GPS Segment kosmiczny

GPS

Tytuł

GPS Segment kosmiczny

Edited by

GMV

Level

Podstawowy

Rok publikacji

Głównymi funkcjami Segmentu Kosmicznego jest nadawanie sygnałów radionawigacyjnych oraz przechowywanie i retransmisja wiadomości nawigacyjnych wysyłanych przez Segment Kontrolny. Transmisje te są kontrolowane przez wysoce stabilne zegary atomowe znajdujące się na pokładzie satelitów.

Segment Kosmiczny GPS jest tworzony przez konstelację satelitów z wystarczającą liczbą satelitów, aby zapewnić, że użytkownicy będą mieli, co najmniej, 4 jednoczesne satelity w polu widzenia z dowolnego punktu na powierzchni Ziemi w dowolnym czasie. Stany Zjednoczone są zobowiązane do utrzymania dostępności co najmniej 24 operacyjnych satelitów GPS, przez 95% czasu. Aby zapewnić to zobowiązanie, Siły Powietrzne latały około 30 operacyjnych satelitów GPS przez ostatnie kilka lat.

Konstelacja satelitów GPS

Satelity w nominalnej konstelacji GPS są rozmieszczone w sześciu równo rozmieszczonych płaszczyznach orbitalnych o nachyleniu 55 stopni w stosunku do równika. Każda płaszczyzna zawiera cztery „sloty” zajmowane przez satelity bazowe. Takie rozmieszczenie 24 satelitów zapewnia użytkownikom możliwość oglądania co najmniej czterech satelitów z praktycznie każdego miejsca na Ziemi.

Siły Powietrzne zwykle latają więcej niż 24 satelitów GPS, aby utrzymać pokrycie, gdy satelity bazowe są serwisowane lub wycofywane z eksploatacji. Dodatkowe satelity mogą zwiększyć wydajność GPS, ale nie są uważane za część głównej konstelacji.

W czerwcu 2011 r. Siły Powietrzne pomyślnie zakończyły rozbudowę konstelacji GPS znaną jako konfiguracja „Expandable 24”. Trzy z 24 slotów zostały rozszerzone, a sześć satelitów zostało przesuniętych, dzięki czemu trzy z dodatkowych satelitów stały się częścią podstawowej konstelacji. W rezultacie system GPS działa obecnie jako konstelacja 27 satelitów o zwiększonym zasięgu w większości części świata.

Orbity są prawie okrągłe, z mimośrodowością mniejszą niż 0,02, osią półmajora 26 560 km, czyli wysokością 20 200 km. Orbity o tej wysokości określane są jako MEO – medium earth orbit. Satelity mają prędkość 3,9 km na sekundę i okres nominalny 12 h czasu gwiazdowego (11 h 58 m 2 s), powtarzając geometrię każdego dnia gwiazdowego. Segment kosmiczny podlega konserwacji i ewolucji.

Opis satelitów GPS

Projekt satelitów GPS ewoluował wraz z upływem czasu. Każda generacja satelitów o podobnej charakterystyce nazywana jest blokiem. Poniżej znajduje się krótki opis różnych bloków GPS:

Blok I

• Blok I, Satelity Rozwoju Nawigacji: Jedenaście satelitów tego typu zostało wystrzelonych w latach 1978-1985. Nie wprowadzono selektywnej dostępności (S/A). Ważyły one około 845 kg i miały planowany średni czas życia 4,5 roku, choć niektóre z nich działały nawet do 10 lat. Były zdolne do świadczenia usługi pozycjonowania za pomocą sygnałów L1 i L2 oraz przez 3 lub 4 dni bez kontaktu z centrum kontroli.

