Европейска космическа агенция (eка) Бъдещето е на “Галилео”

15 април 2008 г.

Всеки потребител ще може да измерва положение с един и същи приемник от който и да било от спътниците и в каквато и да било комбинация. Предлагайки обаче двоен стандарт на честоти, “Галилео” ще даде възможност за позициониране в реално време с точност до метър, което е безпрецедентен случай за система, която е публично налична.

Системата ще гарантира наличие на услугата при всякакви, включително най-екстремни условия, и до няколко секунди ще информира потребителите, когато някой от спътниците аварира. Това ще я направи подходяща за приложения, при които безопасността е от критично значение, като управление на влакове, водене на автомобили и приземяване на самолети.

Първият експериментален спътник, GIOVE-A бе изстрелян на 28 декември 2005 г. Този спътник има за цел да характеризира критичните технологии, вече разработени по договори с Европейската космическа агенция (ЕКА).

Планират се два допълнителни експериментални спътника: GIOVE-B, който е планиран да бъде изстрелян в края на 2007 г., и GIOVE-A2, който ще бъде готов за изстрелване през втората половина на 2008 г. Действителната дата на изстрелване на този спътник ще бъде определена по-късно, след анализиране на ситуацията със спътниците GIOVE-A и GIOVE-B.

След това, до края на 2008/2009 г. ще бъдат изстреляни четири оперативни спътника, което принципно е базовият минимум за спътникова навигация, с цел валидиране на концепцията “Галилео”, състояща се от два сегмента: космически или орбитален и свързаната наземна инфраструктура. Непосредствено след завършване на фазата “Валидиране в орбита” ще бъдат изведени и останалите спътници в орбита за постигане на пълна оперативна способност.

Изцяло развърнатата система “Галилео” се състои от 30 спътника (27 оперативни + 3 активни резервни), които ще бъдат разположени в три орбитални равнини в средна земна орбита на височина 23 222 км над Земята и при наклон на орбиталните равнини от 56 градуса спрямо равнината на екватора.

След като всичко това се изпълни, навигационните сигнали на системата “Галилео” ще осигурят добро покритие дори на географски ширини до 75 градуса на север, което съответства на Северния нос, и по-далече. Големият брой спътници, оптимизирането на спътниковото съзвездието и наличието на три активни резервни спътника ще гарантира при загуба на спътник потребителят да не бъде чувствително засегнат.

На земната територия на Европа ще бъдат изградени два Контролни центъра “Галилео” за контрол на спътниците и управление на навигационната мисия. Данните, осигурявани от глобална мрежа от двадесет Измервателни станции “Галилео”, ще бъдат изпращани на Контролните центрове “Галилео” по резервираща комуникационна мрежа. Контролните центрове “Галилео” ще използват данните на Измервателните станции за изчисляване на данни за интегритета и за синхронизиране на сигнала за време на всички спътници с часовниците в наземните станции. Обменът на данни между Контролните центрове и спътниците ще се извършва посредством станции с връзка нагоре към спътниците. За целта по цялото земно кълбо ще бъдат изградени пет S-band станции за връзка нагоре към спътниците и 10 C-band станции за връзка нагоре към спътниците.

Като допълнителна функционална характеристика, “Галилео” ще изпълнява функцията “Търсене и спасяване”, която ще се базира на оперативната система “КОСПАС-САРСАТ”. За целта всеки спътник ще бъде снабден с транспондер, който ще предава сигналите за бедствие от трансмитерите на потребителите до Спасителния координационен център, който след това ще може да започне спасителната операция.

Междувременно, системата ще изпраща сигнал на потребителя, за да го информира, че го е открила и му изпраща помощ. Тази последна функционална характеристика е нова и се възприема като основна надстройка в сравнение със съществуващата система, която не предоставя обратна връзка на потребителя.

В общи линии системата “Галилео” ще предлага пет нива на услуги с гарантирано качество, което я отличава като първа система за позициониране, която е изцяло под цивилен контрол.

Спътниковото позициониране се превърна в стандартен начин за навигиране. Ако утре сигналите бъдат изключени, много корабни и самолетни екипажи биха счели за неудобно и трудно да се върнат към традиционните методи за навигация. Тъй като използването на спътниковата навигация е масово, последствията от отпадане на сигнал ще бъдат още по-големи и ще застрашат не само ефективното управление на транспортните системи, но и безопасността на хората.

