Супутники на орбіті вже стали невіддільною частиною нашого життя. Вони допомагають знайти дорогу в незнайомому місті, відстежити посилку на іншому кінці світу і навіть вийти в інтернет там, де немає наземної мережі. Існують різні глобальні навігаційні супутникові системи (GNSS) — американська GPS, європейська Galileo, китайська BeiDou, а також регіональні, як японська QZSS та індійська NavIC. Окрім навігаційних, розгортаються й великі супутникові системи зв’язку, зокрема Starlink (США) та OneWeb (Велика Британія), що забезпечують широкосмуговий інтернет із космосу. У цій статті ми розглянемо, як працюють основні супутникові системи навігації та зв’язку і чим вони відрізняються — від кількості супутників і типів орбіт до охоплення та призначення.
Навігаційні системи працюють за схожим принципом: кожен навігаційний супутник безперервно передає радіосигнал із дуже точним часом та своїми координатами. Приймач (наприклад, у вашому смартфоні чи автомобілі) приймає сигнали кількох супутників водночас і за різницею у часі їхнього надходження розраховує відстані до них. На основі цих даних приймач визначає своє місце розташування на Землі. Щоб отримати точну тривимірну позицію, потрібні сигнали принаймні від чотирьох супутників. Комунікаційні системи працюють інакше: вони створюють орбітальну інфраструктуру для передачі даних (інтернет-трафіку, телефонних повідомлень тощо) між віддаленими точками на Землі. Для цього десятки чи навіть тисячі телекомунікаційних супутників утворюють угрупування, яке забезпечує покриття сигналом великих територій Землі. Нижче ми детальніше розглянемо кожну з провідних систем.
GPS (США)
GPS (Global Positioning System) — найстаріша і найпоширеніша глобальна навігаційна система, розгорнута США. Первинно створена для військових потреб, сьогодні GPS безкоштовно доступна цивільним користувачам по всьому світу. Супутникове угрупування GPS налічує близько 31 активного супутника, що розміщені на середній навколоземній орбіті (приблизно 20 200 км над Землею). Орбіти розподілені так, щоб у будь-який момент у полі зору користувача перебувало щонайменше 4–6 супутників у різних частинах неба. Кожен апарат екіпірований високоточними атомними годинниками і передає сигнали часу та навігаційні повідомлення. Приймачі GPS визначають координати, вимірюючи час проходження сигналу від кількох супутників і обчислюючи відстані до них.
GPS забезпечує глобальне покриття з типовою горизонтальною точністю порядку кількох метрів для цивільних користувачів. Наприклад, звичайний смартфон визначає місце розташування з похибкою близько 5 м за сприятливих умов (відкритий горизонт, хороше приймання сигналу). Для професійних потреб точність можна підвищити до сантиметрів, використовуючи спеціальні двочастотні приймачі та системи диференційної корекції. Орбітальне угрупування GPS постійно модернізується: запускаються нові супутники з покращеними сигналами та вищою точністю, щоб підтримувати надійність системи. GPS знаходить застосування всюди — від автомобільних навігаторів і авіації до смартфонів, геодезії та банківської синхронізації часу.
Galileo (ЄС)
Galileo — це глобальна навігаційна система, яку розвиває Європейський Союз спільно з Європейською космічною агенцією (ESA). На відміну від GPS, Galileo перебуває під цивільним контролем, і Європа створила її для незалежності від американської та інших систем. Нині орбітальне угрупування Galileo після запуску GSAT-29 і -30 (квітень 2024) складається з 30 супутників на середній орбіті висотою близько 23 222 км. Супутники розміщені у трьох орбітальних площинах з нахилом ~56° до екватора, що забезпечує глобальне покриття від екватора до полярних широт. Перші сигнали Galileo почали використовуватися у 2016 році.
Galileo відома високою точністю позиціонування. Завдяки передачі сигналів на двох частотах для цивільних користувачів (що допомагає компенсувати вплив іоносфери), система забезпечує визначення місцеперебування з похибкою близько 1 м у стандартному режимі. За точністю відкритого сигналу Galileo перевершує GPS (де похибка ~3 м). Крім того, у 2023 році введений у дію спеціальний сервіс High Accuracy Service, що надає ще точніші корекції — до 20 см у горизонтальній площині для професійних застосувань. Galileo також інтегрує службу пошуку і рятування (SAR): супутники ретранслюють сигнали лиха від маячків та повідомляють постраждалому, що сигнал отриманий. Сьогодні більшість сучасних смартфонів і навігаторів підтримують Galileo нарівні з GPS, підвищуючи загальну надійність і точність визначення координат.
