2.1. Космический сектор спутниковых систем
Н
Рис. 21.3 Навигационный
спуник
Рис. 21.2. Космический
спектр спутниковых«созвездий» а)
ГЛОНАСС; б) Navstar
К
аждый
спутник (рис. 21.3) имеет солнечные источники
питания и работающие в буферном режиме
аккумуляторные батареи. В «период
затмения», когда спутник находится на
теневой стороне планеты, используется
энергия батареи, поскольку на солнечные
панели не падает свет. Кроме того,
поддерживается связь между ведущей
станцией и удаленными станциями сектора
управления и контроля. Внутри корпуса,
помимо радиотехнической аппаратуры и
инерциальной системы для ориентирования
спутника, установлен реактивный двигатель
с запасом топлива, предназначенный для
корректировки орбитального положения
спутника в течение всего срока эксплуатации
(5—15 лет). На спутнике также имеется
радиоприемное устройство для приема
информации, передаваемой с земли сектором
управления и контроля.
Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo приведены в табл. 21.1.
Таблица 21.1
Технические характеристики спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo
Показатель |
ГЛОНАСС |
GPS |
Galileo |
||
Число КА в полной орбитальной группировке |
24(3) |
24(3) |
27(3) |
||
Число орбитальных плоскостей |
3 |
6 |
3 |
||
Число КА в каждой плоскости |
8 |
4 |
9 |
||
Наклонение орбиты |
64,8° |
55° |
56° |
||
Высота орбиты, км |
19 130 |
20 180 |
|
||
Период обращения спутника |
11 ч. 15 мин. 44 с. |
11 ч. 58 мин. 00 с. |
|
||
Система координат |
ПЗ-90 |
WGS-84 |
|
||
Масса навигационного КА, кг |
1450 |
1055 |
|
||
Мощность солнечных батарей, Вт |
1250 |
450 |
|
||
Срок активного существования на орбите, лет |
3-10 |
7,5 |
|
||
Средства вывода КА на орбиту |
«Протон- к/дм» |
Delta-2 |
|
||
Число КА, выводимых на орбиту за 1 запуск |
3 |
1 |
|
||
- одиночный запуск с к. Плесецк |
РН "Союз-2" и РБ "Фрегат" |
|
|
||
Космодром |
Байконур (Казахстан) |
Мыс Канаверел (Саре Canaveral) |
|
||
Эталонное время |
UTS (SU) |
UTS (NO) |
|
||
Метод доступа |
FDMA |
CDMA |
|
||
Несущая частота МГц, L1/E1 МГц, L2 МГц, L5 |
1598,0625- 1604,25; VoL, |
1575,42-1227,60 1176,45 |
1575,42-1227,60 1176,45 |
||
Поляризация |
Правосторонняя |
Правосторонняя |
Правосторонняя |
||
Тип псевдошумовой последовательности |
т-последо-вательность |
код Голда |
|
||
Число элементов кода С/А Р |
511 51x1000 |
1023 2,35x1014 |
|
||
Скорость кодирования Мбит/с: С/А Р |
0,511 5,11 |
0,023 10,23 |
|
||
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ |
-48 |
-21,6 |
|
||
Структура навигационного сообщения |
|||||
Скорость передачи, бит/с |
50 |
50; 250 |
|
||
Вид модуляции |
BPSK (Манчестер) |
BPSK NRZ |
|
||
Длина суперкадра, мин. |
2,5 (5 кадров) |
12,5 (25 кадров) |
|
||
Длина кадра, с |
30 (15 строк) |
30 (5 строк) |
|
||
Длина строки, с |
2 |
6 |
|
||
В Советском Союзе испытания системы ГЛОНАСС начались в 1982 г. Используемая методика требует нахождения в любой момент времени в поле зрения каждого пользователя не менее 4 спутников, поэтому высоты орбит и количество спутников в системах второго поколения значительно увеличены. Развертывание первой фазы системы, предусматривающей использование 10—12 ИСЗ в двух плоскостях, завершилось в 1991 г. В феврале 1992 г. количество работающих одновременно спутников впервые достигло 12. В 2006 г. количество работающих спутников ГЛОНАСС составило 17.
Спутники системы ГЛОНАСС доставляются на рабочую орбиту 4-ступенчатыми носителями «Протон» по 3 штуки в одном пуске. При начальном периоде обращения 675 минут спутники дрейфуют вдоль рабочей орбиты до назначенных точек расположения, где и стабилизируются с помощью бортового двигателя, доводя период обращения до 675,7 минуты. Высота орбиты — 19100 км, наклонение (угол, образуемый плоскостью орбиты и плоскостью экватора) — 64,8°, период обращения — 11 ч. 15 мин. 44 с. Орбиты являются кратными и обеспечивают повторение наземной трассы каждого спутника через 8 суток по завершении им 17 витков. Это имеет определенные преимущества на начальном этапе, когда задействованы еще не все орбитальные плоскости и места расположения спутников. Кроме того, намного реже приходится корректировать орбиты.
