ГНСС2. История, часть 1.

Использование глобальных навигационных систем предполагает решение двух основных задач.

Первая – оперативное получение информации о местоположении и скорости объекта для целей навигации и геодезии.

Вторая – решение фундаментальных задач: определение фигуры Земли, ее центра масс, гравитационных аномалий.

Собственно, импульс развитию ГНСС в нашей стране был придан необходимостью достижения ядерного паритета с США. Для надежной доставки тепла и света в каждый американский дом необходимо знание:

- точных координат места пуска ракеты (оперативное определение местоположения особенно актуально для морской составляющей ядерной триады);

- координат места ее назначения (определяется по снимкам, привязанным методами космической геодезии);

- гравитационных аномалий и уклонений отвесной линии в точке пуска и на траектории полета ракеты.

На своей территории для решения таких задач можно использовать традиционные наземные методы измерений. Но в океанах и тем более на территориях вероятных друзей с этим все сложно, да и объем работы просто громаден.

Конечно, возможно использование астрономических методов. Но ориентация по звездам возможна только при чистом небе.

Можно использовать наземные радиолокационные станции. Но, помимо ограниченности зоны действия, они имеют еще один недостаток – при удалении объекта от них точность расчета координат существенно падает.

Таким образом, для создания глобальной модели гравитационного поля Земли и для высокоточных оперативных определений координат в любой точке земной поверхности без навигационных и специальных (типа ГеоИК) спутников не обойтись.

На первый взгляд, при создании спутниковой навигационной системы мы сталкиваемся с проблемой яйца и курицы. Судите сами: чтобы определить элементы орбиты спутников, нужна сеть наземных станций с известными координатами в глобальной системе; в свою очередь, координаты этих пунктов мы можем определить только спутниковыми методами (ибо система глобальная).

Но в действительности проблема имеет решение – наземные методы определения координат. В нашей стране было создано, пожалуй, уникальное по точности и широте охвата территории наземное построение – Государственная геодезическая сеть СССР. Еще до войны была создана единая сеть, покрывающая всю европейскую часть страны и узкой полосой простирающаяся до Дальнего востока. К 1946 году сеть была уравнена и Постановлением Совмина СССР была установлена единая государственная система координат СК-42, Государственная система координат 1942 года. Ее название можно подсмотреть на экране спутникового приемника на первой фотографии. Военные до сих пор ей пользуются (естественно, есть свои тонкости) и вполне успешно.

Впрочем, о геодезической сети СССР я напишу позже.

Идея спутниковой навигации появилась в нашей стране еще до запуска первого ИСЗ. Изначально велись исследования по навигации при самолетовождении на основе приема радиоизлучения Солнца, Луны и других астрономических источников радиоизлучения. В связи с малым количеством таких источников, достаточно мощных, чтобы использовать приемные антенны малого размера, и возникла идея использования ИСЗ. При этом отмечалось, что, в отличие от медленно перемещающихся по небосводу Солнца и Луны, орбитальные источники радиосигнала позволяют за короткий промежуток времени собрать достаточное количество измерений для навигационного решения.

В 1958 году в СССР по материалам наблюдений первого искусственного спутника Земли была опубликована статья об использовании эффекта Доплера для определения параметров орбиты ИСЗ. Параллельно американцы теоретически обосновали решение обратной задачи – определение местоположения наземной станции на основе материалов наблюдений ИСЗ и известных элементов его орбиты.

Принцип позиционирования по доплеровским наблюдениям.

Американцы в том же году приступили к разработке своей первой спутниковой навигационной системы. В 1965 году система NNSS (Navy Navigation Satellite System) в составе 4 спутников Transit была развернута, в 1967 году стала доступна для гражданских лиц. Спутники располагались на околокруговой полярной орбите высотой около 1000 км.

Конфигурация системы Transit.

Отечественная система спутниковой навигации начала разрабатываться на несколько лет позже. В 1965 году были начаты полномасштабные разработки, в 1967 году запущен первый спутник «Циклон». В 1972 году система под названием «Залив» в составе четырех спутников «Циклон» была введена в опытную эксплуатацию. Спутники были выведены на круговые орбиты высотой 1000 км наклонением к плоскости экватора 83 градуса.

