Nie tylko GPS. Przegląd alternatywnych systemów nawigacji satelitarnej

Piątek, 01 Wrzesień 2023

Jest wiele modułów przeznaczonych do nawigacji satelitarnej. Większość z nich oferuje współpracę z różnymi systemami poza GPS – GLONASS, Galileo itd. Czym te systemy nawigacji satelitarnej (GNSS) różnią się od GPS i jakie mogą być zalety ich stosowania? W artykule przyjrzymy się innym GNSS, w szczególności GLONASS i Galileo.

Przed powstaniem GPS działało kilka innych systemów nawigacji. Wcześniej były to rozwiązania bazujące na naziemnych stacjach radiowych, jednak miały one wiele ograniczeń. Dlatego na potrzeby militarne zdecydowało o opracowaniu systemu satelitarnego. Początkowo system GPS miał jedynie militarne zastosowanie, ale w końcu stał się pierwszym, jaki trafił do użytku cywilnego.

Nad naszymi głowami znajduje się szereg konstelacji satelitów, tworzących różne systemy nawigacji satelitarnej (GNSS). Różnią się one parametrami technicznymi i pewnymi detalami dotyczącymi rozwiązań technologicznych, ale co do zasady oferują porównywalne możliwości. Obecnie najbardziej użyteczne są następujące GNSS:

GPS, a właściwie Navstar-GPS – to pierwszy system nawigacji satelitarnej. Został utworzony i jest utrzymywany przez amerykanów od lat 70. XX wieku. Obecnie w jego skład wchodzi 38 satelitów, z czego 32 działające.
GLONASS to rosyjski odpowiednik GPS, budowany od lat 80. XX wieku, z przerwami w latach 90. Finalnie doprowadzony do operacyjności w 2011 roku. Konstelacja ta składa się z 26 satelitów, z czego 24 działające i 2 w fazie uruchamiania.
Galileo to europejska sieć nawigacyjna, której koncepcja powstała na przełomie XX i XXI wieku. Konstelacja rozpoczęła funkcjonowanie w 2016 roku. Składa się na nią obecnie 28 satelitów – 23 aktywne i 5 które z różnych przyczyn aktualnie nie funkcjonują (wliczają się w to awarie, wycofanie z użytkowania oraz okresowe, planowane wyłączenia). Jest to najdokładniejszy system z dostępnych cywilnie.
BeiDou to najnowszy system, tworzony przez Chińczyków od początku XXI wieku – początkowo, jako system lokalny (BeiDou-1), który rozbudowany został do globalnego (BeiDou-3) w 2020 roku, kiedy to ostatni satelita z planowanych trafił na orbitę. Obecnie konstelacja składa się z 35 funkcjonalnych satelitów.

Oprócz tych systemów istnieją także konstelacje działające lokalnie, takie jak QZSS, działający na obszarze Japonii, EGNOS, który obejmuje zasięgiem Europę i północną Afrykę, indyjski GAGAN czy WAAS, który działa na terenie Ameryki Północnej. W artykule nie będziemy się skupiać na tych lokalnych sieciach, szczególnie, że tylko jedna z nich – EGNOS – obejmuje swoim zasięgiem Polskę.

Jakkolwiek GPS był jednym z pierwszych na świecie systemów nawigacji satelitarnej, to z różnych – głównie politycznych – przyczyn, szybko zaczęły pojawiać się inne systemy. Jak wspomniano, początkowo GPS był systemem przeznaczonym do zastosowań militarnych – wiele technologii na świecie rodzi się w ten sposób. Podobnie było z większością wymienionych tutaj systemów. Nawet, jeśli motywacja do tworzenia tych konstelacji nie była typowo militarna, to wynikała z chęci uniezależnienia się od GPS, który mógłby być używany, jako metoda politycznego nacisku.

Obecnie na rynku większość modułów odbiorników GNSS potrafi komunikować się z większą ilością sieci, nawet często łącząc dane z różnych konstelacji, aby uzyskać lepsze rezultaty nawigacji. W dalszej części artykułu przyjrzymy się dwóm głównym alternatywom dla GPS i dostępnym na rynku modułom, które umożliwiają ich używanie.

