Galileo: как Европа создала свою альтернативу GPS

Все мы пользуемся или уж точно слышали о американской системе глобального позиционирования GPS или о отечественной ГЛОНАСС. Однако в Европе также появилась альтернативная система GNSS, которая позволяет не зависеть от сигналов спутников других государств. Давайте посмотрим, как она появилась и зачем Евросоюз вложил в неё уже больше 10 млрд долларов.

---

Как появилась спутниковая система навигации

Навигация была особенно сложной задачей для кораблей в открытом море. Ничего удивительного: ориентиров нет, малейшая ошибка в расчётах курса — и можно потеряться. А если запасы пресной воды и пищи на исходе, ситуация становится критической. Про плохую видимость во время шторма и вероятность налететь на скалы лучше вообще умолчать.

Одним из первых способов помочь кораблям сориентироваться в море стали маяки, так как они обеспечивали хоть какую-то точку для навигации в условиях ограниченной видимости. В XIX веке появилась линза Френеля и новые алгоритмы светосигнального ориентирования (каждый маяк имел уникальный световой сигнал, частоту мигания), что позволило спасти сотни и тысячи жизней. Особенно с учетом того, что морское сообщение развивалось стремительно — корабли с европейцами массово следовали в Америку в поисках лучшей жизни.

Следующим революционным шагом для морской навигации (а впоследствии и авиационной) стала система, основанная на радиосигналах. Идея витала в воздухе еще в 30-х годах XX годах, когда в преддверии Второй мировой войны страны Европы, СССР и США наперегонки пытались разработать прообразы современных радаров.

С 1934 года в Великобритании активно возводилась сеть радиолокационных станций, которые бы могли быстро определить приближении самолетов противника с помощью коротковолновых передатчиков и информировать население. Она получила название Chain Home, и к 1938 году первые станции уже были запущены в работы на подступах к Лондону. 

Дело в том, что в то время Великобритания активно исследовала возможности проведения ночных бомбардировок, а также разработку мер защиты от них. Самолетам приходилось бы садиться в условиях ограниченной видимости, и включённые огни на посадочной полосе могли бы привлечь внимание бомбардировщиков противника.

В 1937 году Роберт Дж. Диппи предложил систему для «слепой посадки» самолетов. Для этого устанавливались две передающие антенны на расстоянии 16 километров друг от друга, синхронно излучающие УКВ сигналы — ровно посередине между ними располагалась ВПП. На самолете устанавливался приемник, который измерял время приема обоих сигналов — чем больше расхождение, тем больше расстояние от центра между антеннами. Или, другими словами, от ориентации на ВПП. 

Тестирование показало, что система вполне работает. В 1940 году она была доработана и официально введена в эксплуатацию: точность составляла порядка нескольких сотен метров на расстоянии до 600 км. Сама система получила название GEE.   

Появление подобной системы у британцев вдохновило американцев. 1 октября 1940 года Альфред Лумис — адвокат, банкир и ученый — на заседании Национального комитета оборонных исследователей предложил построить гиперболическую систему навигации в США. Для этого он активно обменивался опытом с британскими коллегами. «Проект 3», как его назвали, разрабатывался в строгой секретности. 

В 1942 году Диппи, разработавший британскую систему GEE, помог американцам создать систему, работавшую на частоте 1,85-1,95 ГГц и во многом совместимую с британской аппаратурой (хотя в алгоритме передачи сигналов и были существенные отличия). Погрешность составляла 300 метров при дальности до 320 км. Система получила более благородное название LORAN — аббревиатура от Long Range Navigation, и заинтересовались ей не только ВВС США, но и ВМС. 

В 1943 году состоялись первые испытания LORAN-A: в 1944 году их уже активно использовали на тихоокеанском театре боевых действий. Система помогала в навигации как бомбардировщиков дальней авиации, так и для кораблей и авианосцев. К концу войны LORAN-A насчитывал 72 станции и более 75 000 приемников. 

