Galileo (satelliittipaikannusjärjestelmä)

Galileo on maailmanlaajuinen, Euroopan unionin (EU) rahoittama ja rakentama satelliittipaikannusjärjestelmä (GNSS), joka on toteutettu yhteistyössä Euroopan avaruusjärjestö ESA:n kanssa. Järjestelmä otettiin käyttöön 15. joulukuuta 2016 ja se koostuu toistaiseksi 30:stä, maata kiertävästä satelliitista sekä maassa sijaitsevista operointi- ja monitorointikeskuksista. Järjestelmän omistaa Euroopan komissio, mutta sekä avaruus- että maasegmenttiä operoi Euroopan unionin avaruusohjelmavirasto EUSPA. Projekti on saanut nimensä italialaisen astronomin Galileo Galilein mukaan.

Galileo: Eurooppalainen satelliittipaikannusjärjestelmä

Hankkeen pääasiallinen tarkoitus on tarjota tarkkaa paikannuspalvelua eurooppalaisille ihmisille, yrityksille ja hallinnoille. Arviolta 10 % EU:n taloudesta on riippuvaista satelliittipaikannuksen jatkuvasta saatavuudesta, mikä tekee järjestelmästä erityisen tärkeän, sillä EU:n omalla Galileo-järjestelmällä unionin valtiot eivät ole riippuvaisia ulkovaltojen, kuten esimerkiksi Yhdysvaltojen GPS-järjestelmän tai Venäjän GLONASS-järjestelmän toimivuudesta ja saatavuudesta.

Galileo-hankkeen ensimmäisen sukupolven satelliittien tavoitemäärä on 30. Jo 18 satelliittia riittää globaaliin kattavuuteen, mikäli ne on sijoitettu tasaisesti kolmelle kiertoradalleen. Ylijäämäsatelliiteilla turvataan konstellaation toimivuus vikaantumistilanteissa. Muita vastaavia maailmanlaajuisia GNSS-järjestelmiä ovat yhdysvaltalainen GPS, venäläinen GLONASS ja kiinalainen BeiDou. Nämä ovat puolustushallintojen hallinnoimia, kun Galileo on siivihallinnassa.

Suuri osa uudemmista GNSS:ää hyödyntävistä päätelaitteista, kuten kuluttajille suunnatut matkapuhelimet ja älylaitteet, sisältävät jo laitteistotuen Galileon palveluille. Vuoteen 2024 mennessä maailmassa on myyty noin 5,2 miljardia Galileota tukevaa älypuhelinta.

Historia

Eurooppalainen satelliittipaikannusjärjestelmä on ollut Eurooppa-neuvoston asialistalla jo 1990-luvulla, ja kehittäminen käynnisti vuonna 1999 kun neuvosto päätti ryhtyä rakentamaan järjestelmää yhteistyössä Euroopan avaruusjärjesö ESA:n kanssa ja ohjelma aloitettiin virallisesti vuonna 2003. Galileon esivaiheen satelliiteista käytettiin nimeä GIOVE (Galileo In-Orbit Validation Element) ja kaksi järjestelmäkehitystä ja tutkimusta tukenutta, satelliittia laukaistiin kiertoradalle joulukuussa 2005 (GIOVE-A) ja huhtikuussa 2008 (GIOVE-B). Näiden satelliittien pääasiallisena tarkoituksena oli Galileon käyttämän teknologian testaamista avaruudessa. GIOVE-A satelliitin ensisijainen tavoite oli varata Kansainvälisen televiestintäliiton (ITU) Galileolle varaamat taajuudet. Lisäksi satelliitti testasi satelliittien käyttämiä rubidium-pohjaisten atomikellojen toimivuutta.

Kaksi ensimmäistä Galileo-järjestelmän operatiivista satelliittia laukaistiin kiertoradalle 21. lokakuuta 2011. Kaikkiaan 30 satelliittia on lähetetty kiertoradalle 12 laukaisulla. Viimeisin laukaisu tapahtui 28. huhtikuuta 2024.

Vuonna 2014 ohjelman kolmas laukaisu epäonnistui ja kaksi satelliittia päätyi väärälle (elliptiselle) kiertoradalle Soyzin virheen vuoksi. Mahdollisuudet hyödyntää näitä satelliitteja palvelutuotannossa ovat rajalliset. Lisäksi yksi operatiivisista satelliiteista ei ole toimintakuntoinen.

Järjestelmän kuvaus

Konstellaation rakenne ja näkyvyys maan pinnalta.

Avaruussegmentti

Vuonna 2024 Galileon satelliittikonstellaatio koostuu 30:stä maapallon ympärillä kiertävästä satelliitista, joista 23 kpl on toiminnassa, 5 kpl ei käytössä sekä 2 uutta satelliittia on käyttöönottotestauksessa. Satelliitit kiertävät maata 23 222 kilometrin etäisyydellä kolmella kiertoradalla, joista kukin on 56° inklinaatiossa suhteessa ekvaattoriin. Satelliittien kierros maan ympäri kestää noin 14 tuntia.

Satelliitit lähettävät navigointisignaalia neljällä eri kaistalla:

• E5a: 1176,45 MHz
• E5b: 1207,14 MHz
• E6: 1278,75 MHz
• E1: 1575,42 MHz

Lisäksi SAR-pelastuspalvelun viestinvälityksessä käytetään 406–406,1 MHz:n kaistaa.

Jokainen jäsenmaa on saanut nimetä yhden Galileon satelliiteista. Nimeäminen toteutettiin järjestämällä piirrustuskilpailu lapsille ja maan satelliitti on nimetty voittajapiirustuksen tekijän mukaan. Suomen satelliitti sai nimekseen Anna.

Maasegmentti

Galileon maasegmentti koostuu kahdesta valvontakeskuksesta (Galileo Control Centre, GCC), jotka toimivat Fucinossa Italiassa ja Oberpfaffenhofenissa Saksassa.

Järjestelmän hallinnan osalta valvontakeskuksia tukevat Ground Control Segment (GCS) ja Ground Mission Segment (GMS) -toiminnot.

• GCS-toiminto ylläpitää tilannekuvaa satelliittikonstellaation toimintakunnosta ja hoitaa tarvittavat järjestelmäpäivitykset globaalin Telemetry, Tracking & Control stations (TTC) -asemaverkon kautta.
• GMS-toiminto ylläpitää satelliittien paikannus- ja aikatiedon tuotantoa. Se monitoroi järjestelmän toimintaa Galileo Sensor Stations (GSS) -asemien keräämän datan avulla ja päivittää satelliittien toimintaparametreja Galileo Uplink Stations (ULS) -verkon kautta.

Lisäksi Galileon maasegmenttiin kuuluvat:

• Kahdennettu Galileon turvallisuuden valvontakeskus (Galileo Security Monitoring Centre, GSMC), St. Germain-en-Laye (Ranska) ja Madrid (Espanja)
• GNSS-palvelukeskus (European GNSS Service Centre, GSC), Torrejón (Espanja)
• Geodetic Reference Service Provider (GRSP)
• Time Service Provider (TSP)
• SAR-palvelukeskus (SAR Service Centre), Toulouse (Ranska)
• SAR-asemat (SAR stations)
• Galileon referenssikeskus (Galileo Reference Centre, GRC), Noordwijk (Alankomaat)
• ILS-keskus (Integrated Logistics Centre, centre ILS), Transinne (Belgia)
• Ratatestausasema (In-orbit testing station), Redu (Belgia)

Galileon palvelut

Galileo tarjoaa avoimia paikannus- ja aikatietopalveluita sekä SAR-pelastuspalvelua maailmanlaajuisesti. Palvelutaso täyttää asetetut vaatimukset tarkkuuden, saatavuuden ja luotettavuuden osalta. Galileon erityispalvelut suunnitellaan otettavaksi käyttöön vaiheittain vuoteen 2025 mennessä.

