Развитие навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. История создания ГНСС GPS и ГЛОНАСС

Необходимость создания собственной НСС, в первую очередь, была вызвана требованием достижения паритета в морской составляющей ядерных вооружений между СССР и США, поскольку уже в 1964 году на вооружение ВМС США была сдана НСС под названием NAVSAT или NNSS (Navy Navigational Satellite System) в составе орбитальной группировки из четырех спутников Transit на низких полярных орбитах.

Развитие навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. История создания ГНСС GPS и ГЛОНАСС
Рисунок 1. Ричард Кершнер.

NNSS или Transit была разработана совместно Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и Лабораторией прикладной физики (APL) университета Дж. Гопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера (Richard Kerschner, 1913-1982 гг. (Рисунок 1) по заказу ВМФ США и являлась первой в мире действующей НСС. Идея о возможности создания спутниковой системы навигации обрела очертания сразу после запуска первого советского искусственного спутника земли 4 октября 1957 года. Наблюдая за его сигналами, сотрудники APL Уильям Гиер (William Guier) и Джордж Вейффенбах (George Weiffenbach) смогли определить его орбиту методом измерения допплерского сдвига частоты сигнала, передаваемого спутником. Стоит заметить, что за сигналами первого спутника наблюдали радиолюбители всего мира; частоты сигналов 20.005 МГц и 40.002 МГц лежали вблизи любительских диапазонов 15 метров и 38-40 МГц. (В СССР этот диапазон был выделен для радиолюбителей в 1955 году).

Развитие навигационной спутниковой Подготовка к запуску космического аппарата Transit-2F.ГЛОНАСС. История создания ГНСС GPS и ГЛОНАСС
Рисунок 2. Подготовка к запуску космического аппарата Transit-2F.

Разработка Transit началась в 1958 году, в 1959 году был неудачно запущен прототип спутника Transit 1A, второй спутник Transit 1B был успешно выведен на орбиту в апреле 1960 года. Навигационная система NNSS была полностью введена в эксплуатацию в 1964 году. На Рисунке 2 показана подготовка к запуску спутника Transit 2F. В 1967 году NNSS стала доступной для гражданских судов не только США, но и других стран (кроме социалистических). На Рисунке 3 показаны судовой навигационный приемник сигналов НСС Transit и оборудование наземной станции слежения того времени.

Навигационный приемник сигналов НСС Transit и оборудование наземной станции слежения. 2 - таймер-счетчик, 6 - приемник слежения за сигналами спутников, 9 - блок оцифровки и тактовых сигналов, 10 - мастер-генератор тактовых сигналов, 12 - перфоратор бумажной ленты регистратора сигналов, 13 - коротковолновый приемник.
Навигационный приемник сигналов НСС Transit и оборудование наземной станции слежения. 2 - таймер-счетчик, 6 - приемник слежения за сигналами спутников, 9 - блок оцифровки и тактовых сигналов, 10 - мастер-генератор тактовых сигналов, 12 - перфоратор бумажной ленты регистратора сигналов, 13 - коротковолновый приемник.
Рисунок 3. Навигационный приемник сигналов НСС Transit и оборудование наземной
станции слежения. 2 – таймер-счетчик, 6 – приемник слежения за сигналами
спутников, 9 – блок оцифровки и тактовых сигналов, 10 – мастер-генератор
тактовых сигналов, 12 – перфоратор бумажной ленты регистратора сигналов,
13 – коротковолновый приемник.

По различным причинам в военной космической программе СССР раннего периода создание НСС не было предусмотрено, и только в 1964 году вышло постановление ЦК КПСС и СМ СССР о создании навигационно-связной спутниковой системы в интересах ВМФ. К разработке НСС первого поколения, получившей название «Циклон», были привлечены различные организации. Практическую разработку системы в роли головной организации обеспечивало КБ прикладной механики МОМ (г. Красноярск-26) под руководством главного конструктора Михаила Федоровича Решетнева (Рисунок 4). За свою историю это КБ не раз меняло название (ОКБ-10, КБ ПМ, НПО ПМ); в настоящее время это ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (ОАО ИСС, г. Железногорск).

