GALILEO – Европейска система за глобална сателитна навигация

Гражданска система за определяне на мястото на кораби, самолети и други обекти върху Земята и в пространството, за позиционирането на обекти и за излъчване на точни сигнали за времето

На доайена на радиопредавателната

техника в България, варненецa

проф. Христо Тихчев

Необходимост от нова система

          В модерния свят навигацията, позиционирането, насочването на обекти към други обекти, както и определяне на точното време (часове, минути, секунди и дори хилядни части от микросекунди) се извършва чрез глобални навигационни сателитни системи. Необходимостта от изграждане на европейска система, чието име е GALILEO (GALILEO), се определя от няколко фактора. Съществуващите системи са американската GPS и руската ГЛОНАСС.

Те, преди всичко, са военни системи. Това предопределя някои ограничения при работата с тях. В момента руската не може да се използва самостоятелно, доколкото има само няколко сателита, а това не е достатъчно. Остава GPS. Но при нужда, по земна команда,  тя може да  престане да обслужва определени райони. И го прави. Освен това дава някои дефекти, които са случайни. Няма  предварителни предупреждения за възможни затруднения при работа със системата. Последното е обусловено не от технически трудности, а от военния и характер.  В момента почти цялата навигация разчита на тази система. Явно е неудобството. Освен това, нито GPS, още по-малко ГЛОНАСС, отговарят на всички изисквания на глава V на Конвенцията за опазване на човешкия живот на море. В големите географски ширини точността се снижава твърде много, а над определена ширина изобщо не е възможно обслужването. Точността на определяне на координатите зависи от местоположението на обекта, даже и при нормална радиовидимост към нужния брой спътници. Сега например обслужването на Северна Европа от сигналите на горните системи не е напълно задоволително. И двете споменати системи не са оптимизирани за гражданско ползване. Не са проектирани и разработвани със сериозни комерсиални възможности. И двете са разработвани когато технологията не е била толкова напред, колкото е в момента, макар че те се модернизират. И най-накрая Европа се нуждае от система, която не зависи от други страни.

Общ поглед върху GALILEO

            GALILEO използва спътници, разположени в три орбитални равнини. Орбитите са  на средни разстояния от земята, според класификацията на Международния съюз по далeкосъобщения, от около 20000 км. Разстоянието от повърхността на Земята до всеки спътник (орбитите са кръгови) е 23222 км или малко повече. Орбиталните равнини са с голям наклон (56°)  спрямо равнината на земния екватор и помежду си.Това позволява много точно определяне на мястото при навигация във високите ширини. Tочността, с която се определят съответните координати в цялата система, независимо от мястото, е около 1 m. Това е непостижимо за останалите две системи, без допълнителни средства. Сателитите са общо 30. Оперативните са 27. Останалите три са резервни (за всяка орбита по един), но активни и готови без забавяне да заместят някой от основните.  

Принципи на работа 

            Определянето на мястото става като се използва известния от физиката и всекидневния живот закон за пътя. По-точно е да се каже изминатото разстояние между две точки. Ако са известни скоростта и времето за изминаване на разстоянието, може да се определи колко е това разстояние. Тук няма да използваме  прецизни дефиниции за преместване и път, поради популярния характер на статията. Скоростта на разпространение на радиовълните е известна с много голяма точност. Ако в даден момент се излъчи радиовълна от спътник и се измери точно времето, в което тази вълна пристига в приемника, може точно да се определи изминатото разстояние. По този начин обаче само ще се знае, че търсеният обект (мястото на приемника) е върху повърхността на една сфера с център спътника и радиус, равен на изминатото разстояние. Ако в същото време се извършат горните действия и от спътник, който  разположен на друго място и под друг ъгъл, ще се определи друга сфера, върху която е разположен същият приемник в същото време. Мястото на приемника може да бъде само върху общи точки от двете сфери. Това е кривата линия, в която се пресичат сферите. Сега мястото е определено по-точно –   приемникът е точно върху  горната линия. Ако едновременно със сигналите от двата горни спътника се използва сигнала и на трети спътник (времената за пристигане на радиовълната от спътниците до приемника са естествено  различни в общия случай) може да се определи много точно едно съвсем малко пространство, където би се намирал  приемникът. Това е мястото, където линията от пресичането на двете мислени сфери пробожда повърхността на третата сфера, получена от разстоянието до третия спътник. Но тук се появява многозначност – кривата линия, получена от сечението на първите две сфери ще пробожда сферата на еднаквите разстояния (изоповърхността) от третия сателит в две точки, но приемникът се намира само в едната от тях, другата е огледален образ и не e вярното място. Този проблем лесно се разрешава, ако се използват и сигналите от  четвърти спътник, както се прави на практика. Това обаче не е безусловно необходимо. Има техники, които са сложни за описване в подобна статия, и които разрешават определяне на мястото само по сигнала от три спътника. Подобен начин е допустим на повърхността на земята, например, но не и в пространството. Нормално приемникът трябва да е в зоната на облъчване на четири или повече сателита. Ако се използва сигналът от повече сателити се подобрява точността.

