GPS Space Segment

GPS

Title

GPS Space Segment

Aangepast door

GMV

Level

Basic

Jaar van uitgave

De belangrijkste functies van het ruimtesegment zijn het uitzenden van radionavigatiesignalen en het opslaan en opnieuw uitzenden van het navigatiebericht dat door het controlesegment is verzonden. Deze uitzendingen worden gecontroleerd door zeer stabiele atoomklokken aan boord van de satellieten.

Het GPS-ruimtesegment wordt gevormd door een satellietconstellatie met voldoende satellieten om ervoor te zorgen dat de gebruikers vanaf elk punt op het aardoppervlak op elk moment ten minste vier satellieten tegelijk in zicht hebben. De Verenigde Staten hebben zich ertoe verbonden 95 % van de tijd ten minste 24 operationele GPS-satellieten beschikbaar te houden. Om deze verplichting na te komen, heeft de luchtmacht de afgelopen jaren ongeveer 30 operationele GPS-satellieten in de lucht gebracht.

GPS-satellietconstellatie

De satellieten in de nominale GPS-constellatie zijn gerangschikt in zes gelijkmatig verdeelde baanvlakken met een inclinatie van 55 graden ten opzichte van de evenaar. Elk vlak bevat vier “slots” die door baselinesatellieten worden bezet. Deze opstelling met 24 slots zorgt ervoor dat gebruikers ten minste vier satellieten vanuit vrijwel elk punt van de planeet kunnen bekijken.

De luchtmacht vliegt normaal gesproken met meer dan 24 GPS-satellieten om de dekking in stand te houden wanneer de basissatellieten worden onderhouden of uit bedrijf worden genomen. De extra satellieten kunnen de GPS-prestaties verbeteren, maar worden niet beschouwd als onderdeel van de kernconstellatie.

In juni 2011 heeft de luchtmacht met succes een uitbreiding van de GPS-constellatie voltooid die bekend staat als de “Expandable 24”-configuratie. Drie van de 24 slots werden uitgebreid en zes satellieten werden verplaatst, zodat drie van de extra satellieten deel gingen uitmaken van de basisconstellatie. Als gevolg hiervan werkt GPS nu effectief als een constellatie met 27 slots, met een verbeterde dekking in de meeste delen van de wereld.

Orbitsen zijn bijna cirkelvormig, met een excentriciteit van minder dan 0,02, een semi-major axis van 26 560 km, d.w.z. een hoogte van 20 200 km. Banen in deze hoogte worden MEO – medium earth orbit – genoemd. De satellieten hebben een snelheid van 3,9 km per seconde en een nominale periode van 12 uur sterrentijd (11 h 58m 2 s), waarbij de geometrie elke sterrendag wordt herhaald. Het ruimtesegment is onderhevig aan onderhoud en evoluties.

GPS-satelliet Beschrijving

Het ontwerp van GPS-satellieten is met de tijd geëvolueerd. Elke generatie van satellieten met vergelijkbare kenmerken wordt een blok genoemd. Hieronder volgt een korte beschrijving van de verschillende GPS-blokken:

Blok I

• Blok I, navigatieontwikkelingssatellieten: Elf satellieten van dit type werden tussen 1978 en 1985 gelanceerd. De selectieve beschikbaarheid (S/A) werd niet toegepast. Ze wogen ongeveer 845 kg en hadden een geplande gemiddelde levensduur van 4,5 jaar, hoewel sommige het wel 10 jaar uithielden. Ze konden plaatsbepalingsdiensten leveren via L1- en L2-signalen en gedurende 3 of 4 dagen zonder enig contact met het controlecentrum.

