Galileo: das europäische Navigationssystem · • SoL Dienst wird zertifiziert, Betreiber trägt...

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Förderverein Geodätisches I nformationszentrum Wettzell, 22. Sept. 2005Galileo: das europäische Navigationssystem

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John M. DowHead, Navigation Support Office

European Space Agency/ESOC, Darmstadt

Galileo: das europäische Navigationssystem


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Übersicht

• Die politischeDimension von Galileo

• Was Galileo alles anbieten soll

• Systemarchitektur

• Entwicklungsablauf

• Systemvalidierung

• Aussicht

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Welche Nachteile hat GPS für Europa?

• GPS = Global Positioning System

• Ein Entwurf aus den siebziger Jahren

• Unter US Kontrolle (US Verteidigungsministerium, z.T. jetzt auch Verkehrsministerium)

• Primär für militärische Zwecke vorgesehen

• Keine „Integritätsnachrichten“

• Keine gewährleistete Dienste


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Der Europäische Plan für Satellitennavigation

• EGNOS = European Geostationary SatelliteOverlay System: ein ziviler Zusatz zu GPS über Europa– Verbesserte Genauigkeit und Integritätsnachrichten an

Benutzer in und um Europa

– Test Phase seit 2002, operationell ab 2006

– Erweiterungspläne: Mittelmeerraum, Afrika

• Galileo: ein unabhängiges System von und für Europa - aber ein weltweites System

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Welchebesondere Möglichkeiten hat Galileo?

• GewährleisteteDienste (“ integrity flags”)

• Übertragung von Kommerziellen Diensten an Kunden

• Offener Dienst, frei verfügbar für jeden, der einentsprechendes Empfangsgerät besitzt

• BessereGenauigkeit als GPS

• Die Chance für Europa, an ein expandierendesMarkt (GNSS) teilzunehmen: bis 2020 150 Mrd

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Galileo: AngeboteneDiensteGalileo Dienste , spezifiziert auf der Basis von Benutzer

Anforderungen und technischer Machbarkeit:

• Offener Dienst (OS) für Lokalisierung, Geschwindigkeitsbestimmung und Zeitübertragung

• KommerzielleDienste (CS), die von Drittanbieternangeboten werden

• Zwei ÖffentlicheDienste:– “Safety-of-life” (SoL) Dienst– Öffentlich Regulierter Dienst (Public Regulated

Service PRS)• “Search-and-Rescue” (SAR) Dienst

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Anwendungsbereiche • Safety of Life:

– Luft-, Bahn-, Schiffverkehr– Verkehrsüberwachung

• PRS:– Krankenwagen, Polizei, Feuerwehr, …

• Kommerzielle Dienste (CS)– LKW Flottenmanagement, Bankwesen, …

• Massenanwendungen:– PKW-Navigation, Freizeit, …

• Professionelle Anwendungen:– Öl-, Gassuche– Vermessung– Raumfahrt …


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Anwendungsbereiche

• Flugzeuge könnten präziser und schneller landen, auch bei schlechtem Wetter

• Staus und Unfallrisiko im überlasteten Straßennetz könnten besser überwacht und deutlich reduziert werden

• Der umfangreiche Bahn- und Schiffverkehr würde von sehr präziser Navigationsdaten profitieren

• Besonders wertvolle Frachten könnten in Echtzeit verfolgt werden

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Galileo: eine strategische europäische Initiative

• Galileo ist eine gemeinsame Initiative der Europäische Kommission und der Europäische Weltraumorganisation ESA– Kommission verantwortlich für die politische Dimension und für die

Missionsanforderungen (High-level Mission Requirements)– ESA für Definition, Entwicklung und Validierung der Raum- und

Bodensegmente

• Galileo soll durch „Public Private Partnership“ (PPP) entwickelt und betrieben werden

• EC und ESA haben 2003 ein „Galileo Joint Undertaking“ (GJU) gegründet, dessen Hauptaufgabe es ist, den zukünftigen Systembetreiber zu ermitteln („Konzessionär“)– Angebote von 2 Konsortien 1.9.2004 und 25.1.2005– Empfehlung des EC Verkehrsrats– Vertragsverhandlungen 2005