После войны появились системы LORAN-B и LORAN-C, которые стали частью навигационной системы Береговой охраны США в 1958 году. Они уже работали на частотах 90-110 кГц, давали точность до 500 метров на расстоянии до 3200 км. Сама система продолжила эксплуатироваться на протяжении 60-х и 70-х годов, после чего начала потихоньку уступать путь более совершенным методам. Подробнее об истории LORAN мы расскажем в будущих материалах.

Наконец, следующим важнейшим шагом стал принципиально новый подход к навигации — при помощи искусственных спутников Земли. В 1957 году СССР запустил первый в истории подобный аппарат «Спутник-1», и его сигнал с длительностью импульса 0,3–0,4 секунды могли фиксировать радиолюбители по всему миру.

Группа ученых лаборатории прикладной физики (APL) во главе с Ричардом Кершнером также фиксировали сигнал от советского спутника. И смогли установить, что частота радиосигнала изменялась из-за эффекта Доплера, в зависимости от того, удалялся аппарат или приближался к приемнику. Зная точные координаты приемника, можно точно рассчитать орбиту спутника и его скорость. Но верно и обратное — точно зная параметры спутника, можно определить местоположение приемного устройства. И эта идея стала настоящим откровением, поскольку Кершнер безуспешно пытался найти способ определения местоположения подводных лодок ВМС США для точной стрельбы баллистическими ракетами. 

Так в агентстве перспективных исследовательских проектов (ARPA) стартовала разработка системы Transit — первой в истории спутниковой навигации. В 1959 году первая модель Transit 1A была запущена, однако аппарат из-за ошибки не смог выйти на орбиту. Зато 13 апреля 1960 года второй спутник Transit 1B успешно вышел на заданную траекторию и передал свои телеметрические показания на приемную станцию. Проведенные испытания по расчету координат на основе эффекта Допплера показали невероятную эффективность — точность позиционирования составляла несколько десятков метров.

К 1968 году на орбиту было выведено 36 навигационных спутников Transit и построена сеть из наземных приемных станций. Это позволило не только во много раз увеличить зону охвата, но и повысить точность измерения (до 10 метров) за счет усредненных показаний относительно нескольких спутников. Передача сигналов происходила на частотах 150 и 400 МГц, чтобы избежать рефракции при прохождении радиоволнами ионосферы. 

Система Transit эксплуатировалась поначалу только для военных целей — для навигации подводного флота США. Но со временем её стали использовать и в гражданских целях — например, для навигации тысяч частных судов, геодезической съемки и картографирования. Система использовалась вплоть до 1996 года.

СССР после новостей о запуске Transit в экстренном порядке приступил к разработке своих спутниковых навигационных систем «Циклон» (для военных целей). 23 ноября 1967 года первый советский навигационный спутник «Космос-192» был успешно выведен на орбиту, после чего последовали еще несколько успешных пусков. Система показала свою эффективность в процессе определения координат военных подлодок и кораблей с точностью до 100-200 метров. В процессе появилась еще и система «Парус». 

В 1976 году в дополнение появилась гражданская версия спутниковой системы под названием «Цикада» — в 1979 году официально введена в эксплуатацию в составе четырех спутников. 

Однако в США хотели разработать еще более точную систему. Для этого в компании Aerospace Corporation придумали идею проекта под кодовым названием 621-В. Суть заключалась в том, что можно построить систему, в которой бы измерения с четырех спутников устраняли бы необходимость в высокоточных и дорогих приемниках с часами на Земле. 

Вместо этого каждый спутник будет периодически синхронизироваться и обновляться по сигналу с наземных станций, что позволит еще точнее знать его местоположение и повысит точность. В 1967 и 1969 году на орбиту были выведены спутники Timation-1 и Timation-2 соответственно. Результаты экспериментов с ними показали, что можно создать еще более совершенную и глобальную систему позиционирования. 

В декабре 1973 года Министерство обороны США официально утвердило разработку программы 3tar (Navigation System with Timing and Ranging) из 24 спутников, которые несли бы на борту атомные часы и находились бы на орбите с высотой 20 100 км, успевая совершить два полных оборота вокруг планеты за сутки.

