Globalne systemy nawigacji satelitarnej. Przyszłe perspektywy i trendy.

Systemy nawigacji satelitarnej mogą wskazać położenie użytkownika, mierząc odległość między tym użytkownikiem a co najmniej trzema znanymi pozycjami (satelitów konstelacji). Odległość do jednego z satelitów określi sferę możliwych rozwiązań, a przecięcie się trzech sfer - lokalizację użytkownika. Odczyty odległości uzyskuje się poprzez pomnożenie przez prędkość światła różnicy między czasem emisji satelitarnej a czasem odbioru użytkownika. Aby zsynchronizować zegar użytkownika z czasem odniesienia systemu należy rozwiązać czwartą niewiadomą: błąd zegara użytkownika. Ta 3-parametrowa lokalizacja naszej pozycji, wraz z pojedynczym parametrem czasu, wymaga tego, abyśmy mieli jednocześnie na widoku co najmniej cztery satelity.

W 1973 r. GPS po raz pierwszy przejął wzorce od systemu nawigacji satelitarnej Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NNSS lub TRANSIT); pierwsze satelity zostały wystrzelone na początku lat osiemdziesiątych; GPS jako system działa od wczesnych lat dziewięćdziesiątych. Historia ekspertyzy GMV w zakresie systemów GNSS sięga wczesnych lat dziewięćdziesiątych, począwszy od wyznaczania orbit i zegarów, odbiorników i zastosowań cywilnych, głównie w dziedzinie aeronautyki. Od połowy lat dziewięćdziesiątych firma GMV była mocno zaangażowana w projektowanie i rozwój europejskich systemów EGNOS i Galileo, opracowując kluczowe elementy obu z nich. Jednocześnie firma GMV stała się pionierem w zakresie zastosowań GNSS, ukierunkowanych głównie na sektor transportu i inne obszary, takie jak rolnictwo.

GMV to prawdziwa kuźnia innowacji w zakresie systemów GNSS, obejmująca ogół następujących obszarów: rozwój GNSS i systemów wspomagających (SBAS), rozwój odbiorników, rozwój aplikacji, nowe technologie pozycjonowania itp. Dzięki temu GMV wysunęła się na pozycję światowego lidera w zakresie GNSS, zdobywając niezrównane doświadczenie w bardzo wielu dziedzinach. Innowacja wiąże się, między innymi, z pewną zdolnością do prognozowania prawdopodobnego rozwoju GNSS i jego zastosowań w przyszłości. Wizję firmy GMV z 2011 roku, dotyczącą przyszłego trendu w zakresie systemów nawigacji można streścić następującymi koncepcjami:

Pojedynczy system GNSS zbudowany w oparciu o wkłady wniesione przez różne kraje.

Zestaw regionalnych systemów nawigacji satelitarnej, których celem jest poprawa geometrii, przekazywanie informacji nawigacyjnych i świadczenie dodatkowych usług na poziomie regionalnym.

Zestaw satelitarnych systemów wspomagających (SBAS) zintegrowanych z systemami regionalnymi w celu świadczenia usług w sytuacjach potencjalnie zagrażających życiu.

Nowe algorytmy pozycjonowania, korzystające z dostępności odczytów w różnych częstotliwościach, pomiarów fazy i zaawansowanych algorytmów precyzyjnego pozycjonowania punktowego (PPP) na poziomie użytkownika.

Integracja z innymi niesatelitarnymi technologiami pozycjonowania.

Dziesięć lat później, w chwil obecnej, możemy spojrzeć wstecz na faktyczny rozwój systemów GNSS, a także ponowie rzucić okiem w przyszłość w kierunku przyszłych trendów.

Na poziomie systemu jak dotąd nie doszło do pomyślnego rozwoju w kierunku globalnego systemu obejmującego wkłady wniesione przez różne kraje, chociaż miało to wyraźnie miejsce na poziomie aplikacji. Zdecydowana większość dzisiejszych odbiorników wyposażona jest w systemy GNSS. W obecnym stanie rzeczy czynniki dotyczące suwerenności narodowej i bezpieczeństwa uniemożliwiają zbudowanie globalnego systemu opartego na danych wejściowych z różnych krajów, lecz poszczególne systemy są zaprojektowane tak, aby były wysoce kompatybilne i interoperacyjne. Dlatego dla użytkowników przejrzysty jest fakt, że poprawki pozycjonowania ich aplikacji nawigacyjnych są zwykle uzyskiwane na podstawie odczytów pochodzących z kilku konstelacji.

Kluczowe znaczenie gospodarcze nawigacji satelitarnej sprawia, że istnieje duże prawdopodobieństwo zacieśnienia się w przyszłości współpracy międzynarodowej.

W ostatnich latach znacznie wzrosła liczba regionalnych systemów nawigacji.

Zostały już one wdrożone w Indiach, Japonii, Chinach (regionalne komponenty systemu Beidou), a wiele innych krajów lub regionów rozważa taką możliwość.

Systemy regionalne są świetną alternatywą, jeśli chodzi o poprawę wydajności i zapewnienie użytkownikom dodatkowych usług. Obecnie wszystko wskazuje na to, że usługi te będą się pojawiać w nadchodzących latach.

Klasyczne systemy SBAS zapewniają integralność z globalnym rozwiązaniem systemowym. Jak dotychczas nie udało im się jeszcze rozwinąć na poziomie światowym, gdyż pozostają w zasięgu tylko największych krajów, takich jak Stany Zjednoczone i Rosja, czy bloków krajów względnie zjednoczonych, takich jak Unia Europejska. Wymagają one bowiem skomplikowanych, kosztownych i uciążliwych ugód i porozumień politycznych, które są trudne do osiągnięcia przez mniejsze kraje. W ostatnich latach powstały zaawansowane systemy oparte na koncepcji świadczenia usług, obejmujące szersze grono użytkowników spoza branży lotniczej. Pomaga to uczynić je znacznie bardziej przystępnymi finansowo.

Systemy takie jak Galileo, które transmitują sygnał nawigacyjny na kilku częstotliwościach do użytku cywilnego, umożliwiają utworzenie ogólnoświatowego SBAS na stosunkowo niewielkich obszarach lub krajach za pośrednictwem świadczącego usługi operatora. Przykładem takich systemów jest operacyjny prototyp opracowany przy udziale firmy GMV w Australii i Nowej Zelandii. Oczekujemy, że ta oparta na usługach koncepcja „Globalnego SBAS”, w powiązaniu z dodatkowymi usługami, takimi jak PPP, przyczyni się do zwiększenia liczby tych systemów w nadchodzących latach.

Obecnie PPP jest już rzeczywistością. Systemy takie jak Galileo wykorzystują go w ramach usługi High Accuracy Service (HAS), a wiele zastosowań korzysta z tego rozwiązania. Do opracowywania pojazdów autonomicznych wykorzystuje się połączenie PPP z integralnością. Technologia ta pozwala użytkownikom na ustalenie pozycji z dokładnością do kilku centymetrów i pokonanie ograniczeń tradycyjnych systemów pozycjonowania. PPP z integralnością już teraz rewolucjonizuje świat zastosowań GNSS, a w przyszłości będzie to czynić z jeszcze większym natężeniem.

Integracja innych technologii pozycjonowania z GNSS ma kluczowe znaczenie w wielu obszarach zastosowań i będzie ewoluować w nadchodzących latach, wraz z pojawianiem się nowych technologii. GNSS jest prawdopodobnie jedyną technologią będącą w stanie zapewnić bezwzględne położenie i parametry czasowe, podczas gdy pozostałe technologie mogą „dostroić” to rozwiązanie za pomocą danych dotyczących położenia względnego. Dobrym tego przykładem jest autonomiczny samochód, w którym system GNSS zintegrowany jest z kamerami, laserem, 5G, drogomierzami, inercyjnymi systemami nawigacji itp.

Stopniowe wprowadzanie innych technologii niezwiązanych z pozycjonowaniem może jeszcze bardziej wzbogacić system GNSS. Nowe megakonstelacje satelitów komunikacyjnych promowane przez firmy takie jak SpaceX, OneWeb i Amazon przewidują wystrzelenie tysięcy satelitów na orbitach LEO i MEO w celu zapewnienia szerokopasmowego internetu na całym świecie. Wstrząśnie to ponownie światem GNSS - jeśli nie bezpośrednio z powodu wykorzystania tychże satelitów do zastosowań nawigacyjnych, to przynajmniej pośrednio, poprzez zwiększenie zdolności komunikacyjnych. Połączenie technologii, takich jak sztuczna inteligencja i Internet rzeczy (IOT), mogłoby poszerzyć zakres zastosowań umożliwiających korzystanie z informacji o położeniu, dostarczanych przez system GNSS.

W przyszłości systemy będą nadal ewoluować, aby sprostać potrzebom coraz bardziej wymagających użytkowników. Zmiany, które prawdopodobnie nastąpią w nadchodzących latach, takie jak zwiększone bezpieczeństwo, odporność na zakłócenia i uzupełniające systemy pozycjonowania, wspólnie przyczynią się do uczynienia nawigacji jeszcze bardziej fascynującą w miarę uzyskiwania jej coraz pełniejszego obrazu.

Autor: Miguel Romay Merino.