Пути развития на 2020 год: Galileo движется вперед

Хавьер Бенедикт
Начальник Департамента развития программы Galileo
Европейское космическое агентство

Система Galileo предоставляет первичные услуги координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО) и поисково-спасательные услуги в глобальном масштабе с декабря 2016 года. В октябре Европейское агентство по ГНСС опубликовало Обзор рынка ГНСС в 2019 году, где представлен исчерпывающий анализ текущего состояния и трендов мирового рынка услуг ГНСС с особым вниманием к услугам и применению европейских ГНСС (Galileo и Европейская геостационарная служба навигационного покрытия EGNOS).

Одновременно с предоставлением услуг, в рамках программы Galileo проводятся масштабные мероприятия по развитию и развертыванию объектов инфраструктуры в целях ввода системы в штатную эксплуатацию, что предполагает внедрение в нее новых сервисных возможностей, но, прежде всего, направлено на повышение помехоустойчивости и надежности системной инфраструктуры, её эксплуатации и предоставления услуг.

Качество сигнала системы Galileo стабильно росло за последние несколько лет, достигнув в 2019 году наименьшей зафиксированной погрешности измерения дальности – примерно 0,25 метра (при 95% вероятности, медианное значение при глобальном покрытии, рисунок 1). Это было достигнуто сочетанием нескольких факторов, включая увеличение количества КА, используемых по целевому назначению, модернизацию наземного комплекса управления (НКУ) и увеличение частоты закладки данных навигационных сообщений (снижение «возраста» эфемеридных данных). Данные результаты хорошо вписываются в целевые показатели точности, приведенные в стандарте открытого сервиса системы Galileo (OS SDD).

Рисунок 1. График изменения погрешности измерения дальности (SISE) при усредненной орбитальной группировке

На рисунках 2 и 3 приведены графики значений погрешности передачи шкалы времени UTC с помощью сигналов Galileo и погрешности передаваемой поправки между шкалами времени GPS и Galileo (GGTO). Их расчет производился на основе данных, полученных откалиброванными приемниками в лабораториях Государственного физико-технического института Германии (PTB) и Национального института метрологических исследований Италии (INRIM). Опять же, целевые показатели по значениям расхождений шкал времени полностью выполнены.

Рисунок 2. Погрешность передачи шкалы времени UTC с помощью сигналов Galileo

Рисунок 3. Погрешность передаваемой поправки GGTO

Возможно, самым значительным отличием системы Galileo в сравнении с другими ГНСС является способность всех спутников, находящихся в штатном режиме эксплуатации, к трансляции сигналов в диапазонах E1, E6 и E5. На рисунке 4 представлены параметры точности местоопределения для двухчастотного приемника. Как видно из диаграммы, основанной на проведенных в июне 2019 измерениях, точность местоопределения с помощью сигналов системы Galileo составляет менее 2 м (при 95% вероятности).

Рисунок 4. Точность местоопределения с помощью сигналов системы Galileo в двухчастотном режиме

В целях дальнейшего улучшения характеристик открытой услуги, в навигационном сообщении сигнала E1 Galileo типа I/NAV будут передаваться дополнительные параметры, а именно корректирующий код Рида-Соломона FEC2 для частотно-временного и эфемеридного обеспечения (CED), сокращенное CED и вторичный алгоритм синхронизации (SSP). Тем самым, открытая услуга Galileo станет еще надежнее с точки зрения приема навигационного сообщения в сложных условиях в дополнение к снижению времени до первого местоопределения. Данные параметры для сигнала E1 Galileo типа I/NAV обратно совместимы с ранее опубликованными интерфейсными контрольными документами на открытые сигналы системы Galileo.

Кроме того, в данный момент инфраструктура системы Galileo модернизируется в целях обеспечения возможности аутентификации при предоставлении открытой услуги. Предложенный протокол использует внешнюю службу передачи данных с помощью сигнала E1b для передачи аутентификационных данных потребителю. Аутентификация навигационных сообщений открытой услуги основана на адаптации протокола широковещательной аутентификации сообщений маршрутизации TESLA.

