GPSブロックIII

GPSブロックIII
軌道上の GPS ブロック III 衛星の想像図
メーカーロッキード・マーティン
原産国アメリカ合衆国
オペレーターアメリカ宇宙軍
アプリケーション航法衛星
仕様
バスロッキード・マーティン A2100 M
打ち上げ質量3,880 kg (8,550 ポンド) [ 1 ]
乾燥質量2,269 kg (5,002 ポンド)
4480ワット(寿命末期)
電池ニッケル水素電池
政権半同期中軌道
デザインライフ15年(予定)
生産
状態生産完了
建設された10 [ 2 ]
発売9
運用8 [ 3 ]
初打ち上げ2018年12月23日[ 4 ]
最後の打ち上げ2026年1月28日
関連する宇宙船
由来GPSブロックIIF
←  GPSブロックIIFGPSブロックIIIF

GPSブロックIII(旧ブロックIIIA)は、Navstar全地球測位システムの運用を維持するために使用される最初の10機のGPS III衛星で構成されています。ロッキード・マーティンは、 GPS III非飛行衛星テストベッド(GNST)と10機のブロックIII衛星すべてを設計、開発、製造しました。[ 5 ]シリーズの最初の衛星は2018年12月に打ち上げられました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

歴史

米国の全地球測位システム(GPS)は1995年7月17日に完全運用能力(FOC)に達し、[ 9 ]当初の設計目標を達成しました。技術の進歩と既存システムに対する新たな要求により、GPSシステムの近代化に向けた取り組みが進められました。2000年、米国議会はGPS IIIと呼ばれるこの取り組みを承認しました。

このプロジェクトには、民間および軍事ユーザー向けの追加のナビゲーション信号を備えた新しい地上局と新しい衛星が含まれており、すべてのユーザーの精度と可用性を向上させることを目指しています。

レイセオンは2010年2月25日に次世代GPS運用制御システム(OCX)契約を獲得した。[ 10 ]

このシリーズの最初の衛星は2014年に打ち上げられる予定だったが[ 11 ]、大幅な遅延[ 12 ]により2018年12月に延期された。 [ 6 ] [ 13 ] 10番目で最後のGPSブロックIIIの打ち上げは2026年度に予定されている。[ 14 ]

アメリカ宇宙軍の宇宙ミサイルシステムセンターは、従来の衛星命名方式を公式に継続する一方で、ブロックIIIの各衛星に有名な探検家にちなんで非公式に名前を付け始めました。 [ 15 ]

発達

コアメイトが成功した後、ロッキード・マーティン社のコロラド GPS III 処理施設に保管されている GPS III SV-01。

ブロックIII衛星は、ロッキード・マーティン社のA2100M衛星バス構造を採用しています。推進剤と加圧剤のタンクは、オービタルATK社が軽量・高強度の複合材料を用いて製造しています。[ 16 ]各衛星には、ノースロップ・グラマン・アストロ・エアロスペース社が設計・製造した8基の展開式JIBアンテナが搭載されます。 [ 17 ]

2014年に予定されていた初号機の打ち上げが大幅に遅れていたものの[ 11 ] 、 2016年4月27日、カリフォルニア州ホーソーンのSpaceX社は、GPS III衛星を予定軌道に投入するための打ち上げサービスについて、8,270万ドルの固定価格契約を締結した。契約には、カリフォルニア州ホーソーン、フロリダ州ケープカナベラル空軍基地テキサス州マクレガーで実施されるGPS IIIミッションのためのロケット製造、ミッション統合、打ち上げ運用が含まれていた。[ 18 ] 2016年12月、米空軍全地球測位システム局長は、最初の衛星を2018年春に打ち上げると発表した。[ 19 ] 2017年3月、米国会計検査院は「GPS III衛星とOCXブロック0打ち上げ管制・チェックアウトシステムの両方に技術的な問題があり、最初のGPS III衛星の2018年3月の打ち上げ予定日が危ぶまれている」と述べた。[ 20 ]遅延はいくつかの要因によって引き起こされたが、主にナビゲーションペイロードに問題が見つかったためである。[ 12 ] [ 21 ]打ち上げ日がさらに遅れたのは、最終的に2018年12月23日に衛星を打ち上げたSpaceXファルコン9ロケットの追加試験と検証が必要になったためである。[ 22 ] [ 23 ] 2019年8月22日、2番目のGPS III衛星がデルタIVロケットで打ち上げられた。[ 24 ]

2016年9月21日、アメリカ空軍はロッキード・マーティンとブロックIII宇宙船の9番目と10番目について3億9500万ドルの契約オプションを行使し、2022年までに打ち上げが可能になると予想されている。[ 25 ]

発売履歴

GPS ブロック III 衛星 10 基のうち 9 基が打ち上げられました。現在 8 基が運用中で、1 基は打ち上げ後の試運転中です。

衛星 SVN 打ち上げ日(UTCロケット 発射場 状態 参照
USA-289 GPS III-01ヴェスプッチ74 2018年12月23日13:51 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 26 ] [ 27 ]
USA-293 GPS III-02マゼラン75 2019年8月22日13:06 デルタIV M+(4,2) ケープカナベラルSLC-37B稼働中 [ 28 ]
USA-304 GPS III-03マシュー・ヘンソン76 2020年6月30日20:10 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 29 ]
USA-309 GPS III-04サカガウィア77 2020年11月5日23:24 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 30 ]
USA-319 GPS III-05ニール・アームストロング78 2021年6月17日16:09 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 31 ]
USA-343 GPS III-06アメリア・イアハート79 2023年1月18日12:24 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]
USA-440 GPS III-07サリーライド80 2024年12月17日 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 32 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
USA-545 GPS III-08キャサリン・ジョンソン81 2025年5月30日17:37 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40稼働中 [ 32 ] [ 14 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]
USA-581 GPS III-09エリソン鬼塚82 2026年1月28日4時53分 ファルコン9ブロック5ケープカナベラルSLC-40発売 [ 42 ] [ 14 ] [ 43 ] [ 44 ]
GPS III-10ヘディ・ラマー83 2026年3月 バルカン・ケンタウロスVC2S [ 45 ]ケープカナベラルSLC-41発売開始予定 [ 46 ] [ 47 ]

新しい航行信号

民間L2(L2C)

最初の発表の一つは、既存のGPS粗捕捉(C/A)信号に使用されているL1周波数以外の周波数で送信される新しい民生用信号の追加でした。最終的に、この信号はL2周波数(1227.6MHz)で放送されるため、L2C信号として知られるようになりました。この信号は、ブロックIIR-M以降のすべての設計衛星で送信可能です。当初の計画では、新しいOCX(ブロック1)システムが導入されるまで、この信号はナビゲーションデータを含まないデフォルトメッセージ(「タイプ0」)で構成されるとされていました。[ 48 ] L2Cナビゲーションデータを含むOCXブロック1は、2016年2月にサービス開始が予定されていましたが、[ 49 ] [ 50 ] 2022年以降に延期されました。[ 51 ]

OCXの遅延の結果、L2C信号はOCX展開スケジュールから切り離されました。L2C信号を送信できるすべての衛星(2005年以降に打ち上げられたすべてのGPS衛星)は、2014年4月に運用前民間航法(CNAV)メッセージの放送を開始し、2014年12月には米空軍が毎日CNAVアップロードの送信を開始しました。[ 48 ] [ 52 ] 2017年10月現在、L2Cは19の衛星から放送されており、2022年6月までには24の衛星がこの信号を放送していました。[ 48 ] L2C信号は、2025年12月時点で25の放送宇宙船で運用前の状態のままです。[ 53 ] L2C信号の役割は、ナビゲーションの精度を向上させ、追跡しやすい信号を提供し、局所的な干渉の場合に冗長信号として機能することです。

1つの衛星から2つの民間周波数を送信することによる直接的な効果は、その衛星の電離層遅延誤差を直接測定し、除去できることです。このような測定がない場合、GPS受信機は汎用モデルを使用するか、別の情報源(衛星ベース補強システムなど)から電離層補正情報を受信する必要があります。GPS衛星とGPS受信機の技術の進歩により、電離層遅延はC/A信号における最大の誤差要因となっています。この測定を実行できる受信機は、2周波受信機と呼ばれます。その技術的特徴は次のとおりです。

  • L2C には 2 つの異なる PRN シーケンスが含まれています。
    • CM (Civilian Moderate length code) は 10,230 ビットの長さで、20ミリ秒ごとに繰り返されます。
    • CL (Civilian Long length code) は 767,250 ビットで、1,500ミリ秒(つまり 1.5 秒) ごとに繰り返されます。
    • 各信号は 511,500 ビット/秒 ( bit/s ) で送信されますが、多重化されて1,023,000 bit/s の信号が形成されます。
  • CM は、前方誤り訂正機能付きの 25 ビット/秒のナビゲーション メッセージで変調されますが、CL には追加の変調データは含まれません。
  • 長い非データ CL シーケンスは、L1 C/A よりも約 24 dB高い相関保護 (約 250 倍の強さ) を提供します。
  • L2C 信号特性は、L1 C/A よりも 2.7 dB 高いデータ回復と 0.7 dB 高いキャリア トラッキングを実現します。
  • L2C 信号の送信電力は、L1 C/A 信号よりも 2.3 dB 弱くなります。
  • 単一周波数アプリケーションでは、L2C の電離層エラーは L1 よりも 65% 多くなります。

これはIS-GPS-200で定義されています。[ 54 ]

軍事(Mコード)

近代化プロセスの主要要素であるMコードと呼ばれる新しい軍用信号は、軍用GPS信号の妨害耐性とアクセスセキュリティをさらに向上させるために設計されました。Mコードは、従来の軍用コードであるP(Y)コードで既に使用されていたL1およびL2周波数で送信されます。新しい信号は、そのエネルギーの大部分をエッジ(既存のP(Y)およびC/A搬送波から離れた場所)に集中させるように整形されています。P(Y)コードとは異なり、Mコードは自律的に動作するように設計されているため、ユーザーはMコード信号のみを使用して自分の位置を計算できます。P(Y)コード受信機は通常、最初にC/Aコードにロックし、次にP(Y)コードにロックする必要があります。

従来のGPS設計とは大きく異なり、Mコードは広角(フルアース)アンテナに加えて、高利得指向性アンテナから送信されるようになっています。スポットビームと呼ばれる指向性アンテナの信号は、特定の領域(直径数百キロメートル)を指向し、局所的な信号強度を20dB(電界強度10倍、電力100倍)増加させることを目的としています。2つのアンテナを持つことによる副作用として、スポットビームの内側にある受信機では、GPS衛星が同じ位置を占める2つのGPS信号として認識されます。

ブロックIIR-M衛星では全地球Mコード信号が利用可能ですが、スポットビームアンテナはブロックIII衛星が配備されるまで利用できません。他の新しいGPS信号と同様に、MコードはOCX(具体的にはブロック2)に依存しています。OCXは2016年10月にサービス開始が予定されていましたが[ 50 ] [ 55 ]、2022年まで延期されました[ 56 ]。この当初の日付は、GAOが予測した最初の衛星打ち上げの2年間の遅延を反映していませんでした[ 57 ] [ 58 ] 。

その他の M コードの特性は次のとおりです。

  • 衛星は 2 つのアンテナから 2 つの異なる信号を送信します。1 つは地球全体をカバーし、もう 1 つはスポット ビーム用です。
  • バイナリオフセットキャリア変調
  • 24 MHzの帯域幅を占有します。
  • フレーム化ではなくパケット化された新しい MNAV ナビゲーション メッセージを使用するため、柔軟なデータ ペイロードが可能になります。
  • 有効なデータ チャネルは 4 つあり、各周波数および各アンテナで異なるデータを送信できます。
  • これには、 FECおよびエラー検出が含まれます。
  • スポット ビームは、地球全体をカバー するビームよりも約 20 dB 強力です。
  • 地球表面での M コード信号: 全地球アンテナの場合は -158 dBW、スポット ビーム アンテナの場合は -138 dBW。

生命の安全(L5)

「Safety of Life(生命の安全)」は、L5周波数(1176.45MHz)で放送される民生用信号です。2009年には、WAAS衛星が最初のL5信号試験送信を行いました。最初のGPSブロックIIF衛星であるSVN-62は、2010年6月28日からL5信号を継続的に放送しました。

GPS III管制セグメントのスケジュール遅延の結果、L5信号はOCX展開スケジュールから切り離されました。L5信号を送信できるすべての衛星(2010年5月以降に打ち上げられたすべてのGPS衛星)[ 59 ]は、2014年4月に運用前民間航法(CNAV)メッセージの送信を開始し、2014年12月には空軍が毎日CNAVアップロードの送信を開始しました[ 60 ] 。L5信号は、少なくとも24機の宇宙機が信号を送信した時点で完全に運用可能とみなされ、現在の予測では2027年までに実現するとされています[ 59 ]。

2023年7月10日現在、L5はブロックIIF、SVM-63が削除された後、17基の衛星から放送されています。[ 61 ]

  • 信号構造を改善してパフォーマンスを向上させます。
  • L1 または L2C 信号よりも高い送信電力 (約 3 dB、つまり 2 倍の電力)。
  • 帯域幅が広くなり、処理能力が 10 倍向上します。
  • より長い拡散コード(C/A コードで使用されるものより 10 倍長い)。
  • 世界中で利用可能な周波数帯域である航空無線航行サービス帯域に位置します。

WRC-2000は、この航空帯域に宇宙信号成分を追加することで、航空業界がL2よりもL5への干渉をより効果的に管理できるようにしました。これはIS-GPS-705で定義されています。[ 62 ]

新しい民間L1(L1C)

L1C は民生用の信号であり、現在のすべての GPS ユーザーが使用する C/A 信号と同じ L1 周波数 (1575.42 MHz) で放送されます。

L1C放送は、GPS III制御セグメント(OCX)ブロック1が2022年に運用開始されると開始されます。[ 51 ] [ 19 ] L1C信号は、少なくとも24基のGPSブロックIII衛星から放送されると、2020年代後半に完全に運用状態に達すると予測されています。[ 63 ]

  • 実装では、下位互換性を確保するために C/A コードが提供されます。
  • ノイズフロアの増加を軽減するために、最小 C/A コード電力が 1.5 dB 増加することが保証されます。
  • 非データ信号コンポーネントには、追跡を改善するためのパイロット キャリアが含まれています。
  • Galileo L1との民間相互運用性が向上します。

これはIS-GPS-800で定義されています。[ 64 ]

改善点

地球表面での信号電力の増加:

  • Mコード: −158 dBW / −138 dBW。
  • L1およびL2: C/Aコード信号の場合は-157 dBW、P(Y)コード信号の場合は-160 dBW。
  • L5は-154 dBWになります。

エアロスペース・コーポレーションの研究者たちは、高出力Mコード信号を生成するための最も効率的な方法は、それまでのユーザーダウンリンク信号の特徴であった地球全域をカバーするという方法から逸脱する必要があることを確認した。代わりに、高利得アンテナを用いて直径数百キロメートルの指向性スポットビームを生成することが提案された。当初、この提案は計画中のブロックIIF衛星への後付けとして検討されていた。しかし、綿密な検討の結果、プログラムマネージャーは、大型の展開アンテナの追加と運用制御セグメントに必要な変更が、当時のシステム設計にとってあまりにも大きな課題となることを認識した。[ 65 ]

SV10は、ドイツの航空宇宙メーカーTesat-Spacecomが開発した光通信端末を搭載します。この技術が成功すれば、世界中で数十億人が利用するナビゲーションシステムの精度と効率性を向上させる可能性があります。[ 71 ]

制御セグメント

GPS運用管制セグメント(OCS)は、衛星運用センター、地上アンテナ、監視局の世界規模のネットワークで構成され、GPSブロックII衛星の指揮統制(C2)機能を提供します。[ 72 ] GPS OCSの最新の更新であるアーキテクチャ進化計画7.5は、2019年に運用上承認されました。[ 73 ]

次世代運用制御セグメント(OCX)

2010年、アメリカ空軍はGPS近代化計画の重要な部分となる近代的な管制セグメントの開発計画を発表しました。OCSは、次世代GPS運用管制システム(OCX)と呼ばれる新しいシステムが完全に開発され、機能するまで、引き続き地上管制システムとして機能します。[ 74 ]

OCXの機能は、「ブロック」と呼ばれる3つのフェーズに分けてアメリカ空軍に納入されています。[ 75 ] OCXブロックには0から2までの番号が付けられており、納入されるブロックごとにOCXの機能が追加されます。

2016年6月、米空軍はOCXプログラムの予測プログラム費用が42億5,000万ドルを超え、ベースライン費用見積もりの​​34億ドルを25%超過したことを議会に正式に通知しました。これは、ナン・マッカーディ違反とも呼ばれる重大な違反です。この違反の原因としては、「プログラム開始時のシステムエンジニアリングの不十分さ」と「OCXにおけるサイバーセキュリティ要件の複雑さ」が挙げられます。[ 76 ] 2016年10月、国防総省は同プログラムを正式に認定しました。これは、重大な違反発生後も開発を継続するために必要な措置です。[ 77 ]

2021年7月には、OCX監視ステーションの設置がすべて完了しました。[ 78 ] OCX監視ステーションは「2023年初頭」に運用に移行する予定であり、米国宇宙軍は2027年にOCX全体の運用承認を完了することを望んでいます。[ 78 ]

