GPS – GLONASS – Galileo

Global Navigation Satellite Systemsss

W kosmosie znajduje się obecnie co najmniej 100 satelitów, należących do różnych systemów nawigacji satelitarnej. Ich wspólne wykorzystanie przynosi wiele korzyści, ale też problemów, w szczególności w stosunku do precyzyjnych pomiarów geodezyjnych. Na przykład geodeta może sporządzić mapy geodezyjne z jeszcze lepszą jakością. Minęło już 20 lat odkąd IGS (International Global Navigation Satellite System Service) udoskonala produkty, które są oparte o sygnały rejestrowane przez satelity systemów GPS (Global Positioning System) oraz GLONASS (Globalnaja nawigacionnaja sputnikowaja sistiema). Dla dużej części odbiorców systemy te są wystarczające, do spełnienia wymagań związanych z wyznaczaniem pozycji lub nawigacją. Lecz z początkiem XXI wieku doszło do silnego rozwoju nowych rozwiązań w dziedzinie systemów nawigacji satelitarnej. Już w roku 2005 po porozumieniach między Europejską Agencją Kosmiczną, a Unią Europejską wystrzelono pierwszego satelitę, rozpoczynając istnienie nowego systemu GALILEO. Po 2 latach został wystrzelony na orbitę pierwszy chiński satelita, co daje początek budowy systemu BeiDou. Natomiast kraje jak Japonia i Indie tworzą systemy regionalne o nazwach QZSS oraz NavIC. W przyszłości udowodnią swoje możliwości na terenach mocno zaludnionych oraz silnie zurbanizowanych. Konstelacje składającej się z systemów nawigacji to najprężniej rozwijająca się grupa satelitów okrążających Ziemię. Dzisiaj odbiorca sygnałów w każdym miejscu na Ziemi, w tym również w Poznaniu ma możliwość skorzystania z ponad 100 satelitów. Geodezja jest jedną z tych dziedzin, która w pełni korzysta z tego typu rozwiązań.

GPS

Amerykanie budowali swój system od lat 70 minionego wieku. Na początku lat 90 GPS zyskał pełną operacyjność dla zastosowań cywilnych. Przez ten okres zdołał na stałe wejść do świadomości społeczeństwa. Jest najstarszym ze wszystkich systemów i stanowił przykład dla później powstałych systemów. Konstelacja Global Positioning System jest zbudowana z 24 satelitów krążących po 6 orbitach w kształcie koła. Wstępnie system miał służyć tylko w celach wojskowych. Jednak z biegiem lat zwiększono dostępność dla cywilów. Obecnie dzięki tanim modułom, które obsługują GPS i wsparciu technicznemu producentów odbiorników, system jest wykorzystywany w takich branżach jak geodezja, rolnictwo, transport. GPS przeszedł kilka modernizacji, w wyniku których system składa się z trzech bloków satelitów II generacji. Niedługo mają zostać wprowadzone satelity III generacji. Sygnały nadawane przez satelity systemu to L1, L2 oraz L5.

GLONASS

Rosjanie równolegle projektowali swój system militarny o nazwie GLONASS. Uzyskano pełną operacyjność pod koniec lat 90. W wyniku kryzysu finansowego Rosjanie zaniechali projekt. Odbudowanie systemu zajęło niecałe 15 lat. W roku 2010 uzyskano pełną operacyjność. GLONASS jest zbudowany z 24 satelitów krążących po 3 orbitach. Konstelacja jest bardziej spójna od swojego amerykańskiego odpowiednika ze względu na modernizację sprzed kilku lat. Satelity GLONASS-M nadają sygnał C/A, P na częstotliwościach L1 oraz L2. Następna generacja satelitów jest nazwana GLONASS-K. Obsługują one nową technologię (komunikowanie między satelitami, laserowy transfer czasu, wysyłanie sygnału na częstotliwości L3), są zaopatrzone w dokładniejsze zegary.

GALILEO

Galileo to system nawigacyjny tworzony przez Unię Europejską i Europejską Agencję Kosmiczną. Obecny model finansów sprawia, że wszystkie kraje członkowskie są autorami projektu, jak również Polska, dzięki której w Galileo została już zainwestowane około pół miliarda złotych. Jako jedyny z systemów jest tworzony tylko i wyłącznie z myślą o zadaniach cywilnych. Docelowo będzie zbudowany z 27 satelitów i 3 orbit. Teraz mamy 22 z nich, przy czym 19 jest działających.W roku 2014 w wyniku problemów związanych z rakietą nośną, 2 aparaty zostały wyniesione na nieprawidłowe orbity, co wyklucza je z pełnej funkcjonalności. Daje to szanse na przeprowadzanie badań naukowych, np. pod względem efektów relatywistycznych. Jeden z satelitów przestał nadawać na odpowiedniej częstotliwości, więc został wyłączony. Konstelacja Galileo jest zbudowana z 2 generacji satelitów: 4 satelity z fazy walidacyjnej oraz 18 z bloku całkowitej operacyjności. Każdy z nich wysyła sygnał aż na 5 częstotliwościach, które są dostępne dla użytkowników. Są to E1/E6/E5a/b/ab. Na niektórych częstotliwościach są kompatybilne z satelitami systemu GPS, co przyniesie w przyszłości pozytywne rezultaty w zastosowaniu multi-GNSS i uprości zintegrowanie systemów. Od roku 2016 Galileo jest częściowo operacyjny. Natomiast pełna operacyjność systemu jest zaplanowana na 2020 rok. 

BeiDou

Chiny od roku 2000 zmierzają, aby system nawigacji satelitarnej o nazwie BeiDou zyskał ogólnoświatowy zakres działania. Wstępnie projekt zakładał priorytetowe zapewnienie dostępności Chińskiej Republice Ludowej, w drugiej kolejności regionom sąsiadującym, aby w ostateczności uzyskać charakter globalny. Pierwszy etap BeiDou-2 zakończono w 2012 roku. Ropoczęto wtedy projekt globalny o nazwie BeiDou-3. System wykorzystuje nie tylko orbity kołowe, lecz także orbity geostacjonarne (Geostationary Earth Orbit) oraz nachylone orbity geosynchroniczne (Inclined Geosynchronous Orbit). Założeniem systemu jest uzyskanie 27 satelitów nazwanych MEO, pięciu GEO oraz trzech IGSO. Aparaty GEO i IGSO są ciągle obecne nad terytorium Azji południowo-wschodniej. Geodeta czy każdy inny uzytkownik może korzystać z emitowanych sygnałów na trzech różnych częstotliwościach. Między innymi: B1, B2, B3ab. Co prawda są dokumenty, które opisują struktury emitowanego sygnału dla systemu w regionie, jednakże dla rozwiązania globalnego będzie ona odmienna. System nawigacji satelitarnej BeiDou proponuje dużo ciekawych rozwiązań w tej dziedzinie. Niestety utajnienie niektórych informacji skutecznie wstrzymuje prace nad zastosowaniem systemu.

Pozostałe systemy

Systemy regionalne QZSS i NavIC to systemy Japonii oraz Indii. Stanowią wsparcie dla systemów ogólnoświatowych. Wybrano dla obydwu rozwiązanie orbit geosynchronicznych. Wiąże się z tym ograniczenie zasięgu do regionu. Diametralna różnica pomiędzy satelitami na orbitach kołowych, a orbitach geosynchronicznych polega na lepszym pozycjonowaniu w obszarze zwartej zabudowy i terenach zurbanizowanych satelit na orbitach geosynchronicznych. Sygnał emitowany poprzez satelity systemu QZSS jest zintegrowany z Global Positioning System. NavIc jest kompatybilny na częstotliwości L5 z systemem GPS. W geodezji wykorzystanie systemu NavIc jest utrudnione, ze względy na osiąganą precyzję przy pozycjonowaniu. Ponieważ zastosowano tylko jedną częstotliwość nadawania sygnału, bez precyzyjnych danych modelu jonosfery. QZSS oraz NavIc zostały zaprojektowane do współdziałania z pozostałymi istniejącymi systemami satelitarnymi, jednak trwają prace nad włączeniem ich do geodezyjnych światowych produktów.

Geodezja i pozycjonowanie w przyszłości

Ogromna ilość sygnałów i wybór częstotliwości, jaką geodeci i użytkownicy systemów będą mogli odbierać za pomocą odbiorników naziemnych, pozwoli na większe możliwości. Geodeta znacznie szybciej i dokładniej będzie mógł wykonywać w gęstej zabudowie usługi geodezyjne. Poznań stanowić będzie coraz mniejsze wyzwanie dla geodetów zaopatrzonych w odbiornik GNSS.