Galileo - nowe standardy radionawigacyjne dla lotnictwa [ANALIZA]

Współcześnie trudno wyobrazić sobie funkcjonowanie bez dostępności do systemów nawigacji satelitarnej, które stały się nieodzownym elementem życia codziennego oraz fundamentem działań sił zbrojnych państw na całym świecie. Znane systemy nawigacji satelitarnej, takie jak GPS–NAVSTAR czy GLONASS pozostają pod jurysdykcją krajów, w jakich zostały wytworzone. Galileo stanowi względem nich atrakcyjną alternatywę, ponieważ jest kontrolowany przez europejskie instytucje, a co ważne – został dedykowany wyłącznie eksploatacji w celach cywilnych. Jednym z wiodących sektorów wykorzystujących system Galileo jest lotnictwo komunikacyjne.

Europejski system nawigacji satelitarnej Galileo został uruchomiony w 2016 roku. Powstał on z inicjatywy Unii Europejskiej (ang. European Union) oraz Europejskiej Agencji Kosmicznej (ang. European Space Agency). Galileo stanowi jeden z sześciu systemów wchodzących w skład infrastruktury Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (ang. Global Navigation Satellite System – GNSS). Pozostałe to: amerykański GPS–NAVSTAR, rosyjski GLONASS, chiński BeiDou, japoński QZSS i francuski DORIS.

Architektura techniczna systemu Galileo i jego współpraca z awioniką pokładową statków powietrznych

Budowa techniczna globalnego systemu nawigacji satelitarnej Galileo składa się z trzech komponentów technicznych: segmentu kosmicznego, liczącego docelowo 30 sztucznych satelitów rozmieszczonych na wysokości 23222 km na średniej orbicie okołoziemskiej (ang. Medium Earth Orbit – MEO) zdolnych do wykonania obiegu wokół Ziemi w czasie 14 godzin 5 minut, segmentu naziemnego, do którego zalicza się główna stacja kontrolująca i komponent nasłuchu, oraz segmentu użytkownika, czyli wszelkich urządzeń odbiorczych.

Pomimo że planowana jest rozbudowa konstelacji satelitów, system Galileo jest w pełni operacyjny i przeznaczony do eksploatacji wyłącznie przez cywilnych użytkowników. Zapewnia on pozycjonowanie w licznych sektorach, takich jak: transport (np. lokalizacja obiektów, wyszukiwanie tras, kontrola prędkości, systemy naprowadzania), usługi społeczne (np. pomoc dla osób niepełnosprawnych lub starszych), wymiar sprawiedliwości i służby celne (np. lokalizacja podejrzanych, kontrole graniczne), roboty publiczne (np. systemy informacji geograficznej), systemy poszukiwawczo–ratownicze (ang. Search and Rescue – SAR) lub rekreacja (np. określanie kierunku na morzu lub w górach).

Warto nadmienić, że nawigacja satelitarna jest niezbędna do funkcjonowania lotnictwa. Samoloty pasażerskie są w stanie odbierać sygnał przekazywany przez system Galileo, jeśli posiadają urządzenie nadawczo–odbiorcze ADS–B (ang. Automatic Dependent Surveillance – Broadcast). Pozwala ono na określenie i wizualną prezentację przemieszczającego się obiektu w czasie rzeczywistym. Informacje o pozycji są ustalane na podstawie danych przesyłanych z konstelacji satelitów wszystkich systemów wchodzących w skład GNSS.

Dotyczą one m.in. kierunku, pułapu lotu, numeru lotu, a także podstawowych danych meteorologicznych i ostrzeżeń terenowych. Transmisja odbywa się w kanale nadawczym z częstotliwością 1030 MHz, a w kanale odbiorczym z częstotliwością 1090 MHz. Niestety, odbierane i nadawane informacje są obarczone dużą możliwością wystąpienia błędu. Z tego powodu konieczne jest doskonalenie rozwiązań technologicznych ukierunkowanych na poprawę funkcjonalnych charakterystyk nawigacji lotniczej.

