GPS III jest już prawie gotowy - jakie zmiany lecą na orbitę?

Pierwszy był amerykański Global Positioning System i powoli jest on obecnie aktualizowany do swojej trzeciej wersji – GPS III. Nie jest to jednak aktualizacja, jaką znamy z telefonów czy komputerów. Proces odbywa się stopniowo i trwa już od wielu lat. Pierwszy satelita GPS III – SV01, nazwany „Vespucci” na cześć włoskiego odkrywcy – został wystrzelony 23 grudnia 2018 roku z przylądka Canaveral rakietą Falcon 9 firmy SpaceX. Od tego czasu regularnie dołączały kolejne jednostki: SV02, SV03, aż po SV08, który trafił na orbitę w maju tego roku i nosi imię Katherine Johnson – wybitnej matematyczki NASA. Do końca 2025 roku ma wystartować jeszcze SV09 („Ellison Onizuka”), a rok później ostatni w tej serii – SV10 („Hedy Lamarr”). Nazwy poszczególnych satelitów GPS III nie są przypadkowe – nadano je na cześć postaci historycznych, które odegrały ważną rolę w odkrywaniu świata, nauce i technologii. Kolejno uhonorowano w ten sposób jeszcze Fryderyka Magellana, Mattew Hensona, Sacajaweię, Neila Armstronga, Amelię Earhart oraz Sally Ride.

Odporność na zakłócenia

Bez większych niespodzianek, GPS III stanowi istotne ulepszenie w stosunku do wcześniejszych wersji, zarówno pod względem precyzji, jak i odporności na zakłócenia. W kontekście obecnej sytuacji geopolitycznej ten drugi aspekt wydaje się coraz ważniejszy. Już teraz słyszy się o zakłócaniu sygnału GPS, nawet na terenie Polski. GPS III zapewnia znacznie lepszą odporność na próby zakłócenia sygnału, czyli tzw. jamming. Udało się to osiągnąć za pomocą kilku ważnych ulepszeń. Przede wszystkim – mocy sygnału. Satelity GPS III transmitują sygnały z wyższą mocą niż wcześniejsze generacje, co oznacza, że są one silniejsze i trudniejsze do zagłuszenia przez źródła zakłóceń naziemnych. Większa moc oznacza również lepszy stosunek sygnału do szumu (SNR), co przekłada się na bardziej niezawodny odbiór.

GPS III wprowadza także ulepszony sygnał M-code, który jest kierunkowy i specjalnie zaprojektowany do działania w środowiskach o wysokim poziomie zakłóceń. Sam M-code jest dodatkowo silnie szyfrowany i zaprojektowany tak, by skutecznie chronić przed zakłóceniami i próbami fałszowania sygnału. Wprowadzenie M-code jest zresztą również niezwykle ważną aktualizacją dla całej konstelacji – sygnał może być wykorzystywany nie tylko przez nowe satelity GPS III, ale również przez wybrane starsze jednostki z serii GPS IIR- M i GPS IIF. Oprócz tego, lepsze zegary atomowe (rubidowe i cezowe) umieszczone na satelitach GPS III zapewniają wyższą precyzję synchronizacji, co pozwala na dokładniejsze odrzucanie sygnałów nieautentycznych lub zniekształconych przez interferencje. Pamiętajmy, że system GPS i inne GNSS-y to już nie tylko nawigacja – to również jeden z najlepszych sposobów pozyskiwania informacji o aktualnym czasie. Rzecz kluczowa dla wielu systemów i aplikacji.

Dodatkowa antena kierunkowa

W odróżnieniu od wcześniejszych satelitów systemu GPS, sygnał M-code ma być nadawany nie tylko z szerokokątnej anteny obejmującej całą Ziemię, lecz również z anteny kierunkowej o wysokim zysku. Sygnał z tej drugiej, wiązka kierunkowa, jest skierowany na konkretny obszar – zwykle o średnicy kilkuset kilometrów (co w przypadku systemu GPS naprawdę oznacza niewielki obszar) – i wzmacnia lokalny sygnał nawet o 20 dB, co oznacza dziesięciokrotnie większe napięcie pola i stukrotnie większą moc. W praktyce obecność dwóch anten sprawia, że dla odbiorników znajdujących się w zasięgu wiązki punktowej dany satelita GPS może wyglądać tak, jakby w tym samym miejscu znajdowały się dwa satelity. Oczywiście, satelity starszej generacji, pomimo wykorzystywania M-code, nie będą w stanie nadawać go wiązką kierunkową. Wymaga to fizycznego sprzętu a nie aktualizacji oprogramowania. Sama aktualizacja do GPS III nie sprawi jednak, że obecne odbiorniki stracą rację bytu. Dla użytkowników nie będzie wymagana żadna aktualizacja, zarówno w kwestii oprogramowania, jak i sprzętu.

