Bloco GPS III - Smartencyclopedia

O Bloco GPS III (antigo Bloco IIIA) consiste nos primeiros dez satélites GPS III , que serão usados para manter o Navstar Global Positioning System operacional. A Lockheed Martin projetou, desenvolveu e fabricou o GPS III Non-Flight Satellite Testbed (GNST) e todos os dez satélites Bloco III. O primeiro satélite da série foi lançado em dezembro de 2018. O décimo e último lançamento do Bloco III do GPS foi projetado para 2023.

História

O Sistema de Posicionamento Global (GPS) dos Estados Unidos atingiu a capacidade operacional total em 17 de julho de 1995, completando seus objetivos de projeto original. No entanto, avanços adicionais na tecnologia e novas exigências no sistema existente levaram ao esforço de modernizar o sistema GPS. Em 2000, o Congresso dos Estados Unidos autorizou o esforço, conhecido como GPS III .

O projeto envolve novas estações terrestres e novos satélites, com sinais de navegação adicionais para usuários civis e militares, e visa melhorar a precisão e disponibilidade para todos os utilizadores.

A Raytheon foi premiada com o contrato de Sistema de Controle Operacional de GPS de Próxima Geração (OCX) em 25 de fevereiro de 2010.

O primeiro satélite da série foi projetado para ser lançado em 2014, mas atrasos significativos empurraram o lançamento para dezembro de 2018.

Desenvolvimento

Os satélites do Bloco III usam a estrutura de barramento de satélite A2100M da Lockheed Martin . Os tanques de propelente e pressurante são fabricados pela Orbital ATK a partir de materiais compostos leves e de alta resistência. Cada satélite carregará oito antenas JIB implantáveis projetadas e fabricadas pela Northrop Grumman Astro Aerospace

Já atrasado significativamente após o lançamento planeado do primeiro satélite para 2014, em 27 de abril de 2016, a SpaceX , em Hawthorne, Califórnia , recebeu um contrato de preço fixo de US $ 82,7 milhões para serviços de lançamento para entregar um satélite GPS III ao seu destino órbita. O contrato incluiu a produção de veículos de lançamento, integração de missão e operações de lançamento para uma missão GPS III, a ser realizada em Hawthorne, Califórnia; Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral , Flórida ; e McGregor, Texas . Em dezembro de 2016, o Diretor da Sistemas de Posicionamento Global da Força Aérea dos EUA anunciou que o primeiro satélite seria lançado na primavera de 2018. Em março de 2017, o US General Accounting Office declarou “Problemas técnicos com o satélite GPS III e o sistema de controle e verificação de lançamento OCX Block 0 para colocar em risco a data de lançamento planejada de março de 2018 para o primeiro satélite GPS III “Os atrasos foram causados por uma série de fatores, principalmente devido a problemas encontrados na carga útil de navegação. Outros atrasos nas datas de lançamento foram causados pela necessidade de testes e validação adicionais de um SpaceX Falcon 9 que lançou o satélite em 23 de dezembro de 2018.Em 22 de agosto de 2019, o segundo GPS III satélite foi lançado a bordo de um Delta IV .

Em 21 de setembro de 2016, a Força Aérea dos EUA exerceu uma opção de contrato de US $ 395 milhões com a Lockheed Martin para o nono e décimo veículos espaciais do Bloco III, que devem estar disponíveis para lançamento em 2022.

História Lançamento

5 de 10 satélites GPS Block III foram lançados. 4 estão atualmente operacionais, com 1 em teste.

**Satélites GPS Block III**
Satélite	Designação dos EUA	SVN	Nome	Data de lançamento ( UTC )	Foguete	Site de lançamento	Status
GPS III-01	USA-289	74	Vespucci	23 de dezembro de 2018, 13:51	Falcon 9 Bloco 5	CCSFS , SLC-40	Em serviço
GPS III-02	USA-293	75	Magalhães	22 de agosto de 2019, 13:06	Delta IV M + (4,2)	CCSFS , SLC-37B	Em serviço
GPS III-03	USA-304	76	Matthew Henson	30 de junho de 2020, 20:10	Falcon 9 Bloco 5	CCSFS , SLC-40	Em serviço
GPS III-04	USA-309	77	Sacagawea	5 de novembro de 2020, 23:24	Falcon 9 Bloco 5	CCSFS , SLC-40	Em serviço
GPS III-05	USA-319	78	Neil Armstrong	17 de junho de 2021, 16h09	Falcon 9 Bloco 5	CCSFS , SLC-40	Testando
GPS III-06		79	Amelia Earhart	2022	Falcon 9 Bloco 5	TBA	Disponível para lançamento
GPS III-07		80	Sally Ride	202x	TBA	TBA	Disponível para lançamento
GPS III-08		81	Katherine Johnson	202x	TBA	TBA	Disponível para lançamento
GPS III-09		82	Ellison Onizuka	202x	TBA	TBA	Em construção
GPS III-10		83	Hedy Lamarr	202x	TBA	TBA	Em construção

Novos sinais de navegação

Civil L2 (L2C)

Um dos primeiros anúncios foi a adição de um novo sinal de uso civil a ser transmitido em uma frequência diferente da frequência L1 usada para o sinal GPS Coarse Acquisition (C / A) existente. No final das contas, ele ficou conhecido como o sinal L2C porque é transmitido na frequência L2 (1227,6 MHz). Pode ser transmitido por todos os blocos IIR-M e satélites de design posterior. O plano original afirmava que, até que o novo sistema OCX (Bloco 1) esteja instalado, o sinal consistiria em uma mensagem padrão (“Tipo 0”) que não contém dados de navegação. O Bloco 1 OCX com os dados de navegação L2C foi programado para entrar em serviço em fevereiro de 2016, mas foi adiado até 2022 ou mais tarde.

Como resultado dos atrasos OCX, o sinal L2C foi desacoplado do cronograma de implantação OCX. Todos os satélites capazes de transmitir o sinal L2C (todos os satélites GPS lançados desde 2005) começaram a transmitir mensagens de navegação civil pré-operacional (CNAV) em abril de 2014 e, em dezembro de 2014, a Força Aérea começou a transmitir uploads CNAV diariamente. O sinal L2C será considerado totalmente operacional após ser transmitido por pelo menos 24 veículos espaciais, atualmente projetado para acontecer em 2021. Em outubro de 2017, L2C estava sendo transmitido por 19 satélites. O sinal L2C tem a tarefa de fornecer maior precisão de navegação, fornecendo um sinal fácil de rastrear e atuando como um sinal redundante em caso de interferência localizada.

O efeito imediato de ter duas frequências civis sendo transmitidas de um satélite é a capacidade de medir diretamente e, portanto, remover o erro de atraso ionosférico desse satélite. Sem essa medição, um receptor GPS deve usar um modelo genérico ou receber correções ionosféricas de outra fonte (como um sistema de aumento baseado em satélite ). Os avanços na tecnologia tanto para os satélites GPS quanto para os receptores GPS tornaram o atraso ionosférico a maior fonte de erro no sinal C / A. Um receptor capaz de realizar essa medição é conhecido como receptor de dupla frequência. Suas características técnicas são:

L2C contém duas sequências PRN distintas:
- CM (para código de comprimento civil moderado) tem 10.230 bits de comprimento, repetindo-se a cada 20 milissegundos .
- CL (para código de comprimento longo civil) é de 767.250 bits, repetindo-se a cada 1.500 milissegundos (ou seja, a cada 1,5 segundo).
- Cada sinal é transmitido a 511.500 bits por segundo ( bit / s ); no entanto, eles são multiplexados para formar um sinal de 1.023.000 bit / s.
O CM é modulado com uma mensagem de navegação de 25 bits / s com correção de erro progressiva , enquanto o CL não contém dados modulados adicionais.
A longa sequência CL sem dados fornece proteção de correlação aproximadamente 24 dB maior (~ 250 vezes mais forte) do que L1 C / A.
As características do sinal L2C fornecem 2,7 dB a mais de recuperação de dados e 0,7 dB a mais de rastreamento de portadora do que L1 C / A.
A potência de transmissão dos sinais L2C é 2,3 dB mais fraca do que o sinal L1 C / A.
Em uma aplicação de frequência única, L2C tem 65% mais erro ionosférico do que L1.

É definido em IS-GPS-200.

Militar (M-code)

Um componente importante do processo de modernização, um novo sinal militar chamado código M foi projetado para melhorar ainda mais o anti-bloqueio e o acesso seguro aos sinais militares do GPS. O código M é transmitido nas mesmas frequências L1 e L2 já em uso pelo código militar anterior, o código P (Y). O novo sinal é moldado para colocar a maior parte de sua energia nas bordas (longe das portadoras P (Y) e C / A existentes). Ao contrário do código P (Y), o código M é projetado para ser autônomo, o que significa que os utilizadores podem calcular suas posições usando apenas o sinal do código M. Os receptores de código P (Y) devem primeiro travar no código C / A e então transferir para travar no código P (Y).

Em uma grande mudança em relação aos projetos anteriores de GPS, o código M deve ser transmitido a partir de uma antena direcional de alto desempenho , além de uma antena de ângulo amplo (Terra completa). O sinal da antena direcional, denominado feixe pontual , deve ser direcionado a uma região específica (ou seja, várias centenas de quilômetros de diâmetro) e aumentar a intensidade do sinal local em 20 dB (10 × intensidade do campo de tensão, 100 × potência). Um efeito colateral de ter duas antenas é que, para receptores dentro do feixe pontual, o satélite GPS aparecerá como dois sinais GPS ocupando a mesma posição.

Embora o sinal de código M completo da Terra esteja disponível nos satélites Bloco IIR-M, as antenas de feixe pontual não estarão disponíveis até que os satélites Bloco III sejam implantados. Como os outros novos sinais de GPS, o código M é dependente de OCX – especificamente Bloco 2 – que estava programado para entrar em serviço em outubro de 2016, mas que foi adiado até 2022, e essa data inicial não refletia o atraso de dois anos no lançamento do primeiro satélite esperado pelo GAO.

Outras características do código M são:

Os satélites irão transmitir dois sinais distintos de duas antenas: uma para cobertura total da Terra, uma em um feixe pontual.
Modulação de portadora de deslocamento binário .
Ocupa 24 MHz de largura de banda.
Ele usa uma nova mensagem de navegação MNAV, que é empacotada em vez de emoldurada, permitindo cargas úteis de dados flexíveis.
Existem quatro canais de dados eficazes; dados diferentes podem ser enviados em cada frequência e em cada antena.
Pode incluir FEC e detecção de erros.
O feixe pontual é ~ 20 dB mais poderoso do que todo o feixe de cobertura da Terra.
Sinal de código M na superfície da Terra: –158 dBW para antena terrestre inteira, –138 dBW para antenas de feixe pontual.

Salvaguarda da Vida (L5)

Safety of Life é um sinal para uso civil, transmitido na frequência L5 (1176,45 MHz). Em 2009, um satélite WAAS enviou as primeiras transmissões de teste de sinal L5. SVN-62 , o primeiro satélite de bloco IIF de GPS, transmite continuamente o sinal L5 a partir de 28 de junho de 2010.

Como resultado de atrasos na programação do segmento de controle GPS III, o sinal L5 foi desacoplado da programação de implantação OCX. Todos os satélites capazes de transmitir o sinal L5 (todos os satélites GPS lançados desde maio de 2010) começaram a transmitir mensagens de navegação civil pré-operacional (CNAV) em abril de 2014 e, em dezembro de 2014, a Força Aérea começou a transmitir uploads CNAV diariamente . O sinal L5 será considerado totalmente operacional quando pelo menos 24 veículos espaciais estiverem transmitindo o sinal, atualmente projetado para acontecer em 2024.

Em 18 de abril de 2017, L5 estava sendo transmitido por 12 satélites.

Melhora a estrutura do sinal para melhor desempenho.
Maior potência de transmissão do que o sinal L1 ou L2C (~ 3 dB ou duas vezes mais potente).
Largura de banda mais ampla, resultando em um ganho de processamento de 10 vezes.
Códigos de distribuição mais longos (10 vezes mais longos do que os usados no código C / A).
Localizada na banda de Serviços de Radionavegação Aeronáutica , banda de frequência disponível em todo o mundo.

O WRC-2000 adicionou um componente de sinal espacial a esta banda aeronáutica para que a comunidade da aviação possa gerenciar a interferência em L5 de forma mais eficaz do que em L2. É definido em IS-GPS-705.

New civil L1 (L1C)

L1C é um sinal de uso civil, a ser transmitido na mesma frequência L1 (1575,42 MHz) que contém o sinal C / A usado por todos os usuários GPS atuais.

A transmissão L1C começará quando GPS III Control Segment (OCX) Bloco 1 tornar-se operacional, atualmente agendado para 2022. O sinal L1C atingirá o status operacional total quando for transmitido de pelo menos 24 satélites GPS Bloco III, atualmente projetados para o final da década de 2020.

A implementação fornecerá código C / A para garantir compatibilidade com versões anteriores.
Garantido um aumento de 1,5 dB na potência mínima do código C / A para mitigar qualquer aumento de piso de ruído.
O componente de sinal sem dados contém uma portadora piloto para melhorar o rastreamento.
Permite maior interoperabilidade civil com Galileo L1.

É definido no IS-GPS-800.

Melhorias

Aumento da potência do sinal na superfície da Terra:

Código M: −158 dBW / −138 dBW.
L1 e L2: −157 dBW para o sinal de código C / A e −160 dBW para o sinal de código P (Y).
L5 será de -154 dBW.

Pesquisadores da The Aerospace Corporation confirmaram que o meio mais eficiente de gerar o sinal de código M de alta potência implicaria no afastamento da cobertura total da Terra, característica de todos os sinais de downlink do usuário até aquele ponto. Em vez disso, uma antena de alto ganho seria usada para produzir um feixe pontual direcional com várias centenas de quilômetros de diâmetro. Originalmente, esta proposta foi considerada como um retrofit para os satélites do Bloco IIF planejados. Após uma inspeção mais detalhada, os gerentes de programa perceberam que a adição de uma grande antena implantável, combinada com as mudanças que seriam necessárias no segmento de controle operacional, apresentava um desafio muito grande para o projeto do sistema existente.

A NASA solicitou que os satélites Bloco III carreguem retrorrefletores a laser . Isso permite rastrear as órbitas dos satélites independentemente dos sinais de rádio, o que permite que os erros do relógio do satélite sejam separados dos erros de efemérides . Este, um recurso padrão do GLONASS , será incluído no sistema de posicionamento Galileo e foi incluído como um experimento em dois satélites GPS mais antigos (satélites 35 e 36).

A USAF está trabalhando com a NASA para adicionar uma carga útil do Sistema de Alerta de Emergência ( DASS ) ao segundo incremento de satélites GPS III como parte do sistema de busca e resgate MEOSAR .

Segmento de Controlo

GPS control segment OCX

O Segmento de Controle Operacional GPS (OCS), que consiste em uma rede mundial de centros de operações de satélite, antenas terrestres e estações de monitoramento, fornece recursos de Comando e Controle (C2) para os satélites GPS Bloco II. A última atualização do GPS OCS, Architectural Evolution Plan 7.5, foi instalada em 16 de novembro de 2018.

Next-Generation segmento de controle operacional (OCX)

Em 2010, a Força Aérea dos Estados Unidos anunciou planos para desenvolver um segmento de controle moderno, uma parte crítica da iniciativa de modernização do GPS. OCS continuará a servir como o sistema de controle de solo de registro até que o novo sistema, Sistema de Controle Operacional GPS de Próxima Geração (OCX), esteja totalmente desenvolvido e funcional.

Os recursos OCX estão sendo entregues à Força Aérea dos Estados Unidos em três fases distintas, conhecidas como “blocos”. Os blocos OCX são numerados de zero a dois. Com cada bloco entregue, OCX ganha funcionalidade adicional.

Em junho de 2016, a Força Aérea dos EUA notificou formalmente o Congresso que os custos projetados do programa da OCX haviam subido acima de US $ 4,25 bilhões, excedendo assim as estimativas de custo de linha de base de US $ 3,4 bilhões em 25%, também conhecido como violação crítica Nunn-McCurdy . Os fatores que levaram à violação incluem “engenharia de sistemas inadequada no início do programa” e “a complexidade dos requisitos de segurança cibernética na OCX”. Em outubro de 2016, o Departamento de Defesa certificou formalmente o programa, uma etapa necessária para permitir que o desenvolvimento continue após uma violação crítica.

OCX Bloco 0 (lançamento e verificação do sistema)

O OCX Block 0 fornece o subconjunto mínimo de recursos OCX completos necessários para dar suporte ao lançamento e à verificação antecipada do ônibus da espaçonave em órbita em veículos espaciais GPS III.

O Bloco 0 completou dois eventos de teste de segurança cibernética em abril e maio de 2018 sem novas vulnerabilidades encontradas.

Em junho de 2018, o Bloco 0 teve seu terceiro ensaio de lançamento integrado com sucesso com GPS III.

A Força Aérea dos Estados Unidos aceitou a entrega do Bloco OCX 0 em novembro de 2017, e é usado para preparar o primeiro lançamento de GPS em dezembro de 2018.

OCX Bloco 1 (recursos civis GPS III)

OCX Bloco 1 é uma atualização para OCX Bloco 0, momento em que o sistema OCX atinge a capacidade operacional inicial (IOC). Assim que o Bloco 1 for implantado, a OCX será pela primeira vez capaz de comandar e controlar os satélites GPS do Bloco II e Bloco III, bem como oferecer suporte à capacidade de começar a transmitir o sinal L1C civil.

Em novembro de 2016, o GAO relatou que o Bloco 1 OCX se tornou a principal causa de atraso na ativação da missão GPS III PNT.

O Bloco 1 concluiu a iteração final da Revisão Crítica de Design (CDR) em setembro de 2018. O desenvolvimento do software no Bloco 1 está programado para ser concluído em 2019, após o qual o software do Bloco 1 passará por 2,5 anos de testes de sistema.

OCX Block 2 (recursos militares GPS III, sinal civil monitoramento)

O OCX Block 2 atualiza o OCX com os recursos avançados de código M para usuários militares e a capacidade de monitorar o desempenho dos sinais civis. Em março de 2017, a contratada reformulou seu cronograma de entrega OCX para que o Bloco 2 agora seja entregue à Força Aérea simultaneamente com o Bloco 1. Em julho de 2017, um atraso adicional de nove meses para o cronograma foi anunciado. De acordo com a programação do programa de julho de 2017, o OCX será entregue à Força Aérea em abril de 2022.

Operações de contingência

As Operações de Contingência do GPS III (“COps”) são uma atualização do Segmento de Controle Operacional do GPS, permitindo que o OCS forneça os recursos de Posição, Navegação e Tempo (PNT) do Bloco IIF dos satélites GPS III. O esforço de Operações de Contingência permite que os satélites GPS III participem da constelação GPS, embora de forma limitada, sem ter que esperar até que o Bloco 1 OCX se torne operacional (atualmente programado para 2022).

A Força Aérea dos Estados Unidos concedeu o contrato de Operações de Contingência de US $ 96 milhões em fevereiro de 2016. Em setembro de 2018, o desenvolvimento do software foi concluído e o teste de integração de componentes estava programado para ser concluído no mês seguinte. O teste de aceitação operacional está programado para janeiro de 2020.

Cronograma de implantação

Encontro	Desdobramento, desenvolvimento	Veículos espaciais			Observações
		Comando e Controle		Satélites entregando dados de navegação
		OCS	OCX	Satélites entregando dados de navegação
Dezembro de 2018	Bloco OCX 0	Bloco II	Bloco III (lançamento e checkout apenas)	Bloco II	OCS e OCX operam em paralelo
Janeiro de 2020	Operações de Contingência	Bloco II	Bloco III (lançamento e checkout apenas)	Bloco II e Bloco III	OCS e OCX operam em paralelo
Janeiro de 2023	OCX Bloco 1 e OCX Bloco 2		Bloco II e Bloco III	Bloco II e Bloco III	OCS não é mais usado, as transmissões L1C começam, funcionalidade completa do GPS III alcançada.

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