Nie tylko GPS. Stare i nowe systemy nawigacji satelitarnej

Synonimem nawigacji satelitarnej jest dziś GPS – system nawigacji, który Stany Zjednoczone oficjalnie oddały do użytku na początku lat 90. Choć najpopularniejszy, nie jest ani najstarszy, ani jedyny. Nawigacja satelitarna istniała długo przed GPS-em, a amerykańskie rozwiązanie ma coraz więcej konkurentów.

Przodkowie nawigacji satelitarnej

Wbrew pozorom komfort korzystania z samochodowej nawigacji nie jest niczym nowym. Pierwsze systemy nawigacyjne pojawiły się bowiem w samochodach już niemal 100 lat temu. Oczywiście nie była to nawigacja satelitarna, tylko jej funkcjonalny praprzodek. Pierwsze nadające się do użytku rozwiązanie powstało w latach 30. XX wieku we Włoszech i pozwalało kierowcy na stały podgląd pozycji samochodu na mapie.

Nawigacyjne cudo składało się z map różnych tras umieszczonych na rolkach i obrotowego uchwytu podpinanego do prędkościomierza. Przed wyruszeniem w drogę należało założyć rolkę z odpowiednią trasą i przewinąć ją do punktu startowego.

Resztę załatwiał mechanizm, rozwijający mapę w zależności od rozwijanej prędkości i pozwalający kierowcy na sprawdzenie w każdej chwili, gdzie dokładnie się znajduje. Oczywiście jakiekolwiek zboczenie z wyznaczonej trasy skutkowało błędnymi wskazaniami, ale – o ile podróż przebiegała zgodnie z planem – taka analogowa nawigacja mogła sprawdzać się całkiem nieźle. Istniała również naręczna odmiana takiej nawigacji, jednak w tym przypadku konieczne było ręczne przesuwanie mapy.

Skąd wystrzelić rakietę Polaris?

Gdy Rosjanie umieścili na orbicie swojego pierwszego satelitę, Sputnik 1 spotkał się z wielkim zainteresowaniem nie tylko w Związku Radzieckim, ale również w Stanach Zjednoczonych. Stałe śledzenie krążącej wokół Ziemi metalowej kuli podsunęło w 1957 roku naukowcom z Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Hopkinsa pomysł, w jaki sposób wykorzystać sztuczne satelity do określania pozycji na Ziemi.

Amerykański system NAVSAT (znany również jako Transit lub NNSS - Navy Navigation Satellite System) zadebiutował niedługo potem – już na początku lat 60. i jak większość doniosłych wynalazków tamtych czasów był efektem potrzeb wojska. Wdrażany od 1960 roku NAVSAT dawał możliwość precyzyjnego określenia pozycji okrętów podwodnych, co było niezbędne, aby właściwie wycelować przenoszone przez nie rakiety balistyczne.

W 1967 roku udostępniono system również dla użytkowników cywilnych, jednak NAVSAT nadawał się niemal wyłącznie do nawigacji morskiej – jego ograniczeniem był długi czas określania pozycji, sięgający kilku, a nawet kilkunastu minut oraz konieczność wprowadzenia prędkości i wysokości anteny odbiorczej nad poziomem morza. Kolejną barierę stanowiły rozmiary odbiornika – komputera AN/UYK-1, który mierzył około 1,5 metra wysokości. Ostatecznie system zapewniający w ostatniej wersji dokładność pomiaru rzędu 200 metrów działał do 1996 roku, kiedy to został zastąpiony GPS-em.

Wojsko mnoży systemy nawigacyjne

Wdrażanie systemu NAVSAT nie przerwało prac nad innymi rozwiązaniami. Na potrzeby wojsk rakietowych w 1960 roku rozpoczęto prace nad systemem MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), którego zadaniem było precyzyjne określenie lokalizacji ruchomych wyrzutni rakiet balistycznych.

Własny system nawigacyjny chciały mieć również siły powietrzne, potrzebujące łatwego ustalania nie tylko współrzędnych geograficznych, ale też pozycji obiektu w trzech wymiarach. Miał do tego służyć system 621B, którego testy – również z wykorzystaniem samolotów – rozpoczęły się w 1968 roku.

Ambicje opracowania własnego systemu nawigacyjnego miały również wojska lądowe, które w 1964 roku rozpoczęły prace nad programem SECOR (Sequential Collation of Range). Z kolei marynarka wojenna zaczęła wdrażanie systemu TIMATION, służącego przede wszystkim testom globalnej synchronizacji czasu o nieosiągalnej dotychczas dokładności, co w przyszłości miało zaowocować GPS-em.

Rosjanie chcą mieć swoją nawigację

Nie uprzedzajmy jednak faktów. W latach 60. Stany Zjednoczone nie były jedynym krajem zdolnym do tworzenia globalnego systemu nawigacji. Własne badania nad takim rozwiązaniem prowadził również Związek Radziecki, któremu precyzyjne określanie położenia różnych obiektów było potrzebne w tym samym celu co Amerykanom – do określenia pozycji mobilnych wyrzutni rakiet.

