Galileo: sen nebo skutečnost?

Formování EU jako světové supervelmoci s sebou přineslo otázku, je-li závislost na americkém systému GPS přijatelná. A protože se jedná o systém v první řadě vojenský, který navíc obsahuje komponentu, jež v dobách potřeby, tedy ozbrojených konfliktů, snižuje záměrně přesnost systému, a to přibližně o 100 metrů, bylo rozhodnuto, že nikoli. Proto Evropa (resp. ESA) začala vyvíjet svůj vlastní GDNS, Galileo.

Cesta k němu ovšem nebyla snadná. EU má jiný politický charakter než jakýkoli jiný stát a není jednoduché domluvit se a schválit natolik nákladný projekt v rámci všech členských zemí. Nejdříve bylo potřeba sjednotit koncepce jednotlivých států, které s myšlenkou Galilea přišly. Konkrétně se jednalo o Německo, Itálii, Francii a Velkou Británii. Jednotný koncept byl vytvořen roku 1999 zástupci všech čtyř jmenovaných států. Hlavní myšlenkou celé koncepce je primární využití pro civilní účely, v čemž je zásadní rozdíl Galilea vůči GPS a GLONASS. S omezením civilní dostupnosti systému se počítá pouze v případě vypuknutí světové války.

Již roku 2001 se dostal projekt do finanční krize a jeho realizace byla téměř stornována, ovšem v reakci na dopis USA, které výslovně žádaly zastavení projektu, bylo rozhodnuto, že systém Galileo je pro Evropu potřebný a EU vyhradila část finančních prostředků nutných k realizaci. Protože má Galileo poskytovat zejména civilní služby, bylo hlavní tendencí při financování projektu získat většinovou část prostředků ze soukromých zdrojů. Po dlouhých peripetiích, kdy se soukromá konsorcia nebyla schopna domluvit na závazných termínech a platbách, vzala do rukou celou věc Evropská komise pro Radu EU a 8.6.2007 schválila financování projektu plně z rozpočtu EU. Tím se podstatně zvýšil potenciál nutný k budování Galilea a snad již tedy k dalším zdržením v realizaci nedojde. Zatím byly vypuštěny tři zkušební družice a s dokončením systému se počítá na rok 2012 – 13.
Technicky Galileo staví na systému GPS. Dokonce byla roku 2004 s USA uzavřena smlouva o interoperabilitě obou systémů, čímž bude podstatně zvýšena přesnost. Kosmický segment bude sestávat z 30 družic rozmístěných na třech orbitech na střední oběžné dráze. Systém bude poskytovat 4 služby:

První nese název OS (Open Service), která je určena všem uživatelům. Jedná se v podstatě o analogii C/A kódu u GPS, ovšem s podstatně vyšší přesností. OS kód bude vysílán na dvou nosných frekvencích, a to konkrétně na 1164–1214 MHz a 1563–1591 MHz. Právě díky větší šířce pásem a vysílání jednoho kódu na dvou nosných frekvencích bude Galileo oproti svému duchovnímu otci disponovat až více než trojnásobně vyšší přesnosti, což je konkrétně méně než 4 metry horizontálně a méně než 8 metrů vertikálně.

Další bude tzv. CS (Commercial Service), která bude šifrovaná, ovšem také poskytována volně všem uživatelům. Služba bude využívat obou pásem služby OS a navíc přibyde vysílání na pásmu třetím, konkrétně na 1260–1300 MHz, díky čemuž bude chyba polohové přesnosti menší než 1 metr.

Třetí ze služeb je služba dvojí, PRS (Public Regulated Service) a SoL (Safety of Life Service), které budou poskytovat přesnost obdobnou službě OS, ovšem s důrazem na bezpečnost v rámci protirušivých, či protisabotovacích opatření. Služba je určena ozbrojeným složkám států EU a aplikacím, kde je zapotřebí zvýšené bezpečnosti, jako je například letecká doprava atd.

Poslední z poskytovaných služeb je služba SAR (Search and Rescue), která zajišťuje předání přesných souřadnic záchranným organizacím například v případě ztroskotání lodi či letadla.
Za svou přesnost vděčí družice Galilea také použití revolučních atomových hodin. Rubidiové hodiny zde zastávají pouze záložní funkci a jako hlavní jsou použity hodiny vodíkové, což je úplně první případ použití těchto hodin ve vesmíru. Přesnost vodíkových hodin je oproti rubidiovým čtyřnásobná, čili namísto odchylky 1,8 ns pouze 0,45 ns za 12 hodin.

