Смена поколений. Решетнёвская фирма презентует свой опыт и новые разработки в космической навигации.

Система ГЛОНАСС – национальное достояние России и один из признанных брендов сибирского спутникостроения – неизменно вызывает интерес у самой широкой общественности. АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» как единственный в стране производитель спутников навигационного назначения демонстрирует свои разработки в этой сфере на научных конференциях и форумах разного уровня. Этим летом наши специалисты представили доклады об истории космической навигации и планах её развития на конференции «Системный анализ, управление и навигация» в Крыму.

ИСТОРИЯ КАК СИСТЕМА КООРДИНАТ

Решетнёвцы подробно рассказали о том, как началось создание отечественных навигационных космических аппаратов. Первый спутник с атмосферным названием «Циклон» был выведен на орбиту в 1967 году и, как и последующие низкоорбитальные аппараты, предназначался для обслуживания морских потребителей. Все они работали на высоте 1000 км и обеспечивали навигацию в ходе кратковременных сеансов связи каждые полтора-два часа. От спутника к спутнику точность навигационных определений повышалась практически вдвое и более. Спутник «Циклон» давал точность 500–600 м, «Циклон-Б» (первый запуск в 1974 году) – 330–350 м, «Цикада» (с 1976 года) – 100–120 м. Со временем гарантированный срок службы навигационных спутников первого поколения вырос с полугода до двух лет. А ещё стало понятно, что сигналы из космоса удобно использовать для навигации не только на воде, но и на всей поверхности Земли.

Для глобальной навигации в Решетнёвской фирме была разработана система ГЛОНАСС. Её первый аппарат был запущен на среднюю круговую орбиту в 1982 году. Гарантированный срок службы составлял уже три года, а точность – от 60 до 30 метров. Но самое главное – охват сигналами новой системы при полной группировке в 24 спутника стал круглосуточным и непрерывным. И сегодня определять свои координаты и время при помощи ГЛОНАСС-приёмников могут пользователи в любом уголке планеты.

БОЛЬШОЙ СКАЧОК

Современную орбитальную группировку ГЛОНАСС составляют спутники с 7-летним («Глонасс-М») и 10-летним («Глонасс-К») расчётным сроком активного существования. Точность навигации с их помощью достигла 2,6 метров. Повысить её до дециметрового уровня будет возможно, когда система будет работать на базе спутников «Глонасс-К» и «Глонасс-К2».

Современные навигационные спутники излучают больше навигационных сигналов, а также ретранслируют сигналы аварийных радиобуёв международной системы поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ. Развитие технологий позволило значительно расширить возможности космической навигации, которая успешно применяется и на земле, и в воздухе, и в космическом пространстве.

Услуги на базе сигналов навигационных спутников реализуются в проекте «ЭРА-ГЛОНАСС» (экстренного реагирования при авариях), в управлении движением транспорта и контроле перевозок, синхронизации работы энергосистем и потоков данных в системах связи. Также ГЛОНАСС-технологии применяются в высокоточной обработке сельхозугодий, проведении геодезической съёмки и землеустроительных работ, исследовании геодинамики и регистрации землетрясений.

ПУТИ ЭВОЛЮЦИИ

Широкое распространение услуг навигационных спутников стало возможным благодаря техническим решениям в их конструкции, новым методам навигации и самой структуре орбитальной группировки. По сравнению с низкоорбитальными навигационными системами орбита ГЛОНАСС поднялась в 19 раз – до 19 100 км, а количество спутников увеличилось с шести до 24 аппаратов, которые распределены по восемь в трёх плоскостях. Такая архитектура группировки обеспечивает одновременную радиовидимость не менее четырёх спутников в любой точке Земли. Это позволило реализовать более надёжный метод навигации.

В системах первого поколения применялся только доплеровский метод местоопределения. Он использует эффект, основанный на измерении характеристик радиоволн, которые меняются по мере движения их излучателя или приёмника. В ГЛОНАСС основной способ навигации – дальномерный, то есть для определения местоположения объекта необходимо измерить дальности до трёх навигационных спутников для определения трёх пространственных координат. (Четвёртый спутник в зоне радиовидимости нужен, чтобы синхронизировать потребителя со шкалой времени и определить четвёртую координату – временную).

