Космическая навигация: антисанкционная борьба за точность

На целевой орбите заработал навигационный спутник нового поколения

Без космической навигации сегодня не летают самолеты, не ходят морские суда и очень плутают автомобили. Не многие знают, каких трудов стоило сохранить работоспособность загибающейся в «нулевые» годы российской Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. Сегодня она переживает новый важный этап.

тестовый баннер под заглавное изображение

Новый навигационный спутник «Глонасс-К2» успешно выведен на орбиту 3 марта 2025 года с космодрома Плесецк в Архангельской области. По сообщению Центра управления системой ГЛОНАСС, аппарат используется по целевому назначению с 11:35 мск 4 апреля 2025 года.

Замысел и структура

Глобальная космическая навигационная система проектировалась как военная космическая система. Нужно было повысить точность попадания боеголовок стратегических ракет морского базирования. Речь шла о коррекции с помощью радиосигналов от навигационных спутников траектории межконтинентальных баллистических ракет с разделяющимися головными частями на участках разведения боевых блоков индивидуального наведения. Впоследствии появились и многие народно-хозяйственные применения этой системы, широко сейчас распространённые.

В результате она должна была решать важнейшие задачи: высокоточное координатно-временное обеспечение самонаводящегося оружия; военно-морскую навигацию; автоматическое управление летательными аппаратами; ведение разведки; привязка местоположения армейских боевых порядков и другие.

Навигационные системы и аппаратура ГЛОНАСС, внедряемые в войсках, являются по большей части универсальными навигационными комплексами. Эти комплексы способны работать с сигналами других глобальных космических навигационных систем, например американской GPS, европейской Galileo. Такой подход обеспечивает независимость и безопасность топогеодезического и навигационного обеспечения Вооружённых сил Российской Федерации.

Специалисты определили, что глобальная космическая навигационная система должна обеспечивать  пользователю постоянную радиовидимость не менее четырёх спутников в любой точке земной  поверхности.  По измерениям дальностей до этих космических аппаратов определяются три пространственные координаты пользователя и поправка к времени хода его часов относительно системной шкалы времени, а затем по скорости изменения измеренных дальностей вычисляются и три составляющие вектора скорости движения объекта. Эти суперсложные вычисления осуществляются в автоматическом режиме.

В России выбор остановили на орбитальной структуре, включающей 24 спутника, расположенных в трёх орбитальных плоскостях с наклонением их к плоскости экватора 64,8 градусов и абсолютной долготой восходящих узлов, равномерно разнесённых через 120 градусов вдоль экватора Земли.

В каждой орбитальной плоскости равномерно, через 45 градусов должно обращаться по восемь спутников на почти круговых орбитах высотой 19 тыс. 100 км с номинальным периодом обращения вокруг Земли 11 ч 15 мин. 44 с.

Такое значение периода позволило создать устойчивую орбитальную систему, не требующую, в отличие от орбит спутников американской GPS, для своего поддержания корректирующих импульсов двигательной установки практически в течение всего срока активного существования. Наклонение орбиты обеспечивает полную доступность навигации на территории РФ даже при условии выхода из строя нескольких спутников. Эта орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал GPS очень слаб.

Космический комплекс ГЛОНАСС формирует радионавигационное поле, позволяющее в реальном времени определять местоположение и скорость объекта в любой точке на земной поверхности и в ближнем космосе на высотах до 2000 км.

Спутники «Глонасс»

Официально работы по созданию глобальной космической навигационной системы начались в 1976 году. Опытно-конструкторская работа получила обозначение «Ураган». Первый же спутник  «Ураган» 11Ф654 был выведен на орбиту 12 октября 1982 года. Тогда система  получила название ГЛОНАСС, а спутник — «Глонасс».  

А в 1995 году ракета-носитель «Протон-К», с помощью которого создавалась группировка, вывел 24-й космический аппарат. Для глобального покрытия необходимы именно 24 спутника, а для обеспечения навигационного поля на территории России достаточно 18.