BeiDou (Китай)
BeiDou — китайська глобальна навігаційна супутникова система. Свою назву вона отримала від китайського слова «Північний Ківш», яке означає сузір’я Великої Ведмедиці. Розвиток системи відбувався поетапно: рання версія BeiDou-1 була регіональною, BeiDou-2 (Compass) забезпечила покриття Азійсько-Тихоокеанського регіону, а з 2020 року розгорнули BeiDou-3 — повноцінну глобальну систему. Нині її орбітальне угрупування складається з 35 супутників. На відміну від інших GNSS, BeiDou має змішану орбітальну конфігурацію: частина супутників рухається по середній навколоземній орбіті (~21 500 км), а частина розташована на геостаціонарних (близько 35 786 км) та нахилених геосинхронних орбітах. Зокрема, у фінальній конфігурації передбачено 3 супутники на геостаціонарній орбіті, 3 на похилих геосинхронних орбітах і 24 на середній орбіті. Геостаціонарні апарати «висять» над визначеними точками над екватором і особливо корисні для надання регіональних послуг у районі Китаю (наприклад, передачі коротких текстових повідомлень і диференційних поправок).
За точністю китайська система наближається до конкурентів. Згідно з офіційними даними, стандартна похибка визначення координат ~10 м для відкритого сервісу BDS. У реальних умовах в Китаї точність за рахунок використання місцевих наземних станцій може сягати кількох метрів, а для військових та спеціальних користувачів доступні закриті сигнали з вищою точністю. Система BeiDou повністю керується урядом КНР. Сьогодні все більше чипів у смартфонах і навігаційних пристроях підтримують BeiDou нарівні з GPS і Galileo, що підвищує надійність визначення місцеположення (багатосистемні приймачі можуть використовувати більше супутників на небосхилі). Запуск останнього, 35-го, супутника BeiDou-3 у червні 2020 року став знаковою подією — Китай офіційно оголосив про повне розгортання власної глобальної навігаційної системи.
QZSS (Японія)
QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), або «Мічібікі», — регіональна навігаційна система Японії. На відміну від глобальних GNSS, QZSS призначена в першу чергу для доповнення та підвищення точності GPS на території Східної Азії та Океанії, особливо в містах між хмарочосами та у горах, де сигнал GPS може затулятися перешкодами. Система належить уряду Японії й експлуатується компанією QZSSS. Офіційно QZSS почала надавати послуги у 2018 році, коли на орбіті було 4 супутники. Японські інженери обрали для них так звані «квазізенітні» орбіти — це високоеліптичні геосинхронні орбіти, що дозволяють супутнику більшу частину доби перебувати високо над визначеною точкою (близько Японії). Орбіта QZSS синхронізована з обертанням Землі (період ~24 години) й нахилена під кутом ~43°, завдяки чому супутники впродовж тривалого часу зависають майже в зеніті над територією Японії. QZS-6 уже забезпечує нове покоління точних сервісів і оборонного моніторингу, а QZS-5 готується довершити розгортання повноцінної, стійкої до збоїв японської навігаційної сітки до кінця 2025 року.
QZSS відіграє роль системи доповнення: вона транслює додаткові сигнали, сумісні з GPS, а також диференційні поправки, що підвищують точність позиціонування в регіоні. Зокрема, QZSS надає послугу Sub-meter Level Augmentation Service (SLAS) — субметрову поправку, і навіть Centimeter Level Augmentation Service (CLAS) — сервіс сантиметрового рівня точності для спеціальних приймачів. Випробування показують, що з використанням CLAS можна досягти точності порядку 10 см у реальному часі в Японії. Отже, QZSS суттєво покращує якість навігації на японських островах: навіть у густозабудованих районах сигнал із квазізенітних орбіт надходить під більш прямим кутом, ніж від супутників GPS, розташованих над горизонтом. У перспективі Японія матиме власну незалежну навігаційну систему регіонального охоплення, сумісну з іншими GNSS.
NavIC (Індія)
NavIC (Navigation with Indian Constellation) — індійська регіональна навігаційна система. Раніше була відома як IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), назва NavIC (що співзвучно зі словом «навік», тобто «мореплавець» або «керманич») була прийнята у 2016 році. Система належить Індійській організації космічних досліджень (ISRO) і розроблена для забезпечення незалежних навігаційних послуг на території Індії та в межах ~1500 км навколо неї. Орбітальне угруповання NavIC складається з 7 супутників: три з них розміщені на геостаціонарних орбітах (над екватором і постійно «висять» над фіксованими точками на довготі 32,5°E, 83°E та 131,5°E), ще чотири — на похилих геосинхронних орбітах (нахил ~29°, довгота висхідного вузла 55°E і 111,75°E). Всі супутники розташовані на висоті приблизно 36 000 км, здійснюючи один оберт за добу.
