RAPORT SPECJALNY – Europejskie technologie
Program Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej GALILEO

Za 5 lat cały Świat zostanie objęty cywilnym systemem sterowania satelitarnego. W 2020 roku 12 mld. ludzi będzie korzystało z telefonów komórkowych, a 3 mld. ludzi (500 mln. kierowców) będzie korzystało z odbiorników typu GSP

Na progu XXI wieku nastąpiło gwałtowne przyśpieszenie w technologiach nawigacji satelitarnej i ich wdrażaniu w sferze życia publicznego (cywilnego): Rosjanie przyśpieszyli budowę systemu GLONASS, a Amerykanie przyśpieszyli modernizację GPS (projekt GPS-II) oraz rozpoczęli projekt GPS-III ukierunkowany na jego zastosowanie do celów publicznych.

Do tych państw ostatnio dołączyły Chiny (program Beidou „Wielka Niedźwiedzica”: 35 satelitów, w tym 5 geostacjonarnych), Indie (system IRNSS programu GAGAN) i Japonia (system QZSS). W kolejce czekają: Nigeria, Arabia Saudyjska, Pakistan, Iran i Brazylia.

Bez wątpienia impulsem dla tego typu wdrożeń było wypracowanie przez Europejską Agencję Satelitarną (ESA) programu Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS), rozpoczęcie przez państwa zrzeszone w Unii Europejskiej nowatorskiego programu zastosowania tej nawigacji do celów cywilnych oraz wystrzelenie 28 grudnia 2005 r. pierwszego europejskiego satelity nawigacyjnego Europejskiego Systemu Nawigacji Satelitarnej Galileo. W satelicie tym pozytywnie przetestowano m. in. najnowocześniejszy atomowy zegar rubidowy, niezbędny do bardziej precyzyjnej nawigacji.

OD DOPPLERA DO GALILEO

Praojcem nawigacji jest bez wątpienia austriacki fizyk Christian Andreas Doppler (1803-53), który w 1842 r. odkrywa i uzasadnia zjawisko zmiany częstości fali rejestrowanej przez odbiornik w zależności od tego, czy źródło fali zbliża się czy oddala względem odbiornika (efekt, zwany zjawiskiem Dopplera). Po prawie 80 latach (1920 r.) rozpoczęto prace nad lampą katodową umożliwiającą lokalizację obiektów (początki radionawigacji). W 1940 r. w USA rozpoczęto prace nad systemem nawigacji dalekiego zasięgu – LORAN (Long Range Navigation) – w 1957 r. powstają pierwsze stacje systemu nawigacji satelitarnej LORAN-C. Rzeczywisty początek systemu nawigacji satelitarnej wiąże się jednak dopiero ze startem w 1978 r. pierwszych satelitów operacyjnych systemu GPS Navstar, a następnie przyjęciem przez USA w 1988 r. Koncepcji konstelacji 24 satelitów w systemie GPS (21+3 zapasowe).

W II połowie XX wieku systemy nawigacji satelitarnej zrewolucjonizowały sposoby określania położenia obiektów w przestrzeni. Niezależnie od pogody, w dzień i w nocy, możliwe stało się z wysoce dużą dokładnością ustalanie parametrów badanych obiektów, w tym ich współrzędne, czy prędkości ich przemieszczania. Zaczęto także transmitować bar-dzo dokładne informacje na temat czasu. Specjalne sieci satelitarne pozwoliły na precyzyjne określenie trójwymiarowych współrzędnych stałych i poruszających się obiektów na Ziemi, szybkości ruchomych odbiorców i czasu. Dane te zostały szeroko wykorzystywane w geodezji, geografii, nawigacji naziemnej, lotniczej, morskiej i satelitarnej oraz w synchronizacji i pomiarach czasu.

Obecnie funkcjonują dwa systemy nawigacji satelitarnej (GPS i GLONASS). Oba zostały opracowane przez specjalistów wojskowych i zainstalowane dla potrzeb militarnych. Obydwa są udostępnione bezpłatnie dla użytkowników cywilnych, ale tylko system amerykański udało się z powodzeniem wykorzystać do tych zadań. Jednakże system ten ma szereg poważnych wad, takich jak: słabą i zmienną dokładność pozycjonowania (czasami sięgającą aż kilkadziesiąt km zależnie od miejsca i czasu pomiaru), słabą niezawodność, słabe pokrycie obszarów o dużej wysokości nad poziomami mórz, przez które przebiega wiele tras lotniczych, oraz niepewność penetracji sygnałów na obszarach gęsto zaludnionych (obszary wielkomiejskie).

GPS-NAVSTAR

Navstar-GPS (Global Positioning System), oparty jest na zespole satelitów, krążących na orbitach 20 200 km nad Ziemią. Komponent kosmiczny tworzą 27 satelity, w tym 24 operacyjne i 3 rezerwowe (w 2007 r. w ramach GPS-II liczbę tę zwiększono do 30). Satelity krążą po 6 torach orbitalnych kołowych o nachyleniu 55° lub 63°. Tory te są nachylone pod kątem 55° do równika, a na każdym z nich znajduje się 4 satelity. W każdym punkcie na Ziemi jest widocznych jednocześnie minimum 5 satelitów. Okres obiegu Ziemi przez satelitę wynosi 11 godzin i 58 min. W każdym miejscu globu odbiorniki naziemne teoretycznie mogą być połączone z co najmniej z 5 satelitami.

Naziemny segment kontroli GPS składa się z 5 stacji kontrolnych zlokalizowanych w pobliżu równika. Główna Stacja Nadzoru jest zlokalizowana w Bazie Sił Powietrznych USA.