Nowe standardy nawigacyjne dedykowane lotnictwu komunikacyjnemu

Satelity wchodzące w skład komponentu kosmicznego systemu nawigacji satelitarnej Galileo nadają różne rodzaje danych za pośrednictwem czterech komunikatów: komunikatów nawigacyjnych F/NAV i I/NAV, komercyjnego komunikatu nawigacyjnego C/NAV oraz rządowego komunikatu nawigacyjnego G/NAV. W sierpniu 2023 roku przeprowadzono aktualizację oprogramowania wybranych satelitów, która obejmowała wdrożenie nowych funkcji, w tym udoskonalenie komunikatu I/NAV przenoszonego przez sygnał E1–B.

Według Agencji Unii Europejskiej ds. Programu Kosmicznego (ang. European Union Agency for the Space Programme – EUSPA) ulepszony sygnał Galileo I/NAV zawiera teraz zewnętrzną korekcję błędów Reeda Solomona (RS FEC2), umożliwiającą szybsze i bardziej niezawodne pozycjonowanie statków powietrznych.

RS FEC2 zwiększa odporność demodulacji sygnału w czasie rzeczywistym, zwiększając jego czułość i jednocześnie poprawiając ogólny czas pobierania danych zegara i efemeryd (ang. Clock and ephemeris data – CED) dzięki transmisji dodatkowych, nadmiarowych informacji. Pozwala to urządzeniu odbiorczemu, wchodzącemu w skład wyposażenia pokładowego statku powietrznego na autonomiczne przywracanie potencjalnie uszkodzonych bitów danych.

Wystosowano również rozwiązanie oparte na komponencie pomniejszonego CED (ang. Reduced CED – RedCED), który umożliwia początkowe pozycjonowanie z dokładnością niższą niż nominalna poprzez dekodowanie pojedynczego słowa I/NAV w oczekiwaniu na otrzymanie czterech kolejnych słów I/NAV zawierających CED. W praktyce funkcja ta pozwala użytkownikowi na znacznie szybsze uzyskanie informacji na temat przybliżonej, pierwotnej pozycji.

Rezultatem jest znacznie krótszy czas do momentu ustalenia pierwszej pozycji, szczególnie podczas pracy w trudnych warunkach atmosferycznych. Ulepszenia przynoszą również korzyści użytkownikom pracującym w trybie wspomagania GNSS (ang. Assisted GNSS – A–GNSS), dzięki nowym możliwościom wykorzystującym synchronizację wtórną (ang. Secondary Synchronization Pattern – SSP). W trybie A–GNSS, gdy dane nawigacyjne są odbierane z kanałów innych niż GNSS, a wiedza odbiornika o czasie efemeryd systemu Galileo jest obarczona stosunkowo dużym błędem, synchronizacja wtórna zapewnia dostarczenie precyzyjnych informacji na temat pozycji statku powietrznego.

Zmiany implementowane do komunikatu I/NAV są w pełni operacyjne. Aktualnie Agencja Unii Europejskiej ds. Programu Kosmicznego rozpoczęła kampanię testową otwartą dla producentów odbiorników, dzięki którym możliwe będzie ich dostosowanie do odbioru danych nawigacyjnych, a także dostarczenie wiedzy w zakresie procesu wdrożenia nowych funkcji w ramach komunikatu I/NAV. Testy zostaną przeprowadzone w laboratoriach Wspólnego Centrum Badawczego Komisji Europejskiej w Isprze we Włoszech oraz ośrodku badawczym Europejskiej Agencji Kosmicznej (ang. European Space Research and Technology Centre – ESTEC) w Noordwijk w Holandii.

Interesujesz się kosmosem i chciałbyś wiedzieć więcej na temat eksploracji, przemysłu, wojska i nowych technologii? Dołącz do grona naszej społeczności zapisując się do newslettera i zaobserwuj nas na social mediach, aby zawsze być na bieżąco!