История развития Galileo. Галилео (спутниковая система навигации)

Система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами, однако, в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Разработку системы осуществляет Европейское космическое агентство. Общие затраты оцениваются в 4,9 млрд евро.

Спутники «Галилео» будут выводиться на орбиты высотой 23 222 км (или 29 600,318 км от центра Земли), проходя один виток за 14 ч 4 мин и 42 с и обращаясь в трех плоскостях, наклонённых под углом 56° к экватору, что обеспечит одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Временна́я погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. За счёт более высокой, чем у спутников GPS орбиты, на широте Полярного круга будет обеспечена точность до одного метра.

Каждый аппарат «Галилео» весит около 700 кг, его габариты со сложенными солнечными батареями составляют 3,02×1,58×1,59 м, а с развёрнутыми - 2,74×14,5×1,59 м, энергообеспечение равно 1420 Вт на солнце и 1355 Вт в тени. Расчетный срок эксплуатации спутника превышает 12 лет.

Антонио Тайани, вице-президент Еврокомиссии, ответственный за вопросы промышленности и предпринимательства, заявил на брифинге в Страсбурге, что по состоянию на 19 января 2011 года, для завершения системы спутниковой навигации Galileo необходимо 1,9 млрд евро.

Этапы проекта

Первый этап

Первая фаза - планирование и определения задач стоимостью в 100 млн евро, второй этап состоит в запуске двух опытных спутников и развития инфраструктуры (наземных станций для них) стоимостью 1,5 млрд евро.

Первый опытный спутник системы Галилео был доставлен на космодром Байконур 30 ноября 2005 года. 28 декабря 2005 года в 8:19 с помощью ракеты-носителя «Союз-ФГ» космический аппарат GIOVE-A был выведен на расчётную орбиту высотой 23 222 км с наклонением 56°. Масса аппарата 700 кг, габаритные размеры: длина - 1,2 м, диаметр - 1,1 м. Основная задача GIOVE-A состояла в испытании дальномерных сигналов Галилео на всех частотных диапазонах. Спутник создавался в расчете на 2 года активного экспериментирования, которое и было успешно завершено примерно в расчётные сроки. Передача сигналов по состоянию на апрель 2009 года ещё продолжалась.

Второй этап

Второй опытный спутник системы Галилео GIOVE-B был запущен 27 апреля 2008 года и начал передавать сигналы 7 мая 2008 года. Основная задача GIOVE-B состоит в тестировании передающей аппаратуры, которая максимально приближена к будущим серийным спутникам. GIOVE-B - первый спутник, в котором в качестве часов используется водородный мазер . GIOVE-B способен передавать несколько модификаций дальномерного кода открытой службы на частоте L1 (модуляции BOC(1,1), CBOC, TMBOC), из которых предполагается выбрать одну для дальнейшего постоянного использования.

Оба спутника GIOVE предназначены для проведения испытаний аппаратуры и исследования характеристик сигналов. Для систематического сбора данных измерений усилиями ЕКА была создана всемирная сеть наземных станций слежения, оборудованных приёмниками, разработанными в компании Septentrio.

Третий этап

Третий этап состоит в выводе на орбиты четырёх спутников Galileo IOV (in-orbit validation ), которые, будучи запущенными парами (два 20 октября 2011 года и ещё два в октябре 2012 года), создадут первое мини-созвездие Galileo. Запуски состоятся с помощью ракеты «Союз-СТБ» с космодрома в Куру . Первые четыре спутника строятся партнерством EADS Astrium-Thales Alenia Space. Спутники будут расположены на круговых орбитах на высоте 23 222 км.

10 декабря 2011 года Galileo передала на Землю первый тестовый навигационный сигнал - два спутника, выведенные на орбиту в октябре российским «Союзом», успешно включили свои передатчики. Специалисты Galileo включили главную антенну L-диапазона (1,2-1,6 гигагерца), с которой был передан первый для Galileo навигационный сигнал, его мощность и форма соответствовала всем спецификациям, а также совместима с американской системой GPS. В 12 октября 2012 года, были запущены на орбиту ещё 2 спутника проекта Galileo, стало возможным первое позиционирование из космоса, так как для него необходимо по крайней мере четыре спутника. С каждым следующим выводов новых спутников точность позиционирования будет повышаться.4 декабря 2012 третий спутник Galileo передал на Землю первый тестовый навигационный сигнал, то есть на всех частотах полноценно функционируют уже три спутника Galileo.

Как сообщил руководитель программы Galileo Европейского космического агентства ESA Дидье Фавр (Didier Faivre), тестовая фаза проекта может начаться в феврале 2013 года. Для этого необходимо будет с максимальной точностью расположить четыре спутника на орбите и активировать специальные атомные часы, дающие погрешность лишь в одну секунду за сто лет работы. Так как космические аппараты перемещаются по орбите со скоростью около 14 000 км/ч, точное времени для синхронизации часов является критически важным даже в шестом знаке после запятой.

Создание наземного сегмента: трёх центров управления (GCC), пяти станций контроля за спутниковой группировкой (TTC), 30 контрольных приёмных станций (GSS), 9 ап-линк станций (ULS) для актуализации излучаемых сигналов.

В целом, наземный сегмент Галилео для фазы орбитальной проверки (ФОП) будет включать 18 сенсорных станций, 5 аплинковых, 2 блока телеметрии, трекинга и команд, а также 2 центра управления Галилео (ЦУГ). Центры управления будут расположены в Фучино (Италия) и Оберпфаффенхофене (Германия). Данный, собранные сенсорными станциями будут передаваться в ЦУГи, где они будут обработаны управлением миссии для того, чтобы определить данные, которые в дальнейшем будут отправлены обратно на спутники через аплинковые станции. Способность системы Галилео напрямую информировать пользователей о уровне целостонсти сигнала представяет основное существенное отличие от других систем спутниковой навигации.

Пресс-служба Европейского космического агентства ESA сообщила, что 27 января 2010 года в Европейском центре космических исследований и технологий в городе Нордвейк (Нидерланды) состоялась церемония подписания первых трёх контрактов, обеспечивающих полномасштабное развёртывание группировки Galileo.

