Aktualny stan i perspektywy rozwoju globalnych systemów nawigacji satelitarnej

wygłoszony na 2. zebraniu plenarnym Komitetu Geodezji PAN w kadencji 2016-2020 w dniu 6 czerwca 2016 roku na Wydziale Nawigacyjnym Akademii Morskiej w Gdyni

Referat naukowy nt. „Aktualny stan i perspektywy rozwoju globalnych systemów nawigacji satelitarnej” przedstawił dr hab. P. Wielgosz. Na wstępie swojego wystąpienia przypomniał, że aktualnie funkcjonują 4 systemy globalne z których korzystamy w geodezji: GPS, GLONASS, Galileo oraz chiński system BeiDou Navigation Satellite System (BDS).

W odniesieniu do systemu GPS zaprezentował informacje dotyczące konstelacji satelitów, wysokości ich orbit, okresu obiegu, liczby płaszczyzn orbitalnych, systemu czasu, systemu odniesienia, a także liczby satelitów w konstelacji. Przypomniał, że system GPS  przy pełnej operacyjności pracuje na dwóch częstotliwościach L1 i L2, przy czym sygnały cywilne odbierać można jedynie na częstotliwości L1. Systemem GPS zarządza USA, a w zasadzie specjalnie do tego celu powołany komitet, w którym jest przedstawiciel ministerstwa obrony oraz ministerstwa transportu.

W dalszej części wystąpienia dr hab. P. Wielgosz przedstawił kalendarium budowy systemu GPS. Koncepcja budowy tego systemu pojawiła się już w 1962 roku, a w 1978 roku na orbicie umieszczony został pierwszy jego satelita. Od 1995 roku system GPS jest systemem operacyjnym. Prelegent omówił budowę pierwszych satelitów operacyjnych systemu GPS bloków II i II-A, a także satelitów kolejnych generacji. Poinformował zebranych, że w związku ze stale zwiększającą się dokładnością orbity, zegarów oraz poprawek satelitarnych od ponad roku testowana jest nowa depesza nawigacyjna. Pierwszy zmodernizowany satelita systemu GPS został wystrzelony w 2005 roku. Obecnie na orbicie znajduje się 7 aktywnych satelitów tego typu, zaś nowy sygnał nadaje obecnie 19 z 31 satelitów. W lutym bieżącego roku zakończono wynoszenie satelitów bloku II-F, na które kontrakt podpisano w 1996 roku. Początkowo miało zostać zbudowanych 31 satelitów, jednakże ze względu na dużą liczbę niewykorzystanych satelitów bloku II-R, zmniejszono ich liczbę do 12. Satelity te są już operacyjne, a ich wyniesienie pozwoliło wyłączyć ostatniego działającego satelitę bloku II-A. Blok II-F charakteryzuje się bardzo dobrej jakości cyfrowymi zegarami atomowymi o wysokiej stabilności, sygnałem o nowoczesnej strukturze w paśmie chronionym L5. Satelity tego bloku są znacznie lżejsze od poprzedników, przy dwukrotnie większej mocy baterii słonecznych oraz dużej żywotności, planowanej na 12 lat.

Dr hab. P. Wielgosz przedstawił obecny stan konstelacji 6 orbit satelitarnych systemu GPS. Obecnie na orbicie znajduje się satelita operacyjny systemu GPS wchodzący w skład bloku II-R, który został wystrzelony w 1997 roku, mimo iż jego żywotność była planowana maksymalnie na 10 lat. W związku z tym, że nie ma obecnie żadnych zapasowych satelitów, satelity nowej generacji nie są gotowe, a na orbicie pracuje kilka satelitów, których czas pracy znacznie przekracza planowaną żywotność i w każdej chwili może pojawić się problem w przypadku ich awarii. W 2008 roku podpisany został kontrakt na 3.5 mld dolarów na budowę 8 satelitów bloku III, dla których sygnał nowej generacji będzie modulowany również na częstotliwości L1. Żywotność satelitów bloku III określona jest na 15 lat, a termin startu pierwszego z nich ze względu na brak gotowości segmentu naziemnego wciąż się przesuwa.

