GLONASS i GPS - dwa systemy

Na pokładzie rakiety Sojuz poleciał na orbitę 28 listopada 2011 roku rosyjski satelita nawigacyjny. Jest ostatnim z 24 satelitów niezbędnych, by dostarczać sygnał nawigacyjny na cały glob ziemski. Wcześniej wystrzelono trzy identyczne urządzenia, z których dwa są zapasowe i można je będzie włączyć w razie awarii jednego z podstawowych. Oba starty zakończyły budowę systemu nawigacji satelitarnej GLONASS (Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema). Aktywnych i zapasowych satelitów nawigacyjnych jest łącznie na orbicie 31, tyle samo co w GPS-ie.

Satelity GLONASS są równomiernie rozmieszczone na 3 orbitach nachylonych pod kątem 64 stopni do płaszczyzny równika, na wysokości 19 tys. kilometrów i obiegają Ziemię co 11 godzin i 16 minut. Z każdego miejsca globu zawsze widać nad horyzontem przynajmniej 4 satelity, podczas gdy do ustalenia pozycji niezbędne są trzy.

GLONASS jest skonstruowany podobnie do GPS-u. Do ustalania pozycji tak samo mierzy czas dotarcia do odbiornika sygnału wysłanego z satelity. Dzięki znacznikowi czasowemu, który pochodzi z zegarów atomowych na satelicie, odbiornik może policzyć opóźnienie, z jakim dotarł sygnał. Znając szybkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w pobliżu Ziemi (z uwzględnieniem poprawek związanych z wpływem grawitacyjnym naszej planety oraz zakłóceniami atmosferycznymi), oblicza dystans, jaki dzieli go od satelity. Znając położenie własne wobec trzech satelitów, odbiornik może obliczyć swoją pozycję geograficzną. Jak dokładną?

Ogólnie przyjmuje się, że dokładność systemu GLONASS wynosi od 6 do 10 m. To podobna wartość jak w przypadku GPS-u, którego dokładność ocenia się na ok. 8 metrów. W sprzyjających warunkach dokładność GLONASS-u i GPS-u może być nawet wyższa, z tym że sygnał GPS na niektórych obszarach świata (np. w Europie i Ameryce Północnej) jest uszczegóławiany przez geostacjonarne satelity WAAS i EGNOS, które obliczają błąd sygnału na podstawie danych zbieranych przez sieć naziemnych odbiorników i udostępniają poprawkę. Z uwzględnieniem tych poprawek dokładność sygnału GPS rośnie do 1-2 metrów.

W praktyce brak tego uszczegółowienia dla GLONASS-u nie ma znaczenia, bo odbiorniki wspierające ten system obsługują również GPS i kalkulują pozycję na podstawie danych z obydwu systemów naraz. Z kolei GLONASS lepiej sobie radzi na dużych szerokościach geograficznych (obszarach podbiegunowych), co jest wynikiem większego kąta nachylenia orbit w tych miejscach w porównaniu z orbitami systemu GPS.

Kompatybilność obu systemów jest najważniejszą zaletą i może poprawić korzystanie z pozycjonowania. Jeśli smartfon lub nawigacja samochodowa potrafi korzystać z obu systemów, do dyspozycji użytkownika jest dwa razy więcej satelitów. Dzięki temu sygnał można łapać także w takich miejscach, jak miejskie "kaniony", które odcinają sygnał z satelitów znajdujących się nisko nad horyzontem. Szacuje się, że przy korzystaniu z samego GPS-u, nawigacji nie ma aż na 50 proc. terenów zurbanizowanych. Gdy do akcji wkroczy GLONASS, liczba "czarnych dziur" zauważalnie spada.

Ten i inne ciekawe artykuły w najnowszym numerze "PC Format" 03/2012

GLONASS, podobnie jak GPS, został zaprojektowany do celów wojskowych, m.in. do precyzyjnego naprowadzania na cel głowic nuklearnych. Badania trwały od początku lat 70., a formalna decyzja o budowie systemu zapadła na posiedzeniu Komitetu Centralnego KPZS w grudniu 1976 r. Prace projektowe prowadzono po cichu w tajnym mieście Krasnojarsk-26. Pierwszy satelita trafił na orbitę w 1982 roku (4 lata po pierwszym satelicie GPS).

Towarzyszył temu komunikat agencji prasowej TASS informujący, że Kraj Rad buduje system nawigacji satelitarnej, który ma pomóc w nawigacji rybakom, statkom handlowym i samolotom pasażerskim. Do chwili upadku Związku Sowieckiego wysłano w kosmos blisko 50 satelitów nawigacyjnych. Mimo tego, ze względu na małą trwałość ówczesnej generacji aparatów (2 lata), w 1991 roku status operacyjny miało tylko 18 satelitów na dwóch orbitach. Trzecia orbita była pusta. Federacja Rosyjska, która odziedziczyła system po Sowietach, ogłosiła gotowość operacyjną GLONASS w 1993 roku, choć w tym momencie sprawnych było zaledwie 12 satelitów - za mało, żeby zapewnić skuteczne działanie systemu, nawet na terenie samej Rosji. Ich liczbę uzupełniono do 24 w 1995 roku, dzięki czemu system po raz pierwszy zrównał się pod względem precyzji z amerykańskim GPS-em.

