Новые технологии в космической навигации XXI века

Глонасс-М.

Космические навигационные технологии нашли широкое применение во многих областях человеческой деятельности во всех регионах Земли и околоземном воздушном и космическом пространстве.

Глобальное навигационное поле в настоящее время поддерживается в основном с помощью многоспутниковых космических навигационных систем Navstar (США) и "Глонасс" (Россия) на средневысоких круговых орбитах.

Российская космическая навигационная система (КНС) "Глонасс" принята в эксплуатацию в 1993 г., а в 1995 г. была развернута до полного состава из 24 спутников.

КНС "Глонасс" полного состава обеспечивает непрерывную глобальную навигацию военных и гражданских потребителей за счет использования двух типов сигналов: стандартной точности (СТ) для гражданских потребителей и высокой точности (ВТ) для военных потребителей. По своему назначению и построению система "Глонасс" подобна американской КНС Navstar и по выходным показателям не уступает ей.

Эксплуатация КНС "Глонасс" в течение 20 лет показала следующее:

- подтверждены высокие технические возможности использования системы практически во всех областях хозяйственной деятельности страны;

- заданные точностные характеристики КНС обеспечиваются непрерывно в глобальном масштабе;

- наземный комплекс позволяет осуществлять оперативное управление, высокоточное эфемеридно-временное обеспечение большеразмерных орбитальных группировок (до 24 КА);

- решена задача создания спутника с длительным сроком активного существования и большой автономностью функционирования.

С переходом России к новым экономическим условиям произошло сокращение финансирования космической отрасли, что привело к сокращению орбитальной группировки и снижению ее выходного эффекта.

С учетом того, что космическая навигационная система "Глонасс" является национальным достоянием России, в 2001 г. Президентом и Правительством Российской Федерации были утверждены директивные документы, направленные на ее безусловное сохранение и развитие. Одним из таких документов является Федеральная целевая программа (ФЦП) "Глобальная навигационная система".

Заказчиками ФЦП являются Росавиакосмос, Минобороны России, Минтранс России, Российские автоматизированные системы управления, Роскартография, координатором - Росавиакосмос.

Программа рассчитана на десятилетний период (с 2002 г. по 2011 г.). За это время должны быть проведены научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы, включая наземную экспериментальную отработку и летно-конструкторские испытания перспективных навигационных космических аппаратов, модернизирован наземный комплекс управления навигационной системой и развернута орбитальная группировка штатного состава.

Реализация ФЦП "Глобальная навигационная система" обеспечит:

- дальнейшее развитие и эффективное использование глобальной навигационной спутниковой системы "Глонасс" в интересах социально-экономического развития страны и обеспечения национальной безопасности;

- сохранение Россией лидирующих позиций в области спутниковой навигации за счет гарантированного предоставления навигационных сигналов отечественным и зарубежным потребителям.

Программа создания и поддержания космического сегмента модернизированной КНС "Глонасс" на 10-летнем интервале включает два этапа: на базе КА "Глонасс-М" и на базе КА "Глонасс-К".

Модернизация КНС "Глонасс" осуществляется исходя из следующих основных положений:

- повышение качества радионавигационного сигнала (введение третьей частоты, увеличение информативности и т.д.), переход в новый частотный диапазон при сохранении возможности работы существующего парка потребителей КНС "Глонасс";

- повышение надежности и точности навигационного обеспечения;

- повышение автономности функционирования КА и снижение загрузки наземного комплекса по управлению КА;

- снижение затрат на поддержание орбитальной группировки за счет увеличения срока активного существования КА, уменьшения его массы с соответствующим снижением удельных затрат на его выведение на орбиту;

- расширение номенклатуры решаемых задач.

При этом обеспечивается сохранение ранее принятой орбитальной конфигурации (три плоскости по 8 КА в плоскости), параметров орбит (Н=19400 км, i=64.8°, е=0) и количества КА в штатной орбитальной группировке (24 КА), что позволяет сохранить принципы и методы баллистического поддержания орбитальной группировки и высокоточного эфемеридного обеспечения.

Космический аппарат "Глонасс-М", создаваемый на первом этапе модернизации КНС "Глонасс", имеет следующие отличительные особенности по сравнению с эксплуатируемым в настоящее время КА "Глонасс":

а) модернизирован навигационный радиосигнал:

- полоса используемых частот смещена влево (вместо литер частот К=0…12 используется К=-7…+6);

- в резервных разрядах помещена дополнительная информация о расхождении шкалы времени систем GPS и "Глонасс", признаке недостоверности навигационного кадра, возрасте эфемеридно-временной информации;

- установлены фильтры, уменьшающие внеполосное излучение;

- на частотах L1 и L2 излучаются двухкомпонентные сигналы, содержащие цифровую информацию и код псевдослучайной последовательности для измерений дальности;

б) введена межспутниковая радиолиния для измерений и информационного обмена между КА, находящимися как в одной, так и в разных плоскостях;

в) повышена стабильность навигационного сигнала до 1·10^-13 относительных единиц за счет обеспечения прецизионной термостабилизации цезиевых стандартов частоты;

г) снижен уровень неучтенных активных сил, воздействующих на КА, в основном за счет повышения точности ориентации солнечных батарей на Солнце;

д) увеличен срок активного существования КА до 7 лет;

е) созданы резервы ресурсов КА (массы ~50 кг, энергопотребления ~350 Вт) для размещения дополнительной полезной нагрузки.

Глонасс-К.

КА "Глонасс-М" может выводиться по групповой схеме (3 КА одновременно с космодрома Байконур с использованием РН "Протон" ("Протон-М") и РБ "Бриз-М") и по одиночной схеме с космодрома Плесецк с использованием РН "Союз-2" с РБ "Фрегат".

Космическая платформа КА "Глонасс-М" является базовой и будет использована для создания связных и геодезических КА разработки НПО ПМ.

Конструктивная схема КА "Глонасс-М" построена на основе использования герметичного приборного отсека, внутри которого поддерживаются комфортные условия по температуре в диапазоне 0-40°С с созданием локальных зон термостабилизации (в районе стандартов частоты) в пределах ±1 °С. Температурный режим поддерживается с использованием активного газового контура, системы жалюзи с электроприводами и набора управляемых обогревателей. Все тепловыделяющие приборы целевой аппаратуры размещены вне герметичного приборного блока на антенном модуле в зонах, не засвечиваемых Солнцем.

Одновременно с этим наличие на борту КА "Глонасс-М" большого количества приборов целевой аппаратуры, работающих в условиях открытого космического пространства, обеспечивает ему статус промежуточного этапа при переходе от герметичных приборных отсеков к негерметичным.

В штатном режиме поддерживается непрерывная ориентация продольной оси КА на Землю с погрешностью 0.5° и поперечной оси КА в плоскости Солнце-КА-Земля с погрешностью ~0.5°, панелей солнечных батарей на Солнце с погрешностью 2°. Ориентация обеспечивается с помощью электромаховиков, периодически разгружаемых электромагнитами.

Система коррекции, использующая однокомпонентную двигательную установку на основе термокаталитического разложения гидразина, обеспечивает формирование управляющих моментов в начальных режимах ориентации КА и выдачу импульсов коррекции. Коррекция орбиты проводится после выведения КА на орбиту в процессе приведения его в системную точку. Высокая точность начальной коррекции параметров орбиты позволяет удерживать КА в системной точке в заданных пределах (±5° по аргументу широты) без последующих коррекций в течение всего срока функционирования КА.

Система электропитания на основе никель-водородных аккумуляторных батарей и кремниевых солнечных батарей (площадь 30 м2) формирует электропитание бортовой аппаратуры постоянным стабильным напряжением 27⁺¹_-2 В и мощностью до 1600 Вт непрерывно на теневых и солнечных орбитах.

Бортовой комплекс управления на основе бортовой ЦВМ обеспечивает информационную увязку с приборами по шинам MIL-STD-1553-B и решает задачи управления, диагностики, обработки информации межспутниковых измерений, расчета и формирования эфемеридно-временной информации.

