Galileo giúp các sứ mệnh không gian khác như thế nào?

Galileo tăng độ chính xác định vị vệ tinh

Thế hệ đầu tiên của máy thu vệ tinh trong không gian thường chỉ sử dụng hệ thống GPS của Mỹ và đôi khi là Glonass của Nga. Nhưng ngày nay, các tín hiệu chất lượng cao từ Galileo của châu Âu ngày càng được sử dụng cùng với GPS, nâng cao đáng kể mức độ định vị quỹ đạo.

“Đối với phần lớn các vệ tinh trong quỹ đạo thấp của Trái đất, các yêu cầu định vị của chúng được nới lỏng, theo thứ tự hàng chục mét, đạt được trong thời gian thực trên vệ tinh với Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu tiêu chuẩn, GNSS, máy thu,” giải thích Werner Enderle, đứng đầu ESA Văn phòng hỗ trợ điều hướng tại Trung tâm điều khiển sứ mệnh của ESA ESOC ở Darmstadt, Đức, được giao nhiệm vụ cung cấp khả năng xác định quỹ đạo chính xác độc lập cho các sứ mệnh không gian châu Âu.

Sau đó, có những vệ tinh với yêu cầu khắt khe hơn nhiều, chẳng hạn như nhiệm vụ radar quan sát Trái đất, trong đó kiến ​​thức chính xác hơn về vị trí của vệ tinh trong không gian sẽ nâng cao độ chính xác của kết quả, bởi vì sau đó bạn có thể tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và mặt đất. Ngoài ra còn có các sứ mệnh sắp tới của chòm sao, bay đội hình và điểm hẹn quỹ đạo được lên kế hoạch trong đó kiến ​​thức chính xác về các vị trí tương đối sẽ rất quan trọng.

“Những gì chúng tôi có thể nói, dựa trên Xác định quỹ đạo chính xác mà chúng tôi thường xuyên đạt được ở quy mô vài centimet, là độ chính xác của POD không còn là yếu tố hạn chế như trong các sứ mệnh không gian nữa.”

Ví dụ, Copernicus Sentinel-6 đo chiều cao bề mặt biển bằng cách dội các xung radar xuống và ngược lại, rút ​​ra khoảng cách tới bề mặt đại dương là 1-2 cm. Nhưng để đạt được mức độ chính xác cần thiết, vị trí của vệ tinh trong không gian phải được biết càng chính xác càng tốt.

Theo đó, Copernicus Sentinel-6 là một trong những sứ mệnh đầu tiên sử dụng máy thu có khả năng kết hợp Galileo-GPS mới, với tín hiệu tần số kép Galileo chất lượng cao cải thiện khả năng định vị tổng thể của nó.

“Kết quả thật tuyệt vời, dựa trên quá trình xử lý định vị cuối cùng mà chúng tôi thực hiện ở đây trên mặt đất. Những gì chúng tôi đang tìm thấy là có một lợi thế lớn khi kết hợp Galileo và GPS, đặc biệt là hai dải tần số E1 và L5a, cùng với thực tế rõ ràng về phạm vi phủ sóng và tính khả dụng tốt hơn nhiều – nghĩa là có gấp đôi số vệ tinh để thu tín hiệu từ đó. Vì vậy, có nhiều máy thu vũ trụ hơn đang được triển khai, được thiết kế để hưởng lợi từ hiệu suất thực sự xuất sắc của Galileo.”

Văn phòng Hỗ trợ Điều hướng đã và đang thu hút sự chú ý của các nhóm nhiệm vụ ESA về lợi thế đã được chứng minh này. Chẳng hạn, Proba-3 là một sứ mệnh bay theo đội hình chính xác đầy tham vọng dự kiến ​​được phóng vào năm 2024, bao gồm hai vệ tinh sẽ cơ động ở khoảng cách cố định 140 m với nhau để một vệ tinh có thể che khuất Mặt trời cho vệ tinh kia, cho phép duy trì liên tục nghiên cứu về bầu khí quyển bên ngoài rực lửa của ngôi sao mẹ của chúng ta, hay corona. Điều này sẽ yêu cầu độ chính xác định vị theo tỷ lệ milimet – như thể cặp đôi này là một tàu vũ trụ cứng nhắc duy nhất.

Nhiệm vụ sẽ sử dụng nhiều phương pháp định vị, bao gồm liên kết quang học, vô tuyến và laser, nhưng GNSS sẽ là một yếu tố quan trọng. Werner cho biết thêm: “Vì vậy, trong trường hợp này, chúng tôi đã khuyên nhóm Proba-3 chuyển sang máy thu có khả năng GPS/Galileo, vì điều đó sẽ mang lại cho chúng tôi khả năng định vị và POD hoàn toàn mới.

“Những gì chúng tôi có thể nói, dựa trên Xác định quỹ đạo chính xác mà chúng tôi thường xuyên đạt được ở quy mô vài centimet, là độ chính xác của POD không còn là yếu tố hạn chế như trong các sứ mệnh không gian nữa.”

Mở rộng sang các chế độ quỹ đạo cao hơn

Đối số khác để áp dụng tín hiệu Galileo là phạm vi bảo hiểm. Khi các nhiệm vụ sử dụng các chế độ quỹ đạo cao hơn, thì các tín hiệu tối đa có thể sẽ là cần thiết. Phía trên quỹ đạo của chính các chòm sao GPS và Galileo, hành tinh Trái đất có thể chặn phần lớn các tín hiệu – xét cho cùng, chúng tập trung vào Trái đất.