М. Ф. Решетнев (а); памятник М. Ф. Решетневу в г. Железногорске (б); здания Сибирского государственного аэрокосмический университета имени академика М. Ф. Решетнева (СибГАУ) в г. Красноярске (в). М. Ф. Решетнев (а); памятник М. Ф. Решетневу в г. Железногорске (б); здания Сибирского государственного аэрокосмический университета имени академика М. Ф. Решетнева (СибГАУ) в г. Красноярске (в).
М. Ф. Решетнев (а); памятник М. Ф. Решетневу в г. Железногорске (б); здания Сибирского государственного аэрокосмический университета имени академика М. Ф. Решетнева (СибГАУ) в г. Красноярске (в).
Рисунок 4. М. Ф. Решетнев (а); памятник М. Ф. Решетневу в г. Железногорске (б); здания Сибирского
государственного аэрокосмический университета имени академика М. Ф. Решетнева
(СибГАУ) в г. Красноярске (в).

Запуск первого экспериментального навигационно-связного КА «Циклон» (спутник 11Ф617/Космос-192) был осуществлен в ноябре 1967 года с космодрома «Плесецк» ракетой-носителем «Космос-3М». Спутник вращался по круговой орбите высотой 740 км с периодом 100 минут и наклоном 74 градуса. Всего было запущено 11 КА этого типа (последний – в 1972 году) с высотой орбиты 750-1000 км. В 1971 году экспериментальная система из четырех «Циклонов» под названием «Залив» была принята в опытную эксплуатацию ВМФ. Начиная с 1973 года спутники для системы «Залив» получали такие же названия, первый КА «Залив-1» (Космос-574) был запущен в мае 1973 года, последний «Залив-15» – в июле 1978 года. Для измерения горизонтальных координат судов в системе «Циклон» использовался доплеровский метод измерений. В отличие от американских «Транзитов», КА «Циклон» были оснащены ретрансляторами, обеспечивающими радиотелеграфную связь подводных лодок и кораблей ВМФ с командными пунктами и между собой.

На основе полученных результатов летных испытаний спутники «Циклон» и сама система были модернизированы, и в 1976 году в эксплуатацию была введена навигационно-связная спутниковая система под названием «Парус» в составе шести космических аппаратов (КА) «Циклон-Б». С помощью системы можно было определить горизонтальные координаты судна с точностью 250-300 метров.

Следует отметить, что в СССР была реализована НСС и для гражданских министерств и ведомств. В 1974 году была начата разработка НСС под названием «Цикада», предназначенная как для ВМФ, так и для гражданских потребителей. Спутники системы имели такое же название; первый КА «Цикада» (Космос-883) был запущен в декабре 1976 года, девятнадцатый (Космос-2230) – в январе 1993 года. По внешнему виду все типы советских навигационных КА первого поколения весьма похожи (Рисунок 5).

КА «Циклон» (а), «Надежда» (б). КА «Циклон» (а), «Надежда» (б).
Рисунок 5. КА «Циклон» (а), «Надежда» (б).

В США идея создания высокоточной системы спутниковой навигации «материализовалась» во время уик-энда в день труда в 1973 году на встрече заинтересованных офицеров Пентагона. На встрече было обсуждено создание навигационной спутниковой системы обороны (DNSS). Идея состояли в объединении технических решений всех существующих на то время навигационных систем (кроме NNSS были и другие). Реализация проекта глобальной системы позиционирования GPS потребовала значительных усилий различных ведомств и организаций. На первом этапе предполагалось вывести на орбиту 10 космических аппаратов Block-I, запуски которых состоялись в период 1978-1985 годов, в 1989-1990 годах было запущено 9 КА Block-II (Рисунок 6), а в 1990 году система GPS начала функционировать.

Макет КА Block-II.
Рисунок 6. Макет КА Block-II.