Pierwszy system tego typu o nazwie CYKLON został opracowany na potrzeby radzieckiej marynarki wojennej i pod względem przyjętych rozwiązań przypominał amerykański NAVSAT. Pierwszy radziecki satelita nawigacyjny znalazł się na orbicie w 1967 roku, a prowadzone w kolejnych latach próby wykazały niezadowalającą precyzję. Pozycję na morzu można było określić z dokładnością do około 3 km, co było dalece niewystarczające. Opracowane w kolejnych latach ulepszenia sprawiły, że do 1974 roku CYKLON zaczął nadawać się do użytku, pozwalając na określenie pozycji z dokładnością do około 100 metrów.

Kolejnym etapem rozwoju był system CYKADA. Co istotne, pod tą nazwą kryją się tak naprawdę dwa niezależne rozwiązania: wersja cywilna oraz przeznaczona dla wojska, rozwijana pod nazwą CYKADA-M. Pierwszy satelita tego systemu pojawił się na orbicie w 1976 roku, a z możliwości nawigacji satelitarnej od 1979 roku zaczęła korzystać marynarka wojenna. W drugiej połowie lat 80. system udostępniono również użytkownikom cywilnym, a jego możliwości wykorzystano m.in. w systemie ratowniczym COSPAS, który od początku lat 80. jest projektem międzynarodowym i dzięki współpracy m.in. USA tworzy globalny, satelitarny system ratowniczy COSPAS-SARSAT.

Epoka GPS-u

Amerykanie, którzy w latach 60. rozpoczęli co najmniej cztery niezależne projekty systemów nawigacyjnych, po kilku latach postanowili połączyć dotychczas rozproszone siły. W 1973 roku doszło do spotkania przedstawicieli różnych rodzajów sił zbrojnych, podczas którego podjęto decyzję o połączeniu wszystkich programów w jeden o nazwie DNSS (Defense Navigation Satellite System). Zmieniono ją następnie na Navstar GPS. Założenia towarzyszące nowemu programowi były bardzo ambitne: miał obsługiwać nielimitowaną liczbę użytkowników, określać pozycję z dokładnością do 5 metrów, mieć globalny zasięg, a zarazem zapewniać niewykrywalność odbiornika.

Dodatkową, niezależną funkcją było umieszczenie w każdym z satelitów systemu modułu odpowiedzialnego za wykrywanie na powierzchni Ziemi wybuchów jądrowych. Pierwszy satelita nowego systemu pojawił się na orbicie w 1978 roku, a tragiczne zdarzenie sprawiło, że niedługo potem system stał się dostępny również dla użytkowników cywilnych. Było to następstwem zestrzelenia przez Rosjan cywilnego Jumbo Jeta  z 269 osobami na pokładzie, który z powodu błędu nawigacyjnego naruszył radziecką przestrzeń powietrzną.

Aby nie dopuścić do takich sytuacji w przyszłości, prezydent Ronald Reagan zdecydował o udostępnieniu nawigacji satelitarnej do zastosowań cywilnych za darmo i na całym świecie. Przez pierwsze kilkanaście lat dokładność wersji cywilnej ograniczono do około 100 metrów, stosując zakłócanie sygnału nazywane SA (Selective Availability). Zniesiono je dopiero w 2000 roku, czego następstwem był gwałtowny i trwający do dziś rozwój cywilnej nawigacji satelitarnej.

Każdy chce mieć własną nawigację

Choć GPS jest najpopularniejszym systemem nawigacyjnym, niektóre kraje wdrażają własne, niezależne od amerykańskiego systemu rozwiązania. Najbardziej znany jest rozwijany od 1976 roku rosyjski GLONASS. Mimo poważnych problemów w latach 90. i krótszego od zakładanego czasu działania satelitów jest on obecnie obsługiwany, obok systemu GPS, m.in. przez niektóre nowe smartfony.

Własny system nawigacyjny BeiDou tworzą od początku wieku również Chiny. Pierwsza wersja systemu o nazwie BeiDou-1 służyła przetestowaniu technologii. Obecnie wdrażany jest docelowy BeiDou-2, znany dawniej pod nazwą Compass. który na razie zapewnia określenie lokalizacji na terenie Chin i w rejonach przygranicznych. Do 2020 roku chińska nawigacja, obsługiwana przez 35 satelitów, ma działać na całym świecie.

Od lat 90. z inicjatywy Francji wdrażany jest również międzynarodowy system Doris, którego oficjalne uruchomienie nastąpiło w 2003 roku. Dzięki połączeniu satelitów z siecią śledzących je stacji naziemnych udało się uzyskać wyznaczanie pozycji z dokładnością do jednego centymetra. Choć Doris może służyć do nawigacji, jego celem jest jednak coś innego – jest wykorzystywany przede wszystkim do badań geodezyjnych. Do działających już systemów dołączą kolejne. Unia Europejska tworzy własny, globalny system nawigacyjny Galileo, a lokalne systemy rozwijają m.in. Indie, Korea Południowa i Japonia.