System GPS przewiduje dwa poziomy dokładności systemu (dwa poziomy dostępu):

• SPS (Standard Positioning System) – dostęp standardowy dla odbiorców cywilnych. Dostęp ten ze względów technicznych daje dokładność rzędu kilku metrów. Jednak ze względu na możliwość jego zastosowania w działaniach militarnych, sygnał ten był zakłócany pseudolosowym błędem SA – w wybranych miejscach Ziemi, a następnie globalnie.
• PPS (Precise Positioning System – Dokładny System Nawigacji) – dostęp precyzyjny przeznaczony dla armii USA.

GPS jest systemem militarnym, dlatego też korzystanie z niego przez użytkowników cywilnych jest ograniczone: zakłada możliwość wyłączenia nadawania sygnału na częstotliwości L1 (udostępnionego dla użytkowników cywilnych) w sytuacjach zagrożenia bezpieczeństwa lub akcji militarnych Stanów Zjednoczonych. W latach 1990-2000 sygnał ten był dodatkowo modulowany (celowo fałszowany) kodem SA (Selective Availability – „Wybiórcza Dostępność”). Wprowadzone przez niego błędy pomiaru, ograniczały dokładność pozycjonowania do 100 metrów. Taka sytuacja wystąpiła w 1990 r. (Wojna w Zatoce Perskiej) a następnie w czasie operacji w Kosowie, kiedy to sygnał dostępny dla użytkowników publicznych był skutecznie zakłócany. Wówczas, w praktyce, w 95% dokładność lokalizacji wyniosła około 100 m, a w 99% – około 300 m. Po odłączeniu SA w 2000 r. dokładność określania pozycji wzrastała do 10-15 m, ale w najgorszych przypadkach nadal wynosiła 300 m.

Z punktu widzenia zadań cywilnych GPS nie daje więc żadnych gwarancji i zapewnień o dokładności, zwłaszcza do wielu krytycznych cywilnych zastosowań np. w wypadku lotniczym lub rozbicia tankowca.

Metodą zwiększenia dokładności pomiaru w GPS jest stosowanie pomiaru różnicowego, zwanego DGPS. W takich przypadkach zlokalizowana w pobliżu odbiornika stacja bazowa DGPS przekazuje do niego dane różnicowe. W ten sposób odbiornik GPS może nanieść poprawki wynikające z błędów propagacji sygnału między satelitą a odbiornikiem. Systemem korekcji błędów GPS jest także WAAS oraz EGNOS, podobne do DGPS z tą różnicą, że poprawki do odbiorników przesyłane są przez geostacjonarne satelity.

Obecnie USA modernizuje system (projekt GPS II), jednak nie rozwiąże on wszystkich tych wad. Najprawdopodobniej rozwiązanie ich nastąpi dopiero w 2013 r. (projekt GPS-III), kiedy to zostanie także uruchomiony europejski system Galileo.

GLONASS

GLONASS (Global Navigation Satellite System) jest rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar. Metoda pomiaru i działanie systemu są podobne. Jest on na etapie zaawansowanej budowy, w czasie której jest dostępny dla celów cywilnych. Docelowo system ma mieć zasięg ogólnoświatowy i składać się z 24 satelitów, w tym 21 aktywnych i 3 zapasowych, umieszczonych na wysokości 19 100 km nad powierzchnią Ziemi. Ich orbity zostały tak zaprojektowane, aby w każdym miejscu na globu, w dowolnym momencie, dostępne były sygnały przynajmniej z 5 satelitów. Podobnie jak GPS Navstar ma on dwa kanały: standardowy (o dokładności poziomej 60 m i pionowej 75 m) i precyzyjny. W odróżnieniu od GPS kanał dokładności standardowej jest dostępny na częstotliwościach L1 i L2, a kanał precyzyjny i depesza nawigacyjna tylko na L2. Użycie kodu precyzyjnego wymaga zezwolenia rosyjskiego Ministerstwa Obrony. Nie stosuje się sztucznego błędu (SA) ani dodatkowego kodowania kanału precyzyjnego.

Podobnie jak GPS jest systemem wojskowym udostępnionym do celów cywilnych, aczkolwiek sam nie tworzy żadnych cywilnych zastosowań.

Unia Europejska, w systemie tym, widziała segment międzynarodowego systemu GNSS-II. Jest on – w porównaniu do GPS – potencjalnie dokładniejszy, a produkcja i umieszczanie na orbitach satelitów dwukrotnie tańsze. Niemiecka DASA (Deutsche Airspace Agency) prowadzi działania zmierzające do wspierania systemu GLONASS przez satelity geostacjonarne. Najprawdopodobniej wiąże się to z realizacją projektu EGNOS, polegającego na zapewnieniu pewnego i nieprzerwanego odbioru sygnałów GNSS (GPS plus GLONASS) przy pomocy satelitów geostacjonarnych..

KONKURENT GPS?

Budowany system Galileo (Galileo Navigation Satellite System) jest powszechnie uznawany za konkurenta istniejących systemów amerykańskiego Navstar-GPS i rosyjskiego GLONASS. Tak to może wyglądało pod koniec lat. 90-tych. Tak też można sądzić powierzchownie porównując system działania i dane techniczne tych systemów. Tylko to łączy te trzy systemy.

Dzieli je jednak (krańcowo) cel dla którego zostały zbudowane oraz koncepcja podstawowego zastosowania. Wszak zarówno GPS jak i GLONASS są zaprojektowanymi i zbudowanymi dla celów militarnych, zarządzanymi przez wojskowe organy, a ich wykorzystanie jest podporządkowane interesom militarno-politycznym odpowiednio USA i Rosji.