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Die (möglichen) Betreiber

• iNavSat Konsortium:– Inmarsat (GB)– Thales (F, D, GB)– EADS Space (D, F, GB)– Ca. 40 kleinere Unternehmen (Deutsche Bank als finanzieller

Berater)

• Eurely Konsortium:– AENA (E)– Alcatel (F)– Finmeccanica (I)– Hispasat (E)– Ca. 40 kleinere Unternehmen

• Seit Frühjahr 2005, Zusammenschluss beider Konsortien

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Zeitplan und Kosten

• Entwicklung und Validierung von 2 Testsatelliten, 4 operationellen Satelliten und entsprechendem Bodensegment (48 Monate), Kosten 1.5 Mrd �

• Produktion und Aufstellung der restlichen 26 Satelliten und Bodenelemente (24 Monate), Kosten 2.3 Mrd �

• Routine Operation und Instandhaltung (20 Jahre), 220 Mio � /J


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Galileo/GPS Kompatibilität/Interoperabilität

• VerbesserteGenauigkeit bzw. Zuverlässigkeitdurch Kombinierung von Galileo mit anderenGNSS Komponenten (GPS, Glonass, “Augmentierungen” z.B. durch EGNOS und WAAS), für allezivilen Anwendungen

• Unabhängigkeit der Systemeessentiell, um Zuverlässigkeit zu erhöhen

• Galileo Genauigkeit: wenigeMeter, kann durchzusätzlicheRegionale/LokaleKomponentebis cm Bereich verbessert werden

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Anforderungen (z.B. Sicherheitskritischer Dienst, SoL)

• Genauigkeit (95%): 4 m horizontal, 8 m vertikal

• Warnung bei Überschreitung von 12 m (H), 20 m (V)

• Time-to-Alarm (Zeitverzögerung): 6 Sek.

• Integritätsrisiko: 1.5 x 10-7/ 150 Sek.

• Kontinuitätsrisiko: 8 x 10-6/ 15 Sek.

• Verfügbarkeit: 99.98%

• SoL Dienst wird zertifiziert, Betreiber trägt Verantwortung für Konsequenzen von Systemfehler


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Galileo Frequenzplan

E6E5a(L5)

E5E5b

L1

OSCS

OSSoLCS

CSPRS OSSoLCS

PRS

Not to scale

1.190 GHz 1.280 GHz 1.575 GHz

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Woraus besteht die Galileo Systemarchitektur?

Regional-komponente

DIESTLEISTUNGS-ZENTREN

Lokal-komponente

EGNOS

SAR

BENUTZER-SEGMENT

��: Satellitenkonstellation undBodensegmente (Missions-, bzw.

Kontrollsegmente)��:


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Das Galileo Kernsystem

Konstellation - 30 Satelliten

Galileo Kontrollzentrum GCC2

Galileo Kontrollzentrum GCC1

11 m Antenne

Kommunicationsnetzwerk

+ 5 “ Mission Up-link” Stationen

TT&C S-band Up-link.

Mission C-band Up-link Mission C-band Up-link

IPFsOSPFs PTF

Satellite Control Facility

SCF

Bemannte Komponente

Mission Control FacilityMCF

GroundAssets

Control FacilityGACF

5 kombinier te “ Galileo Up-link” Stationen (globale Sichtbarkeit der Satelliten)

Service Products Facility

SPF

externeDienste

~ 40 Galileo Sensorstationen(weltweite Verteilung)

from External RegionalIntegrity Systems (ERIS)

from ERIS

GSS

NAV. CHAIN

INT. CHAIN

B-UP CHAIN

anTime Service

ProviderMGF

KeyMgt .