В началото на 1990-те Европейския съюз установи, че Европа се нуждае от собствена глобална спътникова навигационна система. Заключението за необходимостта да се изгради такава система бе изразено в духа на решенията от 1970-те за стартиране на други добре известни европейски проекти като ракетите “Ариана” и “Аърбас”. Европейската комисия и Европейската космическа агенция обединиха усилията си за изграждане на “Галилео”, независима система под цивилен контрол за гарантирана експлоатация при всякакви условия, включително критични ситуации. Основната причина за предприемането на тази важна стъпка е да се гарантира независимостта на Европа. Други второстепенни причини са:

• 
  Оперативно съвместима със системите GPS и GLONASS, “Галилео” ще бъде крайъгълен камък на Глобалната навигационна спътникова система (ГНСС). Тази система ще бъде под цивилен контрол и ще позволява точно позициониране на повечето места по Земята, дори в градове с високо строителство, където сградите заглушават сигналите от спътници, които са ниско на хоризонта. Това е така, защото броят на наличните спътници, от които се определя положението, е повече от удвоен;
  

• 
  Чрез разполагане на спътниците в орбити при по-голям наклон спрямо екваториалната равнина в сравнение с GPS системата “Галилео” ще постигне по-добро покритие на високи географски ширини. Това ще я направи особено подходяща за използване в Северна Европа - зона, която няма добро покритие от системата GPS;
  

• 
  Със системата “Галилео” Европа ще може в максимално възможната степен да проучи възможностите, предоставени от спътниковата навигация. Производителите на приемници и оборудване за ГНСС, доставчиците на приложения и операторите на услуги ще извлекат полза от новите бизнес възможности.
  

ЕК отговаря за политическото измерение и високите изисквания към мисията. ЕК започна проучвания, конкретно на цялостната архитектура, икономически ползи и потребителски нужди. Тези проучвания включват проучвания, свързани с локалните архитектури, оперативната съвместимост и сигналите и честотите. Също така, те предоставят обсерватория на пазара и провокират проучвания на правни, институционални, свързани със стандартизацията и сертификацията, и регулаторни въпроси.

Отговорността на ЕКА включва определянето, разработването и валидирането в орбита на орбиталния сегмент и свързаната наземна инфраструктура. Работата по новите технологии, необходими за съзвездието от спътници и земния сегмент, продължава вече няколко години в Европейския център за космически изследвания и технологии на ЕКА в Ноордвийк - Холандия. Тези критични технологии включват високо прецизните часовници, които трябва да бъдат инсталирани на борда на спътниците (честотни стандарти рубидиев атомен часовник и пасивен водороден мазер), бордовите часовникови устройства за синхронизация на индивидуалните часовници с общото време на системата “Галилео”, генераторите на сигнали за получаване на сигнали за позициониране, които космическият кораб “Галилео” ще предава, усилвателите на мощност, радиочестотните мултиплекси и антени и транспондерите за телекоманди и телеметрия.

Успоредно с това, бе изграден Център за симулация на системата “Галилео” за тестване на стратегиите за преодоляване на всякакви ситуации след инсталиране и въвеждане в експлоатация на цялата система в космоса. В допълнение към това, Центърът за симулация на системата “Галилео” подпомага фината настройка на проектните сигнали “Галилео”. ЕКА подкрепи и работата по технологиите, свързани с приемниците “Галилео”.

Изпитвателния стенд на системата “Галилео”- Версия 1 позволи на инженерите да валидират специфичните за “Галилео” контролни алгоритми, като часовникови настройки, и процедурите за прогнозиране на индивидуални спътникови орбити преди цялостно въвеждане на системата в експлоатация.

Втората фаза на Изпитвателния стенд на системата “Галилео”, която в момента се нарича “Елемент на валидиране в орбита на Галилео”, се състои от изпитвателни спътници, чиято мисия преди всичко е да се проверят критичните технологии, необходими за системата “Галилео”. Също така, те ще се използват и за характеризиране на средната земна орбита, избрана за съзвездието “Галилео”. Европа няма опит в тази среда, тъй като в този регион в космоса близо до земята никога не е имало европейски спътник в орбита.