Cel dla jakiego buduje się system Galileo, zakres zastosowań oraz system zarządzania (organ cywilny) wskazują, że jest to autorska koncepcja budowy nowatorskiego programu wykorzystania techniki nawigacyjnej dla celów publicznych (cywilnych), opracowana i wdrażana przez Europejską Agencją Kosmiczną (ESA) i Unię Europejską. Program ten wiąże się, bez wątpienia, z faktem integracji europejskiej oraz planem wyposażenia administracji UE i państw zrzeszonych w narzędzia niezbędne do organizowania działalności, przy wykorzystaniu nawigacji satelitarnej w sferze zarządzania (zwłaszcza europejską infrastrukturą transportową – koleją, drogami lądowymi i szlakami morskimi), administracji, kontroli oraz usług publicznych.

Wdrażanie tego programu ma także cele ekonomiczne: roczna stopa wzrostu tej technologii (obecne systemy) wynosiła ok. 25%. Wg prognoz liczba użytkowników odbiorników typu GPS w 2020 r. wzrośnie do 3 miliardów. Szacowano, że umieszczenie na orbicie satelitów Galileo podwoi ilość dostępnej infrastruktury. Kierowano się więc (także) względami komercyjnymi i zaplanowano budowę systemu z udziałem kapitału prywatnego. W tym celu zbudowano modelowe wymagania parametrów systemu nawigacyjnego dotyczące dokładności, dostępności i wiarygodności sygnałów, a co za tym idzie wyższej jakości usługi nawigacyjnej i pomiaru czasu, niezbędnych dla niezakłóconego funkcjonowania na linii: satelita-segment naziemny-użytkownik. Wiązał się z tym zamiar stworzenia lepszych warunków dla rozwoju technologii satelitarnych będący bodźcem dla rozwoju sektora ‚”Hight Technology“ oraz dla całej gospodarki krajów europejskich.

Wdrażany projekt Galileo spełnia wcześniej założone (pożądane) wymogi dokła-dności i dostępności dla poszczególnych grup użytkowników np:

• serwis bezpieczeństwa życia – kąt maskowania satelity – 5° , dokładność przy poziomie ufności 95% – 4 m. w pionie, zasięg – globalny, dostępność – większa od 99%, integralność – wymagana;
• masowy odbiorca: kąt maskowania satelity – 25°, dokładność przy poziomie ufności – 10 m. w poziomie, zasięg – globalny, dostępność – większa od 70%, integralność – nie wymagana.

Sformułowanemu celowi (organizacyjno-usługowo-komercyjnemu) podporządkowano działania uruchamiające program globalnego systemu nawigacyjnego GNSS. Założono, że będzie on rozwijać się z istniejącymi: jego segment kosmiczny ma objąć satelity już znajdujące się na orbitach, zaś część lądowa ma być kompatybilna z pracującymi stacjami naziemnymi. Zakładano, że w fazie początkowej GNSS nastąpi integracja systemów GPS i GLONASS. Temu celowi służył utworzony EGNOS – system wspomagania systemów GPS i GLONASS. Wojna w Zatoce Perskiej w 1990 r. (a następnie w Kosowie) uzmysłowiła autorom projektu, że gwarancję niezakłóconego precyzyjnego i sprawnego działania systemu nie mogą dać systemy podporządkowane interesom militarno- politycznym. Wówczas to bowiem Departament Obrony USA w systemie GPS włączył degradację sygnału SA wpływającą na zmniejszenie dokładności lokalizacji w odbiornikach cywilnych. Wystąpiły wyłączenia i zakłócenia u odbiorców cywilnych, co – u autorów GNSS – wzbudziło nieufność do istniejących systemów. Wniosek: żaden z istniejących systemów nie daje gwarancji poprawności i nieprzerywalności ich działania w sytuacjach krytycznych. Mając tak sformułowane cele oraz przykłady zakłóceń wynikających z całkowitego uzależnienia się od systemów GPS i GLO-NASS, w 1999 r. Komisja Europejska wyznaczyła założenia nowego projektu o globalnym zasięgu, otwartym charakterze oraz zgodności, a zarazem niezależności, od amerykańskiego GPS. W 2002 r. rozpoczęto finansowanie budowy europejskiego systemu nawigacji satelitarnej Galileo.

System nawigacyjny Galileo

Równocześnie ESA opracowała program zmierzający do tego aby – na obszarze Unii Europejskiej -głównym cywilnym systemem nawigacyjnym dla wyznaczeń podstawowych parametrów nawigacyjnych (wyznaczania położenia obiektu, jego prędkości i czasu) był Galileo wchodzący w skład GNSS (Globalny Nawigacyjny System Satelitarny), który ma obejmować istniejące systemy nawigacji satelitarnej GSP, GLONASS oraz następujące systemy: EGNOS (system przesyłający do użytkowników poprawki różnicowe oraz informacje o stanie działania systemu za pośrednictwem 3 europejskich satelitów geo- stacjonarnych), LORAN-C (system przesy-łający poprawki różnicowe oraz informacje o stanie działania systemu) i DGNSS (system teletransmisji poprawek różnicowych oraz informacji o stanie działania systemu).

Pierwszym etapem tych prac było stworzenie koncepcji systemu EGNOS (wykorzystującego i wspomagającego prace systemów GPS i GLONASS), który poprawiał podstawowe parametry jakościowe tych systemów, takich jak: dokładność, dostępność, ciągłość i wiarygodność.

