Рейтинг
Порталус

© ГЛОНАСС СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

Дата публикации: 17 июля 2014
Автор(ы): Юрий НОСЕНКО, Юрий УРЛИЧИЧ, Андрей ФИНКЕЛЬШТЕЙН, Вячеслав ДВОРКИН
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: ТЕХНОЛОГИИ
Источник: (c) Наука в России, № 5, 2008, C. 4-10
Номер публикации: №1405548285


Юрий НОСЕНКО, Юрий УРЛИЧИЧ, Андрей ФИНКЕЛЬШТЕЙН, Вячеслав ДВОРКИН, (c)

Доктор технических наук Юрий НОСЕНКО, заместитель руководителя Федерального космического агентства; доктор технических наук Юрий УРЛИЧИЧ, генеральный директор - генеральный конструктор Российского научно-исследовательского института космического приборостроения (РНИИК. П), генеральный конструктор системы ГЛОНАСС; член-корреспондент РАН Андрей ФИНКЕЛЬШТЕЙН, директор Института прикладной астрономии РАН; кандидат технических наук Вячеслав ДВОРКИН, начальник отделения РНИИКП.

 

Глобальные навигационные спутниковые системы, представленные в настоящее время американской GPS и российской ГЛОНАСС, - важная часть мировой инфраструктуры: получаемые с их помощью данные применяют на транспорте, в энергетике, связи, других отраслях.

 

В 2008 - 2011 гг. ГЛОНАСС будет существенно модернизирована и широко внедрена в гражданскую сферу, в результате чего станет конкурентоспособной с системой GPS.

 

Создание ГЛОНАСС в России, как и GPS в США, связано с решением многочисленных общегосударственных задач, среди которых наиболее актуальны вопросы национальной безопасности и обороноспособности. В числе других приоритетов - потребности фундаментальной науки, навигационного обеспечения сухопутных, морских, воздушных и космических средств и объектов, распространения единых геодезических систем и шкал времени, картографо-геодезической подготовки различных работ на земле, в морях и океанах, демаркации границ.

 

Наряду с общегосударственными задачами ГЛОНАСС обеспечивает интересы многочисленных корпоративных и индивидуальных пользователей в области управления движением, геодезического обеспечения крупных строительных работ, трассировки и прокладки коммуникаций, мониторинга деформа-

 
стр. 4

 

 

Основные области применения ГЛОНАСС.

 

ций искусственных сооружений, землеустройства и обоснования кадастров и, наконец, персональной навигации (например, во время поездок на автомобиле или пеших прогулок по незнакомым местам). Скорость внедрения новой технологии можно сравнить с развитием мобильной телефонной связи, тем более что обе уже объединяются и технически (в одном приемнике), и "идеологически" (играя роль функциональных дополнений друг друга).

 

Идея создания спутниковой навигационной системы возникла еще в 1957 г., когда в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли* (ИСЗ). Специалисты, принимая сигнал с орбиты, предложили использовать его для определения местоположения объекта на Земле по измерениям доплеровского смещения частоты**. И уже в 60-х годах XX в. появились низкоорбитальные (высота спутников до 1000 км) отечественные системы "Цикада", "Цикада-М" и американская "Transit", работавшие по этому принципу. Основными их недостатками были относительно низкая точность при определении координат, причем только горизонтальных, и длительные перерывы между сеансами навигации (от 30 мин до 2 ч). Поэтому перед аналогичными глобальными системами нового поколения - американской NAVSTAR (NAVigation Satellite Time and Ranging), более известной российским гражданским пользователям под названием GPS (Global Positioning System), и российской ГЛОНАСС - была поставлена задача определения в любой момент времени трех координат и стольких же составляющих вектора скорости объектов, движущихся в любой точке земного шара, а также на низких орбитах.

 

Первый спутник системы ГЛОНАСС в нашей стране запустили 12 октября 1982 г., а системы NAVSTAR в США - 22 февраля 1978 г., развертывание же запланированной орбитальной группировки из 24 космических аппаратов в России завершили 24 декабря 1995 г. (группировка GPS была полностью укомплектована в 1993 г.). Отдавая должное успеху американ-

 

 

* См.: Б. Черток. Первый искусственный спутник Земли. - Наука в России, 2007, N 5 (прим. ред.). ** "Это явление объясняется эффектом Доплера - изменением длины волны (или частоты), наблюдаемом при движении источника волн относительно их приемника; при приближении источника к приемнику длина волны уменьшается, при удалении растет (прим. ред.).