OCX ブロック 0 (ブロック III の起動とチェックアウト)

OCXブロック0は、GPS III宇宙船の打ち上げと軌道上での初期の宇宙船バスチェックアウトをサポートするために必要な完全なOCX機能の最小限のサブセットを提供します。[ 19 ]

ブロック0は2018年4月と5月に2回のサイバーセキュリティテストイベントを完了しましたが、新たな脆弱性は発見されませんでした。[ 79 ]

2018年6月、ブロック0はGPS IIIとの3回目の統合打ち上げリハーサルに成功しました。[ 79 ]

アメリカ空軍は2017年11月にOCXブロック0の納入を受け入れ、2018年12月の最初のGPS打ち上げの準備に使用しました。[ 80 ]

2022年5月現在、OCXブロック0はGPS III SV 01-05の打ち上げとチェックアウトを成功裏にサポートしています。[ 81 ]

OCX ブロック 1 (民間用 GPS III 機能)

OCXブロック1はOCXブロック0のアップグレードであり、これによりOCXシステムは初期運用能力(IOC)を獲得します。ブロック1が展開されると、OCXは初めてブロックIIとブロックIIIの両方のGPS衛星の指揮・制御が可能になり、民間L1C信号の放送開始もサポートできるようになります。[ 19 ]

2016年11月、GAOはOCXブロック1がGPS III PNTミッションの起動遅延の主な原因になっていると報告した。[ 82 ]

ブロック1は、2018年9月に最終段階の重要設計レビュー(CDR)を完了しました。[ 79 ]ブロック1のソフトウェア開発は2019年に完了する予定で、その後、ブロック1のソフトウェアは2.5年間のシステムテストを受けることになります。[ 79 ]

OCX ブロック 2 (軍用 GPS III 機能、民間信号監視)

OCXブロック2は、軍事ユーザー向けの高度なMコード機能と民間信号のパフォーマンスを監視する機能を備えたOCXをアップグレードします。[ 75 ] 2017年3月、請負業者はOCXの納入スケジュールを再調整し、ブロック2がブロック1と同時に空軍に納入されるようになりました。[ 83 ] 2017年7月、スケジュールのさらに9か月の延期が発表されました。2017年7月のプログラムスケジュールによると、OCXは2022年4月に米国空軍に納入される予定です。[ 56 ] OCXブロック1と2は最終的に2025年7月1日に米国宇宙軍に納入されました。[ 84 ]

OCX ブロック 3F (ブロック IIIF の起動とチェックアウト)

OCXブロック3FはOCXをアップグレードし、ブロックIIIF衛星の打ち上げとチェックアウトを実行できるようにします。[ 85 ] [ 78 ]ブロックIIIF衛星は2026年に打ち上げが開始される予定です。

OCXブロック3Fの契約額は2億2800万ドルで、2021年4月30日にレイセオン・インテリジェンス・アンド・スペース社に授与された。[ 86 ] 2024年9月現在、2026年に米国宇宙軍に納入される予定である。[ 87 ]

緊急時対応

GPS III緊急運用(COps)はGPS運用制御セグメントのアップデートであり、OCSがGPS III衛星からブロックIIFの位置、ナビゲーション、タイミング(PNT)機能を提供できるようにします。[ 19 ]緊急運用の取り組みにより、OCXブロック1が運用されるまで(2022年に予定)待つことなく、GPS III衛星が限定的ではありますがGPSコンステレーションに参加できるようになります。

アメリカ宇宙軍は2016年2月に9,600万ドルの緊急時対応作戦契約を締結した。[ 88 ]緊急時対応作戦は2020年4月に運用開始された。[ 73 ]

展開スケジュール

日付 展開 宇宙船 備考
コマンド&コントロール ナビゲーションデータを配信する衛星
OCS OCX
2018年12月[ 79 ] [ 80 ]OCX ブロック 0 ブロックII ブロックIII (打ち上げとチェックアウトのみ)[ 19 ]ブロックII OCSとOCXは並行して動作する
2020年4月[ 73 ]緊急時対応作戦 ブロックIIとブロックIII
2025年12月[ 84 ]OCXブロック1とOCXブロック2 ブロックIIとブロックIII OCS は使用されなくなり、L1C 送信が開始され、完全な GPS III 機能が実現されました。
2027年後半[ 89 ]OCXブロック3F ブロックIIとブロックIII(完了)、ブロックIIIF(起動とチェックアウトのみ)[ 79 ]

参照

参考文献

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