Galileon tarjoamat palvelut ovat:

• Avoin paikannus- ja aikatietopalvelu – OS (Open service)
• Tarkkuuspalvelu – HAS (High accuracy service)
• Avoin todennuspalvelu – OS-NMA (Open Service Navigation Message Authentication)
• Kaupallinen todennuspalvelu – CAS (Commercial Authentication Service)
• Viranomaispalvelu – PRS (Public Regulated Service)
• Tuki maailmanlaajuiselle etsintä- ja pelastuspalvelulle – SAR (Search and rescue service)

Galileon palvelutuotannosta vastaa Euroopan GNSS-virasto (GSA). Galileo-järjestelmän tilaa, toiminnallisuutta sekä palveluiden suorituskykyä monitoroidaan jatkuvasti. Neljä kertaa vuodessa julkaistaan suorituskykyraportti, josta käy ilmi tarkastelukauden toteutunut palvelutaso.

Avoin paikannus- ja aikatietopalvelu – OS

Galileo tarjoaa sijainti- ja aikatietopalvelun avoimena ja ilmaisena peruspalveluna kaikkialla maailmassa. Avoimen sijaintitiedon tarkkuuden on todennettu olevan toistaiseksi noin 1–1,5 metriä. Tämä on parempi kuin GPS-järjestelmän tarkkuus, joka vaihtelee yleisesti 2–5 metrin välillä. Aikatiedon tarkkuuden on todettu olevan parempi kuin 15 nanosekuntia, mikä on myös hieman GPS:ää tarkempi.

Avoimen palvelun signaali lähetetään satelliiteista kahdella eri taajuusalueella, mikä parantaa järjestelmän häiriösietoisuutta. Osaltaan kaksitaajuusvastaanotto parantaa myös paikannustarkkuutta. Galileo-satelliittien kiertoratojen kallistuskulma eli inklinaatio on pohjoiseurooppalaisittain GPS:ää otollisempi, joten erityisesti pohjoismaalaiset hyötyvät tästä eroavaisuudesta laadukkaampien sijaintitietopalveluiden muodossa.

Galileon avoimet peruspalvelut tulivat saataville kaikkialle maailmassa vuonna 2016, kun järjestelmä siirtyi initial operational capability (IOC) -vaiheeseen. Tässä vaiheessa järjestelmän toiminnallinen suorituskyky todennetaan ja tehdään tarvittavia järjestelmäpäivityksiä. Galileon avoimet peruspalvelut on tarkoitus julistaa täysimääräisesti käyttöönotetuiksi ja siirtyä full operational capability (FOC) -vaiheeseen vuoden 2024 aikana.

Tarkkuuspalvelu – HAS

High Accuracy Service (HAS) on Galileon edistyksellinen palvelu, joka tuottaa käyttäjälle sijaintitiedon noin 20 cm:n tarkkuudella. Korkean tarkkuuden sijaintitieto mahdollistaa entistä vaativampien sovelluskohteiden toteuttamisen. Esimerkiksi autonomisten ja etähallittavien työkoneiden käyttö on kärsinyt saatavilla olleiden navigointijärjestelmien epätarkkuudesta.

HAS-signaali lähetetään satelliiteista kolmannella, erillisellä taajuudella, ja sen PPP-korjauksilla (precise point positioning) täydennetään avoimen palvelun tuottamaa sijaintitietoa. HAS on kaikille avoin ja maksuton palvelu, mutta sen hyödyntämiseen tarvitaan palvelun käyttämän taajuusalueen vastaanottoon ja lähetteen käsittelyyn kykenevä päätelaite.

Galileon HAS-tarkkuuspalvelu on kehitysvaiheessa: sen järjestelmäkehitykseen ja vastaanotinvalmistajien käyttöön tarkoitetun testisignaalin lähetys satelliiteista aloitettiin toukokuussa 2021. Palvelu ei kuitenkaan vielä ole saatavilla käyttäjille. HAS-tarkkuuspalvelu on tarkoitus ottaa käyttöön kaksivaiheisesti. Initial operational capability (IOC) -vaiheessa palvelun toiminnallisuus todennetaan ja järjestelmään tehdään vielä tarvittavia päivityksiä. Tässä vaiheessa palvelu on kuitenkin jo käyttäjien saatavilla. IOC-vaiheen suunnitellaan alkavan vuoden 2023 alkupuolella. Full operational capability (FOC) -vaiheeseen siirrytään, kun palvelun toiminta on todennettu. Tämän suunnitellaan tapahtuvan vuoden 2024 loppuun mennessä.