FaciliyKMF

MGF=Message Generation Facility

OSPF=Orbit & Synchro. Processing Facility

IPF=Integrity Processing Facility

PTF=Precise Timing Facility

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Die GALILEO Satellitenkonstellation

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GALILEO: Schrittezur Implementierung

OPERATIONELLESSYSTEM

BENUTZER GERÄTE

IOVSYSTEM

TESTEMPFÄNGER

GSTB – V 1

GSTB – V2

PROTOTYPINGUND

EXPERIMENTIERUNG

IN-ORBITVALIDIERUNG

VOLLEKONSTELLATION/BODENSEGMENT

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• Kritische technologische Entwicklungen abgeschlossen: ins besondere Atomuhren

• Zwei experimentelleSatelliten in Auftrag gegeben • Aufträge für Trägerrakete• Erster experimenteller Satellit soll Ende2005/Anfang 2006

gestartet werden• System zur Erprobung der Datenverarbeitungsalgorithmen ist

entwickelt worden (Galileo System Test Bed GSTB-V1) und von April 2004 bis January 2005 operationell

• Die Entwicklung zur “ In-orbit Validierung” gestartet

Was haben wir bis heuteerreicht?


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Rubidium Atomic Frequency Standard

1.E-15

1.E-14

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1 10 100 1000 10000 100000

Time in sec

Alla

n d

ev

iati

on

• Masse und Volumen: 3.3 Kg and 2.4 L• Stabilität: besser als 10 nsec pro Tag

Gemessene Daten

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H-maser Atomuhr

• Masse und Volumen: 18 Kg and 45 L

• Stabilität: besser als 1 nsec pro Tag


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Navigationsantenne (am Satelliten)

• Gleichmässige Signalstärke über den gesamten Sichtbarkeitsgebiet

• Hohe Leistungsfähigkeitüber den gesamten Galileo Frequenzbereich

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Experimentelles Bodensegment (GSTB-V1)

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Rubidium clock

Experim.receiver

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Rubidium clock

Experim.receiver

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UTC(k) Uhren

Experim.Empfänger

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Berechnungen derSatellitenbahnen

& Uhrenkorrekturen

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ExperimentellesPrecise Timing

SystemDatensammlungFormattierungArchivierungÜberwachung

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Rubidiumuhr

Experim.Empfänger

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Integritäts-datenverarbeitung

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GSTB-V1: Netzwerk von Sensorstationen

Das GALILEO Netzwerk von Referenzstationen auch global ver teilt

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GALILEO Experimentelle SatellitenGSTB-V2

• Erster europäischer Navigationssatellit

• Erster europäischer Satellit in “MEO” (Mid-Earth Orbit) Umlaufbahn

• Galileo Frequenzen werden gesichert

• Die H-maser Atomuhr wird die stabilisteUhr, die je in den Weltraum gestartet wurde

• Start geplant für Ende2005/Anfang 2006


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• Masse beim Start: 450 kg• Stromleistung: 660 W• Dimensionen beim Start:

1.3 m x 1.74 m x 1.4 m

GSTB-V2 A Satellit (Surrey Satellite Technology Ltd)

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• Masse beim Start: 523 kg

• Stromleistung: 943 W

• Dimensionen beim Start:0.955 m x 0.955 m x 2.4 m

GSTB-V2 B Satellit (Galileo Industries)


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Zieleder IOV Phase

• Die Verifizierung aller Segmente (Raum-, Boden-, Benutzersegmente), ins besondere der Schnittstellen, vor Aufstellung des gesamten Systems

• Fehleranalyse der empfangenen Messdaten• Analyse der Systemleistung, um nötige Verbesserungen

rechtzeitig einführen zu können• Verifizierung des Konzepts für das Netzwerk von

Bodeninstallationen• Verifizierung der Navigations- bzw. Integritätsverarbeitung• Risikoreduzierung durch rechtzeitige Erkennung von

Schwachstellen im geplanten System• Verifizierung von operationellen Prozeduren

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IOV Systemkonfiguration

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Rubidium clock

Experim.receiver

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Rubidium clock

Experim.receiver

OSPF

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MGF

KMF


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• 680 Kg / 1.6 kW • Dimensionen beim Start: 2.7 x 1.2 x 1.1 m3• Optionen für Trägerrakete: Ariane, Proton, Soyuz,

Zenit

Galileo IOV Satellit

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Weitere Informationen

http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo

http://www.esa.int/navigation

http://www.galileoju.com

Kontakt ESA/ESOC: Prof. Dr. John M. Dow, [email protected]

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