            От горното описание е видно, че всъщност определянето на точния интервал от  време за разпространение на радиовълната от съответния спътник до приемника е най-важният процес. Именно по този временен интервал се определят всички разстояния и оттук точното място на обекта. Това става като просто се умножи скоростта на разпространение на светлината (на електромагнитната вълна) с времето, което е било нужно, за да достигне радиосигнала от спътника до приемника на сигналите на системата GALILEO. За нормалното действие на цялата система  точността на часовниците, стабилността им (запазването на точността в продължение на дълго време), определянето на точния момент, в който  е излъчен радиосигнала от спътника и мястото на спътника на конкретната орбита в момента на излъчване са най-съществените технически параметри при навигацията или при позиционирането на обекти.

Даден сателит излъчва сигнал, който съдържа кодирани данни за позицията на сателита на орбита в точно определено време, неговата идентификация и точното време, в което е бил излъчен сигналът. Необходимостта от определяне на времето с много голяма точност идва от скоростта на светлината. Да си представим, че трябва да се определи мястото на обекта с точност 1 м.  Тогава точността, с която трябва да се  определи времето e приблизително 1:300 000 000 s. С други думи  3, 33 милиардни части от секундата или 3, 33 наносекунди. Това означава, че ако часовникът сгреши само с 3 милиардни от секундата ще се получи грешка от 1 метър. Ако точността на позициониране, към която се стремим е 1 метър или по-висока, това вече ще е много неточна система. Но всеки часовник се влияе от различни процеси и допуска много грешки. За да се разреши този проблем, е необходимо часовниците в системата да са с точност по-голяма от посочената по-горе. Ако предположим, че спътниците имат живот около 12 години е необходимо невероятно голяма точност. И дори при такива точности се налага корекция от Земята от време на време. За щастие съвременната физика, електроника и технология дават възможности за изграждане на такива часовници. Те са цезиеви, рубидиеви и водородни. Основават се на резонансни явления, но на атомно ниво. Ако един електрон се възбуди с външна енергия, за  да премине в по-висок енергетичен слой (ниво), след връщането си на основното ниво, той ще излъчи електромагнитна енергия. При рубидиевите атомни часовници тази електромагнитна енергия е във вид на светлина, а при водородните е с по-ниска честота, в границите на радиовълните. И в двата случая имаме електромагнитни трептения. А щом има трептения могат да се използват резонансни явления. След като се възбудят трептения с много голяма стабилност, е възможно построяването на часовници с необходимата точност. Всъщност принципът е много подобен на часовниците с махало. Използвайки възбудените в обемни резонатори трептения (при атомния часовник на основа на водороден мазер те са с честота около 1,420 GHz) или максималното количество светлината, което се получава при резонанса и чрез възбуждане на  определено микровълново трептение (при рубидиев атомен часовник), електронни системи обработват сигналите, подобно на електронен часовник. Сумарната грешка, която допуска рубидиевият часовник, е около 1,8 наносекунди за12 часа, а при водородния тя e около 0,45  наносекунди за 12 часа. Последният, той е предвиден за основен часовник на спътниците,  ще е най-добрият часовник, който някога се е извеждал на орбита.  

