GPS Block III - GPS Block III

Blocul GPS III
GPS Block IIIA.jpg
Impresia artistului asupra unui satelit GPS Block III pe orbită
Producător Lockheed Martin
Tara de origine Statele Unite
Operator Forța Spațială SUA
Aplicații Navigare prin satelit
Specificații
Autobuz Lockheed Martin A2100M
Lansați masa 3.880 kg (8.550 lb)
Masa uscată 2.269 kg (5.002 lb)
Putere 4480 wați (sfârșitul vieții)
Baterii Baterie nichel-hidrogen
Regim Orbită semisincronă medie a Pământului
Proiectează viața 15 ani (planificat)
Producție
stare In productie
La comandă 2
Construit 8
Lansat 5
Operațional 4
Lansarea Maiden 23 decembrie 2018
Ultima lansare 17 iunie 2021
Nave spațiale conexe
Derivat de la Bloc GPS IIF
←  GPS Block IIF Bloc GPS IIIF

GPS Block III (anterior Block IIIA) este format din primii zece sateliți GPS III , care vor fi folosiți pentru a menține sistemul de poziționare globală Navstar funcțional. Lockheed Martin a proiectat, dezvoltat și fabricat GPS III Non-Flight Satellite Testbed (GNST) și toți cei zece sateliți Block III. Primul satelit din serie a fost lansat în decembrie 2018. Al zecelea și ultima lansare GPS Block III este proiectată în 2023.

Istorie

Sistemul de poziționare globală (GPS) al Statelor Unite a atins capacitatea operațională completă la 17 iulie 1995, îndeplinind obiectivele sale inițiale de proiectare. Cu toate acestea, progresele suplimentare în tehnologie și noile cerințe asupra sistemului existent au dus la efortul de modernizare a sistemului GPS. În 2000, Congresul SUA a autorizat efortul, denumit GPS III .

Proiectul implică noi stații terestre și noi sateliți, cu semnale de navigație suplimentare atât pentru utilizatorii civili, cât și pentru cei militari și își propune să îmbunătățească acuratețea și disponibilitatea pentru toți utilizatorii.

La 25 februarie 2010, Raytheon a primit contractul pentru sistemul de control operațional GPS de generație următoare (OCX).

Primul satelit din serie a fost proiectat să fie lansat în 2014, dar întârzierile semnificative au împins lansarea în decembrie 2018.

Dezvoltare

Sateliții Block III folosesc structura autobuzului de satelit A2100M a lui Lockheed Martin . Rezervoarele pentru combustibil și presurant sunt fabricate de Orbital ATK din materiale compozite ușoare și de înaltă rezistență. Fiecare satelit va transporta opt antene JIB implementabile proiectate și fabricate de Northrop Grumman Astro Aerospace

Întârziat deja semnificativ după lansarea planificată pentru primul satelit din 2014, la 27 aprilie 2016, SpaceX , din Hawthorne, California , a primit un contract cu preț fix de 82,7 milioane USD pentru servicii de lansare pentru livrarea unui satelit GPS III pe orbita intenționată. Contractul a inclus producția de vehicule de lansare, integrarea misiunii și operațiuni de lansare pentru o misiune GPS III, care urmează să fie efectuată în Hawthorne, California; Stația Forțelor Aeriene Cape Canaveral , Florida ; și McGregor, Texas . În decembrie 2016, Directorul Direcției Sisteme de Poziționare Globală a Forțelor Aeriene din SUA a anunțat că primul satelit va fi lansat în primăvara anului 2018. În martie 2017, Biroul General de Contabilitate al SUA a declarat „Probleme tehnice atât cu satelitul GPS III, cât și cu blocul OCX 0 controlul lansării și sistemul de verificare s-au combinat pentru a pune în pericol data de lansare planificată pentru martie 2018 pentru primul satelit GPS III ”. Întârzierile au fost cauzate de o serie de factori, în principal din cauza problemelor constatate în sarcina utilă de navigație. Alunecările ulterioare ale datei de lansare au fost cauzate de necesitatea testării și validării suplimentare a unui SpaceX Falcon 9 care a lansat în cele din urmă satelitul pe 23 decembrie 2018. Pe 22 august 2019, al doilea satelit GPS III a fost lansat la bordul unui Delta IV .

La 21 septembrie 2016, Forțele Aeriene SUA au exercitat o opțiune contractuală de 395 milioane USD cu Lockheed Martin pentru vehiculele spațiale Block III, a noua și a zecea, așteptate să fie disponibile pentru lansare până în 2022.

Lansarea istoricului

Au fost lansați 5 din 10 sateliți GPS Block III. 4 sunt în prezent operaționale, 1 fiind supus testării.

Sateliți GPS Block III
Satelit Desemnarea SUA SVN Nume Data lansării ( UTC ) Racheta Lansați site-ul stare Ref.
GPS III-01 SUA-289 74 Vespucci 23 decembrie 2018, 13:51 Falcon 9 Blocul 5 CCSFS , SLC-40 În funcțiune
GPS III-02 SUA-293 75 Magellan 22 august 2019, 13:06 Delta IV M + (4,2) CCSFS , SLC-37B În funcțiune
GPS III-03 SUA-304 76 Matthew Henson 30 iunie 2020, 20:10 Falcon 9 Blocul 5 CCSFS , SLC-40 În funcțiune
GPS III-04 SUA-309 77 Sacagawea 5 noiembrie 2020, ora 23:24 Falcon 9 Blocul 5 CCSFS , SLC-40 În funcțiune
GPS III-05 SUA-319 78 Neil Armstrong 17 iunie 2021, 16:09 Falcon 9 Blocul 5 CCSFS , SLC-40 Testarea
GPS III-06 79 Amelia Earhart 2022 Falcon 9 Blocul 5 TBA Disponibil pentru lansare
GPS III-07 80 Sally Ride 202x TBA TBA Disponibil pentru lansare
GPS III-08 81 Katherine Johnson 202x TBA TBA Disponibil pentru lansare
GPS III-09 82 Ellison Onizuka 202x TBA TBA În construcție
GPS III-10 83 202x TBA TBA În construcție

Noi semnale de navigație

Civil L2 (L2C)

Unul dintre primele anunțuri a fost adăugarea unui nou semnal de uz civil care să fie transmis pe o altă frecvență decât frecvența L1 utilizată pentru semnalul GPS Coarse Acquisition (C / A) existent. În cele din urmă, acest lucru a devenit cunoscut sub numele de semnal L2C, deoarece este transmis pe frecvența L2 (1227,6 MHz). Poate fi transmis de către toți sateliții de bloc IIR-M și ulterior. Planul inițial prevedea că până când noul sistem OCX (Blocul 1) nu va fi instalat, semnalul ar consta dintr-un mesaj implicit („Tipul 0”) care nu conține date de navigație. Blocul OCX 1 cu datele de navigație L2C a fost programat să intre în serviciu în februarie 2016, dar a fost amânat până în 2022 sau mai târziu.

Ca urmare a întârzierilor OCX, semnalul L2C a fost decuplat de programul de implementare OCX. Toți sateliții capabili să transmită semnalul L2C (toți sateliții GPS lansați din 2005) au început să transmită mesaje de navigație civilă pre-operaționale (CNAV) în aprilie 2014, iar în decembrie 2014 Forțele Aeriene au început să transmită zilnic încărcări CNAV. Semnalul L2C va fi considerat pe deplin operațional după ce va fi difuzat de cel puțin 24 de vehicule spațiale, proiectat în prezent să se întâmple în 2021. În octombrie 2017, L2C era difuzat de la 19 sateliți. Semnalul L2C are sarcina de a oferi o precizie îmbunătățită a navigației, de a furniza un semnal ușor de urmărit și de a acționa ca un semnal redundant în caz de interferență localizată.

Efectul imediat al transmiterii a două frecvențe civile de la un satelit este abilitatea de a măsura direct și, prin urmare, de a elimina eroarea de întârziere ionosferică pentru acel satelit. Fără o astfel de măsurare, un receptor GPS trebuie să utilizeze un model generic sau să primească corecții ionosferice de la o altă sursă (cum ar fi un sistem de augmentare prin satelit ). Progresele tehnologice atât pentru sateliții GPS, cât și pentru receptoarele GPS au făcut din întârzierea ionosferică cea mai mare sursă de eroare în semnalul C / A. Un receptor capabil să efectueze această măsurare este denumit receptor cu frecvență dublă. Caracteristicile sale tehnice sunt:

