Kierunki rozwoju systemów satelitarnych

Transkrypt

Projekt Foresight
Autorzy:
Jakub Ryzenko
Anna Badurska
Anna Kobierzycka
Opracowanie graficzne:
Juliusz Łabęcki
Za szczególne zaangażowanie i wkład w opracowanie raportu autorzy dziękują:
Prof. Andrzejowi Ciołkoszowi, prof. Zbigniewowi Kłosowi, dr inż. Krzysztofowi Kurkowi, prof.
Józefowi Modelskiemu, prof. Stanisławowi Oszczakowi, dr Mirosławowi Ratajowi, prof. Januszowi
B. Zielińskiemu
Podziękowania za czynny udział w I fazie Projektu Foresight autorzy składają:
Krzysztofowi Banaszkowi, Leszkowi Bujakowi, Bartoszowi Buszke, prof. Andrzejowi Dąbrowskiemu,
Borysowi Dąbrowskiemu, prof. Katarzynie Dąbrowskiej – Zielińskiej, dr Izabeli Dyras, prof.
Markowi Granicznemu, dr hab. Markowi Grzegorzewskiemu, dr Karolowi Jakubowiczowi, dr
hab. Andrzejowi Kijowskiemu, Andrzejowi Kotarskiemu, prof. Adamowi Krężelowi, Arkadiuszowi
Kurkowi, Bartoszowi Malinowskiemu, prof. Stanisławowi Mularzowi, dr Markowi Ostrowskiemu,
dr Jerzemu Sobstelowi, prof. Cezaremu Spechtowi, Romanowi Wawrzaszkowi, prof. Piotrowi
Wolańskiemu, prof. Ryszardowi Zielińskiemu
Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej
2
Projekt Foresight
Spis treści:
Główne trendy
Łączność satelitarna
1. Zalety łączności satelitarnej
2. Orbity wykorzystywane w łączności satelitarnej
2.1. Znaczenie orbity geostacjonarnej
2.2. Orbita niska w transmisjach telekomunikacyjnych
3. Rynek satelitarnych usług telekomunikacyjnych
4. Ogólne trendy rozwojowe sektora
5. Trzy główne kierunki rozwoju systemów satelitarnych
5.1. Radiodyfuzja satelitarna – trendy rozwojowe parametrów technicznych
5.1.1. Nowy standard transmisji satelitarnych – DVB-S2
5.1.2. Skutki wprowadzania nowych standardów transmisji satelitarnych dla
odbiorcy
indywidualnego
5.1.3. Nowy system kompresji strumienia video
5.1.4. Zmiany w sposobie wyszukiwania treści i rozwój usług typu video na
żądanie
(VOD – Video on Demand)
5.1.5. Nowe radiodyfuzyjne rozwiązania technologiczne w wymiarze komercyjnym
5.2. Rozwój satelitarnych rozwiązań mobilnych
5.2.1. Satelitarne radio mobilne
5.2.2. Współpraca między systemami łączności i lokalizacji satelitarnej
5.2.3. Połączenia sieci satelitarnych z sieciami bezprzewodowymi WLAN
5.3. Usługi szerokopasmowe
5.3.1. Problemy techniczne związane z zapewnieniem szerokiego pasma transmisji
– tłumienie transmisji
6. Najważniejsze alternatywy i wyzwania dla rozwoju satelitarnych usług
telekomunikacyjnych
3
Projekt Foresight
Obserwacja satelitarna
1. Funkcjonowanie obserwacji satelitarnej
2. Wykorzystanie zobrazowań satelitarnych w kontekście polskim
3. Kierunki rozwoju satelitarnej obserwacji Ziemi
3.1. Zwiększenie liczby satelitów – skrócenie czasu rewizyty nad danym obszarem
3.2. Wzrost liczby i znaczenia satelitów pracujących w technologii radarowej
(mikrofalowej)
3.3. Polepszanie rozdzielczości przestrzennej przy utrzymaniu znacznego pola
widzenia satelity
3.4. Konstelacje satelitów
3.5. Technologie hiperspektralne
3.6. Rozwój małych satelitów – potencjalny
przełom na rynku obserwacji
satelitarnej
3.7. Bezpośredni odbiór obrazów z satelity
3.8. Obserwacja Ziemi z orbity geostacjonarnej
3.9. Wzbogacanie oferty dostępnych produktów
3.10. Upowszechnianie dostępu do danych geoinformacyjnych
3.11. Upowszechnienie i popularyzacja produktów obserwacji satelitarnej
4. Perspektywa roku 2020
5. Obserwacja satelitarna na świecie i Polsce – prognoza stanu sektora w trzech
horyzontach czasowych
4
Projekt Foresight
Nawigacja satelitarna
1. Zasady działania systemów nawigacji satelitarnej
2. Struktura systemów nawigacji satelitarnej
3. Kierunki ewolucji
4. Globalne systemy nawigacji satelitarnej i ich ewolucja
4.1. GPS
4.2. Glonass
4.3. Galileo
5. Systemy wspomagające
5.1. DGPS
5.2. Systemy satelitarne SBAS (Satellite Based Augmentation System)
5.2.1. EGNOS
5.2.2. WAAS
5.2.3. MSAS
5
Projekt Foresight
Technologie kosmiczne
1. Platformy satelitarne
1.1. Informacje ogólne
1.1.1. Specyficzne warunki w przestrzeni kosmicznej
1.1.2. Struktura satelity
1.1.3. Zasilanie satelity
1.2. Trendy technologiczne
1.2.1. Duże satelity
1.2.2. Małe satelity
1.3. Nowe technologie
1.3.1. Struktury programowalne
1.3.2. Systemy MEMS
1.3.3. Giętkie cienkowarstwowe systemy zasilania
1.4. Serwisowanie na orbicie
2. Konstelacje satelitarne w nawigacji, telekomunikacji i obserwacji Ziemi
2.1. Konstelacje nawigacyjne
2.2. Konstelacje telekomunikacyjne
2.3. Konstelacje obserwacyjne
2.4. Konstelacje w badaniach kosmicznych
3. Transport kosmiczny
3.1. Małe rakiety nośne
3.2. Turystyka kosmiczna
4. Badania naukowe i eksploracja kosmosu
4.1. Eksploracja bezzałogowa
4.2. Eksploracja załogowa
4.3. Stacje kosmiczne
6
Projekt Foresight
Foresight „Przyszłość technik satelitarnych w Polsce”
Celem projektu jest ocena perspektyw i korzyści z wykorzystania technik satelitarnych i rozwoju
technologii kosmicznych w Polsce w dwóch horyzontach czasowych – roku 2012 i 2020. Projekt
pozwoli określić najbardziej efektywne sposoby wykorzystania możliwości stwarzanych przez
techniki satelitarne i szans, które otworzą się w najbliższych latach dzięki intensywnemu
rozwojowi tego sektora na świecie i uznaniu go przez Unię Europejską za dziedzinę strategiczną.
Autorzy i uczestnicy projektu są przekonani, iż szerokie wykorzystanie usług opartych na
technikach satelitarnych, stanowiących jakościowo nowe narzędzie, może w wielu dziedzinach
przyczynić się do szybszego i mniej kosztownego pokonania istniejącej różnicy rozwojowej
Polski w stosunku do państw “starej” Unii.
Projekt Foresight stanowi forum dla dyskusji nad możliwą przyszłością sektora i pożądanymi
kierunkami jego rozwoju. Do udziału w nich zaproszeni zostali reprezentanci całego polskiego
sektora kosmicznego, jak również wiele osób spoza świata technik satelitarnych, które mogą
wnieść wiele ożywczych perspektyw i nowych pomysłów. Jednocześnie projekt ma upowszechniać
wśród decydentów politycznych i opinii publicznej wiedzę na temat praktycznego wykorzystania
przestrzeni kosmicznej.
Wynikiem prac ekspertów będzie stworzenie
wizji rozwoju sektora technik satelitarnych
i technologii kosmicznych w Polsce. W
szczególności panele zarekomendują wybór
priorytetowych, strategicznych obszarów
rozwoju, których wsparcie przynieść może
największe korzyści gospodarcze i społeczne
dla Polski.
Projekt jest realizowany przez Polskie Biuro
ds. Przestrzeni Kosmicznej we współpracy z
Polską Platformą Technologii Kosmicznych
przy wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego i funduszy Sektorowego Programu
Operacyjnego
Wzrost
Konkurencyjności
Przedsiębiorstw.
7
Projekt Foresight
Raport I fazy projektu Foresight „Przyszłość technik satelitarnych w Polsce”
Oddajemy w Państwa ręce pierwszy z raportów projektu Foresight „Przyszłość technik satelitarnych
w Polsce”. Projekt ten stawia sobie za cel zbadanie i ukazanie możliwości wykorzystania sektora
kosmicznego dla wspierania rozwoju gospodarczego i społecznego kraju.
Poniższy raport przedstawia światowe trendy rozwoju systemów satelitarnych, a więc ukazuje
perspektywę, w której powinny odbywać się dalsze dyskusje zmierzające do wskazania
konkretnych obszarów przyszłego wykorzystania technik satelitarnych w Polsce. Równocześnie
dokument staraliśmy się przygotować w taki sposób, aby osobom stykającym się po raz pierwszy
z tą problematyką dostarczyć ogólnych informacji o możliwościach i użyteczności rozwiązań
satelitarnych.
Raport składa się z niniejszej części wstępnej podsumowującej ogólne trendy rozwoju technik
satelitarnych i 4 części szczegółowych, poświęconych poszczególnym obszarom zastosowań
(łączności, obserwacji i nawigacji satelitarnej) oraz technologiom kosmicznym. Całość raportu
wraz z ekspertyzami technicznymi dostępna jest na stronie internetowej www.kosmos.gov.pl
Dokument ma charakter otwarty i będzie podlegać ewolucji, przede wszystkim w oparciu o
uwagi jego czytelników, do formułowania których niniejszym zachęcamy. W ciągu najbliższych
czterech miesięcy w wyniku II fazy projektu Foresight raport uzupełniony zostanie o katalog
kilkudziesięciu konkretnych obszarów zastosowań technik satelitarnych oraz obszarów
technologicznych, których rozwój może przynieść korzyści polskiej gospodarce.
Jak we wszystkich analizach służących przewidywaniu trendów rozwojowych na 15 lat, wyniki
opatrzone są nieuniknionym ryzykiem błędu. Jednakże sformułowanie możliwie zdecydowanych
hipotez było konieczne dla stworzenia konkretnego punktu odniesienia umożliwiającego dyskusje
nad przyszłymi sposobami wykorzystania omawianych technik. Należy także zaznaczyć, iż w
dokumencie, zwłaszcza przy omawianiu użyteczności poszczególnych obszarów, nacisk został
położony na ich komercyjne i publiczne wykorzystanie. Zastosowania militarne zostały tylko
zasygnalizowane i będą przedmiotem odrębnych analiz.
Mamy nadzieję, iż opracowanie to pozwoli lepiej uświadomić sobie przyszłe możliwości technik
satelitarnych i zainspiruje do wyobrażania sobie różnorodnych sposobów ich wykorzystania.
Anna Badurska, Anna Kobierzycka i Jakub Ryzenko
8
Projekt Foresight
Sektor kosmiczny na świecie
Działalność kosmiczna rozwijająca się od 50
lat stanowi dziś znaczący sektor światowej
gospodarki, którego przychody wynoszą 180
mld USD, z czego – wbrew popularnemu
przekonaniu – tylko 39% pochodzi ze środków
publicznych.
Działalność kosmiczna w powszechnym
wyobrażeniu utożsamiana jest często z
egzotycznymi badaniami dalekiego kosmosu
i powrotem ludzi na Księżyc. Tymczasem
największe gospodarcze i społeczne znaczenie
ma
dziś
wykorzystywanie
możliwości,
które oferują satelity krążące wokół Ziemi
– zapewniające łączność na obszarze całego
globu, dostarczające obrazów jego powierzchni
i oferujące precyzyjną informację o położeniu.
Działalność kosmiczna to także, a nawet
przede wszystkim gwałtownie rozszerzający
się wachlarz produktów i usług komercyjnych
bazujących na możliwościach tych satelitów i
dostarczanych przez nie danych.
Dopiero w dalszej kolejności działalność
kosmiczna to rakiety kosmiczne, stacje
orbitalne i misje naukowe. A przecież również
i one przynoszą bardzo wymierne, choć
długofalowe korzyści, odgrywając rolę jednej
z najważniejszych lokomotyw rozwoju nowych
technologii i innowacyjnych rozwiązań,
które szybko przenikają do codziennych,
„ziemskich” zastosowań.
W początku 2006 roku wokół Ziemi krążyło
536 satelitów telekomunikacyjnych, 34
cywilne satelity służące obserwacji i ponad
40 zapewniających usługi nawigacyjne, co w
sumie daje przeszło 610 satelitów użytkowych.
Dla porównania: badania naukowe realizowały
102 misje na orbicie Ziemi i 13 pojazdów
rozrzuconych po różnych częściach Układu
Słonecznego.
Tradycyjnym
użytkownikiem
systemów
satelitarnych mającym kluczowy wpływ na
kierunki ich rozwoju jest sektor bezpieczeństwa
i
obrony,
gdzie
„kosmos”
znajduje
szerokie pole zastosowań, od weryfikacji
przestrzegania traktatów rozbrojeniowych
po zwielokrotnienie efektywności działań na
polu walki dzięki broni precyzyjnej opartej na
nawigacji satelitarnej i satelitarnej łączności
zapewniającej ciągłą koordynację działań.
W 2005 roku w skali globalnej nakłady na
systemy kosmiczne w tym sektorze wyniosły
42,5 mld USD (z czego 95% stanowią wydatki
rządu USA).
Jednocześnie coraz częściej satelity ratują
ludzkie życie. Satelitarne lokalizowanie
rozbitków w katastrofach morskich i
powietrznych pozwoliło ocalić dotąd przeszło
21 tysięcy osób. Po uderzeniu tsunami
w Azji to zdjęcia satelitarne posłużyły
do oceny szkód i pozwoliły na efektywną
koordynację międzynarodowej pomocy. Na
obszarach dotkniętych huraganem Katrina
przez kilka tygodni kilkadziesiąt tysięcy
telefonów satelitarnych zapewniało jedyną
funkcjonującą sieć łączności. W samym 2006
roku agencje kosmiczne 25 razy w trybie
alarmowym kierowały sensory satelitów ku
wielkim katastrofom.
Władze publiczne od rządów wielkich państw
po lokalne samorządy wykorzystują dane
zbierane przez satelity do podejmowania
10
Projekt Foresight
Rok 2020
Można oczekiwać, iż w perspektywie roku 2020 łączność
satelitarna będzie coraz powszechniej dostępna przy
użyciu mniejszych i lżejszych terminali, działających
także w ruchu, a jej koszty obniżą się, choć wciąż
będą
wyraźnie
wyższe
od
łączności
naziemnej.
Upowszechni się radio satelitarne oraz dwukierunkowy,
szerokopasmowy przekaz danych, w tym oczywiście
dostęp do internetu.
Obserwacje satelitarne dostarczać będą znacznie więcej
informacji niż dziś, zarówno dzięki dużej częstotliwości
pozyskiwania obrazów tego samego obszaru, jak i ich
dokładności oraz bogactwu zawartych w nich danych.
Informacje te będą dostępne w przystępnej formie, w
łatwych do przeglądania bazach. Chmury ani noc nie
będą stanowić przeszkody dla coraz powszechniejszej
obserwacji radarowej. Być może realny będzie ciągły
monitoring wybranych obszarów.
Dokładna informacja o własnym położeniu stanie
się tak naturalna jak informacja o aktualnym czasie.
Nawigacja
satelitarna
będzie
oferowała
wysoką
precyzję pomiaru pozycji, a sygnał będzie powszechnie
dostępny, także w miastach z wysoką zabudową i
obszarach górskich. Informacja o położeniu będzie
wiarygodna (w razie wątpliwości użytkownik będzie
informowany o potencjalnym ryzyku niedokładności,
a dane o położeniu będą certyfikowane, tj. będą miały
bardziej świadomych decyzji. Obserwacje
satelitarne pozwalają lepiej zrozumieć
zagrożenia związane z globalnym ociepleniem,
ale także służą analizie dynamiki rozrostu
aglomeracji miejskich czy całościowej
prognozie plonów.
Rynek
komercyjny
przez
wiele
lat
zainteresowany
był
przede
wszystkim
systemami łączności, a w szczególności
telewizją
satelitarną.
Obecnie
coraz
większe nadzieje budzi lawinowy rozwój
zastosowań nawigacji satelitarnej, a wraz
z nią upowszechnianie wykorzystywania
geoinformacji – od dziś już prawie powszechnej
nawigacji samochodowej, przez inteligentne
systemy informacyjne wskazujące najbliższe
sklepy czy restauracje po promocję turystyki
przez aplikacje w rodzaju Google Earth.
Sam tylko rynek usług wykorzystujących
znajomość położenia w roku 2020 może mieć
wartość 180 mld euro.
W 2002 roku w sektorze kosmicznym na
świecie pracowało przeszło 250 tysięcy osób. Z
drugiej strony, w tym samym roku tylko w USA
przeszło 576 tysięcy osób było zatrudnionych
w obszarach gospodarki istniejących dzięki
możliwości wykorzystywania satelitów.
Wreszcie rozwój technologii kosmicznych
przynosi wielkie, choć często umykające
powszechnej uwadze korzyści każdemu z nas.
Ubrania z polaru są tak naprawdę wynikiem
poszukiwania rozwiązań dla konstrukcji
skafandrów kosmicznych. Spadek zużycia
paliwa i ogromny wzrost mocy uzyskiwanej z
danej pojemności w silnikach samochodowych
jest efektem stosowania coraz lepszych
materiałów i lepszego zrozumienia procesów
spalania – jedno i drugie to „dzieci” programów
kosmicznych.
Znaczenie rozwojowe tego sektora znajduje
wyraz w wielkości nakładów publicznych
doń kierowanych: w roku 2003 w państwach
„starej” Unii Europejskiej średnio 6,2 %
wszystkich
publicznych
nakładów
na
cywilne badania i rozwój trafiło do sektora
kosmicznego (dla wszystkich państw OECD
średnia ta wynosi 8,5 %).
wartość prawną).
11
Projekt Foresight
Wizje przyszłości
Przykłady
hipotezy
zastosowań
–
wybrane
W
warunkach
pomyślnego
rozwoju
gospodarki globalnej i przy postępującym
wzroście mobilności społeczeństw, rozwój
społeczeństwa informacyjnego oznaczać
będzie funkcjonowanie w otoczeniu bogatym
w informacje, coraz częściej zyskującym
swój wymiar przestrzenny. Ten trend, wraz z
powszechną wiedzą o położeniu uzyskiwaną
dzięki
nawigacji
satelitarnej,
pozwoli
konsumentom na nową jakość funkcjonowania:
naturalnym będzie szukanie kina najbliższego
naszego aktualnego położenia; najbliższej
restauracji oferującej ulubioną przez nas
kuchnię; łatwo będzie można zapoznać się
z okolicą naszych wymarzonych wczasów;
ocenić żyzność gleb i ich skażenie w miejscu,
gdzie wyrosły ziemniaki, które kupiliśmy na
obiad; otrzymać prognozę pogody wyliczoną
dla dokładnego miejsca naszego pobytu,
etc. Odbiorcami tego rodzaju informacji
będą nie tylko pojedynczy konsumenci
chcący funkcjonować bardziej efektywnie,
oszczędzając czas i wysiłek, ale także firmy
poszukujące oszczędności.
Pozycjonowanie
satelitarne
stanie
się
częścią szeroko pojmowanej infrastruktury
transportowej,
służąc
zwiększeniu
efektywności
wykorzystania
przestrzeni
powietrznej, optymalizacji ruchu na drogach
i kolei, bezpieczeństwu publicznemu, …
Wzrost jakości i dostępności informacji
geoprzestrzennych
powodować
będzie
coraz powszechniejsze ich wykorzystywanie
do świadomego podejmowania różnego
rodzaju decyzji, a to z kolei napędzać
będzie zapotrzebowanie na coraz nowsze i
możliwie często aktualizowane informacje.
Upowszechniające się systemy informacji
geoprzestrzennej GIS będą sposobem na
gromadzenie takich danych – a zobrazowania
satelitarne
stanowić
będą
jedno
z
najwygodniejszych i zdecydowanie najtańsze
źródło regularnej aktualizacji informacji
o rozległym obszarze: o rodzaju pokrycia
terenu, sposobie jego wykorzystania, stopniu
zanieczyszczenia
środowiska,
rodzaju
zabudowy i dynamice jej zmian, jakości wód,
osiadaniu gruntu, stopniu wyeksploatowania
gleb, ocenie susz i zagrożeniu pożarami, …
Geoinformacja stanie się także potężnym
narzędziem pozwalającym na zwiększenie
efektywności administracji publicznej. Na
poziomie centralnym, ale także i przede
wszystkim na poziomie regionalnym i w
samorządach lokalnych rozwój mechanizmów
geoinformacyjnych
pozwoli
efektywniej
gromadzić i przekazywać informacje, a
szeroki dostęp do nich pozwoli podejmować
decyzje w sposób bardziej świadomy, oparty
na znajomości rzeczywistej sytuacji. Ponadto
w wielu przypadkach pozwoli zwiększyć
przejrzystość działań administracji.
Geoinformacja
wspierać
też
będzie
strategiczne decyzje wielkiego biznesu,
które – tak samo jak w sektorze publicznym
– wymagają możliwie najlepszej wiedzy o
rzeczywistości.
Rozwój
społeczeństwa
informacyjnego,
wzrost
jego
mobilności
i
lawinowy
rozwój technologii IT generować będą
narastające zapotrzebowanie na możliwości
przesyłowe.
Większość
realizowana
będzie
metodami
konwencjonalnymi,
ale w niektórych zastosowaniach zalety
systemów satelitarnych będą decydować
o wyborze szerokopasmowych rozwiązań
oferujących
łączność
dwukierunkową.
Najprawdopodobniej postępować będzie
integracja różnych form komunikacji i łączność
taka dostępna będzie przez terminale służące
także do odbioru telewizji satelitarnej i radia,
przypominające dziś dostępne odbiorniki.
Na rynku mediów i rozrywki czynnikiem
wywołującym wzrost zapotrzebowania na
łączność satelitarną będzie wprowadzanie
nowych możliwości: telewizji wysokiej
rozdzielczości, interaktywnej telewizji i
innych form rozrywki interaktywnej, a dalszej
perspektywie być może także holografii.
Upowszechni się radio satelitarne, możliwe
do odbioru niezależnie od infrastruktury
naziemnej.
Łączność
satelitarna
będzie
szerzej
12
Projekt Foresight
wykorzystywana dla zapewnienia dostępu
do sieci informacyjnej (w tym internetu)
na obszarach trudno dostępnych i rzadko
zamieszkałych, gdzie rozwój infrastruktury
naziemnej
może
być
nieekonomiczną
alternatywą dla rozwiązań satelitarnych.
Tutaj istotna rola przypadnie działaniom
publicznym obejmującym teleedukację i
telemedycynę, a także coraz powszechniej
dostępną e-administrację. Rozwój takich
usług musi zostać zainicjowany przy
wsparciu sektora publicznego, jednak po
osiągnięciu określonego poziomu dojrzałości
będą one rozwijać się samodzielnie, gdyż
wykorzystywanie takich rozwiązań będzie
oferować istotne oszczędności.
Obok państw rozwiniętych, ogromnym
potencjalnym rynkiem może okazać się
zapewnianie łączności i powyższych możliwości
w państwach rozwijających się, gdzie brak
istniejącej infrastruktury naziemnej, a warunki
geograficzne często powodują, że jej budowa
będzie po prostu nieopłacalna.
naturalnego wymagać będzie systematycznego
zbierania dużej ilości informacji o klimacie,
służących
lepszemu
poznaniu
jego
mechanizmów i kierunku zmian. W praktyce
jedynie systemy satelitarne mogą dostarczyć
takich danych w skali globalnej.
Globalna i regionalna niestabilność polityczna
wywoływać będzie ciągłe zapotrzebowanie
na obrazy satelitarne i stały monitoring
określonych obszarów dla potrzeb weryfikacji
przestrzegania traktatów międzynarodowych,
monitorowania sytuacji międzynarodowej
oraz przygotowania i prowadzenia misji
różnego rodzaju.
Równocześnie
coraz
wyższy
poziom
nasycenia współczesnego pola walki techniką
i systemami informacyjnymi stworzą realia
„wojny sieciocentrycznej”. Efektem będzie
ciągłe i narastające zapotrzebowanie na
łączność o dużej przepustowości (w praktyce
głównie satelitarną) – tak na polu walki, jak
i dla zapewnienia efektywnego zarządzania
wsparciem logistycznym.
Potencjalny wzrost niestabilności, zagrożenia
atakami terrorystycznymi i zagrożenie
klęskami żywiołowymi stworzą niszę w
systemach łączności instytucji publicznych
i wielkich firm dla rozwoju satelitarnych
systemów łączności zapasowej na wypadek
zniszczenia lub uszkodzenia infrastruktury
naziemnej.
Narastająca
destabilizacja
środowiska
Narastający kryzys energetyczny stworzy
potrzebę poszukiwania nowych zasobów
naturalnych, zwłaszcza ropy i gazu.
Zobrazowania satelitarne, w szczególności
multispektralne, pozwolą w efektywny
sposób identyfikować potencjalnie obiecujące
obszary.
Wzrastająca
liczba
klęsk
żywiołowych
tworzyć będzie zapotrzebowanie na szybkie
pozyskiwanie zobrazowań wspierających
prowadzenie
działań
ratowniczych
i
wykorzystywanych
dla
efektywnego
zarządzania likwidacją skutków tych klęsk.
Tym celom służyć będzie także infrastruktura
łączności satelitarnej łatwa do szybkiego
rozwinięcia na zniszczonych obszarach.
Obserwacje
satelitarne
będą
też
wykorzystywane (często jako jedyne dostępne
narzędzie operujące w skali globalnej) dla
monitorowania przestrzegania traktatów
międzynarodowych o ochronie środowiska,
np. do pomiaru emisji CO2.
Źródło: ESA
13
Projekt Foresight
Łączność satelitarna
Telekomunikacja satelitarna jest najbardziej
dochodowym segmentem rynku usług
satelitarnych, który wytworzył w 2005
roku 58 mld USD przychodu. Udział
segmentu satelitarnego w całości wolumenu
światowych transmisji telekomunikacyjnych
nie przekracza 5 procent, ale znaczenie
przekazu dokonywanego za pomocą satelitów
komunikacyjnych jest kluczowe w szeregu
zastosowań, a możliwości oferowane przez te
techniki są trudne do zastąpienia.
Według szacunków
ESA wartość tego
rynku w 2010 roku może wynosić 106 mld
euro. Najbardziej dynamiczny wzrost jest
oczekiwany w dziedzinie interaktywnych
usług szerokopasmowych – transmisji danych
i obrazu, radia cyfrowego i regionalnych
systemów mobilnych.
•
Przeszło 2/3 przychodów sektora
pochodzi
z
nadawania
programów
telewizyjnych. Obecnie liczba indywidualnych
odbiorców wynosi ok. 80 mln i może wzrosnąć
do 100 mln w roku 2009.
•
Usługi wynajmu łączy satelitarnych,
które przyniosły w roku 2003 przychody
w wysokości 1 mld USD, rozwijać się
będą w znacznym stopniu napędzane
zapotrzebowaniem wojskowym (realizowanym
poprzez zakup usług na rynku komercyjnym).
Zakupy takie mogą osiągnąć 4,8 mld w roku
2012.
•
Usługi łączności mobilnej generują
obecnie jedynie 5 % przychodów sektora.
•
Najmłodszym
i
najdynamiczniej
rozwijającym się rynkiem jest radio satelitarne,
które w roku 2005 przekroczyło 10 mln
odbiorców i odnotowało wzrost przychodów
o 165%. Szacuje się, iż w roku 2010 liczba
odbiorców może wynieść 55 mln.
•
Rynek sprzętu służącego łączności
satelitarnej osiągnął w 2005 roku wartość 25
mld USD.
Cechy łączności satelitarnej:
•
sygnał nadawany przez satelity
dociera bezpośrednio na duże odległości, co
decyduje o przydatności łączności satelitarnej
w przypadku usług nadawczych, takich jak
radio, telewizja, transmisja danych czy inne,
gdzie odbiorcami są liczne i rozproszone
grupy użytkowników
•
łączność
satelitarna
zapewnia
możliwość
jednoczesnego
dostarczania
informacji niezależnie do wielu odbiorców
•
sygnał satelitarny możne dotrzeć
niemalże wszędzie, bez względu na
ukształtowanie terenu
•
koszt transmisji przy wykorzystaniu
satelitów geostacjonarnych jest niezależny
od odległości i liczby odbiorców
•
czas potrzebny na instalację sprzętu i
uruchomienie łączności jest bardzo krótki
•
sygnał satelitarny jest przesyłany
bezpośrednio z satelity do użytkownika
końcowego bez konieczności inwestowania w
budowę infrastruktury kablowej
•
systemy
satelitarne
zapewniają
łączność ze statkami na morzach, samolotami
na dużych wysokościach i użytkownikami
na obszarach gdzie naziemna infrastruktura
telekomunikacyjna nigdy nie istniała lub
uległa zniszczeniu
14
Projekt Foresight
Trendy rozwojowe
Źródło: Eutelsat
�
Rozwój oferty multimedialnej dostępnej w odbiorze satelitarnym: telewizja wysokiej
rozdzielczości, telewizja interaktywna, programy na życzenie, potencjalnie holowizja
�
Rozwój radia satelitarnego
�
Rozwój domowych terminali dwukierunkowych – domowy zestaw do odbioru telewizji
satelitarnej oferować będzie także szerokopasmowy dostęp do internetu i innych treści
multimedialnych, potencjalnie po cenach konkurencyjnych dla rozwiązań naziemnych
�
Wzrost mobilności użytkowników poprzez zmniejszanie anten, mocy i masy terminali
(dzięki zwiększeniu mocy sygnałów z satelitów)
�
Potencjalny rozwój satelitarnej telefonii komórkowej (opartej albo na satelitach
geostacjonarnych z antenami o dużej mocy albo na koncepcji konstelacji licznych satelitów
na niskich orbitach) oraz urządzeń mobilnych służących odbiorowi treści multimedialnych
(telewizja, dostęp do internetu). Rozwój urządzeń przenośnych automatycznie przełączających
się pomiędzy sieciami komórkowymi naziemnymi i łącznością satelitarną przy braku sygnałów
naziemnych
�
Szersze wykorzystanie szerokopasmowej łączności satelitarnej jako sieci szkieletowej
dla lokalnych punktów dostępowych i jako systemów łączności zapasowej
�
Znaczne zwiększenie możliwości przesyłowych systemów satelitarnych dzięki
wprowadzeniu zaawansowanego przetwarzania sygnałów na pokładzie satelitów oraz
wprowadzenie systemów wielowiązkowych oferujących lepsze wykorzystanie ograniczonej
Źródło: ESA
liczby dostępnych częstotliwości
15
Projekt Foresight
Obserwacja satelitarna
Dominującym odbiorcą i użytkownikiem
obserwacji satelitarnej od początku ery
kosmicznej pozostają instytucje publiczne.
W ciągu ostatnich lat rynek zobrazowań
satelitarnych, oceniany w 2005 roku na
ok. 1 mld USD przeszedł metamorfozę,
oferując obecnie coraz dokładniejsze lub
wyspecjalizowane dane coraz szerszemu
gronu odbiorców. Szacuje się, iż w roku 2010
globalny rynek satelitarnych zobrazowań
Ziemi będzie miał wartość ok. 2 mld USD.
Zgodnie z prognozą z roku 2004, w okresie
2004-2013 wyniesionych zostanie 170 nowych
satelitów obserwacyjnych o łącznej wartości
15,5 mld USD, przy czym ok. 130 rozpocznie
pracę przed rokiem 2010.
Źródło: ESA
Rozwój technologiczny prowadzi do ciągłego
zwiększania
dokładności
zobrazowań
satelitarnych i bogactwa uzyskiwanych
informacji, a wzrost liczby programów
dedykowanych obserwacjom Ziemi pozwoli na
poprawę częstotliwości uzyskiwania obrazów
tego samego obszaru i wpływać będzie na
obniżanie ich cen.