Przegląd modułów

Jednym z chyba najpopularniejszych wśród hobbystów modułem odbiornika GNSS jest NEO-6M firmy u-blox (fotografia 1). Z uwagi na tę popularność należy o nim tutaj wspomnieć i jednocześnie zaznaczyć – moduł ten, jest ograniczony do systemu GPS.

Fotografia 1. Moduł u-blox NEO-6M

Jeśli chcemy skorzystać z modułów u-blox i odbierać dane z większej liczby systemów GNSS sięgnąć musimy po wyższe modele, korzystające z chipsetu M8, np. NEO-M8P (fotografia 2) lub F9, np. NEO-F9, które są w stanie śledzić jednocześnie, odpowiednio, dwa i cztery zestawy różnych satelitów.

Fotografia 2. Moduł u-blox Neo-M8

Układ u-blox M8 równocześnie obsługuje dwa systemy nawigacji satelitarnej – domyślnie jest to GPS i GLONASS. Równoczesne odbieranie GPS i BeiDou, a nawet równoczesne odbieranie GLONASS i BeiDou można wybrać w ustawieniach. Zoptymalizowane układy odbioru sygnału w połączeniu z algorytmami programowymi oraz zaawansowanymi silnikami śledzenia i wyszukiwania uwzględniają jakość sygnału, a nie tylko ilość satelitów używanych do dostarczania informacji o pozycji.

W ofercie firmy Telit większość modułów jest zdolna do odbioru sygnałów z wielu konstelacji. Przykładem tego mogą być moduły z serii SE868xx, moduł SE871L lub SE873K5, pokazane, odpowiednio na fotografiach 3a, 3b oraz 3c. W przypadku modułów Telita domyślnie włączony jest odbiór GPS i GLONASS.

Fotografia 3. Moduły firmy Telit: a) SE868K5-Dl; b) SE871L; c) SE873K5

W przypadku modułów 871x, jeśli włączony zostanie odbiór GPS i BeiDou, nie będzie możliwy odbiór systemów GLONASS i Galileo. Pozostałe moduły są w stanie odbierać sygnał nawet ze wszystkich czterech konstelacji, aby zwiększyć bezpieczeństwo i dokładność pozycjonowania.

Firma Simcom w zeszłym roku przygotowała nową serię modułów, które zdolne są do pracy z wieloma konstelacjami – rysunek 1. Dostępna jest szeroka gama modułów o różnych parametrach i aplikacjach. Moduły takie, jak SIM65M obsługują usługę pozycjonowania na wielu konstelacjach, w tym GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo, ale również QZSS oraz SBAS (Satellite-based Augmentation System). Ze względu na większą liczbę dostępnych opcjonalnych sygnałów satelitarnych, znacznie zmniejsza się ryzyko blokowania lub niedokładności sygnałów, co pozwala generować bardziej precyzyjne dane dotyczące pozycji.

Rysunek 1. Nowe moduły Simcom

Galileo

Galileo, jak wspomniano wcześniej, jest europejskim systemem nawigacji satelitarnej, który jest rozwijany przez Unię Europejską poprzez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). System ten został zaprojektowany w celu dostarczania precyzyjnych i niezawodnych informacji o pozycji, prędkości i czasie na całym świecie. Galileo powstał, aby pozwolić uniezależnić się Europie od innych systemów nawigacji satelitarnej, wspominanych w tym artykule.

Jedną z kluczowych cech odróżniających Galileo od systemu GPS jest jego wysoka precyzja. Galileo oferuje sygnały o wyjątkowo precyzyjnym czasie i dokładności pozycji, co sprawia, że jest szczególnie przydatny w dziedzinach wymagających bardzo dokładnego pozycjonowania, takich jak nawigacja lotnicza, morska, geodezja czy badania naukowe. Jest to osiągane, między innymi, dzięki zastosowaniu aż pięciu pasm radiowych, w których nadawane są różne sygnały nawigacyjne.