Космический аппарат "Глонасс-К", создаваемый на втором этапе модернизации КНС "Глонасс", имеет следующие отличительные особенности по сравнению с КА "Глонасс-М":

а) вводится третья частота в L-диапазоне для повышения точности и надежности навигационных определений потребителей;

б) увеличен срок активного существования КА до 10 лет;

в) снижена масса КА примерно в 2 раза;

г) за счет имеющихся резервов ресурсов на борту КА размещается дополнительная полезная нагрузка, в т.ч. аппаратура спасения терпящих бедствие.

КА "Глонасс-К" может выводиться с космодрома Байконур по групповой схеме (6 КА одновременно) с использованием РН "Протон-М" и РБ "Бриз-М" и с космодрома Плесецк по групповой схеме (2 КА одновременно) с использованием РН "Союз-2" и РБ "Фрегат".

КА "Глонасс-К" создается на базе космической платформы "Экспресс-1000", которая позволяет эксплуатировать ее на различных типах орбит и разместить полезную нагрузку массой 200-300 кг в зависимости от типа орбиты и используемых средств выведения.

Конструктивно-компоновочная схема КА построена на основе использования коробчатого негерметичного приборного отсека, разделенного на модуль полезной нагрузки и модуль служебных систем. Все приборы размещены на боковых поверхностях панелей приборного отсека со стороны, не засвеченной Солнцем.

Тепловой режим приборов обеспечивается использованием теплоизоляции, электрообогревателей, тепловых труб.

Для стандартов частоты организована местная термостабилизация радиаторов-излучателей в диапазоне ±0.5 °С с помощью управляемых обогревателей, для остальных приборов необходимый тепловой режим обеспечивается в диапазоне от -10°С до +50°С.

В штатном режиме поддерживается непрерывная ориентация продольной оси КА на Землю с погрешностью 0.5°, поперечной оси в плоскости Солнце-КА-Земля с погрешностью 0.3°, панелей солнечных батарей на Солнце с погрешностью 1°. Ориентация обеспечивается с помощью электромаховиков, периодически разгружаемых электромагнитами.

Система коррекции КА "Глонасс-К" подобна системе коррекции КА "Глонасс-М" и выполняет задачи создания управляющих моментов для реализации начальных режимов ориентации и выдачи импульсов коррекции для приведения КА в системную точку, удержания в ней и перевода в другую системную точку. Высокая точность приведения КА в заданную системную точку позволяет удерживать КА в заданных пределах по аргументу широты без коррекций в течение всего срока функционирования.

Система электропитания на основе никель-водородных аккумуляторов и кремниевых солнечных батарей (площадь 22 м2) формирует электропитание бортовой аппаратуры постоянным стабильным напряжением 27+1-2 В и мощностью до 1270 Вт непрерывно на теневых и солнечных орбитах.

Бортовой комплекс управления на основе бортовой ЦВМ обеспечивает информационную увязку с приборами по шинам MIL-STD-1553-B и решает задачи управления, диагностики, обработки информации межспутниковых измерений, расчета и формирования эфемеридно-временной информации.

Предложенная программа двухэтапной модернизации космического сегмента навигационной системы "Глонасс" позволит восстановить орбитальную группировку в полном составе, повысить качество навигационного обеспечения, снизить затраты на реализацию программы и обеспечить выполнение международных обязательств России по переходу в новый частотный диапазон и созданию глобального непрерывного навигационного поля для гражданских потребителей (отечественных и зарубежных).

В 1996 г. Правительство России предложило Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и Международной морской организации (ИМО) использовать систему "Глонасс" в качестве международной на срок не менее 15 лет. В 2002 г. завершена разработка стандартов и рекомендуемой практики для мировой гражданской авиации, определяющих правила использования российской системы "Глонасс" в составе глобальной навигационной спутниковой системы GNSS наряду с американской системой Navstar.

А.Козлов, В.Бартенев, В.Косенко, В.Чеботарев,

специально для "Новостей космонавтики"