miniatura|Sistema de navegació per satèl·lit amb carta nàutica electrònica d'un vaixell petrolier.
Un sistema de navegació per satèl·lit (o la sigla GNSS de l'anglès Global Navigation Satellite System) és una tecnologia basada en satèl·lits que proveeix d'informació de posicionament geoespacial a una escala global. Permet que petits receptors electrònics calculin la localització (longitud, latitud i altitud) amb una elevada precisió (amb un marge d'error de pocs metres) utilitzant els senyals de ràdio de diversos satèl·lits amb els quals tinguin línia de visió. El receptor recull els senyals sincronitzats enviats periòdicament pels satèl·lits i a través de diferents paràmetres (retard, desfasament, variacions en la freqüència) n'estableix la distància relativa. Coneixent la posició de diversos satèl·lits i coneixent la seva posició relativa es pot determinar, mitjançant tècniques similars a la triangulació, la posició del receptor. Els senyals també permeten calcular l'hora local amb una gran precisió, permetent la sincronització horària. Un sistema de navegació per satèl·lit amb xarxa amb cobertura global (a tot el planeta) s'anomena GNSS (acrònim en anglès de Global Navigation Satellite System).
Els receptors sovint incorporen un programari avançat que permet calcular rumbs i velocitat, així com combinar les coordenades rebudes amb mapes de carreteres o rutes marítimes i que faciliten el seguiment de rutes determinades. Alguns receptors fins i tot suggereixen els camins òptims a seguir. En alguns països es combinen les dades rebudes per satèl·lit amb altres canals d'informació (sovint ràdios d'emissió terrestre) que proporcionen l'estat del trànsit en totes les vies, obtenint de forma automàtica rutes per evitar aglomeracions de trànsit.
A data d'abril de 2013 només hi ha dos sistemes de navegació per satèl·lit amb cobertura global: el NAVSTAR Global Positioning System (GPS), operat pels Estats Units, i el sistema GLONASS operat per Rússia. Xina està en procés d'expansió del seu sistema, anomenat Beidou, i té planificat arribar a una cobertura global l'any 2020. El sistema Galileo de la Unió Europea es troba en la fase de desplegament inicial, amb previsió de plena operativitat a partir del 2020.
Història i antecedents miniatura|Estació LORAN a Malone, Florida. miniatura|Satèl·lit Transit-1A Un precursor primerenc dels sistemes de navegació per satèl·lit van ser els sistemes terrestres LORAN i Omega, que utilitzaven radiotransmissors de baixa freqüència (100 kHz) terrestres en comptes dels satèl·lits en òrbita. Aquests sistemes difonien un senyal de ràdio des d'una localització "mestra" coneguda, seguit per senyals repetits des d'un nombre d'estacions "esclaves". El retard entre la recepció i l'enviament del senyal en les estacions auxiliars era mesurat, permetent als receptors comparar el retard entre la recepció i el retard entre enviats. A través d'aquest mètode es pot conèixer la distància a cadascuna de les estacions auxiliars.
El primer sistema de navegació per satèl·lit va ser el Transit, un sistema desplegat per l'exèrcit dels Estats Units els anys 1960. La tecnologia emprada es basava en l'efecte Doppler. Els satèl·lits viatgen en trajectòries conegudes i difonen els seus senyals a una freqüència coneguda. La freqüència rebuda es diferencia lleugerament de la freqüència difosa a causa del moviment del satèl·lit respecte al receptor. Monitoritzant aquest canvi de freqüència a intervals curts, el receptor pot determinar la seva localització a un costat o l'altre del satèl·lit, la combinació de diverses d'aquestes mesures, unida a un coneixement exacte de l'òrbita del satèl·lit permetien fixar una posició concreta.
El sistema GPS va ser el primer sistema de navegació per satèl·lit global i el més utilitzat i conegut encara avui en dia. Va ser desenvolupat el 1973 per superar les limitacions dels sistemes anteriors, Chapter 1, p. 16 El sistema GPS va ser creat i portat a terme pel Departament de Defensa dels Estats Units i originalment havia de comptar amb 24 satèl·lits. L'any 1995 va arribar a l'estat operatiu obrint-se també més tard als usos civils.
