Galileo ma problem z zegarami. Co dalej z rozbudową europejskiego systemu nawigacji satelitarnej?

Europejski system globalnego pozycjonowania został uruchomiony w połowie grudnia ubiegłego roku. Dostarcza on sygnały radiowe na potrzeby ustalenia pozycji, nawigacji i pomiaru czasu. Pierwszymi usługami oferowanymi przez Galileo są: usługa powszechnie dostępna (Open Service), usługa publiczna o regulowanym dostępie (PRS) i usługa poszukiwawczo-ratownicza (SAR).

Niestety, 18 stycznia br. dyrektor generalny Europejskiej Agencji Kosmicznej Jan Woerner poinformował, że aż 10 precyzyjnych zegarów atomowych zamontowanych w użytkowanych obecnie satelitach sieci Galileo uległo awariom. Aktualnie na średniej orbicie okołoziemskiej (na wysokości ok 23 tys. km nad Ziemią) krąży 18 satelitów europejskiego systemu. Na pokładzie każdego z nich zamontowane są aż po cztery wysoce dokładne zegary: dwa rubidowe (rubidowe atomowe standardy częstotliwości – RAFS) oraz dwa pasywne masery wodorowe (PHM). Zepsuły się trzy zegary rubidowe oraz siedem maserów wodorowych. Szczęśliwie, jeden z tych ostatnich udało się zrestartować i przywrócić jego prawidłowe funkcjonowanie.

Stan obecny

Aktualnie na orbicie jest 18 satelitów Galileo. Pierwsze cztery z nich zostały zbudowane przez Airbus Defence and Space przy współpacy z firmą Thales Alenia Space. Wystrzelone w latach 2011-2012 pełniły rolę tzw. platform walidacyjnych (In Orbit Validation – IOV), na których sprawdzano rozwiązania pod kątem tworzenia kolejnych satelitów systemu. Pozostałe czternaście urządzeń to już satelity w pełni operacyjne (Full Operational Capability – FOC). Te zostały wyprodukowane przez niemiecki koncern OHB Systems. Podział zepsutych zegarów między te dwie kategorie satelitów kształtuje się następująo:

• wszystkie trzy uszkodzone zegary rubidowe znajdują się na satelitach FOC,

• pięć uszkodzonych maserów wodorowych znajduje się na satelitach IOV,

• jeden maser wodorowy nie działa w satelicie FOC.

Ogółem, spośród 72 zegarów zamontowanych na orbitujących już satelitach Galileo nie działa 9, czyli 12,5%. Jeden satelita został już tylko z dwoma działającymi zegarami. Dopóki na danym satelicie działa choć jeden zegar atomowy, urządzenie pozostaje sprawną częścią całego systemu. Konstelacja Galileo zachowuje więc na razie pełną zdolność operacyjną. Producentem, który dostarczył europejskim satelitom nawigacyjnym wszystkie zegary obydwu typów jest szwajcarska firma Spectratime.

Możliwe przyczyny awarii

Europejska Agencja Kosmiczna wraz z firmą Spectratime i producentami satelitów przystąpiła do intensywnego poszukiwania przyczyn awarii zegarów. Dotychczasowe próby prowadzone na Ziemi nie pozwoliły inżynierom uzyskać dokładnie takich usterek, jakie wykazują satelity znajdujące się już na orbicie. Konstrukcja zegarów atomowych obydwu rodzajów generalnie sprawia wrażenie prawidłowej. Badacze uruchomili nawet ponownie, w związku z trwającym dochodzeniem, zegar rubidowy na wystrzelonym w 2005 r. satelicie GIOVE-A, który przecierał szlak dla urządzeń Galileo. Pomimo spędzenia już 12 lat w środowisku orbitalnym instument dawał prawidłowe wskazania. Co w takim razie spowodowało kłopoty mierników czasu w satelitach europejskiego systemu nawigacji?

Jeśli chodzi o zegary rubidowe (RAFS), to pierwsze opinie ekspertów wskazują, że prowadzić do nich mogły krótkie spięcia w instalacjach elektrycznych tych urządzeń. Przyczyną owych zwarć mogły być niektóre procedury testowe, którym wcześniej poddawano zegary jeszcze na Ziemi. Wszak, każdy zegar, który poleciał w przestrzeń kosmiczną, przechodził przedtem bardzo intensywne próby techniczne. Według ESA, w samym projekcie instrumentu RAFS jest kilka słabych punktów, które mogły uczynić tego rodzaju zegar szczególnie wrażliwym na uszkodzenia w wyniku intensywnych testów naziemnych. Jednak dokładniejszej przyczyny awarii nie udało się dotąd określić.

Nieco większe postępy udało się badającym sprawę ekspertom poczynić w kwestii maserów wodorowych (PHM). Wygląda na to, że dwa spośród tych urządzeń uległy awarii z powodu ich bardzo małego marginesu tolerancji na zmianę jednego z parametrów środowiska, w którym pracują. Badaczenie nie sprecyzowali, zmiana którego parametru spowodowała błędy w pracy maserów. Wiadomo jednak, że badali reakcje PHM na zmiany temperatury, napięcia i natężenia prądu.