Thay vào đó, các nhiệm vụ trên quỹ đạo cao hơn cần sử dụng các tín hiệu thùy bên, tín hiệu lan tỏa từ tín hiệu chính như ánh sáng bên từ chùm đèn pin, yêu cầu xử lý bổ sung, cũng như sự suy yếu dần dần của các tín hiệu này theo khoảng cách, cuối cùng sẽ khó có thể phân biệt được với tiếng ồn.

Các vệ tinh địa tĩnh đã sử dụng các tín hiệu GNSS độ cao như vậy. Một thử nghiệm đầy tham vọng hơn sẽ diễn ra vào năm tới, với việc phóng tàu vũ trụ Lunar Pathfinder do ESA hỗ trợ lên quỹ đạo mặt trăng, dự định làm vệ tinh liên lạc cho các sứ mệnh Mặt trăng trong tương lai. Tàu vũ trụ sẽ kết hợp một máy thu có khả năng GPS/Galileo được thiết kế đặc biệt để lần đầu tiên chứng minh tính khả thi của việc sửa lỗi định vị từ cách xa 400 000 km, bổ sung cho bộ phản xạ laze do NASA phát triển được sử dụng để kiểm tra chéo hiệu suất.

Werner giải thích: “Sau đó, bước tiếp theo sẽ là các vệ tinh Moonlight của ESA trên quỹ đạo mặt trăng, cung cấp cơ sở hạ tầng mặt trăng chuyên dụng để cung cấp dịch vụ viễn thông và điều hướng cho các sứ mệnh trên Mặt trăng. “Văn phòng hỗ trợ điều hướng có liên quan đến việc xác định khung tham chiếu mặt trăng cần thiết và khoảng thời gian liên quan cần thiết để hiện thực hóa tầm nhìn này.”

Văn phòng hỗ trợ điều hướng: bước vào thập kỷ thứ hai

Văn phòng Hỗ trợ Điều hướng đã hoạt động từ năm 2006, tách ra từ bộ phận Động lực học Chuyến bay của ESOC. Nền tảng của các dịch vụ POD của nó là các chòm sao GNSS xung quanh Trái đất, không chỉ Galileo mà cả GPS, Glonass, Beidou và các vệ tinh của Ấn Độ và Nhật Bản. Để xác định vị trí của các sứ mệnh châu Âu, vị trí và tốc độ đồng hồ của các vệ tinh satnav được sử dụng để đo lường chúng trước tiên phải được xác định ở mức độ chính xác cao, liên tục xuống đến vài cm, với các quan sát, thu được mỗi giây thông qua một mạng lưới trạm cảm biến thời gian thực chuyên dụng trên toàn thế giới – Văn phòng giám sát Mạng quan sát GNSS của ESA.

Trong số các hoạt động khác của mình, Văn phòng đại diện cho ESA trong GNSS quốc tế, các diễn đàn liên quan đến khoa học và trắc địa, đồng thời duy trì ‘khung tham chiếu trắc địa Galileo’ – hệ thống tham chiếu cho Trái đất ba chiều, cần thiết cho việc định vị, điều hướng và định thời gian chính xác, cũng như đóng góp vào Khung tham chiếu mặt đất quốc tế – hệ thống tương đương được thống nhất trên toàn cầu.

Thử thách tiếp theo

Nếu hiệu suất POD của ngày hôm nay tốt, Werner nói thêm rằng nó sẽ còn tốt hơn nữa: “Thử thách tiếp theo của chúng tôi sắp tới là sứ mệnh GENESIS của FutureNAV mới. GENESIS nhằm mục đích tạo ra Khung tham chiếu mặt đất quốc tế được cập nhật với thứ tự cải thiện độ chính xác. Các phép đo đồng hồ và POD chính xác dưới centimet sẽ rất cần thiết để thực hiện điều này, trong khi các đồng nghiệp của chúng tôi từ Văn phòng Khoa học Hàng hải của ESA sẽ lưu trữ và phân phối dữ liệu từ sứ mệnh đột phá này.”

Giới thiệu về Galileo

Galileo hiện là hệ thống định vị vệ tinh chính xác nhất thế giới, hiện đang phục vụ hơn bốn tỷ người dùng trên toàn cầu. Tất cả các điện thoại thông minh được bán tại Thị trường chung châu Âu hiện được đảm bảo hỗ trợ Galileo. Ngoài ra, Galileo đang tạo ra sự khác biệt trong các lĩnh vực vận tải đường sắt và hàng hải, nông nghiệp, dịch vụ thời gian tài chính và hoạt động cứu hộ.

Galileo là một chương trình hàng đầu của Chương trình Vũ trụ EU, được quản lý và tài trợ bởi Liên minh Châu Âu. Kể từ khi thành lập, ESA đã dẫn đầu trong việc thiết kế và phát triển các hệ thống không gian và mặt đất, cũng như mua sắm các vụ phóng. EUSPA (Cơ quan EU về Chương trình Vũ trụ) đóng vai trò là nhà cung cấp dịch vụ của Galileo, giám sát thị trường và nhu cầu ứng dụng, đồng thời đóng vòng kết nối với người dùng.

Để biết thêm thông tin về Galileo: