Chancen und Nutzen von Galileo. John M. Dow. Head, Navigation Support Office ESA/ESOC, Darmstadt. e OPS-GN

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1 Chancen und Nutzen von Galileo John M. Dow Head, Navigation Support Office ESA/ESOC, Darmstadt 1 Galileo, VDE Frankfurt

2 Inhalt Wie funktioniert Satellitenavigation? Das Besondere an Galileo (im Vergleich mit GPS) Das Galileosystem Entwicklungs- und Implementierungsplan Wie steht es heute? 2 Galileo, VDE Frankfurt

3 Satellitennavigation: das Prinzip Satellit in hoher Erdumlaufbahn (über 20,000 km) Sendet Navigationssignal Die eigene Position Die genaue Uhrzeit Empfänger registriert Uhrzeit beim Empfang des Signals Aus Zeitunterschied erfolgt den Abstand zwischen Satellit und Empfänger 3 Galileo, VDE Frankfurt

4 Satellitennavigation, Prinzip (x,y,z) 2 (x,y,z) 1 (x,y,z) 3 r 2 r 1 r 3 r = C ( T empf T send ) Mit Signalen von 3 verschiedenen Satelliten kann der Empfänger die eigene Position bestimmen 4 Galileo, VDE Frankfurt

5 Satellitennavigation, Atomuhren Problem! Die Uhren in allen Satelliten und im Empfänger am Boden müssten genau gleich gehen, bis auf Nanosekunden (10-9 Sek) Das geht nicht! Deswegen werden die Zeitunterschiede zwischen den Atomuhren der Satelliten durch ein Kontrollzentrum am Boden berechnet. Die Unterschiede werden zu den Satelliten hochgeschickt, und als Teil des Navigationssignals wieder gesendet 5 Galileo, VDE Frankfurt

6 Satellitennavigation, Empfänger Die Uhr im Empfänger ist nicht so stabil, und seine Abweichung sind unbekannt. Deshalb werden Daten von (nicht drei, sondern) vier Satelliten verwendet. So kann die Korrektur dieser Uhr durch den Empfänger selbst berechnet werden Wenn Daten von 5 oder mehr Satelliten zugleich empfangen werden, wird alles noch genauer 6 Galileo, VDE Frankfurt

7 Welche Nachteile hat GPS für Europa? GPS = Global Positioning System Ein Entwurf aus den siebziger Jahren (aber mit ständigen - technischen Verbesserungen) Unter US Kontrolle (US Verteidigungsministerium, jetzt auch Verkehrsministerium und andere; Positioning, Navigation and Timing (PNT) Executive Committee, seit Dez. 2005) Primär für militärische Zwecke vorgesehen Keine Integritätsnachrichten 7 Galileo, VDE Frankfurt

8 Der Europäische Plan für Satellitennavigation EGNOS = European Geostationary Satellite Overlay System: ein ziviler Zusatz zu GPS über Europa Verbesserte Genauigkeit und Integritätsnachrichten an Benutzer in und um Europa Test Phase seit 2002, operationell ab 2007 Erweiterungspläne: Mittelmeerraum, Afrika Galileo: ein unabhängiges System von und für Europa - aber ein weltweites System 8 Galileo, VDE Frankfurt

9 Welche besondere Möglichkeiten hat Galileo? Gewährleistete Dienste ( integrity flags ) Übertragung von Kommerziellen Diensten an Kunden Offener Dienst, frei verfügbar für jeden, der ein entsprechendes Empfangsgerät besitzt Bessere Genauigkeit als GPS Unter europäischer Kontrolle Die Chance für Europa, an einen wachsenden Markt (GNSS) teilzunehmen: bis Mrd 9 Galileo, VDE Frankfurt

10 Galileo: Angebotene Dienste Galileo Dienste, spezifiziert auf der Basis von Benutzer Anforderungen und technischer Machbarkeit: Offener Dienst (OS) für Lokalisierung, Geschwindigkeitsbestimmung und Zeitübertragung Kommerzielle Dienste (CS), die von Drittanbietern angeboten werden Zwei Öffentliche Dienste: Sicherheitskritischer Dienst ( Safety-of-life SoL) Öffentlich Regulierter Dienst (Public Regulated Service PRS) Search-and-Rescue (SAR) Dienst 10 Galileo, VDE Frankfurt

11 Anwendungsbereiche Safety of Life (SoL): Luft-, Bahn-, Schiffverkehr weltweit Verkehrsüberwachung Sicherheit, hoheitliche Aufgaben (PRS): Rettungsdienste, Krisenmanagement, Überwachung Kommerzielle Dienste (CS) LKW Flottenmanagement Tolling Massenanwendungen (OS): PKW-Navigation, Freizeit, Sport Professionelle Anwendungen (OS, CS, PRS): Geo-informationssysteme (GIS) Erschließung von Bodenschätzen Zeitsynchronisation Vermessung Raumfahrt 11 Galileo, VDE Frankfurt