Todennuspalvelut – OS-NMA ja CAS

Galileo tarjoaa avoimelle sijainti- ja aikatietopalvelulle eritasoisia todennuspalveluita, joilla tarvittaessa voidaan varmentaa, että palvelun signaalit todella tulevat Galileo-satelliiteista, ja havaita näin mahdollinen vastaanottimen harhauttaminen. Sekä kaikille avoin todennuspalvelu OS-NMA (Open Service Navigation Message Authentication) että kaupallinen todennuspalvelu CAS (Commercial Authentication Service) perustuvat salattuun satelliittisignaaliin, jolla varmistetaan, että signaali on muuttumaton ja peräisin tunnetusta lähteestä. Tällä vaikeutetaan kolmannen osapuolen aiheuttamaa signaalien väärentämistä ja harhauttamista.

Kaupallinen palvelu ja kaikille avoin todennuspalvelu poikkeavat toisistaan salauksen purkuavainten hallinnan osalta. Kaupallisessa CAS-palvelussa avaimet jaetaan käyttäjille etukäteen varmennettua reittiä pitkin. Tämä mahdollistaa salatun satelliittisignaalin purkamisen reaaliaikaisesti päätelaitteessa. Avoimessa OS-NMA-palvelussa käytetään yksityinen–julkinen-avainparia, mikä mahdollistaa kevennetyn avaintenjakelukanavan käytön, mutta toisaalta aiheuttaa viiveen satelliittisignaalin aitouden tunnistamisessa. OS-NMA:n luotettavuus vertautuu selaimissa käytettyjen varmenteiden (sertifikaattien) luotettavuuteen: käyttäjä joutuu luottamaan siihen, että aidon varmenteen on asentanut hyvää aikova taho.

Galileon todennuspalvelut OS-NMA ja CAS ovat kehitysvaiheessa, eivätkä ole vielä saatavilla käyttäjille. Avoimen OS-NMA-todennuspalvelun suunnitellaan tulevan loppukäyttäjien saataville vuoden 2023 alkupuolella. Kaupallisen CAS-todennuspalvelun IOC-vaiheen suunnitellaan alkavan vuoden 2023 aikana ja palvelu on aikataulun mukaan se siirtyy Full operational capability (FOC) -vaiheeseen eli on täysimääräisenä käytettävissä vuonna 2025.

Viranomaispalvelu – PRS

Tahallinen häirintä ja harhautus mutta myös ilmakehän häiriöisyys tai tahattomat radiohäiriöt haavoittavat perinteisiä satelliittipaikannuspalveluita helposti. Galileon julkisesti säännellyn satelliittipalvelun (Public Regulated Service, PRS) eli viranomaispalvelun on tarkoitus tuottaa sähköisesti ja toiminnallisesti varmistettua, jatkuvaa sijainti- ja aikatietoa EU:n jäsenvaltioille elintärkeisiin toimintoihin kaikissa olosuhteissa – myös kriisitilanteissa. PRS-palvelun käyttäjiksi valtuutetaan erikseen sellaiset viranomaiset ja kriittisen infrastruktuurin toimijat, jotka tarvitsevat jatkuvia ja häiriöttömiä sijainti- ja aikapalveluita. Tällaisia käyttäjäryhmiä ovat esimerkiksi teleyritykset, pankit, erilaiset liikenteen ja logistiikan toimijat, poliisi, pelastustoimi, puolustusvoimat, rajavartiolaitos ja tulli.

Galileo-järjestelmän PRS-palvelun on tarkoitus olla EU:ssa operatiivisessa käytössä vuoden 2025 kuluessa.