Galileo ma również unikalną funkcję wspomagania działań ratowniczych – Search and Rescue (SAR), która umożliwia określenie lokalizacji i usprawnia ratunek w przypadku np. wypadków na morzu, lądzie lub w powietrzu. Ta funkcja jest ważnym elementem, który może przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa użytkowników Galileo w różnych sytuacjach.

Inną cechą wyróżniającą Galileo jest jego pełne zintegrowanie z systemami EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). EGNOS to europejski system korekcji sygnałów GNSS, który poprawia precyzję pozycjonowania korzystając z systemu stacji naziemnych. EGNOS dostarcza trzy główne usługi:

Usługa poprawki różnicowej – stacje naziemne monitorują sygnały z satelitów nawigacyjnych i identyfikują błędy w sygnale. Następnie te poprawki są przesyłane do użytkowników EGNOS, co pozwala na poprawę dokładności pozycjonowania.
Usługa poprawki oszacowanej – ta usługa dostarcza korekty sygnałów nawigacyjnych, które mogą być użyteczne w sytuacjach, gdzie nie ma dostępu do poprawek różnicowych.
Usługa monitorowania jakości sygnałów – ta usługa monitoruje sygnały z satelitów nawigacyjnych i udostępnia informacje o ich integralności. W razie wykrycia problemów lub zakłóceń w sygnale, użytkownicy mogą otrzymać ostrzeżenia, co jest szczególnie ważne w zastosowaniach, gdzie kluczowe jest bezpieczeństwo.

W przeciwieństwie do innych systemów GNSS, Galileo działa na bazie cywilnej infrastruktury, co oznacza, że nie będzie podlegał militarnym ograniczeniom dostępu ani zakłóceniom w określonych regionach. To sprawia, że Galileo jest systemem otwartym i dostępnym dla różnych sektorów gospodarki oraz badań naukowych.

W skrócie, Galileo wyróżnia się swoją wysoką precyzją, unikalnymi funkcjami, integracją z innymi systemami nawigacji oraz otwartością na różnorodne zastosowania. Według danych ESA, w typowych warunkach Galileo oferuje dokładność poziomą poniżej 20 cm i pionową poniżej 40 cm w trybie wysokiej dokładności (HAS) i odpowiednio, 4 m i 8 m, w trybie otwartego dostępu (OS). Wszystkie te cechy sprawiają, że jest on ważnym elementem europejskiej infrastruktury kosmicznej i przyczynia się do rozwijania nowych technologii oraz poprawy bezpieczeństwa i dokładności nawigacji na całym świecie.

GLONASS

Jest to rosyjski globalny system nawigacji satelitarnej, który został zaprojektowany w ZSRR i jest obecnie rozwijany przez Rosję. Podobnie jak system Galileo i GPS, GLONASS umożliwia użytkownikom na całym świecie precyzyjne pozycjonowanie i nawigację przy użyciu sygnałów emitowanych przez satelity.

Satelity GLONASS krążą w trzech różnych płaszczyznach (w odróżnieniu od dwóch dla GPS), co może wpływać na ich widoczność i dokładność w różnych miejscach na Ziemi. Jest to szczególnie odczuwalne w rejonach podbiegunowych, gdzie GLONASS oferuje o wiele wyższe pokrycie.

System GPS używa dwóch pasm do komunikacji (L1 i L2), a GLONASS używa trzech częstotliwości (L1, L2 i L3). Wpływa to na dokładność pozycjonowania w różnych warunkach. GLONASS jest systemem wojskowym, więc ma te same zagrożenia, co GPS – może być okresowo zakłócany, szczególnie w pobliżu miejsc konfliktów zbrojnych. Może być też stosowany, jako metoda wywierania politycznego nacisku przez Rosję (co jednak jest w dużej mierze już mało problematyczne z uwagi na opracowanie europejskiego, cywilnego systemu Galileo).