Tot i això el sistema Glonass també es va desenvolupar des de l'any 1968 i s'ha anat modernitzant fins a ser un sistema d'abast mundial i ús públic a partir del 2013.
Teoria i característiques fonamentals La radionavegació per satèl·lit es basa en el càlcul d'una posició sobre la superfície terrestre mesurant les distàncies d'un mínim de tres satèl·lits de posició coneguda. Un quart satèl·lit aportarà, a més, l'altitud. La precisió de les mesures de distància determina l'exactitud de la ubicació final. A la pràctica, un receptor capta els senyals de sincronització emesa pels satèl·lits que conté la posició del satèl·lit i el temps exacte en què aquesta va ser transmesa. La posició del satèl·lit es transmet en un missatge de dades que se superposa en un codi que serveix com a referència de la sincronització. Empra un motor de correlació que ho calcula directament en un maquinari especialitzat. miniatura|Comparació de les Orbites geoestacionària, GPS, GLONASS, Galileo, Compass (MEO), Estacio Espacial Internacional (ISS), Telescopi espacial Hubble, Constel·lació d' Iridium i orbites de Gravetat. Amb els cinturons de radiació Van Allen i la Terra a escala.[a] La orbita de la lluna es unes 9 vegades mes gran que la geoestacionària.[b] (In the SVG file, hover over an orbit or its label to highlight it; click to load its article.) La precisió de la posició depèn de l'exactitud de la informació del temps, cal que la mesura d'aquest sigui exacte en els diferents satèl·lits per calcular diferències en el senyal molt petites. Només els cronòmetres atòmics proveeixen la precisió requerida de l'ordre de nanosegons (10-9 s). Per això el satèl·lit utilitza un rellotge atòmic per estar sincronitzat amb la resta de satèl·lits del sistema. El receptor compara el temps de la difusió, que s'envia codificat amb la transmissió, amb el temps de la recepció, mesurat pel mateix rellotge, obtenint el "temps de vol" del senyal des del primer satèl·lit. Aquests cronòmetres constitueixen un element tecnològic fonamental a bord dels satèl·lits que conformen les constel·lacions GNSS i poden contribuir a definir patrons de temps internacionals. La sincronització es millorarà amb la inclusió del senyal emès per un quart satèl·lit. En el disseny de la constel·lació de satèl·lits es presta atenció especial a la selecció del nombre d'aquests i a les seves òrbites, perquè sempre estiguin visibles en quantitat suficient des de qualsevol lloc de la superfície terrestre i així assegurar la disponibilitat i precisió del senyal.
miniatura|Encreuament del senyal de 3 satèl·lits.
Cada mesura de la distància posa al receptor en una semiesfera d'ones de ràdio que permeten calcular la separació amb el satèl·lit emissor. Prenent diverses mesures i després buscant el punt on es tallen, s'obté la posició. No obstant això, en el cas d'un receptor mòbil que es desplaça ràpidament, la posició del senyal es mou mentre que els senyals de diversos satèl·lits són rebuts. A més, els senyals de ràdio es retarden una mica quan passen a través de la ionosfera. El càlcul bàsic procura trobar la línia tangent més curta a quatre semiesferes centrades en quatre satèl·lits. Els receptors de navegació per satèl·lit redueixen els errors usant combinacions de senyals de múltiples satèl·lits i correlacions múltiples, utilitzant llavors tècniques com filtres de Kalman per combinar les dades parcials, afectats per soroll i en constant canvi, en una sola estimació de posició, temps i velocitat.