Bezpieczeństwo to bez wątpienia kluczowy aspekt systemu GPS III. Nie można jednak zapomnieć o czymś nieco bardziej przyziemnym i z pewnością bardziej wartościowym dla zwykłego użytkownika. Zwiększona została również dokładność lokalizacji, która sięga teraz nawet 1–3 metrów, co oznacza poprawę o około 3 razy w porównaniu do poprzedniej generacji. Satelity obsługują 3 częstotliwości:

• sygnał L1C na częstotliwości 1575,42 MHz (L1);
• sygnał L2C na 1227,6 MHz (L2);
• sygnał L5 „Safety of Life” na 1176,45 MHz (L5).

Dzięki temu umożliwiają chociażby pozycjonowanie z użyciem dwóch lub trzech częstotliwości. Odbiornik może więc eliminować błędy związane z jonosferą – jednym z największych źródeł niedokładności w klasycznym GPS. Przez porównanie sygnałów z różnych pasm możliwe jest modelowanie i korygowanie opóźnień propagacyjnych, co radykalnie zwiększa precyzję. Szczególnie sygnał L1C, dzięki zastosowaniu nowoczesnej modulacji (np. Time Multiplexed Binary Offset Carrier), pozwala na precyzyjniejsze pomiary czasu propagacji fali radiowej. Przy okazji, warto podkreślić, że satelity GPS III mają znacznie wydłużoną żywotność – przewidywaną na ponad 15 lat.

Dostępność GPS III dla wszystkich

A co z tego będzie miał przeciętny użytkownik? Oczywiście, GPS to system wojskowy. Znaczna jego część jest jednak udostępniana publicznie. Bez większych niespodzianek, technologia GPS III zostanie również udostępniona szerszemu gronu użytkowników. Kluczową rolę w tym procesie odegra cywilny sygnał L1C, zaprojektowany z myślą o interoperacyjności z innymi międzynarodowymi systemami nawigacji satelitarnej (GNSS). Sygnał L1C działa na tej samej częstotliwości co europejski system GNSS Galileo, japoński QZSS oraz chiński BeiDou. Dzięki temu w przyszłości odbiorniki GPS będą mogły jednocześnie korzystać z danych pozycjonujących pochodzących z wielu systemów GNSS, co pozwoli na jeszcze dokładniejsze i bardziej niezawodne śledzenie położenia. Dla cywilnego użytkownika to największa zmiana. Współczesne odbiorniki GNSS (np. w smartfonach czy dronach) coraz częściej obsługują kilka systemów jednocześnie (np. GPS + Galileo + GLONASS), co pozwala na dokładniejsze i bardziej niezawodne określanie pozycji. Nadawanie na tej samej częstotliwości znacznie to ułatwi. Pozostałe pasma są już zarezerwowane dla wojska.

Porównując GPS III do rozwiązań konkurencyjnych, warto skupić się na trzech z nich – europejskim Galileo, rosyjskim GLONASS i chińskim BeiDou. To jedyne systemy GNSS o zasięgu globalnym. Japoński QZSS działa jedynie regionalnie, podobnie jak indyjski IRNSS/ NavIC.

Chociaż GPS III to bez wątpienia spore ulepszenie, nie sposób nie zauważyć, że nie jest to innowacja, a raczej doganianie konkurencji. Chińskie BeiDou oferuje dokładność lokalizacji do 10 centymetrów (co prawda tylko dla wojska, na szyfrowanej łączności), a europejski Galileo do jednego metra. Stany Zjednoczone to pionierzy nawigacji satelitarnej, ale nie są już od dawna liderem tego wyścigu. Ciężko jednak tak naprawdę mówić o wyścigu, bo ten odbywa się na płaszczyźnie militarnej i spora część informacji może być utajniona. Z punktu widzenia nawigacji cywilnej wszystkie systemy stawiają raczej na współpracę – sygnał jest otwarty i dostępny dla każdego.