GPS 블록 III

GPS Block III
GPS 블록 III
GPS Block IIIA.jpg
GPS 블록 III 인공위성에 대한 아티스트의 인상
제조사록히드 마틴
원산지미국
연산자미국 우주군
적용들항해 위성
사양
버스록히드마틴 A2100M
발사 질량3,880kg(8,550lb)
건질량2,269 kg(5,002 lb)
힘4480와트(수명)
배터리니켈-수소 배터리
정권반동기식 중간 지구 궤도
설계수명15년 (계획)
생산
상태생산중
주문대로2 [2]
빌드됨8 [3]
시작됨5 [4]
운영4 [5]
처녀 발사2018년 12월 23일
마지막 발사2021년 6월 17일
관련 우주선
파생된 위치GPS 블록 IIF
← GPS 블록 IIF GPS 블록 IIIF →

GPS 블록 III(이전의 블록 IIIA)는 최초의 10개의 GPS III 위성으로 구성되며, 이 위성은 Navstar Global Positioning System의 작동을 유지하는 데 사용될 것이다.록히드 마틴은 GPS III 비비행 위성 시험대(GNST)와 블록 III 10개 위성을 모두 설계, 개발, 제조했다.[8]이 시리즈의 첫 번째 위성은 2018년 12월에 발사되었다.[9][10]10번째이자 마지막 GPS 블록 III 발사는 2023년에 있을 예정이다.[10][11][12]

역사

미국의 위성위치확인시스템(GPS)이 1995년 7월 17일 완전한 운용능력에 도달하여 원래의 설계 목표를 달성하였다.[13]하지만, 기존의 시스템에 대한 추가적인 기술 발전과 새로운 수요는 GPS 시스템을 현대화하려는 노력으로 이어졌다.2000년에 미국 의회는 GPS III라고 불리는 이 노력을 승인했다.

이 프로젝트는 새로운 지상국과 새로운 인공위성을 포함하며, 민간과 군사 사용자 모두를 위한 추가적인 항법 신호를 포함하고 있으며, 모든 사용자의 정확성과 가용성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.

레이시온은 2010년 2월 25일 차세대 GPS 작동 제어 시스템(OCX) 계약을 따냈다.[14]

이 시리즈의 첫 번째 위성은 2014년에 발사될 것으로 예상되었지만,[15] 상당한 지연으로[16] 인해 발사가 2018년 12월까지 지연되었다.[9][10]

개발

블록 III 위성은 록히드마틴의 A2100M 위성 버스 구조를 사용한다.추진체와 가압 탱크는 경량 고강도 복합재료로 오비탈 ATK에 의해 제조된다.[17]각 위성은 Northrop Grumman Astro Astro Aerospace에서[18] 설계 및 제조한 전개식 JIB 안테나 8개를 탑재한다.

이미 1차 위성의 2014년 발사 계획보다 크게 지연된 [15]스페이스X는 2016년 4월 27일 캘리포니아주 호손에 위치한 발사 서비스에 8천270만 달러의 고정 가격 계약을 체결해 GPS III 위성을 예정된 궤도에 인도했다.계약서에는 캘리포니아 주 호손, 플로리다 주 케이프 커내버럴 공군기지, 텍사스 주 맥그리거에서 수행될 GPS III 임무를 위한 발사차량 제작, 임무 통합, 발사 작전 등이 포함됐다.[19]2016년 12월 미 공군 위성위치확인시스템 국장이 2018년 봄 첫 인공위성을 발사한다고 발표했다.[20]2017년 3월 미국 회계총괄국은 "GPS III 위성과 OCX 블록 0 발사 제어 및 체크아웃 시스템 모두의 기술적 문제가 결합되어 첫 번째 GPS III 위성의 2018년 3월 발사일이 위험에 처하게 되었다"고 밝혔다.[21]이러한 지연은 주로 항법 페이로드에서 발견된 문제 때문에 여러 가지 요인에 의해 야기되었다.[16][22]발사 날짜가 더 줄어들게 된 것은 스페이스X Falcon 9의 추가 시험과 검증이 필요했기 때문이며, 이는 결국 2018년 12월 23일에 위성을 발사했다.[23][24]2019년 8월 22일, 델타 IV에 두 번째 GPS III 위성이 발사되었다.[25]