 
стр. 5

 

 

Состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС в 1987 - 2007 гг. и планы запусков навигационных ИСЗ в 2008 -2011 гг.

 

 

Лазерный дальномер "Сажень-ТМ" для наблюдений за геодезическими спутниками "Эталон" (Россия) и "Лагеос" (США), служащими аппаратурой калибровки орбитальных аппаратов системы ГЛОНАСС.

 

ских инженеров и конструкторов, одновременно отметим: выход ГЛОНАСС на штатный режим был, вне всякого сомнения, выдающимся достижением отечественной науки и техники. Выбранные параметры орбитальной группировки и технологические возможности комплекса в целом обеспечили непрерывное и глобальное предоставление потребителю навигационных услуг по поверхности Земли, а также в воздушном и околоземном космическом пространстве (до высот 2000 км) с почти стопроцентной доступностью. При этом точность определений тогда составляла по горизонтальным координатам 20 м, высоте 30 м, скорости 5 см/с и времени 0,7 мкс, что сравнимо с имевшимися в то время возможностями системы GPS.

 

К сожалению, в силу ряда политических и экономических причин во второй половине 1990-х годов поддержку и обновление системы ГЛОНАСС практически не проводили, и в начале нового столетия остро встал вопрос о дальнейшем ее существовании. Орбитальная группировка неуклонно сокращалась, достигнув минимума к 2001 г., когда в ее составе осталось только 6 работоспособных спутников. Но в том же году постановлением Правительства РФ была принята долгосрочная федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система" (2002 - 2011 гг.), целью которой ставилась ее модернизация и широкое внедрение в гражданскую сферу.

 
стр. 6

 

 

Радиоинтерферометрическая сеть со сверхдлинными базами "Квазар-КВО".

 

В этой очень сложной как в техническом, так и организационном отношении системе для решения навигационной задачи используется предельно простой принцип. Он сводится к тому, что положение любого объекта определяется измерением расстояний от него до навигационных спутников, координаты которых хорошо известны, а сами они выбраны в качестве специальных базовых точек, чтобы удовлетворить принципу глобальности. По сути, на том же классическом принципе основано применение в аналогичных целях давно изобретенных астролябии, секстанта, хронометра.

 

Итак, навигационную задачу с помощью ГЛОНАСС (как и GPS) решают в два этапа. На первом определяют и поддерживают высокоточные координаты ИСЗ по измеренным до них расстояниям от наземных пунктов с хорошо известными координатами. Эту операцию выполняет наземный комплекс управления, включающий разнообразные средства - лазерные дальномеры, запросные и беззапросные измерительные станции*, радиоинтерферометры со сверхдлинными базами** и др. На следующем этапе с помощью наземного навигационного приемника определяют его координаты по расстояниям от него до нескольких спутников, координаты которых хорошо известны.

 

Расстояние от приемника пользователя до спутника Земли можно определить, измеряя время распространения радиосигнала между вторым и первым, однако задача осложнена тем, что моменты излучения сигнала и его приема фиксируются с помощью различных часов: момент излучения - по бортовым часам спутника, приема - по часам навигационного приемника. В связи с этим возникает необходимость учитывать соответствующие поправки по отношению к выбранной эталонной шкале - системной шкале ГЛОНАСС. Это требование обеспечивает наземный комплекс управления. В итоге чтобы определить три координаты пользователя и поправку времени, фиксируемого его часами, нужно одновременно наблюдать минимум четыре навигационных космических аппарата.

 

Потребители услуг спутниковой навигации, покупая в магазине соответствующий приемник, разумеется, не задумываются о том, насколько сложна система, позволяющая им везде и в любую погоду определять свои координаты, скорость, направление движения и осуществлять временную синхронизацию на земной поверхности, на море, в воздухе и в околоземном пространстве. Попытаемся дать о ней хотя бы общее представление.

 

Для решения перечисленных задач приемник должен прежде всего принять радиосигналы космических аппаратов, работу которых обеспечивает целый комплекс средств. В штатном варианте орбитальная группировка включает 24 действующих спутника, находящихся на практически круговых орбитах высотой 19100 км с наклонением 64,8° к экватору и периодом обращения 11 ч 15 мин. Они равномерно распределены по трем плоскостям (разнесенным по долготе восходящего угла на 120°) по восемь в каждой (с равномерным сдвигом по аргументу широты*** на 45°), при этом спутники в соседних орбитальных плоскостях сдвинуты на 15° по аргументу широты. Такая геометрическая структура орбитальной группировки обеспечивает глобальное и непрерывное

 

 

* "Станции с хорошо определенными координатами, непрерывно наблюдающие спутники системы ГЛОНАСС. Беззапросные станции работают только на прием навигационных сообщений, запросные принимают навигационную и служебную информацию от спутников по команде с Земли (прим. авт.). ** Радиоинтерферометры со сверхдлинными базами - приборы, используемые в радиоастрономии для объединения наблюдений, ведущихся с нескольких телескопов, и имитации одного, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными (прим. ред.). *** "Долгота восходящего узла, аргумент широты - астрономические величины, определяющие положение небесного тела на орбите (прим. ред.).

 
стр. 7

 

 

Навигационные спутники:

 

а - "Глонасс" (гарантированный срок службы Згода, масса 1415 кг);

 

b - "Глонасс-М" (гарантированный срок функционирования 7 лет, масса 1415 кг);

 

с - "Глонасс-К" (гарантированный срок службы 10 лет, масса 1270 кг).

 

покрытие поверхности Земли навигационным полем, и в каждый момент времени в любой точке планеты потребитель может видеть не менее четырех спутников (наилучшая конфигурация - один в зените, три - вблизи горизонта). Отметим: параметры российской группировки отличаются от принятой в GPS - в последней аппараты распределены по шести орбитам высотой 20180 км, наклонением 55° к экватору и периодом обращения 11 ч 58 мин.

 

Каждый спутник несет на борту цезиевые стандарты времени и частоты, входящие в систему синхронизирующего устройства и используемые для формирования, хранения и выдачи шкалы времени и высокостабильных навигационных сигналов в диапазонах частот ≈ 1600 и 1250 МГц. Причем именно долговечность данных устройств в основном и определяет гарантированный срок существования навигационных спутников. В частотном диапазоне L1, (1593 - 1611 МГц) спутники излучают радиосигналы стандартной точности, доступные массовым пользователям, а также высокоточные, модулированные особым кодом и доступные лишь специальным потребителям. Диапазон L2 (1238 - 1254 МГц) используют для подавления эффектов ионосферы и тем самым улучшения качества навигации как для массовых, так и для специальных потребителей. В спутниках первого поколения "Глонасс" сигналы стандартной точности передаются только в диапазоне L1, в спутниках второго поколения "ГЛОНАСС-М" оба вида сигналов транслируются уже в обоих.

 

В настоящее время в орбитальную группировку входят аппараты первого поколения с гарантированным сроком существования 3 года (реально - 4,5 года) и второго с гарантированной длительностью

 
стр. 8

 

службы 7 лет. На 2010 г. запланированы первые запуски новых спутников "Глонасс-К" с улучшенными характеристиками: гарантированный срок службы - 10 лет, предусматривается трансляция третьего гражданского сигнала в частотном диапазоне L3 (1198 - 1212 МГц).

 

Важный компонент ГЛОНАСС - наземный комплекс, решающий две основные задачи: управление орбитальной группировкой и эфемеридно-временное* обеспечение спутников. В его состав, помимо собственно центра управления, входят контрольные станции слежения, система частотно-временного обеспечения, квантово-оптические станции, оснащенные лазерными дальномерами.

 

Контрольные станции, расположенные по всей территории России с запада на восток, обеспечивают траекторные и временные измерения, используемые для определения орбит спутников и расхождения их шкал времени, управление космическими аппаратами, закладку на борт командной и эфемеридно-временной информации. В составе системы частотно-временного обеспечения - уже упоминавшиеся беззапросные и запросные измерительные станции и "центральный синхронизатор" системы, состоящий из нескольких высокостабильных водородных стандартов частоты. Назначение квантово-оптических станций - калибровка радиотехнических средств измерения дальности до спутников, оснащенных лазерными отражателями, и определение их орбит с максимальной точностью.