Blok II

• Blok II en IIA, Operationele satellieten: Bestaan in totaal uit 28 satellieten die van 1989 tot 1997 zijn gelanceerd en die allemaal al buiten gebruik zijn gesteld (de laatste in 2019). Ze wogen ongeveer 1 500 kg en hadden een geplande gemiddelde levensduur van 7,5 jaar, maar de gemiddelde levensduur bereikte bijna 26 jaar, meer dan 3 keer de geplande levensduur. Sinds 1990 werd een verbeterde versie gebruikt, Block IIA (advanced), met de mogelijkheid van onderlinge communicatie. Zij waren in staat om 180 dagen lang plaatsbepalingsdiensten te leveren zonder contact met het controlesegment. In de normale bedrijfsmodus communiceerden zij echter dagelijks. Deze satellieten beschikten over de selectieve beschikbaarheidsmogelijkheid.
• Blok IIR, vervangende operationele satellietenVan 1997 tot 2004 worden deze satellieten gebruikt als reserve voor Blok II. Block IIR wordt gevormd door een set van 20 satellieten, die echter met nog eens 6 zou kunnen worden uitgebreid. Zij wegen ongeveer 2 000 kg, bevatten Rubidiumklokken en hebben een geplande gemiddelde levensduur van 10 jaar, hoewel de gemiddelde levensduur reeds 18 jaar heeft bereikt. De belangrijkste nieuwe functionaliteit van deze satellieten is de implementatie van de AUTONAV-capaciteit, waarbij de satellieten zelfstandig hun banen kunnen bepalen en hun eigen navigatiebericht kunnen berekenen. Zij zijn in staat onderlinge afstanden te meten en gegevens door te geven aan andere satellieten of aan het controlesegment. Een block IIR-satelliet moet ongeveer een half jaar zonder ondersteuning van het controlesegment kunnen opereren, zonder dat de nauwkeurigheid van de efemeriden verslechtert.
• Block IIR-M, gemoderniseerde satellieten: Deze 8 satellieten vertegenwoordigen een gemoderniseerde versie van de IIR-familie, met inbegrip van een nieuw militair M-code-signaal en het robuustere civiele signaal L2C. Zij zijn gelanceerd van september 2005 tot augustus 2009.
• Blok IIF, opvolgende operationele satellieten: Dit blok vormt en verbetering van blok IIA op basis van de toepasbaarheid van nieuwe technologie en nieuwe verbeteringen in het systeem, waaronder de transmissie van een derde civiele frequentie L5 bestemd voor Safety-of-Life-toepassingen en de verschaffing van verbeterde nauwkeurigheid door middel van geavanceerde atoomklokken (2 stralingsbestendige rubidium atoomklokken en 1 cesiumklok met hoge stabiliteit timing). De eerste satelliet (SVN62) is gelanceerd op 28 mei 2010. Hun theoretische gemiddelde levensduur is ongeveer 12 jaar, hoewel geen van deze satellieten tot op heden zijn geplande levensduur heeft bereikt.

Breedte

	Blok II/IIA	Blok IIR	Blork IIR-M	Blok IIF
Primary Contractors	Rockwell International (Boeing North American)	Lockheed Martin	Boeing North American
Zonne-energiecentrale	800 watt	800 watt	2450 watt
Gewicht	1,816 kg	2.217 kg	1.705 kg
Hoogte	3.4 meter	1,7 meter	2,4 meter
5.3 meter	11,4 meter	35,5 meter
Design Life	7.5 jaar	10 jaar	12 jaar

Blok III

• Blok III: Het bestaat uit een grote evolutie van Blok II, deels door de evolutie van de satellieten, maar ook door wijzigingen aan het controlesegment. GPS III is nodig om de uitrol van L2C- en L5-signaalcapaciteiten te voltooien die begon met de gemoderniseerde GPS IIR-M- en GPS IIF-satellieten. De nieuwe generatie GPS-satellieten introduceert ook aanzienlijke verbeteringen in de navigatiecapaciteiten, door verbetering van de interoperabiliteit en de weerstand tegen storingen, en met een ontwerplevensduur van 15 jaar. Zij bieden het vierde civiele signaal op de L1-band (L1C), dat interoperabel is met andere GPS-signalen, en bieden de volledige mogelijkheid om het militaire signaal in M-code te gebruiken. Het is ook de bedoeling verbeterde prestaties te leveren voor een grotere subsysteemnauwkeurigheid en verbeterde anomalieresolutie. Het bevat meerdere atomaire frequentiestandaarden (Rubidium-klokken), straling gehard ontwerp, timing met hoge stabiliteit en geautomatiseerde integriteitsbewaking. De eerste lancering was in december 2018 en bestaat uit 10 eenheden.
• Block IIIF, Follow-on Operational Satellites: GPS IIIF, zal GPS III-satellieten leveren na de eerste tien SV’s die door het GPS III-programma worden geleverd. GPS IIIF SV’s (11-32) zullen nieuwe mogelijkheden introduceren om te voldoen aan de toegenomen eisen van zowel militaire als civiele gebruikers. Zij zullen de technische basis van GPS III handhaven, maar de totale omvang, het gewicht en het vermogen verminderen die nodig zijn om te voldoen aan de taakgebieden plaatsbepaling, navigatie, tijdsbepaling en het Nuclear Detonation Detection System (NDS), met een herontworpen NDS. Ook wordt ernaar gestreefd nieuwe capaciteiten aan boord te brengen door een GPS-lading voor opsporing en redding te huisvesten die is ontworpen om te helpen bij het wereldwijde opsporings- en reddingsmissiegebied. Hij maakt nauwkeurige afstandsmetingen mogelijk door een Laser Retro-Reflector array te huisvesten. De consolidatie van telemetrie-, opsporings- en commandofrequenties zal worden aangepakt door het mogelijk te maken te voldoen aan de Unified S-Band-mogelijkheden. Tenslotte zal het programma zich richten op de verbetering van de anti-jam mogelijkheden voor het leger met een regionale militaire beschermingscapaciteit.

Tot slot zijn in de volgende tabel de belangrijkste kenmerken van de verschillende GPS-satellietblokken samengevat:

Courante GPS-satellietconstellatie

Meer actuele informatie over de status van de GPS-constellatie is te vinden in NAVCEN GPS constellation status.