Wszystkie te systemy tworzą GNSS będącym cywilnym system nawigacyjnym, eliminującym błędy GPS, w środowiskach naukowych nazywany GNSS-1. Koncepcja ta zakłada eliminację typowych niedomagań GPS poprzez zwielokrotnienie źródeł informacji pozycyjnej, zapewnienie nie- przerwanego dopływu da-nych korekcyjnych oraz mo-żliwość stałego monitoringu jakości danych pozycyjnych .

System Galileo będzie wyko-rzystywał sygnały nie tylko z systemów GLONASS, GPS lecz także współpracujących z nim systemów SBAS (Satellite Based Augmentation System), opartych o satelity geostacjonarne i systemy na- ziemnych stacji korekcyjnych, a które lokalnie pokrywają obszar Europy (EGNOS), USA (WAAS), Kanady (CWAAS) oraz Japonii (MSAS); systemów niesatelitarnych, jak radiowy system Loran-C oraz systemów komunikacyjnych GSM, GPRS i UMTS.

Obecnie przewiduje się, że pełną sprawność operacyjną Galileo uzyska około 2013 r. W tym czasie w kosmosie powinny się też pojawić pierwsze satelity nowej generacji amerykańskiego GPS III A. Sygnał z tych ostatnich satelitów ma być co najmniej dziesięć razy mocniejszy niż obecnie. Zwiększy to odporność systemu na ewentualne zakłócenia, a sygnał pozwoli określać pozycję z dokładnością do 1 m. Obecnie takie precyzyjne namierzanie jest dostępne tylko dla wojska, a bezpłatny sygnał GPS dla cywilów pozwala namierzać z precyzją ok. 10-15 m.

EGNOS

Głównym celem uruchomionego w 2005 r. systemu EGNOS (European Geostationary Overlay Service) jest dostarczanie informacji „ulepszających” dane generowane przez systemy nawigacji satelitarnej, w celu zapewnienia użytkownikom w Europie (również na niektórych obszarach znajdujących się poza kontynentem) możliwość określania swojej pozycji z dokładnością do 7 m. Jest więc systemem wspomagania funkcji GPS i GLONASS, a w przyszłości Galileo. Podobne systemy działają w Ameryce Północnej – WAAS (Wide Area Augmentation System) i Japonii – MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System).

Składa się on z 3 satelitów geostacjonarnych oraz sieci 40 stacji naziemnych, przystosowanych do zapisywania, oceny i korygowania danych pochodzących z amerykańskiego systemu GPS. Stacje te przekazują informacje dotyczące pewności oraz dokładności sygnałów transmitowanych przez systemy pozycjonowania GPS oraz GLONASS. Jedna z takich stacji znajduje się w Warszawie. Wszystkie generują takie same sygnały jak satelity GPS. Sygnały te są bezpłatnie i mogą być odbierane i wykorzystywane przez standardowe odbiorniki GPS, w celu zwiększenia dokładności lokalizacji

Uruchomienie EGNOS spowodowało zde-cydowaną poprawę podstawowych parame- trów nawigacyjnych systemów GPS i GLO-NASS, takich jak: dokładność (zdolność systemu do określania pozycji mierzonego obiektu w granicach dopuszczalnego błędu systemu z prawdopodobieństwem 95% – w praktyce wynosi ona od 2 m.), wiarygodność (określa poziom zaufania do dostarczanej przez system informacji), ciągłość (zdolność satelitów do nieprzerwanej pracy podczas całego swojego przelotu nad horyzontem użytkownika) i dostępność (prawdopodobieństwo pełnienia usług nawigacyjnych w dowolnym momencie). Tym samym zapewnia on bezpieczeństwo w warunkach krytycznych np. zwiększonego zagrożenia. System EGNOS jest pierwszym elementem budowanego przez systemu Galileo

STRUKTURA GALILEO

Segmenty systemu Galileo

Galileo, podobnie jak istniejące globalne systemy nawigacji satelitarnej, składa się z trzech podstawowych segmentów:

• kosmicznego (przestrzeni kosmicznej-Space- Segment) – konstelacji satelitów na określonych orbitach, transmitujących 1 lub kilka sygnałów nawigacyjnych, obejmujących swoim zasięgiem całą kulę ziemską,
• naziemnego (kontroli i emisji naziemnej – Ground Control and Mission Segment) – sieci stacji naziemnych zapewniających
• stałą kontrolę i łączność z satelitami, użytkownika – obejmującego wszystkie odbiorniki satelitarne, których użytkownicy systemu mogą wyznaczyć swoją pozycję na podstawie pomiaru odległości do conajmniej 3 satelitów.

Architektura systemu składa się z czterech głównych komponentów: globalnego; regionalnego; lokalnego i użytkowego.

Składnikiem globalnym jest cały segment kosmiczny systemu oraz segment naziemny, który będzie pełnił następujące funkcje: OSPF (Orbit Synchronization and Processing Facilities), PTF (Precision Timing Facilities), IPF (Integrity Processing Facilities), MCF (Mission Control Facility), Satellite SCF (Control Facility) oraz SPF (Services Product Facility .

Komponent regionalny stanowią sieci stacji nadzorujących wiarygodność sygnałów i centrów przetwarzania danych, dostarczających (poprzez serwisy regionalne) dodatkowych danych do systemu. Będą one przekazywane specjalnymi kanałami transmisyjnymi, dającymi możliwość „personalizacji” wiarygodności. Takimi stacjami będą działające już stacje EGNOS.

Galileo, z założenia, ma zapewnić wysoki poziom wydajności dla użytkowników znajdujących się na całej kuli ziemskiej, a więc również na obszarach o małej infrastrukturze naziemnej. Aby osiągnąć ten cel, do systemu zostaną zaadaptowanie lokalne elementy istniejącej infrastruktury do zastosowań specjalistycznych zlokalizowana w obsłudze lotnisk, portów, sieci kolejowych, dróg czy zurbanizowanych obszarów. Transmisja danych do odbiornika użytkownika odbywałaby się poprzez specjalne połączenia jak również za pomocą innych, zewnętrznych systemów takich jak sieci telefonii komórkowych GSM lub UMTS.

Segment Kosmiczny

Segment kosmiczny składa się z 30 satelitów umieszczonych równomiernie na trzech kołowych okołoziemskich orbitach MEO (Medium Earth Orbits) odległych o około 24 tys. km. (23.222-23.616 km.) od powierzchni Ziemi (w tym 3 satelitów na orbitach zapasowych-aktywnych rezerwowych) rozlokowanych tak, aby obejmowały całą powierzchnię Ziemi. 27 satelitów operacyjnych (rozmieszczonych co 40°) będzie okrążać nasz glob w ciągu 14 godzin i 21 minut.

Dzięki rozstawieniu na 3 orbitach kołowych (po 10 satelitów na każdej orbicie), leżących na płaszczyznach przechodzących przez środek Ziemi, nachylonych do płaszczyzny równika pod kątem 56° względem płaszczyzny równika, sygnały nawigacyjne będą pokrywały obszar aż do 75° szerokości geograficznej północnej, co odpowiada przylądkowi Nord Cape w Skandynawii. Większy (niż w GSP) promień orbity zapewni lepszą, niż obecnie, jakość sygnału pomiarowego.

Gwarancję jakości działania i dokładności systemu zapewni większa (niż w GPS i GLONASS) liczba satelitów, bowiem utrata jednego z nich nie zakłóci odbioru i nie wywoła dostrzegalnych dla użytkownika problemów z wykonywaniem realizowanych zadań (satelita rezerwowy może być przesunięty w taki sposób, że zastąpi satelitę uszkodzonego).

Większy promień orbity i bardziej liczna konstelacja satelitów dają Galileo pewną przewagę nad GPS. Spodziewać się należy lepszej jakości sygnału pomiarowego (dotrze on nawet do strefy polarnej) oraz większej niezawodności funkcjonowania systemu.

Każdy z satelitów będzie wyposażony w cztery pokładowe zegary atomowe – po dwa zegary rubidowe (jeden został już wyprodukowany w Polsce) i dwa bierne masery wodorowe. Zapewnią one wymaganą dokładność, lepszą niż jedna nanosekunda.

Satelity będą nadawać 10 sygnałów w trzech pasmach częstotliwości. To jest istotna przewaga Galileo nad systemem GPS-NAVSTAR dysponującym zaledwie trzema częstotliwościami

Sygnały oznaczone numerami 1, 2, 3, 4, 9 i 10 będą dostępne dla wszystkich użytkowników. Pozostałe sygnały będą szyfrowane i dostępne tylko dla użytkowników mających dostęp do serwisu komercyjnego-CS i serwisu regulowanego publicznie-PRS. Część sygnałów nie będzie zawierać żadnych danych – przeznaczona jest do wyznaczania poprawki jonosferycznej w celu zwiększenia dokładności. To jest istotna zaleta Galileo, gdyż częstotliwość porównawcza w systemie GPS nie jest swobodnie dostępna, co istotnie wpływa na dokładność pomiarów

Segment Naziemny

Pod względem swoich zadań i spełnianych funkcji segment naziemny systemu Galileo w zasadzie nie różni się od systemu GPS – składa się z infrastruktury umożliwiającej kontrolę nad satelitami, monitorowanie ich działania, przetwarzanie sygnałów oraz danych, a także zarządzanie całą częścią naziemną.

Jedyna – istotna – różnica polega na tym, że w systemie – za pośrednictwem stacji naziemnych – przekazywane będą informacje o stanie systemu (integralności) oraz wszelkie dane związane z serwisem poszukiwania i ratowania SAR (Search And Rescue). Zgodnie z założeniami zadania te będą miały zasięg globalny. W tym celu każdy satelita będzie wyposażony w transponder, który będzie przekazywał sygnały o nieszczęśliwych zdarzeniach z nadajników użytkowników do koordynacyjnego centrum ratownictwa (RCC).

Zarządzanie systemem będzie realizowane w dwóch (Tuluza i Londyn) naziemnych centrach GCC (Galileo Central Centre), których zadaniem będzie kontrolowanie konstelacji satelitów, ich działania i transmitowanych przez nie depesz nawigacyjnych, przetwarzanie sygnałów oraz danych przekazywanych przez krajowe jak i zagraniczne instytucje, kontrolowanie i obsługa sygnałów czasu oraz zarządzanie całą częścią naziemną.. Dwa dodatkowe ośrodki kontrolne będą zlokalizowane w Monachium i w okolicach Jeziora Fucino koło Rzymu.

Zadania te będą realizowane przez dwa niezależne segmenty, zapewniające działanie systemu w przypadku awarii jednego z ośrodków:

• segment kontroli satelitów GCS (Galileo Control System) kontrolujący stan techniczny satelitów i uzupełniający braki w konfiguracji satelitów, w skład którego wchodzi pięć stacji sterujących zapewniających ciągłą kontrolę i dwukierunkową łączność ze wszystkimi satelitami systemu,
• naziemny system kontroli funkcjonowania całego systemu GMS/MCS (Galileo Mission System/Mission Control System) skladający się z piętnastu telemetrycznych stacji nadawczo odbiorczych oraz sieci 20 stacji monitorujących.

Oba te segmenty tworzące GGS (Galileo Global Component) zapewniając jednakową jakość nawigacji mają funkcjonować pod kontrolą cywilnego operatora systemu GOC (Galileo Operating Company).

Do głównych zadań GCS będzie należało: zapewnienie nieprzerwanego funkcjonowania systemu oraz jego globalnego zasięgu, utrzymywanie ustalonej konfiguracji satelitarnej, opracowywanie planu uzupełniania i odnawiania konstelacji satelitów oraz kontrola stanu technicznego satelitów. W jego skład będzie wchodziło pięć odbiorczo-nadawczych stacji telemetrii, przesyłu komend i pomiaru odległości TT&C (Telemetry, Telecommand and Ranging Stations).

GMS będzie bieżąco utrzymywał wszystkie serwisy systemu (nawigacyjne, czasu oraz poszukiwania i ratowania SAR), nadzorował funkcjonowanie całego systemu, monitorował sygnały docierające z satelitów i nadawał alarmy w czasie rzeczywistym oraz rozsyłał dane systemu. Centrum będzie przesyłało do użytkownika aktualizowane informacje dotyczące monitorowania zagrożonego obiektu i rozpoczęcia akcji ratunkowej.

Rozlokowanie sieci na całym świecie 20 naziemnych stacji pomiarowych GSS (Galileo Sensor Stations) umożliwi nieustanną obserwację wszystkich satelitów. Będą one rozprowadzały nawigacyjny sygnał satelitarny na całą Ziemię (tzw. informacje wiarygodności). Które transmitowane będą wraz z sygnałami nawigacyjnymi, co pozwoli systemowi Galileo być wykorzystywanym w aplikacjach związanych bezpośrednio z bezpieczeństwem życia SoL.

Stacje te będą wspierały funkcjonowanie regionalnych i lokalnych centrów serwisowych, w tym dostarczały użytkownikom sektora gospodarczo– społecznego informacji o jakimkolwiek złym funkcjonowaniu i uszkodzeniach systemu.

W latach 2002 – 2004 ESA zbudowała i przetestowała segment naziemny projektu Galileo o nazwie GSTB-VI w celu sprawdzenia poprawności działania algorytmów kontrolnych, weryfikacji procesów regulujących pracę zegarów i weryfikacji procedur prognozowania pojedynczych orbit. Do zrealizowania postawionych celów wykorzystano sygnały nadawane przez znajdujące się już w przestrzeni kosmi-cznej satelity systemu GPS. Test wypadł pozytywnie. GCC systemu będzie zawierał wszystkie elementy infrastruktury niezbędne dla pięciu podstawowych serwisów usługowych: OS, SoL, CS, PRS i SAR.

Segment Użytkownika – Rodzaje usług

Po zbudowaniu systemu Galileo nastąpi zdecydowane (wręcz rewolucyjne) poszerzenie rodzaju usług, ich upowszechnienia, jak i ich jakości i dokładności. Będą to usługi poszukiwawcze i ratunkowe, bezpłatne usługi otwarte i bezpieczeństwa życia, odpłatne usługi komercyjne oraz. bezpłatne dla państw zrzeszonych w UE usługi na rzecz służb publicznych

Serwis otwarty OS (Open Service) będzie oferował powszechnie dostępny pomiar czasu i pozycji, o większej dokładności niż obecnie oferowana przez GPS. Dostęp do tych usług nie będzie wiązał się z autoryzacją użytkownika, podobnie jak jest obecnie w GPS. Usługi te nie będą miały wsparcia informatycznego systemu oraz nie będą objęte gwarancją i ochroną prawną operatora systemu GOC. Przewiduje się, że większość odbiorników będzie używało zarówno sygnałów Galileo jak i GPS, co usprawni jakość usług w obszarach o utrudnionych warunkach odbioru, takich jak duże zespoły miejskie.

Serwis bezpieczeństwa życia SoL (Safety of Life Service) będzie przeznaczony do tych zastosowań komunikacyjnych, w których życie ludzkie może być zagrożone. Będzie kierowany do sektorów, w których bezpieczeństwo jest elementem kluczowym. Serwis SoL będzie gwarantował stałą jakość usług i powszechność dostępu. Usługa ta będzie miała taką samą dokładność określenia czasu i pozycji jak OS, przy ogólnoświatowym, wysokim poziomie zintegrowania systemu, z uwzględnieniem potrzeb bezpieczeństwa kryzysowego (np. w żegludze, lotnictwie czy transporcie kolejowym).

Usługi SoL będą kontrolowane i ich prowadzenie będzie upoważniało do uzyskania certyfikatu na dwu-częstotliwościowy odbiornik. W celu uzyskania wymaganego poziomu ochrony wykorzystywanych sygnałów radiowych, dla systemu SoL będą udostępnione pasma częstotliwości (L1 i E5) lotniczych służb nawigacyjnych ARNS (Aeronautical Radio-Navigation Services). Odbiorniki nawigacyjne będą opracowane przez firmy: Raytheon Systems Ltd., Roke Manor Research, Leads University i Helios Technology. System SoL będzie zintegrowany z precyzyjnym systemem pomiaru wysokości samolotów HME (Height Monitoring Equipment).

Usługi komercyjne CS (Commercial Service) będą służyły przesyłaniu danych o znaczeniu handlowym i informacyjnym oraz kolportowaniu reklam o towarach i usługach. Informacje przenoszone będą przez 2 sygnały chronione komercjalnymi metodami kryptologicznymi. Ochroną tajemnicy korespondencji będą zarządzali początkowo dostawcy usług, a następnie agendy operatora systemu. Dostęp do nich będzie kontrolowany na poziomie odbiornika, dzięki stosowanym kluczom. Prawo do używania 2 sygnałów CS można będzie nabyć od operatora GOC.CS będzie oferował większą dokładność niż OS (do 0,8 m w poziomie i do 1 m w pionie) oraz umożliwi przesyłanie wiadomości od stacji naziemnych do użytkowników.