 

С помощью средств так называемого фундаментального обеспечения устанавливают национальную шкалу координированного времени** и поддерживают ее по отношению к шкале Всемирного координированного времени***, определяют небесную и земную системы отсчета, параметры вращения Земли (координаты полюса, Всемирное время**** и углы нутации - нерегулярные смещения угла наклона земной оси к плоскости "Земля-Солнце").

 

Международная небесная система отсчета, формируемая высокоточными каталогами координат опорных внегалактических радиоисточников, устанавливается и поддерживается исключительно средствами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами*****. Что касается международной земной системы отсчета, то она задается значениями геоцентрических координат и скоростями смещения опорных

 

 

* Эфемериды - координаты небесных светил и другие переменные астрономические величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенных в таблицы (прим. ред.). ** "Национальная шкала координированного времени устанавливает связь Всемирного времени с национальной атомной шкалой времени (прим. авт.) *** Всемирное координированное время устанавливает связь Всемирного времени с международной атомной шкалой времени (прим. авт.). **** Всемирное время - шкала, введенная в 1884 г., основанная на вращении Земли и соотнесенная с начальным меридианом обсерватории в Гринвиче (Великобритания) (прим. авт.) ***** См.: А. Финкельштейн. Радиоинтерферометрическая сеть "Квазар". - Наука в России. 2001, N 5 (прим. ред.).

 
стр. 9

 

наземных станций, а устанавливается, поддерживается и распространяется средствами той же радиоинтерферометрии, геодезическими приемниками сигналов ГЛОНАСС и GPS, а также средствами лазерной локации навигационных и геодезических спутников.

 

Ряд указанных задач могут и должны решаться в рамках международной кооперации, а, например, определение параметров вращения Земли будет осуществляться с помощью национальных средств.

 

К 2011 г. точность определения трехмерных координат пользователей в любой точке Земли с помощью ГЛОНАСС должна быть не хуже 1,5 м. Однако ряд пользователей, в частности гражданская авиация и флот, требуют более высокой точности и, что не менее важно, оперативности и надежности. Достижению этой цели служат функциональные дополнения к глобальной системе. Они представляют собой совокупность программно-аппаратных средств наземного и космического базирования, формирующих и передающих потребителю так называемые дифференциальные поправки - разности между точными координатами опорной станции и их значениями, определяемыми по текущим измерениям.

 

Наземную аппаратуру потребителей можно также отнести к ГЛОНАСС подобно тому, как мобильные телефоны и пользовательские терминалы входят в состав телекоммуникационных систем. Масштабное производство приемников для глобальных навигационных спутниковых систем началось с конца 1980-х годов, и в настоящее время их (включая двухсистемные приемники GPS/ГЛОНАСС) выпускают в мире более 100 предприятий, а годовой мировой объем продажи продукции и услуг этой отрасли уже превысил 10 млрд. дол.

 

Как уже говорилось, навигационные спутниковые системы становятся глобальным средством мировой инфраструктуры. Масштабное их применение в базовых отраслях экономики создает определенный риск ее зависимости от работоспособности этих сложнейших технических комплексов. Он заметно возрастает, если в национальной экономике широко используют навигационную систему, находящуюся под управлением другой страны. Наличие ГЛОНАСС и GPS существенно снижает риск. Это обстоятельство хорошо понимают не только в странах, где разрабатывают собственные глобальные (Евросоюз - "Галилео", Китай - "Компас") или локальные (Япония, Индия) спутниковые системы, но и в тех, где таких планов нет. В связи с этим в перспективе можно говорить о создании международной "системы систем", в которую войдут отдельные глобальные сегменты, находящиеся под национальным управлением, но работающие совместно и взаимодополняющие друг друга.

Опубликовано на Порталусе 17 июля 2014 года

Новинки на Порталусе:

Сегодня в трендах top-5


Ваше мнение?


КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА (нажмите для поиска): ГЛОНАСС



Искали что-то другое? Поиск по Порталусу:


О Порталусе Рейтинг Каталог Авторам Реклама