미 공군은 2016년 9월 21일 록히드마틴과 2022년까지 출시가 가능할 것으로 예상되는 9차, 10차 블록 III 우주선에 대해 3억9500만 달러의 계약 옵션을 행사했다.[26]

실행 기록

GPS 블록 III 위성 10개 중 5개가 발사되었으며, 4개는 현재 가동 중이며, 1개는 시험 중이다.

GPS 블록 III 위성
위성 미국 지정 SVN 이름 시작 날짜(UTC) 로켓 시작 사이트 상태 참조
GPS III-01 USA-289 74 베스푸치 2018년 12월 23일 13시 51분 팰컨 9블록 5 CCSFS, SLC-40 서비스 중 [27][28]
GPS III-02 USA-293 75 마젤란 2019년 8월 22일 13시 6분 델타 IV M+ (4,2) CCSFS, SLC-37B 서비스 중 [29]
GPS III-03 USA-304 76 매슈 헨슨 2020년 6월 30일 20시 10분 팰컨 9블록 5 CCSFS, SLC-40 서비스 중 [30]
GPS III-04 USA-309 77 사카가와 2020년 11월 5일 23시 24분 팰컨 9블록 5 CCSFS, SLC-40 서비스 중 [31]
GPS III-05 USA-319 78 닐 암스트롱 2021년 6월 17일 16시 9분 팰컨 9블록 5 CCSFS, SLC-40 테스트 [3]
GPS III-06 79 아멜리아 이어하트 2022 팰컨 9블록 5 TBA 출시 가능 [3]
GPS III-07 80 샐리 라이드 202배 TBA TBA 출시 가능 [3]
GPS III-08 81 캐서린 존슨 202배 TBA TBA 출시 가능 [3]
GPS III-09 82 엘리슨 오니즈카 202배 TBA TBA 공사중 [32]
GPS III-10 83 헤디 라마르 202배 TBA TBA 공사중 [32]

새 내비게이션 신호

주요 기사: GPS 신호

민간 L2(L2C)

첫 번째 발표 중 하나는 기존의 GPS 거친 획득(C/A) 신호에 사용되는 L1 주파수 이외의 주파수로 전송될 새로운 민간 사용 신호를 추가한 것이다.결국 이것은 L2 주파수(127.6MHz)로 방송되기 때문에 L2C 신호로 알려지게 되었다.모든 블록 IIR-M과 이후 설계 위성에 의해 전송될 수 있다.당초 계획은 새로운 OCX(블록 1) 시스템이 갖춰질 때까지 신호는 항법 데이터가 없는 기본 메시지("타입 0")로 구성된다고 명시했다.[33]L2C 내비게이션 데이터가 탑재된 OCX 1블록은 2016년 2월 개통 예정이었으나 2022년 이후까지 운행 지연되고 있다.[34][35][36]

OCX 지연으로 인해 L2C 신호가 OCX 배치 일정에서 분리되었다.L2C 신호 전송이 가능한 모든 위성(2005년 이후 발사된 모든 GPS 위성)은 2014년 4월부터 작전 전 민항법(CNAV) 메시지를 방송하기 시작했고, 공군은 2014년 12월부터 매일 CNAV 업로드를 전송하기 시작했다.[33][37]L2C 신호는 현재 2023년에 발생할 것으로 예상되는 최소 24대의 우주선에 의해 방송된 후에 완전히 작동하는 것으로 간주될 것이다.[33]2017년 10월 현재 L2C는 19개 위성에서 방송되고 있다.[33]L2C 신호는 항법 정확도 향상, 추적하기 쉬운 신호 제공, 국지적 간섭 시 중복 신호로 작용하는 임무를 수행한다.

하나의 위성에서 두 개의 민간 주파수가 전송될 경우 즉각적인 효과는 해당 위성에 대한 전리권 지연 오차를 직접 측정하여 제거할 수 있는 능력이다.이러한 측정이 없으면 GPS 수신기는 일반 모델을 사용하거나 다른 소스(위성 기반 증강 시스템 등)로부터 전리권 보정을 받아야 한다.GPS 위성과 GPS 수신기 모두에 대한 기술의 발전으로 인해 이온서류가 C/A 신호에서 가장 큰 오류 발생원을 지연시켰다.이 측정을 수행할 수 있는 수신기를 이중 주파수 수신기라고 한다.기술적 특성은 다음과 같다.

  • L2C에는 두 가지 고유한 PRN 시퀀스가 포함되어 있다.
    • CM(민간 중간 길이 코드의 경우)은 길이가 10,230비트로, 20밀리초마다 반복된다.
    • CL(민간 롱 길이 코드의 경우)은 767,250비트로, 1500밀리초마다(즉, 1.5초마다) 반복한다.
    • 각 신호는 초당 51만1,500비트(비트/s)로 전송되지만, 1023,000비트/s 신호를 형성하도록 멀티플렉싱된다.
  • CM은 25비트/s 탐색 메시지로 변조되며, CL은 추가적인 변조된 데이터를 포함하지 않는다.
  • 긴 데이터 CL 시퀀스는 L1 C/A보다 약 24dB 더 큰 상관관계 보호(약 250배 더 강력)를 제공한다.
  • L2C 신호 특성은 L1 C/A보다 2.7dB 더 큰 데이터 복구와 0.7dB 더 큰 캐리어 추적을 제공한다.
  • L2C 신호의 전송 강도는 L1 C/A 신호보다 2.3dB 약하다.
  • 단일 주파수 애플리케이션에서 L2C는 L1보다 65% 더 많은 전리권 오차를 가진다.

IS-GPS-200에 정의되어 있다.[38]

밀리터리(M-code)

현대화 과정의 주요 요소인 M-code라 불리는 새로운 군사 신호는 군사용 GPS 신호의 걸림 방지 및 보안 접근을 더욱 향상시키기 위해 고안되었다.M 코드는 이전 군사 코드인 P(Y) 코드에서 이미 사용 중인 동일한 L1 및 L2 주파수로 전송된다.새로운 신호는 대부분의 에너지를 가장자리(기존 P(Y) 및 C/A 캐리어로부터 멀리)에 배치하도록 형상화되었다.M-코드는 P(Y) 코드와 달리 자율적으로 설계돼 있어 사용자가 M-코드 신호만으로 위치를 계산할 수 있다.P(Y) 코드 수신기는 일반적으로 먼저 C/A 코드에 잠근 다음 P(Y) 코드에 잠기도록 전송해야 한다.

이전의 GPS 설계에서 크게 벗어나는 경우, M-코드는 넓은 각도(완전 접지) 안테나 외에 고게인 방향 안테나에서 방송되도록 의도되었다.스폿 빔이라고 불리는 방향 안테나의 신호는 특정 지역(즉, 직경 수백 km)을 겨냥하여 국부 신호 강도를 20 dB(10배의 전압장 강도, 100배의 출력) 증가시키도록 의도되었다.안테나 2개가 있는 부작용은 스폿 빔 안에 있는 수신기의 경우 GPS 위성이 같은 위치를 차지하는 두 개의 GPS 신호로 나타나는 것이다.

