Telematikinfrastruktur aktueller Entwicklungsstand des Galileo-Projekts

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1 Jörg Biesewig - megatel GmbH 27. Deutscher Logistik Kongress, Berlin, Telematikinfrastruktur aktueller Entwicklungsstand des Galileo-Projekts

2 megatel GmbH Firmenportrait 2 Kompetenzen Datenbanklösungen Softwareentwicklung IT-Management Geographische Informationssysteme (GIS) Telematik Soft- und Hardware Intra- und Internetanwendungen Automotive Onboard Soft- und Hardware Mobile Applikationen auf Smartphones megatel GmbH

3 megatel GmbH Firmenportrait 3 3 Konzernstruktur der OHB Technology OHB Technology AG Raumfahrtsysteme + Sicherheit Nutzlasten + Wissenschaft Raumfahrt International Raumtransport + Aerospace Strukturen Telematik + Satellitenbetrieb OHB-System AG, Bremen 100% Kayser-Threde GmbH, München 100% Carlo Gavazzi Space S.p.A., Mailand, Italien 100% MT Aerospace AG, Augsburg 70% OHB Teledata GmbH, Bremen 100% STS Systemtechnik Schwerin GmbH, Schwerin 100% VRS Verkehr Raumfahrt Systemhaus GmbH, Leipzig 60% Antares S.c.a.r.l. Benevento, Italien 57% MT Mechatronics GmbH, Mainz 100% megatel GmbH, Bremen 74,9% RST Radar Systemtechnik GmbH, Salem 24% RapidEye AG, Brandenburg, 2,9% LuxSpace Sàrl, Betzdorf, Luxemburg 100% MT Mechatronica Limitada, Santiago de Chile, Chile 99% Timtec Teldatrans GmbH, Bremen 100% ELTA S.A., Toulouse, Frankreich 34% MT Aerospace Guyane S.A.S., Kourou, Franz.-Guyana 100% Telematic Solutions S.p.A., Mailand, Italien 100% SMP S.A., Toulouse, Frankreich 100% MT Aerospace Satellite Prod. Ltd., Wolverhampton England, 100% ORBCOMM Deutschland AG, Bremen 100% März 2010 Arianespace S.A., Evry Frankreich 8% ORBCOMM Inc., Fort Lee (NJ), USA 6% megatel GmbH

4 Galileo Systemarchitektur Systemarchitektur 9 Mission Uplink Stationen 5 TT&C Stationen Konstellation mit 30 MEO Satelliten Nutzer & Service Provider 3 Kontrollzentren Galileo Sensorstationen (GSS)

5 Galileo Implementierungsplan Alle Services Open Service, Search & Rescue Public Regulated Service 30 Satelliten In-Orbit Validation 4 IOV Satelliten plus Bodensegment 2010/ Satelliten GIOVE Testbed 2 initiale Testsatelliten

6 Galileo IOV Bodensegment Svalbard ULS/GSS Kiruna TTC Washington GSS Redu GSS OB E Fucino Kourou TTC/ULS/GSS Papeete ULS/GSS Reunion ULS/GSS New Caledonia ULS/GSS Troll GSS Sensorstation (GSS) Up-Link Station (ULS) TT&C Station Kontrollzentrum

7 Galileo FOC Bodensegment EU IOV Bestand Nicht-EU Standorte Neue EU IOC Standorte Ian Mayen Svalbar d Kiruna USNO St. Pierre&M. Can/A z Redu Fucin o Embas sy Wallis Marquesa s Kouro u Ascencio n Diego Garcia Réunio n Noume a Falklands Kerguele n Troll T.Adelie

8 Die 5 Galileo Nutzerdienste Offener Dienst Open Service (OS) Kommerzieller Dienst Commercial Service (CS) Sicherer Dienst Safety of Life Service (SoL) Staatlicher Dienst Public Regulated Service (PRS) Such- und Rettungsdienst Search and Rescue Service (SAR) Kostenlos; Massenmarkt; Zeitund Positionsbestimmung Verschlüsselt; höhere Genauigkeit; Verfügbarkeitsgarantien Offener Dienst + Verfügbarkeitsgarantien Verschlüsselt; Continuous availability Nahe Echtzeit; Präzise; Bidirektionale Kommunikation