Pozostałe cztery masery wodorowe zepsuły się po tym jak włączono je ponownie po długim okresie bezczynności. Standardowo bowiem w całkowicie sprawnym satelicie Galileo jako główny zegar cały czas pracuje jeden PHM, zaś jeden RAFS pozostaje w trybie czuwania, by w razie problemów zapewnić temu pierwszemu szybki back-up. Natomiast jeden PHM, podobnie jak jeden RAFS, pozostają wyłączone, by aktywować je, gdy zajdzie taka potrzeba.

Co dalej?

W zaistniałej sytuacji ESA podejmuje niezbędne kroki. Jeżeli chodzi o zegary RAFS, to poszukiwania dokładnej przyczyny ich awarii będą w najbliższej przyszłości dalej intensywnie prowadzone. Kiedy tylko uda się odkryć szczegółowy powód kłopotów, w zegarach oczekujących na wyniesienie na orbitę zostaną przeprowadzone niezbędne zmiany konfiguracji. Już potwierdzono zamiar dokonania pewnych poprawek w ośmiu tego typu urządzeniach. Co więcej, operatorzy konstelacji Galileo potwierdzili, że ryzyko kolejnych awarii RAFS będzie mniejsze, gdyż zmieniają się procedury testowe przed umieszczeniem zegarów w przestrzeni kosmicznej. Jednocześnie przeprowadzany jest przegląd procedur operacyjnych u zegarów PHM i w oczekujących na swoją kolej trzydziestu instumentach tego typu będą wprowadzane modyfikacje, które mają uchronić ów czuły sprzęt przed usterkami, jakie mogłyby wyniknąć już na orbicie.

Jednak podmioty zarządzające konstelacją Galileo muszą odpowiedzieć sobie na ważne i trudne pytanie – jak postępować, w sytuacji gdyby w najbliższych miesiącach nie udało się precyzyjnie ustalić przyczyn awarii atomowych zegarów? Z jednej strony, sensownie byłoby wówczas wstrzymać się z wystrzeliwaniem kolejnych satelitów. Wszak po umieszczeniu na orbicie naprawa takiego urządzenia nie będzie już możliwa. Jednak w sytuacji, gdyby kolejne zegary „padały” w satelitach już obecnie używanych, brak zastrzyku w postaci kolejnych urządzeń może zaowocować utratą zdolności operacyjnej całej konstelacji. Gdy w listopadzie zeszłego roku rakieta Ariane 5 wynosiła cztery kolejne satelity Galileo, decydenci mieli już świadomość, że problemy z ich zegarami mogą się pojawić. Jednak w imię zagwarantowania sprawności całego systemu, zwłaszcza w kontekście jego zaplanowanej na grudzień 2016 roku inauguracji, zdecydowano się nie odkładać tamtego startu.

Musimy albo znaleźć konkretną przyczynę problemów, albo kontynuować program Galileo, mówiąc sobie: „Ok, kłopoty mogą się pojawić”. Czy nie powinniśmy przeprowadzać kolejnych startów zanim nie uporamy się z problemem?

Póki co ESA podjęła dość zachowawczą i kompromisową decyzję, o opóźnieniu planowanego na sierpień br. wyniesienia kolejnych czterech satelitów Galileo. Jest szansa, że polecą one jeszcze w tym roku, być może w listopadzie. Tymczasem, o swoich kłopotach Agencja poinformowała Indyjską Organizację Badań Kosmicznych (ISRO), która używa tych samych zegarów w satelitach regionalnej konstelacji nawigacyjnej IRNSS. Z zegarów atomowych firmy Spectratime korzystają w swoich wczesnych satelitach systemu nawigacyjnego Beidou także Chińczycy, jednak ESA nie ujawniła, czy kontaktowała się w tej sprawie z ChRL.

Pozostaje mieć nadzieję, że przyczyny problemów technicznych z zegarami atomowymi uda się wykryć i wyeliminować w satelitach, które dopiero mają zostać wystrzelone. Jeśli przy tym uda się, że urządzenia krążące już wokół Ziemi zachowają sprawność mając na pokładzie co najmniej jeden działający zegar, to do roku 2020 system Galileo ma szansę osiągnąć, zgodnie z planem, pełną gotowość operacyjną. Konstelację będzie wówczas tworzyło 30 satelitów – 24 aktywne oraz po dwa urządzenia zapasowe dostępne w każdej z trzech wykorzystywanych przez Galileo płaszczyzn orbitalnych.

Wyjątkowo pechowym zrządzeniem losu można określić fakt, że wśród zegarów atomowych, które odmówiły posłuszeństwa, dominują PHM. To właśnie masery wodorowe mają bowiem zapewniać europejskiemu systemowi GNSS Galileo przewagę nad sieciami GPS i GLONASS. Ich wyjątkowa, nanosekundowa precyzja (na poziomie 1 sekundy na 3 mln lat), pozwala bowiem użytkownikowi europejskiego systemu ustalić swą pozycję na Ziemi z dokładnością do kilkudziesięciu centymetrów. Droga do narodzin systemu Galileo bywała już w przeszłości mocno wyboista, jednak przejściowe kłopoty udawało się przezwyciężyć. Prawdopodobnie więc także trudności z zegarami PHM, jak również te z instrumentami RAFS, uda się pokonać.