Принципы и схемы построения спутниковых систем навигации.

Спутнковые навигационные системы (СНС) ГЛОНАСС и GPS со своими наземными и космическими дополнениями все активнее вторгаются в различные сферы человеческой деятельности. Согласно маркетинговым исследованиям Министерства торговли США объем продаж мирового рынка этих систем в 2003 году превысил 16 млрд.долл.

Системы продемонстрировали высокие точностные характеристики определения координат, скорости и времени воздушных, космических, морских и наземных подвижных средств. Они в состояние обеспечить существенное повышение безопасности движения транспортных средств, наиболее экономичное решение задач картографии и геодезии, землеустройства, освоения удаленных, слабо изученных территорий и акваторий морей и океанов, обеспечения регулярности функционирования буровых и добывающих платформ на шельфе и в открытом море, горных, строительных и сельскохозяйственных работ, бытрого поиска и спасение терпящих бедствие, точной синхронизации разнесенных в пространстве объектов и др. Сами СНС или, как их еще называют, спутниковые радионавигационные системы (СРНС), не стоят на месте и относятся к одной из наиболее динамично развивающихся областей радиотехники.

Это в первую очередь относится к эволюции и серьезной модернизации системы GPS и совместному использованию систем ГЛОНАСС и GPS, созданию таких широкозонных дополнений СРНС, как WAAS, EGNOS, MSAS на основе наземных станций контроля и геостацтонарных космических аппаратов. Эти изменеия касаются работ стран Европейского Союза по созданию Европейской глобальной СРНС Галилео, развития дифференциальных подситсем со станциями наземного базирования, реализации новых методов для повышения надежности и помехоустойчивости аппаратуры потребителей, реализации новых методов комплексирования информации СРНС и других систем. Они реализуют новые возможности в обеспечении безопасности стран, на транспорте, в народном хозяйстве, науке и образовании, при организации путешествий, в спорте и туризме.

Уже опыт слежения за первым спутником в 1957 г. показал, что измерение доплеровского сдвига частоты радиосигнала, излучаемого движущимся по известной орбите передатчиком, может быть использовано для определения географических координат точки наблюдения.

Достигаемое при использовании космических средств повышение точности навигации было особенно принципиальным для подводных лодок ракетного базирования (ПЛАРБ), поскольку погрешность определения ими своего местоположения ограничивает точность наведения баллистических ракет, находящихся на борту.

В 1958 г. ВМС США приступили к разработке навигационной системы «Транзит», предусматривавшей запуск 6 спутников на круговые полярные орбиты высотой 1000 км. Аналогичная советская система стала развертываться в 1967 г Характерные синхронизированные сигналы, передаваемые навигационными спутниками, не позволяли их спутать ни с какими другими, даже несмотря на то, что конфигурация создаваемой в СССР космической навигационной системы на протяжении почти десятилетия постоянно трансформировалась.

С 1967 по 1970 г. 6 спутников было выведено с космодрома Плесецк носителями С-1 («Космос») на круговые орбиты средней высотой около 775 км и периодом обращения примерно 100 минут. Затем эта серия прекратилась и начались аналогичные запуски на орбиты высотой 1000 км с периодом обращения 104,8-105 минут, обеспечивающие более широкие полосы обзора. На протяжении 1970-1972 гг. была развернута система из трех спутников в отстоящих на 120 градусов орбитальных плоскостях, и в 1972 г. уже начались замены в рамках образованной группировки.

Однако позже в этом же году рабочая орбита была изменена еще раз. Высота ее осталась прежней, 1000 км, но наклонение используемых орбит увеличилось с 74 до 83 градусов и на этих орбитах началось формирование группировки из 3 спутников, отстоящих не на 120, а на 60 градусов друг от друга. Начиная с 1975 г. эта конфигурация была еще раз перестроена, и в завершенном виде система стала по существу копией «Транзита», включая 6 спутников в отстоящих на 30 градусов друг от друга орбитальных плоскостях. Хотя орбиты советских спутников и не стали чисто полярными, высота в 1000 километров достаточна для того, чтобы спутники могли наблюдаться из любой точки поверхности Земли.