9 GPS ermöglicht vielfältige Anwendungen Elektrische Fernleitungen Satellitenbetreiber Vermessung & Kartographie Precision Agriculture Flugsicherheit Seuchenschutz IntelliDrive Ölsuche und -förderung Telekommunikation Navigationsgeräte Frachtverkehre Öffentlicher Verkehr Fischerei & Schifffahrt

10 Das Europäische Navigationssystem MEO Satelliten in km Höhe, gleich verteilt in drei Orbits mit einem Ersatzsatelliten per Umlaufbahn Operations- und Kontrollzentren in Oberpfaffenhofen/D und Fucino/I Start der Satelliten von Kourou in Zweiergruppen auf Sojus Neun Uplink Stationen Modularität Fertigung Satelliten auf dem Sojus Startmodul

11 The Galileo System: Geschichte 1/ : Präsentation des Europäischen Navigationssystem Konzepts 2003: EADS-Astrium, Thales Alenia Space werden ausgewählt Galileo auf der Basis eines Public-Private-Partnership (PPP), zu realisieren. 2004: Erster Auftrag für 4 IOV Satelliten (In Orbit Validation) wird platziert. 2005, Dezember: Erster Testsatellit Giove A wird gestartet, um die reservierten Frequenzen für Galileo zu sichern. 2007: Das PPP scheitert. Das EU-Parlament entscheidet sich, das System mit EU Mitteln zu finanzieren. Galileo wird ausgeschrieben, um den industriellen Wettbewerb zu nutzen. Zur Risikominimierung und um den Wettbewerb aufrecht zu erhalten, werden zwei Lieferanten ausgewählt (dual sourcing). 2008: Der zweite Testsatellit Giove B wird gestartet.

12 The Galileo System: History 2/ , Dezember: 2008: OHB-System und Surrey Satellite Technology (SSTL) kooperieren bei den Galileo Satelliten. OHB/SSTL und EADS-Astrium Deutschland werden als Kandidaten für die Full operational Capability (FOC) Satelliten ausgewählt. 2010, Januar: OHB/SSTL erhält den Vertrag für 14 der 22 ausgeschriebenen Satelliten (566 MEuro). SAR-Lupe GIOVE A

13 Phase FOC - Full Operational Capability 120M 270M 45M 840M 700M 170M Total: 2145M

14 Das Galileo System OHB-SYSTEM AG

15 Globales Navigationssatellitensysteme (GNSS) Global Regional Augmentation GP S QZS S WAA S EGNO S GLONAS S IRNS S MSA S SDC M GAGA N SNA S Galile o CWAA S CST B COMPAS S NIGCOMSAT- 1 GRAS (ground based)

16 Galileo, GPS und die anderen Systeme Das amerikanische GPS Programm ist seit etwa 30 Jahren etabliert. Ein neues Ensemble von Globalen Navigation Systemen ist in der Entstehung: Wettbewerb oder Kooperation? Ob es den Anwendern möglich sein wird den maximalen Nutzen zu heben, hängt zentral von den Kooperationsmodellen der Systeme ab.

17 Galileo, GPS und die anderen Systeme Kooperationsgrade Kompatibel Einander nicht stören Interoperabel Offener wechselseitiger Empfang möglich Untereinander austauschbar Vier empfangbare Satelliten eines beliebigen Systems ergeben eine Position Anwendervorteile Höhere Verfügbarkeit Höhere Positionsgenauigkeit

18 Grundlagen 18 Positionsermittlung durch Triangulation Wird erzielt durch Distanzmessung zu mehreren Satelliten Diese Distanz wird durch Messung der Laufzeit ermittelt: s = c * t c ist ca km/s 1 ns entspricht dann etwa 30cm Dies erfordert äußerst präzise Atomuhren Die Satelliten übertragen: Kennung, Zeitsignal, Position

19 Bekannt SV Koordinaten: Pseudostrecken: Lichtgeschwindigkeit : x i, y i, z i Pr i c Unbekannt Nutzerposition: Zeitabweichung der Uhr des Empfängers: x, y, z T ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) PR T c z z y y x x PR T c z z y y x x PR T c z z y y x x PR T c z z y y x x = = = = (vier unbekannte) 4 Gleichungen mit 4 Unbekannten benötigen 4 Satelliten