В феврале 1978 года при сотрудничестве с фирмой Rockwell был запущен первый спутник Navstar/GPS Block I, а к концу 1978 года запустили еще три спутника. В период с 1977 по 1979 год было проведено более 700 испытаний, в ходе которых инженеры аэрокосмической отрасли помогли подтвердить высокую точность интегрированной системы.

В 1983 году президент Рональд Рейган разрешил использовать спутниковую навигацию для гражданских коммерческих авиалиний. К 1989 году на рынке появились коммерчески доступные портативные устройства GPS, включая Magellan NAV 1000. 

GPS-систему, работающую на основе всех 24 спутников, официально запустили в 1993 году — стандартную службу позиционирования (SPS) для гражданского применения, работающую на частоте L1 (1,6 ГГц). В апреле 1995 года заработала служба точного позиционирования (PPS) для вооруженных сил и федеральных агентств на частотах L1 и L2 (1,23 ГГц). 

За почти 30 лет американская система GPS, неоднократно модернизированная, является самой популярной в мире. Приемные GPS-модули встроены практически в любой мобильный телефон, а важность работы глобальной системы позиционирования трудно переоценить.

Подробнее о том, как работает и устроена система GPS, можно почитать в этом материале.   

Когда и для чего запустили Galileo

В 1999 году представители трех ключевых стран Европейского космического агентства — Италии, Франции и Германии — собрались для обсуждения будущего спутниковой навигации. 

А выглядело это не так уж радужно. Две действующие на тот момент глобальные системы, американская GPS и российская ГЛОНАСС, могли быть в любой момент отключены по независящим от Европы причинам. Это стало бы большой проблемой для европейского бизнеса, который быстро стал зависеть от синхронизации времени и определения местоположения с высокой точностью до нескольких метров — все варианты использования даже невозможно перечислить. В итоге это представляло собой отличный инструмент политического давления.

Так родилась идея создать собственную систему GNSS под названием Galileo, ориентированную на гражданские цели (хотя резервирование для военных нужд также было предусмотрено). Вот какие задачи это позволило бы решить в целом:

• Чем больше в мире спутниковых систем, тем лучше. Во-первых, зона покрытия будет еще больше и стабильнее даже в удаленных уголках Земли. Во-вторых, приемное устройство сможет ориентироваться на показания разных систем а значит, позиционироваться еще точнее. 

• Страны Европы получат независимость от систем позиционирования России и Америки. Условно американские военные не смогут специально ухудшить передаваемые данные в рамках так называемой «выборочной доступности», в случае того же военного конфликта.  

• Услуги связи повышенной точности будут открыты для широкого доступа всех гражданских. А заодно спутники станут частью глобальной системы SAR по поиску и спасению. 

Три страны создали единую комиссию, которая отвечала за разработку спутниковой системы. Запланировали создать 30 самых современных спутников, вывести которые на орбиту предполагалось буквально за 10–15 лет. Однако проблема возникла практически сразу — деньги. Какая страна должна выделить какую долю и какую часть разработки взять на себя? А нужно ли привлекать частных инвесторов, которые в будущем смогут извлекать прибыль из использования системы? 

Споры продолжались в течение нескольких лет. Дополнительным фактором являлось саботирование проекта со стороны США — те не хотели терять монополию на GPS и рассматривали проект как направленный на военное применение. 

В итоге страны ЕС все-таки сумели договориться — первоначально было выделено 2,4 млрд долларов в создание самих спутников и постройку наземной инфраструктуры. Порядка 70% этой суммы планировали привлечь в формате частных инвестиций, но позже перешли на полное финансирование из бюджета Евросоюза — всего в нем приняли участие 27 стран. Забегая вперед, на запуск системы суммарно ушло больше 10 млрд евро.  

Планировалось создать несколько вариантов функционирования системы: 

• Базовая открытая (OS), доступная любому пользователю с приемником, работающим на частоте Galileo;

• Зашифрованная коммерческая (HAS) с более высокой пропускной способностью и точностью буквально до нескольких сантиметров (PPP). При этом расходы пошли бы поддержание инфраструктуры. 

