Revoluce jménem Galileo

První satelitní navigační systém vyrazil na orbit


Na sklonku roku 2005 se do vesmíru vydala první ze dvou zkušebních družic pro nový evropský satelitní systém Galileo. Ten slibuje skutečnou revoluci ve využívání družicové navigace a výrazně se dotkne též světa informačních a komunikačních technologií.
Slovo "revoluce" je přitom více než na místě. Systém Galileo totiž vzniká navzdory americké snaze celý projekt zablokovat. Bude totiž pod civilní kontrolou (právě na rozdíl od amerického GPS Global Positioning System) a bude garantovat dostupnost služby. Navíc bude výrazně přesnější než dosavadní používané metody. Kromě toho bude dostupnější ve vyšších zeměpisných šířkách (týká se i severních evropských zemí např. Skandinávie), kde GPS nedosahuje obvyklé přesnosti.
Jen pro úplnost: v současné době je možné využívat i ruský navigační systém GLONASS (GLObalnaja Navigacijonnaja Sputnikovaja Sistěma), ale ten má dvě velká omezení. Prvním je výrazně nižší přesnost než u GPS, druhým chronický nedostatek operačních satelitů, daný nedobrou ekonomickou situací v Rusku. Nicméně současný prezident Vladimir Putin rozhodl o vyčlenění mimořádných prostředků na doplnění GLONASSu, který by se mohl stát plně operačním v roce 2008.
Evropský projekt Galileo se začal rodit v devadesátých letech. Když pak byly dokončené všechny studie a ekonomické analýzy, přišly teroristické útoky na Spojené státy z 11. září 2001. USA během několika měsíců v rámci tažení proti terorismu vyvinuly nebývalý tlak na Evropu, aby od projektu ustoupila. Oficiálně to bylo zdůvodňováno tak, že komerční systém znamená konec americké možnosti redukovat přesnost signálu v dobách vojenských operací.
Situace dokonce zašla tak daleko, že 17. ledna 2002 tiskový mluvčí programu Galileo oznámil: "Projekt je téměř mrtvý." Jenomže pak se stalo něco, co nečekali ani ti největší optimisté: evropští představitelé si uvědomili, že americký nátlak starý kontinent činí závislým právě na systému GPS, který je kontrolován Pentagonem. A kromě toho veškeré ekonomické analýzy ukazovaly, že nový systém může být i finančně zcela soběstačný.

Návrat v plné síle

Během několika prvních měsíců roku 2002 program Galileo vstal jako fénix z popela a rozjel se na plné obrátky. Dokonce došlo ke zcela paradoxní situaci, že jednotlivé participující země přislíbily výrazně větší prostředky, než bylo k nastartování systému zapotřebí. Následně se rozběhla složitá jednání o snižování příspěvků, na což nikdo nechtěl přistoupit, protože menší příspěvek rovná se pochopitelně menší vliv na provoz a podobu systému.
Když už hovoříme o financování: do konce roku 2005 stál program Galileo 1,1 mld. eur. Celková cena systému do okamžiku zahájení operačního provozu bude činit podle současných plánů 3,4 mld. eur. Evropská kosmická agentura (ESA) se má podílet částkou 15 až 20 procent, podíl soukromého sektoru bude představovat 1,5 mld. eur. Zbytek zajistí Evropská komise (EK) ze společného rozpočtu EU. Na financování systému se tedy bude podílet i Česká republika, nicméně přesné výše podílů jednotlivých států jsou dodnes nedořešené. Každopádně ale byla prvního října 2005 zahájena na základě kontraktu od Ministerstva dopravy ČR činnost národního kontaktního bodu (jako jednoho z prvních v Evropě!) programu Galileo při České kosmické kanceláři, kde odborní i laičtí zájemci mohou získat podrobné informace.
Galileo je prvním společným projektem Evropské unie, reprezentované EK a ESA. EK je odpovědná za řešení politických otázek souvisejících se stavbou systému a za požadavky vyplývající z jednání na vysoké úrovni. Komise také zadala vypracování studií o celkové architektuře, ekonomické prospěšnosti a uživatelích systému. ESA odpovídá za vývoj a zprovoznění družicové části systému a navazujícího pozemního zařízení. Nová technologická řešení zahrnují např. vývoj velice přesných hodin pro palubní aparaturu družice, generátor signálu, zesilovače, antény a převaděče.