В 1976 г. наряду с группировкой из 6 спутников начала формироваться еще одна система из 4 аналогичных, аппаратов. Они выводились на орбиты такой же высоты и наклонения, но их плоскости отстояли друг от друга не на 60, а на 45 градусов. Наблюдения Кеттерингской группы слежения показывали, что все эти спутники вещают на одной частоте — 150,00 МГц, отличаясь друг от друга только идентификатором, плоскости орбиты, тогда как все 6 прежних плоскостей характеризуются индивидуальными частотами передач, смещенными друг относительно друга на 30 кГц.1

Объяснение появилось в 1978 г., когда третий представитель новой группы - «Космос-1000» - был обьявлен предназначенным для навигации судов морского и рыболовного флота СССР. Новая подгруппа была таким образом отождествлена как «гражданская» система и впоследствии получила официальное название «Цикада». Существование же второй подгруппы по-прежнему официально не комментировалось, подтверждая ее военное назначение.

Вместе с тем, обе подсистемы существуют не независимо: восходящие узлы орбит «гражданских» спутников постоянно поддерживаются в противоположном полушарии по отношению к восходящим узлам «военных». Это обстоятельство, безразличное при использовании только одной группы спутников, расширяет возможности пользователей, способных принимать сигналы обеих групп.

С 1982 г. некоторые спутники системы «Цикада» оснащаются дополнительными ретрансляторами для приема сигналов аварийных радиобуев международной системы поиска аварийных судов и самолетов КОСПАС-SARSAT. Такая модификация с 1989 г. запускается под именем «Надежда». Опубликованные фотографии спутников системы «Цикада» (рис. 3.5) позволяют представить и внешний вид их «военных» партнеров — цилиндрический корпус со сферическими днищами, «завернутый» в солнечные батареи, со штангой гравитационного стабилизатора на одном конце и развертываемыми на орбите антеннами — на другом.

В последние 10 лет среднее время замены спутников в «военной» подгруппе составляет 16 месяцев, но как и в случае спутников связи, запуск нового не обязательно вызван поломкой предыдущего. Если же спутник неожиданно выходит из строя, то вместо него может временно включаться находящийся в той же плоскости более старый. Так, в конце 1988 г. «Космос-1891» был временно заменен выведенным ранее из эксплуатации «Космосом-1759 до запуска в феврале 1989 Космоса-2004», а «Космос-1802» реактивизировался для замены «Космоса-1934», вышедшего из строя через 9 месяцев после старта.

Более частое обновление военной, части системы в сочетании с различием численного состава групп приводит к тому, что на 1-2 ежегодных пуска «гражданских» навигационных спутников приходится 4-5 «военных»2. Всего же до конца 1991 г. для «военной» системы было запущено 99 спутников, а для «гражданской» — 22 (см. табл. 3,7).

Объявленная точность определения местоположения с помощью системы «Цикада» составляет по различным источникам от 80—100 до 100—200 метров, что соответствует данным, опубликованным для «Транзита» — от 60 до 130 м в диапазоне углов возвышения спутника от 26 до 66 градусов [9].

Для гражданских целей этою вполне достаточно, но развитие потребностей наведения новых систем вооружений стимулировало разработку второго поколения навигационных спутниковых систем. В отличие от предыдущих они рассчитаны на получение не двух, а трех координат пользователя, а также трех компонент его вектора скорости.

Добиться этого позволяет одновременное определение расстояния до нескольких спутников по запаздываниям сигналов от их тщательно синхронизированных бортовых часов. В США такая система, получившая название «Navstar/GPS»3 начала испытываться ВВС в 1978 г.

В Советском Союзе испытания новой «Глобальной навигационной спутниковой системы» (ГЛОНАСС) начались в 1982 г. Используемая методика требует нахождения в любой момент времени в поле зрения каждого пользователя не менее 4 спутников, поэтому высоты орбит и количество спутников в системах второго поколения значительно увеличены. Как в советской, так и в американской системах применены круговые орбиты высотой около 20 тысяч километров и периодом обращения около 12 часов, но если система «Навстар» предусматривает размещение 18 спутников в 6 плоскостях, отстоящих друг от друга на 60 градусов, в СССР было решено ограничиться тремя плоскостями, а количество спутников увеличить до 214.

