Сегмент управления и контроля

Как уже отмечалось, определение местоположения точки на земной поверхности осуществляется по спутникам, положение которых известно. При абсолютном методе определения координат, когда используются данные только одного приемника, ошибка определения координат будет такого же порядка, что и точность определения параметров орбиты.

Как правило, параметры, используемые для вычисления орбит, нестабильны и требуют постоянного уточнения. Спутники, используемые для этих целей, находятся на высоких орбитах, где влияние атмосферы на движение спутника не сказывается. Поэтому полет спутника по орбите вокруг Земли описывается простыми математическими соотношениями. Спутники выводятся на свои орбиты достаточно точно. Так как торможение из-за влияния атмосферы отсутствует, то изменения орбиты и периода обращения в течение длительного времени достаточно малы и вызваны такими явлениями, как гравитационное притяжение Луны и Солнца, солнечное световое давление на спутник и другими факторами. Несмотря на незначительную величину, все эти силы могут вносить существенные изменения в орбиту космического аппарата. Существует также множество других сил, таких как эффект сопротивления среды, но они настолько малы, что их можно не учитывать.

Моделирование сил, оказывающих сильный возмущающий эффект на орбиты спутников, важно на этапах разработки системы, ее эксплуатации и проведения научных исследований. Спутники отслеживаются относительно небольшим числом наземных станций, и поэтому число измерений, используемых для прогнозирования орбит, соответственно, мало. Для высокоточного вычисления параметров орбит используют эмпирические параметры и аналитическую модель, базирующуюся на всех доступных данных о конструкции и ориентации космического аппарата. Применение аналитической модели расширяет возможности понимании работы системы и помогает спрогнозировать ее работу в любой момент срока эксплуатации. Это позволяет повысить точность прогнозирования параметров орбит и уменьшить число станций слежения, необходимых для эксплуатации системы (следовательно, снизить ее стоимость), а также увеличить «время действия» спрогнозированных орбит. Фактические орбиты спутников вычисляют, опираясь на измерения дальности и моделирования сил, а также прогнозируя их изменения. Орбиты известны заранее, а каждый приемник имеет в памяти своего компьютера «альманах», т. е. постоянно обновляемый справочник, где содержится информация о местоположении каждого спутника и любой момент времени.

Навигационные спутники не располагаются на геостационарных орбитах подобно телевизионным спутникам. Обращаясь вокруг планеты один раз за 12 ч, они проходят над контрольными станциями дважды в сутки. Это дает возможность точно измерять их положение, высоту и скорость. Отклонения от теоретических орбит, которые обнаруживают контрольные станции, называются «ошибками эфемерид». Они обычно очень незначительны, и вычисленные поправки к орбите передаются обратно на спутник, заменяя собой в памяти его бортового компьютера прежнюю информацию. Каждый спутник вместе с дальномерными кодовыми сигналами непрерывно передает на Землю эти поправки о своем, точно вычисленном положении на орбите и движении остальных спутников данного созвездия. Кроме того, передается различная служебная информация. На земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определенный промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение при передаче спутнику навигационного сигнала. Одновременно передаются частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения спутников производятся по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости. В течение 30 – 40 мин. выполняется анализ работоспособности спутника и, в случае необходимости, осуществляется соответствующая корректировка путем введения поправок в модель или в навигационные данные. Каждые 24 часа производится загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов для каждого спутника. Если спутник находится в зоне видимости, срочные загружаемые команды могут быть выполнены в течение нескольких минут.

Для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой системы, а также для приема и анализа телеметрической информации о состоянии бортовых систем служит сегмент управления и контроля для каждой спутниковой системы. Он состоит из одной ведущей станции управления и нескольких станций слежения, расположенных в различных точках земного шара. Станции слежения ведут траекторные и временные измерения.

Рис. 13. Взаимодействие различных станций,
входящих в сегмент управления и контроля

Ведущая станция объединяет операторов и наблюдателей станций слежения, рассредоточенных по всей планете (рис. 13). Она собирает информацию от станций слежения, формирует массив служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки) и программу управления бортовыми средствами. Загружающая станция пересылает в бортовые запоминающие устройства служебную информацию и программу управления, а также ведет оперативное управление работой бортовых средств каждого из спутников.

Рис. 14. Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС:

ЦУС – центр управления системой ГЛОНАСС; ЦС – центральный синхронизатор; КС – контрольная станция; СКФ – система контроля фаз; КОС – квантово-оптическая станция; АКП – аппаратура контроля параметров; КСС – контрольная станция слежения

Все спутники находятся под постоянным контролем. Современные технические средства, установленные на станциях слежения, позволяют определять местоположение искусственных спутников с высокой точностью в любом месте Земли и в течение суток. На рис. 14 показана схема станций слежения, управления и контроля, расположенных по всей территории России. В задачи сегмента входит контроль правильности функционирования космических аппаратов, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. Этот сегмент также включает навигационные приемники и устройства обработки, предназначенные для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления координат, скорости и времени.

В США главная управляющая станция (Master Control Station – MCS) для созвездия Navstar, с которой осуществляется управление GPS в мировом масштабе, находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США (рис. 15).

Рис. 15. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS:

n – главная управляющая станция; l – станции слежения; p – наземные антенны

Эта станция обслуживает порядка 200 различных спутников, принадлежащих США и обеспечивающих связь, навигацию, наблюдение и определение погоды. (Всего в космосе функционирует более 500 спутников.) Помимо пяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, планируется создание еще одной станции наблюдения на мысе Канаверал, шт. Флорида. К сети имеющихся станций наблюдения добавляются еще шесть станций Национального управления картографирования (NIMA). Информация со станций наблюдения, которые используют приемники GPS, передается на главную управляющую станцию, обрабатывается и используется для обновления эфемерид спутников и создания модели параметров спутника. Наземные антенны служат для приема данных о функционировании спутников (телеметрии) и для передачи команд и обновленной навигационной информации на спутники. За сутки проводится 70 – 80 контактов с созвездием спутников, во время которых выполняются тесты функционирования подсистем.

Кроме того, в случае отклонения от штатной работы космического аппарата предпринимаются необходимые действия по корректировке режима работы тепловых, электрических и механических устройств спутника. О планируемых остановках в работе сообщается за 96 ч до перевода спутника в автономный режим. Корректировка положения спутника в плоскости орбиты с использованием небольших двигателей-ускорителей осуществляется в основном один раз в год, однако при необходимости может производиться и чаще. Если спутник отработал полностью, то он отводится на расстояние 1,1 тыс. км от стандартной орбиты для вывода его из созвездия.