Satelity dostarczają przede wszystkim
zobrazowań
optycznych
i
radarowych
(niezależnych od zachmurzenia i oświetlenia),
których dokładność (rozdzielczość) schodzi
obecnie poniżej 1 metra. Z analizy takich
danych można wydobyć ogromne bogactwo
informacji szczegółowych, od oceny susz w
skali kraju i prognoz wzrostu roślin przez
trójwymiarowe modele terenu po ocenę
wieloletniej dynamiki rozwoju aglomeracji
miejskich czy pomiar osiadania gruntu liczony
w milimetrach.
Główne zastosowania to przede wszystkim
wykonywanie map i planowanie przestrzenne,
prognozowanie pogody, ocena zanieczyszczeń
środowiska, poszukiwanie złóż surowców,
obserwacje globalnych zmian klimatu, ocena
skutków klęsk żywiołowych oraz zdobywanie
informacji dla potrzeb bezpieczeństwa i obrony.
Lista różnorodnych zastosowań jest długa i
stale się rozszerza, a instytucje publiczne,
firmy i nawet indywidualni konsumenci coraz
chętniej sięgają po materiały satelitarne.
16
Projekt Foresight
Trendy rozwojowe
Źródło: ESA
�
Skracanie czasu od zamówienia do otrzymania zobrazowania satelitarnego i częstsza
aktualizacja danych w przypadku ciągłego monitorowania określonego obszaru
�
Rozwój możliwości pozyskiwania obrazów niezależnie od zachmurzenia i oświetlenia
dzięki upowszechnianiu technologii radarowej
�
Dążenie do pozyskiwania obrazu o możliwie dobrej dokładności (rozdzielczości
przestrzennej) w jak najszerszym pasie terenu
�
Uzyskiwanie coraz bardziej szczegółowych informacji o właściwościach fizykochemicznych
obserwowanego obszaru (w oparciu o dane hiperspektralne) i wzrost możliwości identyfikacji
obiektów
�
Potencjalne pojawienie się możliwości bezpośredniego odbierania przez
użytkowników obrazów rozsyłanych przez satelitę natychmiast po ich wykonaniu
wielu
�
Potencjalne pojawienie się możliwości ciągłego monitorowania prawie całego obszaru globu
i uzyskiwanie obrazów niemal w czasie rzeczywistym (w oparciu o satelity geostacjonarne)
�
Poszerzanie oferty zaawansowanych usług i wysokoprzetworzonych
informacyjnych oraz pojawianie się nowych kategorii ich użytkowników
produktów
�
Rozwój globalnie zintegrowanych baz danych oferujących szybki i łatwy dostęp do
informacji geoprzestrzennej
�
Upowszechnianie i popularyzacja zobrazowań satelitarnych wykorzystywanych
przez masowego odbiorcę (aplikacje typu Google Earth). Rozwój innowacyjnych aplikacji
konsumenckich w oparciu o te dane
�
Zobrazowania satelitarne pozostaną komplementarne do danych uzyskiwanych z
samolotów bezzałogowych i zdjęć lotniczych
17
Projekt Foresight
Nawigacja satelitarna
Rozwój nawigacji satelitarnej ma wpływ na
praktycznie wszystkie sektory współczesnej
gospodarki. W roku 2005 przychody firm na
rynku produktów i usług nawigacji satelitarnej
wyniosły 21,8 mld USD. Do 2020 roku wartość
tego rynku może sięgnąć 275 miliardów euro,
zapewniając 100 000 miejsc pracy. W użyciu
będzie około 3 miliardów odbiorników nawigacji
satelitarnej, zazwyczaj zintegrowanych z
innymi urządzeniami. Szczególnie obiecujący
obszar stanowi telefonia komórkowa, mająca
ponad 2 miliardy abonentów, gdzie już dziś
sprzedawane jest pół miliarda urządzeń
rocznie, co umożliwia szybką penetrację rynku
przez usługi opierające się na pozycjonowaniu
satelitarnym.
i ubezpieczeniach, sektorze energetycznym,
rybołówstwie, rolnictwie, ochronie środowiska,
szeroko pojętej nawigacji osobistej i innych.
Produkowane odbiorniki będą miały coraz
mniejsze rozmiary, a zarazem coraz lepsze
zdolności do odbioru i przetwarzania nawet
gorszej jakości lub zakłóconego sygnału.
Znajdować się będą we wszelkiego rodzaju
urządzeniach elektronicznych codziennego
użytku, takich jak telefony komórkowe,
palmtopy, aparaty fotograficzne, komputery
przenośne czy zegarki; zwiększy się także
liczba urządzeń montowanych fabrycznie w
samochodach czy na jachtach.
Usługi lokalizacyjne stanowią najbardziej
obiecujący rynek masowy dla nawigacji
satelitarnej.
Perspektywa
dostarczania
użytkownikom informacji dostosowanych do
ich osobistych potrzeb otwiera zupełnie nowe
możliwości dla operatorów i usługodawców z
branży telefonii komórkowej: klienci mogą
uzyskiwać określone informacje związane
ze swoim położeniem, takie jak adres
najbliższego szpitala, najlepsza droga do
stacji benzynowej czy lokalizacja najbliższej
restauracji. Równolegle rozwijać się będzie
rynek
szczegółowych
map
cyfrowych,
powiązanych
z
systemami
informacji
geoprzestrzennej.
Nawigacja satelitarna pozwala na określanie
położenia i parametrów ruchu w dowolnym
miejscu na powierzchni Ziemi, niezależnie
od pogody i pory dnia, z dokładnością
do kilku metrów, z wykorzystaniem tylko
darmowych serwisów GPS (a w przyszłości
także Galileo i Glonass). Możliwości te
wywołują już dziś lawinowy rozwój bardzo
szerokiego wachlarza aplikacji, nie tylko we
wszystkich dziedzinach transportu, ale także
w bezpieczeństwie i zarządzaniu kryzysowym,
ratownictwie, telekomunikacji, bankowości
18
Projekt Foresight
Źródło: ESA
Trendy rozwojowe
�
Wzrost precyzji pomiarów położenia (nawet poniżej 1m dla obiektów nieruchomych)
�
Wzrost dostępności sygnału na całej powierzchni Ziemi, także w miastach i terenach
górzystych (dzięki współpracy systemów GPS, Galileo i Glonass). Potencjalnie także wspomaganie
nawigacji satelitarnej w miastach usługami pozycjonowania w oparciu o sieci komórkowe
�
Wzrost zaufania do dokładności sygnałów dzięki odbieraniu informacji o ich wiarygodności
(i natychmiastowego ostrzeżenia o utracie wiarygodności)
�
Wzrost pewności co do dostępności sygnału satelitarnego dzięki gwarancji ze strony
operatorów i zmniejszaniu podatności sygnałów na zakłócenia
�
Uznanie pomiarów za wiarygodne prawnie (certyfikacja)
�
Wzrost dostępności sygnałów korekcyjnych (zwiększających dokładność pomiarów)
– naziemnych (DGPS), satelitarnych (EGNOS, WAAS, MSAS) i docelowo zintegrowanych z
sygnałem nawigacyjnym
19
Projekt Foresight
Ze wszystkich obszarów wykorzystania
przestrzeni kosmicznej w celach użytkowych,
łączność satelitarna jest dziedziną przynoszącą
obecnie największe zyski komercyjne. Pomimo
iż rzadko to sobie uświadamiamy, to właśnie
łączność satelitarna umożliwia w dużej mierze
działanie światowego sektora rozrywkowego w
jego obecnym kształcie, a także jest podstawą
funkcjonowania wielu systemów bankowych,
usług
pocztowych,
systemów
kontroli
rurociągów, gazociągów, wodociągów, sieci
sprzedaży i szeregu innych.
Telekomunikacyjne zastosowania satelitów
geostacjonarnych można podzielić na trzy grupy:
rozpowszechnianie treści audiowizualnych,
transmisję głosu oraz przesyłanie danych.
Perspektywy
rozwoju
poszczególnych
segmentów przedstawiają się następująco:
Choć udział segmentu satelitarnego w
całości wolumenu światowych transmisji
telekomunikacyjnych nie przekracza 5 procent,
znaczenie przekazu dokonywanego za pomocą
satelitów komunikacyjnych jest kluczowe
dla gospodarczego i cywilizacyjnego rozwoju
społeczeństw i państw, a możliwości oferowane
przez te techniki są trudne do zastąpienia.
W roku 2005 na orbicie znajdowało się 536
funkcjonujących satelitów telekomunikacyjnych
(z czego 298 na orbicie geostacjonarnej),
realizując zarówno transmisję rozsiewczą (tzw.
radiodyfuzję: jeden nadajnik-wiele odbiorników)
programów telewizyjnych i radiowych, jak i
transmisje dwustronne (pojedynczy nadajnikpojedynczy odbiornik, np.: telefonia, dane
cyfrowe). Szacuje się, iż w latach 2006-2015
kolejnych 176 satelitów zostanie wyniesionych
na orbitę geostacjonarną.
21
Projekt Foresight
1. Zalety łączności satelitarnej
- sygnał
wysyłany przez satelity
umieszczone na orbicie geostacjonarnej
dociera bezpośrednio na duże obszary:
regiony, kraje, a nawet całe kontynenty. Ta
właściwość łączności satelitarnej decyduje
o jej przydatności zwłaszcza w przypadku
usług nadawczych, takich jak radio, telewizja,
transmisja danych czy inne, gdzie odbiorcami
są liczne i rozproszone grupy użytkowników
- łączność satelitarna zapewnia możliwość
jednoczesnego dostarczania informacji
niezależnie do wielu odbiorców
- koszt transmisji przy wykorzystaniu
satelitów geostacjonarnych jest niezależny
od odległości; bez znaczenia, czy transmisja
realizowana jest w obrębie kilkunastu czy
kilku tysięcy kilometrów – jej koszt pozostaje
zawsze stały
- sygnał satelitarny może dotrzeć
praktycznie wszędzie, bez względu na
rodzaj ukształtowania terenu; tereny górzyste,
podmokłe, trudno dostępne – dzięki łączności
satelitarnej zyskują porównywalne szanse na
realizację połączeń telekomunikacyjnych jak
tereny położone w centrach urbanizacyjnych
- czas potrzebny na instalację sprzętu i
uruchomienie łączności jest krótki;
sygnał satelitarny jest przesyłany bezpośrednio
z satelity do użytkownika końcowego bez
konieczności inwestowania środków i czasu
w budowę nowej infrastruktury kablowej;
inwestycje związane z zakupem sprzętu
nie są wysokie, a wymagane nakłady mają
charakter jednorazowy
- systemy satelitarne stanowiąc uzupełnienie
systemów naziemnych, zapewniają łączność
ze statkami na morzach, samolotami na
dużych wysokościach, czy użytkownikami
na obszarach gdzie naziemna infrastruktura
telekomunikacyjna nie istniała nigdy lub
uległa zniszczeniu
- dzięki telekomunikacji realizowanej drogą
satelitarną możliwe jest realizowanie połączeń
zarówno z użytkownikami stacjonarnymi jak i
ruchomymi.
2. Orbity wykorzystywane w
łączności satelitarnej
Dla łączności satelitarnej stosuje się zasadniczo
trzy rodzaje orbit: orbitę geostacjonarną
(GEO), średnią (MEO) i niską (LEO). Ze
względu na swoje szczególne właściwości
orbita geostacjonarna ma dla telekomunikacji
zdecydowanie najistotniejsze znaczenie.
Źródło: Space Foundation
22
Projekt Foresight
2.1
Wiele
gazet
i
czasopism
jest
redagowanych
i
opracowywanych graficznie w jednym centralnym
ośrodku, ich druk odbywa się natomiast lokalnie –
często w zupełnie innym regionie lub nawet kraju. W
ogromnej liczbie przypadków treść tych czasopism, ich
szata oraz układ graficzny są rozsyłane do lokalnych
drukarni przy wykorzystaniu łączy satelitarnych
Znaczenie orbity geostacjonarnej
Rola orbity geostacjonarnej w telekomunikacji
jest kluczowa, zwłaszcza jeśli brane są pod
uwagę transmisje radiodyfuzyjne.
Prędkość kątowa satelity umieszczonego
na orbicie geostacjonarnej jest równa
prędkości kątowej Ziemi. W uproszczeniu
oznacza to, iż satelita znajduje się przez cały
okres swojej pracy dokładnie w tym samym
punkcie nad Ziemią. Dlatego wycelowana w
niego antena odbiorcy na Ziemi pozostaje
w takiej samej pozycji względem odbiornika
umieszczonego na satelicie, bez konieczności
jej modyfikowania lub dostosowywania.
Sygnał z nadajnika naziemnego jest
przechwytywany przez odbiornik satelitarny,
wzmacniany i transmitowany z powrotem
na Ziemię umożliwiając komunikację między
punktami oddalonymi od siebie nawet o
tysiące kilometrów.
Orbita geostacjonarna jest szczególnie
atrakcyjna dla usług radiodyfuzyjnych poprzez
swoją zdolność do nadawania na bardzo
duże obszary. W praktyce, już trzy satelity
umieszczone na orbicie geostacjonarnej co
120° wystarczą do pokrycia niemal całego
terytorium globu (z wyłączeniem obszarów
podbiegunowych poza ok. 70 stopniem
szerokości geograficznej).
Sygnał
transmitowany
przez
satelitę
umieszczonego na tej orbicie może być
przechwycony przez nieruchome anteny
ustawione
gdziekolwiek
w
zasięgu
pokrywanego obszaru, a ten z kolei może
mieć wielkość regionu, kraju, a nawet całego
kontynentu. Każdy odbiorca umieszczony
w zasięgu nadawania satelity jest w stanie
odebrać nadawany sygnał posługując się
niewielką anteną, zazwyczaj o średnicy 4050 cm.
Większość światowych agencji informacyjnych używa
łączy satelitarnych do rozsyłania tekstu, transmisji
dźwięku i obrazu z centrali do swoich filii rozsianych
w terenie
23
Projekt Foresight
2.2 Orbita niska w
telekomunikacyjnych
transmisjach
Na przestrzeni kilku ostatnich lat rozwijane
były koncepcje wykorzystywania dla celów
telekomunikacyjnych konstelacji satelitów
umieszczonych na orbicie niskiej (LEO).
Jednakże satelita na niskiej orbicie znajduje
się w ruchu względem powierzchni Ziemi
i w porównaniu z satelitą geostacjonarnym
oświetla znacznie mniejszy obszar. Aby
wobec tego zapewnić ciągłą łączność między
użytkownikiem a satelitą konieczne jest
zastosowanie całej konstelacji, a więc wielu
satelitów, które przełączają połączenia
pomiędzy sobą, gdy któryś z satelitów znika
z pola widzenia terminala naziemnego.
Zródło: http://www.zsi.pwr.wroc.pl/missi2000
Systemy LEO dla uzyskania pokrycia całej
planety wymagają umieszczenia na orbicie
co najmniej kilkudziesięciu satelitów (w
praktyce konstelacje mogą liczyć 48, 66, 77,
80 lub nawet 288 obiektów). Okrążają one
Ziemię na wysokości kilkuset kilometrów co
mniej więcej 90 minut. Korzystając z niższych
częstotliwości systemy te zapewniają łączność
pomiędzy terminalami mobilnymi. Ze względu
na fakt, iż satelity te krążą w dużo mniejszej
odległości od Ziemi transmitowany przez nie
sygnał jest silniejszy, a dzięki temu anteny
odbiorników mogą być mniejsze, podobnie
jak zmniejszona może być moc potrzebna do
transmisji. W praktyce terminale przypominają
telefony komórkowe.
Nawet w przypadkach, kiedy emitowane przez telewizję
wydarzenia sportowe lub kulturalne odbywają się w
odległości zaledwie kilku kilometrów od studia, ich
transmisja odbywa się z wykorzystaniem satelitów
telekomunikacyjnych
24
Projekt Foresight
3. Rynek satelitarnych usług
telekomunikacyjnych
W USA w 2005 roku po ataku huraganu Katrina
Segment
satelitarnych
usług
telekomunikacyjnych dzielimy na następujące
kategorie:
na obszarze klęski pracowało kilkadziesiąt tysięcy
»
usługi
stacjonarne
obejmujące
dwukierunkowe transmisje do użytkowników
nieruchomych
FSS
(Fixed
Satellite
Systems) oraz transmisje radiodyfuzyjne
(jednokierunkowe)
bezpośrednio
do
użytkowników indywidualnych DBS (Direct
Broadcast Satellite):
przez kilka tygodni po katastrofie.
satelitarnych telefonów sieci Iridium i Globalstar,
tworząc efektywny system łączności funkcjonujący
»
usługi
ruchome
MSS
(Mobile
Satellite Systems) obejmujące łączność z
użytkownikami będącymi w ruchu:
� radiodyfuzja – transmisja
programów telewizyjnych
(standard DVB-S) i radiowych
� łączność z obiektami ruchomymi
(statki, samoloty, pojazdy
naziemne) (Inmarsat)
� połączenia telefoniczne
� satelitarne systemy telefonii
komórkowej (Iridium, Globalstar,
Thuraya, AceS)
� sieci transmisji danych VSAT (Very
Small Aperture Terminal)
� transmisje okazjonalne
� systemy transmisji krótkich
wiadomości (Orbcomm)
� sieć rezerwowa dla systemów
naziemnych
Dla wielu spośród oddalonych od głównych skupisk
ludności europejskich miasteczek i wiosek uzyskanie
dostępu do Internetu za pomocą klasycznych sieci
naziemnych jest nikłą lub odległą w czasie perspektywą.
W ich sytuacji geograficznej Internet dostarczany
drogą satelitarną stanowi często jedyne efektywne
technicznie i kosztowo rozwiązanie
25
Projekt Foresight
W ostatnich latach rynek usług telekomunikacyjnych
rozwijał się Europie w stałym tempie wzrostu około
15 procent rocznie. Rynek łącznościowy reprezentuje
lwią część aktywności przemysłowej europejskich
producentów urządzeń satelitarnych. Dobra kondycja
rynku łączności satelitarnej w skali światowej w dużym
stopniu wpływa pozytywnie na stabilność i kontynuację
europejskiego przemysłu kosmicznego.
Najmłodszym i najdynamiczniej rozwijającym
się rynkiem jest radio satelitarne, które w
roku 2005 przekroczyło 10 mln odbiorców
i odnotowało wzrost przychodów o 165
procent. Szacuje się, iż w roku 2010 liczba
odbiorców może wynieść 55 mln.
Rynek sprzętu służącego łączności satelitarnej
(od
domowych
anten
telewizyjnych,
odbiorników
radiowych
i
telefonów
satelitarnych po złożone terminale w wozach
transmisyjnych) osiągnął w 2005 roku wartość
25 mld USD.
Telekomunikacja satelitarna to najbardziej
dochodowy segment rynku usług satelitarnych,
który wytworzył w 2005 roku ponad 58 mld
USD przychodu. Według szacunkó1)w ESA
wartość tego rynku w 2010 roku może wynosić
106 mld EUR. Najbardziej dynamiczny wzrost
jest oczekiwany w dziedzinie interaktywnych
usług szerokopasmowych – transmisji danych
i video, radia cyfrowego i regionalnych
systemów mobilnych.
Przeszło 2/3 przychodów pochodzi z
nadawania programów telewizyjnych. W ciągu
10 lat, m.in. dzięki wprowadzeniu platform
cyfrowych, globalne możliwości dystrybucji
obrazów wideo przez satelity wzrosły 187krotnie, a wartość rynku nadawczego z 1,5
mld USD w 1995r. do 22,5 mld w 2001r.,
kiedy to istniało ok. 45 mln. indywidualnych
odbiorców. Obecnie ta liczba wynosi ok. 80
mln i może wzrosnąć do 100 mln w roku
2009.
Usługi wynajmu łączy satelitarnych, które
przyniosły w roku 2003 przychody w wysokości
1 mld USD, rozwijać się będą w znacznym
stopniu
napędzane
zapotrzebowaniem
wojskowym (realizowanym poprzez zakup
usług na rynku komercyjnym). Zakupy takie
mogą osiągnąć wartość 4,8 mld w roku
2012.
Usługi łączności mobilnej generują obecnie
jedynie 5 procent przychodów sektora.
Z ogólnej sumy 155 satelitów wystrzelonych przy
pomocy rakiety Ariane 4 w czasie trwania jej fazy
operacyjnej - 139 satelitów miało przeznaczenie
telekomunikacyjne. Według szacunków Europejskiej
Agencji Kosmicznej (ESA) telekomunikacja będzie
stanowić
około
90
procent
wartości
ładunków
satelitarnych znajdującej się obecnie w użyciu rakiety
Ariane-5.
26
Projekt Foresight
4.
Ogólne trendy rozwojowe sektora
•
Jednym
z
istotnych
czynników
rozwoju łączności satelitarnej w ciągu
kilkunastu
najbliższych
lat
będzie
wzrost zapotrzebowania na usługi
szerokopasmowe, przy czym zakłada się,
że zwiększony popyt widoczny będzie głównie
po stronie użytkowników instytucjonalnych.
Satelitarne systemy szerokopasmowe służyć
będą jako uzupełnienie systemów naziemnych
(światłowodowych i radiowych) pozwalając
na zapewnienie usług łącznościowych
użytkownikom nie posiadającym dostępu do
sieci naziemnych.
•
Obserwowana od kilku lat tendencja
do
zapewnienia
użytkownikom
systemów łączności pełnej mobilności
będzie utrzymana i pogłębiona w ten
sposób, aby użytkownik mógł korzystać z
systemu niezależnie od swojej lokalizacji
i niezależnie od istniejącej infrastruktury
naziemnej.
•
Na najbliższe lata prognozowany jest
wzrost popytu na tańsze, mniejsze,
i
lżejsze
urządzenia
odbiorczonadawcze, charakteryzujące się zwiększoną
niezawodnością i coraz lepszymi parametrami
technicznymi. Tego typu zapotrzebowanie
obserwowane jest we wszystkich segmentach
rynku usług i technik satelitarnych, wzmagając
potrzebę innowacyjności i wprowadzania
nowych rozwiązań.
•
Przewiduje się, że satelitarne usługi
nadawcze będą docierać w nadchodzącej
przyszłości w nowe regiony geograficzne
i do nowych grup społecznych, zwłaszcza
wszędzie tam, gdzie nie istnieje infrastruktura
naziemna, lub gdzie uległa ona zniszczeniu.
od kilkunastu lat tendencja do komplikowania
układów umieszczonych na samym satelicie
(zwiększenie transmitowanej mocy, większe
anteny, obróbka i przetwarzanie sygnałów
na pokładzie satelity) otwierająca możliwość
redukcji masy i ceny terminali naziemnych
(zarówno przenośnych jak i stałych).
•
W dalszej perspektywie można
przewidywać powstanie systemów łączności
z wykorzystaniem satelitów umieszczonych
na orbitach MEO (charakteryzują się one
obniżonymi kosztami w porównaniu do
systemów LEO oraz wydłużonym czasem
życia – około 10–15 lat).
•
W celu zwiększenia pojemności
systemów satelitarnych od dłuższego czasu
stosuje się już zwielokrotnianie przestrzenne
i polaryzacyjne sygnałów nadawanych w
tych samych pasmach częstotliwości, a w
ostatnich latach zaczęto stosować anteny
wielowiązkowe z dynamicznie sterowanymi
charakterystykami
promieniowania
oraz
realizować transmisje w paśmie Ka (20/30
GHz).
•
Zostanie utrzymana tendencja wzrostu
znaczenia pasma Ka, podobnie jak wywołany
nią wzrost liczby transponderów satelitarnych
pracujących w tym paśmie.
50 do 60 procent przychodów generowanych przez
europejski przemysł kosmiczny (około 5 miliardów EUR)
pochodzi z produkcji lub umieszczania w przestrzeni
kosmicznej satelitów komunikacyjnych.
•
Przewiduje się, iż w najbliższych latach
rozwój telekomunikacji satelitarnej opierać
będzie się w dalszym ciągu o wykorzystanie
satelitów umieszczonych na orbitach GEO
(prognozy oscylują wokół 10 wyniesień
rocznie). Utrzymana zostanie obserwowane
27
Projekt Foresight
5. Trzy
główne
kierunki
rozwoju
systemów
satelitarnych
Analizy
eksperckie
przewidują
rozwój
satelitarnych systemów łączności w trzech
głównych kierunkach:
A. radiodyfuzja – systemy transmisji
rozsiewczych DBS
•
programy telewizyjne oferowane w
standardzie DVB-S i DVB-S2
•
wzrost liczby oferowanych programów
•
wprowadzenie telewizji wysokiej
rozdzielczości HDTV
•
rozwój radia satelitarnego
•
wprowadzanie usług dodatkowych
(np. telemarketing)
28
Projekt Foresight
B. systemy transmisji danych
C. systemy łączności ruchomej
•
szybki internet – dane do użytkownika
przesyłane przez satelitę jako jeden ze
strumieni w cyfrowej transmisji TV w
standardzie DVB-S, przy realizacji kanału
zwrotnego przez naziemną sieć telefoniczną
(np. OpenSky, DirectPC w USA)
•
systemy
satelitarnej
telefonii
komórkowej
wykorzystujące
konstelacje
satelitów
na
orbitach
LEO
(Iridium,
Globalstar), oraz satelitów dużej mocy na
orbitach GEO (Thuraya, ACeS), na obszarach
bez infrastruktury stałej, głównie poza
Europą
•
interaktywne
szerokopasmowe
systemy transmisji z kanałem zwrotnym
przez satelitę stosujące satelitarne terminale
użytkowe, które są w stanie nadawać
sygnały w kierunku satelity; wykorzystanie
transponderów istniejących satelitów, a w
przyszłości zastosowanie satelitów z podziałem
oświetlanego obszaru na wiele wiązek, celem
zwiększenia całkowitej pojemności systemu,
omijając ograniczenie liczby aktywnych
użytkowników przy pojedynczej wiązce
oświetlającej duży obszar
•
systemy
ruchomymi:
samochodami
łączności
z
samolotami,
obiektami
statkami,
•
systemy łączące sieci bezprzewodowe
WLAN z siecią szkieletową realizowaną przez
satelity
•
rozwój
łączności
dwukierunkowej
przez satelity geostacjonarne do momentu,
gdy sieci naziemne pokryją swoim zasięgiem
całość obszarów zamieszkanych
•
w dalszej perspektywie 2020 r.
prawdopodobnie zostaną podjęte prace nad
budową interaktywnego szerokopasmowego
systemu transmisji danych z kanałem
zwrotnym przez satelity LEO o zasięgu
ogólnoświatowym, pojawią się przetwarzanie
pokładowe i łączność pomiędzy satelitami
bez udziału stacji naziemnych
Źródło: Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco
•
sieci VSAT zapewniające dwustronną
interaktywną łączność między użytkownikami
poprzez
satelitę;
ich
szybki
rozwój
przewidywany jest w krajach rozwijających
się, gdzie występuje niedobór odpowiedniej
infrastruktury telekomunikacyjnej (Afryka,
Azja, Ameryka Płd). W Polsce dla sieci
VSAT przewidywane są raczej specjalne
zastosowania (łącza zapasowe), ponieważ
w zastosowaniach indywidualnych będą one
wypierane przez sieci naziemne przykładowo
WiMax
29
Projekt Foresight
5.1 Radiodyfuzja satelitarna –
trendy rozwojowe parametrów
technicznych
Jak
wcześniej
wspominano,
systemy
satelitarne są idealnym rozwiązaniem dla
transmisji rozsiewczych, w których ten sam
sygnał dostarczany jest jednocześnie do
wielu odbiorców (nie wymagając transmisji
w kierunku przeciwnym) np. programów
telewizyjnych i radiowych.
Od początku lat 80-tych istnieje możliwość
odbioru programów z satelity przez
użytkowników indywidualnych, wyposażonych
w zestawy odbiorcze z antenami o średnicach
1,2–1,8 m. Zastosowanie kodowania sygnału
telewizyjnego MPEG2 pozwoliło na transmisję
przez transponder satelity kilku programów
cyfrowych (standard DVB-S, wprowadzony
w 1995), zamiast pojedynczego programu
z modulacją analogową, co doprowadziło
do znacznego wzrostu liczby programów
oferowanych odbiorcom. Obecnie nadawanych
jest kilkanaście tysięcy programów telewizji
cyfrowej, stanowiących ponad 60% wszystkich
sygnałów transmitowanych przez satelity.
Według wszelkich dostępnych prognoz
transmisje
radiodyfuzyjne
programów
radiowych i telewizyjnych pozostaną najlepiej
rozwijającą się gałęzią usług satelitarnych
w nadchodzących latach. Walka o klienta
prowadzona przez europejskich nadawców
telewizyjnych
wymusza
uruchamianie
kolejnych programów tematycznych. Impulsem
technologicznym jest rozpoczęcie na szeroką
skalę komercyjnych emisji programów w
technologii HDTV (High Definition TV), która
zaoferuje w przyszłości klientowi końcowemu
niespotykaną dotychczas jakość odbioru.
30
Projekt Foresight
5.1.1 Nowy
standard
satelitarnych – DVB-S2
transmisji
Większa
ilość
przesyłanych
danych
wymaga większej pojemności satelitów
radiodyfuzyjnych. Obecnie najpopularniejsze
pozycje satelitarne nie mają już rezerw
pojemności.
Wymusi
to
stopniowe
wprowadzenie nowego standardu transmisji
satelitarnej DVB-S2. Digital Video Broadcasting
- Satellite - Second Generation jest drugą
generacją standardu transmisji satelitarnej i
rozwinięciem poprzedniego standardu DVBS.
Nowy standard DVB-S2 umożliwi zwiększenie
o około 30 procent całkowitej przepływności
transpondera satelitarnego i tym samym
obniżenie kosztów nadawania pojedynczych
programów. Zastosowanie standardu DVB-S2
w połączeniu z nowoczesnym kodowaniem
obrazu MPEG-4/AVC umożliwia emisję w
pojedynczym transponderze podobnej liczby
programów HDTV, co nadawanych obecnie
programów w standardowej rozdzielczości
SDTV.
5.1.2 Skutki wprowadzania nowych
standardów transmisji satelitarnych dla
odbiorcy indywidualnego
Zastosowanie nowych standardów DVBS2 / MPEG-4 / VC-1 / HDTV wiąże się z
koniecznością wymiany sprzętu odbiorczego
znajdującego się w dyspozycji użytkowników
indywidualnych.
Wymianę
odbiorników
rozpoczęły już płatne platformy cyfrowe.
Przykładem jest tu nowa platforma „n”
grupy ITI, która wchodząc na rynek oferuje
urządzenia obsługujące nowe standardy
DVB-S2 / MPEG-4 / HDTV. Umożliwia to
zwiększenie atrakcyjności oferty programowej
dla klienta.
Niestety według przewidywań wymiana
terminali
satelitarnych
przez
klientów
indywidualnych może być znacznie rozciągnięta
w czasie. W początkowym okresie będzie
ona związana z zakupem nowego sprzętu
przez nowych widzów oraz powolną wymianą
terminali przez obecnych klientów.
Przewiduje się, że dopiero w okolicach 2009
roku liczba odbiorników DVB-S2 osiągnie
poziom
pozwalający
na
ekonomicznie
uzasadnione nadawanie większej liczby
programów niekodowanych FTA (free to
air) w nowym standardzie. Po osiągnięciu
pewnej masy krytycznej około roku 2012
większość emisji będzie nadawana wyłącznie
w nowym systemie. Towarzyszyć temu będzie
przechodzenie nadawców na system telewizji
wysokiej rozdzielczości HDTV.
5.1.3 Nowy system kompresji strumienia
video
Obecnie
najpopularniejszym
systemem
kompresji
treści
audiowizualnych
jest
standard MPEG-2. Rozpoczął się już jednak
proces przechodzenia nadawców na około
dwukrotnie wydajniejszy standard MPEG-4/
AVC. Dużą wadą obecnych metod kompresji
strumienia video MPEG-2/MPEG-4 jest jednak
ich słaba skalowalność, brak możliwości pracy
przy bardzo małych przepływnościach. Około
2015 roku przewidywane jest wyparcie tych
31
Projekt Foresight
systemów przez nowe systemy kompresj.
Z dużym prawdopodobieństwem można
przewidzieć, że przyszłościowe metody
kodowania treści wizyjnych będą oparte na
szczegółowej analizie składników obrazu i
wyodrębnianiu poszczególnych obiektów.
