Bloque de GPS III
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Bloque de GPS III
Bloque GPS IIIA.jpg
Impresión artística de un satélite GPS Block III en órbita
FabricanteLockheed Martin
País de origenEstados Unidos
OperadorFuerza Espacial de EE. UU.
AplicacionesSatélite de navegación
Especificaciones
AutobúsLockheed Martin A2100M
Masa de lanzamiento3.880 kg (8.550 libras) [1]
Secado masivo2269 kg (5002 libras)
Poder4480 vatios (fin de vida útil)
PilasBatería de níquel-hidrógeno
RégimenÓrbita terrestre media semisincrónica
Vida de diseño15 años (planeado)
Producción
EstadoEn producción
En orden2 [2]
Construido8 [3]
Lanzado5 [4]
Operacional4 [5]
Lanzamiento inaugural23 de diciembre de 2018 [6]
Último lanzamiento17 de junio de 2021 [7]
Nave espacial relacionada
Derivado deBloque de GPS IIF
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El Bloque GPS III (anteriormente Bloque IIIA) consta de los primeros diez satélites GPS III , que se utilizarán para mantener operativo el Sistema de Posicionamiento Global Navstar . Lockheed Martin diseñó, desarrolló y fabricó el banco de pruebas de satélites sin vuelo GPS III (GNST) y los diez satélites del Bloque III. [8] El primer satélite de la serie se lanzó en diciembre de 2018. [9] [10] El décimo y último lanzamiento del GPS Block III se proyecta en 2023. [10] [11] [12]

Historia

El sistema de posicionamiento global (GPS) de los Estados Unidos alcanzó su plena capacidad operativa el 17 de julio de 1995, [13] completando sus objetivos de diseño originales. Sin embargo, los avances tecnológicos adicionales y las nuevas demandas del sistema existente llevaron al esfuerzo por modernizar el sistema GPS. En 2000, el Congreso de los Estados Unidos autorizó el esfuerzo, denominado GPS III .

El proyecto incluye nuevas estaciones terrestres y nuevos satélites, con señales de navegación adicionales para usuarios civiles y militares, y tiene como objetivo mejorar la precisión y disponibilidad para todos los usuarios.

Raytheon se adjudicó el contrato del Sistema de control operativo GPS de próxima generación (OCX) el 25 de febrero de 2010. [14]

Se proyectaba que el primer satélite de la serie se lanzaría en 2014, [15] pero retrasos significativos [16] llevaron el lanzamiento hasta diciembre de 2018. [9] [10]

Desarrollo

Los satélites del Bloque III utilizan la estructura de bus de satélite A2100M de Lockheed Martin . Orbital ATK fabrica los tanques de propulsante y presurizante a partir de materiales compuestos ligeros y de alta resistencia. [17] Cada satélite llevará ocho antenas JIB desplegables diseñadas y fabricadas por Northrop Grumman Astro Aerospace [18]

Ya retrasado significativamente más allá del lanzamiento planeado del primer satélite en 2014, [15] el 27 de abril de 2016, SpaceX , en Hawthorne, California , recibió un contrato de precio fijo fijo por US $ 82,7 millones para servicios de lanzamiento para entregar un satélite GPS III a su destino previsto. orbita. El contrato incluía la producción de vehículos de lanzamiento, la integración de la misión y las operaciones de lanzamiento para una misión GPS III, que se realizaría en Hawthorne, California; Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral , Florida ; y McGregor, Texas . [19] En diciembre de 2016, el Director de la Dirección de Sistemas de Posicionamiento Global de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Anunció que el primer satélite se lanzaría en la primavera de 2018.[20] En marzo de 2017, la Oficina de Contabilidad General de EE. UU. Declaró: "Los problemas técnicos con el satélite GPS III y el sistema de control y verificación de lanzamiento OCX Block 0 se han combinado para poner en riesgo la fecha de lanzamiento prevista para marzo de 2018 del primer satélite GPS III ". [21] Los retrasos fueron causados ​​por una serie de factores, principalmente debido a problemas encontrados en la carga útil de navegación. [16] [22] Otros retrasos en la fecha de lanzamiento se debieron a la necesidad de pruebas y validaciones adicionales de un SpaceX Falcon 9 que finalmente lanzó el satélite el 23 de diciembre de 2018. [23] [24] El 22 de agosto de 2019, el segundo GPS III El satélite fue lanzado a bordo de un Delta IV . [25]

El 21 de septiembre de 2016, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Ejerció una opción de contrato de 395 millones de dólares con Lockheed Martin para el noveno y décimo vehículos espaciales del Bloque III, que se espera estén disponibles para su lanzamiento en 2022. [26]

Historial de lanzamiento

Se han lanzado 5 de los 10 satélites GPS Block III. 4 están actualmente en funcionamiento, y 1 está en fase de pruebas.

