No angļu Global Navigation Satellite System 'globālā navigācijas satelītu sistēma' jeb GNSS. Globālā – visā pasaulē pieejams signāls; navigācija – orientēšanās ģeogrāfiskajā telpā; satelītu sistēma – funkcionāli vienotu satelītu grupa orbītās.
Pēc definīcijas GNSS ir globāls pārklājums, kas nodrošina signālu jebkurā vietā uz zemeslodes. Globālais pārklājums tiek nodrošināts ar 18–30 izkliedētu vidējā augstuma orbītas satelītu grupu (konstelāciju), kas izvietota vairākās orbitālajās plaknēs. Visas GNSS izmanto orbitālās inklinācijas > 50°, un to satelītu orbitālie periodi sasniedz aptuveni 12 stundas.
GNSS tehnoloģiju veido trīs segmenti,
Satelīti GNSS konstelācijās ir izvietoti regulāri vairākās orbitālās planknēs, lai nodrošinātu “redzamību” vienlaikus vismaz četriem satelītiem no jebkuras vietas uz Zemes. Signāli no trim satelītiem ir vajadzīgi trilaterācijai (pseidoattāluma aprēķinam, izejot no signāla ceļošanas laika), bet ceturtais – novietojuma precizēšanai.
Satelīti raida radioviļņu signālus divās frekvencēs – L1 un L2. Piemēram, globālā pozicionēšanas sistēma (Global Positioning System, GPS) izmanto pamata 10,23 MHz frekvenci (L1). GNSS signālu raksturo tā precizitāte, integritāte, kontinuitāte (pieejamība laikā) un pieejamība (ģeogrāfiskais pārklājums). GNSS signāla informācija ietver konkrētā satelīta orbitālos parametrus, atrašanās vietu ar precīzu laika zīmogu un “almanahu” (tas satur pārējo konstelācijas satelītu orbitālo informāciju, jonosfēras modeli un laika konvertācijas formulu).
GNSS satelītu darbību nodrošina ļoti precīzi atompulksteņi (ar rubīdija vai cēzija oscilatoru), kas ir sasinhronizēti savā starpā un ar kontroles stacijām uz Zemes. Speciālā un vispārīgā relativitātes teorija paredz, ka satelīta pulkstenis orbītā ir 38 mikrosekundes dienā ātrāks nekā uz Zemes. GNSS dizains koriģē šo atšķirību, bez kuras kumulatīvā pozicionēšanas kļūda sasniegtu 10 km dienā. Nozīmīgas kļūdas rada atšķirības starp raidītāja (satelīta) un uztvērēja (GNSS termināla) pulksteņu precizitāti, kas tiek koriģētas automātiski ar Zemes kontroles staciju palīdzību. Kosmosā vai uz Zemes bāzētās signāla augumentācijas tehnoloģijas nodrošina satelītu signāla kļūdu koriģēšanu reālajā laikā.
GNSS uztvērēji sastāv no divām daļām – antenas (uztver signālu) un procesora (atkodē un apstrādā signāla informāciju). Uztvērējam var būt arī vairākas antenas un tas var būt konstruēts, lai uztvertu vienu vai vairākus GNSS signālus. GNSS uztvērēji ir iebūvēti visdažādākajās ierīcēs – viedpulksteņos, automobiļos, bezpilota lidaparātos, raķešu vadības blokos un citur.
Mūsdienās GNSS ir ļoti būtiska nozīme – tās nodrošina precīzu reālā laika pozicionēšanu (ģeolokāciju). Mūsdienu GNSS uztvērēju izmēri un izmaksas ir ļoti samazinājušās, veicinot to plašu izplatību un integrāciju automašīnās, datoros, viedtelefonos un bezpilota lidaparātos. Daudzi GNSS uztvērēji izmanto signālus no vairākām GNSS sistēmām vienlaikus, lai uzlabotu pozicionēšanas ātrumu un precizitāti.