Części składowe obrazu będą reprezentowane
w tym przypadku przez wektory krawędzi i
tekstury. Obraz wynikowy tworzony będzie
podobnie jak obecnie generowana jest grafika
3D w systemach komputerowych. Zalążkiem
nowego podejścia są już obecnie istniejące
standardy opisu treści multimedialnej MPEG7 oraz MPEG-21. Warunkiem dalszego
rozwoju jest tutaj, z uwagi na olbrzymią
wymaganą moc obliczeniową, zachowanie
obecnego tempa wzrostu mocy obliczeniowej
komputerów osobistych. Efektem zmiany
podejścia do kodowania będzie zanik pojęcie
rozdzielczości obrazu, jedynym kryterium
oceny jakości sceny będzie ilość szczegółówunikalnych obiektów obecnych w scenie.
rozwój systemów 3D. Prawdopodobnie, za
około 15 lat kolejna rewolucja technologiczna
podobna
do
wprowadzanych
obecnie
trybów HDTV będzie dotyczyła telewizji
3D. Działające obecnie systemy telewizji
trójwymiarowej polegają na transmisji
podwójnego strumienia danych wideo dla
każdego oka osobno i nie są atrakcyjne dla
odbiorcy końcowego. Usługi VoD przeżywają
obecnie dynamiczny rozwój, który z czasem
może zostać wzmocniony
możliwościami
rozsyłu satelitów umieszczonych na orbicie
geostacjonarnych.
5.1.5 Nowe radiodyfuzyjne rozwiązania
technologiczne
w
wymiarze
komercyjnym
Strumień danych do odbiorcy będzie mógł
być dynamicznie zmieniany w zależności
od możliwości sprzętu i dostępnego pasma
transmisji odbędzie się to dzięki eliminowaniu
ze scen mniej znaczących obiektów.
5.1.4 Zmiany w sposobie wyszukiwania
treści i rozwój usług typu video na
żądanie (VOD – Video on Demand)
Dodatkowo
nowy
standard
transmisji
satelitarnej wprowadzi rewolucję w sposobie
wyszukiwania treści, co w znakomity sposób
przysłuży się rozwojowi usług typu wideo na
żądanie (VOD - Video On Demand). Dokładny
opis położenia obiektów w scenie umożliwi
dynamiczne i indywidualne sterowanie
widokiem kamery, jak również dynamiczny
Analizując obecne trendy rozwojowe oraz
dynamikę wzrostu dochodów segmentu
transmisji
radiowo-telewizyjnych
należy
spodziewać się coraz większej popularności
odbioru satelitarnego. Tym bardziej rozwój
sieci kablowyc, głównego konkurenta odbioru
satelitarnego, jest ekonomicznie uzasadniony
tylko na obszarachh o dużej gęstości
zaludnienia
Szczególnie na młodych rozwijających się
rynkach takich jak Chiny, gdzie ilość działających
sieci kablowych jest niewielka, telewizja
satelitarna
będzie
najprawdopodobniej
rozwijała się z niesamowitą dynamiką. W
warunkach europejskich przy dużej penetracji
rynku przez sieci kablowe szansą telewizji
satelitarnej są płatne platformy satelitarne
oferujące klientowi całościową, znacznie
szerszą ofertę programową niż sieci kablowe.
Jeszcze w 2001 roku, gdy łączyły
32
Projekt Foresight
się platformy cyfrowe CANAL+ oraz WIZJA
TV przewidywano, że na polskim rynku jest
miejsce tylko dla jednej takiej platformy.
Obecnie działają już trzy platformy cyfrowe
CANAL+ z 850 tysiącami abonentów, POLSAT
CYFROWY z 1.0 milionem abonentów, oraz
nowa platforma grupy ITI „n” z około 50
tysiącami abonentów.
Konkurencja na rynku oraz zmniejszenie
kosztów
związanych
z
nadawaniem
satelitarnym powoduje, że platformy cyfrowe
mają obecnie lepszą i tańszą ofertę od wielu
sieci kablowych. Coraz więcej klientów będzie
odbierało przekazy satelitarne, co najmniej
do czasu, kiedy popularność zaczną zdobywać
rozwiązania mobilne.
5.2 Rozwój satelitarnych rozwiązań
mobilnych
Geneza
rozwoju
satelitarnej
łączności
ruchomej wiąże się z powstałym w początkach
lat 80-tych systemem Inmarsat, który po raz
pierwszy stworzył możliwości zapewnienia
łączności ze statkami na morzach. Dalszy
rozwój technologiczny, który umożliwił
zastosowanie mniejszych anten i terminali,
umożliwił powstanie rozwiązań zdolnych
zapewnić łączność z pojazdami naziemnymi
(samochody dostawcze) oraz samolotami.
Na przełomie XX i XXI wieku uruchomiono
pierwsze
satelitarne
systemy
telefonii
komórkowej - Iridium i Globalstar wykorzystujące konstelacje satelitów na
orbitach niskich LEO oraz Thuraya i ACeS (Asia
Cellural System) używające pojedynczych
satelitów na orbicie geostacjonarnej. Rozwój
mobilnych sieci komórkowych został jednakże
postawiony pod znakiem zapytania przez
porażkę rynkową, jaką poniosły Irydium i
Globalstar w niedawnej przeszłości. Problemy
związane z małym zapotrzebowaniem na
usługi tych systemów zatrzymały prace nad
kolejnymi systemami. Do porażki satelitarnych
systemów komórkowych przyczynił się
zwłaszcza
sukces
telefonii
naziemnej,
głównie GSM, która dzięki usługom roamingu
międzynarodowego
zapewnia
prawie
globalny zasięg przy znacznie mniejszych
kosztach i mniejszych, lżejszych terminalach
niż wymagane przez rozwiązania satelitarne.
Dodatkowo rozwój technologiczny końca
lat 90-tych pozwolił na realizację systemów
satelitarnej telefonii komórkowej w oparciu o
satelity na orbicie geostacjonarnej.
Najnowsze prognozy wskazują jednakże,
iż rozpowszechnienie w Europie na szeroką
skalę telefonii 3 generacji UMTS przyczyni się
do gwałtownego rozwoju rynku satelitarnych
usług mobilnych.
5.2.1 Satelitarne radio mobilne
Olbrzymi sukces radia satelitarnego w
USA zachęca do uruchomienia podobnej
emisji w Europie. Ważną kwestią pozostaje
jednak uzgodnienie odpowiedniego zakresu
częstotliwości dla planowanej emisji na
kontynencie europejskim. Dodatkowo z
uwagi na pełne pokrycie Europy rozgłośniami
radiowymi UKF FM większym zainteresowaniem
odbiorców prawdopodobnie cieszyć się będą
transmisje multimedialne – odpowiednik
S-DMB (Digital Multimedia Broadcasting)
skierowane do posiadaczy telefonów 3G i
urządzeń PDA. Pierwsze emisje planowane są
wspólnie przez spółki SES ASTRA i EUTELSAT
w paśmie S z satelity Eutelsat W2A na
początek 2009 r.
Źródło: Space Foundation
33
Projekt Foresight
Zastosowanie
do
emisji
satelitów
geostacjonarnych wiąże się jednak z
koniecznością
doświetlania
obszarów
miejskich dodatkowymi nadajnikami. Jest
to spowodowane niskim kątem widoczności
nad horyzontem satelitów geostacjonarnych.
Do
zapewnienia
dla
systemu
GEO
ogólnoeuropejskiego pokrycia konieczna jest
budowa ponad 2,500 przekaźników systemu
w większych miastach. Znacznie ciekawszym
rozwiązaniem
jest
zastosowanie
orbit
eliptycznych EEO, HEO typu Molnya ~12hr,
Tundra ~24hr. Dzięki swoim właściwościom
umożliwiają
one
uzyskanie
quasigeostacjonarnej pozycji przy zastosowaniu
trzech satelitów. Dzięki temu sygnał z satelitów
odbierany będzie w znacznie większej liczbie
miejsc, co podnosi atrakcyjność oferowanych
usług. System HEO do zapewnienia pokrycia
wymaga około 100-150 przekaźników w
obszarach najbardziej zurbanizowanych oraz
w tunelach. Jest to cenna zaleta w porównaniu
do systemów opartych na satelitach GEO.
Dzięki znacznej przepustowości, która
przekłada się na dużą liczbę oferowanych
kanałów, oraz dzięki dużej dostępności
systemy satelitarne mogą już w latach 20092012 stanowić platformę dla wielu ciekawych
i innowacyjnych zastosowań, a także
potencjalnie mogą stworzyć nowy rynek
usług o znacznym rozmiarze.
5.2.2 Współpraca między systemami
łączności i lokalizacji satelitarnej
5.2.3 Połączenia sieci satelitarnych z
sieciami bezprzewodowymi WLAN
Interesującym rozwiązaniem na przyszłość
jest połączenie sieci satelitarnych z sieciami
bezprzewodowymi WLAN. W takim połączeniu
punkt dostępowy zapewniałby łączność z
użytkownikiem końcowym, natomiast łącze
satelitarne pełniłoby rolę sieci szkieletowej,
zapewniając połączenie z siecią internet. W
taki sposób wykorzystując tanią technologię
sieci bezprzewodowych można obniżyć koszty
korzystania z łącza satelitarnego, które
są dzielone pomiędzy wielu użytkowników
znajdujących
się
w
zasięgu
punktu
dostępowego. Wydaje się, że jest to idealne
rozwiązanie dla zapewnienia taniego dostępu
do szybkiego internetu w dowolnym miejscu
na Ziemi znajdującym się w zasięgu satelity,
niezależnie od istniejącej infrastruktury
naziemnej. Taki model dostępu do internetu
umożliwia zaoferowanie użytkownikom nowych
rodzajów usług np. dostępu do internetu w
pociągach, samolotach, autokarach. Obecnie
pracuje ponad 1000 punktów dostępowych
WLAN włączonych do sieci internet przez
łącze satelitarne, a przewiduje się że do roku
2008 może ich być około 100 tysięcy. Od
jakiegoś czasu w niektórych liniach lotniczych
działa już usługa dostępu do internetu
dla pasażerów samolotów na trasach
międzykontynentalnych. Niebawem podobna
usługa może zostać udostępniona pasażerom
statków.
Poważnym motorem dla rynku rozwiązań
mobilnych okaże się zapewne współpraca z
systemami lokalizacji satelitarnej. Systemy
GPS, Galileo, Glonass osiągną około 2012
r. pełnię swoich możliwości operacyjnych i
umożliwią pozyskanie dużej grupy nowych
użytkowników korzystających z satelitarnych
systemów transmisji danych.
Źródło: ESA
34
Projekt Foresight
5.3 Usługi szerokopasmowe
Eksperci wskazują, iż w satelitarnych systemach
szerokopasmowych w miejsce zapowiadanej
jeszcze kilkanaście lat temu rewolucji
wynikającej z uruchomienia systemów LEO,
obserwujemy obecnie raczej ewolucję opartą
na wykorzystaniu satelitów na orbitach GEO
i standardzie DVB-S do transmisji danych
cyfrowych. W analizach eksperckich usługi
szerokopasmowe są charakteryzowane jako
długoterminowe źródło rozwoju systemów
satelitarnych.
Nowe usługi szerokopasmowe dostępne
dla rosnącej liczby użytkowników, takie jak
szybki dostęp do internetu, dwustronne
przesyłanie dużej ilości danych, tele- i
wideokonferencje, rozsiewcze transmisje
radiowe i telewizyjne o wysokiej jakości,
czy wreszcie radio i telewizja na żądanie
powodują wzrost zapotrzebowania na
szybkość transmisji, prowadząc do powstania
szerokopasmowych systemów łączności.
Względy ekonomiczne uzasadniają budowę
naziemnych (przewodowych i radiowych)
systemów realizujących szerokopasmowe
usługi multimedialne na obszarach o
dużej gęstości zaludnienia i rozwiniętej
infrastrukturze
telekomunikacyjnej.
Dla
pozostałych obszarów rozwiązaniem wydają
się być systemy satelitarne.
Jednak istniejące klasyczne satelity nawet
w połączeniu ze sprzętem naziemnym
nowej generacji (kanał zwrotny przez
satelitę) nie są w stanie objąć całego rynku
nieobsługiwanego przez systemy naziemne,
z powodu wysokich kosztów i ograniczeń
pasma częstotliwości. Konieczna jest budowa
nowych systemów zapewniających znacznie
większą pojemność całkowitą i znacznie
mniejsze koszty wykorzystania pasma.
Jednocześnie nowy system musiałby spełniać
wymagania użytkownika, charakteryzując
się dużą elastycznością w dopasowaniu
się do specyficznych grup odbiorców oraz
rodzajów usług i oferować niezawodność
pracy i bezpieczeństwo przesyłanych danych.
Zakłada się, że główną grupę użytkowników
systemu
mogliby
stanowić
klienci
instytucjonalni i korporacyjni, którzy obecnie
mogą już korzystać z systemów naziemnych.
System satelitarny mógłby być wykorzystany
przez nich w przypadku jego ewentualnej
kompatybilności z innymi stosowanymi
obecnie systemami.
Duże koszty emisji satelitarnych, relatywnie
małe
przepływności
i
efektywności
widmowe oraz duże opóźnienia w transmisji
powodują, że powszechny dostęp do
sieci internet z wykorzystaniem satelitów
geostacjonarnych, zarówno jednokierunkowy
jak i dwukierunkowy, nie stanowi alternatywy
dla przyszłych sieci naziemnych. Internet
satelitarny doskonale sprawdza się jednak
w zastosowaniach specjalnych, tam gdzie
nie ma dostępu do stałej infrastruktury
oraz jako łącza rezerwowe dla dużych firm.
Nie bez znaczenia jest również łączność w
sytuacjach kryzysowych, połączenia dla służb
rządowych i militarnych. Zgodnie z tym, o
czym wspominano wyżej systemy satelitarne
znajdą również zastosowanie do zapewniania
łączności z internetem dla pasażerów
samolotów statków czy szybkich pociągów,
oraz na terenach bez infrastruktury naziemnej,
zwłaszcza dopóty, dopóki bezprzewodowe
sieci naziemne nie pokryją swoim zasięgiem
całości obszarów zamieszkanych.
35
Projekt Foresight
5.3.1 Problemy techniczne związane
z zapewnieniem szerokiego pasma
transmisji – tłumienie transmisji
Usługi szerokopasmowe dostępne dla dużego
grona odbiorców wymagają zapewnienia
szerokiego pasma transmisji. Szersze pasmo
osiągnąć można obecnie jedynie zwiększając
częstotliwość pracy systemu. Limitem jest tu
głównie postęp techniczny w budowie sprzętu
mikrofalowego. Dodatkowe ograniczenia
w pracy systemów stanowi zróżnicowane
tłumienie wprowadzane przez atmosferę.
Systemy
szerokopasmowe
wykorzystują
obecnie głównie pasma Ku i Ka, z uwagi na
mały koszt sprzętu oraz dużą odporność na
zmienne warunki atmosferyczne. Systemy
pracujące w tych pasmach nie zapewniają
jednak
wystarczającej
przepływności.
Zwiększanie się wymagań użytkowników
szybko wymusi stosowanie coraz wyższych
pasm częstotliwości. Wyższe pasmo pracy
umożliwia równie stosowanie anten o mniejszej
średnicy (przy wymaganej kierunkowości).
Do pracy w paśmie C konieczne są anteny
o średnicach 2 - 3 m. Pasmo Ku wymaga
anten o średnicach ok. 1 m, a na paśmie
Ka wystarczą anteny o średnicach ok. 0.5
m. Ograniczeniem zastosowania wyższych
częstotliwości są jednak fizyczne warunki
propagacji fali elektromagnetycznej.
danym rejonie.
Kolejne, tym razem bardzo silne tłumienie
sygnału występuje na częstotliwości 60 GHz
i związane jest z absorbują promieniowania
przez cząsteczki O2. Zmiana tłumienia
przekraczają tutaj 10 dB/km, co całkowicie
uniemożliwia pracę systemów satelitarnych w
pobliżu tego zakresu.
Kolejne okno częstotliwościowe możliwe
do wykorzystania do transmisji satelitarnej
rozpoczyna się w okolicach 85 GHz i ma
szerokość około 20 GHz. Efektem zmian
tłumienia wraz ze zmianami atmosferycznymi
jest ograniczenie pewności świadczonych
usług. Ma to bardzo duże znaczenie w
przypadku łączy rezerwowych, które powinny
zapewniać łączność z dużą gwarantowaną
pewnością. Mniejsze znaczenie ma to przy
zapewnieniu dostępu do internetu odbiorcom
indywidualnym.
Pierwsze ograniczenie w pracy systemów
satelitarnych pojawia się w okolicach 22 GHz
i związane jest z absorpcją przez cząsteczki
H2O, zmiana całkowitego tłumienia jest
jednak niewielka i wynosi zwykle około
0,2 dB/km. Tłumienie pogarsza się jednak
gwałtownie podczas opadów atmosferycznych
i często osiąga wartości dochodzące nawet do
30 dB/km w obszarze burzowym. Powoduje
to, że systemy pracujące powyżej pasma Ku
(14,5 GHz) powinny posiadać adaptacyjne
mechanizmy kontroli mocy i trybu nadawania.
Systemy
przyszłości
powinny
również
umożliwić dynamiczną zmianę pasma w
przypadku wystąpienia silnych opadów w
36
Projekt Foresight
6. Najważniejsze alternatywy i wyzwania dla rozwoju satelitarnych
usług telekomunikacyjnych
Doświadczenie kilkunastu ostatnich lat
rozwoju sektora pokazuje, iż najważniejszym
warunkiem sukcesu nowych systemów
telekomunikacyjnych wykorzystujących łącza
satelitarne jest przede wszystkim trafna
interpretacja potrzeb i życzeń użytkowników.
Nie mniej liczą się dostępność tanich
terminali użytkowych oraz konkurencyjne
ceny w porównaniu do istniejących systemów
naziemnych oferujących podobne usługi.
Prognozy sprzed kilku lat wskazywały, że
systemy wykorzystujące satelity na orbitach
niskich LEO i średnich MEO mogłyby
potencjalnie stanowić odpowiedź na wiele
problemów
związanych
z
systemami
korzystającymi z orbity GEO, przede
wszystkim takimi jak wyczerpujące się wolne
miejsca, duże tłumienie czy opóźnienie
sygnału. Jednak zastosowanie satelitów na
takich orbitach (LEO i MEO) wymaga użycia
konstelacji wielu obiektów, aby zapewnić
nieprzerwaną pracę systemu i jego globalny
zasięg, co powoduje wzrost kosztów projektu,
budowy i utrzymania systemu. Jednocześnie
z niższą orbitą wiąże się krótszy czas życia
satelity, czyli zwrot kosztów inwestycji musi
nastąpić w krótszym czasie. Po problemach
finansowych Iridium i Globalstar, przerwano
prace nad kolejnymi systemami mającymi
wykorzystywać satelity na orbitach LEO.
Uważa się, że bez znaczącego zmniejszenia
kosztów budowy satelitów i ich wynoszenia
na orbitę, rozwiązania z satelitami na orbitach
LEO nie odniosą sukcesu.
Istotnym
wyzwaniem
przyszłości
są
alternatywne systemy, zastępujące połączenia
satelitarne, zwłaszcza jeśli chodzi o systemy
satelitarne służące transmisji danych dla
klientów indywidualnych. Prognozuje się,
że po roku 2012 r. znaczenie tych ostatnich
będzie malało (przynajmniej w Europie).
Stanie się tak za sprawą rozwoju naziemnych
bezprzewodowych sieci do transmisji danych,
przykładowo typu WiMax. Dzięki unifikacji
różnego rodzaju usług typu: multimedia,
telewizja, połączenia głosowe, połączenia
z Internetem komunikacja odbywać się
będzie różnymi drogami i usługi nie będą
od nich zależne. Bezprzewodowy terminal
użytkownika automatycznie będzie przełączał
się między różnego rodzaju sieciami w
zależności od wymaganych parametrów i
ceny połączeń. W tym nowym środowisku
satelitarne systemy transmisji dzięki swoim
zaletom i niezależności od infrastruktury
naziemnej będą stanowiły konieczne i istotne
uzupełnienie usług oferowanych przez
systemy naziemne.
W przyszłości częściową alternatywę dla
łączności satelitarnej mogą stanowić platformy
stratosferyczne HAP (High Altitude Platform),
w których systemy telekomunikacyjne byłyby
zamontowane na pokładzie sterowców lub
samolotów bezzałogowych umieszczonych
na wysokości kilkudziesięciu kilometrów nad
Ziemią. Platformy te mogą realizować pokrycie
obszaru o średnicy kilkuset kilometrów
umożliwiając łączność przykładowo wokół
dużych miast nad którymi miałyby być
„zawieszone”. Ich dodatkową przewagę
zapewnia fakt, iż nie muszą być wynoszone
w przestrzeń powietrzną przy użyciu rakiet.
Co więcej, HAPy posiadają własne silniki,
które umożliwiają im przemieszczanie się lub
zatrzymanie nad określonym obszarem, a
także możliwość sprowadzenia ich na Ziemię
dla wykonania konserwacji i napraw.
Myśląc o rozwoju sektora łączności satelitarnej
w perspektywie lat 2012 oraz 2020, obok
zagrożeń i barier technologicznych oraz
rynkowych, należy zasygnalizować także
wyzwania
natury
politycznej.
Przede
wszystkim sektor ten, ongiś w przeważającej
mierze skupiony w rękach publicznych,
na przełomie XX i XXI roku uległ niemal
całkowitemu skomercjalizowaniu w drodze
prywatyzacji
dużych
międzynarodowych
operatorów (Inmarsat, Intelsat, Eutelsat).
37
Projekt Foresight
Udziały poszczególnych państw członkowskich
w tych wcześniej klasycznych organizacjach
międzynarodowych zostały zamienione na
akcje spółek giełdowych. Wciąż postępujące
zmiany
własnościowe,
polegające
na
wykupie przez prywatnych inwestorów akcji
operatorów, sprzyjają zmianom kontroli
strategicznej nad poszczególnymi częściami
sektora, i w konsekwencji również jego
całością.
Wśród najłatwiej dostrzegalnych skutków
powyższej sytuacji należy wymienić obawy
dotyczące ograniczenia dostępności łączności
satelitarnej na obszarach, gdzie brak
uzasadnienia komercyjnego dla świadczenia
zaawansowanych usług. Odrębnym zjawiskiem
jest wzrastające znaczenie państw jako
nabywców zakupujących od komercyjnych
operatorów kanały i pasma transmisji
dla potrzeb operacji militarnych i działań
humanitarnych. To oczywiście pozytywnie
wpływa na rozwój rynku, jednocześnie
jednak zwiększa zagrożenie użyciem wobec
cywilnych satelitów broni antysatelitarnej.
Źródło: Boeing
38
Projekt Foresight
Zobrazowania
Ziemi
wykonywane
z
przestrzeni kosmicznej dostarczają szerokiej
gamy informacji, niemożliwej lub trudnej
do uzyskania w podobnej formie za pomocą
systemów naziemnych. Zobrazowania te
znajdują szybko rosnącą liczbę zastosowań
– od geodezji, kartografii, oceanografii,
leśnictwa czy marynistyki po badania
zmian klimatycznych, próby reagowania z
wyprzedzeniem na zagrażające katastrofy
naturalne oraz ocenę i efektywniejsze
zwalczanie ich skutków.
W początku 2006 roku na orbicie Ziemi
znajdowały
się
34
cywilne
satelity
obserwacyjne o pochodzeniu publicznym lub
komercyjnym. Zgodnie z prognozą z roku
2004, w okresie 2004-2013 wyniesionych
zostanie 170 nowych satelitów o łącznej
wartości 15,5 mld USD, przy czym ok. 130
rozpocznie pracę przed rokiem 2010.
Znaczny
wzrost
liczby
satelitów
obserwacyjnych zapewni dostęp do coraz
szerszego strumienia danych, owocując
poprawą dostępności i jakości uzyskiwanych
informacji, spadkiem ich ceny i w
konsekwencji rozpowszechnieniem obecnych i
rozwojem zupełnie nowych, nieoczekiwanych
zastosowań.
metamorfozę,
oferując
obecnie
coraz
dokładniejsze lub wyspecjalizowane dane
coraz szerszemu gronu odbiorców – począwszy
od darmowego programu Google Earth
dostępnego dla internautów, a skończywszy
na światowych giełdach, gdzie powstało
niebezpieczeństwo wykorzystywania danych
z satelitów do spekulacji cenami produktów
rolnych. Szacuje się, iż w roku 2010 globalny
rynek zobrazowań Ziemi będzie miał wartość
ok. 6 mld USD, z czego 1/3 stanowić będą
dane satelitarne. W chwili obecnej brak jest
precyzyjnych szacunków wielkości rynku
usług geoinformacyjnych bazujących na tych
danych.
Cywilne publiczne i komercyjne
satelitarnej obserwacji Ziemi
systemy
4 z 34 satelitów obserwacyjnych Ziemi zostało
sfinansowanych
ze
źródeł
prywatnych
(3
amerykańskie i jeden izraelski); każdy z nich dostarcza
wysokorozdzielczych zobrazowań na potrzeby sektora
bezpieczeństwa; (luty 2006)
Źródło: American Society of Photogrammetry and
Remote Sensing
Po uderzeniu tsunami w Boże Narodzenie 2004 w
wielu ośrodkach na świecie w trybie alarmowym
analizowano obrazy satelitarne, co pozwoliło na
określenie obszarów najbardziej dotkniętych katastrofą
i efektywne koordynowanie działań ratowniczych oraz
kierowanie międzynarodowej pomocy humanitarnej
do obszarów najbardziej potrzebujących. Informacje
te były szczególnie użyteczne w pierwszych dniach,
gdy na tym obszarze panował chaos informacyjny, a z
wielu miejsc dobiegała tylko złowróżbna cisza.
Dominującym odbiorcą i użytkownikiem
obserwacji satelitarnej od początku ery
kosmicznej pozostają instytucje publiczne.
Jednakże rynek zobrazowań satelitarnych,
oceniany w 2005 roku na ok. 1 mld USD
przeszedł w ciągu ostatnich lat ogromną
40
Projekt Foresight
1. F u n k c j o n o w a n i e
obserwacji satelitarnej
Rozdzielczość
spektralna
przestrzenna
i
rozdzielczość
Współczesne satelity obserwacyjne Ziemi dostarczają
wielu różnorodnych produktów, z których tylko część
ma charakter obrazowy. Te produkty, popularnie często
nazywane zdjęciami, można charakteryzować według
kilku kryteriów. Najważniejsze z nich to rozdzielczość
przestrzenna czyli wielkość najmniejszego obiektu
odwzorowanego na zobrazowaniu, oraz rozdzielczość
spektralna
czyli
szerokość
kanałów
widma
elektromagnetycznego, w których wykonywane są
zobrazowania.
Zobrazowania
wykonywane
przez
satelity
mają
różną rozdzielczość przestrzenną oraz spektralną.
Rozdzielczość przestrzenna zawiera się w przedziale
od 1000 m do nieco mniej niż 1 m w systemach
cywilnych, natomiast rozdzielczość spektralna to albo
tylko jeden kanał (zobrazowania monochromatyczne
- czarno-białe), albo kilka lub kilkadziesiąt kanałów
(zobrazowania
wielospektralne,
do
zobrazowań
tworzenia
służące
m.in.
kolorowych).
Coraz
intensywniej rozwijane w ostatnich latach technologie
hiperspektralne
wykorzystują
nawet
do
kilkuset
kanałów spektrum dla uzyskiwania szczegółowych
informacji o własnościach obserwowanych obiektów.
Obserwacja satelitarna stanowi metodę
zdalnego zbierania informacji, która w
niektórych
zastosowaniach
zastępuje,
a w wielu innych uzupełnia obserwacje
i pomiary lotnicze i naziemne. Polega
ona na zdalnym zbieraniu informacji
poprzez pasywną obserwację albo poprzez
oświetlenie interesującego obszaru i pomiar
promieniowania odbitego. W obserwacji
satelitarnej najczęściej wykorzystuje się
systemy pracujące w paśmie optycznym i
mikrofalowym.
Ze względu na swoją specyfikę, badania
naziemne, lotnicze i satelitarne, dostarczają
produktów o nieco innych właściwościach i
są dla siebie wzajemnie komplementarne.
Metody lotnicze, oferują co prawda większą
elastyczność
związaną
ze
stosunkową
łatwością
zamówienia
komercyjnego
zobrazowania ad hoc, okazują się jednak
bezsilne
gdy
poszukiwana
informacja
środowiskowa dotyczy większego obszaru
lub szerszego pasa terenu. Zobrazowania
satelitarne, wykonywane z dużo większej
wysokości
umożliwią
sfotografowanie
znacznie większego obszaru w jednym
momencie. Podczas gdy amerykański satelita
Landsat jest w stanie zobrazować pas terenu
o szerokości 185 kilometrów, zdjęcie
Prognoza wydatków bazowych na zobrazowania lotnicze
i satelitarne
W obecnym stanie zaawansowania technologicznego –
im wyższa rozdzielczość zobrazowań satelitarnych, tym
mniejszy obszar objęty jednym zobrazowaniem i większy
koszt jego pozyskania. Stąd w obserwacjach Ziemi
prowadzonych dla całego globu, lub poszczególnych
kontynentów (np. misje meteorologiczne) stosuje się
zobrazowania o małej rozdzielczości, natomiast w
przypadku obserwacji na poziomie krajów, czy regionów
rozdzielczość
zobrazowań
musi
być
wielokrotnie
większa.
41
Projekt Foresight
wykonane z pułapu lotniczego może objąć
swoim zasięgiem pas szerokości maksymalnie
kilkunastu kilometrów. Dodatkowo, zebrane
w ten sposób informacje pozwalają na
porównywanie
wyników
jednoczesnego
pomiaru z różnych miejsc.
Podstawowym ograniczeniem związanym z
wykorzystywaniem satelitów jest fakt, iż dla
instrumentów optycznych (w przeciwieństwie
do radarowych) obecność chmur uniemożliwia
uzyskanie użytecznych obrazów.
Satelita jest w stanie wykonać zobrazowania
wszędzie tam, gdzie misja jakiegokolwiek
pojazdu lotniczego byłaby utrudniona lub wręcz
niemożliwa tak ze względów technicznych,
Częstotliwość aktualizacji
Im większa ma być dokładność zdjęcia (rozdzielczość),
tym mniejszy może być sfotografowany obszar. W
przypadku zdjęć wysokiej rozdzielczości - ze względu
na ograniczoną ilość zobrazowań które może wykonać
satelita, oraz niewielką liczbę satelitów oferujących
tego typu produkt – aktualizacja zobrazowań dużych
obszarów może być wykonywana rzadziej niż w
przypadku zastosowania satelitów pracujących w
niższej rozdzielczości. Zasada małej częstotliwości
aktualizacji zazwyczaj nie stosuje się do zadań
mających wysoki priorytet, takich jak reagowanie na
klęski żywiołowe czy operacje militarne.
42
Projekt Foresight
jak i politycznych, np. w odległych obszarach,
nad terytorium innych państw czy w pasach
przygranicznych. Ponadto, co ważne dla służb
państwowych, elastyczność wykorzystania
satelitów będzie pozwalać na coraz szybsze
pozyskanie w danym momencie potrzebnych
informacji.
Istnieje także szereg aplikacji, w których
zobrazowania satelitarne to jedyne możliwe
do zastosowania narzędzie, jak np. w
meteorologii, gdzie wykonuje się zobrazowania
o małej rozdzielczości przestrzennej (100300 metrów), za to użytkownicy mają dostęp
do informacji aktualizowanej co kilkanaście
minut.
Satelity dostarczają różnego rodzaju danych –
obrazów optycznych, radarowych (niezależne
od zachmurzenia), a także pozwalają
konstruować trójwymiarowe modele terenu.
Z analizy danych wydobywa się ogromne
bogactwo informacji szczegółowych, od
oceny susz w skali kraju i prognozy wzrostu
roślin po ocenę wieloletniej dynamiki rozwoju
aglomeracji miejskich czy pomiar osiadania
gruntu liczony w milimetrach.
Przyjmując
najprostsze
kryterium
ich
przeznaczenia, satelity obserwacyjne dzieli
się na wojskowe – dostarczające informacji na
potrzeby obronności i szeroko pojmowanego
bezpieczeństwa; badawcze – wykorzystywane
dla celów meteorologicznych, naukowych,
testowych, edukacyjnych; oraz komercyjne –
wykorzystywane do generowania produktów i
usług przeznaczonych na rynek użytkowników
publicznych i niepublicznych. Obecnie granica
pomiędzy poszczególnymi kategoriami staje
się coraz bardziej płynna i te same satelity
mogą dostarczać produktów na potrzeby
różnych kategorii użytkowników, jak również
ci sami użytkownicy mogą korzystać z
satelitów należących do różnych kategorii.
W początku lat 90-tych rząd USA zdecydował
się na rozluźnienie ograniczeń prawnych
dotyczących udostępniania szeregu technologii
kosmicznych
sektorowi
komercyjnemu,
co pozwoliło na szybszy rozwój systemów
komercyjnych oferujących obrazy o bardzo
wysokiej rozdzielczości, około 1 m. Rozwój
tego fragmentu rynku jest wyraźny, choć
wolniejszy od początkowych oczekiwań.