            Определяне на точното време, за което пристига сигналът от съответния спътник до приемника, става като се изпрати кодирана информация за времето, в което е излъчен сигналът и то се сравни с точното време за пристигане в мястото на приемника. Това изисква синхронизация на двата часовника. Процесът е сложен, но се реализира твърде прецизно при системата GALILEO. Тук, както и при другите сателитни системи, има две групи трудности, които би трябвало да бъдат споменати. Всичко описано би било вярно, ако сигналът от спътниците пристига по права линия (или по най-късото разстояние) до точката на приемане. В йоносферата лъчите изминават по-голям път, тъй като се пречупват  и се движат криволинейно. За да се избегне неточността на определяне на мястото по тази причина, се извършват корекции. Те са особено прецизни при едновременно използване на два радиосигнала. Ако това не е възможно, се използват модели на йоносферно разпространение за прогнозиране на грешката, но тогава точността се влошава. Втората причина за неточности се обяснява с ефектите на специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн. Системата GALILEO използва двищежи се часовници, тъй те като са инсталирани на спътници на средни околоземни орбити (Meduim Earth Orbit – MEO) и следователно се движат спрямо обекти върху повърхносттта или в пространството около Земята. Това предизвиква релативистки ефекти – времето се забавя и следователно отчитаното време е различно от това, което би било отчетено, ако  часовниците бяха неподвижни един спрямо друг. Появава се грешка в отчетеното време за пристигане на излъчения сигнал в мястото на приемане. Имат значение и ефектите, разглеждани от Общата  теория на относителността (ОТО), следователно и основно гравитацията. Тези грешки също се компенсират в системата. И това е триумф на човешката мисъл, наука и технология – една чиста научна теория (СТО и ОТО) се оказва изключително важна, полезна и пряко приложима при изграждането на системи с чисто практическо приложение.  

            За постигане на всичко описано се използват сигнали в няколко честотни ленти (банда). За целта са инсталирани различни апаратури и антени на спътниците. Това са сигнали и антени в L-band, C-band и S-Band, които са както следва: L-band (1-2 GHz) се използва за навигационни сигнали, разположени между честотите 1200-1600 MHz, C-band (4-8 GHz) се използва за сигналите за синхронизация на спътниковите със земните високоточни часовници, S-band (2-4 GHz) се използва за сигналите за телеметрия, за контролиране на сателита.  

      Услуги на системата

          Безплатни услуги - Open Service (OS). Те ще позволяват определяне на мястото и времето, както това се прави в другите Глобални сателитни навигационни системи. При ГАЛИЛЕО показателите са сравними и по-добри. Тези услуги ще са напълно достъпни, без никакви изисквания към потребителя за права за достъп. Ще се използват сигнали на три честоти, но е възможно използването и на евтини приемници на една честота за неотговорни случаи. Няма информация за цялост на системата (това означава данни за нормалното функциониране на всички компоненти на системата – интегритет). Оценката за качеството и използването на получените данни е отговорност на потребителя. Няма гаранции, нито са възможни юридически претенции. Всъщност това е както при другите системи. Независимо от тези ограничения, при адекватна оценка         и използване на апаратура и софтуер, които вземат ограниченията предвид, безплатните услуги ще могат да се ползват в много отговорни случаи. Особено, ако си спомним, че сега е така и при GPS. ГАЛИЛЕО има още едно предимство – системата, по дефиниция,  няма да изключва своите сигнали, освен в съвсем крайни случаи. Веднага трябва да се каже, че интерференции, умишлени или случайни, макар и да се предприемат възможно максимален брой мерки в това отношение, винаги са възможни, както във всяка радионавигационна, радиокомуникационна или всяка друга система, работеща с електромагнитни трептения. Това се отнася и за другите услуги. При последните са засилени защитните мерки.