Вывод на орбиту спутниковой группировки. Компания Thales Alenia Space (Италия) обеспечит системную подготовку Galileo, компания OHB-System AG (Германия) произведёт (совместно с британской SSTL) спутников первой очереди системы. Первый спутник должен быть готов к июлю 2012 года, впоследствии каждые три месяца должны поставляться очередные два аппарата, объём заказа составляет 566 млн евро.

Первые виды услуг должны быть представлены в 2014 году, все виды служб - не раньше 2016 года. Общая стоимость проекта на данном этапе - 3,4 млрд евро.

Всемирная сеть станций Galileo будет контролироваться Центром управления, находящимся в Фучино (Италия). Поправки в сигнал определения координат спутниками будут вноситься через каждые 100 минут или даже меньше.

Уже смонтированы и готовы к работе станции слежения и корректировки точности спутникового сигнала в итальянском Фучино, в Куру Французской Гвианы, в норвежском Шпицбергене. А также в антарктическом Тролле, на островах Реюньон и Кергелен в Индийском океане, в Новой Каледонии Тихого океана. Все они связаны с двумя центрами управления Galileo: Фучино отвечает за навигационные услуги, тестирование и сдачу GMAT, а Оберпфаффенхофен отвечает за спутники. Некоторые из построенных станций в Швеции (Кируна) и на Французской Гвиане (Куру) уже используются для мониторинга первых спутников Galileo, запущенных в октябре 2011 года.

Четвёртый этап

Четвёртый этап проекта будет запущен предположительно с 2014 года, стоимость - 220 млн евро в год. Возможно, лицензия на эксплуатацию будет передана частным компаниям.

К 2015 году на орбиту будут выведены ещё 14 спутников, остальные - к 2020 году.

После завершения развертывания группировки, спутники обеспечат в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюса, 90%-ю вероятность одновременного приема сигнала от четырёх спутников. В большинстве мест на планете одновременно в зоне прямой видимости будут находиться шесть спутников Galileo, что позволит определить местоположение с точностью до одного метра. Для максимальной синхронизации спутники Galileo оснащены сверхточными атомными часами на рубидии-87 с максимальной ошибкой до одной секунды за три миллиона лет, а это значит, что соответствующая навигационная неточность не должна превышать 30 см, при одновременном приема сигнала от восьми-десяти спутников.

Службы

Открытая общая служба (Open Service )

Бесплатный сигнал, сопоставимый по точности с ныне существующими системами (благодаря большему количеству спутников - 27 против 24 в NAVSTAR GPS - покрытие сигналом в городских условиях должно быть доведено до 95 %). Гарантии его получения предоставляться не будут. Благодаря найденному компромиссу с правительством США будет применяться формат данных BOC1.1, используемый в сигналах модернизированного GPS, что позволит взаимодополнять системы GPS и Галилео.

Служба повышенной надёжности (Safety-of-Life Service, SoL )

С гарантиями получения сигнала и системой предупреждения в случае понижения точности определения, предусмотрена прежде всего для использования в авиации и судовой навигации. Надёжность будет повышена за счёт применения двухдиапазонного приёмника (L1: 1559-1591 и E5: 1164-1215 МГц) и повышенной скорости передачи данных (500 бит/с).

Коммерческая служба (Commercial Service )

Кодированный сигнал, позволяющий обеспечить повышенную точность позиционирования, будет предоставляться заинтересованным пользователям за отдельную плату. Точность позиционирования увеличивается за счёт использования двух дополнительных сигналов (в диапазоне E6 1260-1300 МГц). Права на использование сигнала планируется перепродавать через провайдеров. Предполагается гибкая система оплаты в зависимости от времени использования и вида абонемента.

Правительственная служба (Public Regulated Service, PRS )

Особо надёжная и высокоточная служба с использованием кодированного сигнала и строго контролируемым кругом абонентов. Сигнал будет защищён от попыток его симулировать и предназначен прежде всего для использования спецслужбами (полиция, береговая охрана и т. д.), военными и антикризисными штабами в случае чрезвычайных ситуаций.

Поисково-спасательная служба (Search and Rescue, SAR )

Система для обеспечения приёма сигналов бедствия и позиционирования места бедствия с возможностью получения на месте бедствия ответа от спасательного центра. Система должна дополнить, а затем и заменить ныне существующую КОСПАС/САРСАТ . Преимуществом системы над последней является более уверенный приём сигнала бедствия вследствие большей близости к земле и геостационарного положения спутников [уточнить ] . Система разработана в соответствии с директивами Международной морской организации (IMO) и должна быть включена в Глобальную морскую систему связи при бедствиях и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ).

Примечания

Ссылки

• Официальная страница «Галилео» на ЕКА (англ.)
• Официальная страница европейской организации по контролю над системами спутниковой навигации GSA (Galileo Supervisory Authority) (англ.)
• Страны ЕС нашли деньги на реанимацию проекта «Галилео» izvestia.ru

Галилео ) - совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства, является частью транспортного проекта Трансевропейские сети . Система предназначена для решения геодезических и навигационных задач. В последнее время всё больше производителей ГССН-оборудования интегрируют в свои спутниковые приёмники и антенны возможность принимать и обрабатывать сигналы со спутников «Галилео», этому способствует достигнутая договорённость о совместимости и взаимодополнении с системой NAVSTAR GPS третьего поколения.

Помимо стран Европейского союза в проекте участвуют: Китай , Израиль, Южная Корея . Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидалось, что «Галилео» войдёт в строй в 2014-2016 годах, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Но на 2018 год спутниковая группировка «Галилео» так и не достигла необходимого количества аппаратов. Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз» для запуска спутников, начиная с 2010 года. Космический сегмент будет обслуживаться наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.

История развития Galileo

В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами, однако, в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Разработку системы осуществляет Европейское космическое агентство.