NavIC забезпечує регіональне покриття Індії з точністю позиціонування для цивільних користувачів до 20 м. Це дещо поступається глобальним системам, але достатньо для широкого кола задач навігації. Система надає два основних режими: відкриту службу (Standard Positioning Service) для всіх охочих та закриту (Restricted Service) для військових і спецслужб. В останні роки Індія активно просуває підтримку NavIC у смартфонах та автомобільних навігаторах, щоб підвищити її популярність. Наприклад, деякі нові моделі телефонів уже сумісні з сигналами NavIC. Мотивом створення власної системи було прагнення стратегічної автономії — щоб у разі конфлікту чи збоїв індійські військові та цивільні служби не залежали від GPS чи ГЛОНАСС. У 2023 році ISRO почала оновлення сузір’я NavIC: запущене нове покоління супутників з підтримкою додаткової частоти L1 для кращої сумісності з приймачами та підвищення точності. Попри регіональний масштаб, NavIC інтегрована у міжнародну систему пошуку і рятування Cospas-Sarsat та визнається Міжнародною морською організацією як складова всесвітньої системи радіонавігації.
Starlink (США)
Starlink — це глобальна супутникова система зв’язку, створена приватною американською компанією SpaceX. Її мета — забезпечити широкосмуговий доступ до інтернету будь-де на планеті за допомогою орбітального угрупування з тисяч малих супутників. На відміну від навігаційних систем, Starlink використовує низьку навколоземну орбіту (LEO) висотою близько 550 км. Супутники на такій висоті обертаються швидко (повний оберт ~95 хв) і покривають відносно невелику ділянку земної поверхні, тому для глобального покриття потрібна їхня велика кількість. SpaceX поступово розгортає одне з найбільших угрупувань в історії: станом на 30 травня 2025 року на орбіті 7578 КА, з яких 7556 працюють, що утворюють сітку з десятків орбітальних площин. Кінцева конфігурація першого покоління передбачає ~12 000 апаратів, а компанія має дозвіл на розгортання до 42 000 у майбутньому.
Кожен супутник Starlink важить ~260 кг і оснащений пласкими фазованими антенами для зв’язку з користувацькими терміналами, а також лазерними лінками для обміну даними між супутниками. Користувачі Starlink мають спеціальну невелику супутникову антену («тарілку»), яка автоматично стежить за переміщенням апаратів на небі. Сигнал від термінала йде до найближчого супутника, передається між супутниками (або до найближчої земної станції) і далі виходить в інтернет. Оскільки супутники літають низько, затримка сигналу невелика — ~20–40 мс, подібно до наземного інтернету. Однак кожен супутник перебуває над горизонтом конкретного термінала лише кілька хвилин, тому мережа спроєктована так, щоб одна антена встигала автоматично перемикатися з одного супутника на інший без втрати зв’язку.
Starlink уже надає високошвидкісний інтернет мільйонам користувачів у десятках країн світу. Система особливо корисна в регіонах, де відсутня розвинена наземна інфраструктура — сільська місцевість, гірські райони, океанічні судноплавні маршрути. Також Starlink використовується для забезпечення зв’язку під час надзвичайних ситуацій та в зонах військових конфліктів, де традиційні мережі зруйновані або недоступні. SpaceX продовжує регулярно запускати нові партії супутників (щомісяця здійснюються пуски ракет Falcon 9 з десятками апаратів), замінюючи вибулі та розширюючи покриття. Крім того, розгортаються апарати другого покоління (V2 Mini) з більшою пропускною здатністю. Найближчими роками Starlink планує започаткувати сервіс Direct-to-Cell — прямого під’єднання звичайних смартфонів до своїх супутників для відправлення SMS та дзвінків, а також забезпечити глобальний інтернет для авіації, морських суден і навіть полярних регіонів.
OneWeb (Велика Британія)
OneWeb — ще одне мегаугрупування супутників для інтернет-зв’язку. На відміну від Starlink, проєкт OneWeb орієнтований більше на корпоративних та державних клієнтів, надання інтернет-покриття для операторів зв’язку, морських та авіаційних перевізників, а також віддалених спільнот. Супутники OneWeb також розміщені на низькій орбіті, але значно вище за Starlink — приблизно на 1200 км над Землею. Вони рухаються по полярних орбітах (накреслюючи меридіани), тому для глобального покриття достатньо відносно меншої кількості апаратів. Перша черга системи складатиметься з 648 супутників на 12 орбітах з нахилом ~86,4°. Цього вистачить, щоб забезпечити інтернет-покриття майже 100 % населених територій планети (мінімум 600 активних супутників необхідно для глобального сервісу). Станом на середину 2023 року OneWeb вже запустила більшість із запланованих апаратів — понад 630 супутників на орбіті — й оголосила про завершення формування свого першого покоління угрупування.
