie

Europejski system nawigacji Galileo niczym w zwierciadle pokazuje niedomagania organizacyjne Unii Europejskiej. Nawet jeśli Wspólnota wpadnie na ambitny i przydatny pomysł, to biurokratyczne tryby będą go tak długo mieliły, że niektórzy stracą zapał do jego realizacji. Powiedzmy tylko tyle, że prace nad Galileo ruszyły już na początku XXI wieku, a system wraz z 30 satelitami miał być gotowy koło 2014 roku. Mamy rok 2016, a aparatów jest tylko 12, z czego część niesprawna.

↓ Galileo ma docelowo składać się z 30 satelitów, z czego 6 ma mieć charakter rezerwowych (fot. ESA)

Tymczasem idea Galileo jest jak najbardziej słuszna. Wyjątkowość systemu polega przede wszystkim na tym, że będzie to pierwsze cywilne rozwiązanie GNSS. Oczywiście z dobrodziejstw GPS czy GLONASS również mogą korzystać cywile, ale są to systemy przede wszystkim wojskowe. Oznacza to, że w razie (odpukać) wojny dostępność takiego systemu mogłaby zostać ograniczona. W przypadku Galileo jest to zaś wykluczone.

Kolejna zaleta Galileo to dodatkowe usługi cywilne. Podobnie jak w innych systemach, mamy oczywiście darmową usługę otwartą. Oprócz niej europejscy decydenci przewidzieli jednak jeszcze dwa serwisy. Tzw. usługa regulowana publicznie (PRS – Public Regulated Service) ma zapewnić odrębny, szyfrowany sygnał uprawnionym służbom, np. policji czy pogotowiu. Ma go wyróżniać przede wszystkim zwiększone bezpieczeństwo, czyli lepsza odporność na zagłuszanie i tzw. spoofing (podszywanie się pod system). Drugim nowym serwisem będzie płatna usługa komercyjna (CS – Commercial Service). Dzięki zastosowaniu dodatkowych dwóch kanałów rozwiązanie ma zagwarantować wyższą wiarygodność oraz dokładność wyznaczania pozycji. Choć na razie administratorzy Galileo jak ognia unikają podawania konkretnych liczb, wiadomo że dokładność tej usługi ma być liczona bardziej w centymetrach niż w metrach.

Kiedy się doczekamy tych dobrodziejstw? Decydenci w Brukseli mówią, że już w tym roku, gdy zostanie ogłoszona częściowa operacyjność systemu (potrzeba do tego 16 sprawnych satelitów). Pełna operacyjność (wymagająca 30 satelitów) ma zostać osiągnięta w 2020 roku. Czy te plany są realne? Z jednej strony pozytywnie nastraja fakt, że najtrudniejsze etapy budowy system ma już za sobą. Teoretycznie wystarczy bowiem wystrzeliwać satelity wykonane wg jednego projektu, których poprawność działania została już dowiedziona. A starty jeszcze w tym roku mają mocno przyspieszyć. Zamiast mieszczących dwa satelity rosyjskich Sojuzów UE chce zacząć wykorzystywać znacznie większe rakiety Ariane, zdolne wynieść za jednym zamachem aż 4 aparaty. Ale z drugiej strony, jeśli chodzi o systemy GNSS, to licho przecież nie śpi. Przekonaliśmy się o tym choćby latem 2014 roku, gdy wskutek usterki w Sojuzie dwa aparaty trafiły na orbitę eliptyczną zamiast kołowej. Do dziś nie wiadomo, czy maszyny będą mogły zostać włączone do konstelacji Galileo.

↓ Efekt złego wystrzelenia dwóch satelitów Galileo w sierpniu 2014 r. Zamiast na orbicie kołowej (kolor zielony) aparaty trafiły na eliptyczną (czerwony) (fot. ESA)

BeiDou: tisze jediesz, dalsze budiesz

Choć porzekadło jest rosyjskie, nieźle pasuje do chińskiego systemu nawigacji. Ten wydaje się bowiem powstawać bez większych problemów. Użyliśmy słów „wydaje się”, bo trudno powiedzieć, ile w tym szczęścia, a ile oszczędnego dawkowania informacji (np. Chińczycy informują o startach satelitów dopiero po fakcie). Faktem jest jednak, że system powstaje dość sprawnie. Co ciekawe, jego budowa zaczęła się w… Europie! Początkowo Chińczycy mieli uczestniczyć w projekcie Galileo, ale zniecierpliwieni europejską machiną biurokratyczną postanowili zbudować własny system, który najpierw ochrzcili jako Compass, a później przemianowali na BeiDou (co oznacza Wielki Wóz).