Для определения координат приёмник пользователя должен принимать сигнал как минимум четырёх спутников и вычислить расстояния до них. При использовании трёх спутников определение координат затруднено из-за ошибок, вызванных неточностью часов приёмника. Радионавигационные сигналы с этих спутников требуется синхронизировать до миллиардных долей секунды между собой. Это обусловлено необходимостью достижения дециметровой точности измерений. Ведь каждая наносекунда рассинхронизации эквивалентна 30-ти сантиметровой погрешности в измерении дальности до спутника.

С начала создания системы сменилось несколько поколений спутников.

«Глонасс» (1982–2005 годы). Масса — 1415 кг, расчётный срок службы — 3 года. мощность системы электропитания (СЭП) — 1000 Вт.

«Глонасс-М» (2003–2022 годы). Масса — 1415 кг, гарантированный срок активного существования — 7 лет. Добавлены 2 сигнала для гражданских потребителей, точность определения местоположения объектов повышена в 2,5 раза, мощность СЭП — 1400 Вт.

«Глонасс-К» (2011 год – по настоящее время). Масса — 935 кг, гарантированный срок активного существования — 10 лет, введены новые навигационные сигналы с кодовым разделением в формате CDMA, совместимые по формату с системами GPS,/Galileo,/Compass. Точность навигационных определений в формате ГЛОНАСС повысилась вдвое, по сравнению со спутниками «Глонасс-М».  Мощность СЭП — 1600 Вт.

«Глонасс-К2» (2023 год – по н.в.). Масса — 1800 кг, расчётный срок службы — 10 лет. Мощность СЭП — 4370 Вт. Отличается от предшественников большей точностью определения пользователями своих координат благодаря новейшим хронометрам и навигационным сигналам CDMA, которые передаются на трёх частотах L-диапазона.

Импортозамещение

На смену спутникам «Глонасс-М» с 2011 года должны были постепенно приходить аппараты третьего поколения «Глонасс-К» со сроком эксплуатации 10 лет, но грянули санкции 2014 года, и доступ к западной электронике для нас стал недоступен.

Использование импортной элементной базы и комплектующих в российских спутниках превышало 50-60%. Из этого количества 80-85% приходилось на изделия американского производства. Это всё касалось и спутников «Глонасс». Всего на досанкционных запасах успели изготовить 11 аппаратов «Глонасс-К». Конечно, если бы не санкции, то мы бы уже имели точность навигационных определений в треть метра. Но в любой момент все наши спутники могли бы отключить бывшие партнёры.

Нам пришлось, чтобы не остаться без навигационных спутников, делать импортозамещённую модификацию, получившую обозначение «Глонасс-К2», также со сроком гарантированной работы 10 лет. Всего пока предусмотрено изготовление 11 таких спутников.

В процессе импортозамещения выяснилось, что треть комплектующих можно непосредственно заменить отечественными аналогами. Ещё треть — элементами российского производства после дополнительных испытаний и доработки для обеспечения их работоспособности в космических условиях 15 лет. 

Были изменены схемные решения в бортовой аппаратуре, сделано проектирование электронных схем приборов с заменой импортных комплектующих на отечественные, проведены опытно-конструкторские работы по недостающей отечественной элементной базе.

Новый спутник «Глонасс-К2» построен на российской служебной платформе «Экспресс-1000А», его масса составляет, по разным источникам, около 1,6-1,8 тонны. Он отличается от предшественников гораздо большей точностью определения пользователями своих координат — около 30 см. До 9 выросло число навигационных сигналов.

Из-за практически полного использования российской электроники и других комплектующих  спутник потяжелел почти в два раза, а энергопотребление увеличилось  в 2,5 раза. Однако, это связано и с дополнительной нагрузкой военного назначения. Но функционально он на голову выше предшественников.

Когда у нас все 24 спутника будут «Глонасс-К2», мы получим точность навигации около 30 см.

Источник: www.mk.ru