Международное сотрудничество в области спутниковой навигации началось после подписания в 1979 году в Ленинграде представителями СССР, США, Франции и Канады меморандума о сотрудничестве сторон в проекте совместной спутниковой системы поиска и спасения «КОСПАС-SARSAT». Первый КА для советского сегмента «КОСПАС-SARSAT» под названием «Циклон-Н» или «Надежда», изготовленный в ПО «Полет», был выведен на навигационную орбиту в июне 1982 года. 10 сентября с этого (в то время единственного) спутника был получен сигнал аварийного радиомаяка канадского самолета, потерпевшего крушение в горах Британской Колумбии (провинция Канады); в результате удалось спасти трех человек. Полномасштабное использование системы «КОСПАС-SARSAT» началось в 1985 году. Международные организации IMO и ICAO приняли решение об обязательном оснащении судов и самолетов радиомаяками системы с 1995 и 2005 года, соответственно.

В СССР НСС для гражданских потребителей, обеспечивающую высокоточное определение положения объектов в трех координатах, начали разрабатывать в середине 1970-х годов. Эскизный проект навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС был разработан в 1978 году, а работы по ее реализации начались в 1979 году в соответствии с постановлением ЦК КПСС и СМ СССР и решениями военно-промышленной комиссии (ВПК) СМ СССР.

Строящаяся глобальная НСС (ГНСС) должна была состоять из 24 КА на круговых орбитах высотой 19140 км. Вывод КА предполагалось осуществлять группами по 3 КА ракетой-носителем «Протон-К» тяжелого класса с разгонным блоком ДМ. Однако по разным причинам такой порядок реализовать не удалось, и первый спутник «Глонасс» был запущен в октябре 1982 года с космодрома Байконур в блоке с двумя макетами. Последующие шесть запусков выводили по два КА и одному макету (Рисунок 7).

Макет КА «Глонасс».
Рисунок 7. Макет КА «Глонасс».

В ходе летных испытаний системы ГЛОНАСС выявился ряд технических проблем, обусловленных требованиями высокой точности определения и прогнозирования орбитальных параметров (эфемерид) порядка единиц метров и наносекундной точности синхронизации бортовых шкал времени. Для решения возникших проблем по инициативе НПО ПМ в 1984 году был разработан пассивный геодезический спутник «Эталон», представляющий собой массивную сферу диаметром 1294 мм и массой 1345 кг. С помощью «Эталона» удалось точно рассчитать силу воздействующего на него светового давления и гравитационного воздействия Земли, Луны и Солнца. Измерения параметров орбиты «Эталона» производились с помощью квантово-оптических (лазерных) средств, сигналы запроса которых отражались от более 2000 уголковых отражателей, размещенных по всей поверхности спутника. По результатам обработки большого объема квантово-оптических дальномерных измерений была создана согласующая модель движения спутников по навигационной орбите ГЛОНАСС, что позволило значительно повысить точность расчета эфемерид КА.

После проведения доработок по результатам испытаний в 1991 году и доведения числа КА до 12 ГНСС ГЛОНАСС распоряжением президента РФ была введена в эксплуатацию в сентябре 1993 года. В 1995 году ГЛОНАСС была развернута в полном составе (24 КА), и решением правительства РФ была представлена для гражданского пользования в международные организации ICAO и IMO.

Гражданское использование GPS началось после гибели корейского авиалайнера Boeing 747 рейса KAL007, нарушившего воздушное пространство СССР вследствие навигационной ошибки, и запрета полетов в районе Сахалина и острова Монерон. Президент Рональд Рейган издал директиву, разрешающую использование GPS гражданскими службами после ввода системы в эксплуатацию, что случилось в 1994 году после полного укомплектования спутниковой группировки (24 КА). Следует отметить, что GPS управляется правительством США, которое может в любой момент лишить доступа к системе или ухудшить точность определения координат. Такое отключение было сделано, например, в отношении индийских военных в 1999 году во время Индо-пакистанского пограничного конфликта в Каргиле. Следует также отметить, что до 2000 года в сигналы GPS гражданского сектора намеренно закладывалась ошибка в определении координат в 10 метров, тем не менее, GPS-навигацией пользовались миллионы обычных потребителей по всему миру.

КА «Глонасс-М».
Рисунок 8. КА «Глонасс-М».