Precīza ģeogrāfiskā pozicionēšana (atrašanās vietas noteikšana absolūti vai relatīvi pret citiem signāliem) ir ļoti nozīmīga vajadzība daudzās tautsaimniecības un zinātnes jomās. Pieaugot automatizācijas līmenim, arvien aktuālāka ir ierīču sastarpējā komunikācija, kurā GNSS spēlē kritiski svarīgu lomu. Galvenie pozicionēšanas parametri, ko nodrošina GNSS signāls ir:
GNSS ir radikāli izmainījušas daudzas tautsaimniecības jomas, galvenokārt, navigāciju, kartogrāfiju, ģeodēziju, robotiku, kā arī tūrismu, drošību un uzraudzību. Vēl citās nozarēs ir sagaidāma GNSS iespēju izmantošana, piemēram, paplašinātās realitātes spēles un apmācību simulācijas.
GNSS uztvērēji ir iebūvēti visos modernajos viedtālruņos, planšetdatoros un viedpulksteņos, kā arī citās ierīcēs. Autonomās ierīces, piemēram, zāles pļāvēji un piegādes roboti spēj darboties, tikai pateicoties ātrai un precīzai GNSS pozicionēšanai un maršrutēšanai.
GNSS tiek izmantotas dažādās jomās, piemēram, navigācijā (jūra, gaiss, sauszeme), loģistikā, operatīvajos dienestos, mērniecībā, lauksaimniecībā, telekomunikācijās, zinātnē, finansēs un citās. Globālās navigācijas pakalpojums viedierīcēs tiek izmantots arī sportā, fotogrāfiju ģeolokācijā, mājdzīvnieku izsekošanā un paplašinātās realitātes (augumented reality) spēlēs un simulācijās.
GNSS ir tehnoloģija, kura sākotnēji tika konstruēta un izmantota tikai militārām vajadzībām – navigācijai un ieroču sistēmu precīzai novadīšanai. Tomēr mūsdienās GNSS precīzie signāli ir atvērti un pieejami sabiedrībai, jo šo sistēmu plaša izmantošana sniedz ievērojamu ekonomisku labumu un veicina tehnoloģisko izaugsmi.
Tā kā GNSS infrastruktūru veido un uztur valdības, tās atrodas zem attiecīgo valstu kontroles un GNSS ir uzskatāmas par sabiedrisko infrastruktūru, ko var izmantot lietotāji ar attiecīgi konfigurētiem uztvērējiem.
Tā kā GNSS tehnoloģijas ir balstītas kosmiskajās tehnoloģijās, piemēram, orbītā esošajos Zemes satelītos, kā arī datu pārraides (elektronisko komunikāciju) tehnoloģijās, atompulksteņos un šifrēšanas tehnoloģijās, to attīstība varēja notikt tikai pēc šo tehnoloģiju izveides vai pilnveidošanas 20. gs. 60.–70. gados. GNSS attīstība bija daļa no Aukstā kara laika “kosmosa sacensības”, kā arī apmierināja konkrētas militārās vajadzības.
Uz sauszemes bāzētās radionavigācijas sistēmas ir pazīstamas jau kopš Otrā pasaules kara. Šīs tehnoloģijas izmantoja torņos, kas pārraidīja to atrašanās vietas informāciju, izmantojot garos radioviļņus, kurus varēja uztvert radiostacijas, kuģi, lidmašīnas un citi lietotāji. Tomēr navigācijas globālie mērogi un prasības pēc augstākas precizitātes un robustākas navigācijas sistēmas lika pamatu GNSS attīstībai kosmosa apguves laikmetā. 1973. gadā Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Aizsardzības departments (United States Department of Defense) sāka darbu pie GPS (tolaik – NAVSTAR) sistēmas izveides, kas pēc 1990. gada nodrošināja precīzo signālu autorizētajiem lietotājiem, piemēram, ASV bruņotajiem spēkiem un citiem, kā arī degradēto (neprecīzo) signālu, kas bija pieejams sabiedrībai. Signāla precizitātes degradācija tika izbeigta 2000. gadā ar prezidenta Billa Klintona (Bill Clinton) rīkojumu. Lai izvairītos no atkarības no ASV GPS signāla pieejamības, vairākas valstis – Krievija, Ķīna, Indija, Japāna, arī Eiropas Savienība – izveidoja savas navigācijas sistēmas. GPS navigācija militāriem mērķiem pirmo reizi tika izmantota Persijas līča karā 1991. gadā. Kopš tā laika militārā joma ir bijusi viena no nozīmīgākajām GNSS lietotājām.
Pašlaik tiek izmantotas vairākas GNSS:
Citas reģionālās pozicionēšanas sistēmas ir Japānas kvazizenitālā satelītu sistēma (Quasi-Zenith satellite system, QZSS) un Indijas reģionālā satelītnavigācijas sistēma (Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS), kuras nenodrošina globālu pārklājumu un tāpēc netiek uzskatītas par GNSS. Šīs sitēmas balstās uz ģeostacionāro satelītu izmantošanu, kas nodrošina signālu tikai noteiktā ģeogrāfiskā reģionā.
GNSS ir viena no pamata tehnoloģijām, kas nodrošina mūsdienu dzīvi. Tā ļauj cilvēkiem un ierīcēm orientēties telpā, nodrošinot pozicionēšanas, navigācijas un taiminga (timing) pakalpojumums. GNSS ir neatņemama lietu interneta (Internet of Things, IoT) sastāvdaļa, kā arī nodrošina bezpilota transportlīdzekļu (pašbraucošo automobiļu, dronu) autonomu navigāciju. Pateicoties tam, ka 2000. gadā plašākai sabiedrībai tika atvērts GPS precīzs signāls, GPS lietotāju skaits ir pieaudzis daudzkārt un šis pakalpojums ir veicinājis ekonomikas izaugsmi visā pasaulē.
Nozīmīgi ir ne tikai sasniegumi pozicionēšanas precizitātē, bet arī GNSS tehnoloģijas integrācijā ar citām tehnoloģijām, piemēram, globālās loģistikas sistēmām, drošības sistēmām un finanšu sistēmām. GNSS sistēmu uzturēšana prasa lielus kapitāla un zināšanu ieguldījumus, ko var atļauties tikai lielvalstis. Šādu tehnoloģiju izveide savukārt dod kontroli pār vitāli svarīgiem pakalpojumiem, kas nodrošina ekonomikas un sabiedrības funkcionēšanu un militārās spējas.
21. gs. 20. gadu sākumā tiek testētas trešās paaudzes GNSS tehnoloģijas, kas izmanto L5 signālu un ļauj sasniegt pat 30 cm pozicionēšanas precizitāti. Mūsdienās 16 GPS satelīti raida šādu papildus signālu, izmantojot L5 signālu.
GNSS tehnoloģijas kontrolē attiecīgo valstu iestādes – GPS uztur ASV Kosmosa spēki (United States Space Force), GLONASS – Krievijas Federācijas korporācija “Roskosmos” (Государственная корпорация по космической деятельности Роскосмос), BeiDou – Ķīnas Tautas Republikas Nacionālā kosmosa administrācija (China National Space Administration, 中国国家航天局, Zhōngguó Guójiā Hángtiān Jú), Galileo – Eiropas Savienības Kosmosa programmas aģentūra (European Union Agency for the Space Programme) kopā ar Eiropas Kosmosa aģentūru (European Space Agency).
Sensors (izdevējs Multidisciplinary Digital Publishing Institute, iznāk kopš 2001. gada); Satellite Navigation (izdevējs Aerospace Information Research Institute, iznāk kopš 2020. gada); Inside GNSS (izdevējs Inside GNSS Media & Research LLC, iznāk kopš 2006. gada).
GNSS tehnoloģiju attītībā būtisku ieguldījumu snieguši zinātnieki un inženieri no ASV, kuri strādājuši kosmosa izpētes vai militārajās jomās. Rodžers Īstons (Roger L. Easton) no ASV Jūras spēku pētniecības laboratorijas (US Naval Research Laboratory) tiek uzskatīts par vienu no GPS sistēmas izgudrotājiem. Aivans Gettings (Ivan Getting) no ASV Aerokosmosa korporācijas (The Aerospace Corporation) izstrādājis GNSS pamatprincipus un pārliecinājis lēmumu pieņēmējus par šādas sistēmas iespējamību. Bredfords Pārkinsons (Bradford Parkinson) bija NAVSTAR (vēlāk – GPS) izstrādes programmas direktors.