Dalším primátem Galilea je to, že se jedná o systém aktivní, což znamená, že družice dokáží signály nejen vysílat, ale i přijímat, a to při použití radiomajáku v rámci služby SAR. Od ruského GLONASSu přejaly družice Galilea také integraci odrazového skla na plášti družic, které umožňuje měřit vzdálenost k družici pomocí laseru, tedy nezávisle na rádiových vlnách. Aby toho nebylo málo, tím že jsou signály vysílány alespoň na dvou nosných frekvencích, je možné přímo měřit hodnotu ionosférické refrakce a nebýt tedy odkázán pouze na globální model při odstraňování takto vzniklé chyby v měření.

Stanice řídícího segmentu budou rozmístěny na území států EU a bude jich celkem 20. Pro uživatelský segment musí být vyvinuty naprosto nové přijímače, jejichž prototyp je již na světě a úspěšně odzkoušen. Inovace tkví především v tom, že přijímače pro Galileo umí přijímat signály také z ostatních GDNS, to jest GPS a GLONASS v rámci interoperability pro zvýšení přesnosti měření.
Prvním pilířem Galilea je systém EGNOS. Jedná se o rozšiřující systém, který je využíván především v letectví. Skládá se ze tří družic na geostacionární oběžné dráze, sítě pozemních stanic a samozřejmě uživatelského segmentu. Systém byl spuštěn roku 2005 a jeho princip je následující. Síť pozemních stanic monitoruje signály jednotlivých družic, a to jak GPS, tak do budoucna Galilea, vypočítává chyby v efemeridách, ionosférickou refrakci a odchylku hodin.

Následně opravená data odesílá na družice systému EGNOS a ten je pak vysílá zpět na Zemi, respektive uživatelskému segmentu, který tvoří zejména letecká doprava. Přijímač pak využívá obou signálů, a to jak signálů družic GDNS, tak družic systémů rozšiřujících. Z prvního určí polohová data, na která poté aplikuje korekce získané z družic systému EGNOS. Obdobných systémů je hned několik. V USA a Kanadě je to WAAS (CWAAS), v Japonsku MSAS a v Indii GAGAN.
Přestože se Galileo jeví jako v současnosti (resp. blízké budoucnosti) nejdokonalejší z GDNS, nemusí tomu tak být již nedlouho po spuštění systému. Zejména americký GPS plánuje dost zásadní inovace oproti momentálnímu stavu. Vedle C/A kódu bude na frekvenci L1 vysílán také nový kód L1C, který bude o 1,5 dB silnější než dnešní C/A, navíc bude nedatová nosná vlna zvyšovat schopnost přijímačů ve stopování družic a signál bude koncipovaný tak, aby docílil co největší interoperability s Galileem.

Na frekvenci L2, kde byl původně vysílán pouze P(Y) kód, bude vysílán L2C kód, čili druhý z civilních signálů. Ten bude poskytovat vyšší přesnost a snadnou zaměřitelnost přijímačem. Ovšem hlavní výhodou toho, že jsou vysílány dva civilní signály namísto jednoho, je možnost přímého měření ionosférické refrakce, čímž odpadá závislost na přesnosti ionosférického modelu.

Nejzásadnější modernizaci ovšem představuje nově zaváděný M kód. Jedná se o nový vojenský signál, který má nahradit stávající P(Y) kód. Jako jeho předchůdce je M kód vysílán na obou nosných frekvencích, L1 i L2. Rozdílem oproti P kódu je hlavně to, že pro určení pozice stačí přijímat pouze M kód, což dřív nebylo možné, jelikož přijímače P kódu musely napřed zaměřit C/A kód a teprve potom P(Y) kód. Opravdu velkou novinkou je přidání směrové antény, která bude M kód vysílat stejně tak jako anténa celoplošná. Čili celoplošnou anténou bude vysílán M kód na celou polokouli a navíc bude v případě potřeby M kód vysílán také směrovou anténou, která pokryje pouze určité území, čímž se až stonásobně zvýší úroveň signálu na tomto požadovaném území.