Первый опытный спутник системы Галилео был доставлен на космодром Байконур 30 ноября 2005 года. 28 декабря 2005 года в 8:19 с помощью ракеты-носителя «Союз-ФГ» космический аппарат GIOVE-A был выведен на расчётную орбиту высотой 23 222 км. Основная задача GIOVE-A состояла в испытании дальномерных сигналов Галилео на всех частотных диапазонах. Спутник создавался в расчете на 2 года активного экспериментирования, которое и было успешно завершено примерно в расчётные сроки.

Следующий этап состоял в выводе на орбиты четырёх спутников Galileo IOV (in-orbit validation ), которые, будучи запущенными парами (два 20 октября 2011 года и ещё два в октябре 2012 года), создали первое мини-созвездие Galileo. Запуски состоялись в рамках программы «Союз на Куру», с помощью ракеты «Союз-СТБ » с космодрома в Куру.

10 декабря 2011 года Galileo передала на Землю первый тестовый навигационный сигнал - два спутника, выведенные на орбиту в октябре российским «Союзом», успешно включили свои передатчики. Специалисты Galileo включили главную антенну L-диапазона (1,2-1,6 гигагерца), с которой был передан первый для Galileo навигационный сигнал, его мощность и форма соответствовала всем спецификациям, а также совместима с американской системой GPS. 12 октября 2012 года были запущены на орбиту ещё 2 спутника проекта Galileo, стало возможным первое позиционирование из космоса, так как для него необходимо по крайней мере четыре спутника.

Текущий этап проекта начался в 2014 году, финансирование - примерно 220 млн евро в год. Возможно, лицензия на эксплуатацию будет передана частным компаниям. С начала 2014 года на орбиту были выведены ещё 14 спутников, остальные - к 2020 году.

После завершения развертывания группировки, спутники обеспечат в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюсы, прием сигнала одновременного от четырёх спутников с вероятностью 90%.

Согласно проектной документации, номенклатура услуг Galileo включала в себя обеспечение коммерческой услуги на базе технологий высокоточного позиционирования PPP. Теперь Еврокомиссия подтвердила намерения предоставлять данную услугу потребителям на безвозмездной основе. В 2018-2019 гг. Европейское агентство по ГНСС выберет оператора и запустит услугу для безвозмездного использования.

В 2017 году Еврокомиссия объявила о решении реализовать коммерческую услугу на частоте E6-B с использованием зашифрованного и открытого компонентов. С новым решением о безвозмездности данной услуги все потребители Galileo, владеющие необходимой аппаратурой, уже в 2020-2021 году смогут решать навигационную задачу с точностью порядка 10 см.

В соответствии с программой ЕКА по навигационным инновациям (NAVISP), стартовавшей в 2017 году, осуществляется активная работа по повышению конкурентоспособности как на рынке поставщиков, так и на рынке потребителей навигационно-информационных услуг, а также расширению интеграции спутниковой навигации с технологиями, не имеющими непосредственной связи с космосом.

Услуга с регулируемым доступом PRS (Public Regulated Service) в 2018 году также будет в приоритете. В ближайшее время Еврокомиссия объявит о сроках сдачи этапов программы. Инфраструктура для поддержания услуги, а также специальная НАП уже готовы для использования.

Состав системы

Система состоит из трех сегментов:

• космического сегмента
• сегмента контроля и управления;
• сегмента навигационной аппаратуры потребителей/аппаратуры спутниковой навигации.

Космический сегмент

Поколения КА

Первыми НКА глобальной навигационной системы Galileo были два тестовых спутника GIOVE-A (2005 год) и GIOVE-B (2008 год) (Galileo In-Orbit Validation Element элемент этапа орбитальных проверок системы Galileo).

В 2014 году с космодрома Куру (Французская Гвиана) были запущены первые функциональные спутники Galileo FOC, вывод которых на целевую орбиту прошел неудачно, что отразилось на сроках развертывания космического сегмента.

) В 2015 году запуском двух КА FOC M3 и FOC М4 продолжен процесс формирования ОГ (27.03.2015). Дальнейшие парные запуски были произведены: 11.09.2015, 17.12.2015 и 24.05.2016 года. (КА FOC M5 - FOC M11). Также 17.11.2016 года был произведен первый запуск из четырех спутников (FOC M7, FOC M12-М14) с помощью ракеты носителя Ariane-5

В 2017 году, была запущена новая партия из четырех спутников – FOC M 19 - FOC M 22, поставленных немецкой компанией OHB. Ракета-носитель тяжелого класса Ariane-5 стартовала 12 декабря с площадки Гвианского космического центра (ГКЦ). Этот запуск позволил довести состав группировки, используемой по целевому назначению, до 22 КА. Совместно с соответствующим наземным комплексом управления (НКУ), развернутым компаниями Thales Alenia Space и Airbus Defense and Space и их множественными субподрядчиками со всей Европы, группировка в таком составе обеспечит качественное решение навигационной задачи в течение 99,8% времени. «Качественное решение навигационной задачи» в данном случае означает, что геометрический фактор точности PDOP не превысит 5, а для полной группировки в составе 24 КА геометрический фактор точности PDOP составит приблизительно 2,4.

Для операторов услуг на основе ГНСС и для производителей НАП это будет означать значительное расширение возможностей по использованию технологий Galileo.

25.07.2018 года орбитальная группировка спутниковой системы Galileo возросла до 26 аппаратов после запуска еще четырех спутников FOC M19- FOC M22. Запуск состоялся с помощью ракеты-носителя Ariane-5 с космодрома Куру во Французской Гвиане.

Завершить формирование орбитальной группировки в количестве 30 аппаратов планируется в 2020 году.

В следующем долгосрочном бюджете глобальной спутниковой навигационной системы ЕС на 2021-2027 годы Еврокомиссия (ЕК) предлагает объединить все существующие и новые виды космической деятельности в рамках единой программы ЕС общим бюджетом 16 миллиардов евро.

11 февраля 2019 года 4 спутника, выведенные на орбиту 25 июля 2018 года с европейского космодрома Куру, Французская Гвиана, были введены в эксплуатацию, успешно завершив этап орбитального тестирования. Это означает, что орбитальная группировка системы Galileo теперь насчитывает 22 космических аппарата (КА).