Помимо открытой услуги, в системе Galileo заложена возможность передачи высокоточной эфемеридно-временной информации (ЭВИ) в реальном времени (PPP) и аутентификации навигационного сигнала на коммерческой основе в сигнале E6b. Данный сигнал предназначен для предоставления высокоточной ЭВИ на основе спутниковых данных (орбиты, часы и расхождениях) и данных об атмосфере (в основном атмосферные задержки) с целью реализации многочастотной и многосистемной услуги PPP в сигнале E6b на безвозмездной основе.

Планируемое внедрение в начале 2020 года функции автоматической передачи сообщения обратной связи со спутников Galileo, реализуемой в рамках системы поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ, позволит использовать КА для поисково-спасательных операций – подающие сигнал бедствия лица получат моментальное уведомление о том, что их сигнал был успешно принят и отслежен. Услуга передачи сообщений позволяет обеспечить обратную связь с поисково-спасательным радиомаяком Galileo, значительно повышая эффективность поисково-спасательных операций. Проведенные масштабные тестирования показали, что среднее время задержки сообщения обратной связи составляет 14,2 секунды, тогда как 99% сообщений доходят в течение 57 секунд после получения запроса от системы КОСПАС-САРСАТ. В то же время, все 100% тестовых сообщений были доставлены, что, учитывая осложненные условия видимости, стало возможным благодаря надежности используемых Galileo каналов передачи навигационных сообщений. Как показано на рисунке 5, подобный результат был характерен для любой точки мира.

Рисунок 5. Карта активации аварийного приемника и задержки сообщений обратной связи со спутников Galileo

После перепрофилирования услуги с повышенными требованиями по безопасности SoL, планируется использование сигналов Galileo в системе функционального дополнения SBAS в двухчастотном многосистемном режиме, а также в перспективных технологиях горизонтального автономного мониторинга целостности в приемнике (H-ARAIM). Применение Galileo в данных системах обеспечения безопасности требует тщательного анализа важнейших потенциальных рисков для пользователей, а также текущих характеристик сигнала в пространстве. В связи с этим, осуществляется процесс анализа видов и последствий нарушений целостности путем проведения измерений и пересмотра структуры системы, включая описание потенциальных источников рисков.

Наземный сегмент обеспечивает надежность работы системы

В структуре НКУ Galileo завершено развертывание двух полномасштабных дублирующих центров управления, включающих в себя средства обработки и хранения информации, средства мониторинга и управления, а также центры контроля безопасности. Глобальная сеть беззапросных измерительных станций обеспечивает мониторинг спутниковых сигналов; станции закладки данных позволяют передавать навигационные сообщения потребителям с помощью спутников Galileo, а станции слежения, приема телеметрии и передачи управляющих команд осуществляют мониторинг и контроль спутников.

Модернизацию НКУ ведут компании Thales Alenia Space France (в части контура эфемеридно-временного обеспечения и контроля безопасности) и GMV Spain (в части контура управления КА), решая задачу повышения надежности работы сервиса с помощью внедрения более гибкой инфраструктуры с широким применением инновационных технологий, улучшенных систем безопасности, обеспечения бесперебойности в работе сервиса и улучшения технических характеристик и эксплуатационных качеств.

Одной из важнейших целей происходящей модернизации НКУ является внедрение современных объектов инфраструктуры, использующих новейшие технологии виртуализации. Это позволит облегчить процесс обновления программных и вычислительных средств без необходимости внесения проектных изменений, а также снизить влияние на текущее предоставление услуг системой Galileo.

Производство третьей партии КА и РН Ariane 6

Продолжается производство третьей партии из 12 дополнительных КА серии FOC, планируемых к запуску начиная с конца 2020 года. В их конструкции предусмотрен определенный набор нововведений в сравнении с ранее запущенными 22 КА серии FOC, выпущенными тем же производителем OHB Systems.

