Назначение и эксплуатационно-технические характеристики. Используя искусственные спутники Земли (ИСЗ) в качестве носителей источников электромагнитного поля или ретрансляторов сигналов

Используя искусственные спутники Земли (ИСЗ) в качестве носителей источников электромагнитного поля или ретрансляторов сигналов, можно создать спутниковые системы УВД, навигации, связи с ЛА и системы поиска и спасения ЛА, потерпевших аварию. В настоящее время функционирует международная система поиска и спасения аварийных судов и самолетов КОСПАС — САРСАТ.

Далее будут рассмотрены эксплуатационно-технические возможности и принципы функционирования спутниковых систем навигации и систем поиска аварийных ЛА.

Эксплуатационно-технические возможности спутниковых систем на­вигации.

Спутниковыми системами навигации (ССН) называются радио­навигационные системы, радионавигационные точки которых располагаются на ИСЗ.

Основными эксплуатационно-техническими характеристиками ССН, как и всех радионавигационных средств, являются размеры рабочей зоны, точность и надежность функционирования.

Навигационные ИСЗ обращаются вокруг Земли на больших высотах (от 600 до 36000 км), поэтому дальность прямой видимости из точки расположения ИСЗ до наземных или околоземных пунктов и размеры земной поверхности, в пределах которой обеспечивается прямая видимость ИСЗ, оказываются большими. Таким образом, для связи между спутниками и околоземными объектами можно использовать радиоизлучения метровых, дециметровых и сантиметровых волн, позволяющих обеспечить высокую надежность связи и точность радио­навигационных измерений, причем зона действия ССН оказывается настолько большой, что для непрерывного охвата всего земного шара требуется в зависимости от высоты полета ИСЗ от нескольких спутников до 20—30 ИСЗ.

Спутниковые системы радионавигации в состоянии обеспечить наиболее высокую точность измерений среди всех известных в наши дни систем.

В настоящее время осуществляются развертывание и испытания ССН второго поколения Глонасс (РФ) и Navstar (США). Основные эксплуатационные возможности этих систем можно рассмотреть на примере ССН Navstar. Система позволяет определять координаты ЛА с точностью, характеризуемой значениями средних квадратичных погрешностей измерений в пределах 10 м при СКП измерения скорости ЛА 0,3 м/с в глобальном масштабе. Однако, учитывая, что реализации такой высокой точности самолетовождения требует использования весьма дорогостоящего бортового оборудования, для гражданской авиации считается целесообразным создание бортовых систем, обеспечивающих точность измерений 100...500 м. Стоимость бортового обору­дования ЛА в этом случае будет меньшей стоимости наиболее высокоточного оборудования, а достигаемая точность навигационных измерений достаточна для самолетовождения по трассам и вывода ЛА на аэродром посадки. При этом точность самолетовождения но воздушным трассам будет выше точности самолетовождения, достигнутой в настоящее время, что позволит уменьшить нормы продольного и бокового эшелонирования и повысить экономичность полетов при обеспечении требуемого уровня безопасности воздушного движения.

Размеры и расположение рабочих зон ССН определяются количеством ИСЗ, высотой их полета, формой и ориентацией орбит. Система Navstar проектировалась как система глобального типа, способная обеспечить возможность точных навигационных измерений в любой момент времени в любой точке околоземного пространства. Для выполнения такого объема операций в ее состав первоначально планировалось включить 24 ИСЗ, обращающихся на средневысотных круговых орбитах (т. е. орбитах высотой около 20 тыс. км). Впоследствии было решено их число уменьшить до 18. Для создания региональных ССН подобного типа можно ограничиться меньшим числом ИСЗ. Сеть ИСЗ, образующих ныне действующую ССН морских судов, включает четыре ИСЗ, обращающихся на высоте 600 км, однако при столь малом числе ИСЗ возможны лишь дискретные навигационные измерения (интервал дискретности примерно 1 ч) и процесс измерений имеет большую продолжительность (6...8 мин). Уменьшение требуемого числа ИСЗ возможно при использовании высокоорбитальных спутников (высокоорбитальными называются ИСЗ, образующиеся на орбитах высотой около 36 000 км), однако стоимость вывода ИСЗ на орбиты и энергетические затраты в каналах радионавигационных измерений при этом возрастают весьма значительно и поэтому высокоорбитальные ИСЗ для навигации в настоящее время не находят применения.