Кожен супутник OneWeb важить ~150 кг та оснащений транспондерами Ku-діапазону для інтернет-зв’язку. Система використовує принцип «зворотного шлюзу»: користувацькі термінали (на землі, у літаках чи кораблях) зв’язуються із супутником, а той передає трафік на найближчу наземну станцію, під’єднану до інтернету. Через вищу орбіту затримка сигналу дещо більша (~50–100 мс), проте один супутник охоплює більшу площу, тому для глобального покриття потрібно менше апаратів. OneWeb планує забезпечувати швидкості інтернету до ~50-100 Мбіт/с на користувача. Компанія робить акцент на співпраці з телеком-операторами: модель бізнесу передбачає, що локальні партнери будуть розподіляти інтернет від OneWeb кінцевим споживачам (на відміну від Starlink, який працює напряму з клієнтами через власні термінали).
OneWeb пережила перезапуск після банкрутства у 2020 році — консорціум інвесторів на чолі з урядом Великої Британії та індійською компанією Bharti Global врятували проєкт. Згодом до співвласників долучився європейський оператор супутників Eutelsat, і у 2022–2023 роках OneWeb завершила розгортання першої черги своїх апаратів за допомогою ракет партнерів. Наразі компанія Eutelsat OneWeb планує наступне покоління супутників, що ще збільшать пропускну здатність мережі. Конкуренція на ринку супутникового інтернету зростає — окрім Starlink і OneWeb, подібні проєкти розробляють Amazon (система Project Kuiper) та китайські компанії. Втім, OneWeb вже зайняла нішу, уклавши угоди на забезпечення інтернетом арктичних районів, авіалайнерів, круїзних лайнерів тощо, де традиційний зв’язок недоступний.
Порівняння систем
Наведемо у вигляді таблиці основні параметри розглянутих супутникових систем — кількість активних супутників, тип орбіти, географічне охоплення, типова точність позиціонування (для навігаційних систем) та головне призначення системи:
| Система (країна) | Кількість супутників* | Тип орбіти (середня висота) | Охоплення | Точність (цивільна) | Призначення |
|---|---|---|---|---|---|
| GPS (США) | 31 | MEO (~20 200 км) | Глобальне | ≈ 5 м | Навігація |
| Galileo (ЄС) | 24–28 | MEO (~23 200 км) | Глобальне | ≈ 1 м | Навігація |
| BeiDou (Китай) | 35 | MEO + GEO / IGSO | Глобальне | ≈ 10 м | Навігація |
| QZSS (Японія) | 4 (7 планується) | Еліпт. GEO (~36 000 км) | Японія + APAC | до сантиметрів | Навігація (доповнення) |
| NavIC (Індія) | 7 | GEO / IGSO (~36 000 км) | Індія (+1500 км) | < 20 м | Навігація |
| Starlink (США) | ~6750 | LEO (~550 км) | Глобальне | — | Зв’язок (інтернет) |
| OneWeb (Велика Британія) | 648 | LEO (~1200 км) | Глобальне | — | Зв’язок (інтернет) |
Як видно з таблиці, супутникові системи навігації та зв’язку розроблені під різні завдання, що визначає їхні конструкції та параметри.
Глобальні навігаційні системи (GPS, Galileo, BeiDou) мають середньовисотні орбіти ~20 тис. км і відносно невелику кількість супутників (порядку 24–35) для покриття всієї земної кулі. На такій висоті один супутник «бачить» велику частину поверхні Землі, тож ~30 апаратів достатньо, аби кілька з них одночасно були над горизонтом у будь-якій точці планети. Це оптимальний баланс між кількістю супутників та їхнім охопленням. Точність цих систем для масового користувача — близько 3–5 м, але європейська Galileo вже надає метрову і навіть субметрову точність завдяки новітнім технологіям. Китайська BeiDou вирізняється наявністю геостаціонарних супутників — вони дозволяють надавати додаткові послуги над територією Китаю (наприклад, короткі повідомлення) і підвищувати надійність покриття. Важливо, що сучасні приймачі вміють використовувати сигнали одразу кількох GNSS, тому кінцевий користувач виграє від синергії: наприклад, телефон одночасно ловить GPS, Galileo і BeiDou, отримуючи більше видимих супутників і кращу точність позиції.