Сред партньорите по проекта “Галилео” е Надзорната агенция на ГНСС, която замени Смесеното Предприятие “Галилео” (СПГ) на 1 януари 2007 г. СПГ започна разработване на пълен набор от приложения чрез призиви за идеи в рамките на научноизследователските програми на Европейската комисия. Освен това, СПГ бе създадено, за да избере концесионер на “Галилео” от средите на публично-частното партньорство.
Технологични разработки “Галилео”
Системата “Галилео” ще улесни участието на Европейската индустрия в технологиите, свързани с точно определяне на положението и времето, и техните приложения. Също така, тя ще поощри синергичните ефекти от други технологични разработки в информационното общество като мобилни телекомуникации и интерактивните услуги.
Критична технология
За системата “Галилео” бяха разработени два атомни часовника, които ще бъдат инсталирани на борда.

• 
  Рубидиев атомен часовник
  
• 
  Пасивен водороден мазер
  

Защо някой би желал да отчита времето толкова точно? Отговорът се обяснява със скоростта на светлината. В днешно време всеки човек може да определи положението си на земната повърхност чрез измерване на времето, необходимо за достигане на сигнал предаден от навигационен спътник. Тъй като сигналите пътуват със скоростта на светлината, това означава съвсем точно измерване на малки частици от секундата, а за да се постигне това, трябва да се знае кога точно сигналът напуска спътника и кога точно постъпва в приемника. “При навигирането часовниците са двигател на точното определяне на положенията. С точност по-добра от една милиардна част от секундата за един час часовниците в спътник “Галилео” ще ви позволят да определите положението си на всяка точка на земната повърхност с точност до 45 см”, заявява Франко Емма, часовников експерт и навигационен инженер в ESTEC, техническия център на ЕКА в Холандия.

На борда на всеки един от 30-те спътника от системата “Галилео” ще има по два от този вид часовници. При часовниците се използват различни технологии, но един и същи принцип - ако накарате атомите да преминат от едно енергийно състояние в друго, това ще излъчи свързания микровълнов сигнал с изключително устойчива честота.

Тази честота е около 6 GHz за рубидиев часовник и около 1.4 GHz за водороден часовник.“Ние ще използваме честотата на часовниците като изключително устойчива референтна честота, при която други устройства да могат да генерират предаваните от спътниците “Галилео” точни сигнали”, заявява Франко Емма. Предаваните сигнали ще осигурят и референтна стойност, по която по-малко устойчивите часовници на потребителските приемници да могат непрекъснато да рестартират своето време.

ЕКА избра рубидиевите и водородни часовници, защото тези часовници могат да бъдат високо устойчиви в продължение на няколко часа и защото технологията им може да лети на борда на спътниците “Галилео”. Ако бъдат оставени да работят неопределено, отчитането на времето от тях ще се отклони, което ще наложи редовна синхронизация с мрежата на още по-устойчиви, базирани на земята референтни часовници. Това са цезиевите часовници, които предлагат още по-добра устойчивост от рубидиевите и водородни часовници. “Часовниците на земята ще генерират и онова, което ние наричаме Време на системата “Галилео””, заявява Франко Емма.

Часовниците, които ще летят на борда на спътниците, са първите по рода си часовници, разработвани и конструирани в Европа. “Подобни часовници има в САЩ и Русия (например, тези, които летят на борда на спътниците GPS и GLONASS), но ние считаме, че се нуждаем от независима способност”, заявява Франко Емма.

В действителност часовникът на пасивен водороден мазер ще бъде първия по рода си часовник, който ще лети на борда на спътник. Той е разработен от Observatoire de Neuchаtel в сътрудничество с Officine Galileo - Италия, като първата отговаря за електрониката, а втората за цялостното разработване, конкретно на така наречения физичен пакет. Ситуацията е подобна и при рубидиевия часовник, където изцяло отговорна е Temex Neuchatel Time, а Astrium - Германия отговаря за електрониката.

Първите два модела на рубидиев часовник в полет са вече в орбита на борда на GIOVE-A, първият спътник от системата “Галилео”. Часовникът на пасивен водороден мазер се планира да полети на спътника GIOVE-B, в края на 2007 г.

При избора на тази структура на съзвездието “Галилео” плановиците и инженерите на Европейската космическа агенция (ЕКА) имаха основателни причини. При наличието на 30 спътника на такава надморска височина има твърде голяма вероятност (над 90%) всеки човек, намиращ се в която и да било точка от света, винаги да попадне в полезрението на най-малко четири спътника и следователно да може да определи положението си въз основа на предаваните от спътника сигнали за разстояние. Наклонът на орбитите бе избран така, че да се осигури добро покритие на полярните ширини, които са слабо обслужвани от американската система GPS.