На заводе OHB в Бремене уже реализуются различные этапы по сборке, интеграции и предварительному испытанию КА перед отправкой в Европейский Центр космических исследований и технологий Европейского космического агентства (ЕКА) в Нидерландах для проведения ряда тестов в условиях низкотемпературного вакуума, а также испытаний механической устойчивости, проверки интерфейсной совместимости с ракетоносителем и исследований показателей комплексной эффективности связи со элементами НКУ.

Поскольку ракета-носитель (РН) Ariane 5 SE выходит из эксплуатации, третья партия КА будет выведена на орбиту новой РН Ariane 62 – модификацией РН Ariane 6, оснащенной двумя твердотопливными ускорителями.

Развитие для соответствия потребностям пользователей

Дорожная карта по развитию системы Galileo второго поколения была концептуально сформирована в 2019 году, а в данный момент находится на этапе предварительного проектирования. В тесном взаимодействии с правительствами стран-членов Европейского Союза (ЕС) Европейская комиссия поставила ряд долгосрочных целей в области КВНО по развитию инфраструктуры европейской ГНСС по результатам мероприятий ЕКА в рамках программы ЕС «Горизонт 2020» (Восьмая рамочная программа ЕС по развитию научных исследований и технологий) и исследований рынка, подготовленных Европейским агентством по ГНСС.

В настоящее время проводятся предпроектные исследования, важнейшие опытно-конструкторские работы и работы по налаживанию структурного взаимодействия между космическим и наземным сегментами. Это позволит постепенно создать целостный комплекс обновленной космической и наземной инфраструктуры, настроенной под разнообразие запросов пользователей в четырех основных направлениях:

• Адаптивность космической и наземной инфраструктур в отношении текущих и перспективных потребностей пользователей. Основными факторами успеха являются многофункциональность и отказоустойчивость работы систем, а также сокращение времени между разработкой и выходом на рынок;
• Взаимодействие между инфраструктурами ГНСС и SBAS в целях дополнения и расширения спектра предлагаемых услуг, что позволит добиться сегментации и взаимодополняемости услуг в сферах с повышенными требованиями по безопасности, а также предоставлять все новейшие существующие на данный момент услуги по КВНО, включая обеспечение целостности навигационного сообщения при высокоточном местоопределении;
• Повышение уровня интеграции наземных систем со стандартами сетевой связи 5G/6G, навигацией по непредназначенным для этого радиосигналам и радиомаячными системами. Так, ЕКА и Европейское агентство по ГНСС руководят процессом по стандартизации услуги местоопределения с помощью 5G совместно с заинтересованными правительственными и неправительственными организациями в рамках консорциума 3GPP и вскоре приступят к началу стандартизации услуги наземного местоопределения с помощью 6G и технологий взаимодействия ГНСС;
• Полная взаимодополняемость с внешними датчиками (такими как гироскопы и акселерометры для инерциальной навигации, барометры и лидары) и интегрированность в пользовательские архитектуры (энергоэффективные устройства и интернет вещей) с тем, чтобы инфраструктура системы Galileo второго поколения расширяла и дополняла возможности данных средств.

Основой данной долгосрочной стратегии служат спутники Galileo следующего поколения. Тендер на закупки первой партии таких спутников будет проведен в 2020 году. Многофункциональность и отказоустойчивость этих спутников позволят удовлетворить любые потребности пользователей европейской системы КВНО в следующем десятилетии. Закупка данных спутников, а также все будущие изменения в наземном сегменте, в технологических и системных процессах позволят приступить к орбитальным испытаниям спутников второго поколения с 2025 года.

Дополнительные решения в области наземной испытательной инфраструктуры находятся на ранних стадиях НИОКР в целях перехода в начале 2020-х гг. к закупкам для экспериментальных и эксплуатационных задач.