Второй этап в создании ГЛОНАСС был оформлен (работы по нему велись еще со времен СССР) в федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система» (ФЦП ГНС), утвержденной постановлением правительства РФ в августе 2001 года. Первый КА второго поколения «Глонасс-М» по ФЦП ГНС был запущен в декабре 2003 года вместе с двумя КА «Глонасс». КА «Глонасс-М» (Рисунок 8) со сроком активного существования (САС) 7 лет отличается от стандартных «Глонассов» улучшенными тактико-техническими характеристиками. В оборудовании «Глонасс-М» был применен ряд новых технологических решений, таких, как использование новых типов радиосигналов в диапазоне L3 (1202.25 МГц), рубидиевых стандартов частоты, межспутниковых лазерных линий, литий-ионных аккумуляторов, новых бортовых ЦВМ (центральных вычислительных машин). На Рисунке 9 приведен график запусков КА системы ГЛОНАСС (до 2012 года).

График запусков КА «Глонасс»/М/К.
Рисунок 9. График запусков КА «Глонасс»/М/К.

Дальнейшее развитие системы ГЛОНАСС осуществляется в соответствии с федеральной целевой программой «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы», утвержденной постановлением Правительства РФ в марте 2012 года. КА «Глонасс-M» выпускались до 2015 года, на смену им пришли КА третьего поколения «Глонасс-К» (Рисунок 10), первый из которых был запущен в феврале 2011 года с космодрома Плесецк. Спутники «Глонасс-К» с САС 10 лет выполнены на базе негерметичной платформы «Экспресс 1000», аппаратура КА рассчитана для работы в условиях открытого космоса, что позволило снизить массу аппарата до 935 кг (у «Глонасс-М» – 1415 кг), а мощность электропитания увеличить до 1.6 кВт. В состав оборудования спутника входит и аппаратура для международной системы спасения «КОСПАС-SARSAT». Кроме основной аппаратуры для ГНСС ГЛОНАСС в «Глонасс-К» устанавливается дополнительный блок для работы в формате CDMA, совместимом с сигналами систем GPS/Galileo, что существенно облегчает построение мультисистемных навигационных приемников. КА «Глонасс-К» выполнены полностью на российских комплектующих.

КА «Глонасс-К».
Рисунок 10. КА «Глонасс-К».

В 2018 году закончилась разработка модернизированного КА «Глонасс-К2», дата запуска которого пока не определена. В настоящее время орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 25 спутников, один из которых резервный. Заявленный для «Глонасс-М» (основа группировки) САС в 7 лет реальные спутники «перерабатывают», поэтому новые аппараты буду выводиться на орбиты по мере выбывания отработавших ресурс либо аварийных аппаратов.

GPS и ГЛОНАСС имеют много общего не только в отношении характеристик сигналов, но и в другом аспекте. Речь идет о глобальной дифференциальной системе GDGPS, состоящей из сети станций дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) и центров обработки данных. Система GDGPS получает данные о положении спутников GPS и ГЛОНАСС от станций СДКМ в реальном времени, что позволяет прогнозировать положение спутников с точностью до сантиметров на несколько дней вперед. В России в ведении Геофизической службы РАН имеется, по крайней мере, 11 СДКМ, поставляющих данные по спутникам GPS и ГЛОНАСС американским коллегам. У ГЛОНАСС имеются 22 аналогичных российских СДКМ, некоторые из которых поставляют данные для обеих систем. Станции базируются на территории России (от Санкт-Петербурга до Южно-Сахалинска), в Бразилии и Антарктиде.

Кроме упомянутых систем дифференциальной коррекции для повышения точности GPS и ГЛОНАСС создана «Международная служба глобальной навигационной спутниковой системы» (IGS) под эгидой НАСА, в которую входят более 200 организаций по всему миру. В России развернуто порядка двух десятков пунктов наблюдения IGS.

На практике для повышения точности позиционирования различные производители изделий микроэлектроники выпускают навигационные микросхемы и модули с поддержкой обеих систем ГНСС, например, подобные чипы интегрированы в ряд смартфонов и планшетов Apple, не говоря уже о специальных навигационных приложениях для автомобилей.

Литература

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 689
сейчас смотрят 10
представлено поставщиков 382
загружено
позиций
25 067 862