«Техника-молодежи» 1983 г №11, с.30-33

В наши дни экипажи орбитальных космических станций способствуют решению многих важных народнохозяйственных задач. В частности, по результатам их наблюдений и по данным, полученным с искусственных спутников, составляются прогнозы погоды, ведется разведка полезных ископаемых, контролируется состояние посевов сельскохозяйственных культур. Радиотрансляционные системы, установленные на спутниках, позволяют осуществлять передачи радио— и телевизионных программ в глобальном масштабе.

Большую роль играет космонавтика и а обеспечении работы транспорта, в частности морского. Созданы и успешно функционируют спутники, оснащенные автоматической аппаратурой, фиксирующей аварийные сигналы, подаваемые судами, терпящими бедствие.. Судоводители регулярно получают штормовые предупреждения, составленные на основе информации, принятой со спутников.

В последние годы а Советском Союзе и в ряде других стран разработаны системы навигации с помощью искусственных спутников. С них автоматически передаются сведения, позволяющие штурманам исключительно точно определять координаты своих судов в любой точке Мирового океане. О том, как работают такие системы, рассказывает профессор М. Гаврюк в статье, написанной по просьбе редакции «ТМ».

Развивая ту же тему, ленинградский инженер А. Ляликов попробовал представить, как может выглядеть глобальная система навигации. Ее внедрение позволит заметно повысить безопасность судоходства и сделать управление работой флотов более гибким и аффективным.

КОСМИЧЕСКИЕ МАЯКИ В ДЕЙСТВИИ

МИХАИЛ ГАВРЮК, профессор,

начальник кафедры судовождения Дальневосточного высшего инженерного морского училища,

г. Владивосток

4 октября 1957 года с одного из советских космодромов был запущен первый в истории искусственный спутник Земли (ИСЗ). Используя его знаменитый сигнал «бип-бип», американские ученые лаборатории прикладной физики имени Дж. Гопкинса провели ряд экспериментальных работ по определению скорости спутника и параметров его орбиты. При этом они использовали методы, разработанные сотрудниками Института радиоэлектроники АН СССР. Дальнейшие работы и исследования космического пространства привели к созданию навигационных искусственных спутников (НИСЗ).

В начале 1966 года, выступая на XXIII съезде КПСС, президент АН СССР М. В. Келдыш подчеркнул, что в нашей стране уже успешно используются ИСЗ в интересах навигации и метеорологии. Запуск ИСЗ «Космос-1000» в марте 1978 года положил начало новому этапу развития отечественной навигационной системы, предназначенной для морского и промыслового флотов. Спустя пять лет большинство крупных советских судов уже имели приемоиндикаторы спутниковых навигационных систем.

Однако прежде чем подробнее рассказать о них, позволю напомнить читателям, что главной задачей морских штурманов было и остается определение широты φ и долготы (λ) своего судна. Зная их, нетрудно установить точное место судна в Мировом океане и проложить его курс в порт назначения.

В былые времена штурманы рассчитывали координаты по положению небесных светил и, если судно шло в 10-15 милях от берега, по маякам и другим приметным ориентирам. С середины XX века мореплаватели получили возможность пользоваться радиолокатором, на экране которого видны четкие очертания береговой линии. Но как поступить, если судно находится в открытом океане? Тогда на помощь традиционным методам мореходной астрономии приходят радионавигационные системы. Как они действуют?

Предположим, что судно идет вдоль берега, на котором находятся радионавигационные станции А, В и С (см. рис. 1 на центральном развороте журнала). Судовые системы способны определить дистанцию до суши по разности моментов приема сигналов At от станции А (t₁+t_σ) и станции В (t₂). При этом сигнал от станции А придет на судно после того, как радиоимпульс, посланный станцией В, пройдя расстояние АВ (tσ), запустит передатчик станции А, сигналу которой потребуется время (t₁), чтобы достигнуть судна. В районе действия береговых станций скорость распространения радиоволн можно считать постоянной, тогда разница во времени поступления сигналов (Δt) будет пропорциональна разности расстояний (ΔD).

Кривой, удовлетворяющей требованию ΔD-const, является гипербола, а для всех судов, «расположенных» на ней, будет постоянной и разность расстояний (ΔD₁). Такую кривую называют гиперболической изолинией, ее отрезок в районе нахождения судна — гиперболической линией положения. Пересечение двух гипербол (ΔD₁ и ΔD₂) позволяет точно определить координаты судна.