  • L2C conține două secvențe PRN distincte:
    • CM (pentru codul de lungime moderată civilă) are o lungime de 10,230 biți, repetându-se la fiecare 20 de milisecunde .
    • CL (pentru codul de lungime civilă civilă) este de 767.250 de biți, repetându-se la fiecare 1.500 de milisecunde (adică la fiecare 1.5 secunde).
    • Fiecare semnal este transmis la 511.500 biți pe secundă ( bit / s ); cu toate acestea, ele sunt multiplexate pentru a forma un semnal de 1.023.000 biți / s.
  • CM este modulat cu un mesaj de navigare de 25 biți / s cu corecție de eroare înainte , în timp ce CL nu conține date modulate suplimentare.
  • Secvența CL lungă, fără date, asigură o protecție de corelație cu aproximativ 24 dB mai mare (~ 250 de ori mai puternică) decât L1 C / A.
  • Caracteristicile semnalului L2C asigură o recuperare a datelor cu 2,7 dB mai mare și o urmărire a operatorului cu 0,7 dB mai mare decât L1 C / A.
  • Puterea de transmisie a semnalelor L2C este cu 2,3 ​​dB mai slabă decât semnalul L1 C / A.
  • Într-o aplicație cu o singură frecvență, L2C are cu 65% mai multă eroare ionosferică decât L1.

Este definit în IS-GPS-200.

Militar (cod M)

O componentă majoră a procesului de modernizare, un nou semnal militar numit M-code a fost conceput pentru a îmbunătăți în continuare anti-blocarea și accesul securizat al semnalelor GPS militare. Codul M este transmis în aceleași frecvențe L1 și L2 deja utilizate de codul militar anterior, codul P (Y). Noul semnal este modelat pentru a plasa cea mai mare parte a energiei sale la margini (departe de purtătorii P (Y) și C / A existenți). Spre deosebire de codul P (Y), codul M este conceput pentru a fi autonom, ceea ce înseamnă că utilizatorii își pot calcula pozițiile folosind doar semnalul codului M. Receptorii de cod P (Y) trebuie să se blocheze mai întâi pe codul C / A și apoi să se transfere pentru a se bloca pe codul P (Y).

Într-o abatere majoră de la proiectele GPS anterioare, codul M este destinat să fie difuzat de pe o antenă direcțională cu câștig ridicat , pe lângă o antenă cu unghi larg (Pământ complet). Semnalul antenei direcționale, denumit fascicul spot , este destinat să fie orientat către o anumită regiune (de exemplu, cu câteva sute de kilometri în diametru) și să crească puterea semnalului local cu 20 dB (10 × puterea câmpului de tensiune, 100 × putere). Un efect secundar al existenței a două antene este că, pentru receptoarele din interiorul fasciculului spot, satelitul GPS va apărea ca două semnale GPS care ocupă aceeași poziție.

În timp ce semnalul full-Earth M-code este disponibil pe sateliții Block IIR-M, antenele cu fascicul spot nu vor fi disponibile până când sateliții Block III nu vor fi implementați. La fel ca celelalte noi semnale GPS, codul M este dependent de OCX - în special Blocul 2 - care era programat să intre în serviciu în octombrie 2016, dar care a fost întârziat până în 2022, iar acea dată inițială nu reflecta prima lansare a satelitului de doi ani întârziere așteptată de GAO.

Alte caracteristici ale codului M sunt:

  • Sateliții vor transmite două semnale distincte de la două antene: una pentru acoperirea întregului Pământ, una într-un fascicul spot.
  • Modulație de purtător de compensare binară .
  • Ocupă 24 MHz lățime de bandă.
  • Folosește un nou mesaj de navigație MNAV, care este ambalat în loc de cadru, permițând încărcări utile de date flexibile.
  • Există patru canale de date eficiente; pot fi trimise date diferite pe fiecare frecvență și pe fiecare antenă.
  • Poate include FEC și detectarea erorilor.
  • Fasciculul spot este cu ~ 20 dB mai puternic decât întregul fascicul de acoperire a Pământului.
  • Semnal cod M la suprafața Pământului: –158 dBW pentru antena Pământului întreagă, –138 dBW pentru antenele cu fascicul spot.

Siguranța vieții (L5)

Siguranța vieții este un semnal de uz civil, difuzat pe frecvența L5 (1176,45 MHz). În 2009, un satelit WAAS a trimis transmisiile inițiale de testare a semnalului L5. SVN-62 , primul satelit GPS bloc IIF, a transmis continuu semnalul L5 începând cu 28 iunie 2010.

Ca urmare a întârzierilor programate pentru segmentul de control GPS III, semnalul L5 a fost decuplat de programul de implementare OCX. Toți sateliții capabili să transmită semnalul L5 (toți sateliții GPS lansați din mai 2010) au început să transmită mesaje de navigație civilă pre-operațională (CNAV) în aprilie 2014, iar în decembrie 2014 Forțele Aeriene au început să transmită încărcări CNAV zilnic. Semnalul L5 va fi considerat pe deplin operațional odată cu cel puțin 24 de vehicule spațiale care difuzează semnalul, proiectat în prezent în 2024.