Благодаря тому, что группировка Galileo пополнилась на 4 КА, пользователи смогут оценить преимущества более точного местоопределения с помощью одновременного использования нескольких орбитальных группировок.

Наземный сегмент управления

Наземный сегмент Galileo состоит из двух независимых контуров - контура управления КА (GCS - Ground Control Segment) и контура эфемеридно- временного обеспечения КА (GMS - Ground Mission Segment).

Контур управления GCS осуществляет получение и обработку телеметрии с борта космического аппарата ГАЛИЛЕО, контроль функционирования подсистем КА, формирование командной информации и ее передачу на КА. Интерфейс между космическим сегментом и контуром управления GCS осуществляется через сеть станций слежения, приема телеметрии и передачи команд управления (Telemetry Tracking & Command - TT&C) в S-диапазоне.

Контур GMS решает задачи сбора данных глобальной беззапросной сети измерительных станций (Ground Sensor Stations - GSS), обработки полученной информации, формирования и закладки эфемеридно-временной информации, а также информации о целостности на борт КА через закладочные станции (Uplink Station - ULS).

На первом этапе развертывания системы ГАЛИЛЕО функции координирующего центра контура управления GCS выполняет центр управления в Оберпфафенхофене (Германия), а функции центра контура GMS - центр управления в Фучино (Италия). На этапе полной эксплуатационной готовности все задачи наземного комплекса управления будут координироваться обоими центрами в режиме горячего резервирования. Таким образом, на этапе штатной эксплуатации в состав наземного комплекса управления ГАЛИЛЕО войдут:

Система GPS

Система GPS(Global Positioning System-Система Глобального Позиционирования) используется для определения местоположения объектов на всей поверхности земли с очень высокой координатной точностью и временем, с помощью нескольких спутников, расположенных на промежуточной орбите вокруг Земли. Военные в США называют систему NAVSTAR.

Система GPS была создана и управляется Министерством Обороны Соединенных Штатов, но может быть использована любым человеком и абсолютно бесплатно. Система GPS делится на три сегмента: космос, управление и пользователь. Сегмент космоса состоит из спутников, которые осуществляют передачу сигналов GPS. Сегмент управления состоит из наземных станций приема сигнала. Они находятся по всему миру и получают сигнал со спутника, синхронизируя его с атомными часами, которые расположены на спутнике и корректирует передаваемые спутником данные. Сегмент пользователя представляет собой GPS приемник, который используется в военных или гражданских целях. GPS ресивер декодирует сигнал нескольких спутников и калькулирует свое положение путем "трилатерации".

Стоимость поддерживания системы в работе около 400 миллионов долларов США в год, включая стоимость замены старых спутников. Первая группировка спутников, состоящая из 24 GPS спутников(Блок 2), была выведена на орбиту до 14 февраля 1989года. Пятидесятый спутник с момента первого запуска в 1978году был запущен 21 Марта 2004года с помощью ракеты-носителя Дельта 2. В настоящее время группировка спутников также насчитывает 24штуки, которые расположены на шести орбитальных планах. Спутники производятся компанией Rockwell; первый был запущен в 1978году(Блок 1) и последний в 1994году. Каждый спутник совержает два витка вокруг Земли в день на орбите 20тысяч километров от Земли. На каждом расположены атомные часы и они постоянно передают специальные сигналы со временем на своих часах, а также персональную информацию о своем положении, чтобы они могли быть обнаружены наземными станциями.

У GPS-ресивера нет точных часов, но должны быть часы с хорошей стабильностью хода в течение короткого времени, а также возможность получить сигналы с минимум четырех спутников, для определние своей широты, долготы и уровня над морем в определенное время. Ресивер калькулирует расстояние до каждого из четырех спутников путем расчета разницы во времени между сигналами спутника и местным временем. Это расстояние называется "псевдодальность". Местоположение спутника определяется сравнением его сигнала с внутренней базой данных. Ресивер должен быть расположен в месте пересечения четырех сигналов с радиусом, который равен одинаковой задержке времени между спутником и ресивером, помноженной на скорость радио сигнала. Но у ресивера нет точных часов и он не может знать задержку времени. Но тем не менее он может измерять очень точно разницу между получениями сигналов. Необходимо знать три гиперболоиды вращений двух частей, чья точка пересечения дает точную информацию о положении ресивера. Поэтому минимум четыре спутника необходимо для определения своего положения. Менее трех спутников дают 2гиперболоиды и точка их пересечения неточна, поскольку неизвестен уровень над морем. Если он известен, то тогда трех сигналов достаточно для определения местоположения. Оно расчитывается по двум гиперболоидам и элипсоидом Земли на определенной высоте.

Если n > 4спутников, n-1 гиперболоиды(в идеальном случае) пересекается в одной точке. В реальности поверхности редко пересекаются по разным причинам. Вопрос нахождения точки Р может быть сформулирован иначе как поиск трех координат, а также количества n от r(i), где все i, PS(i)-r(i) близки к нулю и разные r(i)-r(j) близки к С. Delta(ij) где C скорость света, и Delta(ij) это время между сигналами i и j . Например, метод наименьших квадратов может быть использован как оптимальное решение. На практике, GPS калькуляции более комплексные...

Несколько примеров: Местное время неизвестно по причине отсутствия точных часов в ресивере. Радио сигналы проходят через ионосферу медленнее, а ресивер может двигаться(например, в автомобиле). Для предотвращения неточностей, ресивер берет за начало отсчета местное время так, чтобы сферы пересеклитсь в одной точке. Как только местоположение получено примерно, программный метод проводит задержку в ионосфере математическим способом, которая минимальна, если спутник находится прямо над головой или дальше от горизонта, поскольку сигнал проходит больший слой ионосферы. Поскольку автомобильные приемники двигаются, они определяют сферы сигнала как линейный сигмент. В приемнике расположена математическая модель, которая расчитывает подобное влияние. Также спутники передают некоторую информацию, которая помогает приемникам расчитывать правильную скорость распространения сигнала. Высококачественные ресиверы, которые используются в приборах CARMAN i , используют две частоты L1 и L2 для атмосферных задержек сигналов. Поскольку ионосфера воздействует на скорость распространения радио волн в зависимости от их частоты, то большинство современных ресиверов двухчастотны.

