Взлет и падение популярности GPS: средний возраст спутников GPS достиг 13 лет

Средний возраст спутников GPS в настоящее время составляет 13 лет, причем половина из них превысила расчетный срок службы.

​Спутник USA-132 побил рекорд самого старого спутника GPS в истории, проработав более 27 лет. Хотя этот рекорд является показателем надежности и надежной конструкции спутника GPS, он также означает, что служба по-прежнему использует оборудование, созданное в 1990-х годах.

Глобальная система позиционирования уже давно является одной из важнейших и широко используемых служб в мире, однако навигационная сеть США демонстрирует признаки старения, скатываясь к модели поддержания статус-кво вместо стимулирования инноваций.

История за 60 секунд: История GPS восходит к первому в мире спутнику, Спутнику. Джордж Вайффенбах и Уильям Гайер из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса обнаружили, что они могут отслеживать местоположение спутника, анализируя его радиосигнал.

Это открытие проложило путь к созданию в 1960-х годах в США первой, но ограниченной спутниковой системы геопозиционирования, получившей название «Транзит».

Постоянно растущая напряженность времен Холодной войны обусловила необходимость улучшения военными служб определения времени и местоположения, что привело к разработке новой и улучшенной версии — Навигационной системы с определением времени и дальности (NAVSTAR).

NAVSTAR — это система GPS, которую мы знаем сегодня.

Первый спутник NAVSTAR был запущен в 1978 году, но система не преодолела порог в 24 спутника до 1993 года, когда она стала полностью работоспособной.
Он был разработан для обеспечения глобального покрытия путем использования не менее 24 спутников на средней околоземной орбите.
Сегодня в эксплуатации находится 31 спутник GPS, тогда как в 2016 году их было 36.

GPS 101: Вот как работает GPS:

Спутники излучают синхронизированные радиосигналы, которые могут быть уловлены пользовательским оборудованием.

Оборудование использует этот сигнал для расчета расстояния между собой и спутником. Определив расстояние между ним и четырьмя или более спутниками, можно определить местоположение пользователя.

Частота: Каждый спутник GPS передает сигналы на нескольких частотах, при этом частоты L1 и L2 доступны во всех спутниках, а частота L5 предлагается в последних поколениях.

Наземный сегмент: Наземный сегмент представляет собой сеть наземных станций, которые отслеживают и контролируют спутники GPS, одновременно отслеживая время GPS.

Эпоха коммерциализации

Первоначально система GPS была разработана в первую очередь для военных целей, но была открыта для широкомасштабного гражданского использования после трагической катастрофы рейса 007 Korean Air в 1983 году.

Самолет авиакомпании Korean Air выполнял рейс между Нью-Йорком и Сеулом, когда отклонился от курса и случайно вошел в воздушное пространство Советского Союза, где впоследствии был сбит.

После этого события президент Рейган объявил, что США сделают GPS доступным для всех коммерческих авиалайнеров, чтобы гарантировать, что подобные инциденты не повторятся.

С тех пор GPS превратился в одну из самых широко используемых услуг в мире, миллиарды людей используют GPS ежедневно сегодня. По многим показателям это самый ценный компонент космической экономики.

• Услуга бесплатна для всех пользователей, имеющих совместимый приемник.
• Гражданские приложения GPS охватывают широкий спектр областей: от персональных устройств до транспорта и банковского дела.
• Время GPS используется в различных отраслях промышленности для регистрации времени финансовых транзакций, а в энергетическом секторе — для синхронизации электросети.
• По оценкам, сбой в работе GPS может привести к потерям в размере 1 млрд долларов в день.

Модернизация GPS

За прошедшие годы США модернизировали как спутниковый, так и контрольный сегмент, чтобы повысить точность и устойчивость службы GPS.

Модернизация спутников: Для космических аппаратов изменения были сосредоточены на принятии более сильных сигналов, увеличении автономных операций и продлении их срока службы. Наиболее значимой недавней модернизацией стало введение сигнала L5, что потребовало модернизации как спутникового, так и контрольного сегментов.

Обновления спутников GPS суммированы для каждого блока

Десять спутников Block III и 12 спутников IIF доводят общее число спутников, оснащенных L5, до 22, что немного меньше 24, необходимых для объявления сигнала L5 рабочим.

На диаграмме ниже показано количество спутников GPS за каждый год и их распределение по блокам.

Модернизация наземного сегмента: наземный сегмент GPS также находится в процессе модернизации с помощью сегмента оперативного управления GPS следующего поколения (OCX). OCX необходим для активации сигнала L5 и управления спутниками GPS Block III.

Контракты OCX фазы 0, 1 и 2 были присуждены компании Raytheon (RTX) в 2010 году и имели целевую дату завершения в 2016 году.

С тех пор фаза 0 уже реализована, но остальная часть системы отстает на 8 лет.

Из-за задержки Космические силы создали программу «GPS III Contingency Operations» для обновления программного обеспечения существующих систем, чтобы спутники GPS III могли работать до тех пор, пока не будет доставлен OCX. Правительство попросило Lockheed разработать обновление программного обеспечения, которое позволило бы спутнику GPS III работать, используя существующую инфраструктуру.

Наступает стагнация

Задержка в программе наземного управления OCX — это лишь одна из проблем, которые всплыли в связи с системой GPS. Другая проблема заключается в том, что США задержали запуск новых и улучшенных спутников GPS Block 3.

В 2021 году Lockheed Martin и Космические силы объявили три спутника GPS III (SV06-SV08) «готовыми к запуску», но спустя три года был запущен только один, а два остаются на хранении. Следующий запуск ожидается не раньше начала 2025 года.
Последние два спутника GPS III по контракту 2018 года (SV09 и SV10) были поставлены компанией Lockheed Martin в конце 2022 и начале 2023 года, но ожидается, что они будут запущены не ранее 2026 года.
Темпы запуска спутников GPS сильно замедлились за последние пару лет, за последние 8 лет было запущено всего 6 спутников. Активы стоят сотни миллионов каждый и медленно теряют свою ценность, лежа на земле.

Игра в то или это: Эксперты предполагают, что бюджетные приоритеты стали фактором. GPS продолжает работать достаточно хорошо, поэтому, если правительство сможет отложить запуск спутника с улучшенными возможностями, это откроет доллары для других приоритетных проектов.

«У правительства есть деньги на запуск GPS», — сказал Payload Тодд Уолтер, директор лаборатории GPS в Стэнфорде. «Но я думаю, они смотрят на эти деньги и говорят, что мне не нужно тратить их на запуск этих спутников».

В результате правительство перешло к периоду запуска замен.

«Текущий статус — запуск по необходимости, а не запуск для движения вперед», — сказал Уолтерс. «В настоящее время самому старому спутнику на орбите более 26 лет, так что это довольно долгий срок для того, чтобы спутник там находился».

Задержки в запуске спутников GPS III увеличили средний возраст созвездия GPS. И теперь их средний возраст превысил проектный срок службы многих спутников.

Новые спутники необходимо запускать, чтобы можно было вывести из эксплуатации старые спутники с устаревшими технологиями и свести к минимуму риск сбоев, которые могут привести к временному отключению системы.

Публично доступные данные Стэнфордской GPS-лаборатории показывают, что с 2009 по 2023 год произошло восемь ошибок спутниковых часов. Пять ошибок произошло между 2009 и 2012 годами, и в последующие десять лет ошибок не было. Две недавние статьи Реббеки Ванг сообщили о тенденции к росту сбоев спутниковых часов за последние два года, один из которых произошел в 2022 году, а два — в 2023 году.

Общая сеть GPS по-прежнему работает хорошо. Но стареющие спутники в сочетании с задержками в программе OCX и графике запуска GPS III ставят под угрозу ее конкурентоспособность, поскольку международные конкуренты вводят в эксплуатацию собственные системы GNSS, а частные компании разрабатывают индивидуальные альтернативы.