GPS

2007-05-18

Nawigacja satelitarna

źródło - wikipedia, www.kosmos.gov.pl

Od najdawniejszych czasów człowiek zadawał sobie pytanie "gdzie jestem", "jak daleko jest do celu?". Chcąc znaleźć odpowiedź na przestrzeni wieków wymyślono wiele metod służących do wyznaczania położenia. Jednak dopiero na przełomie lat 60 i 70 ubiegłego stulecia myśl techniczna doprowadziła do stworzenia satelitarnego systemu wyznaczania pozycji, który jest - jak dotąd - najpełniejszym rozwiązaniem problemu lokalizacji oraz orientacji przestrzennej obiektów.

Pozyskiwanie współrzędnych punktów metodami satelitarnymi jest przydatne, praktyczne, a także coraz częściej niezbędne. Satelitarne techniki pomiarowe pozwalają w bardzo szybki sposób uzyskiwać współrzędne z dokładnościami od kilku-kilkunastu metrów do pojedynczych centymetrów i lepiej. Pomimo ograniczeń wynikających z konieczności utrzymania nieprzerwanej łączności z satelitami (otwarty horyzont) jest to obecnie najpowszechniejsza technika wyznaczania pozycji obiektów zarówno ruchomych jak i nieruchomych. Dzięki możliwości prawie natychmiastowego uzyskiwania wyników może być z powodzeniem stosowana w wielu dziedzinach, takich jak: nawigacja, transport czy geodezja. Korzyści płynące z wykorzystania satelitarnych systemów GNSS są bardzo duże, a ich ilość uzależniona jest przede wszystkim od zastosowanego sprzętu i techniki pomiaru.

Nawigacja satelitarna - rodzaj radionawigacji wykorzystujący fale radiowe ze sztucznych satelitów w celu określania położenia punktów i poruszających się odbiorników wraz z parametrami ich ruchu w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi. Najpopularniejszym systemem nawigacji satelitarnej jest GPS (Global Positioning System).

Nawigacja satelitarna pozwala na określanie położenia punktów i poruszających się obiektów wraz z parametrami ich ruchu w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi, niezależnie od pogody, pory dnia i nocy. Opiera się ona na pomiarze drogi przebytej przez sygnał od satelity poruszającego się po ściśle zdefiniowanej orbicie do anteny odbiornika. Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znana odległość od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odległości od trzech satelitów, istnieją już tylko dwa punkty, w których może się on znajdować. Jeden z nich można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko. W ten sposób wyznaczona zostaje pozycja odbiornika. Lokalizacja obiektów na powierzchni Ziemi polega więc na określeniu czasu potrzebnego fali elektromagnetycznej na przebycie drogi między satelitą, a użytkownikiem. Dlatego głównym czynnikiem determinującym dokładność wykonanych pomiarów jest zegar. "Standardowe" satelity nawigacyjne posiadają cztery zegary atomowe, którymi synchronizują wysyłany sygnał. Jedyne co pozostaje zmierzyć odbiornikowi to opóźnienie sygnału odebranego z poszczególnych satelitów. Zegary na satelitach wymagają jednak regularnej synchronizacji do bardziej stabilnych, naziemnych, referencyjnych sieci stacji zegarowych, charakteryzujących się zdecydowanie lepszą długotrwałą stabilnością.

Rys historyczny

Dzisiejsze systemy satelitarne zostały zapoczątkowane przez system TRANSIT, stworzony w roku 1958 w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w USA. System ten miał praktyczne zastosowanie w nawigacji morskiej oraz służył jako pomoc geodezyjna i źródło częstotliwości wzorcowej. Od 1967 roku system Transit-SATNAV zaczął być sporadycznie wykorzystywany również do celów cywilnych. Na początku lat osiemdziesiątych stał się ogólnodostępny. Złożony z sześciu satelitów, był stosowany do 31 grudnia 1996 roku.

W roku 1960 firma Raytheon skonstruowała system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICMB Control), mający określać koordynaty ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. Z powodu zawieszenia prac nad systemem rakietowym nigdy nie zaczął funkcjonować.