• Поисково-спасательная (SAR), которая позволила бы передавать сигналы бедствия в координационный центр спасательных операций. Причем данную функцию внедрили бы и другие страны, в том числе США, Россия и Китай. 

• Внутренний защищенный (RPS), для объектов критической инфраструктуры вроде финансового или энергетического секторов. 

С США тоже все порешали в рамках политических договоренностей и отмены принципа «выборочной доступности» для GPS. 

Параллельно ЕАК в декабре 2005 года запустили первый экспериментальный спутник GIOVE-A (аббревиатура от Galileo In-Orbit Validation Element), построенный SSTL. Его вывели на орбиту при помощи ракеты-носителя «Союз» с космодрома Байконур. 

Его орбита пролегала на высоте 23 222 км с периодом обращения 14 часов и наклоном 56˚. Вещание велось на несущих частотах E1 (1575 МГц), E5 (1192 МГц) и E6 (1279 МГц) — все характеристики полностью соответствовали спутникам, которые планировались к запуску в будущем. Проверка частоты и качества сигналов в обсерваториях Великобритании и Бельгии показала, что аппарат успешно функционирует. 27 апреля 2008 года был выведен GIOVE-B с более усовершенствованным оборудованием для генерации сигнала. 

Давайте заглянем под капот навигационных спутников Galileo. Масса спутника составляет порядка 700 кг, пиковая генерируемая мощность — до 1600 Вт. В качестве компонентов связи выступали сразу несколько антенн:

• Антенна L-диапазона передает навигационные сигналы в диапазоне частот 1200–1600 МГц.

• Антенна SAR для сигналов бедствий, работающая на частоте 406 МГц от аварийных маяков. 

• Антенна C-диапазона принимает сигналы для синхронизации бортовых часов с наземными эталонными часами и для контроля работоспособности спутника.

• Две антенны S-диапазона передают служебные данные: например, телеметрические показатели.

• Датчики и гироскопы помогают ориентировать космический аппарат так, чтобы в любой момент времени сохранялось направление на Землю. Дополнительно механический модуль SADM обеспечивает прямой угол между солнечными лучами и поверхностью солнечных батарей.

• Лазерный рефлектор позволяет измерять высоту спутника с точностью до нескольких сантиметров, отражая лазерный луч, передаваемый наземной станцией. По сути, представляет собой резервную систему калибровки, которой пользуются раз в год. 

Помимо современных систем управления навигационными сигналами, ориентации и термостатирования, сердцем спутника являются атомные часы. Их внутри два вида, по две штуки каждого:

1. Основные — водородные мазерные часы, которые используют сверхстабильный переход 1,4 ГГц в атоме водорода для измерения времени с точностью 0,45 нс в течение 12 часов. Периодически их синхронизируют с показаниями атомных часов на Земле, что позволяет работать эталонной временной системе GST (Galileo System Time). 

2. Резервные — рубидиевые, которые включаются в случае отказа водородных. Их точность составляет 1,8 нс в течение 12 часов.

Для связи со спутниками организовали целую сеть наземных установок:

• Два наземных центра управления в Оберпфаффенхофене и Фучино.

• Семь станций телеметрии, слежения и контроля, а также десять станций передачи данных миссии. Все они находятся как в Европе, так и в достаточно удаленных от нее точках — например, в Куру (Французская Гвиана), Нумеа (Новая Каледония) и Папеэте (Французская Полинезия). 

Вернемся к хронологии запуска Galileo. После еще нескольких раундов согласований бюджета и попыток его урезать в 2007–2010 годах (проект в течение нескольких лет реально бы на грани краха), первый запуск рабочих, а не экспериментальных спутников Galileo состоялся 21 октября 2011 года. Ракета «Союз» из Французской Гвианы вывела на орбиту два спутника, а еще два — 12 октября 2012 года. Эти первые четыре спутника Galileo на орбите были рабочим ядром планируемой группировки из 30 спутников, вращающихся с периодом 14 часов в трех орбитальных плоскостях. 

Состоявшаяся в 2013 году проверка совместной работы четырех спутников и наземных станций показала, что все работало как надо. Точность позиционирования в течение 95% рабочего времени составляла 8 метров по горизонтали и 9 метров по вертикали. Точность синхронизации — порядка 10 нс. 