Для нового метода навигации была применена принципиально иная аппаратура. А выбор более удалённой от Земли орбиты повлёк за собой изменение конструктивно-компоновочной схемы навигационного спутника. Космический аппарат системы ГЛОНАСС, по сравнению с «Циклоном», обрёл раскрываемые панели солнечных батарей, стал немного больше и тяжелее, но гораздо оснащённее. Повысилась мощность системы электропитания (от 200 Вт на «Циклоне» до 1450 Вт на «Глонасс-М» и 1600 Вт на «Глонасс-К»). Значительно выросла точность ориентации на Землю и была введена ориентация на Солнце. При этом пришлось отказаться от применения реактивных систем управления ориентацией спутника. Изменения состава бортовой аппаратуры служебных систем и полезной нагрузки позволили повысить точность навигационных определений до величин, которые на заре космической навигации могли показаться фантастическими.

Чтобы навигационный спутник эффективно выполнял свои задачи, требуется с высокой точностью знать параметры его движения на орбите (эфемериды). Погрешность их определения во многом зависит от погрешности параметров гравитационного поля Земли. Для того чтобы получить эти данные решетнёвцами была создана теория построения согласующей модели движения космического аппарата вокруг нашей планеты. Её воплотили в жизнь в 1989 году запуском двух пассивных спутников «Эталон» на орбиту с периодом обращения 11 часов 45 минут. Эти аппараты использовались в качестве отражателей сигналов, посланных с Земли, что помогало чётко отслеживать их движение по орбите. В итоге результаты этого эксперимента позволили повысить точность навигационных определений системы ГЛОНАСС.

НОВАЯ ЭПОХА

Сложная экономическая ситуация в нашей стране в 1990-е годы привела к тому, что навигационная группировка своевременно не пополнялась спутниками, и в начале 21 века её пришлось восстанавливать. Своеобразным рычагом, который позволил развернуть ситуацию в нужном направлении, стала Федеральная целевая программа по развитию системы ГЛОНАСС. Преследовались цели – гарантированно обеспечить потребителей навигацией в условиях ограниченной видимости и помех, обеспечить паритет российской системы с американским аналогом, а также расширить области применения навигационных сигналов. Для их достижения с 2003 года орбитальная группировка стала пополняться модернизированными спутниками «Глонасс-М» с улучшенными характеристиками и повышенным более чем вдвое ресурсом.

С 2011 года на орбиту начали выводиться спутники нового поколения «Глонасс-К» с увеличенным гарантированным сроком службы. У них выше мощность системы электропитания, больше оборудования полезной нагрузки, частот и излучаемых сигналов, а также выше функциональность. При этом сам спутник стал заметно компактнее и почти в полтора раза легче! Таких впечатляющих результатов удалось добиться благодаря переходу к негерметичной конструкции, в которой металлический гермоконтейнер был вытеснен лёгкими и прочными сотопанелями. В свою очередь бортовая аппаратура, лишённая прежних «тепличных» условий, стала строиться с использованием радиационно-стойкой элементной базы на тот момент преимущественно импортного производства. Но политико-экономические реалии последних лет заставили в корне изменить концепцию применения электрорадиоизделий в новых спутниках.

В компании «ИСС» изготовлен 51 космический аппарат «Глонасс-М», на орбиту запущено 50. В настоящее время по целевому назначению используются 23 аппарата этой серии. Ещё один спутник «Глонасс-М» находится на ответственном хранении в «ИСС»

УСТРЕМЛЁННЫЕ В БУДУЩЕЕ

Проверка раскрытия солнечных батарей спутника «Глонасс-К»

На сегодня задача импортонезависимости – одна из самых актуальных. В компании «ИСС» был проведён большой объём работ, направленных на то, чтобы максимально заменить зарубежную компонентную базу на отечественную. Спутники «Глонасс-К», которые сейчас находятся в производстве, серьёзно отличаются от первого представителя этой серии. Этого же направления специалисты «ИСС» придерживаются при создании спутников «Глонасс-К2» с увеличенной функциональностью и повышенной стабильностью бортового стандарта частоты – ключевого прибора, необходимого для обеспечения навигационных услуг.

Рассматриваются возможности увеличения количества спутников системы ГЛОНАСС, в том числе с созданием её высокоэллиптического сегмента. Применение расширенной орбитальной группировки позволит повысить доступность российской космической навигации в глобальном масштабе, особенно в сложных условиях радиовидимости.

Источник:  https://www.iss-reshetnev.ru/media/newspaper/newspaper-2021/newspaper-527.pdf