Для того, чтобы расчитать задержку между спутником и приемником, ступник посылает 1,023битный сигнал в псевдо произвольном порядке. Ресивер знает порядок сигнала, конструирует идентичный сигнал и контролирует его до тех пор, пока два сигнала не повторятся. Разные спутники используют разный порядок сигнала, что позволяет всем им передавать сигналы на одной частоте, а приемник может по типу сигнала понять, какой спутник его передает. Этот принцим называется Code Division Multiple Access(CDMA) и часто используется в сотовой связи. Используются две частоты: 1575,42МГц(равна L1) и 1227,60МГц(L2). L1 несет в себе код, доступный всем, с грубыми данными(С/А) так же как и код Р(Y). Сигнал L2 обычно только несет в себе код Р(Y). Ключи, которые сипользуют коды Р(Y) являются государственной тайной правительства США и используются только в военных целях. Ключи, которые не имеют доступа к Р(Y) не используются обычными автомобильными навигационными приемниками, хотя некоторые производители GPS приемников сделали раскодировщики этих кодов для очень точного определения и удаления влияния ионосферы.

Еще один нюанс в том, что атомные часы на борту спутников настроены на "время GPS", которое отсчитывается с первых секунд полночи 5 января 1980года. Они идут вперед по сравнению с "Всеобщим Скоординированным Временем", поскольку не считают "скачущих секунд". Ресиверы корректируют время, фактор которого время от времени передается с данными, и определяют местное время, а затем выводят его на дисплей. Часы на спутниках принимают во внимание разные факторы и идут медленнее если бы они шли на поверхности Земли. Это вызывает разницу в 38 микросекунд в день, которая корректируется электронно на каждом спутнике. Такой зазор является явным доказательством относительности реального времени на Земле, как это было предсказано Эйнштейном, в рамках экспериментальной аккуратности.

В идеальном случае, GPS ресиверы могли бы легко конвертировать С/А и Р(Y)-коды измерения в аккуратность местоположения. Но в реальности на систему влияет много факторов. Вот несколько примеров. Часы: и GPS спутники и ресиверы имеют погрешность во времени. Спутники часто имеют цезиумные атомные часы и наземные станции проверяют правильно ли идет время на спутниках. Погрешность ресивера остается неизвестной и часто зависит от осциллятора, который находится внутри. Но данная ошибка может быть исправлена, если ресивер получает сигнал минимум четырех спутников. Ионосфера: это самая большая причина ошибок. Скорость света изменяется в зависимости от атмосферы. В результате получается ошибка на больше чем 10 метров. Для компенсации таких ошибок используется вторая ачстота L2. Путем сравнения разницы между сигналами L1 и L2 калькулируется и решается ошибка ионосферы. Мультидоступ: Антенна GPS получает не только GPS сигналы, но и отраженные от земли или других объектов(зданий, стен, гор и т.д.) радио сигналы. В течение некоторого времени ресивер фильтрует сигналы. Для укорачивания времени фильтрации используются специальные антенны. Особенно отраженные от земли сигналы очень похожи на реальные и могуть сильно влиять на точность. Недоступность: в прошлом сигналы спутников кодировались и искажались искусственно, и были доступны только военным США, поскольку использовались для нужд государства только. Однако 1 Мая 2000года президент США Бил Клинтон анонсировал отмену искажения сигналов. Поэтому сейчас все владельцы ресиверов могут использовать сигналы спутников с точностью определения координат менее чем 20метров.

Аккуратность GPS сигналов может быть увеличена несколькими методами: 1) Использование сети наземных станций. Станции передают информацию о разнице измеренной и реальной псевдодальности и ресиверы могут корректировать информацию по их сигналам. Этот метод называется Differential GPS (DGPS). Он дает увеличение точности на 5-10метров. Система DGPS разработана и используется морскими ведомствами Дании и Швеции для контроля территории на прилегающих к этим странам архипелагах. 2) Использовании системы наведения EDGE(Exploitation of DGPS for Guidance Enhancement) для DGPS, которая используется для высокоточного оружия, например JDAM. 3) Использование системы Wide-Area Augmentation System(WAAS), которая состоит из наземных станций, калькулирующих коррекцию GPS сигналов и передающих их ряд спутников на геосинхронных орбитах для передачи их на GPS ресиверы, включая информацию о задержках в ионосфере, погрешности индивидуальных часов спутников и т.д. На сегодняшний момент существует только несколько спутников WAAS, которые передают информацию на ограниченное число высокоточных ресиверов для авиации, например при посадке самолета в условиях плохой или отсутсвия видимости. Система WAAS сейчас работает только в Северной Америке, где есть соответствующие станции, причем только на западном и восточном побережье США. Однако варианты такой системы разрабатываются в Европе(EGNOS-Euro Geostationary Navigation Overlay Service) и в Японии(MSAS-Multi-Functional Satellite Augmentation System), которые идентичны WAAS. 4) Приминение Локальной Системы Корректировки(LAAS). Она аналогична WAAS, но передача данных идет из локального источника. например аэропорта и т.д. Такая корректировка полезна на небольших расстояниях от 30 до 50километров от передатчика. 5) Применение системы Wide Range GPS Enhacement(WAGE) как попытка улучшения точности хода атомных бортовых часов и отправка эфемерных орбитальных данных для специальных ресиверов. 6) Относительное Кинематическое Позиционирование(RKP). Приведение аккуратности получения сигналов к погрешности менее 10сантиметров. Это достигается за счет цикличности сигналов, которые отправляются и принимаются ресивером.

Военное применение сигналов GPS позволяет улучшать контроль вооруженных сил посредством точного наведения оружия или армии на цель. Спутники также несут на борту детекторы ядерной детонации. Но также системой могут пользоваться все желающие. Низкая цена производства GPS приемников(100-200долларов США) привело к их широкому распространению в авиации, мореплавании и автомобилестроении. Система используется на машинах, которые контролируются компьютерами(например комбайны, трактора и т.д.) Портативные приемники используют альпинисты, грибники, охотники и т.д.

Хотя с 1 Мая 2000года сигналами GPS могут пользоваться все желающие, возможное частичное кодирование, глушение или изменение сигнала в определенном месте, например, в зоне войны во имя военных целей, не позволяет использовать систему в полной мере. Поэтому европейцы разрабатывают свою собственную систему позиционирования GALILEО, а Россия имеет свою собственную систему GLONASS, которая насчитывает 12 спутников.

Военные(и некоторые гражданские) пользователи пока могут пользоваться некоторыми техническими преимуществами, которые дают быстрое определение сигнала и повышенную аккуратность. Аккуратность как правило создается за счет двухчастотного приемника, которые определяют задержку сигнала в ионосфере. Коммерческие ресиверы также имеют погрешность в определении высоты над уровнеми морем, что делает их невозможным для использования в крылатых и баллистических ракетах. Многие синхронизирующие системы используют GPS как источник аккуратного времени для генераторов кодов или NTP часов. Например, датчики детонации, которые используются в сейсмологии, оснащены GPS приемниками, которые дают возможность определения точного времени записи о катаклизме и т.д.

Многие системы вооружений, например "умные бомбы" или высокоточное оружие используют GPS сигналы. Соответственно возникло производство глушилок GPS сигналов. Их размер равен сигаретной пачке. Американцы уверены в использовании таких глушилок во время их операции в Афганистане. Некоторые глушилки используются для отвлечения наведения высокоточного оружия от важных целей.

Разработчики GPS стали учеными 2003 года, получив престижную премию - Звезду Национальной Академии Инжиниринга. ИНженеры Массачусетского Института Технологии сделали базис системы GPS, создав во время Второй Мировой Войны систему LORAN(Long-range Radio Aid to Navigation). Непосредственно разработкой ситемы руководил Бретфорд Паркинсон, профессор аэронавтики и астронавтики в Стенфорде. В феврале 1993года Национальная Ассоциация Аэронавтики США присудила Приз Роберта Коллиера команде, работавшей над системой GPS. В проекте также участвовали ученые из Лаборатории Морских Разработок, Аэрокосмической корпорации, компании Рокуэл и IBM Federal Systems.

Предшественниками системы GPS были системы LORAN и OMEGA , в которых использовались длинноволновые радиопередатчики. Радио умпульс передавался от главной станции на второстепенные. Задержка сигнала строго контролировалась. Ресивер сравнивал задержку между получением и отправкой сигнала. По расстоянию и расчитывалось местоположение объекта.

Первой спутниковой навигацией встала система Transit, запущенная в 60-х годах в США. Она работала на принципе "эффекта Доплера". Ступники вращались по известным орбитам и передавали сигналы на известной частоте. Частота, на которой велась передача, отличалась от частоты, на которой работал прием по причине движения спутника относительно ревисера. Узнав разницу в частоте и знаю орбиту спутника, ресивер мог определить свое примерное местоположение.

Современные системы более точны. Спутники передают сигнал, в котором есть информация о положении спутника и времени передачи сигнала. С помощью атомных часов работа всей группировки спутников четко синхронизирована. Ресивер сравнивает время передачи сообщения и время его получения, ориентируясь на свои внутренние часы. Эти измерения сравниваются с сигналами несколькихз спутников и определяется точное местоположение ресивера в режиме реального времени.

При каждом измерении ресивер как бы помещается в сферическую ячейку по измеряемой дистанции до спутника. Поскольку спутник изменяет свое местоположение дло того, как ресивер получит сигнал, который в свою очередь замедляется при движении сквозь ионосферу, проводятся комплексные калькуляции. Базовый расчет проводится для поиска кротчайшей линии четырех сферических ячеек. Постоянно на орбите в 20000 км от Земли с уклоном в 55градусов находятся от 24 до 27 спутников, поскольку старые все время заменяются на новые.

Система GLONASS

Глобальная Навигационная Спутниковая Система состоит разработана в начале 80-х годов и принадлежит Российским Аэрокосмическим Силам. На пике своей эффективности система гарантировала аккуратность измерения местоположения в 55метров по горизонтали и 70метров по вертикали в общедоступном стандарте С/А. Точный сигнал (Р) доступен только для военных нужд.

Группировка ступников состоит из 24штук. Из них 21 работают на трех орбитальных планах и 3 находятся в законсервированном состоянии, чтобы заменить те, которые вышли из строя. Каждый орбитальный план состоит из 8 спутников, которых объединяет номер "слота": 1-8, 9-16, 17-24. Планы отделены друг от друга на 120градусов и каждый спутник на 45градусов друг от друга. Орбиты спутников ГЛОНАСС почти круглые с наклоном в 34,8градуса и удалены от Земли на 19100км, т.е. находятся ниже спутников GPS. Каждый спутник совершает круг вокруг Земли за 11часов 15минут. Спутники расположены так, что минимум пять сигналов может быть принято ресивером.

Все спутники были запущены с космодрома Тюратам в Казахстане. Первые три в октябре 1982года. Прием первых сигналов начался в декабре 1983года. Полностью система должна была начать функционирование в 1991году, но реально заработала только в сентябре 1993года. Посное укомплектование спутниками произошло только в декабре 1995года.

Для системы ГЛОНАСС характерен повтор орбит спутниками каждые 8дней. Поскольку каждый план состоит из 8 ступников, каждый из них занимает место предыдущего через несколько дней. GPS такой принцип не использует.

В связи с плохим финансированием программы к апрелю 2002года на орбите осталось только 8 работающих спутников, что сделало их использование неприемлимым. Сейчас разрабатывается новая программа ГЛОНАСС-М. В марте 2004года ступников на орбите стало 12 и полностью система начнет работу к 2007году.

Система GALILEO

Решение о начале развития системы GALILEO было принято 26 мая 2003года совместно Европейским Союзом и Европейским Аэрокосмическим Агенством. Система предназначена только для гражданского использования, в отличие от системы GPS, котороая принадлежит военным США, и они оставляют за собой право частично загрублять сигнал или вовсе его отключать когда им заблагорасудится.

Однако развитию системы GALILEO мешают разногласия европейских стран в финансировании программы. Например, Франция активно поддерживает ее развитие, что означает для этой страны независимость от технологий США. Другие страны считают, что выгоднее использовать бесплатно систему GPS. Начальные капиталовложения в систему GALILEO насчитывают около 1,1миллиарда Евро. По плану на орбиту должно быть выведено около 30спутников в период 2006-2008годов. Полностью программа должна обойтись Европейским странам в 3миллиарда Евро, включая стоимость инфраструктуры на Земле. Две трети капиталовложений будут сделаны частными компаниями и инвесторами, а одна треть Европейским Союзом и Европейским Аэрокосмическим Агенством. Планируется, что система будет бесплатна для всех, но точные сигналы будут передаваться за деньги.

В сентябре 2003 Китай также присоединился к системе GALILEO и инвестирует 296миллионов долларов в проект в течение 2004-2005годов. В июле 2004года партнером GALILEO стал Израиль.

Статьи и Лайфхаки

В конце 2016 года была запущена европейская спутниковая навигационная система под названием Galileo, которая должна в каждом смартфоне ЕС со временем вытеснить американскую .

Планов у ее создателей громадье, но пока что их реализация далека от завершения. Чем же данное новшество «грозит» рядовым пользователям гаджетов?

Что представляет собой Galileo

Наземная группировка включает следующие элементы :

• Центр управления системой.
• Глобальная сеть беззапросных измерительных станций.
• Станции слежения и приема телеметрии.
• Система поиска и спасания.
• Станции закладки данных.

Однако фактически законодательство ЕС допускает возможность ее использования и в военных целях.

Дополняет этот факт наличие договоренности с Соединенными Штатами, в рамках которых Galileo будет использовать формат данных BOC1.1, тот же самый, что применяется и в GPS. Так что о сугубо мирной навигации говорить наивно.

Для пользователей мобильных устройств актуальной будет являться Open Service – бесплатная служба общего пользования, предоставляемая без гарантий и охватывающая своим покрытием до 95% площади городов Европы.

В планы Еврокомиссии входит создание системы, передающей при экстренном звонке в службу спасения координаты устройства через посредство Galileo, но они пока не реализованы.

Впрочем, «сдвигать сроки вправо» в ЕС любят ничуть не меньше, чем в России: изначально старт работы собственной навигации был запланирован на 2008 год, т.е., на восемь лет раньше, чем она была запущена в действительности.

Поддержка в смартфонах

Более поздние устройства поддерживают эту навигационную систему по умолчанию.

Первым топовым процессором компании Qualcomm, в котором была предусмотрена возможность работы с Galileo, стал Snapdragon 820.

Как узнать, работает ли гаджет с Galileo

Например, GPS Test позволяет узнать всё вышеизложенное применительно не только к американской системе, как можно было бы подумать из ее названия, но и с целым рядом других: , и, собственно, Galileo.

Если же говорить о возможности использовать только европейскую систему, отключившись от всех остальных, то это нонсенс: навигационный модуль использует сигналы всех соответствующих спутниковых группировок и наземных станций, чтобы получить максимальную точность определения координат.

Так что подобные сведения представляют чисто академический интерес, и никакой пользы владельцу смартфона не приносят.

В заключение

Будут пользоваться системой и военные, летчики и моряки. В целом же это просто вопрос стратегии национальной безопасности: многие из ведущих стран ведут работы по созданию региональных аналогов GPS и ГЛОНАСС, чтобы в случае возможных конфликтов не остаться без навигации.

Что касается пользователей мобильных устройств, то на практике для них с вводом в эксплуатацию Galileo не изменится ровным счетом ничего.

Помимо стран Европейского Союза, в проекте участвуют: Китай , Израиль , Южная Корея , Украина . Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины , Австралии , Бразилии , Чили , Индии , Малайзии . Ожидалось, что «Галилео» войдёт в строй в 2014-2016 годах, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (24 операционных и 6 резервных ). Но на 2018 год спутниковая группировка «Галилео» так и не достигла необходимого количества аппаратов. Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз » для запуска спутников, начиная с 2010 года . Космический сегмент будет обслуживаться наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.

После завершения развёртывания группировки спутники обеспечат в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюсы, 90-процентную вероятность одновременного приёма сигнала от четырёх спутников.

Благодаря доступу к точному сигналу в двух частотных диапазонах клиенты «Галилео» получат информацию о своем местоположении с точностью 4 м в горизонтальной плоскости и 8 м в вертикальной с доверительной вероятностью 0,95. Применение европейского дополнения EGNOS повысит точность до 1 м , а в специальных режимах она будет доведена до 10 см .

Для максимальной синхронизации спутники Galileo оснащены сверхточными атомными часами на рубидии-87 с максимальной ошибкой до одной секунды за три миллиона лет, что соответствует навигационной неточности, не превышающей 30 см при одновременном приёме сигнала от восьми-десяти спутников.

22 августа 2014 года первые полнофункциональные (англ. Full Operational Capability , сокр. FOC) спутники Galileo были запущены с космодрома Куру (Французская Гвиана) с использованием российской ракеты-носителя «Союз-СТ-Б ». Вывод спутников на целевую орбиту прошёл неудачно из-за ошибки в работе разгонного блока «Фрегат-МТ » (разработчик и производитель «Фрегатов» - подмосковное НПО имени Лавочкина) . Это первая нештатная ситуация при запуске космических аппаратов с космодрома Куру при помощи российских изделий. Пуски ракет «Союз-СТ-Б» были временно приостановлены .

26 марта 2015 года был выполнен следующий запуск спутников Galileo с космодрома Куру с помощью российской ракеты-носителя «Союз-СТ-Б».

11 сентября 2015 года из Гвианского космического центра (ГКЦ, Французская Гвиана) совместные расчёты российских и европейских специалистов выполнили запуск российской ракеты-носителя СОЮЗ-СТ-Б с разгонным блоком ФРЕГАТ-МТ и двумя европейскими космическими аппаратами GALILEO FOC М3 . 17 декабря 2015 года из Гвианского космического центра успешно выполнен запуск ракеты «Союз-СТ-Б» с космическими аппаратами Galileo FOC M4 .

15 декабря 2016 года навигационная система «Галилео» официально введена в эксплуатацию Европейской комиссией и стала доступной пользователям, в режиме «начальной эксплуатационной производительности» (англ. Initial Operational Capability ). На момент ввода системы на орбите находились 18 спутников, из них: 11 - действующих, 4 - вводятся в эксплуатацию, 2 - работают в тестовом режиме и 1 - не функционирует. На начальном этапе система не сможет самостоятельно обеспечивать круглосуточное глобальное покрытие, поэтому будет компенсироваться данными спутников системы GPS .

В середине января 2017 года было сообщено, что на спутниках вышли из строя 10 атомных часов , трое традиционных рубидиевых и семь более точных, водородных. Одни водородные часы впоследствии удалось вернуть в строй. Поломки произошли на разных типах спутников, как полнофункциональных FOC, так и IOV, запущенных первыми для подтверждения функционирования системы. Пять установок водородных часов отказало на спутниках IOV. Поскольку на каждом спутнике находится 4 установки атомных часов, по 2 каждого типа, а для функционирования спутника необходимы только одни, то поломка не отразилась на системе навигации в целом. Из-за расследования причин неполадок запуск следующих спутников отложен на несколько месяцев .

В середине февраля 2017 года появилась информация о недостаточной защищённости сигналов «Галилео» от хакерских атак. Над устранением проблемы работают ученые Университета Левен (Бельгия). Для этого ими предложено использовать метод TESLA для электронных подписей . Служба проверки подлинности публично появится на некоторых спутниках «Галилео» в 2018 году, а полностью начнет функционировать к 2020 году. Пользователям понадобится специальный приёмник для сигналов «Галилео», который также может проверять электронные подписи .

Система координат

Система использует систему координат Galileo Terrestrial Reference Frame (GTRF), связаную с международной земной системой координат ITRF и определеную таким образом, что её расхождение с ITRF не превышает 3 см с вероятностью 0,95 .

Список спутников

Службы

Открытая общая служба (Open Service )

Бесплатный сигнал, сопоставимый по точности с ныне существующими системами (благодаря большему количеству спутников - 27 против 24 в NAVSTAR GPS - покрытие сигналом в городских условиях должно быть доведено до 95 %). Гарантии его получения предоставляться не будут. Благодаря найденному компромиссу с правительством США будет применяться формат данных BOC1.1, используемый в сигналах модернизированного GPS, что позволит взаимодополнять системы GPS и «Галилео».

Служба повышенной надёжности (Safety-of-Life Service, SoL )

С гарантиями получения сигнала и системой предупреждения в случае понижения точности определения, предусмотрена прежде всего для использования в авиации и судовой навигации. Надёжность будет повышена за счёт применения двухдиапазонного приёмника (L1: 1559-1591 и E5: 1164-1215 МГц) и повышенной скорости передачи данных (500 бит/с ).

Коммерческая служба (Commercial Service )

Кодированный сигнал, позволяющий обеспечить повышенную точность позиционирования, будет предоставляться заинтересованным пользователям за отдельную плату. Точность позиционирования увеличивается за счёт использования двух дополнительных сигналов (в диапазоне E6 1260-1300 МГц ). Права на использование сигнала планируется перепродавать через провайдеров. Предполагается гибкая система оплаты в зависимости от времени использования и вида абонемента.

Правительственная служба (Public Regulated Service, PRS )

Особо надёжная и высокоточная служба с использованием кодированного сигнала и строго контролируемым кругом абонентов. Сигнал будет защищён от попыток его симулировать и предназначен прежде всего для использования спецслужбами (полиция, береговая охрана и т. д.), военными и антикризисными штабами в случае чрезвычайных ситуаций.

Поисково-спасательная служба (Search and Rescue, SAR )

Система для обеспечения приёма сигналов бедствия и позиционирования места бедствия с возможностью получения на месте бедствия ответа от спасательного центра. Система должна дополнить, а затем и заменить ныне существующую КОСПАС-САРСАТ . Преимуществом системы над последней является более уверенный приём сигнала бедствия вследствие большей близости спутников «Галилео» к земле по сравнению с геостационарным положением спутников КОСПАС-САРСАТ. Система разработана в соответствии с директивами Международной морской организации (IMO) и должна быть включена в Глобальную морскую систему связи при бедствиях и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ).

Примечания

1. http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/Galileo/What_is_Galileo Galileo system will consist of 24 operational satellites plus six in-orbit spares .. in three circular Medium Earth Orbit
2. Франция приобрела у России 10 ракет-носителей «Союз»
3. Российские ракеты запустили первые европейские навигационные спутники во второй половине 2011 года. (недоступная ссылка) Интерфакс-Запад
4. Rannals, Lee . Next Pair Of Galileo Satellites Getting Prepped For October Launch (англ.) , redOrbit (10 September 2012). Архивировано 3 декабря 2013 года. Дата обращения 1 октября 2012. «The twin satellites will be hitching a ride aboard the Soyuz ST-B on October 10, then will meet up with the first two Galileo satellites currently in orbit.».
5. Arianespace scores a double success with its historic first Soyuz launch from the Spaceport (англ.) , Arianespace web portal , Arianespace (21 October 2011). Архивировано 22 октября 2011 года. Дата обращения 27 октября 2011. «The two In-Orbit Validation spacecraft lofted today were produced in an industrial consortium led by EADS Astrium with Thales Alenia Space, and will be joined by two more IOV platforms launched by Soyuz in 2012 – forming the operational nucleus of the full 30-satellite Galileo navigation constellation.».
6. Galileo’s navigation control hub opens in Fucino / Navigation / Our Activities / ESA
7. Роскосмос: РН «Союз-СТ-Б» с КА Galilio успешно стартовала с космодрома Куру.
8. Причиной аварии спутников Galileo назвали дефект разгонного блока «Фрегат» (неопр.) . Сетевое издание «Интерфакс». Дата обращения 6 марта 2015.