12 Galileo: eine strategische europäische Initiative Galileo ist eine gemeinsame Initiative der Europäische Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA Kommission verantwortlich für die politische Dimension und für die Missionsanforderungen (Highlevel Mission Requirements) ESA für Definition, Entwicklung und Validierung der Raum- und Bodensegmente Galileo soll durch Public Private Partnership (PPP) entwickelt und betrieben werden 12 Galileo, VDE Frankfurt

13 GJU, GSA EC und ESA haben 2003 ein Galileo Joint Undertaking (GJU) gegründet, dessen Hauptaufgabe es war, den zukünftigen Systembetreiber zu ermitteln ( Konzessionär ) Angebote von 2 Konsortien und Vertragsverhandlungen GNSS Supervisory Authority (GSA, gegrundet Juli 2004) übernahm am 1. Januar 2007 die Rolle des GJU in den Verhandlungen - GSA wird Eigentümer des Systems 13 Galileo, VDE Frankfurt

14 Der Systembetreiber (Concessionaire) 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 Alenia (I) Hispasat (E) Ca. 40 kleinere Unternehmen Im Frühjahr 2005, Zusammenschluss beider Konsortien, gemeinsames Angebot Juni 2005 eingereicht Neues Mitglied TeleOp (T-Systems, EADS, DLR, LfA Förderbank Bayern), Herbst 2005 Ziel war: Vertragsabschluss Galileo, VDE Frankfurt

15 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 15 Galileo, VDE Frankfurt

16 Galileo/GPS Kompatibilität/Interoperabilität Verbesserte Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit durch Kombinierung von Galileo mit anderen GNSS Komponenten (GPS, Glonass, Augmentierungen z.b. durch EGNOS und WAAS), für alle zivilen Anwendungen Unabhängigkeit der Systeme essentiell, um Zuverlässigkeit zu erhöhen Galileo Genauigkeit: wenige Meter, kann durch zusätzliche Regionale/Lokale Komponente bis cm Bereich verbessert werden 16 Galileo, VDE Frankfurt

17 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 17 Galileo, VDE Frankfurt

18 Galileo Frequenzplan GHz GHz GHz E5a (L5) E5 E5b E6 L1 OS CS OS SoL CS PRS CS PRS OS SoL CS OS: Open Service CS: Commercial Service SoL: Safety-of-Life Service PRS: Public Regulated Service 18 Galileo, VDE Frankfurt

19 Woraus besteht die Galileo Systemarchitektur? EGNOS GALILEO: Satellitenkonstellation und Bodensegmente (Missions-, bzw. Kontrollsegmente) GALILEO: SAR Lokalkomponente BENUTZER- SEGMENT Regionalkomponente DIESTLEISTUNGS- ZENTREN 19 Galileo, VDE Frankfurt

20 Das Galileo Kernsystem Konstellation - 30 Satelliten 11 m Antenne TT&C S-bandUp-link Mission C-band Up-link. 5 kombinierte Galileo Up-link Stationen (globale Sichtbarkeit der Satelliten) externe Dienste Service Products Facility SPF Satellite Control Facility SCF Mission Control Facility MCF Ground Assets Control Facility GACF Bemannte Komponente Key Mgt. Faciliy KMF MGF Galileo Kontrollzentrum GCC 1 OSPFs Mission C-band Up-link + 5 Mission Up-link Stationen IPFs PTF an Time Service Provider OSPF=Orbit & Synchro. Processing Facility IPF=Integrity from External Processing Regional Facility Integrity Systems (ERIS) PTF=Precise Timing Facility MGF=Message Generation Facility from ERIS Galileo Kontrollzentrum GCC 2 Kommunicationsnetzwerk NAV. CHAIN INT. CHAIN B-UP CHAIN G S S Galileo Sensorstationen (weltweite Verteilung) 20 Galileo, VDE Frankfurt

21 Die Galileo Satellitenkonstellation 27 Satelliten plus 3 in-orbit Ersatzsatelliten (1/Bahnebene) Höhe ~ km Inklination 56 Grad Umlaufperiode 14 St 5 Min 21 Galileo, VDE Frankfurt 17 Umläufe in 10 Tage

22 GSTB V 1 Galileo: Schritte zur Implementierung PROTOTYPING UND EXPERIMENTIERUNG GSTB V2 IOV SYSTEM TEST EMPFÄNGER IN-ORBIT VALIDIERUNG VOLLE KONSTELLATION/ BODENSEGMENT OPERATIONELLES SYSTEM BENUTZER GERÄTE 22 Galileo, VDE Frankfurt

23 Galileo Experimentelle Satelliten GSTB-V2 Giove-A erster europäischer Navigationssatellit und erster europäischer Satellit in MEO (Mid-Earth Orbit) Umlaufbahn Galileo Frequenzen wurden gesichert Die H-maser Atomuhr wird die stabiliste Uhr sein, die je in den Weltraum gestartet wurde (Giove-B) Kritische HW und Algorithmen im Weltraum, bzw. am Boden getestet Start Dezember 2005 (Giove-A), 2007 (Giove-B) 23 Galileo, VDE Frankfurt