GLONASS oferuje precyzję pozycjonowania na poziomie około 5...6 metrów (wysokość) oraz 2...3 metrów (szerokość i długość geograficzna), w zależności od lokalizacji i ilości obserwowanych w danym momencie satelitów.

Zalety korzystania z wielu systemów

Kiedy używanych jest jednocześnie kilka konstelacji GNSS, poprawia się wiele parametrów systemu. Główne korzyści z użycia systemu multikonstelacyjnego to:

poprawia się dostępność sygnału – dzięki większej liczbie dostępnych satelitów, łatwiej jest uzyskać dobrej jakości sygnał od odpowiedniej ich liczby;
lepszy dostęp do usługi – ograniczenia widzialności niektórych satelitów lub ich tymczasowe problemy z działaniem nie uniemożliwiają zastosowania systemu, jeśli ten korzysta z wielu konstelacji;
zwiększona precyzja – zastosowanie wielu konstelacji pozwala na uzyskanie wyższej precyzji, szczególnie, jeżeli do tego dodatkowo dołącza się systemy korekcyjne, takie jak np. EGNOS;
dodatkowe bezpieczeństwo – zastosowanie wielu konstelacji, pracujących na różnych pasmach częstotliwości zwiększa odporność systemu na awarie satelitów, zakłócenia czy intencjonalnie transmitowane fałszywe dane, mające zakłócać działanie GNSS;
zwiększona integralność danych – zastosowanie wielu konstelacji zwiększa odporność systemu na zakłócenia atmosferyczne, czy wynikające z otoczenia np. w mieście.

Dodatkowo, wspomnieć należy regionalne systemy wspomagania nawigacji bazujące na satelitach (SBAS), które wspomagają systemy globalne. Często wspomniane odbiorniki mają możliwość korzystania z części, lub wszystkich z nich:

System Rozszerzenia Obszaru (WAAS) w Ameryce Północnej i Południowej,
Europejski Geostacjonarny System Nawigacyjny (EGNOS) w Europie,
Nawigacja z Użyciem Ulepszeń przez Satelity GPS (GAGAN) w Indiach,
MTSAT Satellite-Based Augmentation System (MSAS) w Japonii.

Podsumowanie

Korzystanie z wielokonstelacyjnych systemów nawigacji satelitarnej, odbierających sygnały systemów, takich jak GPS, Galileo i GLONASS, niesie ze sobą wiele korzyści oraz pewne wyzwania. Pozwala na zwiększenie dokładności i ciągłości aktualizacji pozycji, co jest szczególnie istotne w dzisiejszych zastosowaniach nawigacyjnych. Dzięki temu użytkownicy mogą cieszyć się lepszą dostępnością sygnału, większym zakresem działania i dokładniejszym pozycjonowaniem. Jednak, należy mieć na uwadze pewne kompromisy, zwłaszcza, jeśli chodzi o zużycie energii. Wybór odpowiednich konstelacji do śledzenia w zależności od lokalizacji może pomóc w zminimalizowaniu zużycia energii, co jest istotne szczególnie w przypadku urządzeń o niewielkiej mocy, takich jak małe urządzenia IoT. Używanie wielu konstelacji naraz przekłada się na wyższe zużycie mocy, przez moduł odbiornika GNSS.

Ogólnie rzecz biorąc, wielokonstelacyjne systemy nawigacji satelitarnej stają się coraz bardziej wszechstronne i efektywne, a dodatkowo, na rynku pojawia się coraz więcej modułów, które są w stanie korzystać z dwóch lub więcej konstelacji naraz. Dzięki temu użytkownicy mogą osiągnąć wyższą dokładność pozycjonowania i wyższą niezawodność w różnych warunkach środowiskowych. Jednocześnie, wciąż istnieją wyzwania związane ze zużyciem energii, które wymagają zrównoważonego podejścia w wyborze konstelacji i zoptymalizowanym zarządzaniu mocą w urządzeniach nawigacyjnych.

Nikodem Czechowski, EP

Bibliografia: