Vlákno názorů k článku
Co způsobilo výpadek družicového navigačního systému Galileo v červenci od Zdenka B. - Dobrý den, prosím Vás, dokáže mi někdo vysvětlit, proč...

Dobrý den,

prosím Vás, dokáže mi někdo vysvětlit, proč si družice průběžně (prakticky téměř v reálném čase) jednoduše a hlavně přesněji pomocí trilaterace ze signálu z pozemních stanic SAMY nepočítají vlastní polohu?! Vývojář Bert Hubert ve svém článku zmiňuje, že přesnost navigačního systému pochopitelně přímo závisí na znalosti přesné polohy družic "precision on earth will never be better than how precisely we know where the satellites in space are"

Jinak řečeno, dle popisu systém Galileo určuje polohu družic pomocí pozemních stanic, které družice sledují, počítají parametry jejich drah (efemeridy) a následně několikrát za hodinu nové efemeridy uploadují do družic. Přijde mi mnohem jednodužší, logičtější, spolehlivější a především přesnější vysílat signály s přesným časem z pozemních stanic (radiomajáků), ze kterých by si družice samy svoji polohu průběžně počítaly (analogicky jako do dělá každý mobilní telefon či navigace ze signálů družic).

Na tuto otázku se mi dosud nepodařilo najít uspokojivou odpověď. Mám na to vlastní teorii resp. myslím si, že odpověď znám, ale ráda bych se dozvěděla skutečný důvod od někoho zasvěceného. Předem děkuji.

není to tím, že satelity nemají potřebný výpočetní výkon?

Satelit musí pro určení polohy v prostoru pomocí trilaterace přijmout signál ze čtyř míst na zemi. Každé místo vysílá na dvou rozdílných frekvencích, aby se dala spočítat a eliminovat odchylka způsobená průchodem atmosférou, která se u každé frekvence projeví jinak. V signálu je informace o poloze a času odeslání. S nějakou omezenou přesností to zvládne to i low cost mobilní telefon z podporou GPS z Alibaby za $6.

Dále pokud jsem to správně pochopila, tak pozemní stanice uploadují do družic pouze efemeridy (údaje o poloze v určitém čase/časech). Satelit doplní čas ze svých atomových hodin a svou polohu si stejně musí sám dopočítat.

Dobrý den,

výpočet bude celkem složitý, pohybují se i pozemní stanice s pohybem kontinentů, z vysílání na dvou frekvencích se koriguje vliv profilu indexu lomu v atmosféře, který se mění podle směru dráhy, aktuálního počasí svázaného s jevy v atmosféře svázanými s úhlem a intenzitou slunečních paprsků atd. Přitom i polohy pozemních vysílačů se pravděpodobně zpětně určují z dat získávaných z družic. Ani země se neotáčí plynule, bude záležet na zadržení příboje, když se dostane k frontě dalšího kontinentu atd. Takže nakonec ten pohyb družic je asi to nejstabilnější, co je. Přitom i na ty působí sluneční vítr, tření o zbytky atmosféry, kolize s prachem. Samotný Bert Hubert hodnotí rychlost srovnání systému v řádu dnů po (pravděpodobně) totálním rozkladu sledování polohy družic, jako velmi rychlý.

Obecně takto komplikované výpočty, které potřebují naráz data ze všech družic, řešit distribuovaně na družicích s jen částečnou znalostí je asi opravdu obtížné, zbytečné a rizikové. Je lepší výpočet a trakování provádět na několika nezávislých lokacích na zemi, které přes dvoucestnou synchronizaci přes satelity mají přesně srovnaný čas a vzájemně vyměněná veškerá data.

Takže bez opravdu velmi hluboké znalosti systému bych si vůbec nedovolil tvrdit, jak systém změnit, vylepšit. Mám kolegu, který je po desítce let přesvědčený, že fúze času z více zdrojů na družicích není udělaná dobře. Pro toto hodnocení nejdříve studoval několik let články, měl několik příspěvků na konferencích o nových možnostech fúzování, pro jinou firmu řešil dvoucestnou synchronizaci času přes satelit, teď i v tomto oboru zakládá vlastní firmu. Pracuje ve ESA a baví se s lidmi, kteří hodiny a satelity pro Galileo navrhovali. Přesto své tvrzení bude muset ještě možná roky testovat, diskutovat a pak možná jeho nápady mírně ovlivní návrh budoucí generace Galileo satelitů. Stejně tak z komponent dostupných v laboratořích ESA staví vlastní návrh atomových hodin, na kterém chce testovat některé úpravy, ale finální design musí vzít společnosti s technologickou základnou.