Sistemes de Posicionament per Satèl·lits actuals Actualment, el Sistema de Posicionament Global (GPS) dels Estats Units d'Amèrica i el Sistema Orbital Mundial de Navegació per Satèl·lit (GLONASS) de la Federació Russa són els únics que formen part del concepte GNSS. El Panell de Sistemes de Navegació (NPS), l'ens de l'Organització Internacional d'Aviació Civil encarregat d'actualitzar els estàndards i pràctiques recomanades del GNSS, té en el seu programa de treball corrent l'estudi de l'addició del sistema de navegació per satèl·lit Galileo desenvolupat per la Unió Europea.
Altres sistemes de navegació satelital que podrien ser o no adoptats internacionalment per a l'aviació civil com a part del GNSS i que estan en procés de desenvolupament són el Beidou/Compass Navigation Test System de la República Popular de la Xina, el QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) del Japó i el IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) de l'Índia.
NAVSTAR-GPS miniatura|Investigadors instal·len instrumental meteorològic i un receptor GPS sobre l'iceberg B-15A.
El NAVSTAR-GPS (Navigation System and Ranging - Global Position System), conegut simplement com a GPS, és un sistema de radionavegació basat en satèl·lits que utilitza mesures de distància precises de satèl·lits GPS per determinar la posició (el GPS té un error nominal en el càlcul de la posició d'aproximadament 15 m) i l'hora arreu del món. El sistema és operat pel Departament de Defensa del Govern dels Estats Units. El sistema està format per una xarxa de 24 a 27 satèl·lits que es mouen en òrbita a 20.000 km aproximadament, al voltant de sis plans amb una inclinació de 55 graus.
GLONASS
El Sistema Mundial de Navegació per Satèl·lits (GLONASS) proporciona determinacions tridimensionals de posició i velocitat basades en els mesuraments del temps de trànsit i de desviació Doppler dels senyals de ràdio freqüència (RF) transmesos pels satèl·lits GLONASS. El sistema és operat pel Ministeri de Defensa de la Federació Russa i ha estat utilitzat com a reserva per alguns receptors comercials de GPS.
Després del desmembrament de la Unió Soviètica i a causa de la manca de recursos, el sistema va perdre operativitat en no reemplaçar els satèl·lits. En l'actualitat (2019) el govern rus amb participació de socis privats, ha aconseguit que la xarxa GLONASS torni a estar operativa completament i pugui donar servei al mateix nivell que GPS, tot millorant el posicionament als pols, degut a la distribució dels seus satèl·lits.
Sistemes de Posicionament per satèl·lit en projecte Actualment diversos països intenten desenvolupar sistemes propis; com és el cas de la Xina, Japó, Índia, França o Europa.
Galileo
Galileo és la iniciativa de la Unió Europea i l'Agència Espacial Europea, que van acordar desenvolupar un sistema de radionavegació per satèl·lit d'última generació i d'abast mundial propi, que brinda un servei d'ubicació a l'espai precís i garantit, sota control civil.
El sistema Galileo, amb un cost estimat de 300.000 milions d'euros, comprendrà una xarxa de 30 satèl·lits dividits en tres òrbites circulars, a una altitud d'aproximadament 24.000 km, que cobriran tota la superfície del planeta. Aquests estaran recolzats per una xarxa mundial d'estacions terrestres. El primer satèl·lit va ser llançat el 28 de desembre de 2005 i s'espera que el sistema estigui completament operatiu a partir del 2020 (amb un retard important sobre l'inicialment previst). Galileo serà compatible amb la propera generació de NAVSTAR-GPS que estarà operativa a partir del 2012. Els receptors podran combinar els senyals de 30 satèl·lits de Galileo i 28 del GPS, augmentant la precisió de les mesures.
Beidou
Beidou és un sistema de navegació per satèl·lit regional desenvolupat per la Xina. Aquesta versió amb cobertura a l'Àsia oriental i l'Oceà Pacífic compta amb 10 satèl·lits i va ser completada el desembre de 2011. Actualment estan ampliant la xarxa per esdevenir un sistema global amb previsió de completar-ho el 2020. Aquest sistema global s'anomenarà Compass.
Aplicacions Ús militar miniatura|El guiat de precisió fins a l'objectiu de míssils i bombes intel·ligents és un dels usos militars dels GNSS.