Пятый и шестой спутники Galileo были запущены 22 августа 2014 года — причем им в дальнейшем потребовалась корректировка орбиты. Еще два аппарата вывели на орбиту 27 марта 2015 года. Последующие запуски в 2016 году осуществлялись уже по четыре аппарата за раз.  

Систему GNSS Galileo официально запустили в работу 15 декабря 2016 года, и ее функционирование обеспечивалось 18 спутниками. В 2017 году на десяти аппаратах по неизвестным причинам перестали работать атомные часы. Однако из-за того, что в спутниках используется по два комплекта устройств с резервированием, на качестве позиционирования это никак не сказалось.  

Сейчас на орбите присутствуют уже 32 спутника — последние буквально недавно вывел на орбиту Falcon 9 от SpaceX.

Есть ли другие альтернативы в мире

Кроме GPS и Galileo, есть и другие. Давайте кратко пройдемся по ним. 

ГЛОНАСС. В 1982 году в СССР запустили первый спутник «Космос-1413», в рамках развития уже упоминавшейся системы «Циклон». К 1991 году в двух орбитальных плоскостях уже находились 12 работающих спутников на высоте 19 100 км с наклонением 64,8˚. 24 сентября 1993 года ГЛОНАСС была официально запущена — параллельно с официальным запуском GPS из 24 аппаратов. В декабре 1995 года количество спутников довели до 24 в шести орбитальных плоскостях, с вещанием на двух частотах L1 и L2. 

Однако в начале 2000-х годов количество работающих спутников сократилось до семи. Поэтому в течение следующих 20 лет прошло масштабное обновление: на орбиту вывели аппараты «Глонасс-М», а впоследствии и «Глонасс-К», была проведена модернизация комплексов управления и так далее.

BEIDOU. Разработка системы по поручению руководства КНР началась еще в 1994 году. 21 декабря 2000 года на орбиту 21 500 км вывели два первых спутника «Бэйдоу-1А» и «Бэйдоу-1В». При этом китайцы в самом начале разработке европейской Galileo предлагали финансовую помощь в размере 230 миллионов евро, однако ЕС решил обойтись своими силами. 

В 2004 году стартовала программа «Бэйдоу-2», а в 2009 году — «Бэйдоу-3». За 20 лет было проведено 50 с лишним запусков. Сейчас работу системы обеспечивают 35 спутников на орбите. 

Кроме них, еще есть: 

• Японская QZSS. В 2010 году был запущен первый спутник, в 2017 — еще три, с возможностью расширения в будущем до семи. Но это больше позиционируется как дополнение к GPS системе.

• Индийская IRNSS. С 2013 по 2018 года были выведены на орбиту восемь спутников, передающие сигналы в диапазонах S и L5. По большому счету, обеспечивает стабильное покрытие только на территории Индии. И как и японская QZSS, дополняет GPS. 

Но все-таки основными «столпами» считаются четыре: GPS, ГЛОНАСС, Beidou и Galileo.

Настоящее и будущее системы Galileo

Первый GPS-навигатор, совместимый с Galileo, Garmin Foretrex 601 GPS, выпустили в июле 2017 года. После чего поддержку работы с европейской спутниковой системой добавили ведущие производители смартфонов: например, он появился в Iphone 8 и Samsung Galaxy S8. 

Высокая точность позиционирования (лучше, чем в GPS) определила распространение Galileo во всем мире. Сейчас огромное количество устройств, в которых реализована навигация (например, в тех же смартфонах), поддерживает возможность работы с ней. Не говоря о новых возможностях по точной синхронизации времени, критичных для целого ряда отраслей бизнеса или инфраструктурных государственных объектов. 

Для пользователя это удобно — вне зависимости от региона, есть возможность получить наилучший сигнал хоть с GPS, хоть с Galileo, хоть с ГЛОНАСС. При этом HAS режим c улучшенной точностью позиционирования доступен всем пользователям с 2023 года. А для ЕС — возможность не зависеть от навигационных систем других стран.  

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.