Începând cu 18 aprilie 2017, L5 era difuzat de la 12 sateliți.

  • Îmbunătățește structura semnalului pentru o performanță îmbunătățită.
  • Putere de transmisie mai mare decât semnalul L1 sau L2C (~ 3 dB, sau de două ori mai puternic).
  • Lățime de bandă mai mare, obținând un câștig de procesare de 10 ori.
  • Coduri de împrăștiere mai lungi (de 10 ori mai lungi decât cele utilizate în codul C / A).
  • Situat în banda de servicii de radionavigație aeronautică , o bandă de frecvență disponibilă în întreaga lume.

WRC-2000 a adăugat o componentă de semnal spațial la această bandă aeronautică, astfel încât comunitatea aviatică să poată gestiona interferențele la L5 mai eficient decât L2. Este definit în IS-GPS-705.

Nou L1 civil (L1C)

L1C este un semnal de uz civil, care trebuie difuzat pe aceeași frecvență L1 (1575,42 MHz) care conține semnalul C / A utilizat de toți utilizatorii actuali de GPS.

Transmiterea L1C va începe atunci când blocul 1 al segmentului de control GPS (OCX) devine operațional, programat în prezent pentru 2022. Semnalul L1C va atinge starea operațională completă atunci când va fi difuzat de la cel puțin 24 de sateliți GPS Block III, proiectat în prezent pentru sfârșitul anilor 2020.

  • Implementarea va furniza codul C / A pentru a asigura compatibilitatea inversă.
  • Asigurat o creștere de 1,5 dB a puterii minime a codului C / A pentru a atenua orice creștere a zgomotului.
  • Componenta de semnal non-date conține un operator pilot pentru a îmbunătăți urmărirea.
  • Permite o interoperabilitate civilă mai mare cu Galileo L1.

Este definit în IS-GPS-800.

Îmbunătățiri

Creșterea puterii semnalului la suprafața Pământului:

  • Cod M: -158 dBW / -138 dBW.
  • L1 și L2: −157 dBW pentru semnalul de cod C / A și −160 dBW pentru semnalul de cod P (Y).
  • L5 va fi -154 dBW.

Cercetătorii de la The Aerospace Corporation au confirmat că cele mai eficiente mijloace de a genera semnalul de cod M de mare putere ar presupune o abatere de la acoperirea completă a Pământului, caracteristică tuturor semnalelor de legătură descendentă ale utilizatorilor până în acel moment. În schimb, o antenă cu câștig ridicat ar fi utilizată pentru a produce un fascicul direcțional spot de câteva sute de kilometri în diametru. Inițial, această propunere a fost considerată ca o adaptare la sateliții Block IIF planificați. La o inspecție mai atentă, managerii de programe au realizat că adăugarea unei antene mari implementabile, combinată cu schimbările care ar fi necesare în segmentul de control operațional, reprezenta o provocare prea mare pentru proiectarea sistemului existent.

  • NASA a solicitat ca sateliții Block III să poarte reflectoare laser . Acest lucru permite urmărirea orbitelor sateliților independent de semnalele radio, ceea ce permite ca erorile ceasului prin satelit să fie dezlegate de erorile efemeride . Aceasta, o caracteristică standard a GLONASS , va fi inclusă în sistemul de poziționare Galileo și a fost inclusă ca experiment pe doi sateliți GPS mai vechi (sateliții 35 și 36).

Segment de control

Segmentul de control operațional GPS (OCS), format dintr-o rețea mondială de centre de operațiuni prin satelit, antene la sol și stații de monitorizare, oferă capabilități de comandă și control (C2) pentru sateliții GPS Block II. Ultima actualizare a GPS OCS, Architectural Evolution Plan 7.5, a fost instalată pe 16 noiembrie 2018.

Segmentul de control operațional de generație următoare (OCX)

În 2010, Forțele Aeriene ale Statelor Unite au anunțat planurile de a dezvolta un segment modern de control, o parte critică a inițiativei de modernizare GPS. OCS va continua să servească drept sistem de control al solului până când noul sistem, Next Generation GPS Operational Control System (OCX), este complet dezvoltat și funcțional.

Caracteristicile OCX sunt livrate Forțelor Aeriene ale Statelor Unite în trei faze separate, cunoscute sub numele de „blocuri”. Blocurile OCX sunt numerotate de la zero la două. Cu fiecare bloc livrat, OCX câștigă funcționalități suplimentare.

