Verre ruimtenavigatie dankzij zijwaartse signalen

Het is GIOVE-A gelukt om zijn plaats en snelheid ten opzichte van de aarde te bepalen aan de hand van GPS-signalen. Dat is uniek omdat de Galileo-satelliet meer dan 1000 kilometer hoger zweeft dan satellieten die via GPS communiceren met behulp van omlaag gerichte antennes.

“Satellietnavigatie is bijna even onmisbaar geworden voor satellieten in een lage baan om de aarde als het voor automobilisten is”, aldus ESA's Steeve Kowaltschek. “Satellieten die uitgerust zijn met satellietnavigatieontvangers kunnen hun plek in de ruimte continu in de gaten houden, waardoor er vanaf de grond nauwelijks actie ondernomen hoeft te worden om ze op hun plek te houden. De drie maanden durende test met GIOVE-A laat zien dat toekomstige geostationaire satellieten op eenzelfde manier zouden kunnen werken. En dat zorgt voor een competitief voordeel voor de markt voor telecommunicatiesatellieten.”

Lang houdbare satelliet

GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element-A) was de eerste satelliet die gelanceerd werd in het kader van ESA's satellietnavigatiesysteem Galileo. De satelliet werd in 2005 naar de ruimte gestuurd om radiofrequenties te claimen en om dienst te doen als hardwaretest. Hoewel de satelliet in eerste instantie twee jaar gebruikt zou worden, deed hij in totaal zeven jaar dienst.

De satelliet werd halverwege vorig jaar officieel buiten gebruik gesteld door ESA. Als resultaat daarvan werd GIOVE-A naar een nieuwe baan om de aarde verplaatst, zo'n 100 kilometer boven Galileo's normale baan van 23.222 kilometer hoogte. Vervolgens werd de controle van de satelliet overgedragen aan hoofdaannemer Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) uit het Britse Guildford.

ESA werkte al eerder samen met SSTL. Op verzoek van ESA paste het bedrijf een van zijn bestaande ontvangers voor satellietnavigatie aan zodat deze getest kon worden aan boord van GIOVE-A. Tijdens de test -die plaatsvond aan het begin van de ruim zeven jaar durende missie van de satelliet- werd de ontvanger 90 minuten lang ingeschakeld.

Nadat de missie van GIOVE-A vorig jaar officieel ten einde kwam, zagen ESA en SSTL de kans schoon de ontvanger opnieuw aan te zetten. “We zijn ontzettend aangemoedigd door de eerste resultaten van onze ontvanger”, aldus Martin Unwin van SSTL. “Nu is ons geduld eindelijk beloond. We willen nu zoveel mogelijk voordeel uit deze unieke kans halen.”

Vanaf de grond kan SSTL nieuwe software installeren op de ontvanger aan boord van GIOVE-A. De nieuwe software zorgt er onder andere voor dat de satelliet zwakkere satellietnavigatiesignalen kan opvangen. Nieuwe updates staan gepland voor de nabije toekomst. Daarbij wordt de satelliet uitgerust met een accurate boordklok en software die de satelliet de hoogte van zijn baan om de aarde laat schatten.

Opzij kijken

GPS-satellieten zoals die gebruikt worden bij Galileo of zijn Russische, Chinese, Indische of Japanse tegenhangers richten hun antennes normaal gesproken direct op de aarde. Een satelliet die hoger zweeft dan de normale hoogte voor GPS-satellieten kan echter alleen maar signalen opvangen die vanaf de andere kant van de aarde verzonden worden. Helaas wordt het grootste deel van die signalen tegengehouden door onze planeet zelf.

Om zijn locatie te bepalen moet een satellietontvanger signalen van minimaal vier andere satellieten kunnen ontvangen. Doordat de antennes recht op de aarde gericht zijn is dat in veel gevallen onmogelijk. GIOVE-A doet dat anders. De satelliet maakt gebruik van signalen die door de antennes naar de zijkant worden uitgezonden. Net als een zaklamp zendt een radio-antenne namelijk niet alleen energie recht naar voren, maar ook opzij. Deze signalen worden de 'zijlobben' genoemd.

'Deze zijlobben worden doorgaans niet goed gemeten, omdat dit energie is die de aarde niet bereikt”, legt Kowaltschek uit. “Antenne-ontwerpers zoeken naar manieren om deze straling te verminderen, maar de wetten van de natuurkunde laten zien dat ze altijd aanwezig zullen zijn in een bepaalde vorm. Metingen van deze zijlobben hebben laten zien dat ze veel sterker zijn dan verwacht. De combinatie van zijlobben en signalen die vanaf de andere kant van de aarde komen zorgen ervoor dat GIOVE-A zijn plaats ten opzichte van de aarde kan bepalen.”

Satellietnavigatie dient geostationaire baan

Geostationaire satellieten zweven rondom de aarde in vastgezette banen tot op een hoogte van 36.000 kilometer. Iedere twee weken moeten kleine koerscorrecties uitgevoerd worden om ervoor de zorgen dat ze niet afdrijven. Deze correcties worden uitgevoerd met chemische stuwraketten. Door gebruik te maken van satellietnavigatie zou dit proces automatisch uitgevoerd kunnen worden.

Deze manier van werken past ook goed in de huidige plannen van ESA om communicatiesatellieten volledig elektrisch aan te sturen. De elektrische aansturing zou de conventionele chemische stuwraketten kunnen vervangen. Daardoor zouden satellieten compacter kunnen worden, wat dan weer leidt tot een kostenbesparing bij de doorgaans erg prijzige lancering.

Elektrische aandrijving levert echter minder stuwkracht op dan de conventionele raketten. Dat betekent dat de satellieten ten alle tijden hun locatie ten opzichte van de aarde in de gaten moeten kunnen houden. Continue plaatsbepaling via navigatiesatellieten zou daarvoor een oplossing kunnen zijn.

Continue plaatsbepaling kan daarnaast ook bijdragen aan de richtnauwkeurigheid van communicatiesatellieten die sterrenvolgers gebruiken om hun hoogte te bepalen. Volledig elektrische communicatiesatellieten kunnen satellietnavigatie gebruiken om zichzelf na de lancering naar een geostationaire baan te brengen. Daardoor hoeven de satellieten bij lancering minder groot te zijn, wat weer tot een kostenbesparing leidt.

“We zien een toekomst voor ons waarin satellietnavigatieontvangers niet alleen GPS kunnen opvangen, maar ook de signalen van Galileo of het Russische navigatiesysteem Glonass. Daardoor kan er een bijna continue beschikbaarheid van accurate positiegegevens van satellieten ontstaan”, aldus Martin.

Als volgende stap in het onderzoek zal een kleine ontvanger meevliegen met ESA's telecommunicatiesatelliet SmallGEO, die in 2014 gelanceerd wordt. Voortbordurend op de positieve resultaten van het experiment met GIOVE-A zal SmallGEO de eerste civiele missie zijn waarbij gegevens van satellietnavigatie gebruikt worden in een geostationaire baan om de aarde.