Przychody globalnego komercyjnego sektora satelitarnej
obserwacji Ziemi wzrosły średnio o 18% pomiędzy
rokiem 2004 a 2005. Wzrost ten spowodowany jest
przede wszystkim zamówieniami wojskowymi i służb
bezpieczeństwa oraz rozwijającym się publicznym i
komercyjnym rynkiem zobrazowań satelitarnych.
W
ostatnich
latach
można
także
zaobserwować, zwłaszcza w Europie, rozwój
systemów podwójnego zastosowania (tzw.
dual-use) – inaczej niż w przeszłości te
same satelity mogą wykonywać misje dla
potrzeb sektora bezpieczeństwa i dla celów
cywilnych (publicznych i komercyjnych),
dzieląc czas swojej pracy pomiędzy te dwa
typy użytkowników.
O ilości i wartości informacji geoprzestrzennych,
w których wytwarzaniu obserwacje satelitarne
mają znaczący udział, świadczy fakt, iż takie
informacje już w 1999 roku stanowiły 52%
wartości całości informacji publicznych w UE.
Ocenia się, że nawet 80% decyzji w sektorze
publicznym podejmowanych jest w oparciu o
dane geoprzestrzenne.
Wartość ekonomiczna sektora informacji publicznej w
UE, 1999 (mld euro)
Rozwój technologiczny prowadzi do ciągłego
zwiększenia
możliwości
pomiarowych
systemów satelitarnych poprzez zwiększanie
ich dokładności (rozdzielczości przestrzennej)
i bogactwa uzyskiwanych informacji (dzięki
poprawie rozdzielczości spektralnej),
43
Projekt Foresight
natomiast
wzrost
liczby
programów
dedykowanych obserwacjom Ziemi zwiększa
częstotliwość uzyskiwania obrazów tego
samego obszaru. Postęp w tych dziedzinach,
jak
również
rozluźnienie
ograniczeń
politycznych i ciągły spadek cen zobrazowań
satelitarnych stanowić będą podstawowe
czynniki decydujące o upowszechnianiu
stosowania obserwacji satelitarnej i rozwoju
nowych jej zastosowań w perspektywie roku
2020.
2. Wykorzystanie zobrazowań
satelitarnych w kontekście
polskim
Satelitarne metody teledetekcyjne rozwijane
są na świecie od drugiej połowy lat 50-tych.
Swoją karierę rozpoczynały one jako typowe
narzędzia w rywalizacji zimnowojennej,
umożliwiając
oponentom
politycznym
bezinwazyjne
wzajemne
obserwowanie
swoich terytoriów i zasobów. Z czasem
obserwacje satelitarne przerodziły się w istotny
instrument pozyskiwania danych i informacji
środowiskowych
oraz
przestrzennych.
Dziś satelitarne metody teledetekcyjne
wykorzystywane są w wielu gałęziach
gospodarki, tak na świecie jak w i Polsce. Bazy
danych powstałe dzięki zastosowaniu metod
teledetekcyjnych służą aplikacjom w takich
dziedzinach jak meteorologia, oceanografia,
geologia, glacjologia, topografia i geodezja,
rolnictwo, sozologia czy ochrona środowiska.
Bardziej szczegółowe przykłady zastosowań
zobrazowań satelitarnych przedstawione są
obok.
Zawężając rozważania do skali kraju
można powiedzieć, że zobrazowania, które
mogą okazać się przydatne do większości
zastosowań muszą mieć rozdzielczość
przestrzenną co najmniej 20–30 m. Jest
wiele satelitów wykonujących zobrazowania
o takiej rozdzielczości 20. Obecnie należą
do nich amerykańskie satelity Landsat i
Terra, francuskie SPOT i hinduskie IRS. Do
tej pory w Polsce najszerzej wykorzystywano
zobrazowania z satelity Landsat. Dzięki bardzo
dobrze zorganizowanej sieci dystrybucyjnej
44
Projekt Foresight
Przykłady obecnych zastosowań obserwacji satelitarnej w sektorze
publicznym na świecie
Geodezja i gospodarka przestrzenna
Leśnictwo
• wykonywanie i aktualizacja map, w tym
map cyfrowych
• wykonywanie cyfrowego modelu terenu
• inwentaryzacja majątku samorządów
•
monitoring
aktualnego
stanu
zagospodarowania terenu
• planowanie przestrzenne aglomeracji
miejskich
• kataster przestrzenny
• wielkoobszarowa inwentaryzacja stanów
lasów, tworzenie leśnych baz numerycznych
• ocena kondycji lasów, np. stopień
zaatakowania przez szkodniki, szacowanie
stopnia wysuszenia lasów
• wykrywanie nielegalnej wycinki lasów
• wyznaczanie granicy leśno-rolnej
Badania i ochrona środowiska
Sektor bezpieczeństwa
• obserwacje meteorologiczne i prognozowanie
pogody
• śledzenie zmian zachodzących w środowisku
naturalnym,
ocena
zmian
procesów
klimatycznych, globalnego ocieplenia i
wpływu działalności człowieka
• ocena produkcji pierwotnej na obszarach
lądowych i w akwenach
• ocena stanu zagrożeń i zanieczyszczeń
środowiska, szacowanie stanu zdrowotności
roślinności, detekcja obszarów zagrożonych
i
zdegradowanych,
monitorowanie
zanieczyszczeń na powierzchni morza, m.in.
plam ropy
• przewidywanie i ocena zniszczeń dokonanych
przez kataklizmy przyrodnicze
• badania geologiczne, w tym poszukiwanie
surowców naturalnych powierzchniowych i
podpowierzchniowych
• monitorowanie przestrzegania traktatów
międzynarodowych
• pozyskiwanie informacji strategicznych
• rozpoznanie pola walki, ocena działań i
inne
• ocena zagrożeń (mapy ryzyka) i ostrzeganie
przed klęskami żywiołowymi i awariami
przemysłowymi,
ocena
skutków
klęsk
żywiołowych
• aktualizacja map i monitoring określonych
obszarów dla potrzeb służb ratowniczych,
policji, straży granicznej i innych
Rolnictwo
Hydrologia
• monitorowanie struktury działek rolnych
• system kontroli upraw
• szacowanie plonów
• szacowanie strat w zbiorach na skutek susz,
powodzi, szkodników biologicznych
• szacowanie infrastruktury wiejskiej
• informacje dla katastru wodnego
• charakterystyka zanieczyszczeń
obszarowych
• określenie stanu biologicznego środowiska
wodnego
• wyznaczanie obszarów narażonych na
niebezpieczeństwo powodzi
• wyznaczanie stref i obszarów ochronnych
45
Projekt Foresight
były one najłatwiej dostępne, a ponadto
pewne ich właściwości techniczne decydowały
o ich sporej przydatności (zobrazowania
landsatowskie wykonuje się w kilku zakresach
spektrum - w tym w środkowej podczerwieni
– co czyni je bardzo przydatnymi do badań
roślinności).
Także
koszt
pozyskania
zobrazowań z satelity Landsat był niższy niż
innych zdjęć o podobnych parametrach.
Zobrazowania o bardzo dużej rozdzielczości
są osobną kategorią i wymagają odrębnego
omówienia. Istnieje kilka satelitów, które
wykonują zobrazowania o rozdzielczości
przestrzennej rzędu 1 m, a nawet poniżej.
Wśród nich należy wymienić satelitę IKONOS.
Zobrazowania z tego satelity są odbierane
rutynowo także w Polsce. Choć w teorii nic
nie stoi na przeszkodzie, aby powszechnie
korzystać ze zobrazowań pochodzących
z tego satelity, istnieje kilka czynników w
praktyce ograniczających nieco możliwości
ich wykorzystania. W związku ze swoją dużą
przestrzenną rozdzielczością, pojedyncza
scena zobrazowania obejmuje stosunkowo
mały obszar – nieco ponad 100 km2, a
więc do uzyskania pokrycia większych
obszarów (np. terytorium Polski) należy
zestawić ze sobą nawet do kilkuset scen. Te
zobrazowania są wciąż jeszcze stosunkowo
drogie, choć niewątpliwie należy zauważyć
trend stopniowego obniżania ich cen. Ponadto
zobrazowania o rozdzielczości 1 m i poniżej
to w obecnych warunkach zobrazowania
panchromatyczne, nie do końca optymalne
z punktu widzenia szeregu zastosowań, np.
związanych z monitoringiem środowiska.
Należy zdawać sobie sprawę z faktu,
ze zobrazowania o dużej i bardzo dużej
rozdzielczości wykonywane są głównie
w optycznym zakresie widma. Na ich
wykonanie istotny wpływ mają więc
warunki atmosferyczne, przede wszystkim
zachmurzenie. Dlatego nie można zakładać,
że zobrazowania takie mogą być wykonane
zawsze zgodnie z życzeniem, czy zamówieniem
użytkownika, a niekorzystna pogoda panująca
przez większą część roku w Polsce może
stanowić tutaj istotny czynnik ograniczający.
W Polsce największym doświadczeniem w
korzystaniu z danych satelitarnych w pracach
naukowych
i
aplikacyjnych
dysponuje
Instytut Geodezji i Kartografii oraz działający
w jego ramach Ośrodek Przetwarzania
Obrazów Lotniczych i Satelitarnych – Opolis.
Ponadto,
szereg
zakładów
naukowobadawczych oraz uczelni wyższych – jak np.
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej,
Uniwersytety:
Warszawski,
Jagielloński,
Gdański, Szczeciński, Warmińsko-Mazurski,
Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu,
Politechnika Warszawska, Akademia GórniczoHutnicza, Szkoła Główna Gospodarstwa
Wiejskiego w Warszawie, Instytut Oceanologii
PAN, Państwowy Instytut Geologiczny,
Instytut Badawczy Leśnictwa i kilka innych
zajmują się zagadnieniami teledetekcyjnymi.
Oprócz jednostek naukowych zagadnieniami
teledetekcji i jej zastosowań, przede wszystkim
kartograficznych zajmuje się rosnąca liczba
firm komercyjnych. Szczególna rola w tym
sektorze przypada będącemu owocem
partnerstwa publiczno-prywatnego (kapitału
prywatnego i Agencji Mienia Wojskowego)
Satelitarnemu Centrum Operacji Regionalnych
– SCOR S.A. – polskiemu operatorowi stacji
odbiorczej satelity IKONOS.
46
Projekt Foresight
3. Kierunki rozwoju satelitarnej
obserwacji Ziemi
O specyfice obserwacji satelitarnej Ziemi na
tle pozostałych aplikacji satelitarnych stanowi
fakt, iż już w chwili obecnej można z dużym
prawdopodobieństwem określić potencjalne
możliwości techniczne oferowane przez
ten sektor w przyszłości. Biorąc pod uwagę
znajdujące się obecnie w fazie planistycznej
lub konstrukcyjnej misje satelitarne wraz
z umieszczoną na nich aparaturą, da się z
dużą dozą pewności przewidywać spektrum
właściwości technicznych, jakie systemy te
oferować będą około roku 2012.
Równocześnie należy wyraźnie podkreślić,
iż o stopniu wykorzystania produktów
dostarczanych przez satelity obserwacyjne
decydować będą w równym stopniu parametry
techniczne i szeroko rozumiane czynniki
polityczne, ekonomiczne i społeczne, jak
również przyjęte rozwiązania organizacyjne i
prawne zwłaszcza w sektorze publicznym.
3.1. Zwiększenie liczby satelitów –
skrócenie czasu rewizyty nad danym
obszarem
Najbardziej widocznym trendem sektora na
najbliższe lata jest znaczny wzrost liczby
satelitów
służących
obserwacji
Ziemi.
Tendencja ta dotyczy zarówno podmiotów
europejskich i amerykańskich od dawna
aktywnych w tej dziedzinie, jak i nowych,
o charakterze co najmniej częściowo
komercyjnym.
Wzrost
zaangażowania
podmiotów komercyjnych widoczny jest
zwłaszcza, choć nie wyłącznie, w przypadku
mniejszych gabarytowo i mniej wymagających
technologicznie konstrukcji satelitarnych.
Uwzględniając znajdujące się obecnie w fazie
realizacyjnej programy europejskich agencji
narodowych, jak i inicjatywy międzynarodowe
w sektorze - około roku 2012 sama tylko
Europa powinna dysponować ponad 15 nowymi
satelitami o przeznaczeniu aplikacyjnym i/lub
komercyjnym (nie uwzględniając satelitów
badawczych czy meteorologicznych). W skali
światowej, na następne 15 lat planuje się
co najmniej 90 misji o takim charakterze.
Ta zwiększona liczba satelitarnych misji
obserwacyjnych stanowi istotną różnicę
w stosunku do stanu na „dziś”– gdzie dla
obszaru Polski oferta operatorów satelitarnych
nie przekracza przelotów kilku satelitów w
kilkudniowych odstępach czasowych.
W związku ze zwiększeniem liczby misji
pozostaje
także
różnicowanie
samych
operatorów satelitarnych, jak również
oferowanych przez nich usług. Ten trend
skutkować
będzie
przede
wszystkim
rozszerzoną ofertą wyboru partnerów i
produktów także dla polskiego publicznego i
komercyjnego odbiorcy w 2012 roku.
Bezpośrednim
skutkiem
zwiększenia
liczby satelitów obserwacyjnych Ziemi jest
wymierne skracanie się okresu czasu od
zamówienia do otrzymania zobrazowania
satelitarnego i częstsza aktualizacja danych
w
przypadku
ciągłego
monitorowania
określonego obszaru. Zjawisko to ma związek
zarówno ze zwiększonym zaawansowaniem
technologicznym aparatury umieszczonej na
satelitach i w stacjach odbiorczych, jak
Źródło: ESA
47
Projekt Foresight
również ze zwiększeniem liczby tych stacji,
oraz rozwojem ich mobilnych wersji.
3.2. Wzrost liczby i znaczenia satelitów
pracujących w technologii radarowej
(mikrofalowej)
W kontekście roku 2012 istotne stanie się
zwiększenie udziału satelitów pracujących
w technologii radarowej w stosunku do
dotychczas
przeważających
ilościowo
satelitów optycznych. Tytułem przykładu
można wymienić tu znajdujące się obecnie
w fazie konstrukcyjnej (lub częściowo
operacyjnej) niemieckie satelity Sar-Lupe,
TerraSAR-X, TanDEM-X.
Upowszechnianie się technologii radarowej
umożliwiającej
pozyskiwanie
obrazów
niezależnie od zachmurzenia ma istotne
znaczenie dla polskiego użytkownika ze
względu na warunki pogodowe, które
często ograniczają dostępność zobrazowań
optycznych.
W polskich warunkach zobrazowania wykonane
w technologii radarowej mogą okazać
się szczególnie przydatne w zarządzaniu
kryzysowym, w sektorze obronnym oraz w
zastosowaniach związanych z badaniem i
ochroną środowiska (np. sytuacje powodziowe,
ocena wilgotności gleb, badanie struktury
geologicznej, ocena skażenia terenu). Bardzo
ważnym zastosowaniem interferencyjnych
metod mikrofalowych jest także możliwość
budowy cyfrowych modeli terenu (Digital
Terrain Model/DTM).
Obróbka zobrazowań wykonanych w paśmie
mikrofalowym przedstawia sobą nieco
większe wyzwanie niż tych wykonanych
w paśmie optycznym i wymaga bardziej
zaawansowanego
oprogramowania
dostarczanego aktualnie przez nielicznych
dostawców w skali światowej. W perspektywie
roku 2012 można prognozować silniejszą
dywersyfikację
dostawców
sprzętu
i
oprogramowania idącą w parze ze wzrostem
liczby satelitów pracujących w tym paśmie.
3.3. Polepszanie
rozdzielczości
przestrzennej przy utrzymaniu znacznego
pola widzenia satelity
Opisywana wyżej alternatywa techniczna
–
zwiększona
rozdzielczość
kosztem
pomniejszenia obszaru widzenia satelity w
perspektywie „dziś” stawia użytkownika przed
koniecznością wyboru jednej z dwóch opcji
– zobrazowanie wysokorozdzielcze, bądź
zobrazowanie obejmujące większy obszar.
Jednym z najważniejszych kierunków rozwoju
sektora EO jest dążenie do pozyskiwania
obrazu w szerokim pasie terenu w możliwie
dobrej rozdzielczości przestrzennej.
3.4. Konstelacje satelitów
Kolejną różnicę w stosunku do „dziś” sektora
stworzy widoczna już obecnie tendencja do
planowania misji obserwacyjnych w formule
konstelacji, a nie jak dotychczas pojedynczo
umieszczanych na orbicie satelitów. Konstelacje
takie jak Rapid-Eye, TerraSAR-X – TanDEM-X,
CosmoSky-MED–Pleiades, konstelacje Surrey
Satellite Technologies Ltd. zapewnią z jednej
strony częstsze pokrycie tego samego terenu,
z drugiej – lepszą możliwość zapewnienia
ciągłości usług w przypadku awarii któregoś
z satelitów. Skrócony okres rewizyty ma
48
Projekt Foresight
szczególne znaczenie przy zwalczaniu klęsk
żywiołowych, dla potrzeb zapewnienia
obrony i bezpieczeństwa oraz przy ciągłym
monitoringu określonych obszarów.
3.5. Technologie hiperspektralne
Technologie hiperspektralne są kolejnym z
kierunków rozwoju sektora. Według prognoz
w roku 2012 dostępne będą zobrazowania z
dwóch satelitów o rozdzielczości 30 metrów
przeznaczone dla zastosowań komercyjnych
i naukowych. Zobrazowania hiperpektralne
dostarczają bardzo szczegółowych informacji
o
właściwościach
fizyko-chemicznych
obserwowanego obiektu i często pozwalają
na jego identyfikację. Upowszechnienie
technologii
hiperspektralnych
otworzy
szeroką
gamę
nowych
zastosowań
zobrazowań satelitarnych, od lokalizacji
Paryż z satelity eksperymentalnego EO-1 (Hyperion)
i identyfikacji skażeń, przez precyzyjną
ocenę stanu roślinności i identyfikację
czynników zanieczyszczenia środowiska, (np.
zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi, ocena
kondycji lasów) po poszukiwanie nowych złóż
ropy i gazu. Obecnie wykorzystuje się zdjęcia
hiperspektralne m.in. w celach nieinwazyjnej
archiwizacji archeologicznej.
3.6. Rozwój małych satelitów –
potencjalny przełom na rynku obserwacji
satelitarnej
Rozwój i popularyzacja technologii małych
satelitów jest kolejnym z trendów, który
do 2012 roku ma szansę nabrać znacznego
rozpędu. Zmniejszenie wielkości satelitów
nie
musi
oznaczać
ograniczenia
ich
zaawansowania technologicznego i możliwości
obserwacyjnych, natomiast niewątpliwie
zaowocuje
znacznym
ograniczeniem
kosztów produkcji, wynoszenia na orbitę
i eksploatacji. Impuls ekonomiczny w
postaci kilkukrotnego obniżenia kosztów
może doprowadzić do powstawania nowych
podmiotów, pochodzących spoza tradycyjnego
kręgu operatorów satelitarnych (głównie
narodowych i międzynarodowych agencji
kosmicznych oraz dużych firm bazujących w
znacznej mierze na publicznych kontraktach).
Firmy te, kierując się typowo rynkową
motywacją, mogą w dłuższej perspektywie
zrewolucjonizować rynek produktów i usług
opartych na obserwacji satelitarnej.
3.7. Bezpośredni odbiór obrazów z
satelity
W niektórych zastosowaniach obserwacji
satelitarnej, zwłaszcza tam gdzie jest wielu
potencjalnych użytkowników równocześnie,
gdzie istotny jest czas od wykonania
zobrazowania do jego otrzymania i gdzie nie
ma potrzeby zaawansowanego przetwarzania
zdjęć, bardzo użyteczną może okazać się
możliwość bezpośredniego odbierania przez
użytkownika obrazów rozsyłanych przez
satelitę natychmiast po ich wykonaniu.
Użytkownik nie ma możliwości wpływania na
pracę satelity,
49
Projekt Foresight
unika jednak opóźnienia i konieczności
posiadania łącza szerokopasmowego. Takie
rozwiązanie okaże się zapewne niezwykle
użyteczne podczas operacji wojskowych i
klęsk żywiołowych, gdy operator satelity
w dalszym ciągu wybierał będzie obszary
wymagające obserwacji, natomiast nie będzie
potrzeby przekazywania odebranych obrazów
do rozproszonych odbiorców. Wydaje się iż
te możliwości mogą znaleźć również wiele
innych, nowatorskich zastosowań, także
skierowanych do masowego odbiorcy.
Już obecnie takie rozwiązanie wprowadzane
jest przez organizację Eumetsat, dzięki czemu
odbiorcy
zainteresowani
pozyskiwaniem
obrazów meteorologicznych mogą odbierać
je bezpośrednio z satelitów geostacjonarnych
przy użyciu zwykłej anteny do odbioru
telewizji satelitarnej (zasada transmisji jest
zresztą identyczna jak w telewizji satelitarnej
– satelita nie odbiera żadnych informacji
od użytkownika, a jedynie stale rozsyła
sygnał, który jest odbierany przez wszystkich
zainteresowanych).
Warszawa z satelity SPOT5
rozdzielczość przestrzenna 2 m)
(satelita
3.8. Obserwacja
geostacjonarnej
Ziemi
z
orbity
Prace
nad
umieszczaniem
satelitów
(lub instrumentów) teledetekcyjnych o
średniej i wysokiej rozdzielczości na orbicie
geostacjonarnej wciąż jeszcze znajdują się
w fazie eksperymentalnej. Zainstalowane na
satelicie krążącym po orbicie geostacjonarnej
sensory musiałyby odebrać obraz z odległości
36 tysięcy kilometrów, zamiast około 700
kilometrów, który to pułap jest wysokością
orbity większości dzisiejszych satelitów
obserwacyjnych. Umieszczenie satelitów
teledetekcyjnych na orbicie geostacjonarnej,
choć
jest
gigantycznym
wyzwaniem
technologicznym i technicznym, pozwoliłoby
kilku (teoretycznie nawet tylko trzem) satelitom
na obserwowanie prawie całego obszaru
globu (wyjąwszy obszary podbiegunowe) oraz
umożliwiłoby uzyskiwanie obrazów niemal w
czasie rzeczywistym.
optyczny,
50
Projekt Foresight
3.9. Wzbogacanie oferty dostępnych
produktów
W częściowym związku ze wzrostem
znaczenia komercyjnych operatorów satelitów
obserwacyjnych Ziemi pozostaje wzbogacanie
udostępnianej przez nich oferty produktowej.
O
ile
najpopularniejszym
dotychczas
dostarczanym produktem teledetekcyjnym
było zobrazowanie satelitarne i ortofotomapa,
tak w perspektywie roku 2012 można
oczekiwać, iż katalog oferowanych przez
operatorów usług i produktów będzie szerszy
i lepiej dostosowany do wymagań i potrzeb
bezpośrednich
odbiorców.
Przykładowo,
operatorzy
zapowiadają
wzbogacanie
dostarczanych
zobrazowań
o
dane
wektorowe i rastrowe pochodzące z innych –
pozasatelitarnych - źródeł, czy też dostarczanie
danych w formatach, które umożliwiają niemal
automatyczną ich implementację do systemów
i oprogramowania, zwłaszcza systemów GIS.
Pozostawienie systemów otwartymi umożliwi
klientowi także indywidualne dostosowanie
ich do własnych zasobów, zapotrzebowania,
czy mechanizmów procesowania. Operatorzy
satelitarni lub bezpośrednio współpracujące
z nimi podmioty będą oferować poprawki
radiometryczne i geometryczne w zależności
od zamówień klientów, mapy cyfrowe, cyfrowe
modele terenu, etc.
3.10. Upowszechnianie dostępu
danych geoinformacyjnych
do
Inicjatywy współpracy międzynarodowej
takie jak GEOSS i GMES służą koordynacji
programów obserwacyjnych w skali globalnej.
Ich realizacja (podobnie jak europejski program
INSPIRE) na upowszechnianie standardów
zapisu i przechowywania zobrazowań i
przetworzonej informacji geoprzestrzennej.
W efekcie rozwijać się będą coraz bogatsze
bazy danych, kompilowane w szczególności
z materiałów archiwalnych. Ponadto, zgodnie
ze stopniowo nabierającymi kształtu planami
i programami międzynarodowymi bazy
zobrazowań satelitarnych przeradzać się
powinny stopniowo w globalnie zintegrowane
bazy danych oferujące gotowy produkt informację geoprzestrzenną. W założeniu
łatwe w obsłudze bazy oferować będą
informacje przestrzenne i środowiskowe w
atrakcyjnej cenowo ofercie, zwłaszcza dla
użytkownika publicznego.
Global Monitoring for Environment and
Security (GMES) – www.gmes.info
Group on Earth Observations (Global Earth
Observation System of Systems - GEOSS)
– www.earthobservations.org
Dzięki
zintegrowaniu
systemów
i
działań
wielu
partnerów inicjatywa GEOS pozwoli na wykorzystanie
posiadanych przez nich środków w bardziej efektywny
sposób,
pozwoli
skoordynować
mechanizmy
postępowania, a także sprawi, że podejmowane przez
nich decyzje oparte będą o wspólnie wykorzystywane
dane. GEOSS ma na celu wyposażyć społeczność
międzynarodową w narzędzie, które pozwoli łatwo i
bardzo dokładnie przewidzieć temperaturę i warunki
pogodowe dla nadchodzących miesięcy, czy też
szczegółowo określić miejsce potencjalnego wybuchu
malarii, SARS, czy np. wirusa Gorączki Zachodniego
Nilu.
W skali światowej już w chwili obecnej
istnieje szereg inicjatyw i programów, których
celem jest integracja danych pochodzących
z satelitarnej obserwacji Ziemi, systemów in
situ, jak również informacji dostarczanych
przez
międzynarodowe,
regionalne
i
narodowe systemy pochodne. W perspektywie
roku 2012 można oczekiwać ich dalszego
umocnienia instytucjonalnego, rozbudowy
struktur, rozbudowy operacyjnej oraz jeszcze
większego otwarcia na nowych partnerów.
51
Projekt Foresight
Wybrane globalne systemy współpracy w sektorze
satelitarnej obserwacji Ziemi:
• World Weather Watch (WWW–WMO) Global Observing
System (operacyjny system 10 tysięcy stacji naziemnych
wspierany
przez
5
satelitów
geostacjonarnych,
dostarczający co 3 godziny informacji o parametrach
meteorologicznych tj. ciśnienie atmosferyczne, siła i
kierunek wiatru, temperatura i wilgotność powietrza;)
o Global Terrestrial Observing System
o Global Climate Observing System
o Global Ocean Observing System
• Integrated Global Observing Strategy (IGOS)
• Committee on Earth Observations (CEO)
• International Charter “Space and Major Disasters”
(porozumienie
kilkunastu
światowych
agencji
kosmicznych i operatorów satelitarnych, oferujące
zunifikowany system pozyskiwania i dostarczania
danych
dla
podmiotów
dotkniętych
katastrofami
naturalnymi oraz wywołanymi przez człowieka; w
samym tylko roku 2006 była aktywowana 25 razy;)
3.11. Upowszechnienie i popularyzacja
produktów obserwacji satelitarnej
W związku z pojawieniem się nowych aplikacji
w rodzaju Google Earth wykorzystujących
zastrzeżone do tej pory dla ograniczonej
ilościowo i jakościowo grupy użytkowników
zobrazowania
satelitarne,
już
obecnie
zaobserwować można pewną zmianę podejścia
związaną z wykorzystaniem tego narzędzia.
Należy oczekiwać, iż w perspektywie roku
2012 trend upowszechnienia i popularyzacji
wykorzystania
zobrazowań
satelitarnych
przez szerokie grupy odbiorców utrwali się i
pogłębi.
Aplikacje softwareowe typu Google Earth
powodują przełamanie tzw. bariery papieru i
sprawiają, iż zobrazowania satelitarne stają się
dostępne dla szerokich kręgów społecznych
i zawodowych, a jedynym warunkiem jest
posiadanie komputera i łącza internetowego.
Według przewidywań, ułatwiony dostęp do
produktów obserwacji satelitarnej zwłaszcza
wśród młodych użytkowników ma ogromny
potencjał katalizujący rozwój nowych aplikacji
powstających na ich bazie.
Google Earth
Źródło: http://sketchup.google.com/examples.html
Z około 380 milionów użytkowników korzystających
każdego miesiąca z usług oferowanych przez firmę
Google, amatorzy Google Earth stanowią 0,22 %.
52
Projekt Foresight
4. Perspektywa roku 2020
Rozwój sektora obserwacji satelitarnej i
technik teledetekcyjnych w perspektywie
roku 2020 zależeć będzie od zapotrzebowania
na produkty i usługi sektora publicznego
oraz od rozwoju rynku komercyjnego w tej
dziedzinie.
W sektorze publicznym znaczący wpływ będzie
miała sytuacja geopolityczna, a w konsekwencji
skala i charakter potrzeb sektora obronnego i
bezpieczeństwa. Z drugiej strony wzrost jakości
i dostępności informacji geoprzestrzennej
powodować będzie coraz powszechniejsze
ich
wykorzystywanie
do
świadomego
podejmowania różnego rodzaju decyzji, a
to z kolei napędzać będzie zapotrzebowanie
na coraz to nowsze i możliwie często
aktualizowane informacje. Istotne znaczenie
będzie mieć także powodzenie obecnie
podejmowanych inicjatyw międzynarodowych
(GEOSS, GMES, INSPIRE) służących nie tylko
koordynacji programów obserwacyjnych, ale
i upowszechnianiu możliwie najłatwiejszego
dostępu do bogactwa ciągle gromadzonych
geoinformacji.
Wzrost
użyteczności
i
dostępności
gromadzonych geoinformacji decydować
też będzie o ich wykorzystaniu przez rynek
komercyjny Szybki rozwój społeczeństwa
informacyjnego i coraz większa ilość informacji
konieczna dla codziennego funkcjonowania
biznesu każe oczekiwać wzrastającego
zapotrzebowania
na
geoinformacje.
Kluczowe podmioty sektora komercyjnego
(m.in. korporacje
międzynarodowe) dla
swoich
strategicznych
i
operacyjnych
decyzji wymagać będą bowiem, podobnie
jak podmioty sektora publicznego, możliwie
najlepszej i zaktualizowanej wiedzy o
otaczających warunkach.
Ponadto pierwsze doświadczenia z serwisami
w rodzaju Google Earth wskazują, iż może
nastąpić gwałtowny wzrost rynku w sektorze
klientów
indywidualnych,
gdzie
dane
satelitarne mogą być podstawą dla oferowania
wielu innowacyjnych produktów, zwłaszcza
wykorzystywanych w połączeniu z coraz
szerzej rozprzestrzeniającymi się systemami
nawigacji satelitarnej, od asystowania
turystom poczynając na grach w wirtualnej
rzeczywistości kończąc.
Można oczekiwać, iż niektóre tendencje
technologiczne zarysowane powyżej, w 2020
roku osiągną już zdecydowaną dojrzałość.
Stanie się tak zapewne zwłaszcza w zakresie
polepszania rozdzielczości przestrzennej
i pola widzenia satelity, upowszechniania
obserwacji radarowych oraz skracania czasu
rewizyty najpewniej przez wykorzystywanie
konstelacji
małych
satelitów.
Ponadto
najprawdopodobniej szerzej dostępne będą
technologie hiperspektralne. Pod znakiem
zapytania
pozostaje
rozwój
satelitów
teledetekcyjnych pracujących na orbicie
geostacjonarnej.
Źródło: ESA
W efekcie obserwacje satelitarne pozwalać
będą na ciągły monitoring wybranych obszarów
i będą dostarczać wielkoobszarowych,
53
Projekt Foresight
wysokorozdzielczych danych, w powszechnie
akceptowalnym formacie, szybko i po
atrakcyjnej cenie, a dostęp do nich będzie
możliwy w przyjaznej dla użytkownika
formie.
Interesujące perspektywy mogą się także
otworzyć
dzięki
rozwojowi
systemów
sztucznej inteligencji, których wykorzystanie
do przetwarzania obrazów satelitarnych
może pozwolić na automatyczne wytwarzanie
ogromnej liczby zaawansowanych informacji
geoprzestrzennych. To może doprowadzić do
zmian jakościowych tego sektora, czyniąc z
obserwacji satelitarnej jedno z kluczowych
narzędzi
budowy
cyfrowego
świata
opisującego rzeczywistość. Tego rodzaju
bogate środowisko geoinformacyjne - oparte
na stale aktualizowanej informacji o świecie
rzeczywistym, wraz z rozpowszechnieniem
się informacji o położeniu uzyskiwanej
dzięki nawigacji satelitarnej i powszechną
dostępnością łączności szerokopasmowej
- może stać się jednym z fundamentów
umożliwiających
funkcjonowanie
zaawansowanego
społeczeństwa
informacyjnego.
Podobnie jak w przypadku łączności
satelitarnej, rozwój technik obserwacji
satelitarnej ma przed sobą również poważne
wyzwania wynikające z konkurencji systemów
„ziemskich” – nie tyle nawet ze strony
tradycyjnej obserwacji lotniczej, co samolotów
bezzałogowych i platform stratosferycznych.
Wydaje się jednak, iż przy wszystkich
zaletach tych rozwiązań, związanych z
dyspozycyjnością i elastycznością operacji,
mniejszymi wyzwaniami technologicznymi
i mniejszymi kosztami budowy, systemy
satelitarne
pozostaną
komplementarne,
oferując informacje wielkoobszarowe, coraz
tańsze i zbierane nad całą powierzchnią Ziemi
bez konieczności naruszania przestrzeni
powietrznej nad obserwowanym obszarem.
54
Projekt Foresight
5. Obserwacja satelitarna na świecie i Polsce – prognoza stanu
sektora w trzech horyzontach czasowych
DZIŚ
JUTRO
POJUTRZE
Główny użytkownik:
-administracja centralna i
samorządowa
- wojsko i sektor bezpieczeństwa
- instytucje naukowo-badawcze
- administracja centralna i samoządowa
-przedsiębiorstwa komercyjne
rozwijające niestandardowe aplikacje
przy wsparciu produktów obserwacji
satelitarnej Ziemi
- służby państwowe w zakresie
zarządzania kryzysowego, pozarządowe
organizacje niosące pomoc
- administracja centralna i
samorządowa
- służby państwowe w zakresie
zarządzania kryzysowego,
pozarządowe organizacje niosące
pomoc
- przedsiębiorstwa komercyjne
rozwijające niestandardowe aplikacje
przy wsparciu produktów obserwacji
satelitarnej Ziemi
- przeciętny europejski obywatel
- niezależnie od profilu
działalności czy zainteresowań
– posiadacz przenośnego terminala
wielofunkcyjnego
- zobrazowanie około metrowej
rozdzielczości,
obejmujące
pas
kilkunastu kilometrów, wykonywane
na zamówienie, dostępne w ciągu
kilku dni, a w razie potrzeby kilku
godzin od zamówienia, pochodzące
głównie z publicznych, częściowo
komercyjnych źródeł, łatwiej dostępne
dla użytkownika instytucjonalnego niż
indywidualnego, po cenie stosunkowo
niskiej - nie odpowiadającej realnie
zainwestowanym w budowę systemów
i infrastruktury środkom
- zdjęcia archiwalne o dowolnej
rozdzielczości dostępne po bardzo
atrakcyjnej cenie, lub w ramach
programów międzynarodowych
- zobrazowanie o rozdzielczości rzędu
kilkunastu centymetrów
dostępne w razie potrzeby w czasie
rzeczywistym, normalnie w czasie
kilku dni, wykonywane na zamówienie,
dostępne przy pomocy znajdującego się
w powszechnym użytku przenośnego
terminala, po niskiej cenie, ze źródeł
tak publicznych jak i komercyjnych
- obszerne, przystępnie skatalogowane
archiwa i bazy danych obejmujące nie
tylko nieprzetworzone zdjęcia, ale całe
systemy informacji geoprzestrzennej
dostępne
tak
dla
użytkownika
instytucjonalnego jak i indywidualnego,
oparte na regularnie aktualizowanych
obrazach o rozdzielczości kilku metrów,
w wielu przypadkach udostępniane w
cenie biletu komunikacji miejskiej lub
bezpłatnie
Główny produkt:
- zobrazowanie satelitarne o
rozdzielczości w przedziale 30-0,6
m., wykonywane na zamówienie,
uzyskiwane zazwyczaj w ciągu
co najmniej kilkunastu dni od
zamówienia, z ograniczonych ilościowo
i jakościowo źródeł
- zobrazowania wyższej rozdzielczości
uzyskiwane z systemów wojskowych
55
Projekt Foresight
Usługi:
- słabo rozwinięte i słabo
skoordynowane w skali krajowej i
międzynarodowej, z wyłączeniem
sektora meteorologii
- słabo rozwinięty rynek i oferta
dostawców usług
- dobrze rozwinięte usługi głównie dla
odbiorcy instytucjonalnego, częściowo
indywidualnego,
na
pograniczu
obserwacji, nawigacji i łączności
satelitarnej
- powszechne i tanie usługi dla
masowego odbiorcy, gdzie produkty
obserwacji Ziemi są narzędziem
wspierającym inne rodzaje informacji
geoprzestrzennej oraz inne rodzaje
aplikacji satelitarnych
- usługi skoordynowane w skali
europejskiej i światowej dzięki istnieniu
transnarodowych programów integracji
danych i informacji
- istotne zagrożenia typu politycznego
związane z oligopolizowaniem rynku
dostawców produktów i usług EO
wśród podmiotów publicznych
pochodzących z krajów – dzisiejszych
producentów danych i systemów EO
- narażenie na celową i przypadkową
dezinformację związaną ze
zwiększeniem dostępności zdjęć
satelitarnych dla szerokich,
niewykwalifikowanych w ich analizie
i interpretacji grup społecznych i
zawodowych
- osłabione zagrożenia typu
politycznego dzięki dywersyfikacji
źródeł dostępu do produktów
EO i zwiększonej roli dostawców
prywatnych
- duża i stale zwiększająca się
zależność indywidualna od dostępu
do aktualnych danych
Zagrożenia:
Opracowanie
prezentujące
szczegółowe
informacje techniczne dotyczące obserwacji
satelitarnej „Zdalne obserwacje satelitarne
Ziemi” dostępne jest na stronie
www.kosmos.gov.pl
56
Projekt Foresight
Obecnie
trudno
wyobrazić
sobie
funkcjonowanie zarówno całej gospodarki
światowej, jak i współczesnego człowieka,
bez znajomości dokładnego czasu. Zegar
stał się niezbędnym elementem naszej
rzeczywistości, często wręcz warunkującym
sprawny przebieg codziennego życia.
Za
kilkanaście
lat
podobny
status
mogą osiągnąć odbiorniki nawigacyjne,
umożliwiające precyzyjne wyznaczanie pozycji
obiektów i osób. Już od najdawniejszych
czasów człowiek zadawał sobie pytanie
“gdzie jestem?, jak daleko jest do celu?”.
Chcąc znaleźć odpowiedź na przestrzeni
wieków wymyślono wiele metod służących
do wyznaczania położenia. Jednakże dopiero
na przełomie lat 60 i 70 ubiegłego stulecia
myśl techniczna doprowadziła do stworzenia
satelitarnego systemu wyznaczania pozycji,
który jest - jak dotąd - najpełniejszym
rozwiązaniem problemu lokalizacji oraz
orientacji przestrzennej obiektów. Dokładna
znajomość
położenia
interesujących
podmiotów w powiązaniu z informacjami o
otoczeniu oraz bardzo precyzyjne pomiary
czasu stają się niezbędne nie tylko we
wszystkich dziedzinach transportu i lecz
także w wielu innych dziedzinach życia – w
bezpieczeństwie i zarządzaniu kryzysowym,
ratownictwie,
sektorze
energetycznym,
bankowości i ubezpieczeniach, rybołówstwie,
rolnictwie, ochronie środowiska oraz szeroko
pojętej nawigacji osobistej.
odległości. Znana odległość od dwóch
satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym
przecięciem dwu sfer. Kiedy odbiornik zmierzy
odległości od trzech satelitów, istnieją już
tylko dwa punkty, w których może się on
znajdować. Jeden z nich można wykluczyć
jako znajdujący się zbyt wysoko lub
poruszający się zbyt szybko. W ten sposób
wyznaczona zostaje pozycja odbiornika.
Lokalizacja obiektów na powierzchni Ziemi
polega więc na określeniu czasu potrzebnego
fali elektromagnetycznej na przebycie drogi
między satelitą, a użytkownikiem. Dlatego
głównym
czynnikiem
determinującym
dokładność wykonanych pomiarów jest
zegar. “Standardowe” satelity nawigacyjne
posiadają cztery zegary atomowe, którymi
synchronizują wysyłany sygnał. Jedyne co
pozostaje zmierzyć odbiornikowi to opóźnienie
sygnału odebranego z poszczególnych
satelitów. Zegary na satelitach wymagają
jednak regularnej synchronizacji do bardziej
stabilnych,
naziemnych,
referencyjnych
sieci stacji zegarowych, charakteryzujących
się
zdecydowanie
lepszą
długotrwałą
stabilnością.
1. Zasady działania systemów
nawigacji satelitarnej
Nawigacja satelitarna pozwala na określanie
położenia punktów i poruszających się
obiektów wraz z parametrami ich ruchu w
dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi,
niezależnie od pogody, pory dnia i nocy. Opiera
się ona na pomiarze drogi przebytej przez
sygnał od satelity poruszającego się po ściśle
zdefiniowanej orbicie do anteny odbiornika.
Znana odległość od satelity lokuje odbiornik
na sferze o promieniu równym zmierzonej
58
Projekt Foresight
2. Struktura systemów nawigacji
satelitarnej
Zarówno już istniejące globalne systemy
nawigacji satelitarnej (GPS, częściowo
Glonass), jak i dopiero znajdujące się w
fazie budowy (Galileo) czy wręcz planowania
(Beidou/Compass) składają się z trzech
podstawowych segmentów:
�
Kosmicznego - konstelacji satelitów na
określonych orbitach, transmitujących 1 lub
kilka sygnałów nawigacyjnych obejmujących
swoim zasięgiem całą kulę ziemską (za
optymalną uznano liczbę co najmniej 24
satelitów);
�
Naziemnego – jest to sieć stacji
naziemnych zapewniających stałą kontrolę i
łączność z satelitami;
�
Użytkownika – obejmującego wszystkie
odbiorniki satelitarne, których właściciele
(użytkownicy systemu) mogą wyznaczyć swoją
pozycję na podstawie pomiaru odległości do
przynajmniej 3 satelitów.
Warto podkreślić, że „właściwa” infrastruktura
nawigacji satelitarnej (segment kosmiczny i
naziemny) jest z natury „bierna”, tj. nie jest
świadoma lokalizacji użytkownika. Ogranicza
się jedynie do transmisji sygnałów, które
są przetwarzane przez odbiorniki w celu
ustalenia ich położenia. Wszelkie inne funkcje,
składające się na potoczne pojmowanie
„nawigacji satelitarnej”, takie jak określanie
pozycji z maksymalną dokładnością na mapie
cyfrowej lub transmisja informacji o położeniu
w innych celach, realizowane są w urządzeniu
użytkownika. Tak więc o możliwościach
zastosowania nawigacji satelitarnej decyduje
nie tylko dokładność i dostępność sygnału
umożliwiającego lokalizację odbiornika, lecz
także, a może nawet przede wszystkim, jakość
i dostępność map cyfrowych i systemów
informacji geoprzestrzennej, w oparciu o
które powstają aplikacje GNSS.
59
Projekt Foresight
3. Kierunki ewolucji
Podobieństwo struktury systemów nawigacji
satelitarnej sprawia, że można wyodrębnić
pewne wspólne trendy i kierunki, w których
przebiegać będzie ich modernizacja na w ciągu
następnych kilkunastu lat. Zmiany techniczne
w segmentach kosmicznych i naziemnych
będą mieć na celu:
�
Poprawę
satelitach
stabilności
�
Zwiększenie
sygnałów
�
mocy
zegarów
nadawanych
Przedłużenie „czasu życia” satelity
�
Nadawanie nowych sygnałów
dodatkowych częstotliwościach
�
na
na
Zwiększenie dokładności pomiarów
�
Włączenie
transmisji
poprawek
jonosferycznych w „podstawowy” sygnał
nawigacyjny
�
Zwiększenie odporności sygnału na
zakłócenia (m.in. dodatkowe kodowanie)
�
Włączenie informacji o wiarygodności
w „podstawowy” sygnał nawigacyjny
�
Zapewnienie komunikacji pomiędzy
satelitami w obrębie danego systemu, co
zwiększy dokładność skali czasu (planowane
w GPS III i w nowej generacji Glonass-K około
roku 2020)
W
perspektywie
2020-2030
roku
prawdopodobne będzie przejście na wyższe
częstotliwości radiowe. Pojawiła się również
koncepcja zmiany systemów nawigacji
satelitarnej opartych na sygnałach radiowych
na sygnały optyczne, jednakże jak dotychczas
nie jest ona rozwijana, głównie ze względu na
wysokie koszty wymiany całej infrastruktury.
Dla przeciętnego użytkownika nawigacji
satelitarnej, zarówno instytucjonalnego, jak
i indywidualnego, przełomowy moment
nastąpi około roku 20121 , kiedy w pełni
operacyjne będą - obok GPS – systemy
Glonass i Galileo, a na rynku w masowej
produkcji znajdą się odbiorniki korzystające
z 2 lub nawet 3 systemów równocześnie 2.
Dwukrotne zwiększenie liczby satelitów
nawigacyjnych na orbicie Ziemi znacznie
poprawi uzyskiwane parametry pomiaru
– obecnie pozioma dokładność GPS dla
obiektów w ruchu wynosi około 10 – 20 m,
a pionowa 8 – 15m, natomiast korzystanie
z drugiego systemu obniży te wartości o
połowę (dla obiektów nieruchomych nawet
do 0.5 – 1 m poziomo i 1,5 – 2 m w pionie).
GPS, Galileo i Glonass zapewnią niemal 100%
dostępność sygnału na całej kuli ziemskiej,
eliminując aktualne kłopoty z korzystaniem
z GPS w pobliżu równika. Istnienie kilku
systemów znacząco poprawi, choć niestety
nie zlikwiduje, problem dostępności i
dokładności sygnału w tzw. „kanionach
miejskich”, w których z powodu wysokich
przeszkód mniej jest widocznych satelitów i
w konsekwencji gorsze parametry sygnału
(przyczyna to nie tylko niekorzystna
geometria, lecz także odbicia sygnału od
przeszkód w otoczeniu)3.
1 Wraz z uruchomieniem 2 nowych systemów nawigacji satelitarnej na rynku GNSS nastąpi przełom jakościowy.
Zmiany w następnej dekadzie, choć istotne, będą miały raczej charakter ilościowy i przebiegać będą
stopniowo, zgodnie z już możliwymi do określenia trendami.
2 Porozumienie pomiędzy USA i UE z czerwca 2004r. przewiduje skonstruowanie dwusystemowych odbiorników GPSGalileo. Jak dotychczas jego realizacja przebiega bez większych problemów (poza opóźnieniami w budowie Galileo).
Również Rosja deklaruje wolę integracji sygnału Glonass z innymi (podpisane lub negocjowane są stosowne umowy),
lecz występują tu pewne przeszkody.
3 Rozwiązaniem tego problemu jest transmisja sygnału także z nadajników naziemnych, tzw. pseudolitów; opłacalna
przy dużym natężeniu ruchu i/lub dużej liczbie użytkowników. Z tego powodu około 2012r. raczej nie będzie to sposób
powszechnie stosowany, lecz znaczny wzrost liczby użytkowników GNSS prawdopodobnie zmieni sytuację 8 – 10 lat
później.
60
Projekt Foresight
czas i częstotliwość zgodnie z definicją sekundy
Kolejnym
istotnym
problemem
jest
przyjętą w Międzynarodowym Układzie
przekazywanie
użytkownikowi
Jednostek (SI), umożliwiając synchronizację
informacji
o
wiarygodności
w skali ogólnoświatowej. Większość z nas nie
otrzymywanego
przezeń
sygnału
zdaje sobie sprawy, w jak wielu dziedzinach
nawigacyjnego,
a
w
konsekwencji
znajdą zastosowanie certyfikowane (a
wyznaczonej pozycji. Aktualnie funkcję tę
więc wiarygodne) i precyzyjne sygnały
spełniają satelitarne systemy wspomagania
czasu i częstotliwości, a są to między
(EGNOS, WAAS, MSAS), jednakże około
innymi: datowanie operacji bankowych i
roku 2020 informacje takie będą zawarte w
transakcji handlowych, telekomunikacja, sieci
„podstawowych” sygnałach GNSS (L5 w GPS,
dystrybucji energii elektrycznej, emisja radiowa
L3 w Glonass, serwisy komercyjne Galileo).
i telewizyjna, synchronizacja komputerów,
Co więcej, w okresie około 2012 – 2016
badania w przestrzeni kosmicznej, datowanie
będzie trwać proces certyfikowania
pomiarów w automatycznych przyrządach
sygnałów GNSS dla zastosowań w
pomiarowych
(sondach,
pływomierzach,
nawigacji morskiej i lotnictwie. Zarówno
sejsmometrach, bojach itd.) i inne.
Międzynarodowa Organizacja Morska (IMO),
Stały, powszechny dostęp do sygnałów
jak i Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa
nawigacyjnych umożliwiających określenie
Cywilnego (ICAO) stawiają przed systemami
nawigacyjnymi szereg wymagań
pozycji obiektu z dokładnością do kilku
dotyczących ich dokładności,
Minimalne wymagania nawigacyjne w funkcji faz żeglugi IMO Resolution
wiarygodności, dostępności i
A.915(22), 29 listopada 2001
pewności działania – aplikacje
Poziom parametrów systemu
Poziom parametrów systemu
w tych dziedzinach wiążą się
Dokładbowiem z bezpieczeństwem
Wiarygodność
ność abDostępFaza
solutna
Ciągłość
ludzkiego życia. W tabeli
ność
nawigacji
[%/3
Strefa
Ryzyko
Błąd
[%/30
poniżej
przedstawiono
morskiej
Limit dla Czas do
godz.]
działania
wiarygodhoryzondni]
alarmu
alarmu
minimalne wymagania IMO;
talny
ności
[m]
[s]
[m]
[ 3 godz.]
parametry oczekiwane przez
ICAO są jeszcze ostrzejsze.
99.8
99.97
Globalna
Oceaniczna
10
25
10
10
Z tego też powodu proces
weryfikowania
każdego
99.8
99.97
Globalna
Przybrzeżna
10
25
10
10
systemu nawigacyjnego jest
Podejście do
długi i może trwać nawet 2 – 3
portu /
RegionAkweny
10
25
10
10
99.8
99.97
lata. Przewiduje się, że około
alna
ograniczone
2020 roku systemy GNSS będą
podstawą nawigacji w żegludze
1
25
10
10
99.8
99.97
Lokalna
Port
i lotnictwie, co umożliwi lepsze
RegionWody
zarządzanie ruchem i jego
10
25
10
10
99.8
99.97
alna
śródlądowe
automatyzację,
a
zarazem
spowoduję redukcję naziemnych
systemów nawigacyjnych i ich
metrów z wykorzystaniem tylko darmowych
infrastruktury4.
serwisów GPS, Glonass i Galileo (usługi o
Proces certyfikowania nie dotyczy jedynie
podwyższonej dokładności będą płatne)
dokładności wyznaczania pozycji, lecz także
przyczyni się do ogromnego wzrostu liczby
skali czasu. Systemy GNSS umożliwiają łatwe i
aplikacji GNSS w wielu sektorach
dokładne przesyłanie sygnałów Uniwersalnego
– transporcie i komunikacji, energetyce,
Czasu Koordynowanego (UTC). Podają one
bankowości i ubezpieczeniach, geodezji,
rolnictwie, badaniach naukowych, turystyce i
-5
-5
-5
-5
-5
4 Na małych lotniskach lokalne systemy nawigacyjne mogą zupełnie zaniknąć, lecz na dużych, o intensywnym ruchu
prawdopodobnie pozostaną ze względów bezpieczeństwa.
61
Projekt Foresight
innych. Produkowane odbiorniki będą miały
coraz mniejsze rozmiary, a zarazem coraz
lepsze zdolności do odbioru i przetwarzania
nawet gorszej jakości lub zakłóconego
sygnału. Co więcej, odbiorniki GNSS będą
znajdować się we wszelkiego rodzaju
urządzeniach elektronicznych codziennego
użytku, takich jak telefony komputerowe,
palmtopy, aparaty fotograficzne, komputery
przenośne czy zegarki; zwiększy się także
liczba urządzeń montowanych fabrycznie w
samochodach czy na jachtach. Szczególne
znaczenie ma obserwowana już dziś
integracja
odbiorników
nawigacji
satelitarnej z telefonami komórkowymi
oraz innymi środkami komunikacji,
dzięki temu usługi lokalizacyjne oraz
wspieranie mobilności stanowią największy
rynek masowy dla nawigacji satelitarnej.
Perspektywa dostarczania użytkownikom
danych dostosowanych do ich osobistych
potrzeb otwiera zupełnie nowe możliwości dla
operatorów i usługodawców z branży telefonii
komórkowej: klienci mogą uzyskać określone
informacje związane ze swoim położeniem,
takie jak adres najbliższego szpitala, najlepsza
droga do stacji benzynowej czy lokalizacja
najbliższej restauracji. Oczywiście czynnikiem
warunkującym rozwój tego rynku będzie
także dostęp do szczegółowych map
cyfrowych, powiązanych z systemami
informacji geoprzestrzennej.
Dokładność pozioma w metrach, odbiornik jednoczęstotliwościowy
Źródło: GJU
62
Projekt Foresight
Prognozy rynkowe – kilka liczb
Globalny roczny obrót w sektorze produktów
i usług nawigacji satelitarnej
Źródło: GJU
Rozwój technologii nawigacji satelitarnej ma
wpływ na wszystkie sektory nowoczesnych
gospodarek. Rynek produktów i usług
rośnie w tempie 25 % rocznie, w roku 2005
przychody firm wyniosły 21,8 mld USD. .
Do 2020 r. w użyciu powinno być około 3
miliardów odbiorników nawigacji satelitarnej,
a wartość rynku produktów i usług sięgnie
275 miliardów euro, zapewniając 100 000
miejsc pracy. Sama wartość usług opartych
na nawigacji satelitarnej w roku 2020 może
wynieść 178 mld euro.
Jak już wspomniano, szczególnie obiecujący
rynek stanowi telefonia komórkowa , mająca
ponad 2 miliardy abonentów. Co roku
sprzedawane jest pół miliarda urządzeń, a
w perspektywie do 2020 r. będzie to miliard
urządzeń rocznie, co umożliwi szybką
penetrację rynku przez usługi opierające się
na pozycjonowaniu satelitarnym.
W przypadku urządzeń do nawigacji
samochodowej prognozuje się sprzedaż 50
milionów sztuk do 2020 r.
Technologia satelitarna stanowi oczywisty
wybór w przypadku żeglugi morskiej
i śródlądowej. Potwierdza to zarówno
obecna wielkość sprzedaży odbiorników do
zastosowania w transporcie morskim (ponad
1 mld euro), jak i wprowadzanie odpowiednich
aktów prawnych. To samo odnosi się do
lotnictwa, gdzie potrzebny jest niezawodny
środek, który zwiększy przepustowość
systemu umożliwiając przewożenie milionów
obywateli. Te obszary zastosowań GNSS
omówione są bardziej szczegółowo w dalszej
części opracowania.
5 Dane statystyczne na podstawie „Zielonej Księgi w sprawie zastosowań nawigacji satelitarnej”, opublikowanej przez
Komisję Europejską 8 grudnia 2006r.
6 Warto wspomnieć, że lokalizacja użytkowników za pomocą tylko sygnału telefonu komórkowego mogłaby być
uzupełnieniem, a nawet alternatywą dla systemów nawigacji satelitarnej. Wprawdzie dokładność takich pomiarów
zależy od gęstości sieci nadajników GSM w danym rejonie i jak dotychczas mierzona jest raczej w kilometrach niż w
metrach, jednakże przy pewnych inwestycjach w nowe rozwiązania technologiczne i poprawę parametrów samego
sygnału GSM można by osiągnąć dokładności porównywalne z GNSS. Niewątpliwą zaletą takiego systemy byłaby
możliwość tzw. indoor navigation, czyli nawigacji wewnątrz budynków, w metrze czy w tunelach – tam, gdzie nie są
widoczne satelity, a gdzie dociera sygnał GSM. Być może w dalszej perspektywie podjęte będą działania zmierzające
w tym kierunku.
63
GPS, Glonass, Galileo
EGNOS, WAAS, MSAS, QZSS, GAGAN
Jedno- lub dwusystemowe
Transport lądowy – monitorowanie pojazdów,
zarządzanie flotą w firmach logistycznych i
transportowych, monitorowanie przewozu ładunków
niebezpiecznych, monitorowanie transportu zwierząt,
rozwój systemów inteligentnego transportu (gł. w
metropoliach), rozwój systemów pobierania opłat
drogowych (rola regulacji UE), rozwój systemów
sterowania ruchem w kolejnictwie.
Lotnictwo – proces certyfikowania GNSS przez ICAO,
stosowanie GNSS jako systemu wspomagającego we
wszystkich fazach lotu, intensywny rozwój transportu
lotniczego.
Nawigacja morska – proces certyfikowania systemów
GNSS przez IMO, stosowanie GNSS w portach, do
kontroli rybołówstwa i monitoringu zanieczyszczeń,
stosowanie GNSS w nawigacji śródlądowej, system
monitorowania ruchu statków w strefie przybrzeżnej
UE (rola regulacji UE), rozwój tzw. e-nawigacji,
wykorzystywanie GNSS w operacjach ratowniczych
na morzu.
Bezpieczeństwo i zarządzanie kryzysowe – systemy
GNSS jako standardowy element wyposażenia
jednostek
reagowania
kryzysowego
różnego
szczebla, dostęp do baz danych GIS, coraz krótszy
czas aktualizacji informacji.
Odbiorcy indywidualni – coraz większa dostępność
cenowa, a więc i popularność odbiorników GNSS, ich
integrowanie z innymi urządzeniami elektronicznymi i
standardowy montaż w telefonach komórkowych.
Inne dziedziny – geodezja, sektor energetyczny,
monitorowanie i ochrona środowiska, badania
naukowe, rolnictwo, ubezpieczenia, bankowość…
Jednosystemowe
Transport lądowy – monitorowanie pojazdów,
zarządzanie flotą w firmach logistycznych i
transportowych, początki systemów inteligentnego
transportu (gł. w metropoliach), testy systemów
pobierania opłat drogowych, testy systemów
Lotnictwo – systemy satelitarne powszechnie stosowane
jako wspomagające nawigację, nie spełniają norm
ICAO (Światowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego)
dla systemów głównych, start, a zwłaszcza lądowanie
przy wykorzystaniu systemów lokalnych.
Nawigacja morska – systemy satelitarne są coraz
powszechniej wykorzystywane, ale nie spełniają norm
IMO (Światowej Organizacji Morskiej); konieczność
stosowania systemów wspomagających
Bezpieczeństwo i zarządzanie kryzysowe – coraz
powszechniejsze stosowanie odbiorników GPS,
integrowanie łączności i nawigacji satelitarnej, dostęp
do baz danych GIS.
Odbiorcy indywidualni – zamożni i średniozamożni,
odbiorniki montowane w niektórych samochodach
wyższej klasy, droższych palmtopach i telefonach
komórkowych – dodatkowe koszty, aplikacje oparte
na systemach informacji geoprzestrzennej.
Inne dziedziny – badania naukowe, geodezja,
sektor energetyczny, początki stosowania nawigacji
satelitarnej w systemach monitorowania i ochrony
środowiska, rolnictwie (np. kontrola systemu IACS
w UE), ubezpieczeniach, bankowości (precyzyjne
pomiary czasu).
Odbiorniki
Usługi
i
zastosowania
(wybrane
dziedziny)
Jutro (2012)
D o s t ę p n e GPS, częściowo Glonass
EGNOS, WAAS, MSAS
systemy:
Nawigacji
Dziś (2006)
Transport lądowy – powszechne monitorowanie
pojazdów, zarządzanie flotą w firmach logistycznych
i transportowych, monitorowanie przewozu
ładunków
niebezpiecznych,
monitorowanie
transportu zwierząt, systemy inteligentnego
transportu w metropoliach i większych miastach,
systemy pobierania opłat drogowych, systemy
Lotnictwo – systemy GNSS z certyfikacją ICAO
jako podstawowego systemu nawigacji, systemy
konwencjonalne jako zapasowe, GNSS stosowany
we wszystkich fazach lotu, co ułatwi zarządzanie
ruchem przy jego znacznej intensyfikacji.
Nawigacja morska – systemy GNSS z certyfikacją
IMO, stosowane powszechnie w żegludze
śródlądowej, w portach, żegludze przybrzeżnej
i na pełnym morzu, do kontroli ruchu statków i
operacji ratowniczych.
Bezpieczeństwo
i
zarządzanie
kryzysowe
–
zintegrowane
systemy
pozycjonowania,
łączności i obserwacji satelitarnej z dostępem
do baz danych informacji geoprzestrzennej w
czasie rzeczywistym zarówno dla potrzeb sztabu
kryzysowego, jak i jednostek w terenie.
Odbiorcy indywidualni – odbiorniki montowane
standardowo w samochodach i palmtopach,
wielofunkcyjne aplikacje oparte na systemach
GIS w telefonach komórkowych jako element
normalnego wyposażenia wliczony w abonament
i dostępny cenowo dla wszystkich użytkowników,
możliwość integracji odbiorników GNSS z innymi
urządzeniami elektronicznymi.
Inne dziedziny – GNSS jako standardowe
narzędzie w geodezji, sektorze energetycznym,
ochronie środowiska, rolnictwie, ubezpieczeniach,
bankowości…
Dwu- lub trójsystemowe
GPS, Glonass, Galileo
EGNOS zintegrowany z Galileo, WAAS, MSAS,
QZSS, GAGAN, być może Beidou i/lub Compass
Pojutrze (2020)
Przeszkody
i zagrożenia
Tylko jeden system – możliwość zakłócenia lub
wyłączenia sygnału, ograniczona dostępność sygnału
(np. w tzw. kanionach miejskich), ryzyko błędów
w pozycjonowaniu, brak informacji o możliwych
niedokładnościach
lub
informacja
opóźniona,
korzystanie z systemu oznacza dodatkowe koszty
(zakup sprzętu i oprogramowania), niedokładne mapy
cyfrowe i/lub ich brak co do niektórych obszarów,
problem aktualizacji danych na mapach i w systemach
GIS, problem ochrony praw własności intelektualnej a
rozwoju nowych aplikacji.
Kilka systemów nawigacji – ciągłość sygnału,
mniejsze ryzyko zakłóceń, informacja o błędach
w pozycjonowaniu przekazywana do użytkownika
z niewielkim opóźnieniem, dostępność sygnału
nawet w „trudnych” obszarach, poprawa jakości i
dokładności map cyfrowych wszystkich terenów,
częstsza aktualizacja danych, lepszy dostęp do
różnych systemów GIS, nowe regulacje prawne
odnośnie ochrony własności intelektualnej.
Kilka systemów nawigacji – ciągłość sygnału,
ochrona przed zakłóceniami, prawie 100 %
dostępności sygnału nawet w „trudnych”
obszarach,
gwarancja
wiarygodności
pozycjonowania i/lub informacja o błędach w czasie
niemal rzeczywistym, dostęp do zintegrowanych
systemów GIS, dokładne i aktualne mapy cyfrowe
wszystkich obszarów.
Projekt Foresight
4. Globalne systemy nawigacji
satelitarnej i ich ewolucja
4.1
GPS
Jedyny
istniejący
obecnie
w
pełni
operacyjny system nawigacji satelitarnej
to Navstar GPS (Navigation System with
Time And Ranging Global Positioning
System), stworzony i kontrolowany przez
amerykański Departamentu Obrony. Decyzję
o jego budowie podjęto w 1973r. Wdrożenie
tego systemu zautomatyzowało procesy
pomiarowe, obliczeniowe i kartometryczne
oraz przyspieszyło i podniosło dokładność
uzyskiwania
współrzędnych
punktów.
Pierwotnie system był wykorzystywany
jedynie na potrzeby armii amerykańskiej,
jednakże w 1993r., wraz z oficjalnym
ogłoszeniem wstępnej zdolności operacyjnej
systemu (Initial Operational Capability) USA
zadeklarowały
bezpłatne
udostępnienie
sygnału GPS użytkownikom cywilnym . Pełną
zdolność operacyjną GPS osiągnął w 1995r.
W maju 2000 zaprzestano wprowadzania
niedokładności do sygnałów cywilnych (tzw.
„selective availability”), co znacznie poprawiło
uzyskiwane parametry . Nie istnieje jednak
żadne prawnomiędzynarodowe zobowiązanie
USA ograniczające w razie potrzeby
możliwość ponownego zmniejszenia precyzji
lub nawet wyłączenia sygnałów dostępnych
dla użytkowników cywilnych .
Segment kosmiczny GPS obejmuje konstelację
24 satelitów poruszających się po 6 niemalże
kołowych,
półsynchronicznych
orbitach
nachylonych do równika pod kątem 55°,
równomiernie rozmieszczonych względem
kuli ziemskiej. Satelity umieszczone są po
cztery na każdej orbicie, na wysokości 20200
km nad powierzchnią Ziemi. Okres obiegu
globu ziemskiego wynosi 12 godzin, a czas
znajdowania się satelity ponad horyzontem
5 godzin. Dobranie takich parametrów
zapewniło symetryczne rozmieszczenie ponad
horyzontem miejsca obserwacji (w zasięgu
bezpośredniej łączności radiowej) co najmniej
czterech satelitów względem każdego punktu
na Ziemi o dowolnej porze. Na orbitach
umieszczono też cztery aktywne satelity
rezerwowe mające na celu uzupełnienie
“dziurawych” miejsc w konstelacji.
Każdy z satelitów nadaje wysoko-stabilne
częstotliwości pomiarowe (dwie fale nośne
o częstotliwościach L1 = 1575,42 MHz i L2
= 1227,60 MHz), transmituje sygnały czasu
zegara własnego oraz retransmituje informacje
efemerydalne dotyczące położenia satelity
w przestrzeni. Dodatkowo wszystkie satelity
mają własne charakterystyczne sygnały,
Źródło: ESA
7 Istnieją dwie „wersje” systemu GPS: dostępny tylko dla zastosowań militarnych PPS (Precise Positioning System) o
wysokiej dokładności i SPS (Standard Positioning System) dla użytkowników cywilnych, o gorszych parametrach.
8 Do maja 2000 r. system SPS podawał pozycję z dokładnością (w 95 % przypadków) do 100 metrów - w praktyce
było to 20-40 metrów - w przypadku pomiarów w dwóch wymiarach. Dla pomiarów w trzech wymiarach dokładność
wynosiła 160 metrów. Pomiar czasu miał dokładność 340 nanosekund. Dla systemu PPS te wartości wynosiły
odpowiednio: 10 metrów, 30 metrów i 100 nanosekund (dane oficjalne).
9 Odbiorniki cywilne są ponadto wyposażane w zabezpieczenia uniemożliwiające zastosowanie ich w niektórych
dziedzinach (zwłaszcza do kierowania bronią precyzyjną), np. przestają działać po przekroczeniu pewnej prędkości
– starsze odbiorniki 160 km/h, nowsze rzędu 1665 km/h.
66
Projekt Foresight
które pozwalają na ich pełną identyfikację
przez odbiornik.
Jak już wspomniano, cywilny sygnał GPS
znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach,
między innymi w: nawigacji morskiej, lądowej
i powietrznej, w pomiarach geodezyjnych,
pracach doświadczalnych i dla szeroko
pojmowanych celów rekreacyjnych. Wobec
uzyskiwania przez przemysł amerykański
znacznych dochodów z produkcji odbiorników
i rozwoju aplikacji oraz w obliczu pojawiającej
się konkurencji ze strony systemów Glonass
i Galileo Stany Zjednoczone podjęły decyzję
o modernizacji GPS w sposób umożliwiający
zaspokajanie
potrzeb
użytkowników
cywilnych.
Celem
jest
zwiększenie
dokładności, wiarygodności, dostępności,
niezawodności i odporności systemu na
zakłócenia oraz zredukowanie złożoności
systemów wspomagania GPS.
W zakres docelowych działań rozwoju GPS
wchodzą:
a)
zapewnianie usług dla użytkowników
GPS zarówno cywilnych jak i wojskowych;
b)
ograniczenie wymagań GPS III jedynie
do celów operacyjnych;
c)
zapewnienie elastyczności, która może
pozwolić na przyszłe zmiany, aby spełnić
wymagania użytkowników do roku 2030;
d)
zapewnienie
potencjału
dla
wzrastających wymagań na precyzyjne
określanie pozycji i czasu jako usługi
międzynarodowej.
Niektóre planowane usprawnienia obejmują:
dodanie nowego sygnału na częstotliwości
L2 dla użytkowników cywilnych, dodanie
trzeciego cywilnego sygnału L5, ochronę
i dostępność jednego z dwóch nowych
sygnałów dla usługi bezpieczeństwa lotów
(lokalizacja ARNS). Zmiany te poprawioną
strukturę sygnału i
Dziś (2006)
Jutro (2012)
Liczba
satelitów na
orbicie
30 (16 satelitów Block
II/IIA, 12 satelitów
Block II-R, 2 satelity
Block 2R-M – z drugim
sygnałem cywilnym
L2C)
Częściowa wymiana
Co najmniej 28
satelitów na Block 2R-M satelitów nowej
(min.24)
generacji GPS III
Sygnał
cywilny
L1, L2
L1, L2C, początki L5
L1, L2C, L5, L1C
Dokładność
Pozioma: 10 – 20 m
Pionowa: 15 – 30 m
Pozioma: 5 – 10 m,
Pionowa 8 – 15 m
Pozioma: 0,5 – 1 m
Pionowa: 1,5 – 2 m
Dostępność
Brak gwarancji, słaba w 99,5 %
pobliżu równika
Wiarygodność Brak informacji
Pojutrze (2020)
99,5 %
Początki informacji
(sygnał L5)
Informacja o
wiarygodności w
sygnale L5
67
Projekt Foresight
jego moc. Chociaż sygnał L2 aktualnie nie
jest częścią standardowej usługi określania
pozycji (SPS) GPS, wielu użytkowników
cywilnych wykorzystuje nie kodowane lub
częściowo kodowane odbiorniki na podwójną
częstotliwość. W konsekwencji, rząd USA
uznał, że dostępność dwóch dodatkowych
C/A kodowanych sygnałów jest istotna dla
wielu krytycznych zastosowań GPS. Planuje
się, że sygnały te poprawią możliwości
GPS zabezpieczenia potrzeb użytkowników
cywilnych. Następny kodowany sygnał będzie
dodany na częstotliwości L2C (1 227,60 MHz)
na satelitach przewidzianych do wysłania
na orbitę od 2005 r. i w pełni dostępny w
2012r. Jego większa moc, odporność na
interferencje i możliwość wyznaczania
poprawki jonosferycznej sprawiają, że będzie
przeznaczony dla potrzeb komercyjnych.
Trzeci sygnał cywilny (L5), który może spełnić
wymagania zastosowań krytycznych ze
względu na bezpieczeństwo lotów w lotnictwie
cywilnym, będzie dodany na częstotliwości 1
176,45 MHz w okresie 2008 – 2015. Sygnał
L5 jest sygnałem bardziej odpornym na
zakłócenia - z poziomem mocy -154 dBW.
Czwarty sygnał cywilny L1C, projektowany
dla uzyskania pełnej kompatybilności z innymi
systemami GNSS, ma być wprowadzany po
2013r.
Trójsystemowy odbiornik sygnałów czasu TTS 3
skonstruowany w CBK PAN
W roku 2020 będzie w pełni funkcjonować
nowa
generacja
satelitów
GPS
III,
zapewniająca znacznie zwiększoną moc i
różnorodność sygnału, co ma umożliwić
spełnienie wymagań użytkowników cywilnych
i wojskowych przewidzianych na następne 30
lat.
Źródło: CBK PAN
68
Projekt Foresight
4.2
Glonass
Rosyjskim odpowiednikiem GPS jest system
Glonass, który rozpoczął działalność w 1993
r. z konstelacją 12 satelitów. Zaprojektowany
głównie do celów wojskowych Glonass był w
pełni operacyjny w 1995 r. z konstelacją 24
satelitów, jednakże później ich liczba zaczęła
spadać. Równocześnie Glonass jest dostępny
dla użytkowników cywilnych - sygnał L1 ze
standardową dokładnością i bez ograniczeń
dostępu. W 1995 r. rząd rosyjski zobowiązał
się do zapewnienia wolnego dostępu do
Glonassa przez 10 lat.
Uznając znaczenie nawigacji satelitarnej
rząd rosyjski przyjął 20 sierpnia 2001 r.
długoterminowy
program
utrzymania,
modernizacji i zastosowania systemu Glonass,
zapewniający rozwój sprzętu użytkownika
i produkcję seryjną. Ostatecznym celem
programu jest w pełni operacyjny system
globalny z parametrami zapewniającymi
szerokie wykorzystanie Glonassa na rosyjskim
i światowym rynku nawigacji satelitarnej.
Etapy rozwoju
systemu Glonass
segmentu
kosmicznego
1.
Utrzymanie
systemu
poprzez
wystrzelenie satelitów Glonass aktualnej
generacji; nawet ograniczona konstelacja
zapewnia
użytkownikom
cywilnym
standardowe usługi. Mogą nastąpić przerwy
do 3 - 4 godzin. W chwili obecnej na orbicie
znajduje się 16 satelitów (13 Glonass, 3
Glonass – M).
2.
Od 2005 roku planowane jest stosowanie
satelitów Glonass - M o przedłużonym
czasie życia (do 7 lat) i poprawionych
parametrach technicznych (pierwszy wysłany
na orbitę w 2003 r.). Do satelitów GLONASSM
wprowadzono
następujące
funkcje
dodatkowe:
a) nowy sygnał cywilny w paśmie L2,
poprawiającego dokładność nawigacji i
niezawodność oraz zwiększenie odporności
na zakłócenia odbiornika dla zastosowań
cywilnych;
b) łącza radiowe pomiędzy satelitami
GLONASS-M w celu wykonywania kontroli
integralności systemu na bieżąco i zwiększenie
czasu autonomicznego operowania konstelacji
satelitów bez utraty dokładności nawigacji.
Dokładność pomiaru powinna być mniejsza
niż 30 m (w 95 %). W tym etapie będzie także
przeprowadzona modernizacja segmentu
kontroli naziemnej oraz wprowadzony system
monitorowania wiarygodności.
3. Po 2008 roku na orbicie będzie umieszczana
nowa generacja satelitów GLONASS-K z lepszą
dokładnością i czasem działania większym
niż 10 lat, które będą nadawały sygnały o
standardowej dokładności dla użytkowników
cywilnych na trzech częstotliwościach: L1, L2
i L3.
69
Projekt Foresight
Sygnał GLONASS-K L3 będzie miał podział
kanałów na częstotliwości i zajmował 22 MHz
pasma w zakresie 1 164 MHz - 1 215 MHz.
Wykorzystanie sygnału L3 łącznie z innymi
sygnałami dokładności poprawi stabilność i
niezawodność sygnałów nawigacji. Następna
wersja GLONASS-K będzie miała także
możliwość odbioru i retransmisji sygnałów
zagrożenia, co umożliwi uruchomienie usługi
“search and rescue”. Dokładność pomiaru ma
wynosić 5 - 7 m (w 95 %). Planowana jest
dalsza modernizacja systemu naziemnego w
celu zwiększenia dokładności i wiarygodności
pozycjonowania.
Federalny
program
Glonass
zakłada
umieszczenie na orbicie 18 satelitów
niezbędnych do zapewnienia globalnego
zasięgu systemu do 2007 roku, a następnie
rozbudowę konstelacji do 24 satelitów w
2011-12 roku.
Dziś (2006)
16 (13 Glonass, 3
Liczba satelitów na
Glonass – M), 13
orbicie
operacyjnych
L1, L2 z satelitów
Glonass – M
Sygnał cywilny
Dokładność
Dostępność
Wiarygodność
Jutro (2012)
Pojutrze (2020)
24 (Glonass – M i
Glonass – K)
24 Glonass – K,
prawdopodobnie kilka
nowej generacji
L1, L2, L3
L1, L2, L3
Pozioma: 60 m,
pionowa: 75 m
Pozioma: poniżej 30
m
Pozioma: 5 – 7 m
Możliwe przerwy
nawet do 3 – 4
godzin
99,5 %
99,5 %
Brak informacji
Informacja o
wiarygodności w
trzecim sygnale
(początki)
Informacja o
wiarygodności w
trzecim sygnale
70
Projekt Foresight
4.3
Galileo
Trzeci,
powstający
dopiero
globalny
system nawigacji satelitarnej to Galileo
- wspólna inicjatywa Unii Europejskiej i
Europejskiej Agencji Kosmicznej. Galileo jest
największym projektem opartym na budowie i
wykorzystywaniu infrastruktury kosmicznej w
dotychczasowej historii Unii, którego budowę
uznano za strategiczny projekt Wspólnoty
ze względu na jego potencjał ekonomiczny,
naukowy i społeczny. Program ten to jeden z
głównych elementów dynamicznie rozwijającej
się Europejskiej polityki kosmicznej i
tworzonego przez wspólnie przez UE i ESA
Europejskiego programu kosmicznego.
Należy podkreślić, że w odróżnieniu od GPS
i Glonass, Galileo z założenia jest systemem
cywilnym
pozostającym
pod
kontrolą
międzynarodową. Warto poświęcić kilka
zdań specyfice sposobu jego powstawania,
ponieważ niestety przekłada się ona na pewne
opóźnienia w realizacji projektu. Wynika to
zarówno z konieczności pogodzenia interesów
wielu krajów (czego przykładem są dyskusje
o ewentualnych militarnych zastosowaniach
Galileo), jak i interesów sektora publicznego
i prywatnego.
W ramach współpracy UE – ESA Komisja
Europejska odpowiedzialna jest za polityczną
stronę projektu, architekturę systemu,
korzyści ekonomiczne oraz zaspakajanie
potrzeb użytkowników. Europejska Agencja
Kosmiczna odpowiada zaś za techniczną stronę
projektu, tzn. definiowanie i rozwój systemu,
sprawdzanie poprawności działania satelitów
na orbitach jak również kontrolowanie pracy
elementów naziemnych.
Mimo, że odpowiedzialność za tworzenie
Galileo spoczywa głównie na Unii Europejskiej
i ESA, w późniejszej fazie nadzór nad rozwojem
technicznym i operacyjnym systemu zostanie
przekazany w ręce prywatne na zasadzie
partnerstwa publiczno - prywatnego. Polega
ono na tym, że za realizację pierwszych
faz tworzenia systemu odpowiada sektor
publiczny, natomiast faza wdrażania satelitów,
a następnie utrzymanie systemu będzie
już spoczywać w rękach koncesjonariusza.
Będzie on na zasadach komercyjnych
zarządzał systemem znajdując się jednak pod
stałym nadzorem międzynarodowego ciała
kontrolnego - Supervisory Authority.
Postępowanie konkursowe o przyznanie
dwudziestoletniej koncesji na zarządzanie
systemem Galileo zainicjowano w październiku
2003 roku. Rozmowy z dwoma kandydatami
rozpoczęły się w kwietniu 2004r., a rok
później powstało połączone konsorcjum.
Negocjacje kontraktu na koncesję w oparciu
o wspólną ofertę mają się zakończyć w 2007
roku. Rozmowy te powinny doprowadzić do
precyzyjnego zdefiniowania podziału ról i
zakresu obowiązków i odpowiedzialności
koncesjonariusza i strony publicznej, zwłaszcza
w kwestiach finansowych i zarządzania
ryzykiem (mechanizmy gwarancji).
W chwili obecnej na orbicie znajduje się tylko
jeden eksperymentalny satelita GIOVE – A,
wystrzelony 28 grudnia 2005r., i trwa proces
budowy infrastruktury naziemnej.
Zakłada się, że system Galileo będzie w
pełni operacyjny w 2012 roku. Wokół Ziemi
będzie krążyć 30 satelitów, rozmieszczonych
równomiernie na trzech kołowych orbitach
średnich (Medium Earth Orbit - MEO),
nachylonych pod kątem 56o względem
płaszczyzny
równika.
27
satelitów
operacyjnych (rozmieszczonych co 40o) wraz
z 3 (po jednym na każdej orbicie) aktywnymi
satelitami zapasowymi będzie poruszać się
na wysokości 23 616 km nad powierzchnią
Ziemi, okrążając nasz glob w ciągu 14 godzin
i 21 minut. Dzięki takiemu rozmieszczeniu
satelitów (większy promień orbity niż w
przypadku GPS), system zapewni dobrą
jakość sygnału pomiarowego nawet na 75°
szerokości geograficznej. Duża liczba satelitów
znajdujących się na orbitach wpłynie także
bardzo korzystnie na jakość jego działania.
Utrata jednego z nich nie powinna nawet
zakłócić funkcjonowania całego systemu.
Galileo będzie wykorzystywał kilka sygnałów
nośnych transmitowanych w dół (w kierunku
kosmos-Ziemia), które mogą mieć charakter
mieszany:
71
Projekt Foresight
– pasmo E2: sygnał wąskopasmowy
ogólnodostępny w paśmie L-1: od 1,559 do
1,563 MHz;
– pasmo E1: sygnał wąskopasmowy
ogólnodostępny w paśmie L-1: od 1,587 do
1,591 MHz;
– pasmo E6 (zastrzeżone): od 1,260 do 1,300
MHz;
– pasmo E5 w zakresie od 1,164 do 1,215 MHz
(pierwsza połowa pasma współużytkowana z
systemem GPS).
Niektóre częstotliwości nośne przenoszą
kody pseudolosowe służące do pomiaru
czasu propagacji oraz sygnały nawigacyjne,
a inne wyłącznie kod. Niektóre sygnały są
szyfrowane.
Zastosowanie
dwóch
równoległych
częstotliwości nośnych umożliwia korekcję
błędów w transmisji spowodowanych przez
opóźnienie jonosferyczne.
Chociaż wyraźnie niezależny, Galileo będzie
kompatybilny i interoperacyjny z GPS. Część
z jego sygnałów, które będą nadawane w
pasmach 1 559 - 1 610 MHz i 1 164 - 1 215
MHz jest przeznaczonych do łatwego użycia
przez połączone odbiorniki GPS i Galileo.
Dziś (2006)
Liczba satelitów na 1 testowy
orbicie
Sygnał cywilny
Testowy
Brak
Dokładność
Dostępność
Wiarygodność
Brak
Brak
Jutro (2012)
Pojutrze (2020)
30 (27 operacyjnych,
3 zapasowe)
L1, E5, E6
Pozioma – 15 m w
serwisie otwartym
(jedna częstotliwość
sygnału), 4 m
w serwisach
komercyjnych (dwie
częstotliwości)
Pionowa – 35 m, 8 m
99,5 %
Brak gwarancji,
tylko w serwisach
certyfikowanych
informacja o
możliwych błędach w
ciągu 6 sekund
30 (27 operacyjnych,
3 zapasowe)
L1, E5, E6
Pozioma – 15 m w
serwisie otwartym
(jedna częstotliwość
sygnału), 4 m
w serwisach
komercyjnych (dwie
częstotliwości)
Pionowa – 35 m, 8 m
99,5 %
Możliwość gwarancji
w serwisach
komercyjnych
72
Projekt Foresight
5.
Systemy wspomagające
Oferowana obecnie przez system GPS
dokładność pomiarów rzędu kilkunastu
metrów
okazała
się
niewystarczająca
dla wielu aplikacji komercyjnych oraz w
sytuacjach, gdy niezbędna jest precyzyjna
lokalizacja obiektów, np. w lotnictwie czy w
portach morskich. Typowe błędy w pomiarach
nawigacji satelitarnej to:
�
opóźnienie jonosferyczne - zaburzenia
w prędkości rozchodzenia się sygnałów z
satelitów w jonosferze (błąd około 7 m),
�
opóźnienie troposferyczne - analogiczne
zjawisko w troposferze wywołane zmianami
wilgotności, temperatury i ciśnienia powietrza
(błąd ± 0.5 m),
�
błąd efemeryd - różnice między
teoretyczną a rzeczywistą pozycją satelitów
(± 2.5 m),
�
niedokładności zegara satelitów (± 2
m),
�
odbiór
sygnałów
odbitych,
docierających do odbiornika innymi drogami
niż bezpośrednio od satelity (± 1 m),
�
błędy odbiornika - szumy zakłócające
transmisję,
niedokładności
procedur
obliczeniowych w oprogramowaniu (± 1 m).
Aby zwiększyć dokładność, dostępność,
ciągłość i wiarygodność działania globalnych
systemów nawigacyjnych stworzono kilka
systemów wspomagających, umożliwiających
obliczanie i przesyłanie różnicowych danych
korekcyjnych, zarówno o zasięgu lokalnym
(DGPS), jak i regionalnym (WAAS, EGNOS,
MSAS). Warto podkreślić, że z założenia
systemy te nie działają samodzielnie, lecz
jako uzupełnienie GPS, a w przyszłości także
Glonass i Galileo.
5.1
DGPS
DGPS (Differential Global Positioning System)
to technika pomiarów GPS pozwalająca
uzyskanie znacznie większej dokładności
niż przy standardowym pomiarze jednym
odbiornikiem – do ok. 1 – 2 metrów lub
jeszcze lepszej. W tym celu wykorzystuje
się stację naziemną o dokładnie znanych
współrzędnych (przynajmniej w zaokrągleniu
do 1 metra), uzyskanych za pomocą
dowolnej techniki geodezyjnej. Dla każdego
satelity wyniki rzeczywistych pomiarów
dokonywanych przez stację referencyjną są
porównywane z wartościami teoretycznymi
obliczanymi na podstawie współrzędnych
odniesienia i pozycji satelitów. Dzięki temu
można określić poprawki, jakie użytkownicy
znajdujący się w pobliżu (w odległości
kilkuset km) powinni wprowadzić do swoich
obliczeń, aby uzyskać dokładniejsze dane
dotyczące swojego położenia. Poprawki są
transmitowane do odbiorników użytkowników
(zwykle ruchomych) najczęściej w formacie
RTCM lub CMR, za pośrednictwem łączy VHF,
GPRS lub innych. Błędy eliminowane przez
pomiar DGPS to:
�
Błąd zegara satelity
�
Błąd efemeryd
�
Opóźnienie jonosferyczne
�
Opóźnienie troposferyczne
DGPS nie eliminuje natomiast szumu
własnego odbiornika i efektu wielotorowości
sygnału satelitarnego (multipath). Dodatkową
zaletą tego systemu jest możliwość jego
stosowania zarówno w czasie rzeczywistym,
jak i przez późniejsze przetworzenie danych.
Lokalne systemy DGPS są bardzo popularne
w regionach nadmorskich10 (nawigacja
przybrzeżna i portowa), także w Polsce.
5. 2 Systemy satelitarne SBAS (Satellite
Based Augmentation System)
Podobnie jak w przypadku globalnych
systemów nawigacyjnych, także satelitarne
systemy wspomagania mają zbliżoną strukturę
i sposób funkcjonowania, niezależnie od
„przynależności państwowej”. Tak jak system
DGPS opierają się na sieci
10 Systemy DGPS są szczególnie przydatne na wyższych szerokościach geograficznych (ok. 55 stopnia N i S), gdzie
mocno ograniczona jest widoczność satelitów geostacjonarnych stosowanych w systemach SBAS (zjawisko to
występuje nawet w Polsce przy korzystaniu z EGNOS). Ta ich zaleta sprawia, że - pomimo budowy nowych systemów
SBAS i poszerzania zasięgu już istniejących – przyszłość sieci DGPS w ciągu najbliższych kilkunastu lat jest raczej
zapewniona. Być może w dalszej perspektywie poprawa dokładności „głównych” systemów GNSS zmieni ten stan
rzeczy.
Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 73
Projekt Foresight
referencyjnych stacji naziemnych, jednakże
sygnały zawierające poprawki różnicowe i
informacje o wiarygodności sygnału GNSS są
transmitowane za pośrednictwem satelitów
geostacjonarnych. Główny obszar zastosowań
to lotnictwo. Obecnie istnieją trzy systemy
typu SBAS – amerykański WAAS, europejski
EGNOS i japoński MSAS – jednakże kilka innych
państw również deklaruje chęć budowy takich
systemów. Najbardziej zaawansowane są
prace nad indyjskim systemem GAGAN, który
powinien być w pełni operacyjny około 2014
roku. Kolejne kraje zainteresowane SBAS to
Chiny (plany systemu Beidou), Nigeria, Arabia
Saudyjska, Pakistan, Iran i Brazylia11.
5.2.1 EGNOS
European Geostationary Navigation Overlay
Service to „nakładka ulepszająca” na
amerykański GPS i rosyjski Glonass, stworzona
wspólnie przez Unię Europejską, Europejską
Agencję
Kosmiczną
oraz
Europejską
Organizację do spraw Bezpieczeństwa
Antena stacji EGNOS RIMS w Warszawie
Źródło: CBK PAN
Nawigacji
Powietrznej
EUROCONTROL.
Transmisja pierwszych sygnałów rozpoczęła
się w lutym 2000r. System EGNOS zaczął
funkcjonować w centrum Europy w 2004 r.
Rozpoczęły się wstępne próby obejmujące
testy w trakcie lotu i podejścia do lądowania.
Uzyskano dokładność określania pozycji
poniżej 5 metrów, zarówno poziomą, jak i
pionową.
Zasada działania systemu jest prosta - do
odbiorników GPS współpracujących z EGNOS
wysyłane są sygnały korekcyjne pochodzące
z satelitów geostacjonarnych znajdujących
się nad Europą. Sygnały te zawierają korekty
pozycji podawanych przez sieć GPS, co
kilkukrotnie zwiększa ich dokładność. Przede
wszystkim jednak, EGNOS weryfikuje dane
pochodzące z sieci GPS, sprawdzając, czy nie
doszło do awarii tych satelitów lub błędów
podczas transmisji. Dzięki temu, dane z sieci
GPS/EGNOS mogą być zastosowane tam,
gdzie ze względów bezpieczeństwa, muszą
być w pełni wiarygodne. Są to tzw. aplikacje
typu “Safety of Life”, np. precyzyjna nawigacja
samolotów, sterowanie ruchem pociągów czy
niektóre akcje ratunkowe.
EGNOS został zaprojektowany tak, aby
zapewnić nieprzerwaną ciągłość działania
przez najbliższych kilkanaście lat, wspomagać
działania systemów GPS i GLONASS, a
w przyszłości stać się także elementem
globalnego systemu nawigacji satelitarnej
Galileo. Jego architektura, której elementy
rozmieszczone są po całej Europie składa
się z czterech następujących segmentów:
kosmicznego (przestrzennego), naziemnego
(kontroli), użytkownika oraz infrastruktury
wspierającej.
Segment kosmiczny EGNOS’a składa się z
trzech satelitów geostacjonarnych: Inmartsat
III AOR-E (Atlantic Ocean Region – East
- 15,5°W) (PRN 120), Inmartsat III IOR-W
(Indian Ocean Region – West -25°E) (PRN
126) oraz ESA Artemis (Advanced Relay
Technology Mission - 21,5°E) (PRN 124), który
jest telekomunikacyjnym satelitą należącym
do Europejskiej Agencji Kosmicznej. Do
segmentu kosmicznego należy także
11 Kraje pragnące stworzyć własne systemy SBAS kierują się zarówno motywami ekonomicznymi, jak i polityczno
- prestiżowymi. Stosunkowo niewielkie nakłady finansowe (w porównaniu z kosztami całej konstelacji satelitów
nawigacyjnych) na infrastrukturę naziemną i 2 – 3 satelity geostacjonarne umożliwiają znaczną poprawę dokładności
pozycjonowania na najważniejszym dla danego państwa obszarze (nawet poniżej 3 m), zwiększając tym samym
wachlarz możliwych zastosowań. Przekazywanie przez własny system SBAS informacji o wiarygodności sygnału
GNSS do pewnego stopnia oznacza uniezależnienie się od „głównych” systemów – wprawdzie dany kraj nie może
zapobiec np. zakłóceniu sygnału GPS przez Stany Zjednoczone, ale jest w stanie takie zakłócenia natychmiast wykryć
i przynajmniej częściowo zniwelować.
74
Projekt Foresight
zaliczyć konstelacje satelitarnych systemów
nawigacyjnych GPS i GLONASS.
Zadaniem satelitów geostacjonarnych jest
transmitowanie za pomocą specjalnych
transponderów
pokładowych
sygnałów
zbliżonych swoją postacią do tych emitowanych
przez satelity GPS. Ich kodowanie jest
jednak tak dobrane, by pomimo tej samej
częstotliwości L1 współczynnik korelacji z
sygnałami systemu GPS był jak najmniejszy,
a tym samym powodował jak najmniejsze ich
degradacje. Przesyłane wiadomości zawierają
poprawki różnicowe ulepszające obserwacje
GPS i GLONASS zwiększając dokładność
ich pracy. Zawierają także dane dotyczące
wiarygodności ich działania, jak również
informują i alarmują użytkownika w ciągu
kilku sekund o pojawieniu się błędów oraz
wynikłych w czasie transmisji defektach.
Drugim komponentem architektury systemu
EGNOS jest segment naziemny, który składa
się z sieci 34 stacji referencyjnych RIMS
(Ranging and Integrity Monitoring Stations),
zespołu 4 stacji kontroli MCC (Mission Control
Centers) oraz grupy 6 stacji NLES (Navigation
Land Earth Stations). Dopełnieniem segmentu
kontroli jest sieć komunikacyjna EWAN (EGNOS
Wide Area Communications Network), która
odpowiada za łączność pomiędzy wszystkimi
elementami naziemnej części systemu.
Warto podkreślić, że Polska również jest
częścią systemu EGNOS – w Warszawie
znajduje się jedna z 34 stacji RIMS.
powietrznej, a jego wykorzystywanie już
spowodowało znaczną redukcję naziemnych
pomocniczych systemów nawigacyjnych na
lotniskach w Stanach Zjednoczonych.
5.2.3
MSAS
Pierwszy satelita japońskiego systemu MSAS
(Multifuncional Satellite-Based Augmentation
System) został wyniesiony na orbitę w
lutym 2005 roku, a kolejny rok później.
Aktualnie trwają testy systemu; w pomiarach
przeprowadzonych od 21 do 31 grudnia 2005
r. uzyskano dokładności poziome od 5,3 do
0,8 m przy dostępności sygnału 95 %.
Wspólnym kierunkiem ewolucji istniejących
systemów SBAS jest dążenie do poszerzania
ich zasięgu poprzez budowę nowych
stacji referencyjnych. Inna istotna cecha
systemów wspomagania satelitarnego to
ich kompatybilność. WAAS, EGNOS i MSAS
to systemy regionalne, jednakże na mocy
porozumienia MOPS (Minimum Operational
Performance Standards) transmitowane przez
nie informacje mają taką samą strukturę.
Dlatego też odbiorniki „rozumieją” zawartość
odbieranych sygnałów niezależnie od systemu,
który je emituje. Kooperacja ta powoduje
także znaczący wzrost terenowej dostępności
ich sygnałów, a w połączeniu z planowanymi
ulepszeniami
systemów
satelitarnych
umożliwi w przyszłości rzeczywisty, globalny
serwis nawigacji satelitarnej.
5.2.2 WAAS
Schemat zasięgu systemów SBAS
WAAS (Wide Area Augmentation System)
to system amerykański, obejmujący swoim
zasięgiem Amerykę Północną i Atlantyk.
Zasada jego działania jest taka sama jak
opisanego powyżej systemu EGNOS; również
jego struktura jest podobna – system składa
się z 25 naziemnych stacji referencyjnych
(nowe budowane są w Kanadzie i Meksyku), 5
centrów obliczeniowo-kontrolno-nadawczych
i 2 satelitów geosynchronicznych. GPS/
WAAS to podstawowy system nawigacyjny
stosowany w amerykańskiej przestrzeni
Źródło: www.nawigatornia.pl
75
Projekt Foresight
Człowiek od tysiącleci zwracał się w kierunku
gwiazd, poszukując odpowiedzi na pytania o
strukturę i historię wszechświata. Dynamiczny
rozwój technologii rakietowych po drugiej
wojnie światowej sprawił, że marzenia o
podboju i eksploracji kosmosu stały się
realne.
Motywacja działalności kosmicznej państw
zmieniała się na przestrzeni dekad. Można
wskazać co najmniej 4 grupy przyczyn
takiej aktywności, które w różnych okresach
odgrywały mniejszą lub większą rolę. Oprócz
odwiecznej ciekawości badawczej i chęci
poznania w początkowej historii eksploracji
dominowały czynniki polityczne i prestiżowe
– rywalizacja Stanów Zjednoczonych i
Związku Radzieckiego w okresie zimnej wojny.
Obecnie na plan pierwszy wysunęły się inne
względy: praktyczne korzyści uzyskiwane
dzięki wykorzystaniu technik satelitarnych
oraz
chęć
wspierania
innowacyjności
technologicznej.
Wiele
z
powszechnie
stosowanych dziś rozwiązań, np. komputery,
roboty, nowoczesne urządzenia elektroniczne
i telekomunikacyjne, powstało lub rozwinęło
się na potrzeby programów badań kosmosu.
Rozwój technologii kosmicznych jest dziś w
dużym stopniu konsekwencją zapotrzebowania
nowoczesnych społeczeństw na usługi
satelitarne w zakresie telekomunikacji,
nawigacji i użytkowych obserwacji Ziemi, a
także badań naukowych Ziemi i przestrzeni
kosmicznej. Równocześnie długofalowe plany
nakreślone przez NASA, Europejską Agencję
Kosmiczną (ESA) i agencje narodowe państw
zaangażowanych w programy kosmiczne
duży nacisk kładą na szeroko rozumianą
automatyczną
i
załogową
eksplorację
kosmosu.
ich funkcjonowania, a następnie trendy
rozwoju transportu kosmicznego oraz plany
badań naukowych i eksploracji przestrzeni
kosmicznej.
Poza zakresem raportu znalazły się kierunki
rozwoju działalności kosmicznej, które bywają
przedmiotem dyskusji, ale ich realizacja jest
dzisiaj uznawana za mało prawdopodobną.
Warto je zasygnalizować, gdyż w bardzo
długiej perspektywie mogą one istotnie
zmienić sektor kosmiczny na świecie:
�
Masowa produkcja materiałów i leków
w stanie nieważkości (barierą są wysokie
koszty transportu na i z orbity, a ponadto
dynamiczny rozwój biotechnologii i inżynierii
materiałowej na Ziemi)
�
Wytwarzanie energii w przestrzeni
kosmicznej i przesyłanie jej na Ziemię
�
Przekazywanie energii od producenta
do konsumenta na Ziemi za pośrednictwem
satelitów
�
Wydobywanie surowców na Księżycu i
ich transport na Ziemię
�
Konstrukcja
„windy
kosmicznej”
wielokrotnie obniżającej koszty wynoszenia
obiektów w przestrzeń kosmiczną
Poniższy tekst, stanowiący kompilację analiz
przygotowanych przez ekspertów, ma za
zadanie ukazanie głównych trendów rozwoju
systemów kosmicznych z położeniem nacisku
na obecne i przyszłe wyzwania technologiczne.
Kolejno omówione są tendencje ewolucji
w konstrukcji samych satelitów, sposoby
77
Projekt Foresight
Kategorie satelitów ze względu na ich wagę
Satelita
Waga [kg]
satelita duży
> 1000
satelita średni
500 – 1000
mini-satelita
100 – 500
mikro-satelita
10 – 100
nano-satelita
1 –10
piko-satelita
0,1 – 1
femto-satelita
< 0,1
1.
Platformy satelitarne
1.1
Informacje ogólne
Ostatnie lata pokazują, że rozwój satelitów
przebiega obecnie w dwóch kierunkach:
•
duże skomplikowane satelity o dużej
dostępnej mocy zasilania, wykorzystywane
w systemach telekomunikacyjnych (na
orbicie geostacjonarnej GEO) i systemach
obserwacji zawierających wiele różnych
sensorów do obserwacji w pasmach wizyjnych
i podczerwieni lub w pasmach mikrofalowych
jako radar z syntezowaną aperturą SAR
•
małe satelity (mini-satelity i mikrosatelity – Tab. 1) na orbitach niskich LEO,
wykorzystywane w różnych misjach
Małe satelity mimo znacznie mniejszych
wymiarów i masy swą budową nie różnią się
znacząco od dużych satelitów, zawierając
praktycznie takie same systemy, realizujące
takie same funkcje. Budowa klasycznych
dużych satelitów jest przedsięwzięciem
długotrwałym (trwającym co najmniej kilka lat)
i kosztownym, na który mogą sobie pozwolić
tylko duże organizacje komercyjne. Natomiast
w wypadku małych satelitów czas ich budowy
jest znacznie krótszy (typowo 1–2 lata) a
koszty budowy satelity i jego wyniesienia na
orbitę LEO znacznie mniejsze, co czyni bardzo
atrakcyjnym wykorzystanie takich satelitów
w różnych zastosowaniach, takich jak:
obserwacje Ziemi, testy i weryfikacja nowych
technologii w środowisku kosmicznym,
edukacja i szkolenie, zastosowania militarne,
eksploracja kosmosu czy specjalne systemy
łączności np. łączność amatorska.
78
Projekt Foresight
1.1.1 Specyficzne warunki w przestrzeni
kosmicznej
Systemy satelity narażone są na wpływ
warunków środowiskowych panujących w
przestrzeni kosmicznej, mających wpływ na
ich prawidłowe działanie:
•
wibracje i przeciążenia w czasie
wynoszenia na orbitę – wszystkie układy
muszą działać prawidłowo po przejściu przez
takie narażenia
•
próżnia – powodująca problemy z
odprowadzaniem ciepła, odgazowywanie
niektórych materiałów oraz zwiększenie tarcia
między elementami ruchomymi
•
promieniowanie cząstek naładowanych
elektrycznie (protony, elektrony, ciężkie jony)
o dużych energiach oraz promieniowanie
elektromagnetyczne – mogące powodować
błędy w układach elektronicznych (zwłaszcza
półprzewodnikowych)
jak
również
ich
uszkodzenia. Kluczowym parametrem dla
półprzewodników jest całkowita dawka
przyjętego promieniowania wpływająca na
możliwość uszkodzenia danego elementu.
Poziom promieniowania zależy od wysokości
orbity satelity nad powierzchnią Ziemi, im
wyższa orbita tym większe promieniowanie.
•
szeroki zakres zmian temperatur – w
zależności od tego czy satelita jest oświetlany
przez Słońce czy też znajduje się w cieniu
Ziemi temperatura jego powierzchni może się
zmieniać w zakresie od –100oC do +150 oC
•
brak możliwości napraw
Zapewnienie dużej niezawodności i odporności
na warunki panujące w przestrzeni kosmicznej
wymaga zastosowania właściwych rozwiązań
układowych oraz użycia odpowiednich
sprawdzonych komponentów, np. układy
istotne dla prawidłowego działania systemu
satelitarnego są zdublowane.
Proces projektowania i budowy urządzeń
satelitarnych jest relatywnie długi. Wymaga
on budowy i testów szeregu modeli, ich
podzespołów i elementów. Powoduje to,
że z jednej strony technologie kosmiczne
wymuszają nowe rozwiązania i nowe
technologie, a z drugiej konieczny czas
potrzebny
na
testy
środowiskowe
i
niezawodnościowe sprawia, że stosowane
elementy, materiały i rozwiązania w momencie
startu misji nie są najnowsze z punktu
widzenia rozwoju technologicznego.
Bardzo istotną dziedziną silnie rozwijaną
na potrzeby technologii satelitarnych jest
inżynieria materiałowa, tworząca lekkie i
wytrzymałe materiały oraz pokrycia i powłoki
materiałów poprawiające ich własności
wytrzymałościowe, cierne, czy izolacyjne.
Osobny kierunek stanowią nowatorskie
i
wyrafinowane
rozwiązania
węzłów
konstrukcyjnych na potrzeby konkretnych
misji i instrumentów. Ten kierunek najlepiej
absorbuje nowe technologie i techniki, jak
np. nanotechnologie i sam generuje nowe
rozwiązania.
1.1.2 Struktura satelity
Wszystkie układy satelity można podzielić na
dwie części:
•
ładunek
użyteczny
(payload)
–
zawierający
odpowiedni
sprzęt
(instrumenty pomiarowe, kamery, przekaźnik
komunikacyjny, w zależności od misji),
który pozwala realizować właściwe zadania
systemu satelitarnego w danej misji np.
obrazowanie Ziemi, retransmisję sygnałów
telekomunikacyjnych
•
platformę satelitarną (space platform,
bus) – zapewniającą właściwe warunki do
prawidłowego działania ładunku użytecznego.
W jej ramach można wyróżnić następujące
podsystemy:
o
struktura
mechaniczna
–
zapewniająca
mocowania
wszystkich
układów, ochronę przed promieniowaniem
i odprowadzanie ciepła, połączenie z
rakietą wynoszącą satelitę na orbitę
o
system komunikacyjny (Comm communications) – realizujący łączność
ze stacjami naziemnymi oraz ewentualnie
innymi satelitami na orbicie, obejmujący
3 kanały łączności ((kanał telekomend
– odbiór rozkazów sterujących działaniem
wszystkich układów satelity, kanał
79
Projekt Foresight
telemetrii – transmisja danych o stanie
wszystkich układów satelity, kanał danych
– transmisja danych pozyskiwanych przez
ładunek użyteczny)
o
system sterujący (OBDH – on board
data handling) – sterujący i kontrolujący
stan wszystkich układów satelity
o
system
kontroli
położenia
i
orientacji (ACS – attitude control system)
– zapewniający właściwą orientację i
stabilizację położenia satelity na orbicie
o
system zasilania (EPS – electric
power system) – dostarczający energię
elektryczną do zasilania wszystkich
układów satelity
o
system
kontroli
termicznej
(Thermal) – zapewniający utrzymanie
właściwej temperatury wewnątrz satelity
o
system
silników
korekcyjnych
(Propulsion) – wykorzystywanych do
utrzymania właściwej orbity i pozycji
satelity
potrójnymi złączami pn.
Gdy satelita znajduje się w cieniu Ziemi, aby
zapewnić zasilanie układom satelity należy
zastosować baterie chemiczne. Baterie
ładowane są w czasie, gdy satelita oświetlany
jest przez promienie słoneczne. Odpowiednie
układy
regulacji
zapewniają
regulację
ładowania i rozładowania baterii, aby zapewnić
ich właściwą pracę. Głownie używa się trzech
typów baterii: niklowo kadmowych, niklowo
wodorowych i litowo jonowych. Napięcie
elektryczne z paneli słonecznych lub baterii
chemicznych doprowadzone jest do układów
wytwarzania i stabilizacji napięć zasilania i
układów jego dystrybucji do poszczególnych
układów satelity. System zasilania musi być
autonomiczny i niezawodny, więc poszczególne
moduły systemu są zdublowane.
ARD - Atmospheric Re-entry Demonstrator
1.1.3 Zasilanie satelity
Głównym źródłem zasilania na satelicie są
ogniwa słoneczne. W przypadku małych
satelitów panele z ogniwami umieszczane
są na ściankach satelity. Ze względu na
ograniczoną powierzchnię, na której można
umieścić ogniwa istotnym czynnikiem w
takim przypadku jest użycie ogniw o dużej
efektywności konwersji energii świetlnej na
elektryczną (zwłaszcza w przypadku nanosatelitów). Również w przypadku dużych
satelitów zastosowanie wysokosprawnych
ogniw słonecznych pozwala na zwiększenie
uzyskiwanej mocy zasilania. Dla dużych
satelitów standardem jest stosowanie paneli
słonecznych rozkładanych po umieszczeniu
satelity na orbicie. Stosowane ogniwa
słoneczne są to złącza pn wykonane w
krystalicznym krzemie lub arsenku galu.
Efektywność konwersji energii takich ogniw
wynosi odpowiednio około 10% i 20% dla
pojedynczego złącza i zmniejsza się pod
wpływem promieniowania kosmicznego. W
celu zwiększenia efektywności i zmniejszenia
wymaganej powierzchni paneli słonecznych
wykorzystuje się ogniwa z podwójnymi i
Źródło: ESA
80
Projekt Foresight
1.2
Trendy technologiczne
Rozważając trendy technologiczne w budowie
satelitów w ciągu kilku kilkunastu najbliższych
lat należy oddzielnie rozpatrywać satelity
duże i małe.
1.2.1 Duże satelity
W przypadku satelitów dużych, zwłaszcza do
zastosowań telekomunikacyjnych przewiduje
się ciągły wzrost dostępnej mocy zasilania
nawet powyżej 30 kW (obecnie ponad 15
kW). Prace badawcze prowadzone są w
odniesieniu do wszystkich systemów satelity,
ale wydaje się, że największe zmiany mogą
nastąpić w systemach zasilania i silników
korekcyjnych
(silniki
jonowe
zamiast
rakietowych) oraz w budowie i komplikacji
przekaźnika satelitarnego dla satelitów
telekomunikacyjnych.
W systemie zasilania dąży się do maksymalizacji
mocy elektrycznej pozyskiwanej z paneli
słonecznych o danej powierzchni, stosując:
•
panele słoneczne z ogniwami z
materiałów o coraz większej efektywności
konwersji energii świetlnej w elektryczną
(obecnie sprawność konwersji najlepszych
ogniw słonecznych dochodzi do 40 % i
przewiduje się, że w ciągu kilku najbliższych
lat może wzrosnąć ponad 45 %)
•
koncentratory światła powodujące
skupianie światła padającego na panele
słoneczne, są to albo soczewki nakładane na
powierzchnię paneli lub układy zwierciadeł
(np. w układzie Cassegraina)
Dzięki zastosowaniu koncentratorów światła
można zwiększyć ilość energii elektrycznej
pozyskiwanej z paneli słonecznych nawet
kilkukrotnie, co pozwala znacząco zwiększyć
dostępna moc zasilania na satelicie lub
zmniejszyć powierzchnię paneli dla ustalonej
mocy zasilania. Użycie koncentratorów jest
efektywne jednak tylko dla ustawienia paneli
słonecznych w kierunku słońca. Maksymalny
kąt odchylenia nie może przekraczać
kilkunastu stopni, przez co zastosowanie
takich układów jest możliwe w satelitach
z rozkładanymi panelami słonecznymi
śledzącymi kierunek słońca (jak to jest w
satelitach telekomunikacyjnych na orbicie
GEO ze stabilizacją trójosiową). Natomiast w
przypadku satelitów z panelami słonecznymi
umieszczonymi na ściankach bocznych satelity
(np. małe satelity) użycie koncentratorów nie
może być zastosowane.
W dalszej perspektywie interesującym
rozwiązaniem może być wykorzystanie
paneli słonecznych zbudowanych z giętkich
materiałów cienkowarstwowych. Ze względu
na mniejszą masę i większą uzyskiwaną
gęstość energii z jednostki masy (mimo
obecnie mniejszej efektywności konwersji
energii) można by zwiększyć dostępną moc
zasilania na satelicie, przez zwiększenie
powierzchni paneli słonecznych.
Innym interesującym rozwiązaniem jest
eliminacja baterii chemicznych w systemie
zasilania i wykorzystanie wirujących kół
do magazynowania energii. Zmieniając
prędkość wirowania układu dwóch kół
wirujących z takimi samymi prędkościami w
przeciwnych kierunkach zmienia się energię
kinetyczną układu.
Wykorzystując silnik
elektryczny i prądnicę energię kinetyczną
można zamieniać na energię elektryczną. Ten
sam układ wirujących kół może być również
wykorzystany w systemie kontroli orientacji
satelity. Odpowiednio zmieniając prędkości
wirowania kół możemy zmieniać moment
siły układu, bez zmiany energii kinetycznej,
i wykorzystać układ do uzyskania obrotu
satelity wokół osi wirowania kół.
W przypadku satelitów telekomunikacyjnych
istotne zmiany w ciągu najbliższych kilkunastu
lat nastąpią również w ładunku użytecznym
tj. przekaźniku satelitarnym. Związane jest to
z tendencją zapewnienia szerokopasmowych
usług multimedialnych dla użytkowników
ruchomych, co prowadzi do ciągłej komplikacji
układowej przekaźnika:
•
przekaźnik
regenerujący
z
przetwarzaniem
sygnałów
w
paśmie
podstawowym
•
zwiększenie liczby transponderów
•
zwiększenie
mocy
nadawanych
sygnałów przez pojedynczy transponder
•
zastosowanie
aktywnych
wieloelementowych szyków antenowych
81
Projekt Foresight
oświetlających pojedynczy duży reflektor,
tworząc wiele wiązek antenowych na
oświetlanym obszarze
•
wykorzystanie
bardziej
złożonych
modulacji amplitudowo-fazowych np. 16APSK
i 32APSK w systemie DVB-S2, co większe
wymagania odnośnie liniowości nadawczych
wzmacniaczy mocy na satelicie
1.2.2 Małe satelity
W przypadku małych satelitów dąży się do
minimalizacji masy, rozmiarów i kosztów
systemów satelity przy zachowaniu ich
właściwości funkcjonalnych, pozwalających
na prawidłową realizację zadań stawianych
przed systemem satelitarnym. Prowadzi się
badania, dotyczące możliwości zastosowania
nowych technologii pozwalających na redukcję
kosztów, koncentrując się na następujących
aspektach:
•
miniaturyzacja i integracja systemów
satelity, prowadząca do zmniejszenia masy,
wymiarów i poboru mocy, a w konsekwencji
i kosztów. Można tu wyróżnić następujące
kierunki działań:
o
wykorzystanie
struktur
programowalnych FPGA w różnych
zastosowaniach
od
cyfrowego
przetwarzania sygnałów po implementację
procesorów programowych
o
nowe typy układów i elementów
mikrofalowych do układów nadawczo
odbiorczych np. małe lekkie filtry
pasmowo-przepustowe, wysokosprawne
wzmacniacze mocy, anteny łatkowe
o
zastosowanie technologii MEMS
w różnych systemach: od układów
elektronicznych po mikrosilniki rakietowe
o
nowe
technologie
materiałów
fotowoltaicznych np. cienkowarstwowe
panele słoneczne
•
możliwości wykorzystania w systemach
satelity elementów i układów powszechnego
użytku i metod zwiększania niezawodności
systemów zbudowanych na takich elementach,
co doprowadzi do znaczących redukcji kosztów
budowy satelity. Zastosowanie komponentów
dostępnych
komercyjnie
preferowane
jest zarówno w dziedzinie sprzętu jak i
oprogramowania. Zwłaszcza w przypadku
misji krótkookresowych i edukacyjnych
użycie elementów powszechnie dostępnych
jest rozwiązaniem optymalnym. Odpowiednie
rozwiązania układowe umożliwiają również
użycie takich elementów w misjach
komercyjnych, przy zachowaniu wymaganej
niezawodności.
Stosowanie
paneli
z
przeznaczeniem do zastosowań kosmicznych
jest rozwiązaniem drogim, więc często
wykorzystuje się ogniwa przeznaczone dla
systemów naziemnych, dokonując pewnych
modyfikacji zwiększających ich niezawodność
i odporność na promieniowanie. Ogniwa
pokrywa się odpowiednimi warstwami
ochronnymi, odpornymi na promieniowani
UV i posiadającymi dobre właściwości
mechaniczne, i łączy w niezależne panele.
W wielu misjach, w celu minimalizacji
kosztów, wykorzystuje się baterie stosowane
w systemach naziemnych, przeprowadzając
wcześniej odpowiednie testy ich prawidłowej
pracy w warunkach przestrzeni kosmicznej.
•
możliwości zdalnego testowania i
wirtualnej integracji systemów satelity,
pozwalającej
na
wykrywanie
błędów
współpracy między różnymi systemami na
wczesnym etapie projektu przed ich fizyczną
integracją, co znacząco wpłynie na zmniejszenie
kosztów ich usuwania i przyspieszy uzyskanie
poprawnych rozwiązań. Użycie internetu
do realizacji wirtualnej łączności między
różnymi systemami satelity jest bardzo
atrakcyjnym rozwiązaniem w sytuacji, gdy
satelita budowany jest przez różne zespoły
np. we współpracy międzynarodowej. Po
implementacji odpowiednich interfejsów
między poszczególnymi systemami poprzez
sieć internetową można przeprowadzić
wirtualną integrację i testowanie systemów
satelity i dopiero po pozytywnych wynikach
takiej operacji przystąpić do ich fizycznej
integracji.
82
Projekt Foresight
1.3
Nowe technologie
1.3.1 Struktury programowalne
Struktury programowalne FPGA są coraz
powszechniej wykorzystywane w systemach
satelitarnych, pozwalając na integrację różnych
modułów w jednym układzie. Przykładem
może być realizacja przetwarzania sygnału
w torze nadawczo odbiorczym w paśmie
podstawowym i na pośredniej częstotliwości w
sposób cyfrowy. Takie rozwiązanie umożliwia
integrację znaczącej części toru sygnałowego
w pojedynczym układzie, dodatkowo pozwala
na realizację różnych zmian np. zmiany
rodzaju modulacji w sposób programowy,
bez ingerencji sprzętowych, nawet już po
umieszczeniu satelity na orbicie.
Innym przykładem wykorzystania układów
FPGA jest implementacja w takiej strukturze
komputera pokładowego satelity: procesora,
pamięci z korekcją błędów, interfejsów
z układami zewnętrznymi, dodatkowych
układów.
1.3.2 Systemy MEMS
Technologia MEMS pozwala na budowę
skomplikowanych systemów w strukturach
półprzewodnikowych
charakteryzujących
się bardzo niewielkimi wymiarami, masą i
poborem mocy zasilania. Takie właściwości
są szczególnie atrakcyjne w przypadku nanosatelitów i piko-satelitow, gdy waga, wymiary
i moc zasilania są parametrami krytycznymi.
Układy MEMS mogą być wykorzystane do
realizacji różnych systemów od układów
elektronicznych (przełączniki, filtry, czujniki)
przez czujniki mechaniczne (mikro-żyroskopy,
czujniki przyspieszenia) po miniaturowe silniki
rakietowe.
Przykładem
wykorzystania
systemów
MEMS w technikach kosmicznych są układy
mikro-kół, które mogą być wykorzystane
zarówno do zmian orientacji satelity jak i
do magazynowania energii elektrycznej w
zastępstwie baterii chemicznych. Zmieniając
jednocześnie prędkość wirowania obu kół
można dostarczać i odbierać energię z
układu, bez zmian wypadkowego momentu
bezwładności takiego układu.
1.3.3 Giętkie
zasilania
cienkowarstwowe
systemy
W przypadku satelitów system zasilania
jest jednym z największych i najcięższych
(struktura
mechaniczna
usztywniająca
panele słoneczne, baterie chemiczne).
Interesującym rozwiązaniem prowadzącym
do zmniejszenia wagi systemu zasilania
może
być
wykorzystanie
giętkich
cienkowarstwowych ogniw słonecznych (thin
film photovoltaic). Ogniwa takie wykonane
najczęściej z amorficznego krzemu lub
związków indu selenu i miedzi są znacznie
lżejsze niż ogniwa tradycyjne i pozwalają na
realizację paneli rozkładanych na orbicie z
prostymi układami rozwijającymi. W czasie
wynoszenia na orbitę panel słoneczny może
być zwinięty w rulon i na orbicie odpowiednio
rozwinięty i naciągnięty na sztywną ramę.
Ogniwa
cienkowarstwowe
są
bardziej
odporne na promieniowanie kosmiczne,
ale ich efektywność konwersji energii jest
mniejsza niż dla ogniw tradycyjnych. Jednak
ze względu na lekkość takich materiałów
uzyskiwana gęstość energii z jednostki masy
jest znacznie większa.
Kolejnym krokiem w dalszej przyszłości może
być wykorzystanie cienkowarstwowych baterii
chemicznych (thin film solid state battery).
Baterie te wytwarzane są z materiałów na
bazie litu i charakteryzują się niską masą,
dużą uzyskiwaną gęstością energii z jednostki
masy, długim cyklem życia i w przeciwieństwie
do baterii tradycyjnych szerokim zakresem
temperatur pracy. W oparciu o giętkie
struktury cienkowarstwowe w przyszłości
możliwe będzie zbudowanie całego systemu
zasilania w takiej technologii. Taki system,
określany jako FIPP (flexible integrated power
pack) składałby się z kolejnych elastycznych
cienkich warstw paneli słonecznych, baterii,
układów elektronicznych i struktury nośnej.
Cechowałby się niewielką masą i dzięki
elastyczności i giętkości można byłoby pokryć
nim powierzchnie zewnętrzne satelity o
dowolnym kształcie.
83
Projekt Foresight
1.4
Serwisowanie na orbicie
W przestrzeni okołoziemskiej śledzonych i
skatalogowanych jest około 9,5 tys obiektów
o rozmiarach większych niż 30 cm. Wiele
z nich to satelity w pełni sprawne, które
jednak zakończyły działanie ze względu
na brak możliwości korygowania swojej
pozycji. Przykładem mogą być satelity
telekomunikacyjne umieszczone na orbicie
geostacjonarnej, których koszt wynosi średnio
250 mln USD przy czasie eksploatacji 10-15
lat (limitowanym zasobami paliwa). Nic więc
dziwnego, że dąży się obniżenia relatywnych
kosztów misji (cena misji w odniesieniu do
czasu użyteczności satelity), a jednym z
rozwiązań jest serwisowanie satelitów na
orbicie, obejmujące głównie dostawy paliwa
oraz wymianę elementów zużywających
się i/lub zepsutych. Aktualnie realizowane
programy zaczynają uwzględniać te potrzeby
już na etapie projektowania satelity. Wszystko
wskazuje na to, że zagadnienie konstrukcji
satelitów przystosowanych do obsługi
przez autonomiczne systemy transportowoserwisujące1, stanie się zagadnieniem
priorytetowym w perspektywie najbliższych 5
– 10 lat. W szczególności, dokładnej analizie
podlegać będą problemy związane z:
modułowością satelitów,
rozwojem i standaryzacją interfejsów
wewnętrznych modułów satelity pod kątem
ich przystosowania do łatwego przyłączenia i
odłączenia,
rozwojem i standaryzacją interfejsów
zewnętrznych
modułów
satelity
dla
umożliwienia ich montażu i demontażu przez
autonomiczne jednostki serwisujące
rozwojem urządzeń dokujących dla
systemów transportowo – serwisujących
autonomią systemów sterowania lotem
(dolot do celu i dokowanie),
autonomią
procedur
wymiany
podzespołów i tankowania,
przystosowaniem
urządzeń
do
możliwości aktualizacji oprogramowania.
1 Przewiduje się, że będzie dominować tendencja do automatyzacji serwisowania satelitów na orbicie, jednakże
przeprowadzano już naprawy „załogowe”, jak np. serwisowanie teleskopu Hubble.
84
Projekt Foresight
2. Konstelacje satelitarne w
nawigacji, telekomunikacji i
obserwacji Ziemi
Konstelacje satelitarne to wszelkie systemy
wielosatelitarne, w których każda platforma
działa indywidualnie i znajduje się przez
większość czasu w dużej odległości, będącej
znaczącym ułamkiem wielkości orbity, od
platform sąsiednich (np. IRIDIUM, GPS,
GLONASS, Disaster Monitoring Constellation
i in.). Celem konstelacji jest zwykle pokrycie
swoim zasięgiem jak największego obszaru
w taki sposób, aby operator konstelacji mógł
Konstelacja satelitów GNSS
konstelacje
satelitów
nawigacyjnych:
GALILEO (Unia Europejska) i ulepszonego
systemu GLONASS (Federacja Rosyjska).
Oba systemy powinny być w pełni operacyjne
około 2012 roku.
Nie należy jednak oczekiwać rewolucyjnych
zmian w filozofii działania segmentu
kosmicznego systemów nawigacji satelitarnej.
Ze względu na ogólny postęp w elektronice i
technologii, spodziewać się należy podnoszenia
jakości działania, pozycjonowania, wydłużania
czasu działania oraz liczebności platform,
co stymulować będzie wzrost dokładności
wyznaczania pozycji urządzeń korzystających
z systemu.
Nowością
będą
natomiast
systemy
dedykowane pozycjonowaniu i precyzyjnej
nawigacji użytkowników w przestrzeni
kosmicznej. Już teraz odbiorniki GPS
stanowią standardowe wyposażenie platform
satelitarnych a w najbliższych latach (dzięki
wzrostowi precyzji wyznaczeń) znacznie
wspomogą realizacje systemów opartych
na satelitach współdziałających nawet w
ciasnych formacjach.
2.2
Źródło: ESA
dotrzeć ze swoimi usługami do większości
zakątków Ziemi.
2.1
Konstelacje nawigacyjne
Największymi projektami nadchodzących lat
w tej dziedzinie są nowo powstające (lub
osiągające operacyjny stopień rozwoju)
Konstelacje telekomunikacyjne
Od czasu fiaska ekonomicznego programu
Iridium idea tworzenia konstelacji satelitów
telekomunikacyjnych na niskich orbitach
straciła w oczach potencjalnych inwestorów.
Istnieją jednak sieci o podobnym charakterze
(np. GLOBALSTAR, posiadający 48 satelitów
na orbitach niskich, oraz satelity na orbicie
geostacjonarnej), które prosperują dobrze,
a ich operatorzy planują inwestycje w
infrastrukturę nowej generacji. Ze względu
na czasochłonny proces rozbudowy segmentu
kosmicznego realizacji takich systemów należy
się spodziewać w odleglejszej perspektywie
(10-20lat).
85
Projekt Foresight
2.3
Konstelacje obserwacyjne
Tendencje w rozwoju konstelacji satelitów
teledetekcyjnych, zasługują na szczególną
uwagę z punktu widzenia rozwoju infrastruktury
orbitalnej, dając poważny wkład do rozwoju
autonomii i nawigacji systemów opartych
o współdziałające satelity (z formacjami
satelitarnymi włącznie).
Konstelacje, takie jak „CALIPSO/CLOUDSAT”,
„Landsat
7”,
„Envisat”,
powstały
w
wyniku dosyłania do bazowych satelitów
teledetekcyjnych wyniesionych wcześniej,
kolejnych satelitów wyposażonych w co raz
to inne przyrządy. Ze względu na ciągłe
perturbacje jakim podlega satelita, niezbędne
jest zastosowanie odpowiedniego systemu
nawigacji i kontroli położenia, by kontrolować
i aktualizować ustawienie satelitów w szyku.
Konieczność realizacji tych zadań nadaje
konstelacjom teledetekcyjnym cechy formacji,
zmuszając jednocześnie inżynierów do prac
nad systemami kontroli pozwalającymi
optymalnie wykorzystywać zasoby paliwa,
jakimi satelita dysponuje.
Jeżeli chodzi o same urządzenia pomiarowe,
to w latach 2012-2020, należy się
spodziewać przede wszystkim wzrostu
rozdzielczości systemów obrazujących (10cm
dla zakresów optycznych i do 0.5m dla
systemów radarowych). Obecnie silny nacisk
położono na misje bazujące na metodach
interferometrycznych. Misja mikrofalowa
w postaci tandemu satelitów Terra-Sar-X
(2006/2009) dla tworzenia cyfrowej mapy
terenu o wysokiej rozdzielczości jest dobrym
tego przykładem. W paśmie optycznym
planowana
jest
realizacja
pomiarów
interferencyjnych w oparciu o formacje
satelitów, celem uzyskania większej bazy
pomiarowej dla pomiarów astrofizycznych.
Dla celów obserwacji ziemi rozwijane są i
będą instrumenty hiperspektralne, które
oprócz wysokiej rozdzielczości spektralnej ,
będą dysponowały wysoką rozdzielczością
przestrzenną i ten kierunek jest ważny w
perspektywie 2020 roku.
Misje łącznie z instrumentami pomiarowymi
są już zdefiniowane do 2012 roku. Poziom
technologiczny instrumentów pomiarowych
będzie odpowiadał aktualnie istniejącym
rozwiązaniom w postaci modeli laboratoryjnych
lub inżynierskich, bądź ich ulepszeniom
dokonanym w toku prac nad misją. Perspektywa
do roku 2020 w przypadku obserwacji Ziemi
to rozwój systemów hiperspektralnych,
jednak szybkość tego rozwoju silnie zależy od
nakładów finansowych. Można przypuszczać,
że po okresie silnego rozwoju programów
GMES i GEOSS, nastąpi chęć uzyskania
korzyści finansowych z pracujących systemów
i spowolnienie wdrożenia nowych technologii
do przyszłych misji i oparciu się na już
istniejących i sprawdzonych rozwiązaniach,
które będą z całą pewnością tańsze. Wydaje
się , że głównym motorem dalszego rozwoju
technologii będą misje załogowe na Księżyc
i Marsa, ale te misje, kładąc nacisk na inne
aspekty rozwoju technologii satelitarnych nie
przyczynią się w znaczący sposób w rozwój
instrumentów teledetekcyjnych.
Schemat rozmieszczenia
CALIPSO/CLOUDSAT
satelitów
w
konstelacji
Źródło: http://www-calipso.larc.nasa.gov/about/atrain.
php
2.4 Konstelacje
kosmicznych
w
badaniach
Poza
„klasyczną”
obserwacją
Ziemi
prowadzone są także badania in-situ stanu
środowiska okołoziemskiego, bardzo istotne z
punktu widzenia działania tak ziemskich, jak i
satelitarnych systemów telekomunikacyjnych.
Dodatkowo, interakcje
86
Projekt Foresight
naturalne
„Słońce
<–>
magnetosfera
Ziemska <–> plazmasfera Ziemska <–>
efekty środowiskowe na powierzchni Ziemi”
nie są jak dotąd całkowicie zrozumiałe.
Wyniki misji DEMETER (2004) sugerują np.
możliwość przewidywania silnych trzęsień
ziemi poprzez analizę fal rozchodzących się
w plazmie okołoziemskiej. Na najbliższe lata
oraz w perspektywie 2012-2020, planowanych
jest szereg wielosatelitarnych misji mających
na celu badanie fizyki plazmy kosmicznej
oraz magnetosfery Ziemi. Przydatność tego
typu badań, potwierdzone zostały sukcesem
formacji Cluster (4 satelity), która w
najbliższym czasie zakończy pracę.
Wśród projektów odległych, na szczególną
uwagę zasługują dwie misje:
•
Magnetospheric Multiscale Mission –
MMS (planowana na lata 2013-2015)
•
Cross-Scale Mission (planowana na
lata 2015-2025)
Są to pomyślane z rozmachem misje
wielosatelitarne,
które
w
założeniu
naukowców pomogą zrozumieć zjawiska
zachodzące w plazmie i magnetosferze Ziemi.
Udać się to może, dzięki jednoczesnym
pomiarom wykonywanym w wielu punktach
wyznaczających obszary o różnych skalach
przestrzennych.
W latach najbliższych planuje się ponadto
szereg misji technologiczno – naukowych,
jak np. misja Magnetospheric Constellation
(MC), w których konstelacje niewielkich
satelitów przeprowadzać będą wielopunktowe
pomiary magnetosfery Ziemskiej, testując
jednocześnie nowe technologie.
Można
oczekiwać,
że
tendencja
do
wykorzystywania konstelacji i formacji mikroi nano- satelitów w pomiarach plazmowych i
magnetosferycznych zostanie w najbliższych
latach utrzymana, dając wkład do rozwoju
technologii dla wielosatelitarnych misji
przełomowych typu Cross-Scale.
87
Projekt Foresight
3.
Transport kosmiczny
Omawiając rozwój technologii kosmicznych
nie sposób pominąć bardzo istotnego aspektu,
jakim jest rozwój systemów wynoszenia i
transportu kosmicznego – każdy satelita,
aby mógł pełnić swoje funkcje, musi zostać
umieszczony na właściwej orbicie.
Start rakiety Ariane 5
Źródło: ESA
Obecnie komercyjny rynek usług wynoszenia
na orbitę jest silnie skoncentrowany; występuje
3 dominujących dostawców (Arianespace,
ILS, Sea Launch) i kilku pozostałych
(Starsem, ISC Kosmotrans, OSC, Eurockot),
odbiorcami zaś są duzi klienci instytucjonalni,
najczęściej instytucje publiczne. Warto
podkreślić, że podmioty rządowe z reguły
starają się nabywać usługi wynoszenia od
krajowego lub regionalnego dostawcy, jeżeli
taki istnieje; np. rząd amerykański nigdy
nie zakupił usługi wyniesienia od dostawcy
z poza Stanów Zjednoczonych. Rynek
usług wynoszenia charakteryzuje się także
wysoką konkurencją. Pojawienie się nowych
dostawców utrudniają wysokie bariery wejścia
– wysokie koszty infrastruktury, wytwarzania,
ubezpieczeń,
wysokie
koszty
pracy,
niedobór wykwalifikowanej siły roboczej,
jak również znaczna pomoc publiczna dla
dotychczasowych dostawców. Ta ostatnia,
obok częstego przyznawania wyłączności
dostawcom
krajowym/regionalnym
(lub
wręcz indywidualnym dostawcom krajowym,
w przypadku programu EELV) na wynoszenie
ładunków
finansowanych
przy
użyciu
środków rządowych, objawia się w możliwości
korzystania przez takich dostawców z
utrzymywanej ze środków publicznych
infrastruktury w portach kosmicznych (np.
korzystanie przez dostawców amerykańskich z
rządowych miejsc startowych po minimalnych
kosztach, a z drugiej strony współfinansowanie
infrastruktury startowej wykorzystywanej
przez Arianespace w Gujanie w około 50%
przez ESA). Pomoc publiczna przejawia się
także w publicznym wsparciu dla budowy i
rozwijania nowych rakiet nośnych – zarówno
w Ameryce – poprzez program EELV, COTS i
Falcon , jak i w Europie, za pośrednictwem
ESA.
W roku 2005 wyniesiono na orbitę 55
satelitów, z czego tylko 18 (33%) to satelity
komercyjne, reszta zaś reszta to ładunki
rządowe2; jest to sytuacja typowa dla ostatnich
lat, w szczytowych latach 1997-2001 ładunki
komercyjne stanowiły 41% całości.
Udział w rynku komercyjnym w największej
części został wykonany przez operatorów
rosyjskich – 8 wyniesień (44% rynku), w
dalszej kolejności uplasowało się Arianespace
z 5 wyniesieniami (28% rynku) oraz
międzynarodowe konsorcjum Sea Launch z 4
wyniesieniami (22% rynku), zaś operatorzy
amerykańscy wykonali jedno wyniesienie
satelity komercyjnego (pojedynczy start
rakiety Atlas V).
Przychody związane z 18 komercyjnymi
wyniesieniami są oceniane na równowartość
1.2 mld USD, co stanowi 20% wzrost w
odniesieniu do całkowitych przychodów w
kwocie około 1 mld USD w roku 2004.
Największym popytem cieszą się tradycyjnie
usługi wynoszenia na orbity geostacjonarne;Po
znacznym spadku na rynku i dwóch kolejnych
latach najniższej liczby startów od około 45
lat, spodziewana jest przejściowa odbudowa
2 FAA Commercial Space Transportation: 2005 Year In Review, dostępne pod adresem internetowym
http://www.faa.gov/library/reports/commercial_space/year_in_review/media/2005_year_in_review.pdf
88
Projekt Foresight
Liczba wyniesień w roku 2005 z podziałem na kraje
Źródło: FAA, rok 2006
Dochody z usług wyniesienia na orbitę z podziałem na
kraje
Źródło: FAA, rok 2006
popytu z uwagi na konieczność wymiany
niektórych flot komercyjnych satelitów w
latach 2007-2008. Doszło wyrównania popytu
i podaży, w porównaniu z wcześniejszym
przerostem podaży. W przemyśle panuje
umiarkowany optymizm, obserwuje się
przyrost zamówień na odleglejsze terminy.
Kluczem do przetrwania było wsparcie rządów,
także poprzez zagwarantowanie rządowych
zamówień oraz tworzenie sojuszy (np. ILS).
3.1.Małe rakiety nośne
Omówiona w poprzedniej części tendencja
do budowy małych satelitów może mieć
wpływ na rozwój transportu kosmicznego.
Problemem związanym w wykorzystywaniem
cięższych rakiet nośnych na potrzeby
wynoszenia lekkich (np. np. poniżej 200 kg)
satelitów jest dość wysoka cena związana
z
wynoszeniem,
potrzeba
wyniesienia
satelity stanowiącego ładunek dodatkowy
na specyficzną orbitę odmienną od orbity
satelity (satelitów) stanowiącego ładunek
główny, jak również częsty brak miejsca na
pokładzie, co skutkuje nieraz kilkuletnimi
przesunięciami w wyniesieniu na orbitę lub też
wręcz całkowitym zarzucaniem wyniesienia 3.
Specyfika mikro- i nano-satelitów (jak
również, specyfika niektórych podmiotów
mogących zlecać usługi wynoszenia tychże
satelitów – np. uniwersytetów), wymusza
stosowanie dostosowanych do tejże środków
transportu, których dostępność jest w chwili
obecnej znacznie ograniczona. Z uwagi na
brak adekwatnych środków wynoszenia, popyt
na wynoszenie lekkich ładunków jak dotąd
zmaterializował się w niewielkim stopniu.
Jakkolwiek ocena wielkości takiego - w dużej
mierze potencjalnego - rynku jest dosyć
utrudniona, istniejące analizy wskazują na
znaczną elastyczność cenową popytu na usługi
wynoszenia małych ładunków: ilość ładunków
finansowanych przez np. uniwersytety może
wzrosnąć w wyniku względnie skromnego
spadku cen wynoszenia, zaś obniżka cen
wynoszenia małych ładunków rzędu 75%
3 Matt Bille i Robyn Cane, „Practical microsat launch systems: economics and technology”, Sierpień 2003, s. 3,
dostępne pod adresem internetowym http://www.mitre.org/work/tech_papers/tech_papers_03/kane_mls/kane_mls.
pdf
89
Projekt Foresight
może skutkować ponad 200% wzrostem ilości
wyniesień w roku 20214. Można dostrzec
zainteresowanie
potencjalnych
nowych
dostawców w zagospodarowaniu tego jak
dotąd uśpionego popytu na lekki transport
kosmiczny – interesującym tego przykładem
może być rosyjsko-kazachski projekt systemu
„Iszim”
służącego
wynoszenia
lekkich
ładunków, z wykorzystaniem myśliwców
Mig-31 jako platform startowych dla rakiet
nośnych.
Wahadłowiec Discovery na lądowisku
3.2. Turystyka kosmiczna
Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w
2002r. po raz pierwszy przebywał “kosmiczny
turysta”. Amerykański milioner Dennis Tito
zapłacił 20 milionów dolarów za osiem dni
pobytu w kosmosie - i za przejście do historii.
Od tamtej pory w kosmos poleciało jeszcze 4
turystów, w tym jedna kobieta.
Bieżące ceny (21 mln USD) oraz fakt, że
oferowanie usług jest w całości uzależnione
od dostępności miejsc na pokładzie jedynego
środka transportu orbitalnego (Soyuz)5.
czynią wątpliwym jakikolwiek znaczący
przyrost popytu w najbliższych latach. Badania
opublikowane przez firmę Futron w roku 2002
wskazują duże zwyżki popytu w przypadku
obniżenia cen do kolejno 5 mln i 1 mln USD –
w tym ostatnim przypadku mowa o przyroście
4-krotnym. Rzeczywisty „start” tego rynku
jest możliwy dopiero w przypadku znacznego
skoku technologicznego w sektorze transportu
orbitalnego
umożliwiającego
drastyczne
obniżenie kosztów (poprzez np. pojawienie
się na rynku komercyjnym pojazdów typu
RLV („Re-usable Launch Vehicle”), tudzież
pojawieniu się na rynku nowych typów
tanich rakiet nieodzyskiwalnych), przez co
wyłonienie wiarygodnych prognoz rozwoju
tego rynku jest wysoce utrudnione.
Źródło: ESA
Nieco inaczej przedstawia się sytuacja na rynku
turystyki suborbitalnej. W najbliższym czasie,
najpewniej począwszy od roku 2008, możemy
przewidywać rozpoczęcie wykonywania usług
przez firmy Virgin Galactic oraz Rocketplane
Kistler.
Najbardziej prawdopodobny zwycięzca w
wyścigu o rynek turystyki suborbitalnej-Virgin
Galactic przyjął co najmniej 60.000 zgłoszeń,
w całości lub w części cenę biletu (200.000
USD) uiściło co najmniej 200 osób, suma
Prognoza popytu na loty suborbitalne
Źródło: Futron, rok 2006
4 Futron Corporation, NASA ASCENT Study Final Report, 31 styczeń 2003 r., s. 53 i 57., dostępne pod adresem
internetowym http://www.futron.com/pdf/resource_center/reports/ASCENTFinalReport_V1.pdf
5 Począwszy od wiosny 2007 co najmniej do jesieni 2008 nie będą miały miejsca jakiekolwiek loty turystyczne.
90
Projekt Foresight
Prognoza przychodów sektora turystyki suborbitalnej
Źródło: Futron, rok 2006
płatności za sprzedane bilety przekroczyła
16,4 mln USD. Cena biletu z czasem ma ulec
obniżeniu do ok. 80 tys. USD.
Spośród pierwszych 100 osób, dla których
zarezerwowano miejsca na pokładzie SS2,
55% to Amerykanie; wśród 60,000 zgłoszeń,
30% pochodzi z USA, 15% z Wielkiej Brytanii
oraz 10% z Australii.
Warto podkreślić, że rozwój technologii na
potrzeby lotów suborbitalnych może mieć
znaczący wpływ na postęp technologiczny w
konstrukcji rakiet i środków wynoszenia na
orbitę, jak również prowadzenie operacji na
orbicie (np. serwisowanie satelitów).
4. Badania
naukowe
eksploracja kosmosu
i
W potocznym rozumieniu pojęcie „technologie
kosmiczne” kojarzy się z badaniami naukowymi
i eksploracją przestrzeni kosmicznej – i
rozumienie takie jest jak najbardziej słuszne,
mimo że wiele z rozwiązań, które powstało lub
rozwinęło się na potrzeby programów badań
kosmosu, jest dziś powszechnie stosowanych
w codziennym życiu, np. komputery, roboty,
nowoczesne urządzenia elektroniczne i
telekomunikacyjne.
Badania naukowe przestrzeni kosmicznej
stanowią znaczącą pozycję w budżetach
cywilnych agencji kosmicznych wielu państw:
w 2005 r. budżet „naukowy” NASA wyniósł
Próbnik Huygens oddziela się od sondy Cassini
Źródło: ESA
91
Projekt Foresight
4 mld dolarów, a programy Europejskiej
Agencji Kosmicznej (ESA) w 2006 roku, inne
niż użytkowe i rozwoju systemów wynoszenia
(m.in. technologiczny, załogowy i stricte
naukowy) – ok. 1 mld euro.
4.1
Eksploracja bezzałogowa
Pierwszym krokiem człowieka w kosmos było
umieszczenie przez Związek Radziecki na
orbicie okołoziemskiej pierwszego sztucznego
satelity – Sputnika 1; od tamtej pory
nieprzerwanie trwa bezzałogowa eksploracja
Układu Słonecznego. Rozwijana na potrzeby
badań przestrzeni kosmicznej robotyka
(zwłaszcza powierzchniowa) oraz systemy
sztucznej inteligencji znajdują zastosowanie
w wielu dziedzinach nowoczesnej „ziemskiej”
gospodarki.
Lądowniki i łaziki
Ponieważ misje kosmiczne są czasochłonne
i bardzo kosztowne, od samego początku
starano się maksymalizować zdobytą przy ich
Robot mobilny – ExoMars Rover
pomocy wiedzę. W tym celu w miarę możliwości
wyposażano sondy w lądowniki, a następnie
lądowniki w pojazdy, zdolne do eksploracji
okolicy miejsca lądowania. Księżyc, czy
nawet Mars, znajdują się stosunkowo blisko
Ziemi, co pozwala nadzorować pracę takich
pojazdów zdalnie. Jednak zbadana strefa jest
niewielka w porównaniu z rozmiarami globu
planetarnego. Równocześnie organizowane
są misje do odległych planet, w których
opóźnienia transmisji sięgają kilku godzin,
co praktycznie uniemożliwia bieżący nadzór
z Ziemi. Koszty takich misji liczone są
czasem w miliardach dolarów, więc również
oczekiwania co do efektów naukowych są
duże – konieczne jest więc badanie możliwie
rozległych obszarów przy jednoczesnym
wzroście autonomii misji. Prowadzi to do
prób budowy coraz inteligentniejszych i
bardziej złożonych robotów mobilnych i
innych pojazdów planetarnych oraz możliwie
efektywnego
wykorzystania
wysyłanych
narzędzi badawczych.
Tam, gdzie to możliwe nowe misje kosmiczne,
zwłaszcza na Księżyc i Marsa, będą wyposażane
w pojazdy powierzchniowe do eksploracji
terenu, balony, sterowce i samoloty do
penetracji z powietrza (zakładając, że badany
glob posiada atmosferę) oraz penetratory
gruntowe do badań podpowierzchniowych.
Poniżej znajduje się lista przyszłych
misji wyposażonych w lądowniki, wraz z
spodziewanymi datami wystrzelenia:
–
Rosetta (w drodze)
–
Phoenix (2007)
–
Fobos-Grunt (2009)
–
MSL (2009)
–
LUNAR-A (2010)
–
Łuna-Głob (2012)
–
Chang’e 2 (2012)
–
ExoMars (2013)
–
Wieniera-D (2016)
–
Chang’e 3 (2017)
Do tej listy dołączą także lądowniki misji
NASA, które obecnie oczekują na akceptację,
takie jak Mars Scout (2012), MSR i kolejne.
Źródło: ESA
92
Projekt Foresight
Zespoły robotów
Podstawową zmianą w podejściu do eksploracji
bezzałogowej, jaką już można zaobserwować,
jest wykorzystanie zorganizowanych grup
narzędzi badawczych (satelitów, łazików,
penetratorów itd.) współpracujących ze
sobą w trakcie wspólnej misji. Organizacja
w zespoły badawcze pozwala efektywnie
dobierać obiekty badań oraz zwiększa szanse
powodzenia misji. Lepsza integracja takich
zespołów, ich autonomia oraz sztuczna
inteligencja
(samodzielne
planowanie
i modyfikowanie harmonogramu celów
do realizacji) są obecnie przedmiotem
intensywnych prac.
Rezygnacja z wysyłania pojedynczych
lądowników czy robotów mobilnych na rzecz
rozwoju systemów współpracujących ze
sobą instrumentów (satelitów, lądowników,
robotów mobilnych, penetratorów, balonów
itp.) pozwoli na większy zakres dopuszczalnego
ryzyka przypadającego na pojedynczy
Źródło: NASA JPL
93
Projekt Foresight
element misji przy równoczesnym zachowaniu
wysokich
standardów
niezawodności
misji. Jednakże zaletą takiego podejścia
jest nie tylko prosta redundancja, ale też
przyspieszenie realizacji założonych celów,
większa mobilność, możliwość uproszczenia
konstrukcji
poszczególnych
elementów
zespołu oraz realizacji zadań niemożliwych
do zrealizowania przy pomocy pojedynczego
pojazdu.
W 1996 roku w NASA JPL stworzono koncepcję
misji kosmicznej, w której udział biorą całe
roje niedużych robotów badawczych. Wizja
zakłada produkcję kilku klas pojazdów,
wzorowanych na owadach. Pojazdy te
dysponowałyby
podobną
ruchliwością,
zręcznością jak nieduże owady. Zintegrowane
z pojazdami miniaturowe sensory i kamery
umożliwiłyby realizację programu badawczego.
Poszczególne grupy robotów posiadałyby
różne zdolności przemieszczania się – jedne
jeździłyby lub pełzały po powierzchni, inne
wkopywały się w grunt, jeszcze inne, dzięki
małe masie mogłyby latać. Taki rój sztucznych
owadów byłby wszechstronnym narzędziem
badawczym, pozwalającym na kompleksowe
gromadzenie informacji o powierzchni i
atmosferze badanej planety.
Omawiane roboty podzielone byłyby na
kategorie w zależności od ich zdolności
mobilnych – wyróżniano by więc typ jeżdżący,
pełzający, skaczący, latający, kopiący itd.
Każdy z tych typów dopasowany byłby do
specyficznych zadań określonych przez sposób
przemieszczania się oraz zestaw sensorów
znajdujących się na wyposażeniu robota. Te
owadzie pojazdy byłyby zdalnie sterowane
lub też w pełni autonomiczne.
Produkowane masowo, tanie i łatwo
zastępowalne roboty byłyby przystosowane do
pełnienia określonej funkcji, np. radiolatarni
lub
radioprzekaźników,
dzięki
którym
możliwa byłaby nawigacja i komunikacja
między lądownikiem i większymi pojazdami
badawczymi. Również zebrane przez roje
robotów dane pomiarowe umożliwiłyby lepszy
dobór celów badawczych dla większych
robotów.
Przedstawiona wizja jest bardzo futurystyczna,
jednak trwają prace nad oceną jej realności.
Można spodziewać się stopniowej realizacji
niektórych jej założeń, a co za tym idzie
– wykorzystania coraz liczniejszych grup
robotów mobilnych w kolejnych misjach
eksploracji planet.
Przywóz próbek na Ziemię
Szczególnym rodzajem misji kosmicznych są
pojazdy wyposażone w urządzenia do pobrania
próbek i wysłania ich na Ziemię. Do niedawna
jedynymi
próbkami
były
przywiezione
przez astronautów amerykańskich i sondy
radzieckie próbki skał księżycowych. Zmieniło
się to ostatnio dzięki dwóm amerykańskim
misjom – Genesis (przywóz próbek wiatru
slonecznego) i Stardust (przywóz materii
kometarnej). Również Japonia wysłała
misję wyposażoną w urządzenie powrotne
– Hayabusa – której zadaniem było pobranie
próbki gruntu z planetoidy Itokawa, co jednak
się nie powiodło.
Należy oczekiwać kolejnych misji, których
celem będzie przywiezienie próbek gruntu na
Ziemię. Z zapowiedzianych wymienić można
rosyjską sondę Fobos-Grunt (przywóz próbek
z księżyca Marsa – Fobosa, start w 2009 roku),
amerykańską lub amerykańsko-europejską
misję Mars Sample Return (orientacyjna
data startu – 2013 rok) i chińską Chang’e
3 (przywóz próbek z Księżyca, start w roku
2017). W związku z amerykańskimi planami
Sonda podczas pobierania próbek z powierzchni
Źródło ISAS
94
Projekt Foresight
4.2
Eksploracja załogowa
Pierwszym człowiekiem w kosmosie był
Jurij Gagarin, który 12 kwietnia 1961r. na
pokładzie statku Vostok 1 po raz pierwszy
okrążył Ziemię. Lata 60. to okres „wyścigu na
Księżyc” między USA i ZSRR, zakończonego
zwycięstwem Amerykanów w 1969 r. Po
rezygnacji z programu Apollo obecność
człowieka w kosmosie ograniczała się do
lotów na orbicie okołoziemskiej i – od 1986r.
– stacji kosmicznych (MIR, potem ISS).
Ten stan rzeczy ma ulec zmianie dzięki
realizacji nowego amerykańskiego planu
eksploracji kosmosu, przedstawionego przez
prezydenta Busha w styczniu 2004. Cele
nowej strategii kosmicznej USA to:
�
Ukończenie budowy Międzynarodowej
Stacji Kosmicznej do 2010r. Aby to osiągnąć,
jak najszybciej zostaną wznowione loty
wahadłowców (oczywiście z uwzględnieniem
nowych norm bezpieczeństwa wprowadzonych
po katastrofie Columbii) – co nastąpiło
w lipcu 2005r. Po dostarczeniu na orbitę
wszystkich elementów ISS program Space
Shuttle będzie zakończony. Równocześnie
badania naukowe na pokładzie stacji,
przynajmniej w laboratorium amerykańskim,
mają się koncentrować na problemach
wpływu długotrwałego przebywania w stanie
nieważkości na organizm człowieka, co
będzie wstępem do realizacji kolejnego celu
programu.
–mogą się rozpocząć najwcześniej w 2018
r. Według zapowiedzi Scotta Horowitza,
wysokiego rangą urzędnika NASA ds. badań,
od 2020 roku na tygodniowe misje na Księżyc
mają latać czteroosobowe załogi. W miarę,
jak budowana na Księżycu baza będzie
coraz lepiej wyposażona, ludzie będą mogli
pozostawać w niej nawet przez pół roku, a od
około 2024 roku stacja zostanie zasiedlona
na stałe. Długotrwała obecność człowieka na
Księżycu w stale zamieszkanej bazie to punkt
wyjścia do dalszej eksploracji. Amerykańskie
plany przewidują wykorzystywanie surowców
znajdujących się na Księżycu m.in. jako
paliwa rakietowego i do wytwarzania tlenu.
Ponadto start ciężkich pojazdów kosmicznych
bezpośrednio z Ziemi to – z powodu dużej
siły grawitacji – energochłonne i kosztowne
przedsięwzięcie;montowanie ich na Księżycu
z gotowych elementów i zaopatrywanie na
miejscu
Start wahadłowca Discovery
�
Budowa i testy nowego załogowego
pojazdu kosmicznego, tzw. Crew Exploration
Vehicle/Orion.
Nowy
pojazd
zastąpi
wahadłowce jako środek transportu na ISS,
lecz jego głównym zadaniem będzie transport
załóg poza orbitę Ziemi. Pierwszy lot załogowy
powinien odbyć się najpóźniej w 2014 r.
�
Powrót
na
Księżyc
do
2020r.
Począwszy od 2008 r., na Księżyc mają być
wysyłane zautomatyzowane misje, których
celem będzie badanie jego powierzchni i
przygotowanie do lotów załogowych, które
– przy pomocy Crew Exploration Vehicle
Źródło: ESA
95
Projekt Foresight
w paliwo może okazać się rozwiązaniem
tańszym. Wreszcie baza księżycowa służyłaby
jako laboratorium do testowania nowych
rozwiązań technologicznych i urządzeń w
środowisku jak najbardziej zbliżonym do
warunków przestrzeni kosmicznej.
�
Dalsze załogowe loty, w domyśle –
misja na Marsa wykorzystująca doświadczenia
zdobyte na Księżycu. Pierwszym krokiem
będzie intensyfikacja misji automatycznych,
sond i lądowników, lecz ostateczny cel to
obecność człowieka na czerwonej planecie.
Realizacja tego programu z jednej strony
wymaga, a z drugiej umożliwia znaczny postęp
technologiczny – nowe generacje napędów,
systemy i urządzenia zdolne do długotrwałej
pracy w kosmosie.
Również ESA wspólnie z Rosją rozważa
rozpoczęcie programu załogowego o nazwie
Advanced Crew Transportation System
(ACTS). Jego zadania byłyby podobne do
stawianych przed amerykańskim Orionem.
Pojazd mógłby wejść do użytku w 2015 lub
2016 roku.
Po udanym locie załogowym przeprowadzonym
przez Chiny (2003 i 2005), także w Indiach
odezwały się głosy nawołujące do rozpoczęcia
programu
załogowego.
Z
informacji
podanych przez ISRO wynika, że miałaby to
być dwuosobowa kapsuła wynoszona przy
pomocy rakiety GSLV. Pierwszy lot załogowy
byłby możliwy w 2014 roku.
4.3
Stacje kosmiczne
W latach osiemdziesiątych Stany Zjednoczone,
Europejska Agencja Kosmiczna i Związek
Radziecki opracowywały plany budowy stale
zamieszkanej stacji kosmicznej. Jedynie
to ostatnie państwo urzeczywistniło te
zamierzenia, umieszczając na orbicie w
maju 1986r. stację Mir (nie uwzględniając
amerykańskiego Skylaba, który powstał „przy
okazji” programu Apollo).
W 1984 pojawiły się pierwsze plany budowy
międzynarodowej stacji kosmicznej wspólnie
przez USA, Japonię, Kanadę i Europejską
Agencję Kosmiczną. W 1993 do tej inicjatywy
dołączyła Rosja.
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna powstała
w wyniku połączenia projektów budowy
rosyjskiej stacji Mir 2, amerykańskiej
Freedom oraz europejskiej Columbus.
Pierwsze moduły stacji zostały wyniesione
na orbitę i połączone w 1998 roku. Pierwsza
stała załoga zamieszkała na niej w roku
2000. Stacja ma docelowo składać się z 16
modułów (obecnie z 6) i liczyć 6 osób stałej
załogi (aktualnie na jej pokładzie może
jednocześnie przebywać 3 kosmonautów).
ISS jest zasilana przez baterie słoneczne, a
transportem ludzi i materiałów zajmują się
amerykańskie wahadłowce programu STS (od
lutego 2003 do 26 lipca 2005 wstrzymane z
powodu katastrofy Columbii) oraz rosyjskie
rakiety Sojuz i Proton.
Budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej
miała przebiegać w 3 etapach i zakończyć się
najpóźniej do 2010r. Planowany budżet na
okres od roku 1994 do ukończenia budowy
miał zamknąć się w kwocie 17,4 miliarda
dolarów, lecz do momentu wystrzelenia
pierwszego modułu w końcu 1997 roku wzrósł
ponad dwukrotnie, do 40 miliardów dolarów.
Tak znaczący wzrost kosztów projektu oraz
problemy techniczne (np. wstrzymanie lotów
amerykańskich wahadłowców po katastrofie
Columbii) wpłynęły negatywnie na tempo
prac. Do ich ukończenia niezbędne jest
jeszcze kilkadziesiąt lotów kosmicznych
(wahadłowców
i
rakiet
Progress
z
zaopatrzeniem). Szacuje się, że łączny koszt
budowy, utrzymywania i wysyłania kolejnych
ekspedycji na Międzynarodową Stację
Kosmiczną przekroczy 100 miliardów dolarów.
Wobec zużywania tak ogromnych środków
rośnie liczba przeciwników projektu, którzy
widzą w nim stratę czasu i pieniędzy, jakie
mogłyby umożliwić wysłanie wielu tańszych i
efektywniejszych misji bezzałogowych.
ISS jest wykorzystywana do badań nad
fizjologicznymi
efektami
długotrwałego
przebywania ludzi w przestrzeni kosmicznej,
96
Projekt Foresight
a także do prowadzenia szeregu badań i
eksperymentów naukowych, szczególnie w
warunkach mikrograwitacji, niemożliwych do
osiągnięcia na Ziemi.
W związku ze zbliżającym się wycofaniem
amerykańskich wahadłowców z użytku,
koniecznie stało się przyspieszenie prac nad
Międzynarodową Stacją Kosmiczną, gdyż
do jej ukończenia niezbędne są właśnie
te pojazdy. W celu złagodzenia skutków
kilkuletniej przerwy pomiędzy wycofaniem
wahadłowców i wejściem do użytku nowego
statku, NASA rozpoczęła program Commercial
Orbital Transportation Services (COTS),
którego celem jest doprowadzenie do
przejęcia przez firmy komercyjne transportu
ładunków i ludzi na stację i z powrotem na
Ziemię przy pomocy zbudowanych przez nie
pojazdów kosmicznych.
moduły Nautilus.
Również Chiny przygotowują się do budowy
własnej stacji kosmicznej. Brak oficjalnych
informacji na temat jej parametrów, ale
należy oczekiwać, że do roku 2012 będą to
raczej zespoły dwóch statków załogowych,
cumujących do siebie lub do modułu
orbitalnego pozostawionego przez któryś
ze statków poprzednich. Następnie Chiny
prawdopodobnie wyniosą na orbitę małą
stację będącą odpowiednikiem radzieckiej
stacji Salut.
W przypadku Rosjan należy oczekiwać
skupienia się na Międzynarodowej Stacji
Kosmicznej, gdyż w związku z wycofaniem
amerykańskich wahadłowców z użytku, to
na nich spocznie ciężar zapewnienia obsługi
ISS.
ISS
Źródło: ESA
Firmy prywatne, uznając potencjał komercyjny
turystyki kosmicznej, również przystąpiły do
realizacji projektów związanych z budową
własnych stacji kosmicznych. Przykładem
może być Bigelow Aerospace, który obecnie
testuje na orbicie prototyp w skali 1:3
nadmuchiwanego modułu stacji kosmicznej.
W 2008 roku planowane jest wystrzelenie
docelowego modułu Nautilus. Moduły te
mają być oferowane zainteresowanym na
zasadach komercyjnych. Rok 2010 podawany
jest jako data budowy pierwszej prywatnej
stacji kosmicznej CSS Skywalker, pełniącej
rolę kosmicznego hotelu. Rozważa się nawet
budowę kosmicznych jachtów, w oparciu o
97
Projekt Foresight
Lista technologii, których powinny być rozwijane dla potrzeb operacji na powierzchni Księżyca,
zawarta w dokumencie „NASA’s Exploration Systems Architecture Study” z listopada 2005.
98
Projekt Foresight
99
Raporty I fazy Projektu Foresight
Kierunki rozwoju systemów satelitarnych:
główne trendy
łączność satelitarna
satelitarna obserwacja Ziemi
nawigacja satelitarna
technologie kosmiczne
Wszystkie raporty są dostępne na
stronie internetowej Polskiego Biura
ds. Przestrzeni Kosmicznej:
www.kosmos.gov.pl
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
ul. Bartycka 18 A
00-716 Warszawa
tel./faks: + 48 (22) 840 01 98
e-mail: [email protected]

Kierunki rozwoju systemów satelitarnych

Transkrypt

Podobne dokumenty

Technologie kosmiczne - Polskie Biuro do spraw Przestrzeni

slajdy prezentowane na wykładzie

Wykorzystanie obserwacji satelitarnych