Jak to vlastně funguje?

Družicová navigace probíhá pomocí multilaterace. To je metoda určování polohy objektu sledováním, za jakou dobu objektem emitovaný signál přijme několik (zpravidla tři a více) přijímačů. Jinými slovy: objekt vysílá signál (rádiový, akustický apod.) o přesně známé rychlosti. Pak stačí zjistit, za jak dlouho signál šířící se konstantní rychlostí dorazil k přijímačům s tím, že na základě časové prodlevy mezi vysláním a přijetím signálu spočítáme vzdálenost přijímače od objektu. Několik přijímačů pak umožní dopočítat polohu objektu v prostoru.
V případě družicové navigace se využívá multilaterace, ale v trochu jiné podobě. Signál je vysílaný z několika míst s přesně známou polohou a v přesně stanoveném časovém okamžiku, přičemž přijímač jej pasivně zachytává. Ze známé rychlosti šíření signálu, přesné doby trvání jeho cesty mezi vysílačem a přijímačem a znalosti polohy několika vysílačů lze dopočítat polohu přijímače. Ten má velkou výhodu v tom, že je pasivní že pouze zpracovává přijímané signály, ale sám o sobě žádné nevysílá.
Klíčovým prvkem metody je schopnost přesně změřit dobu letu signálu od vysílače k přijímači. K tomu slouží superpřesné atomové hodiny na palubách družic, které jsou zdrojem času. Na druhé zkušební družici systému Galileo GIOVE-B (odstartovat má v polovině dubna 2006) budou dosud nejpřesnější hodiny, které kdy lidstvo poslalo na oběžnou dráhu vodíkové s denní odchylkou menší než jedna nanosekunda. Ty by měly být nasazeny i na operační satelity. Zálohu jim budou dělat rubidiové atomové hodiny se stabilitou 10 nanosekund za den. Ty jsou mimochodem testovány na premiérové družici GIOVE-A.
Díky tomuto superpřesnému signálu a zárukám dostupnosti i kvality má systém Galileo nalézt své uplatnění např. u certifikačních autorit vydávajících časové značky pro elektronický podpis (kde je právě přesná hodnota času alfou a omegou všeho dosud používaný systém GPS to neumožňoval v plné míře).