По всяко време от повечето места ще може да се наблюдават шест до осем спътника, което ще позволява позициониране с точност до няколко сантиметра. Дори в градовете с високо строителство шансовете за наличие на достатъчен брой спътници над потребител на път, за да се определи положението, са много добри, особено предвид обстоятелството, че системата “Галилео” ще бъде оперативно съвместима с американската система от 24 GPS спътника.

Следователно, как да се изгради такова съзвездие от спътници и да се гарантира всеки един от тях да бъде в правилно положение по всяко време? Тази деликатна операция ще се проведе на няколко етапа.

ЕКА изстреля експериментален спътник в края на 2005 г., на борда на ракетата Союз. Спътниците “Галилео” имат колела с магнитен въртящ момент и реактивни колела, което позволява да се поддържат в правилна орбита, но нямат двигатели за маневриране за влизане в правилна орбита. Ето защо е важно ракетата да разположи спътника директно в правилна позиция.

Първият спътник “Галилео”, GIOVE-A, бе разположен в първа орбитална равнина, от където се използва за изпитване на бордното оборудването и оборудването в наземните станции. Той даде възможност за осигуряване на “Галилео” честоти в системата на Международния телекомуникационен съюз. Изпитвателната кампания се планира да продължи две години и половина.

Първоначално бяха изследвани характеристиките на двата атомни часовника. След това бе включен генератора за предаване на експериментални сигнали с най-различни модулационни характеристики. В хода на изпитвателния период научните прибори на борда измерват различни аспекти от космическата среда около орбиталната равнина, конкретно нивото на радиация, което е по-високо от това в ниски до земята или геостационарни орбити.

Вторият експериментален спътник (GIOVE-B) ще бъде изстрелян към края на 2007 г. GIOVE-B ще продължи тестовете, започнати от предишния спътник, но ще добави тестове на пасивния водороден мазер и на машинната конструкция, които са по-представителни за оперативните спътници.

Предварително са заявени компонентите на третия експериментален спътник (GIOVE-A2), така че спътникът да бъде готов, ако се окаже необходимо, през втората половина на 2008 г. GIOVE-A2 има за цел да поддържа дадените от Международния телекомуникационен съюз (ИТУ) честоти на неговия предшественик и да улесни по-нататъшното разработване на земно оборудване, в случай че нещо се случи с GIOVE-A или B, тъй като разпоредбите на ИТУ не позволяват прекъсване на предаването повече от две години.

Новият спътник предвижда някои подобрения на GIOVE-A, които ще позволят да се генерират и получават на земята допълнителни сигнали. Целта е ранното експериментиране в орбита да продължи със сигналите за свободна услуга на общата базова линия L1, препоръчани от Европейския съюз и Съединените американски щати. В бъдеще тези сигнали за свободна услуга ще доставят безплатни услуги за определяне на положението и времето, конкурентни на други ГНСС системи.

На следващия етап ЕКА ще изстреля първите четири оперативни спътника, като използва две отделни ракети. Първите два спътника ще бъдат разположени в първата орбитална равнина, а вторите - във втората орбитална равнина. Тези четири спътника, плюс част от земния сегмент, ще се използват за валидиране на системата “Галилео” като цяло с помощта на високотехнологични симулатори на системата. Следващите два спътника ще бъдат изстреляни в третата орбитална равнина.

След валидиране на системата “Галилео” следва последният етап на изграждане на останалите спътници от съзвездието, който ще бъде изпълнен във всичките три орбитални равнини. Това предполага няколко изстрелвания с ракети Ариана-5 или Союз от космодрума на ЕКА във Френска Гвиана. След това “Галилео” ще стане напълно оперативен и ще доставя услуги на широка гама от потребители по целия свят.

• 
  Galileo Joint Undertaking (GJU) (http://www.GalileoJU.com)
  
• 
  Galileo website (European Commission) (http://europa.eu.int.comm/dgs/energy_transport/galileo/index_en-htm)
  
• 
  CENT (http://www.cenc.org.cn.en)
  
• 
  GLONASS (http://www.glonass-center.ru/)
  

• 
  Europe shows the way - Windows media player
  

• 
  Europe shows the way - Windows media player