Usługi na rzecz służb publicznych PRS (Public Regulated Service) będą przeznaczone dla służb podległych administracjom rządowym odpowiedzialnym za ochronę cywilną oraz bezpieczeństwo narodowe takich jak: policja, straż pożarna, ratownictwo medyczne, wojsko (z wyłączeniem dowodzenia operacyjnego), kontrola celna i inne (np. . transport odpadów nuklearnych, pobór opłat drogowych, przemyt, nielegalna imigracja). Usługa ta będzie zastrzeżona dla autoryzowanych administracji państwowych. Dostęp do niej będą regulowały ustalone w Unii Europejskiej zasady i nadzorowany przez służby bezpieczeństwa. Usługi PRS będą świadczone w każdym czasie i we wszystkich okolicznościach – szczególnie w czasie kryzysu (wówczas inne mogą zostać zablokowane), dlatego też, od strony technicznej, będą oddzielone od innych usług, co ochroni je przed zablokowaniem lub unieruchomieniem.

Usługa poszukiwania i ratowania SAR (Search and Rescue) będzie jedną z najważniejszych w projekcie Galileo. Jej uruchomienie spowoduje udoskonalenie istniejących systemów służących do odbioru przekazów o krytycznym położeniu ofiar. Alarmy będzą lokalizowane bardziej precyzyjne, z dokładnością kilku metrów (obecnie ok. 5 km.). SAR będzie zintegrowany z funkcjonującym już systemem ratownictwa morskiego i lotniczego COSPAS-SARSAT. W rezultacie wyeliminuje się opóźnienia, w przesyłaniu wiadomości, wynikające ze spiętrzenia lub zablokowania serwerów (obecnie opóźnienia dochodzą do jednej godziny), a uzyskanie zwrotnej informacji w miejscu inicjowania alarmu, usprawni działania ratownicze i jednocześnie zmniejszy liczbę fałszywych alarmów.

Usługa SAR oparta będzie na operacyjnym systemie Cospas-Sarsat (Cosmicheskaya Systema Poiska Avarynich Sudow – Search and Rescue Satelitte). Korzystać z niej można będzie, ponieważ każdy z satelitów będzie wyposażony w transponder, który umożliwi transmisję sygnału wzywania pomocy od użytkownika do RCC (Rescue Coordination Centre), który następnie zainicjuje operację ratunkową.

KRYZYS W II FAZIE BUDOWY GALILEO

W opublikowanym 13 lutego 2001 r. głównym dokumencie technicznym ESA (Mission High Level Definition) – ogólnym planie budowy i rozwoju systemu wyróżniono cztery główne etapy: definiowania (1999-2003), rozwoju i uwierzytelniania (2003-2006), rozmieszczenia satelitów (2006-2008) i użytkowania (po 2009 r.).

Faza definiowania została zakończona w terminie. W fazie tej zdefiniowano koncepcję systemu od strony technicznej, opracowano plan budowy z harmonogramem jego wdrożenia oraz projekty regulacji prawnych niezbędnych do jego budowy, jak również zasady finansowania. W tym okresie opracowano następujące projekty: GALA, GALILEI, GEMINIUS, INTEG, SAGA, GUST i SARGAL oraz rozbudowano system wspomagający EGNOS. Cały projekt Galileo miał być finansowany w części przez Unię Europejską , a w pozostałej przez firmy prywatne, które – w przyszłości – miały partycypować w zyskach tego komercyjnego przedsięwzięcia..

W fazie rozwoju i uwierzytelniania rozpoczęto budowę segmentu naziemnego, podjęto zadanie opracowania, zbudowania i przetestowania poszczególnych komponentów systemu oraz przeprowadzono ich atestację. Głównym narzędziem służącym do tego celu miał być projekt GSTB (Galileo System Test Bed) będącym głównym narzędziem służącym do wykonania tego etapowego zadania.

Najważniejszym wydarzeniem w tej fazie był start z Bajkonuru w Kazachstanie (28.12.2005 r.) pierwszego satelity eksperymentalnego Galileo System Test Bed Version 2 „GIOVE-A” (GSTB -V2/A), zbudowanego przez brytyjską firmę Surrey Satellite Technology Ltd. Satelita, po osiągnięciu właściwej orbity, odłączył się od członu Fregat i został wprowadzony na orbitę operacyjną MEO na wysokości 23,222 km.

Nazwa satelity GIOVE jest akronimem angielskiego określenia Galileo In-Orbit Validation Element (“Element Orbitalnej Walidacji [systemu] Galileo”). Nazwę tę wybrano w hołdzie dla Galileusza, który odkrył pierwsze cztery księżyce Jowisza oraz znalazł sposób wykorzystania ich jako uniwersalnego zegara do określania długości geograficznej w dowolnym punkcie na powierzchni Ziemi (Giove, to po włosku „Jowisz”).

W satelicie tym przetestowano nowoczesny atomowy zegar rubidowy (niezbędny do bardziej precyzyjnej nawigacji i sygnałów nawigacyjnych) i urządzenia nadawcze. Zbadano charakterystykę orbity oraz zabezpieczono i przetestowano częstotliwości przydzielone dla systemu oraz zbadano radiacje na orbitach przewidzianych dla systemu. Testy wypadły pozytywnie. Kolejnego satelity eksperymentalnego już nie wysłano…

Faza rozmieszczenia satelitów. Już pod koniec poprzedniej fazy wystąpiły zakłócenia w terminowej realizacji programu: nastąpił kryzys finansowy i organizacyjno-polityczny. Sektor prywatny odmówił bowiem nawet częściowego finansowania programu. Nałożył się na to konflikt interesów (zarówno gospodarczych, jak i politycznych) pomiędzy głównymi państwami uczestniczącymi w jego realizacji (Wielka Brytania, Niemcy, Francja i Włochy). Jednocześnie Stany Zjednoczone zgłosiły zastrzeżenia, co do części rozwiązań technicznych Galileo, mogących zakłócić skuteczne wykorzystanie GPS do celów wojskowych.