W 1996 roku Rosję dotknął kryzys finansowy i zabrakło pieniędzy na systematyczne wymienianie wyeksploatowanych satelitów nawigacyjnych. W efekcie GLONASS do 2001 roku skurczył się do 6 działających satelitów i stał się bezużyteczny.

Po przejęciu władzy przez Putina postanowiono odtworzyć konstelację. Tyle że już pod zarządem cywilnym, co było możliwe po przeniesieniu infrastruktury do agencji Roskosmos, odpowiednika NASA. Opracowano też nową wersję satelity nawigacyjnego GLONASS-M, który miał wydłużoną trwałość z 3 do 7 lat, i w 2003 roku wznowiono starty rakiet. Cały czas system był zarezerwowany dla wojska i służb państwowych. Przełom nastąpił w 2006 roku, kiedy udostępniono mniej precyzyjny sygnał L1 o dokładności do 30 m. Rok później odblokowano wojskowy sygnał L2 i precyzja zwiększyła się do obecnego poziomu.

Mimo że budowa pełnej konstelacji GLONASS jest zakończona, Rosja zamierza nadal inwestować w swój system nawigacji. Powstał nowy typ satelity GLONASS-K, który zwiększa precyzję nawigacji do 5 m, może działać 10 lat i jest o połowę lżejszy od poprzednika. Przy podobnych kosztach można więc umieścić dwa razy więcej aparatów na orbicie. GLONASS -K ma też dodatkowy mechanizm dostępu do częstotliwości CDMA, uruchomiony w nowym pasmie L3, co umożliwi udostępnianie nowych usług, np. kanału komunikacji pozwalającego na wzywanie pomocy. Jest to zaawansowana funkcja przewidziana w europejskim systemie Galileo.

Co ciekawe, to właśnie Galileo, a nie GLONASS, miał być konkurencją i uzupełnieniem GPS-u. Takie wrażenie można było odnieść jeszcze kilka lat temu, słuchając zapowiedzi europejskich przywódców. Ale projekt się ślimaczy i system nieprędko będzie dostępny. Obecnie na orbicie są dopiero 2 z przewidywanych 30 satelitów, które pełnią przede wszystkim funkcję badawczą. Kolejne aparaty będą wysłane w 2012 roku, system ma być uruchomiony ok. 2014 roku, a pełną konstelację europejskich satelitów zobaczymy nad głowami zapewne dopiero pod koniec dekady. Opóźnienie, miejmy nadzieję, zrekompensują możliwości Galileo, które zapowiadają się obiecująco. Przede wszystkim system ma być znacznie dokładniejszy niż GLONASS i cywilny GPS. Promień błędu ma wynosić ok. 1 m na otwartej częstotliwości i ok. 10 cm na częstotliwości płatnej, co jest radykalną poprawą w porównaniu do około 10 m współczesnych systemów. To znaczy, że sygnału z Galileo nie trzeba będzie uszczegóławiać nadajnikami typu WAAS i EGNOS, nawet w najbardziej zaawansowanych zastosowaniach, jak np. nawigacja lotnicza, manewry portowe statków czy automatyczne prowadzenie pojazdów.

Ponadto satelity Galileo mają nadawać znacznie mocniejszy sygnał niż satelity dotychczasowych systemów, dzięki czemu będzie można korzystać z odbiorników w budynkach oraz w tunelach.

Własny system nawigacji satelitarnej chcą mieć także Chińczycy. Pracują nad system COMPASS, który ma się składać z 30 satelitów krążących wokół Ziemi na trzech orbitach. Wspierać go będzie 5 satelitów geostacjonarnych, takich jak w systemach WAAS i EGNOS. Podobnie jak Galileo i GPS chiński system będzie miał dwa sygnały. Bardziej precyzyjny będzie zastrzeżony. Co ciekawe, system COMPASS jest w tej chwili bardziej zaawansowany niż europejski Galileo. Na orbitę trafiło łącznie 10 satelitów, które są używane do testów. Zakończenie budowy systemu jest przewidywane na koniec dekady.

Jeśli harmonogram zostanie dotrzymany, w 2020 roku użytkownicy smartfonów będą mieli do dyspozycji ponad 70 satelitów, a jeśli zmaterializuje się chiński COMPASS - prawie 100. Nawigacja, nawet w najmniej sprzyjającym otoczeniu, będzie bardziej niezawodna i precyzyjna niż obecnie.