În iunie 2016, Forțele Aeriene SUA au notificat în mod oficial Congresului că costurile programate ale programului OCX au crescut peste 4,25 miliarde USD, depășind astfel cu 25% estimările referitoare la costul de bază de 3,4 miliarde USD, cunoscut și ca o încălcare critică a Nunn-McCurdy . Factorii care duc la încălcare includ „ingineria sistemelor inadecvate la începutul programului” și „complexitatea cerințelor de securitate cibernetică pe OCX”. În octombrie 2016, Departamentul Apărării a certificat oficial programul, un pas necesar pentru a permite dezvoltarea să continue după o încălcare critică.

OCX Block 0 (sistem de lansare și checkout)

OCX Block 0 oferă subsetul minim de capabilități OCX complete necesare pentru a sprijini lansarea și verificarea timpurie a autobuzului navei spațiale pe vehicule spațiale GPS III.

Blocul 0 a finalizat două evenimente de testare a securității cibernetice în aprilie și mai 2018, fără noi vulnerabilități găsite.

În iunie 2018, Block 0 a avut a treia repetiție de lansare integrată de succes cu GPS III.

Forțele aeriene americane au acceptat livrarea OCX Block 0 în noiembrie 2017 și este folosit pentru pregătirea pentru prima lansare GPS în decembrie 2018.

OCX Block 1 (caracteristici GPS III civile)

OCX Block 1 este un upgrade la OCX Block 0, moment în care sistemul OCX atinge capacitatea de operare inițială (IOC). Odată ce Blocul 1 este implementat, OCX va putea pentru prima dată să comande și să controleze atât sateliții GPS Bloc II, cât și Bloc III, precum și să susțină capacitatea de a începe difuzarea semnalului civil L1C.

În noiembrie 2016, GAO a raportat că OCX Block 1 a devenit principala cauză de întârziere în activarea misiunii GPS III PNT.

Blocul 1 a finalizat iterația finală a Critical Design Review (CDR) în septembrie 2018. Dezvoltarea software pentru Blocul 1 este programată să se finalizeze în 2019, după care software-ul Blocul 1 va fi supus testării sistemului de 2,5 ani.

OCX Block 2 (caracteristici GPS III militare, monitorizare civilă a semnalului)

OCX Block 2 modernizează OCX cu funcțiile avansate de cod M pentru utilizatorii militari și capacitatea de a monitoriza performanța semnalelor civile. În martie 2017, contractantul și-a refăcut programul de livrare OCX, astfel încât Blocul 2 să fie livrat acum Forțelor Aeriene concomitent cu Blocul 1. În iulie 2017, a fost anunțată o nouă întârziere a programului. Conform programului din iulie 2017, OCX va fi livrat Forțelor Aeriene în aprilie 2022.

Operațiuni de urgență

Operațiunile de contingență GPS III („COps”) sunt o actualizare a segmentului de control operațional GPS, permițând OCS să furnizeze caracteristicile de poziție, navigație și sincronizare (PNT) ale blocului IIF de la sateliții GPS III. Efortul de operațiuni de contingență permite sateliților GPS III să participe la constelația GPS, deși într-un mod limitat, fără a fi nevoie să aștepte până când OCX Block 1 devine operațional (programat în prezent pentru 2022).

Forța aeriană a Statelor Unite a atribuit contractul de operațiuni de urgență de 96 milioane USD în februarie 2016. În septembrie 2018, dezvoltarea software-ului a fost finalizată, iar testarea integrării componentelor era programată să fie finalizată luna următoare. Testarea operațională de acceptare este programată pentru ianuarie 2020.

Program de desfășurare

Data Implementare Vehicule spațiale Observații
Comandă și control Sateliți care furnizează date de navigație
OCS OCX
Decembrie 2018 Bloc OCX 0 Blocul II Blocul III
(numai lansare și plată)
Blocul II OCS și OCX funcționează în paralel
Ianuarie 2020 Operațiuni de urgență Blocul II
și
Blocul III
Ianuarie 2023 OCX Block 1 și OCX Block 2 Blocul II și Blocul III OCS nu mai este utilizat, încep transmisiile L1C, funcționalitatea GPS III completă este atinsă.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

  • Capozza, Paul T .; Betz, John W .; Fite, John D. (1 aprilie 2005). „A ajunge la M” . GPS World. Arhivat din original la 9 iulie 2011.