W dalszej części wystąpienia dr hab. P. Wielgosz scharakteryzował rosyjski system satelitarny GLONASS. W systemie tym satelity rozmieszczone są na 3 orbitach, a od systemu GPS odróżnia go głównie to, że każdy satelita nadaje ten sam kod, lecz na różnych częstotliwościach. Od 2003 roku na drugiej częstotliwości nadawany jest kod cywilny, który możemy odbierać wprost. W systemie GLONASS obowiązuje układ odniesienia, którego skala i orientacja jest zgodna z układami ITRF oraz WGS, zaś jego środek jest przesunięty względem początku tych układów o około 0.5 metra. Pracę nad budową systemu GLONASS rozpoczęły się w 1976 roku, a już w 1982 roku wystrzelony został na orbitę pierwszy jego satelita. W latach 1982-1991 zostały wyniesione na orbitę 43 satelity, a przecięta ich żywotność wynosiła 3 lata. W 1995 roku skompletowano całą konstelację, osiągając pełną operacyjność systemu. Kryzys ekonomiczny w Rosji spowodował przerwy w wynoszeniu na orbitę kolejnych satelitów, a tym samym do sytuacji, w której w 2001 roku na orbitach pozostało jedynie 6 satelitów operacyjnych. Po objęciu władzy w Rosji przez Władimira Putina został uruchomiony program na lata 2002-2011, którego celem była odbudowa konstelacji satelitów systemu GLONASS. Po modernizacji satelitów systemu, iż żywotność wzrosła średnio do 7 lat. Ze względu na to, że satelity systemu GLONASS nadają ten sam kod na różnych częstotliwościach, a pasmo jest ograniczone, system może obsługiwać maksymalnie 24 satelity operacyjne. System GLONASS podlega ciągłym modernizacjom. Obecnie planowane jest wyniesienie na orbitę 11 satelitów GLONASS-K wykorzystujących nowy sygnał L3 bliski sygnałowi GPS L5 z kodem przeznaczonym do użytku cywilnego. W segmencie naziemnym systemu GLONASS wszystkie stacje kontrolne rozmieszczone są na terytorium Rosji i z tego względu poza tym terytorium nie były obserwowane, co znacznie wpływało na niską dokładność efemeryd. W 2011 roku w Brazylii została zbudowana pierwsza, poza terytorium Rosji, stacja odbioru danych systemu GLONASS, zaś docelowo planowane jest zbudowanie 30 takich stacji równomiernie pokrywających glob ziemski.

Dr hab. P. Wielgosz scharakteryzował również system satelitarny Galileo. W systemie tym docelowo planowanych jest 30 satelitów. Podobnie jak w systemie GLONASS, satelity umieszczone są na 3 orbitach, których wysokość w porównaniu z innymi systemami jest największa i wynosi 23 tys. km, zaś okres obiegu wynosi 14 godzin. System ten będzie wykorzystywał tą samą częstotliwość podstawową, co system GPS, dzięki czemu ich sygnały będą spójne i interoperacyjne. Pełną operacyjność system Galileo miał osiągnąć w 2008 roku. Jednakże, termin ten był kilkukrotnie przesuwany, a obecnie mowa jest o 2020 roku. Prace nad przygotowaniem systemu rozpoczęły się w 2003 roku zgodnie z formułą partnerstwa prywatno-publicznego, co oznacza, że 2/3 kosztów tego projektu znajduje się po stronie sektora prywatnego. Z uwagi na fakt, że w 2006 roku mijał czas rezerwacji częstotliwości w 2005 roku wystrzelono pierwszego satelitę systemu na orbitę. W 2007 roku okazało się, że planowane partnerstwo prywatno-publiczne nie spełniło zakładanych oczekiwań, stad podjęta została decyzja o finansowaniu programu ze środków publicznych Unii Europejskiej, co oznaczało rzeczywiste rozpoczęcie prac projektowych. W 2011 roku wystrzelono pierwsze satelity operacyjne, a obecnie na orbicie jest ich 14. W skład segmentu naziemnego wchodzą dwie stacje kontrolne, z których pierwsza znajduje się w Niemczech i służy do zarządza położeniem i orientacją satelitów na orbicie, druga zaś zarządza sygnałami nawigacyjnymi. W planie jest budowa 9 stacji kontrolnych oraz 20-30 stacji odbiorczych, których celem jest wyznaczenie poprawek orbitalnych, a także poprawek zegarów satelitów.

Na zakończenie swojego wystąpienia dr hab. P. Wielgosz przekazał informacje dotyczące chińskiego systemu satelitarnego BeiDou Navigation Satellite System (BDS). Stwierdził, że system ten charakteryzuje się nietypową konstelacją satelitów, które umieszczone są na średniej orbicie o wysokości 21,5 tys. km. Na każdej z płaszczyzn orbitalnych umieszczonych jest 9 satelitów. W skład systemu wchodzi także 5 satelitów geostacjonarnych nadających sygnały nawigacyjne oraz dodatkowo 3 satelity umieszczone na orbicie geosynchronicznej o dużej inklinacji, dzięki którym możliwe jest częste pojawienie się satelity w zenicie. Początkowo sygnały tego systemu zbliżone były do sygnałów systemu GPS, jednak wystrzeliwane od kilku miesięcy satelity III generacji mają już dokładnie takie same sygnały jak system GPS i Galileo. Pierwsze satelity testowe systemu zostały wystrzelone w pierwszych latach tego wieku, zaś od 2007 roku rozpoczęła się druga faza operacyjna, która była związana z umieszczeniem pierwszego satelity na średniej orbicie. Po koniec 2012 roku został opublikowany dokument (interface control document), w którym oficjalnie podano nazwę systemu oraz strukturę jego kodu. W 2012 roku na orbicie znajdowało się 14 satelitów, co zapewniało pokrycie regionalne. W 2015 roku rozpoczęła się III faza budowy systemu, przy czym jego pełna operacyjność jest zaplanowana na 2020 rok. W podsumowaniu dr hab. P. Wielgosz stwierdził, że jeśli zostaną zrealizowane wszystkie plany to w 2020 roku w przestrzeni kosmicznej możemy się spodziewać się 32 satelitów systemu GPS, 24 systemu GLONASS, 27 Galileo i 27 satelitów BDS, czyli razem około 110 satelitów, co może wydatnie poprawić rozwiązywanie różnych zdań geodezyjnych.