Регіональні навігаційні системи (NavIC, QZSS) покривають обмежені території, тому можуть обійтися ще меншою кількістю супутників або особливими орбітами. Індійська NavIC із 7 апаратів фокусується на своєму регіоні, використовуючи геостаціонарні платформи — це гарантує постійне перебування супутників над Індією. Її точність (~10–20 м) гірша за GPS, проте достатня для регіональних потреб, а головне — вона підконтрольна Індії, що важливо для національної безпеки. Японська QZSS теж має лише 4–7 супутників, але за рахунок спеціальних еліптичних орбіт завжди є хоча б один «над головою» в Японії, що суттєво покращує прийом сигналу в містах і горах. QZSS фактично не замінює GPS, а працює разом із ним: японські користувачі отримують сигнали GPS, доповнені локальними поправками QZSS, завдяки чому можуть досягати сантиметрової точності в геодезії та прецизійних застосуваннях. Отже, регіональні системи доповнюють глобальні, інколи забезпечуючи дублювання і страхування на випадок відмови останніх.
Супутникові системи зв’язку (Starlink, OneWeb) кардинально відрізняються від навігаційних. Вони не визначають координати, а передають великі обсяги даних. Для мінімізації затримок сигналу ці системи розташовані на низьких орбітах (сотні кілометрів). Однак на такій висоті один супутник покриває малу ділянку, тож потрібні десятки тисяч апаратів для глобального охоплення. Компанія SpaceX пішла шляхом максимально низької орбіти ~550 км і масового виробництва супутників — Starlink уже налічує тисячі апаратів і постійно збільшується. Натомість OneWeb обрала орбіту ~1200 км — супутників потрібно менше (сотні), але час затримки сигналу трохи більший. Обидві системи забезпечують високошвидкісний інтернет в районах, де наземний зв’язок відсутній або ненадійний, і фактично доповнюють земну телеком-інфраструктуру з космосу. На відміну від геостаціонарних супутників зв’язку, що використовувалися раніше і розміщені на 36 тис. км (наприклад, супутники телевізійного мовлення чи старі системи VSAT), нові LEO-угрупування дають значно меншу затримку і можуть забезпечити вищу пропускну здатність, розподіливши навантаження між тисячами апаратів. Це відкриває можливості для інтернету речей, підключення літаків і кораблів, а також надання інтернету в кризових ситуаціях (коли наземні мережі пошкоджені).
І Starlink, і OneWeb планують подальше розширення та оновлення своїх систем. Конкуренція спонукає до швидкого прогресу: зменшуються розміри та вартість користувацьких антен, запускаються нові покоління супутників із більшими можливостями (наприклад, Starlink V2 оснащені лазерними міжсупутниковими лінками для прямої ретрансляції між апаратами). Держави також уважно стежать за такими проєктами, адже глобальні супутникові інтернет-мережі піднімають питання регулювання, безпеки та відповідальності в космосі (зокрема, уникнення космічного сміття та запобігання зіткненням на орбіті.
Супутникові навігаційні та зв’язкові системи — яскравий приклад того, як космічні технології служать повсякденним потребам людства. GPS, Galileo, BeiDou та інші навігаційні мережі дозволяють будь-якій людині з приймачем у кишені визначити своє місце розташування за лічені секунди з точністю до кількох метрів — чи то на жвавій вулиці мегаполіса, чи посеред океану. Вони забезпечують точне вимірювання часу, що лягло в основу роботи фінансових систем і електромереж. Одночасно стрімко розвиваються супутникові системи зв’язку, як-от Starlink і OneWeb, які прагнуть надати доступ до швидкісного інтернету в кожен куточок планети, долаючи цифрову нерівність.
У майбутньому можна очікувати ще більшої інтеграції цих систем у наше життя. Багатосистемні навігатори будуть використовувати всі доступні GNSS для максимальної точності й безвідмовності. Супутниковий інтернет стане частиною глобальної телекомунікаційної інфраструктури, доповнюючи наземні 5G/6G мережі та забезпечуючи зв’язок для автономних транспортних засобів, розумних пристроїв і навіть цілих міст. Різноманіття систем також означає більшу стійкість: якщо одна мережа дасть збій або буде недоступна, їй на зміну прийде інша. Таким чином, угрупування супутників над нами — це не лише блискучі точки на нічному небі, а й запорука того, що наш сучасний світ залишатиметься взаємопов’язаним, точним та інформативним за будь-яких обставин.