Обе системы работают в частотном диапазоне 1,6/1,5 ГГц, но, как и в системах первого поколения, каждый советский спутник работает на своей частоте, не ограничиваясь, как американские, встроенным в формат сигнала личным кодом. Поскольку, кроме того, «Глонасс использует самую верхнюю часть диапазона. навигационные сигналы вплотную примыкают к полосе, отведенной для спутниковой связи с самолетами, а также перекрывают диапазон 1607-1612 МГц, зарезервированный для радиоастрономических исследований.

Спутники системы «Глонасс», весящие по 1400 кг каждый, доставляются на рабочую орбиту 4-ступенчатыми носителями «Протон» (D-1-e) по 3 штуки в одном пуске. При начальном периоде обращения 675 минут спутники дрейфуют вдоль рабочей орбиты до назначенных точек расположения, где и стабилизируются с помощью бортового двигателя, доводя период обращения до 675,7 минуты.

Недоумение наблюдателей вызывало то, что до 1986 г. минимум один из каждых 3 спутников оставался нестабилизированным, и 16 из 48 запущенных с 1982 по 1990 г. спутников вообще не передавали навигационных сигналов. Только в 1991 г. выяснилось, что из-за дефицита электронных компонентов часть спутников не оснащалась навигационной аппаратурой и использовалась лишь для отработки выведения на рабочую орбиту.

Орбита «Глонассов», имеющая высоту 19 100 км, несколько отличается от первоначально заявлявшейся строго полусуточной с высотой 20 000 км. Однако она тоже является кратной, обеспечивая повторение наземной трассы каждого спутника через 8 суток по завершении им 17 витков. Это. возможно, имеет какие-то преимущества на начальном этапе, когда задействованы еще не все орбитальные плоскости и места расположения спутников.

В испытательных пусках, продолжавшихся с 1982 по 1988 г., спутники доставлялись только в две плоскости. Подобная картина сохраняется и после начала в 1989 г. запусков эксплуатационных спутников.

Развертывание первой фазы системы, предусматривающей использование 10—12 ИСЗ в двух плоскостях, завершилось в 1991 г. В феврале 1992 г. количество работающих одновременно спутников впервые достигло 12, но поддержание его даже на этом уровне потребует сохранения прежнего темпа запусков ввиду ограниченного ресурса аппаратов.

Начало же серийного производства эксплуатационных спутников в 1991 г. намечалось только на 1993 г., после чего, надо понимать, только и может начаться переход к полномасштабной системе из 24 ИСЗ, которую планировалось завершить к 1995 г.

Заявленная точность полностью развернутой системы «Глонасс» составляет 10 метров по каждой из координат и 0,05 м/с по каждой компоненте скорости [10]. Это практически совпадает с проектными требованиями к системе «Навстар/GPS». Подчеркнем, однако, что такая точность в GPS достигается только при использовании особо закодированного сигнала, доступного лишь военным пользователям. Гражданские пользователи системы GPS получают координаты с точностью до 30 метров, а в режиме «выборочной доступности», т.е. при преднамеренном ухудшении сигнала для затруднения несанкционированного доступа к точному коду погрешность возрастает до 100 метров. Последняя величина также согласуется с характеристиками аппаратуры системы «Глонасс», доступной для гражданского использования и обеспечивающей погрешность 100 м по широте и долготе и 15 м/с по скорости [1] в отсутствие искусственного ухудшения сигнала5.

Как бы то ни было, до завершения полного развертывания системы «Глонасс» низкоорбитальные навигационные системы сохранят свою роль, и наблюдавшаяся до последнего времени картина запусков, в которой ежегодные две партии «Глонассов» балансировались 5-6 низкоорбитальными спутниками едва ли изменится в пользу новой системы.

1. Идентификатор плоскости орбиты, входящий в формат передаваемых спутниками сигналов, меняется от 1 до 6 для спутников первой группы и от 11 до 14 для второй [15].

2. Деление условно, поскольку военные пользователи, очевидно, могут использовать спутники обоих типов.

3. От «Navigation Satellite with Timing and Ranging Global Positioning System» — глобальная система определения местоположения на основе навигационных спутников с измерением расстояния и времени

4. В обеих системах предусматривается также наличие на орбитах 3 резервных спутников.

5. В зарубежной печати сообщалось, что наземные испытания гражданского приемника системы «Глонасс» в 1991 г. дали точность 17 метров.