Blok II

• Blok II i IIA, satelity operacyjne: Składają się w sumie z 28 satelitów, które były wystrzeliwane od 1989 do 1997 roku i wszystkie zostały już wycofane z eksploatacji (ostatni w 2019 roku). Ważyły około 1 500 kg i miały planowany średni czas życia 7,5 roku, ale średni czas życia osiągnął prawie 26 lat, ponad 3 razy więcej niż projektowany czas życia. Od 1990 roku używana była ulepszona wersja Block IIA (advanced), z możliwością wzajemnej komunikacji. Były one w stanie świadczyć usługę pozycjonowania przez 180 dni bez kontaktu z segmentem kontrolnym. Jednak w normalnym trybie pracy komunikowały się codziennie. Satelity te posiadały zdolność Selective Availability.
• Blok IIR, zapasowe satelity operacyjneOd 1997 do 2004 roku satelity te są wykorzystywane jako zapasowe dla Bloku II. Blok IIR tworzy zestaw 20 satelitów, choć można go powiększyć o 6 kolejnych. Ważą one około 2 000 kg, zawierają zegary rubidowe i mają planowany średni czas życia wynoszący 10 lat, choć średni czas życia osiągnął już 18 lat. Główną nową funkcjonalnością tych satelitów jest wdrożenie funkcji AUTONAV, w której satelity mogą autonomicznie określać swoje orbity i obliczać własne komunikaty nawigacyjne. Mają one możliwość pomiaru odległości między sobą i przekazywania danych do innych satelitów lub do segmentu kontrolnego. Satelita bloku IIR musi być zdolny do działania przez około pół roku bez wsparcia segmentu kontrolnego bez pogorszenia dokładności efemeryd.
• Blok IIR-M, satelity zmodernizowane: Te 8 satelitów reprezentuje zmodernizowaną wersję rodziny IIR, w tym nowy wojskowy sygnał kodowy M i bardziej wytrzymały sygnał cywilny L2C. Zostały one wyniesione na orbitę od września 2005 do sierpnia 2009 roku.
• Blok IIF, kolejne satelity operacyjne: Blok ten stanowi udoskonalenie bloku IIA w oparciu o zastosowanie nowej technologii i nowe ulepszenia systemu, w tym transmisję trzeciej częstotliwości cywilnej L5 przeznaczonej do zastosowań związanych z bezpieczeństwem życia oraz zapewnienie zwiększonej dokładności dzięki zaawansowanym zegarom atomowym (2 odporne na promieniowanie rubidowe zegary atomowe i 1 zegar cezowy o wysokiej stabilności pomiaru czasu). Pierwszy satelita (SVN62) został wystrzelony 28 maja 2010 roku. Ich teoretyczny średni czas życia wynosi około 12 lat, chociaż żaden z tych satelitów nie osiągnął jeszcze projektowanego czasu życia.

.

	Block II/IIA	Block IIR	Blork IIR-.M	Blok IIF
Główni wykonawcy	Rockwell International (Boeing North American)	Lockheed Martin	Lockheed Martin	Lockheed Martin	Boeing North American
Elektrownia słoneczna	800 watów	800 watów	2450 watów
Waga	1,816 kg	2,217 kg	2,217 kg	1,705 kg
Wysokość	3.4 metres	1.7 meters	1.7 meters	2.4 metres
Width	5.3 metry	11,4 metra	11,4 metra	35,5 metra
Design Life	7.5 lat	10 lat	10 lat	12 lat

Blok III

• Blok III: Polega on na ewolucji burmistrza w stosunku do Bloku II, częściowo ze względu na ewolucję satelitów, ale także modyfikacje w segmencie kontroli. GPS III jest potrzebny do zakończenia rozmieszczenia L2C i L5 możliwości sygnałowych, które rozpoczęły się od zmodernizowanych satelitów GPS IIR-M i GPS IIF Nowa generacja satelitów GPS wprowadza również znaczące ulepszenia w możliwościach nawigacyjnych, poprzez poprawę interoperacyjności i odporności na zakłócenia oraz z projektowanego okresu eksploatacji 15 lat. Zapewniają one czwarty sygnał cywilny na pasmo L1 (L1C) interoperacyjne z innymi sygnałami GPS i przynosi pełną zdolność do korzystania z M-Code sygnału wojskowego. Planuje również zapewnić zwiększoną wydajność w celu zwiększenia dokładności podsystemu i poprawy rozdzielczości anomalii. Zawiera wiele atomowych standardów częstotliwości (zegary Rubidium), konstrukcję odporną na promieniowanie, wysoką stabilność pomiaru czasu i zautomatyzowane monitorowanie integralności. Pierwsze wystrzelenie nastąpiło w grudniu 2018 roku i składa się z 10 jednostek.
• Blok IIIF, Follow-on Operational Satellites: GPS IIIF, dostarczy satelity GPS III poza pierwszymi dziesięcioma SV dostarczanymi w ramach programu GPS III. GPS IIIF SVs (11-32) wprowadzi nowe możliwości, aby sprostać rosnącym wymaganiom zarówno wojskowych, jak i cywilnych użytkowników. Utrzymają one bazę techniczną GPS III, ale zmniejszą całkowity rozmiar, wagę i moc wymaganą do zaspokojenia potrzeb w zakresie pozycjonowania, nawigacji, pomiaru czasu i Systemu Wykrywania Detonacji Nuklearnej (NDS) dzięki przeprojektowanemu NDS. Ma on również na celu wprowadzenie na pokład nowych możliwości poprzez umieszczenie na nim ładunku użytecznego GPS Search and Rescue, zaprojektowanego do pomocy w globalnym obszarze misji poszukiwawczych i ratowniczych. Umożliwia precyzyjne pomiary odległości dzięki zastosowaniu laserowego układu retroreflektorów. Program zajmie się konsolidacją częstotliwości telemetrii, śledzenia i dowodzenia poprzez zapewnienie zgodności z możliwościami zunifikowanego pasma S. Wreszcie, program będzie dążył do zwiększenia możliwości anty-jamowych dla wojska dzięki możliwościom Regionalnej Ochrony Wojskowej.

W końcu, następująca tabela zbiera główne cechy różnych bloków GPS Satelita:

Obecna konstelacja satelitów GPS

Więcej aktualnych informacji o statusie konstelacji GPS można znaleźć w NAVCEN GPS constellation status.