Радионавигационные измерения в ССН Navstar ведутся на частотах 1575. и 1227 МГц.

Принцип действия ССН можно рассмотреть на примере ССН Nav­star. Как упоминалось, согласно уточненному проекту созвездие спутников этой системы включает 18 ИСЗ.

Эти спутники равномерно рассредоточены на шести круговых орбитах, плоскости которых наклонены под углом 63° к плоскости экватора

и располагаются через интервалы в 30° вдоль экватора. При этом в зоне видимости ЛА всегда будут находиться по крайней мере четыре ИСЗ. С борта ЛА производится одновременное измерение псевдодальностей или разностей расстояний до четырех ИСЗ, что позволяет определять пространственное положение, скорость ЛА и поправку к бортовым часам.

Очевидно, что для определения навигационных элементов полета ЛА требуется знание точных координат и скорости ИСЗ, относящихся к моменту измерений. Данные о координатах и скорости ИСЗ, называемые эфемеридами, хранятся на борту ИСЗ и передаются на борт самолета в периоды навигационных измерений. В свою очередь эфемеридная информация определяется на основе наблюдения за спутниками из наземных измерительных пунктов. В результате обработки данных наблюдений ИСЗ на земле вычисляется орбита ИСЗ и производится прогнозирование координат и скорости ИСЗ на последующие моменты времени. Прогнозируемые значения эфемерид передаются на борт ИСЗ, вводятся в бортовое запоминающее устройство и последо­вательно передаются в процессе излучения навигационных сигналов через определенные моменты времени на борт ЛА.

Спутниковая система поиска аварийных ЛА. Основу международной спутниковой системы поиска аварийных судов и самолетов КОСПАС — САРСАТ составляет созвездие из четырех ИСЗ, обращающихся на высоте 800...1000 км и способных в процессе полета последовательно «обозревать» всю поверхность земного тара. Зона видимости каждого спутника представляет собой круг диаметром около 5000 км. Период обращения ИСЗ равен 1 ч 30 мин и поэтому ин­тервал между последовательными обзорами каждой точки Земли не превышает 1 ч 20 мин.

Проходя через зону видимости самолета, потерпевшего аварию, ИСЗ принимает сигналы его аварийного передатчика, записывает их, фиксирует время приема и «сбрасывает» записанную информацию при пролете наземной станции приема аварийной информации. По принятым сигналам на Земле с помощью ЭВМ быстро определяется место самолета. Координаты аварийного самолета передаются в национальные центры поиска и спасения для проведения спасательных операций.

В РФ функционируют три пункта приема информации от ИСЗ КОСПАС — САРСАТ — в Москве, Архангельске и Владивостоке. Есть такие пункты в США, Канаде и Франции.

Точность определения координат аварийного ЛА составляет 10...12 км. Аппаратура ИСЗ может одновременно принимать и обрабатывать до 20 сигналов от ЛА, сохраняя в памяти информацию о 200 ЛА до такого момента, когда ее можно будет передать на Землю.

В спутниковых системах поиска аварийных ЛА применяется доплеровский метод определения координат. Сущность этого метода состоит в следующем. Аварийный передатчик излучает незатухающие колебания высокой частоты. При полете ИСЗ сигналы аварийного передатчика принимаются и регистрируются на его борту. В последующем при прохождении района расположения наземной станции наблюдения за ИСЗ записанные сигналы передаются на Землю и обрабатываются.

Отличительной особенностью принятых на борта ИСЗ сигналов является то, что их частота отличается от частоты сигналив, излучаемых аварийным передатчиком, на величину доплеровского смещения частоты. Величина доплеровского смещения пропорциональна радиальной составляющей скорости относительно движения ИСЗ и ЛА. Величина и направление вектора скорости ИСЗ в моменты измерений известны, известна и частота сигналов аварийного передатчика. Поэтому по величине доплеровского смещения частоты можно определить составляющую относительной скорости движения по линии, соединяющей ИСЗ и ЛА. При известной величине и направлении вектора скорости по радиальной составляющей скорости определяется угол между известным вектором скорости ИСЗ и направлением на аварийный ЛА. Ряд значений указанных углов, относящихся к различным моментам времени, позволяют определить две координаты, характеризующие взаимное положение ЛА и ИСЗ, а при известных координатах ИСЗ — и место аварийного самолета на земной поверхности.

Доплеровский метод определения координат ЛА отличается высо­кой точностью и простотой технической реализации.