По своим потенциальным возможностям «Залив» превосходил американскую систему. Кроме определения координат, система позволяла определять направление истинного меридиана (что важно для целеуказания при пуске ракет), а также обеспечивала спутниковую связь.

В 1976 году была принята на вооружение система «Парус», ставшая результатом продолжения работ в этом направлении, состоящая из усовершенствованных ИСЗ «Циклон-Б».

В связи со своей многофункциональностью и связанными с ней энергетическими ограничениями система не могла передавать навигационный сигнал непрерывно и работала только над районами патрулирования наших АПЛ. Для обеспечения непрерывного дальномерного сигнала для гражданской навигации была разработана чисто навигационная система «Цикада».

Одновременно были развернуты работы по повышению точности навигации. Система «Парус» обеспечивала точность определения координат 250-300 м. Для повышения точности необходимо было повысить уровень точности определения и прогнозирования элементов орбит спутников.

Эта задача была решена путем наблюдений геодезических спутников «Сфера» с измерительных станций Военно-топографического управления Генштаба и специальных судов. Наблюдения проводились в течение продолжительного времени (первый спутник был запущен в 1968 году, последний работал до 1980-го). В результате были уточнены форма и размеры Земли, параметры гравитационного поля, создана модель Земли. Была создана уточненная модель движения спутников. В результате точность позиционирования по спутникам «Циклон-Б» и «Цикада» была повышена до 80-100 метров, сравнявшись с американской NNSS.

Система «Цикада» была введена в эксплуатацию в 1979 году. В дальнейшем спутники были дооборудованы радиокомплексами, позволяющими принимать сигналы аварийных радиобуев. Такие дооборудованные спутники, получившие название «Цикада-Н», стали частью космического сегмента системы «КОСПАС-SARSAT».

«Транзит», «Парус», «Цикада» относятся к навигационным системам первого поколения. Для них характерны:

высота орбиты порядка 1000 км;

одновременная видимость не более одного спутника (и соответственно определение местоположения приемника относительно разных положений этого спутника в течение сеанса измерений);

определение только плановых координат (высота не только не определяется, но и должна быть известна с хорошей точностью для надежного определения широты/долготы);

периодичность навигационного обеспечения (в течение времени нахождения спутника над горизонтом);

необходимость наблюдения спутника порядка 10 минут для получения решения (и связанная с этим проблема изменения местоположения судна в течение сеанса);

реальная точность определений порядка 100 метров.

Всё это ограничивает область применения таких навигационных систем, в основном, задачами кораблевождения, в качестве средств периодической коррекции корабельных автономных навигационных систем.

Таким образом, можно сформулировать требования к системе 2 поколения:

возможность быстрого (порядка минуты) определения координат на море, на земной поверхности и в воздушном пространстве;

определение всех трех пространственных координат, трех составляющих вектора скорости и времени;

непрерывность навигационного обеспечения (определение координат в любой момент);

параметры орбиты ИСЗ и сигналы точного времени должны передаваться в составе навигационных сигналов с высокой (до единиц метров и наносекунд соответственно) точностью.

Для решения этих задач необходимо было обеспечить непрерывную видимость как минимум четырех ИСЗ, общее количество спутников в системе довести как минимум до 18, задать высоту орбиты примерно в 20000 км, использовать вместо доплеровского кодовый или фазовый метод определения расстояния до ИСЗ, с высокой (наносекундной) точностью синхронизировать бортовые часы спутников и наземных станций.

Эти параметры были определены нашими и американскими учеными параллельно и независимо друг от друга на рубеже 60х-70х годов. Ситуация очень похожа на историю с едрен батоном, описанную Already Yet: наши и американские разработчики разными путями пришли к сходным технологическим решениям.

Продолжение следует.

Благодарности:

Камраду Пепелацу – за подсказки в направлении поиска источников и выбора тематики.

Журналу «Вестник ГЛОНАСС», компании «Кредо-Диалог» - за открытую публикацию материалов.