ГЛОНАСС позволяет создавать сплошное навигационное поле над поверхностью Земли до высоты 2000 км, находясь внутри которого, потребитель в любой момент времени может принять радионавигационные сигналы не менее чем от четырех спутников. Время эксплуатации спутника первого поколения ГЛОНАСС-М — 5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5 %. Сам спутник весит до 1415 кг и представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещается аппаратура. Каждый спутник построен на основе использования герметичного приборного отсека. Внутри отсека с помощью активного газового контура, системы жалюзи с электроприводами и набора управляемых обогревателей поддерживаются комфортные условия по температуре в диапазоне 0—40 °С. Там, где размещены блоки стандартов частоты, создана зона термостабилизации в пределах + 1 °С. Все тепловыделяющие приборы целевой аппаратуры размещены вне герметичного приборного блока на антенном модуле в зонах, не засвечиваемых Солнцем. Система коррекции, использующая двигательную установку, работает после выведения КА на орбиту в процессе приведения его в системную точку и позволяет удерживать КА в заданных пределах (±5° по аргументу широты) без последующих коррекций в течение всего срока функционирования КА. Ориентация продольных и поперечных осей космического аппарата, а также солнечных батарей обеспечивается с помощью электромаховиков, периодически разгружаемых электромагнитами.
На втором этапе модернизации «созвездия» ГЛОНАСС используется космический аппарат «ГЛОНАСС-К», который имеет следующие отличительные особенности по сравнению с «ГЛОНАСС-М»:
а) введена третья частота в L-диапазоне для повышения точности и надежности навигационных определений потребителей;
б) срок активного существования КА увеличен до 10 лет;
в) масса КА уменьшена примерно в 2 раза;
г) размещается дополнительная полезная нагрузка, в т.ч. аппаратура спасения терпящих бедствие.
Космический аппарат (КА) «ГЛОНАСС-М» может выводиться по групповой схеме 3 КА одновременно с космодрома Байконур с использованием ракеты-носителя «Протон» («Протон-М») и по одиночной схеме с космодрома Плесецк с использованием ракеты носителя «Союз-2».
На 2005г. количество работающих спутников ГЛОНАСС составляло 17. В 2006 г. запущены еще три спутника «ГЛОНАСС-М», а в 2007 г. — еще три спутника. В 2008 г. планировалось провести испытания спутника нового поколения «ГЛОНАСС-К», который имеет меньшую массу, лучшие характеристики и гарантированный срок работы на орбите 10—12 лет.
Американская система GPS, разработанная для Министерства обороны США и находящаяся под его управлением, по своим функциональным возможностям аналогична российской системе ГЛОНАСС. Навигационные космические аппараты системы GPS также проходили ряд усовершенствований. Ниже приведено краткое описание космических аппаратов, используемых в системе, в табл. 21.2 даны их технические характеристики.
Таблица 21.2
Краткие характеристики космических аппаратов Navstar
-
ТипНКА
Масса на орбите, т
Мощность энергоисточников, Вт
Расчетный срок активного существования, г.
Год запуска первого НКА
Блок-1
525
440
-
1978
Блок-И
844
710
5
1989
Блок-IIR
1094
1250
7,5
1997
Блок-IIF
-
-
14-15
2001-2002
Созвездие Galileo создается с учетом опыта эксплуатации Navstar и ГЛОНАСС. Galileo будет состоять из 30 спутников в трех орбитальных плоскостях, каждая — с 9 спутниками, равномерно распределенными в пределах круговой орбиты и тремя активными резервными спутниками, которые необходимы в случае их отказа. В 4-м квартале 2005 г. запущен тестовый спутник. Практически готовы к запуску два аппарата. До 2008 г. предполагалось осуществить запуск четырех спутников и создать наземную инфраструктуру. Ожидается, что эксплуатация системы Gallileo в полном объеме начнется до 2010 г. Ключевые параметры: орбитальный радиус — 29994 километра и склонение 56 градусов. Чтобы обеспечивать необходимую избыточность на орбите и производить быстрое восстановление, предполагается ввести по одному резервному спутнику в каждой орбитальной плоскости. Европейское сообщество запланировало предоставление пользователям системы Galileo четырех навигационных и одного поисково-спасательного сервиса. Основной сигнал системы Galileo, предназначенный для оказания услуги «Открытый сервис» («Open Service» — OS), состоит из шести различных навигационных сигналов на трех несущих частотах. Технические характеристики OS будут, по крайней мере, равны тем, какими их ожидают получить от модернизации текущего поколения спутников системы Navstar, запланированной в2005 г., и будущей системы GPS III, архитектура которой сейчас разрабатывается.
Спутники системы Navstar тип IIF/III будут передавать широкополосные сигналы на трех гражданских (открытых) частотах (см. табл. 21.1). Одним из основных качеств системы Galileo является совместимость и возможность взаимодействия с системой Navstar, что позволит уменьшить уязвимость систем позиционирования. Под этим подразумевается их защита или уменьшение вероятности одновременного выхода из строя двух систем. Для надежной работы все пользователи хотят иметь возможность отслеживать так много спутников, насколько это возможно, с целью увеличения качественных характеристик позиционирования и получения избыточных значений эффективности использования, целостности и непрерывности сигнала. Этого можно достичь, используя комбинированные многосистемные приемники.
Созвездия ГЛОНАСС и Navstar полного состава обеспечат непрерывную глобальную навигацию военных и гражданских потребителей за счет использования двух типов сигналов: стандартной точности для гражданских потребителей и высокой точности для военных потребителей.
Помимо этого, не исключено постепенное объединение ресурсов ГЛОНАСС и Galileo и формирование единой глобальной системы, совладельцами которой станут Россия и Евросоюз.