Jízdní řád Galilea

Už několik let Evropa zkouší na oběžné dráze navigační systém EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), který se skládá z vysílačů umístěných na komunikačních družicích na stacionární dráze (ve výšce 35 890 km nad rovníkem). Toto ale není nezávislý systém, jeho primárním úkolem je pouze testovat navigační technologie a vlastně jen zvyšovat přesnost signálů GPS nebo GLONASS. Teoreticky chtěla Evropa dosáhnout horizontální přesnosti v určení polohy plus minus sedm metrů, v praxi je prý běžně dosahováno hodnoty odchylky metru jediného!
Za skutečný "ostrý" start systému Galileo lze považovat vypuštění družice GIOVE-A (to je jednak zkratka z anglického Galileo In-Orbit Validation Element, jednak je to italsky Jupiter, jehož sledováním se zabýval astronom Galileo Galilei, po němž je celý systém pojmenovaný) na oběžnou dráhu stalo se 28. prosince 2005. GIOVE-B by měla startovat v polovině dubna 2006, obě tělesa do vesmíru dopraví ruská raketa Sojuz z kosmodromu Bajkonur. Podotýkáme, že obě družice nejsou (ač to název evokuje) identické, ale jsou dosti odlišné konstrukce a pocházejí od rozdílných výrobců. Satelit GIOVE-A je vyrobený britskou společností Surrey Space Technology Limited, "béčko" konsorciem Galileo Industries (tvoří jej Alcatel Space Industries, Alenia Spazio, Astrium GbmH, Astrium Ltd. a Galileo Sistemas y Servicios).
Po prověření technologií na GIOVE-A a B bude následovat čtveřice prvních operačních družic systému (vypuštění před koncem roku 2008). Jakmile i ty prověří správnost koncepce, bude na oběžné dráhy dopraveno zbývajících 26 satelitů s plánovanou životností dvanáct let. Operačních těles tak bude celkem třicet, na třech drahách se sklonem 56 stupňů k rovníku. Vždy devět družic na jedné dráze bude operačních, desátá bude záložní (nicméně i ta bude emitovat signál).
Evropa získá systémem Galileo nejen technologickou nezávislost, ale také obrovskou konkurenční výhodu. Vzhledem k přesnosti systému Galileo, zárukám jeho provozu apod. se počítá s nebývalým rozvojem služeb družicové navigace kolem roku 2020 by se měl jen počet mobilních telefonů se zabudovanou družicovou navigací pohybovat kolem čísla 2,7 mld. kusů! Celkový obrat hardwaru spojeného s družicovou navigací by ve stejném roce měl činit 25 mld. eur. Obrat služeb bude nejméně dvojaž trojnásobně vyšší. V celé Evropě by pak mělo vzniknout
140 tisíc nových pracovních míst.6 0112/BAM oPět služeb satelitů Galileo
Pro různé aplikace je pochopitelně potřebná různá přesnost navigace parametry s decimetrovou přesností bude vyžadovat slepec pohybující se ve městě, zatímco obří tanker na otevřeném moři potřebuje svoji polohu znát s přesností výrazně menší. Systém Galileo nabídne celkem pět služeb, které plně pokryjí široké spektrum požadavků a potřeb.
Základní službou bude Open Service (OS), která bude zdarma přístupná pro každého. Signály pro OS budou vysílány ve dvou pásmech (1 164 až 1 214 MHz, 1 653 až 1 591 MHz). Přijímače budou dosahovat přesnosti určení horizontální polohy s odchylkou pod 4 m a vertikální pod 8 m (pokud budou využívat signálu v obou pásmech). Přijímače využívající pouze jedno pásmo budou mít horizontální přesnost pod 15 m a vertikální pod 35 m (což je srovnatelně se současnými veřejně dostupnými frekvencemi). Pro zpřesnění pozice bude možné využívat i signál GPS.
Šifrovaná služba Commercial Service (CS) bude k dispozici za poplatek a bude přinášet přesnost lepší než jeden metr v horizontálním i vertikálním směru. Ve spojení s pozemními doplňujícími stanicemi může být dokonce dosaženo přesnosti určení polohy plus minus deset centimetrů. Signál bude šířen ve třech pásmech, první dvě budou stejná jako u OS, třetí bude 1 260 až 1 300 MHz.
Galileo dále nabídne Public Regulated Service (PRS), což bude signál s vysokou přesností, určený výhradně pro vládami autorizované uživatele (policie, armáda, tajné služby apod.). Na podobném principu bude fungovat i služba Safety of Life Service (SoL), která bude primárně zlepšovat základní službu OS tím, že během deseti sekund varuje uživatele v případě, že z nějakého důvodu dojde k nedodržení garantovaných limitů systému (přesnost apod.). Využijí ji především složky záchranných služeb nebo kritické dopravní aplikace (řízení letového provozu, automatické systémy přistávání letadel apod.). Signály služeb PRS a SoL budou navrhované tak, aby byly maximálně odolné proti rušení.
Poslední službou družic Galileo bude podpora mezinárodního záchranného systému KOSPAS/SARSAT (ten funguje už od roku 1982 a od té doby zachránil kolem patnácti tisíc lidských životů) signálem Search and Rescue (SAR). Všechny satelity Galileo budou schopné přijímat nouzové signály z lodí, letadel a dalších objektů, které se ocitly v nouzi. Díky většímu počtu družic sledujících nouzové signály bude možné velmi přesně určit polohu, odkud signál vychází což je novinka oproti stávajícím aplikacím, kdy z družic na nízkých oběžných drahách nebylo možné přesnou polohu ohroženého objektu stanovit.