Satélites GPS Block III
SatéliteDesignación de EE. UU.SVNNombreFecha de lanzamiento ( UTC )CoheteSitio de lanzamientoEstadoÁrbitro.
GPS III-01Estados Unidos-28974Vespucci23 de diciembre de 2018, 13:51Falcon 9 Bloque 5CCSFS , SLC-40En servicio[27] [28]
GPS III-02Estados Unidos-29375Magallanes22 de agosto de 2019, 13:06Delta IV M + (4,2)CCSFS , SLC-37BEn servicio[29]
GPS III-03Estados Unidos-30476Matthew Henson30 de junio de 2020, 20:10Falcon 9 Bloque 5CCSFS , SLC-40En servicio[30]
GPS III-04Estados Unidos-30977Sacagawea5 de noviembre de 2020, 23:24Falcon 9 Bloque 5CCSFS , SLC-40En servicio[31]
GPS III-05Estados Unidos-31978Neil Armstrong17 de junio de 2021, 16:09Falcon 9 Bloque 5CCSFS , SLC-40Pruebas[3]
GPS III-0679Amelia Earhart2022Falcon 9 Bloque 5TBADisponible para lanzamiento[3]
GPS III-0780Sally Ride202xTBATBADisponible para lanzamiento[3]
GPS III-0881Katherine johnson202xTBATBADisponible para lanzamiento[3]
GPS III-0982202xTBATBABajo construcción[32]
GPS III-1083202xTBATBABajo construcción[32]

Nuevas señales de navegación

Artículo principal: señales GPS

Civil L2 (L2C)

Uno de los primeros anuncios fue la adición de una nueva señal de uso civil que se transmitirá en una frecuencia diferente a la frecuencia L1 utilizada para la señal de adquisición aproximada GPS (C / A) existente. En última instancia, esto se conoció como la señal L2C porque se transmite en la frecuencia L2 (1227,6 MHz). Puede ser transmitido por todos los satélites del bloque IIR-M y de diseño posterior. El plan original establecía que hasta que el nuevo sistema OCX (Bloque 1) esté en su lugar, la señal consistiría en un mensaje predeterminado ("Tipo 0") que no contiene datos de navegación. [33] El OCX Block 1 con los datos de navegación L2C estaba programado para entrar en servicio en febrero de 2016, [34] [35] pero se ha retrasado hasta 2022 o más tarde. [36]

Como resultado de las demoras de OCX, la señal L2C se desacopló del programa de implementación de OCX. Todos los satélites capaces de transmitir la señal L2C (todos los satélites GPS lanzados desde 2005) comenzaron a transmitir mensajes de navegación civil preoperativa (CNAV) en abril de 2014, y en diciembre de 2014 la Fuerza Aérea comenzó a transmitir cargas CNAV diariamente. [33] [37] La señal L2C se considerará plenamente operativa después de que sea transmitida por al menos 24 vehículos espaciales, lo que actualmente se prevé que suceda en 2021. [33] En octubre de 2017, L2C se transmitía desde 19 satélites. [33] La señal L2C tiene la tarea de proporcionar una mayor precisión de navegación, proporcionar una señal fácil de rastrear y actuar como una señal redundante en caso de interferencia localizada.

El efecto inmediato de tener dos frecuencias civiles transmitidas desde un satélite es la capacidad de medir directamente y, por lo tanto, eliminar el error de retardo ionosférico para ese satélite. Sin tal medición, un receptor GPS debe utilizar un modelo genérico o recibir correcciones ionosféricas de otra fuente (como un sistema de aumento basado en satélites ). Los avances en la tecnología tanto de los satélites GPS como de los receptores GPS han hecho que el retardo ionosférico sea la mayor fuente de error en la señal C / A. Un receptor capaz de realizar esta medición se denomina receptor de doble frecuencia. Sus características técnicas son:

  • L2C contiene dos secuencias PRN distintas:
    • CM (para código civil de longitud moderada) tiene 10,230 bits de longitud, que se repiten cada 20 milisegundos .
    • CL (para código civil de larga duración) es de 767,250 bits, que se repite cada 1,500 milisegundos (es decir, cada 1,5 segundos).
    • Cada señal se transmite a 511,500 bits por segundo ( bit / s ); sin embargo, se multiplexan para formar una señal de 1.023.000 bit / s.
  • CM se modula con un mensaje de navegación de 25 bit / s con corrección de errores hacia adelante , mientras que CL no contiene datos modulados adicionales.
  • La secuencia CL larga, sin datos, proporciona aproximadamente 24 dB más protección de correlación (~ 250 veces más fuerte) que L1 C / A.
  • Las características de la señal L2C proporcionan una recuperación de datos 2,7 dB mayor y un seguimiento de portadora 0,7 dB mayor que L1 C / A.
  • La potencia de transmisión de las señales L2C es 2,3 dB más débil que la señal L1 C / A.
  • En una aplicación de frecuencia única, L2C tiene un 65% más de error ionosférico que L1.

Está definido en IS-GPS-200. [38]

Militar (código M)

Un componente importante del proceso de modernización, una nueva señal militar llamada código M fue diseñada para mejorar aún más el acceso seguro y antiinterferencias de las señales GPS militares. El código M se transmite en las mismas frecuencias L1 y L2 ya en uso por el código militar anterior, el código P (Y). La nueva señal está configurada para colocar la mayor parte de su energía en los bordes (lejos de las portadoras P (Y) y C / A existentes). A diferencia del código P (Y), el código M está diseñado para ser autónomo, lo que significa que los usuarios pueden calcular sus posiciones utilizando solo la señal del código M. Los receptores de códigos P (Y) generalmente deben primero bloquearse en el código C / A y luego transferir para bloquearse en el código P (Y).

En una desviación importante de los diseños de GPS anteriores, el código M está destinado a ser transmitido desde una antena direccional de alta ganancia , además de una antena de gran angular (Tierra completa). La señal de la antena direccional, denominada haz puntual , está pensada para apuntar a una región específica (es decir, varios cientos de kilómetros de diámetro) y aumentar la intensidad de la señal local en 20 dB (10 × intensidad del campo de voltaje, 100 × potencia). Un efecto secundario de tener dos antenas es que, para los receptores dentro del haz puntual, el satélite GPS aparecerá como dos señales GPS que ocupan la misma posición.

Si bien la señal de código M de la Tierra completa está disponible en los satélites del Bloque IIR-M, las antenas de haz puntual no estarán disponibles hasta que se desplieguen los satélites del Bloque III. Al igual que las otras señales GPS nuevas, el código M depende de OCX, específicamente el Bloque 2, que estaba programado para entrar en servicio en octubre de 2016, [35] [39] pero que se ha retrasado hasta 2022, [40] y esa fecha inicial. no reflejó el retraso de dos años en el lanzamiento del primer satélite esperado por la GAO. [41] [42]

Otras características del código M son:

  • Los satélites transmitirán dos señales distintas desde dos antenas: una para la cobertura de toda la Tierra y otra en un haz puntual.
  • Modulación de portadora offset binaria .
  • Ocupa 24 MHz de ancho de banda.
  • Utiliza un nuevo mensaje de navegación MNAV, que está empaquetado en lugar de enmarcado, lo que permite cargas útiles de datos flexibles.
  • Hay cuatro canales de datos efectivos; Se pueden enviar diferentes datos en cada frecuencia y en cada antena.
  • Puede incluir FEC y detección de errores.
  • El haz puntual es ~ 20 dB más potente que todo el haz de cobertura de la Tierra.
  • Señal de código M en la superficie de la Tierra: –158 dBW para antenas de toda la Tierra, –138 dBW para antenas de haz puntual.

Seguridad de la vida (L5)

Safety of Life es una señal de uso civil que se transmite en la frecuencia L5 (1176,45 MHz). En 2009, un satélite WAAS envió las transmisiones iniciales de prueba de la señal L5. SVN-62 , el primer satélite GPS bloque IIF, transmitió continuamente la señal L5 a partir del 28 de junio de 2010.

Como resultado de los retrasos en la programación del segmento de control del GPS III, la señal L5 se desacopló del programa de implementación de OCX. Todos los satélites capaces de transmitir la señal L5 (todos los satélites GPS lanzados desde mayo de 2010) [43] comenzaron a transmitir mensajes de navegación civil preoperacional (CNAV) en abril de 2014, y en diciembre de 2014 la Fuerza Aérea comenzó a transmitir cargas CNAV diariamente. . [44] La señal L5 se considerará en pleno funcionamiento una vez que al menos 24 vehículos espaciales estén transmitiendo la señal, que actualmente se prevé que suceda en 2024. [43]

El 18 de abril de 2017, L5 se transmitía desde 12 satélites. [43]

  • Mejora la estructura de la señal para un mejor rendimiento.
  • Mayor potencia de transmisión que la señal L1 o L2C (~ 3 dB, o dos veces más potente).
  • Ancho de banda más amplio, lo que produce una ganancia de procesamiento de 10 veces.
  • Códigos de extensión más largos (10 veces más largos que los utilizados en el código C / A).
  • Ubicado en la banda de Servicios de Radionavegación Aeronáutica , una banda de frecuencia que está disponible en todo el mundo.

La CMR-2000 agregó un componente de señal espacial a esta banda aeronáutica para que la comunidad de la aviación pueda gestionar la interferencia a L5 de manera más eficaz que a L2. Está definido en IS-GPS-705. [45]

Nuevo civil L1 (L1C)

L1C es una señal de uso civil que se transmitirá en la misma frecuencia L1 (1575,42 MHz) que contiene la señal C / A utilizada por todos los usuarios actuales de GPS.

La transmisión L1C comenzará cuando el Bloque 1 del Segmento de Control GPS III (OCX) entre en funcionamiento, actualmente programado para 2022. [36] [20] La señal L1C alcanzará el estado operativo completo cuando se transmita desde al menos 24 satélites GPS Bloque III, actualmente proyectados para finales de la década de 2020. [46]

  • La implementación proporcionará un código C / A para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores.
  • Se garantiza un aumento de 1,5 dB en la potencia mínima del código C / A para mitigar cualquier aumento del piso de ruido.
  • El componente de señal que no es de datos contiene una portadora piloto para mejorar el seguimiento.
  • Permite una mayor interoperabilidad civil con Galileo L1.

Está definido en IS-GPS-800. [47]

Mejoras

Mayor potencia de señal en la superficie de la Tierra:

  • Código M: −158 dBW / −138 dBW.
  • L1 y L2: −157 dBW para la señal de código C / A y −160 dBW para la señal de código P (Y).
  • L5 será −154 dBW.

Investigadores de The Aerospace Corporation confirmaron que el medio más eficiente para generar la señal de código M de alta potencia implicaría una desviación de la cobertura terrestre completa, característica de todas las señales de enlace descendente del usuario hasta ese punto. En su lugar, se utilizaría una antena de alta ganancia para producir un haz puntual direccional de varios cientos de kilómetros de diámetro. Originalmente, esta propuesta se consideró como una actualización de los satélites del Bloque IIF planeados. Tras una inspección más cercana, los gerentes de programa se dieron cuenta de que la adición de una gran antena desplegable, combinada con los cambios que serían necesarios en el segmento de control operativo, presentaba un desafío demasiado grande para el diseño del sistema existente. [48]

  • La NASA ha solicitado que los satélites del Bloque III lleven catadióptricos láser . [49] Esto permite rastrear las órbitas de los satélites independientemente de las señales de radio, lo que permite que los errores de reloj del satélite se desenreden de los errores de efemérides . Esta, una característica estándar de GLONASS , se incluirá en el sistema de posicionamiento Galileo y se incluyó como un experimento en dos satélites GPS más antiguos (satélites 35 y 36). [50]
  • La USAF está trabajando con la NASA para agregar una carga útil del Sistema de satélite de alerta de socorro ( DASS ) al segundo incremento de los satélites GPS III como parte del sistema de búsqueda y rescate MEOSAR . [51]

Segmento de control

El Segmento de Control Operacional GPS (OCS), que consiste en una red mundial de centros de operaciones satelitales, antenas terrestres y estaciones de monitoreo, proporciona capacidades de Comando y Control (C2) para satélites GPS Bloque II. [52] La última actualización del GPS OCS, Architectural Evolution Plan 7.5, se instaló el 16 de noviembre de 2018. [53]

Segmento de control operativo de próxima generación (OCX)

En 2010, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos anunció planes para desarrollar un segmento de control moderno, una parte fundamental de la iniciativa de modernización del GPS. OCS continuará sirviendo como el sistema de control terrestre registrado hasta que el nuevo sistema, el Sistema de Control Operacional GPS de Próxima Generación (OCX), esté completamente desarrollado y funcional. [54]

Las funciones de OCX se entregan a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en tres fases separadas, conocidas como "bloques". [55] Los bloques OCX se numeran del cero al dos. Con cada bloque entregado, OCX gana funcionalidad adicional.

En junio de 2016, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Notificó formalmente al Congreso que los costos proyectados del programa del programa OCX habían aumentado por encima de los 4.250 millones de dólares, excediendo así las estimaciones de costos de referencia de 3.400 millones de dólares en un 25%, también conocida como una violación crítica de Nunn-McCurdy . Los factores que conducen a la infracción incluyen "ingeniería de sistemas inadecuada al inicio del programa" y "la complejidad de los requisitos de ciberseguridad en OCX". [56] En octubre de 2016, el Departamento de Defensa certificó formalmente el programa, un paso necesario para permitir que el desarrollo continúe después de una infracción crítica. [57]

OCX Block 0 (sistema de lanzamiento y pago)

OCX Block 0 proporciona el subconjunto mínimo de capacidades OCX completas necesarias para admitir el lanzamiento y la comprobación temprana del bus de la nave espacial en órbita en vehículos espaciales GPS III. [20]

El bloque 0 completó dos eventos de prueba de ciberseguridad en abril y mayo de 2018 sin encontrar nuevas vulnerabilidades. [58]

En junio de 2018, Block 0 tuvo su tercer ensayo de lanzamiento integrado exitoso con GPS III. [58]

La Fuerza Aérea de EE. UU. Aceptó la entrega del OCX Block 0 en noviembre de 2017 y lo utiliza para preparar el primer lanzamiento de GPS en diciembre de 2018. [59]

OCX Block 1 (características civiles GPS III)

OCX Block 1 es una actualización a OCX Block 0, momento en el cual el sistema OCX alcanza la Capacidad de operación inicial (IOC). Una vez que se despliegue el Bloque 1, OCX podrá por primera vez comandar y controlar los satélites GPS del Bloque II y del Bloque III, además de admitir la capacidad de comenzar a transmitir la señal L1C civil. [20]

En noviembre de 2016, la GAO informó que OCX Block 1 se había convertido en la principal causa de retraso en la activación de la misión GPS III PNT. [60]

El bloque 1 completó la iteración final de Critical Design Review (CDR) en septiembre de 2018. [58] El desarrollo de software en el bloque 1 está programado para completarse en 2019, después de lo cual el software del bloque 1 se someterá a 2,5 años de pruebas del sistema. [58]

OCX Block 2 (características militares GPS III, monitoreo de señales civiles)

OCX Block 2 actualiza OCX con las funciones avanzadas de código M para usuarios militares y la capacidad de monitorear el desempeño de las señales civiles. [55] En marzo de 2017, el contratista modificó su programa de entrega de OCX para que el Bloque 2 ahora se entregue a la Fuerza Aérea al mismo tiempo que el Bloque 1. [61] En julio de 2017, se anunció un retraso adicional de nueve meses al programa. Según el cronograma del programa de julio de 2017, OCX se entregará a la Fuerza Aérea en abril de 2022. [40]

Operaciones de contingencia

Las operaciones de contingencia ("COps") de GPS III son una actualización del segmento de control operativo de GPS, lo que permite que OCS proporcione funciones de posición, navegación y sincronización (PNT) del bloque IIF de los satélites GPS III. [20] El esfuerzo de Operaciones de Contingencia permite a los satélites GPS III participar en la constelación GPS, aunque de manera limitada, sin tener que esperar hasta que OCX Block 1 entre en funcionamiento (actualmente programado para 2022).

La Fuerza Aérea de los Estados Unidos otorgó el contrato de Operaciones de Contingencia por US $ 96 millones en febrero de 2016. [62] En septiembre de 2018, el desarrollo de software estaba completo y las pruebas de integración de componentes estaban programadas para completarse el próximo mes. [58] Las pruebas de aceptación operativa están programadas para enero de 2020. [58]

Programa de implementación

FechaDespliegueVehículos espacialesObservaciones
Comando y controlSatélites que envían datos de navegación
OCSOCX
Diciembre de 2018 [58] [59]Bloque OCX 0Bloque IIBloque III
(solo lanzamiento y pago) [20]		Bloque IIOCS y OCX funcionan en paralelo
Enero de 2020 [58]Operaciones de contingenciaBloque II
y
Bloque III
Enero de 2023 [36] [61] [40]OCX Block 1 y OCX Block 2Bloque II y Bloque IIIOCS ya no se usa, comienzan las transmisiones L1C, se logra la funcionalidad completa de GPS III.

Ver también

  • Bloque de GPS IIIF
  • Señales GPS
  • Bloques de satélites GPS
  • Lista de satélites GPS
  • Michibiki : nuevos satélites diseñados y lanzados en Japón para mejorar el GPS en Japón.

Referencias

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Recursos de la biblioteca sobre
GPS Block III
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