Také šifrování signálu bude silnější než u předchozího P kódu, přičemž důraz je kladen zejména na to, aby byl signál nezaměnitelný, a zabránilo se tak případným sabotážním akcím v podobě simulovaného nepravého signálu. Přibyla také frekvenční pásma L3 (1381,05 MHz) a L4 (1841,40 MHz). Na frekvenci L3 jsou vysílána data obsahující záznamy z monitorování všech vysokoenergetických jevů, jako jsou například starty raket, či jaderné výbuchy, a frekvence L4 se využívá pro měření ionosférické refrakce.

Poslední novinkou bude přidání další vysílací frekvence označované jako L5 (1176.45 MHz). Na té bude provozována služba SoL (Safety of Life) určená především letecké dopravě. Oproti L1 a L2C signálům bude mít SoL signál dvojnásobnou úroveň a jeho struktura bude upravena tak, aby poskytoval co největší efektivní výkon. Na družice byla také přidána odrazová zrcadla pro měření vzdálenosti družice pomocí laseru.
Ani GLONASS však nehodlá zůstat pozadu. Konečně se počítá s navýšením počtu družic na plný operativní stav, ba co víc, má jich být celých 30 pro dosažení co nejvyšší přesnosti. Odrazová zrcadla již všechny družice GLONASSu mají, jelikož právě zde byl tento prvek poprvé použit. Navíc oproti původnímu stavu má GLONASS vysílat navigační signály na L frekvenčním pásmu, a to proto, aby bylo možné zajistit interoperabilitu s Galileem a GPS. Relativní novinkou u ruského systému je také to, že je oficiálně schválen pro volné civilní použití a že se jeho vývoj má ubírat takovým směrem, který by posílil jeho komerční využití právě v civilní sféře.
Posledním rivalem Galilea je budoucí čínský Compass. Ten má sestávat z 35 družic, z čehož 30 má být rozmístěno na středním orbitu a 5 na orbitu geostacionárním. Princip měření i vysílání signálů bude obdobný jako u Galilea a GPS, čímž bude zajištěna interoperabilita mezi systémy. Compass bude poskytovat 2 služby: Volnou službu, která je určena všem uživatelům a poskytuje přesnost okolo 10 metrů a licencovanou službu, která bude určena pouze čínské armádě. Tato služba bude poskytovat vyšší přesnost a navíc může být využita pro komunikaci mezi jednotkami a velínem. Čína hodlá investovat 240 miliónů euro do vývoje Galilea, což by jí mělo poskytnout dostatečnou teoretickou základnu pro vybudování vlastního systému.
Jak je vidět, přestože má být Galileo nejdokonalejším z GDNS, nemusí tomu tak být na dlouho. Vývoj v oblasti telekomunikačních, informačních a elektrotechnických technologií obecně postupuje takovou rychlostí, že není jednoduché udržet jakýkoli systém na celosvětové špičce. Navíc po dlouhém období monopolu USA přichází období tvrdého konkurenčního boje a předhánění se v inovativních technologiích.

Za sebe jako uživatele mohu říci, že jsem tomu rád. Konkurence je zdravá, zejména v tom smyslu, že po letech stagnace, či aspoň zpomaleného vývoje, přichází období nového technického a kosmického věku. Nejen že jako Evropané budeme v případě potřeby nezávislí na ostatních mocnostech ve věci navigace, ale navíc budeme mít v dobách míru možnost využívat všech systémů, spolupracujících na uživatelské úrovni. Tato spolupráce přinese doposud nebývale přesnou navigaci i celosvětovou dostupnost. Jen si představte, že namísto 4 až 6 družic bude váš přijímač získávat signály třeba z 15 družic. To přinese nový rozměr do všech odvětví dopravy, ale také do řady dalších aplikací GDNS, například geodézie atd.

Než budou všechny ze zmíněných systémů v plně operativním stavu, tak nám nezbývá nic jiného, než se na tento nový navigační věk těšit. Ovšem pozor, každá mince má dvě strany a je potřeba také počítat s tím, že nové systémy budou mít již aktivní charakter, což s sebou může přinést vševidoucí oko mocenské kontroly. Jen budoucnost ukáže, co všechno nám množství družic létajících nad našimi hlavami přinese, či naopak vezme.

Zdroje:
Petr Rapant: Geoinformační technologie, skripta VŠB-TUO, Ostrava, 2005
R.L. Beard and J. Murray and J.D. White: GPS Clock Technology and the Nawy PTTI Programs at the U.S. Naval Research Laboratory, 1986

Wikipedia, ESA, NASA, RSA, IDS, Česká kosmická kancelář