20 Nebenbedingungen 20 Als Pseudostrecke (Pr i ) bezeichnet man die Strecke" zwischen den Satelliten zu einer Sendezeit und dem Empfänger zu einer Empfangszeit. Da die Sendezeit und Empfangszeit unterschiedlich sind und keine Synchronisation zwischen diesen Uhren besteht, ist es unmöglich, die exakte Zeitdifferenz zwischen den beiden zu messen. Die Signale sind beim Weg durch die Atmosphäre (Troposphäre, Ionosphäre) den Effekten Brechung, Interferenz, Ablenkung und Ausbreitungsverzögerung durch Partikel ausgesetzt. Die größten Effekte der Troposphäre können am Receiver dadurch vermieden werden, dass man einen Höhenbegrenzungswinkel vorgibt. Hierdurch werden zu tief stehende Satelliten nicht mit in die Berechnung einbezogen. Die Stärke der Phasenverzögerung hängt vom Elektronengehalt der Ionosphäre ab und beeinträchtigt die Trägersignale. Es gibt Berechnungsmodelle, die den Effekten der Ionosphäre Rechnung tragen. Diese erfordern viel Aufwand, um den hochgradig Zeitabhängigen Elektronengehalt der Atmosphäre zu berücksichtigen.

21 Signale der neuen Satelliten Systeme GPS L1 C/A Einziges operatives weltweites ziviles Signal

22 Galileo Baseline Signale E 5A E5a (-155 dbw) 2 BPSK(10) in phase quadrature AltBOC(15,10) Dienstzuordnung der Signale E5b (-155 dbw) 2 BPSK(10) in phase quadrature IN PHASE E6 (-152 dbw) E2-L1-E1 (-152 dbw) BOC cos (10,5) and 2 BPSK(5) in Interplex BOC cos (15,2.5) and 2 BOC(1,1) in Interplex E2, L1, E1 OS, CS, SoL, PRS E6 CS, PRS E5a OS E5b OS, CS, SoL

23 Clock Types and Accuracies TemexTime Space Clocks versus GPS ones 100 How many seconds the clock keeps 1 ns Mass of the clock in kg 10 1 USO PHM GPS Cs GPS Rb RAFS Tag

24 RUBIDIUM ATOMIC FREQUENCY STANDARD (RAFS) 24 Gewicht und Volumen: 3.3 kg und 2.4 l. Zeitstabilität: besser als10 ns pro Tag 1.E E-11 Allan deviation 1.E-12 1.E-13 1.E-14 1.E-15 Time in sec

25 Passive Hydrogen Maser 25 Gewicht und Volumen: 18 kg und 45 l Zeitstabilität: besser als 1 ns pro Tag

26 Satellitenavigation und Relativität 26 Da die sich die Satelliten relativ zum Beobachter auf der Erde und hoch über ihnen bewegen, müssen die prognostizierten Auswirkungen der Relativität berücksichtigt werden, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen Da ein Beobachter auf der Erde die Satelliten in der Bewegung relativ zu ihm sieht, er sollte er die Uhren langsamer gehen sehen. Die On-Board Atomuhren der Satelliten fallen hinter den Uhren auf der Erde um etwa 7 ms pro Tag zurück. Da die Satelliten in hohen Umlaufbahnen sind, wo die Krümmung der Raumzeit durch die Erdmasse geringer als an der Erdoberfläche ist, laufen die Uhren schneller als am Boden. Dies führt in ca. 45 ms Gewinn pro Tag. Als Resultat daraus ticken die Satellitenuhren schneller als identische Uhren am Boden mit etwa 38 ms per Tag. Dieser Effekt muss berücksichtig werden, wenn die Uhren und Mikroprozessoren der Navigationsgeräte am Boden abgestimmt werden.

27 Payload 27 - Nav-Data - Integrity-Data - SAR Return Data 5005 MHz Pwr Umbilical Ion-Pump Pwr Pwr Pwr Pwr EGSE Panel 406 MHz 1544 MHz C-Band MisAnt PHM Master PHM Master RAFS bachup RAFS backup UHF Rx L-Band Tx nom. red. nom. red. C C Access Hole C SAR E1/ E6 PRS/ BOC E1/ E6 PRS C-Band C-Band Receiver MISREC Navigation 1553RT Pwr Signal Generation Navigation Unit Signal Generation (NSGU) Unit (NSGU) Pwr Clock Mission Data (C-Band TC) Time Stamp Sync (PPS) fo 12*fo E1 E6 E5ab Discrete Discrete TM/TC Discrete TM/TC Frequency Frequency Generation Generation/ & Upconversion Modulation Unit MHz Unit (FGUU) (FGMU) Clock Monitoring & Control Unit (CMCU) Clock Monitoring & Control Unit (CMCU) fo=10.23 MHz MHz MHz MHz MHz Pwr E1 E6 E5ab C C C Pwr Pwr 1N TWT A 1R 2N TWT A 2R 3N TWT A 3R fo OPF OMUX Transponder C Pwr C Access Hole MHz High Band L-Band Nav. Ant. Low Band Laser Retro Discrete TM/TC Discrete TM/TC Pwr Array 1553-RT SPLIT RTU P/L Thermal S/S 1553RT EMU Mil-Bus Pwr THA Htr Pwr CommonSecurity Unit (CSU)

28 Satelliten Platform 28 TC NSGU/CSU IF PPS Mil-Bus Discrete P/L Power PF/PL - Interface Payload Platform EGSE Panel EGSE Panel P/F Power 1553RT 1553RT Common Serurity Security Unit (CSU) Key Fill IF Discrete TM/TC SADM Solar Array (+Y) Pwr 2048/2225 MHz TM/TC Clk,Data Pwr TM/TC Clk,Data ICDU CDU Pwr Power PCDU S/S HDRM HDRM Discrete S-Band Ant. (+z/-z) TT&C TT&C S/S S/S Discrete & serial TM/TC 1553BC 1553RT SADM Solar Array (-Y) CatBed-Htr EGSE Panel individual S/S I/F s + Sec.-Pwr Propulsion S/S Heater Power EGSE & Pwr Pwr SecPw r Pwr F&DVs Tank PT THA SAAP 1553RT Filter Magn. Magn. Torq. Torq. RW RW RW RW Gyro Gyro Fine Fine Sun Sun Sen. Sen. Coarse Coarse Sun Sun Sen. Sen. Earth Earth Sen. Sen. LVs PTs Thermal P/F Control Thermal S/S S/S Battery (Li-Ion) 8 x 1N Thrusters ACS Sensors & Actuators

29 Platform Subsysteme 29 Magnetic Torquer Reaction Wheel

30 Satellitendesign 30

31 Satelliten Galileo IOV Bodensegment Configuration 31 Start Konfiguration Flugkonfiguration Satelliten auf dem Dispenser

32 Modulares Satellitenkonzept 32

33 Galileo Satelliten Projektplan Design & Development Long Lead Item Procurement Best And Final Offer Contract Procurement & detailed Design Equipment Qualification Status Review (EQSR) Preliminary Design Review (PDR) Engineering Model Critical Design Review FM Satellite Manufacturing 2xIOV 2x IOV

34 FOC Startplanung

35 Satelliten Kennzahlen 35 Item Parameter Total Launch Mass 730 kg Body Dimensions Span Solar Generator Overall Dimensions (Launch) 2.5 x 1.2 x 1.1m 14.67m 2.91 x 1.70 x 1.40m Orbit MEO, r = 29600km, I = 56, 3 orbit planes with RAAN spacing of 120, at EoL transfer to graveyard orbit Lifetime 12 years on-orbit, 5 years ground storage Layout Satellite consists of 7 modules, incl. plug-in propulsion module ( simple interfaces, enables parallelised MAIT) Navigation Signal Minimum EIRP (EOC) 3 bands (E5, E6, L1) E dbw, E dbw, L dbw Bandwidth E MHz, E MHz, L MHz Clock Frequency Stability Passive Hydrogen Maser: 30000s Rubidium Atomic Freq. Standard: 10000s SAR Transponder UHF Receiver 406MHz, forward channel L-Band 1544MHz Common Security Unit Protection against unauthorised access to satellite platform and navigation payload Power Subsystem Layout Solar Generator 50V, regulated bus; Li-Ion battery, 3.8kWh 2 Wings, 2 Panels each, Triple Junction GaAs, 1.9 kw (EoL) Satellite Reliability 0.8 / 12 yrs.

36 36 Die Neugier steht immer an erster Stelle eines Problems, das gelöst werden will. - Galileo Galilei Disclaimer: "The OHB/SSTL project is funded by, and part of, the Galileo programme which is an initiative by the European Union (EU), and where the Euroepan Space Agency(ESA) acts in the name of, and on behalf of, the EU. "Galileo" is a trademark subject to OHIM application number by EU and ESA." Spezieller Dank geht an: Mr. Faivre, ESA, Prof. Parkinson, Stanford, Russo, National Coordination Office, Engeln, OHB, Dr. Merkle, OHB