Giove-A z rakietą Sojuz transportowany pociągiem

Kryzys trwał ponad 2 lata skutkując pięcioletnim opóźnieniem w realizacji projektu. Został jednak zażegnany w IV kwartale 2007 r., gdy Unia Europejska podjęła się finansowania całego procesu budowy Galileo oraz podpisała z USA umowę, z której wynika, że systemy GPS i Galileo będą w pełni kompatybilne z sobą, a Galileo nie będzie zakłócał funkcjonowania segmentu wojskowego GPS.

Faza Użytkowania (Operations). Planowane oddanie systemu pod nadzór sektora prywatnego, w świetle dotychczasowych doświadczeń, stało się raczej wątpliwe. Prawdopodobnie, wobec narastających procesów integracyjnych (Traktat reformujący UE) w Europie, system zostanie poddany nadzorowi administracji UE. W fazie tej (po 2013 r.) Galileo ma stać się kompletnym, w pełni działającym, systemem o systematycznie wzrastającym udziale usług komercyjnych.

REWOLUCJA W TELEKOMUNIKACJI?

Galileo będzie współpracował z prawie wszystkimi systemami nawigacyjnymi oraz nienawigacyjnymi, zostanie bowiem połączony z systemami GSM i UMTS, co wywoła rewolucję na rynku telekomunikacyjnym, zapewniając komunikację oraz pozycjonowanie na bardzo wysokim poziomie.

Autorzy projektu Galileo założyli, ze jego wdrożenie spowoduje większe wykorzystywanie technologii nawigacyjnych i pozycjonowania nie tylko we wszystkich sektorach transportowych, ale także w telekomunikacji, rolnictwie, rybołówstwie, ochronie cywilnej, badaniach naukowych, bankowości, administracji publicznej i bezpieczeństwie przesyłania danych.

Ten skok, w zastosowaniu techniki w życiu prywatnym i publicznym, będzie możliwy, przede wszystkim, dzięki kompatybilności Galileo z GPS, ponieważ pozwoli na uzyskanie dostępności sygnałów satelitarnych na powierzchniach 95% zurbanizowanych terenów (obecne możliwości oferowane przez GPS zapewniają tylko 50% pokrycie terenu). Aby uzyskać ten efekt, dla standardowego serwisu Galileo, przyjęto tę samą częstotliwość jaką będzie posiadał nowy cywilny sygnał systemu GPS (L5GPS = E5aGalileo = 1176,45MHz). System będzie posiadał także większe szerokości pasm nadawania (zwiększają dokładność), a zwłaszcza silniejszy sygnał: nawigację satelitarną można będzie wykorzystywać w budynkach i w tunelach, co jest obecnie niemożliwe. Według prognoz największa grupa użytko-wników (aż 95%) związana będzie z nawigacją satelitarną w ruchu drogowym oraz z telefonią komórkową, przy czym większość korzystać będzie z odbiorników dwusystemowych (Galileo & GPS). Pozostałe 5% stanowić będą użytkownicy pochodzący z następujących sektorów: nawigacja morska, lotnictwo, pomiary i badania naukowe, rekreacja oraz zarządzanie flotą.

Liczba użytkowników telefonów komórkowych z wbudowanym systemem GNSS (w tórego skład będą wchodziły systemy Galileo i GPS) przewidywana jest na około 2 miliardy w roku 2020. Według innych prognoz liczba pojazdów wyposażonych w odbiorniki systemów nawigacji satelitarnej w 2020 roku ma wynieść około 500 milionów, z czego najwięcej w Europie.

Zakłada się, że sam Galileo będzie miał 800 mln. użytkowników. Użytkownik systemu Galileo, mając odbiornik, będzie mógł korzystać w pełni z możliwości stwarzanych przez system, niezależnie od bieżącego ułożenia konstelacji satelitów, to jest w każdej chwili będzie znajdował się w zasięgu co najmniej dwóch satelitów, których kąt elewacji (widoczności) będzie większy niż 25°.

XXX

Pełną sprawność operacyjną Galileo ma uzyskać około 2013 r. W tym czasie w kosmosie powinny się też pojawić pierwsze satelity nowej generacji amerykańskiego programu GPS III. Sygnał z tych satelitów ma być co najmniej dziesięć razy mocniejszy niż obecnie. Zwiększy to odporność systemu na ewentualne zakłócenia. A ponadto sygnał ze zmodernizowanego GPS pozwoli bezpłatnie określać pozycję z dokładnością do 1 m. Obecnie takie precyzyjne namierzanie jest dostępne tylko dla wojska.

Czy powstanie globalny cywilny system nawigacji satelitarnej GNSS?. Gwarantem tych planów są rządy Stanów Zjednoczonych (GPS-III) oraz Unia Europejska, która – po niepowodzeniach we współpracy z sektorem prywatnym – w październiku 2007 r. podjęła decyzję finansowania w całości budowy projektu Galileo z własnych (czyli także polskich) środków.

Warszawa, dnia 06 marca 2008 r.

Edward Mastej

Autor: Tekst Edward Mastej Zdjęcia: ESA