SECOR (Sequential Collation of Range) to uruchomiony w kwietniu 1964 roku satelitarny system lokalizacyjny i nawigacyjny. Był złożony z trzynastu satelitów, stworzony na potrzeby wojsk lądowych. System był zbliżony do Transita.

W 1967 roku ZSRR uruchamia swojego pierwszego satelitę systemu nawigacyjnego CYKLON (Kosmos - 192). Z tego systemu wywodzi się rosyjski lokalizacyjny system ratowniczy KOSPAS.

Powstanie tego dopplerowskiego systemu, podobnie jak w przypadku TRANSITA, zdeterminowane było potrzebami armii - tym razem radzieckiej, także dysponującej atomowymi łodziami podwodnymi. W 1962 r. gotowy był zarys projektu eksperymentalnego satelity nawigacyjnego określonego nazwą CYKLON. Start pierwszego satelity tej serii nastąpił 15 maja 1967 r. Testy przeprowadzone na Morzu Czarnym nie dały jednak zadowalających rezultatów. Pozycję można było wyznaczyć zaledwie z dokładnością 3 km. Potrzebne były lepsze modele opisujące trajektorię satelitów i dokładne mapy anomalii pola grawitacyjnego Ziemi. W 1969 roku osiągnięto już precyzję rzędu 100 m. Fazę testowania operacyjnego rozpoczęto dopiero w 1974 r. Ostatniego satelitę tej serii (ważącego 920 kg) wyniesiono na orbitę 27 lutego 1978 r.

Tego samego roku, marynarka wojenna USA umieszcza na orbicie pierwszego satelitę serii TIMATION (Time Navigation). Projekt ten w roku 1973 został połączony z systemem USAF 621B i zapoczątkował powstanie projektu DNSS (Defense Navigation Satellite System). Trzeci satelita DNSS był demonstratorem systemu GPS Navstar.

Rys. NTS – 1

Określa się, że był to znaczny krok w rozwoju nawigacji satelitarnej. Nowy system zbudowany został przez amerykańską marynarkę i pozwalał na określenie pozycji w dwóch wymiarach. W satelitach tych do generowania sygnałów o bardzo stabilnej częstotliwości zastosowano oscylator kwarcowy, a w dwóch ostatnich (NTS-I – 1974 r., NTS-II – 1977 r.) po raz pierwszy wypróbowano generatory kwarcowe, rubidowe i cezowe. Do idei, na jakiej oparto działanie systemu GPS, był tylko krok.

Z kolei w Rosji uruchomiono dwa systemy nawigacji satelitarnej, które były podobne do systemu Timation. Był to przeznaczony dla wojska - Cyakada M (złożony z sześciu satelitów, o kryptonimie Parus - żagiel) i drugi, przeznaczony dla wykorzystania cywilnego Cykada (złożony z 4 satelitów).

Zasady działania systemu nawigacji satelitarnej

Zasada działania systemu nawigacji satelitarnej, polega na pomiarze przebytej drogi sygnału wysłanego przez satelitę, poruszającego się po zdefiniowanej orbicie, do anteny terminalu odbiorczego. Znana odległość od satelity umiejscawia terminal na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znając odległość od dwóch satelitów można ulokować odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Po zmierzeniu odległości od trzeciego satelity, pozostają dwa punkty, w których może się znajdować terminal. Ostateczne położenie terminala określa się po wykluczeniu punktu znajdującego się zbyt wysoko lub poruszającego się za szybko. Dokładność pomiarów jest determinowana zegarem oraz pomiarem opóźnienia sygnału odebranego z poszczególnych satelitów.

Podstawowymi zadaniami systemów nawigacyjnych jest ustalanie pozycji terminali odbierających od nich sygnał i podawanie dokładnego czasu. Obecnie, terminale (odbiorniki) nawigacyjne pozwalają też obliczyć prędkość i pomagają zorientować się w terenie przy pomocy elektronicznej mapy.