          Комерсиални услуги - Commercial Service (CS). Те ще съдържат два допълнителни сигнала, които ще позволяват предаване на данните с по-висока скорост и допълнително подобряване на точността при определяне на мястото и времето на обекта. Тези данни ще са криптирани (шифровани) и ще бъдат гарантирани като параметри. Това е много интересно. Макар и да не могат да се използват свободно, а срещу заплащане - на такса или по друг начин, услугите са проектирани амбициозно, с твърде сериозни възможности, което вероятно ще развие много голям пазар. Може би ще бъдем свидетели на толкова успешен лавинообразен процес в  бизнеса, иницииран от Европа, както това стана с първоначално европейската система GSM  и съответните услуги. При CS се гарантира определяне на мястото и времето със зададени параметри. Има пълна информация за цялостта на системата – съществено при глобални услуги и при взаимодействие с други системи. Има възможност за глобално разпространение на информация с голяма достоверност (услуги “Broadcasting”). Услугите с добавена стойност, например определяне на точното място и време с GSM/UMTS терминал (телефон), имат много голям потенциал. Има възможности за услуги за определяне на мястото и времето с изключително висока, гарантирана точност. И ако при услугите за определяне на мястото и времето, в навигацията например, не е нужно да се пише кой-знае колко в професионално издание, то малко по-различно стои въпросът с определяне на времето с изключително голяма точност и стабилност. Тази функция ще става все по-необходима – когато например трябва да се синхронизира информация в една географски-разпределена компютърна мрежа, която трябва да работи с голяма скорост, при предаване на голямо количество информация, в реално време. Така е  при системите с много свързани локални мрежи, ситуирани далеч една от друга и с изискване да работят едновременно, с една и съща информация от голямо, дори жизнено значение. Такива са VTS (Vessel Traffic Services), VTMIS (Vessel Traffic Management and Information Systems (или) Services),  за да споменем само някои от морските. Подобни системи, с информация за много точно време, в момента са изграждат на основата на GPS, но както видяхме има някои недостатъци.

          Обществени услуги с регулaция - Public Regulated Service (PRS). Това са услуги за  важни държавни и обществени служби като полиция, митници и други. Информацията е криптирана. Системата работи и при кризи. Сигналът е с много високо ниво на защита и надеждност и е най-характерното за този вид услуги.

          Дейности за опазване на човешкия живот (Safety of Life – SoL) и за търсене и спасяване -  (Search and Rescue - SAR). Този вид дейности много често се разглеждат заедно, макар че всяка си има дефинициите, регулациите и особеностите когато се прилага, като първата е с много по-широк обхват. ГАЛИЛЕО, в своите документи, дава ясно определение за това, какъв се очаква да бъде приносът на системата. SoL  службата има особености. Тя ще бъде сертифицирана.  Приемането на нужните сигнали ще се извършва на основата на двучестотни приемници. Тези честоти са в лентите, резервирани за Въздушната радионавигационна служба, с цел по-голяма надеждност, сигурност и достоверност. Но службата ще осигурява нужната информация за всякакви случаи, не само във въздухоплаването. Според документите на ГАЛИЛЕО, се предвижда тя да работи особено интензивно, там където няма адекватна наземна структура. Трябва да се интегрира с EGNOS – European Geostaionary Navigation Overlay Service. Последната служба в момента работи с GPS и е подобна на земните DGPS  служби. Но тя е много по-точна и от името се вижда, че става въпрос за използване на геостационарни спътници (два от спътниците на ИНМАРСАТ и спътника АРТЕМИС (интересен спътник с йонен пропулсивен комплекс) на Европейската Космическа Агенция) за определяне на поправки и излъчването им. Тя дава поправки, по-точни и на огромни разстояния, без точността да се повлиява от разстоянието до референтната станция, както се случва при DGPS. Подобна на EGNOS е американската система WAAS. EGNOS е в действие и нейното проектиране и изграждане е допринесло твърде много  за натрупване на опит, който вече помага при изграждането на ГАЛИЛЕО.

       Възможности

          Много страни, извън Европа, или Европейския съюз, вече участват по някакъв начин в ГАЛИЛЕО.  

Много допълнителна и важна информация, която не може да бъде обхваната в една статия, може да се намери в сайтовете на Европейската космическа агенция и на  Европейската комисия, където има и много връзки към други сайтове.

       Думи вместо заключение

            Може би някому следващите думи ще прозвучат като фантазии. А те не са! Защо да не се направят  опити и България да участва по някакъв начин в това начинание още в самото начало? Нима нямаме специалисти, които могат? Имаме. И те са в БАН, Софийския университет, Техническия университет – София, Техническия университет – Варна. И особено, ако тези институции работят заедно. Специалистите вероятно знаят как да реализират евентуални контакти и какво да предложат. Необходима е може би малко държавна подкрепа. ГАЛИЛЕО може да даде сериозни преспективи. Знанията и умът са нашият ресурс. Нека да ги използваме.

N.B. Това е стара и малко редактирана статия, но постановките са точни и е предложена за публикуване, зашото може да е интересна за част от четящата публика и приятели в „Откровения”. Има някои доста нови неща в системата. Тя ще се развие много бързо в следващите години.

(c) Bezzhichen (Безжичен), 2006 - 2011