Neodborně a ve spěchu do takto složitých systémů sahat povede k mnohem větším problémům, než vykazuje současný stav. Tím neříkám, že pokud by celý projekt byl ve veřejných repository a vědci i nadšenci by mohli algoritmy zkoumat, testovat upravené verze a obecně vše řešit veřejně i včetně cen nabídek a nákupů komponent, tak by cena projektu nejspíš několikanásobně klesla a šel by kupředu rychleji. Ale pokud nepracujete a nemáte praktické a nebo vědecké výstupy v oboru, tak bych začal fází nasávání informací, zkoušel navrhovat technická řešení a diskutovat a testovat nápady na jednodušších komponentách. Pak teprve navrhovat změnu celé koncepce.

"výpočet bude celkem složitý"

Ano, výpočet polohy není úplně triviální, ale zase ne tak složitý, aby to satelit sám nezvládl počítat. Zvládne to i ten nejprimitivnější, nejlevnější mobil. Sice ne tak přesně, ale to je dáno především tím, že nemá tak přesné hodiny.

"Takže nakonec ten pohyb družic je asi to nejstabilnější, co je."

To rozhodně není. Přitažlivá síla (pole) kolem Země není ani zdaleka homogenní a hlavně není stabilní, také podléhá změnám.

"Obecně takto komplikované výpočty, které potřebují naráz data ze všech družic, řešit distribuovaně na družicích s jen částečnou znalostí je asi opravdu obtížné, zbytečné a rizikové. Je lepší výpočet a trakování provádět na několika nezávislých lokacích na zemi, které přes dvoucestnou synchronizaci přes satelity mají přesně srovnaný čas a vzájemně vyměněná veškerá data."

Nezlobte se, to co píšete jsou jen Vaše nepodložené dohady. Hodiny na satelitu jsou to nejpřesnější co umíme vyrobit.

Hodiny na satelitu jsou to nejpřesnější co umíme vyrobit

Až na to, že na oběžné dráze je neumíme servisovat, a pokud se nepletu, bylo to zrovna galileo, které mělo se selhávajícími atomovými hodinami problémy.

Tady nejde tolik o to, zda si to ty družice nespočtou sami, ale o to, že ze země máte nad vším větší kontrolu, můžete před odesláním data různým způsobem zkontrolovat. IMHO je lepší výpadek než například nechat nabourat nějaké drony do něčeho, jen kvůli tomu, že si myslely že jsou o pár metrů vedle.

"Až na to, že na oběžné dráze je neumíme servisovat"

Proto jsou na každém satelitu čtvery hodiny a lze předpokládat kontrolu konzistence.

"Tady nejde tolik o to, zda si to ty družice nespočtou sami, ale o to, že ze země máte nad vším větší kontrolu"

Ale ony si většinu dat počítají samy(!) a po většinu času pracují autonomně. Nad čím máte ze Země větší kontrolu?

"můžete před odesláním data různým způsobem zkontrolovat

Kontrola před odesláním jakých dat, odkud se ta data odesílají, kde/odkud a jak se kontrolují? Vaše formulace je příliš vágní.

Nejsem odborník na satelity, ale obecně každé řešení má dvě dobré metody (minimálně), jež si protiřečí. Rovnající se výhody a nevýhody. Záleží jen na souhře okolností, pro co se rozhodne.
Zde bych řekl, že co nejjednodušší procesy dávat na 'neopravitelné' zařízení (satelit) a zbytek nechat na povrchu zemském.

Výpočet polohy trilaterací není nijak extrémně složitý. Satelit systému Galileo stejně musí vypočítávat svou polohu na základě času ze svých atomových hodin a údajů z efemerid. Kde vidíte rozdíl?

Družice GPS uměly samostatně generovat své vlastní efemeridy bez pomoci pozemního segmentu už od počátku. První generace to zvládala na pár hodin, každá další na delší a delší interval. V poslední generaci je to, tuším, kolem 30 dní. Nejmodernější družice GPS, GLONASS i Galileo jsou vybaveny inerciálním navigačním systémem a měly by snad i umět určovat svou polohu podle hvězd. Družice GLONASS určují vzájemnou polohu mj. i pomocí laserů. To vše má zajistit kontinuitu provozu v případě výpadku pozemního segmentu.

Přes to všechno se ale pořád ukazuje přesnější určit polohu družic a odchylky palubních hodin od systémového času pozorováním na Zemi a nechat družice vypočtené údaje pouze distribuovat.

Při výpočtech přesných poloh družic se totiž uplatňují korekce zpoždění signálu při průchodu troposférou a ionosférou. Ty mohou být určeny na základě dalších měření prováděných na Zemi. Mimochodem, ionosférické parametry družice také vysílají. Taková měření družice nemohou provádět.

Systémový čas daného GNSS obvykle tvoří palubní hodiny družic spolu se skupinou dalších atomových hodin v pozemním segmentu.

Proto se systémový čas, odchylky palubních hodin a parametry drah družic počítají v pozemním segmentu a na družice se pouze vysílají výsledné produkty.

"Proto se systémový čas, odchylky palubních hodin a parametry drah družic počítají v pozemním segmentu a na družice se pouze vysílají výsledné produkty."

Každý satelit Galilea má samozřejmě vlastní hodiny, dokonce čtvery. Efemeridy obsahují informace o přesné poloze pouze v určitých časech. Zbytek si satelit sám dopočítává viz. oficiální popis funkčnosti systému.

Družice Galileo má sice 4 hodiny - jeden pár pasivních vodíkovych maserů a jeden pár Rb hodin - aktivní je ale vždy jen jedna dvojice Rb a H, druhá dvojice je vypnutá. Primární zdroj je vždy H-maser, Rb běží jako záloha v případě poruchy maseru. Pokud taková porucha nastane, povelem ze Země se přepne na Rb, aktivuje se druhá dvojice H+Rb, nastaví se a první dvojice se vypne.

Ano, efemeridy se vztahují ke konkrétnímu času a mají omezenou platnost, ale polohu družice v požadovaný okamžik počítá až přijímač. V ICD je uveden postup, jak si má uživatel z přijatých parametrů vypočítat polohu družice odchylku hodin sám, ne jak to dělá družice, pokud tak vůbec činí.

Nevím, jestli družice počítá svojí aktuální polohu nebo ne, ale rozhodně ji nevysílá. Ono to z principu ani nejde. Přenos efemerid trvá např. u GPS 30 sekund, celý almanach 12,5 minuty. Uživateli je aktualizace 1x za 30 s k ničemu. Pro představu, za tu dobu po dálnici ujedete více než 1 km.

Proto až přijímač vypočítá okamžitou polohu družice a odchylku palubních hodin. Z nich vypočítá svoji polohu a odchylku času a tyto výsledky poskytuje uživateli každou sekundu, některé i 100x za sekundu. Tohle žádná družice neumí obsloužit. Vypočítat možná ale odeslat ani náhodou.

Skvělé. Moc děkuji za informace! Mohu poprosit o odkaz, kde je tato funkčnost popsána, prosím Vás? Předem děkuji.

Nechápu, proč satelit aktuální polohu "rozhodně nevysílá"? To by přece dělat měl, ne? Pokud jsem správně pochopila trilateraci, pak základem je odesílat polohu a čas. Satelit tedy vysílá zpět na Zem efemeridu + čas, které přijal ze země?

Možná proto, že by bylo potřeba vybudovat spoustu stanic s atomovými hodinami po celé planetě, aby družice v každý okamžik přijímala signál ze 3 až n stanic.
Což třeba v případě nějakého konfliktu není moc praktické.
Takhle stačí poslat zpřesňující údaje o dráze je při průletu v dosahu některého střediska střediska.
Myslím, že jsou pro GPS čtyři.
Jen můj předpoklad, nevím jak často ty efemeridy zpřesňují.
A navíc je známo, že průchod signálu atmosférou vnáší do příjmu GPS chybu, což by platilo i při opačném směru k satelitům. Patrně je měření polohy ze země přesnější.

"Možná proto, že by bylo potřeba vybudovat spoustu stanic s atomovými hodinami po celé planetě, aby družice v každý okamžik přijímala signál ze 3 až n stanic."

Po celé planetě jsou rozmístěny stanice s atomovými hodinami. Pro určení polohy v prostoru je potřeba přijímat signál ze 4 stanic. Zpřesněné Efemeridy se podle ESA uploadují do satelitů několikrát za hodinu.

"A navíc je známo, že průchod signálu atmosférou vnáší do příjmu GPS chybu."

Tato chyba se eliminuje pomocí signálu posílaného na dvou rozdílných frekvencích (na každé frekvenci se zkreslení projeví jinak) a následným výpočtem.

"Patrně je měření polohy ze země přesnější."

To si právě nemyslím :) Doporučuji se detailně seznámit s fakty.

Tato chyba se eliminuje pomocí signálu posílaného na dvou rozdílných frekvencích (na každé frekvenci se zkreslení projeví jinak) a následným výpočtem.

Tímto se eliminuje pouze ionosférické zpoždění, troposférické už ne. Přitom troposféra má na zpoždění signálu při nízké elevaci družice mnohem větší vliv než ionosféra. Na druhou stranu, troposféra se modeluje celkem účinněji než ionosféra.

Důležité je, že takto vypočtené ionosférické zpoždění je sice přesnější než odhad pomocí standardních modelů, vypočtené zpoždění signálu je pak ale zatíženo chybou až trojnásobně větší než při použití zmíněného modelu.

Pro zajímavost, Galileo používá ionosférický model NeQuick-G, ten je téměř srovnatelně účinný jako iono-free kombinace E1 a E5a. GPS, BEIDOU nebo IRNSS využívají Klobucharův model a GLONASS ionosféru neřeší vůbec.

Na to je relativne jednoducha odpoved, kdyz se nad tim zamyslite:

Pozemni stanice jsou prilis blizko u sebe, aby triangulace davala dostatecne presny vysledek. Zatimco z pohledu pozemniho prijimace, mate satelity na polokouli - 180 stupnu (+neco vice, pac zakriveni zeme), z pohledu druzice ve vysce 20 tis km je cela zeme v kolecku o prumeru 17 stupnu (to je mj vyzarovaci uhel anteny na druzici).

Pak musite vysilat tu referenci - ze zeme do prostoru 180^2 - coz je neskutecna neefektivita - anteny pro spojeni s druzici jsou vesmes uzce smerove (parabolicke), takze by jste ji musel otacet na kazdou z druzic zvlast, zatimco v opacnem smeru - druzice si muze vysilat jednoduse do prostoru 17-ti stupnu a trefi tim celou zemi.

To s těmi anténami se mi moc nezdá. Ten signál musíš na druhé straně taky něčím přijmout (tj. podle mě zanedbáváš zisk antény přijímače) a path loss je oběma směry stejný. Jediné, co mě napadá, je, že Země bude zdrojem šumu, takže obloha bude mít na Zemi níž noise floor než Země na družici. Ale zase družice má omezený příkon.

"Země bude zdrojem šumu"

Země je relativně krásně odstíněná díky vlastnímu elektromagnetickému poli. Naopak satelity se pohybují ve druhém vnějším Van Allenovu pásu, kde je obrovská radiace. Tak silná, že američani i rusové po objevení těchto pásů shodně definovali nutnost chránit člověka vrstvou olova silnou 1.8m (6 stop). Přesnost rezonátoru atomových hodin je velmi citlivá na teplotu (kolísání max. ±0.1 st. C u Galilea a teplota by měla být samozřejmě co nejnižší), elektromagnetismus a záření. Jak je na satelitech řešeno dosažení stabilní, nízké teploty, když je většinu času satelit vystavem přímému slunečním záření (prach v termosféře se zahřívá až na 2000 st. C). Jak se řešeno stínění před elektromagnetickými poruchami ze slunce, před gamma zářením...?

Efemeridy jsou parametry pro výpočet přesné polohy a dráhy družice a odchylky palubních hodin od systémového času v požadovaném čase. Tyto vysílá každá družice ale pouze svoje, pro ostatní družice ne.

U GPS je platnost efemerid 4 hodiny, ale obnovují se každé 2 hodiny. Efemeridy Galileo a BeiDou se obnovují každou hodinu, efemeridy GLONASS každou půlhodinu. Efemeridy SBAS každých 256 s (evropský EGNOS) nebo 128 s (indický GAGAN).

To, co vysílá každá družice a pro všechny družice, je almanach. Technicky se jedná o stejné parametry jako efemeridy, ale s nižší přesností.

Potom ještě každá družice vysílá tzv. UTC parametry, ty obsahují údaje pro výpočet odchylky systémového času od UTC, aktuální počet přestupných sekund, případně další parametry.

musely by si svou polohu navzajem posilat - jak by to delaly? dost blbe
Jediný problém vidím v tom, že by neměli antény (nasměrované) pro vzájemnou komunikaci. Pokud ale nějak měří vzájemnou polohu, tak takové antény mají, a navzájem spolu komunikují. Pak není problém aby si vyměnili i almanach (nějakou "komprimovanou" podobu, kterou pak dopočítají a budou vysílat na zem).