Suomen kansalliseksi PRS-viranomaiseksi on nimetty liikenne- ja viestintäministeriön alainen Liikenne- ja viestintävirasto Traficom. PRS-viranomainen vastaa käyttäjien valtuuttamisesta, vastaanotinten ja teollisen PRS-laitetuotannon valvonnasta ja erityisesti siitä, että PRS-käyttäjät saavat palvelun käyttämisessä tarvittavat salausavaimet. Palvelu pyritään ottamaan Suomessa käyttöön vuonna 2025.

Tuki maailmanlaajuiselle etsintä- ja pelastuspalvelulle – SAR

Galileo-satelliitteihin on rakennettu tuki maailmanlaajuista Cospas-Sarsat-hätäsignaalijärjestelmää varten. Poikkeuksellista järjestelmässä on se, että Galileon SAR-pelastuspalvelu pystyy valmistuttuaan toimittamaan hätäsignaalin lähettäjälle kuittauksen siitä, että hätäsignaali on vastaanotettu pelastuskeskuksessa. Näin hätäviestin lähettäjä saa varmuuden siitä, että pelastustoimet ovat käynnistyneet. Hätäviestien paikannuksen on määritetty tapahtuvan 10 minuutin sisällä signaalin lähettämisestä. Galileon SAR-palvelun käyttöön tarvitaan erityinen hätälähetin, joka aktivoidaan hätätilanteessa.

Galileon SAR-pelastuspalvelu julistettiin käyttöönotetuksi täysimääräisenä 21.1.2020. Palvelu on käyttömaksuton.

Omistus ja operointi

Galileo-järjestelmän toteuttamisesta ja käytöstä päättävät Euroopan unioni ja sen jäsenvaltiot. Galileo-järjestelmän kriittisimmät palvelut ovat EU:n jäsenvaltioiden käytettävissä myös kriisitilanteissa, mitä ei kaikilta osin voida taata muiden tahojen hallinnoimille satelliittinavigointijärjestelmille.

European Space Agency (ESA) on Galileo-järjestelmän kehittämisestä ja rakentamisesta vastaava toimija. Euroopan unionin avaruusohjelmavirasto vastaa järjestelmän ylläpidosta, operoinnista ja palvelutuotannosta.

Suomessa Liikenne- ja viestintävirasto Traficom on eurooppalaisen Galileo-satelliittipaikannusjärjestelmän palvelutuotannosta vastaava viranomainen.

Järjestelmän tulevaisuus

Galileon tarjoamien palveluiden käyttöönotto tapahtuu vaiheittain. Merkittävä osa palveluista on jo käyttäjien saatavilla. Järjestelmän julistamisen kokonaisuudessaan käyttöönotetuksi suunnitellaan tapahtuvan vuoden 2025 loppuun mennessä. Ikääntyviä Galileo-satelliitteja korvataan tarvittaessa uusilla.

Galileon seuraavan sukupolven (Galileo 2nd generation, G2G) suunnittelutyö on jo käynnistynyt. G2G-järjestelmän tavoitteena on pitää Galileon käyttämä teknologia modernina sekä edelleen parantaa ja laajentaa Galileon palveluvalikoimaa. G2G-järjestelmän suunnittelun valmistuttua ensimmäisen sukupolven satelliitit tullaan korvaamaan vaiheittain toisen sukupolven laitteilla.

Aiheesta muualla

• https://www.usegalileo.eu : Euroopan unionin GNSS-viraston ylläpitämä tietosivu.
• https://www.kyberturvallisuuskeskus.fi/fi/toimintamme/galileo : Kyberturvallisuuskeskuksen ylläpitämä Galileo-tietosivu.
• https://www.kyberturvallisuuskeskus.fi/fi/toimintamme/galileo/galileon-viranomaispalvelu-prs : Suomen PRS-viranomaisen ylläpitämä tietosivu.
• https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2013/1285/oj?locale=fi : Euroopan unionin GNSS-asetus.