↓ Chiński system nawigacji wyróżnia to, że jego satelity znajdują się na aż trzech różnych typach orbit – średniej (podobnie jak w systemach GPS, GLONASS i Galileo), geosynchronicznej oraz geostacjonarnej (fot. CSNO)

Pierwszym sporym sukcesem projektu było ogłoszenie na początku 2013 roku jego operacyjności w regionie Azji i Pacyfiku. Za kolejny można uznać udostępnienie w 2014 r. drugiego cywilnego sygnału satelitarnego (oznaczonego jako B2I). Podkreślmy, że to pierwszy system GNSS, który to osiągnął! Trzecim ważnym momentem jest wystrzelenie w 2015 r. pierwszego (z 17) satelity BeiDou III generacji. Aparaty wyróżnia przede wszystkim większa kompatybilność nadawanych sygnałów z systemami GPS i Galileo.

↓ Aktualny zasięg systemu BeiDou (fot. Wikipedia)

Oficjalna data uruchomienia pełnej operacyjności BeiDou na całym świecie to rok 2020, ale eksperci zauważają, że budowa systemu mocno wyprzedza dotychczasowe plany. Nie wykluczone więc, że korki od szampana będzie można otwierać już w 2017 roku!

Orientalne ciekawostki

Warto wspomnieć jeszcze o dwóch inicjatywach, które choć nie będą dostępne dla użytkowników w Polsce, to są po prostu ciekawe. Pierwsza z nich to IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) – indyjski system, który ma mieć wyłącznie zasięg lokalny. Będzie się składać tylko z 7 satelitów, ale ich orbity dobrano tak, by taka liczba wystarczała do samodzielnego wyznaczania pozycji w Indiach i krajach sąsiednich. Dokładność pozycjonowania z wykorzystaniem IRNSS ma wynosić 10-20 metrów, czyli ponad 2 razy gorzej od konkurencji. System ma być gotowy jeszcze w tym roku.

Inną koncepcję przyjęli Japończycy, budując QZSS (Quasi-Zenith Satellite System). Ten system w pierwszej fazie będzie składać się z 4 satelitów, które (inaczej niż IRNSS) nie mają tworzyć rozwiązania samodzielnego, ale wspierające GPS. Orbity aparatów dobrano tak, aby na obszarze Japonii przynajmniej jeden satelita zawsze znajdował się w okolicach zenitu, co – jak wiadomo – najlepiej sprzyja pomiarom satelitarnym. Oprócz tego QZSS zaoferuje poprawki, które zwiększają dokładność pomiaru. W zależności od usługi – od poziomu submetrowego do nawet centymetrowego. Aktualnie system składa się z jednego satelity, do 2018 ma być ich 4, a w następnej dekadzie – nawet 7.

↓ Nietypowa orbita japońskiego systemu QZSS sprawia, że aparaty w Japonii widoczne są w okolicach zenitu (fot. CAO)

Warto zwrócić uwagę, że jeśli ziszczą się plany systemów IRNSS, QZSS oraz BeiDou, Azja będzie obszarem o największej gęstości nawigacyjnych sygnałów satelitarnych. W zasięgu jednego odbiornika może być ich nawet ponad 35! Wprawdzie w Europie możemy liczyć tylko na około 20, ale to przecież i tak aż 5 razy więcej niż obowiązkowa czwórka!

↓ Tak w 2020 roku będzie wyglądała dostępność satelitów GNSS, i to 30 stopni ponad horyzontem. Jak widać, najwięcej, bo blisko 35, będzie dostępnych w Azji Południowo-Wschodniej (fot. raport roczny projektu Multi-GNSS)