블록 IIR-M 위성에서는 풀 어스 M-코드 신호를 사용할 수 있지만, 블록 III 위성이 배치될 때까지는 스폿 빔 안테나를 사용할 수 없다.다른 새로운 GPS 신호와 마찬가지로, M 코드는 OCX, 특히 블록 2에 의존하고 있는데,[35][39] 2016년 10월에 서비스를 시작할 예정이었으나 2022년까지 연기되었고,[40] 초기 날짜에는 GAO가 예상한 2년간의 첫 위성 발사 지연이 반영되지 않았다.[41][42]

기타 M-코드 특성은 다음과 같다.

  • 위성은 두 개의 안테나로부터 두 개의 구별되는 신호를 전송할 것이다: 하나는 지구 전체 커버리지용이고 하나는 스폿 빔이다.
  • 이진 오프셋 반송파 변조.
  • 24 MHz의 대역폭을 점유한다.
  • 프레임 대신 패킷화된 새로운 MNAV 항법 메시지를 사용해 유연한 데이터 페이로드가 가능하다.
  • 4개의 유효 데이터 채널이 있다; 각 주파수 및 안테나에 대해 서로 다른 데이터를 전송할 수 있다.
  • FEC와 오류 감지를 포함할 수 있다.
  • 스폿 빔은 지구 전체 커버리지 빔보다 약 20dB 더 강력하다.
  • 지구 표면에서의 M-코드 신호: -158dBW(전체 접지 안테나), –138dBW(스폿 빔 안테나)

생명의 안전 (L5)

안전 오브 라이프(Safety of Life)는 L5 주파수(1176.45MHz)로 방송되는 민간용 신호다.2009년에 WAAS 위성은 초기 L5 신호 테스트 전송을 보냈다.최초의 GPS 블록 IIF 위성인 SVN-62는 2010년 6월 28일부터 L5 신호를 지속적으로 방송했다.

GPS III 제어 세그먼트까지의 일정 지연으로 인해, L5 신호는 OCX 배치 일정에서 분리되었다.L5 신호(2010년 5월 이후 발사된 모든 GPS 위성)[43]를 전송할 수 있는 모든 위성은 2014년 4월부터 작전 전 민항법(CNAV) 메시지를 방송하기 시작했고, 공군은 2014년 12월부터 매일 CNAV 업로드를 전송하기 시작했다.[44]L5 신호는 현재 2024년에 발생할 것으로 예상되는 최소 24대의 우주 차량이 신호를 방송하면 완전히 작동하는 것으로 간주된다.[43]

2017년 4월 18일 현재 12개 위성에서 L5가 방송되고 있다.[43]

  • 신호 구조를 개선하여 성능 향상
  • L1 또는 L2C 신호보다 높은 전송 강도(약 3dB 또는 2배)
  • 대역폭을 확장하여 10배 더 많은 처리 이득을 얻음
  • 더 긴 확산 코드(C/A 코드에 사용되는 것보다 10배 더 길음)
  • 전 세계적으로 이용 가능한 주파수 대역인 Airautical Radioavigation Services 대역에 위치한다.

WRC-2000은 항공계가 L2보다 L5에 대한 간섭을 더 효과적으로 관리할 수 있도록 이 항공 대역에 우주 신호 구성요소를 추가했다.IS-GPS-705에 정의되어 있다.[45]

신규민간인L1(L1C)

L1C는 민간용 신호로, 현재 모든 GPS 사용자가 사용하는 C/A 신호가 포함된 동일한 L1 주파수(1575.42MHz)로 방송된다.

현재 2022년으로 예정된 GPS III 제어 세그먼트(OCX) 1블록이 가동되면 L1C 방송이 시작된다.[36][20]L1C 신호는 현재 2020년대 후반으로 예상되는 최소 24개의 GPS 블록 III 위성에서 방송될 때 완전한 작동 상태에 도달할 것이다.[46]

  • 구현 시 역호환성을 보장하기 위한 C/A 코드가 제공된다.
  • 최소 C/A 코드 전력의 1.5dB 증가를 보장하여 모든 소음 층 증가를 완화할 수 있다.
  • 비 데이터 신호 컴포넌트에는 추적 개선을 위한 파일럿 캐리어가 포함되어 있다.
  • Galileo L1과의 시민 상호운용성 증대.

IS-GPS-800에 정의되어 있다.[47]

개선사항

지구 표면에서의 신호 출력 증가:

  • M-코드: -158dBW / -138dBW.
  • L1 및 L2: C/A 코드 신호의 경우 -157 dBW, P(Y) 코드 신호의 경우 -160 dBW.
  • L5는 -154 dBW가 될 것이다.

항공우주공사의 연구원들은 고출력 M-코드 신호를 생성하기 위한 가장 효율적인 수단이 모든 사용자 다운링크 신호의 특징인 풀 어스 커버리지로부터의 이탈을 수반한다는 것을 확인했다.그 대신, 직경 수백 킬로미터의 방향 스폿 빔을 생산하기 위해 높은 가인 안테나를 사용할 것이다.원래 이 제안은 계획된 블록 IIF 위성을 개량한 것으로 간주되었다.면밀하게 점검한 결과, 프로그램 관리자들은 대형 전개식 안테나의 추가와 운용 제어 부문에서 필요로 하는 변경사항이 결합되어 기존 시스템 설계에 너무 큰 난제가 있음을 깨달았다.[48]

  • NASA는 블록 III 위성에 레이저 역반사기를 탑재할 것을 요청했다.[49]이를 통해 무선 신호와 무관하게 위성의 궤도를 추적할 수 있어 위성 시계 오류가 인식 오류로부터 분리될 수 있다.GLONASS의 표준 기능인 이것은 갈릴레오 위치 확인 시스템에 포함될 것이며, 두 개의 오래된 GPS 위성(위성 35와 36)에 대한 실험으로 포함되었다.[50]
  • USAF는 미 항공우주국(NASA)과 협력하여 MEOSAR 검색 및 구조 시스템의 일부로 GPS III 위성의 두 번째 증분에 탑재된 페이로드를 추가한다.[51]

제어 세그먼트

위성 운영 센터, 지상 안테나, 측정소 등의 전 세계 네트워크로 구성된 GPS 작동 제어 세그먼트(OCS)는 GPS 블록 II 위성을 위한 명령 및 제어(C2) 기능을 제공한다.[52]GPS OCS의 최신 업데이트인 Architectural Evolution Plan 7.5가 2018년 11월 16일에 설치되었다.[53]

차세대 운영 제어 부문(OCX)

2010년, 미 공군은 GPS 현대화 계획의 중요한 부분인 현대적인 제어 부문을 개발하기 위한 계획을 발표했다.OCS는 새로운 시스템인 차세대 GPS 작동 제어 시스템(OCX)이 완전히 개발되고 기능할 때까지 계속해서 기록의 지상 제어 시스템 역할을 할 것이다.[54]

OCX 기능은 "블록"으로 알려진 3개의 별도 단계로 미 공군에 전달되고 있다.[55]OCX 블록은 0부터 2까지 번호가 매겨진다.각 블록이 제공되면 OCX는 추가적인 기능을 얻는다.

미 공군은 2016년 6월 OCX 프로그램의 예상 프로그램 비용이 42억5000만 달러 이상으로 증가했다고 의회에 공식 통보했으며, 이는 또한 중대한 Nunn-McCurdy 위반으로 알려져 있는 기준 비용 추정치 34억 달러를 25% 초과했다.위반을 초래하는 요인으로는 "프로그램 개시시점에서의 부적절한 시스템 엔지니어링"과 "OCX에 대한 사이버 보안 요구사항의 복잡성"[56]이 있다.국방부는 2016년 10월 이 프로그램을 정식으로 인증했는데, 이는 중대한 위반 후에도 개발이 계속되도록 하기 위한 필수 단계다.[57]

OCX 블록 0(실행 및 체크아웃 시스템)

OCX Block 0은 GPS III 우주선에서 발사 및 조기 온오비트 우주선 버스 체크아웃을 지원하는 데 필요한 전체 OCX 기능의 최소 서브셋을 제공한다.[20]

블록 0은 새로운 취약점을 발견하지 못한 채 2018년 4월과 5월에 2건의 사이버보안 테스트 이벤트를 완료했다.[58]

블락0은 2018년 6월 GPSIII로 세 번째 통합 발사 리허설을 성공시켰다.[58]

미 공군은 2017년 11월 OCX Block 0의 인도를 받아 2018년 12월 첫 GPS 발사에 대비하는 데 활용하고 있다.[59]

OCX 블록 1(민간 GPS III 기능)

OCX 블록 1은 OCX 블록 0으로 업그레이드한 것으로, 이때 OCX 시스템이 초기 운영 능력(IOC)을 달성한다.블록 1이 배치되면 OCX는 처음으로 블록 II와 블록 III GPS 위성을 모두 명령 및 제어할 수 있을 뿐만 아니라 민간 L1C 신호의 방송을 시작할 수 있는 기능을 지원할 수 있게 된다.[20]

2016년 11월 GAO는 OCX 블록 1이 GPS III PNT 임무 활성화를 지연시키는 주요 원인이 됐다고 보고했다.[60]

블록 1은 2018년 9월 CDR(Critical Design Review) 최종 반복 작업을 완료했다.[58]블록 1의 소프트웨어 개발은 2019년에 완료될 예정이며, 이후 블록 1 소프트웨어는 2.5년간의 시스템 테스트를 거치게 된다.[58]

OCX 블록 2(군용 GPS III 기능, 민간 신호 모니터링)

OCX Block 2는 군 사용자를 위한 고급 M-code 기능과 민간 신호의 성능을 모니터링하는 기능으로 OCX를 업그레이드한다.[55]시공사는 2017년 3월 OCX 납품 일정을 다시 작성해 현재 2블록이 1블록과 동시에 공군에 납품되도록 했다.[61]2017년 7월, 예정보다 9개월 더 지연된 일정이 발표되었다.2017년 7월 프로그램 일정에 따르면 OCX는 2022년 4월 공군에 인도될 예정이다.[40]

비상 작전

GPS III 보정 운영("COps")은 GPS 작동 제어 세그먼트에 대한 업데이트로서 OCS가 GPS III 위성으로부터 블록 IIF 위치, 항법 및 타이밍(PNT) 기능을 제공할 수 있도록 한다.[20]보정 운영 노력을 통해 GPS III 위성은 OCX 블록 1이 가동될 때까지 기다릴 필요 없이 제한된 방식으로 GPS 별자리에 참여할 수 있다(현재 2022년 예정).

미 공군은 2016년 2월 9600만 달러의 보정 작전 계약을 체결했다.[62]2018년 9월 현재 소프트웨어 개발이 완료되었으며, 다음 달에는 부품 통합 시험이 완료될 예정이었다.[58]운용허용시험은 2020년 1월로 예정되어 있다.[58]

배포 일정

날짜 배치 스페이스 차량 언급
명령 & 제어 항법 데이터를 전송하는 위성
OCS OCX
2018년 12월 OCX 블록 0 블록 II 블록 III
(실행 및 체크아웃만 해당) 		블록 II OCS와 OCX는 병렬로 작동한다.
2020년 1월 보정 연산 블록 II
그리고
블록 III
2023년 1월 OCX 블록 1 및 OCX 블록 2 블록 II & 블록 III OCS는 더 이상 사용되지 않으며, L1C 전송이 시작되고, 완전한 GPS III 기능이 달성된다.

참고 항목

참조

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외부 링크

라이브러리 리소스 정보
GPS 블록 III
  • Capozza, Paul T.; Betz, John W.; Fite, John D. (1 April 2005). "Getting to M". GPS World. Archived from the original on 9 July 2011.