24 GSTB-V2 Satelliten GIOVE-A (Surrey Satellite Technology Ltd) GIOVE-B (Galileo Industries/European Satellite Navigation Industries) Masse beim Start: 600 kg Stromleistung: 700 W Dimensionen beim Start: 1.3 m x 1.8 m x 1.65 m 24 Galileo, VDE Frankfurt

25 GSTB-V2 Ziele Sicherung der Frequenzen Unterstützung von GSTB-V2A und B Satelliten In-orbit Charakterisierung der Atomuhren Validierung von kritischen Modellen, die die Navigationsleistung beeinflussen Charakterisierung der Bodenempfänger unter operationellen Bedingungen Testen von Navigationsdiensten Alles zur Risikoreduzierung! 25 Galileo, VDE Frankfurt

26 GSTB-V2 Sensorstationen 26 Galileo, VDE Frankfurt

27 Galileo Geodetic Service Provision (GGSP) Projekt des Galileo Joint Undertaking (GJU), mit Ziel: Aufbau eines Dienstes (als Prototyp) um ein Galileo Terrestrial Reference Frame (GTRF) zu realisieren Konsortium: 27 Galileo, VDE Frankfurt

28 Ziele der IOV Phase Die Verifizierung aller Segmente (Raum-, Boden-, Benutzersegmente), ins besondere der Schnittstellen, vor Aufstellung des gesamten Systems Analyse der Systemleistung 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 4 Satelliten sollen bis 2009 gestartet werden 28 Galileo, VDE Frankfurt

29 IOV Systemkonfiguration Legende: OSPF ODTS Processing Facility IPF Integrity Processing Facility MCF Mission Control Facility MSF Mission Support Facility MGF Message Generation Facility PTF Precision Timing Facility GACF Ground Asset Control Facility KMF Key Management Facility SPF Service Product Facility SCF Satellite Control Facility Galileo IOV 4 Satelliten Galileo. Experim. OSS Experim. OSS 12 receiver 12 receiver receiver Galileo Sensor- Stationen Rubidium Rubidium clock clock OSPF MCF Reduzierte PTF IPF MSF MGF 3 ULS global 2 ULS/TTC Global (ULS+TTC auf 2 Stationen ) 18 bis 20 Galileo Sensor- Stationen GACF KMF SCF SPF GCC (1 site) 29 Galileo, VDE Frankfurt

30 Galileo FOC 680 Kg / 1.6 kw Dimensionen beim Start: 2.7 x 1.2 x 1.1 m 3 Optionen für Trägerrakete: Ariane, Proton, Soyuz, Zenit Full Operational Capability (FOC): 30 Satelliten um Galileo, VDE Frankfurt

31 Galileo und Network of Centres (IOV Phase) Konsortium CNES (F), DLR-GSOC (D), ESA/ESOC Inmarsat (GB), KSAT (N), SSC (S), Telespazio (I) 2 Kontrollzentren für routine Phase: GSOC (D), Fucino (I) 2 LEOP (Launch & Early Orbit Phase) Zentren: ESOC (ESA), CNES (F) ESOC Erwartung LEOP Operationen bis Übergabe in Routine Phase Erneuerung der Konstellation (1 LEOP alle 1 bis 2 Jahre) Unterstützung bei besonders kritischen Operationen (z.b. Contingency, end-of-life) 31 Galileo, VDE Frankfurt

32 Galileo Bodensegment (Zentren) Galileo Sicherheitsüberwachungszentrum, Sitz (TBD), Europa In-orbit Test Zentrum (IOT), Redu (B) Operator Company (OPCo) Hauptsitz, London (UK) Geodätisches Dienstleistungszentrum (GGSP), GFZ, Potsdam (D) Dienstleistungszentrum Prototype, Leatherhead (UK) Search & Rescue Centre (SAR) + Zeitdienstleistungszentrum (GTSP), CNES, Toulouse (F) Galileo Operating Company (GOC) Hauptsitz, Toulouse (F) Safety-of Life (SoL) Zentrum (off-line GMS), Spanien LEOP Kontrollzentrum, ESOC, Darmstadt (D) Kontrollzentrum (GCS/GMS) & Leistungsüberwachung (PEC), GSOC/DLR, Oberpfaffenhofen, Bayern (D) Kontrollzentrum (GCS/GMS) & Leistungsüberwachung (PEC), Telespazio, Fucino (I) Backup e Satellitenkontrolle (GCS), Spanien OPS-GN 32 Galileo, VDE Frankfurt

33 Das Neue an Galileo Neue Arbeitsaufteilung zwischen Europäischer Kommission und ESA Weichen für die Zukunft? PPP (Public Private Partnership) in einem Weltraumprojekt mit Beteiligung der (fast) gesamten europäischen Weltraumindustrie (und Kontrollzentren?) Wasserstoffmaser im Weltraum und gleich 60 Mal! Erhöhte Sicherheit in der Navigation durch Integritätsnachrichten, jederzeit und weltweit Anwendungen: Möglichkeiten fast unbegrenzte! 33 Galileo, VDE Frankfurt

34 Weitere Informationen Galileo, VDE Frankfurt