А теперь представьте, что станция А находится на искусственном спутнике. Орбиты ИСЗ принято подразделять на низкие (менее 6 тыс. км) и высокие; экваториальные и полярные; наклонные — когда угол i, характеризующий наклон орбиты, больше 0° и меньше 90° (см. рис. 2). Все орбиты, как правило, эллиптические, с большой (а) и малой (в) полуосями. Положение спутника определяется угловой величиной восходящего узла орбиты Ω, то есть точкой пересечения экватора плоскостью орбиты, угловым расстоянием между перигеем и восходящим узлом (ω), временем прохождения ИСЗ через перигей (τ) и рядом других параметров. Зная эти данные, можно рассчитать положение спутника на орбите.

Навигационные ИСЗ летают по низким орбитам (около 1 тыс. км) и обращаются вокруг Земли примерно эа 105 мин. Эти космические маяки оборудованы бортовой навигационной аппаратурой, системой единого времени, устройствами стабилизации спутника, что необходимо для обеспечения нужной направленности радионавигационного сигнала, посылаемого к Земле.

Такие НИСЗ, огибая Землю на полярных или близких к ним орбитах, за один оборот «охватывают» значительную зону (см. рис. 3). Однако из-за вращения планеты зона радиовидимости НИСЗ смещается на запад, в результате от витка к витку происходит перекрытие зон. Поэтому в высоких широтах место судна можно определять чаще, чем на экваторе. Впрочем, для сокращения интервалов между получениями информации с НИСЗ запускают несколько спутников, непрерывно передающих навигационные сведения. Они расшифровываются бортовой ЭВМ, и штурман получает данные о разности расстояний до нескольких фиксированных положений НИСЗ. Поскольку координаты НИСЗ известны, судоводителю остается высчитать широту и долготу своего судна. Но каким же образом определяется разность расстояния, может спросить читатель? Для того чтобы разобраться в этом, придется припомнить эффект, открытый австрийским физиком и астрономом К. Доплером. Суть его состоит в том, что при перемещении источника излучения относительно приемника наблюдается изменение длины волны или частоты (f) излучения.

Измерив за интервал (t₂-t₁) сдвиг частот (F_D), можно высчитать дистанцию до двух позиций НИСЗ. По рисунку 4 видно, что, если бы НИСЗ А огибал судно по круговой орбите, сдвига частот не произошло бы. Но частота, излучаемая спутником В, будет изменяться на величину F_D в зависимости от расстояния до судна. Сложив два высокочастотных колебания, незначительно отличающихся по частоте, мы получим результирующее колебание низкой частоты с периодическими изменениями амплитуды сигнала (биениями). Когда складываются колебания с разными частотами, меняется и число биений. Разность расстояний ΔD определяется при подсчете числа биений за некоторое время.

К примеру (см. рис. 5), в память приемника НИСЗ заложена основная частота f₀=400 МГц, спутник же передает сигналы на частоте f_γ равной 399,968 МГц. Принятая частота изменится на величину F_D, a в результате сложения опорного и принятого колебаний можно подсчитать число биений N_1-2, N_2-3 и т. д., что равносильно получению ΔD₁, ΔD₂, и это позволит рассчитать гиперболические линии положения и, следовательно, координаты.

Пролетая над Землей, НИСЗ посылает сигналы и в космическое пространство, поэтому величина разности расстояний может быть измерена и в околоземном пространстве. Поверхностью, отвечающей условию ΔD-const, является гиперболоид. Пересечение его с поверхностью Земли образует кривую, близкую к гиперболе, а точка пересечения нескольких гипербол совпадет с местом судна (см. рис. 6).

Для расчетов подобного рода необходимо знать точные координаты спутника. За этим следит персонал береговой службы: когда НИСЗ пролетает над станцией слежения (СС) и находится в позиции t₁, аппаратура станции обрабатывает полученные из космоса сигналы и вычисляет положение НИСЗ на орбите на следующие сутки (см. рис. 7). Эта информация кодируется и с данными из обсерватории точного времени (ОВ) передается через станцию ввода (СВ) на спутник в точке t₂. Пролетая над судном в точке t₃, НИСЗ каждые две минуты передает сообщение из 6103 бит, организованных в 6 колонок и 26 строк. Каждый сеанс начинается и заканчивается в четные минуты.

Судовой приемоиндикатор оборудован антенных устройством с предварительным усилением, дисплеем, встроенной электронно-вычислительной машиной и устройством ввода данных. Для повышения точности определения координат в приемоиндикатор поступают сведения о курсе и скорости судна.

Пока НИСЗ находится за горизонтом, приемоиндикатор несет дежурство, а в памяти его микропроцессора хранятся сведения о параметрах орбит почти всех НИСЗ. После обработки принятого из космоса сигнала результаты расшифровки выдаются на дисплей (см. рис. 8). Штурману остается снять долготу и широту судна и при необходимости уточнить величину сноса с курса. Кроме того, бортовая аппаратура способна рассчитать расстояние и пеленг до заданной точки следования, выдать информацию о положении спутников в тот или иной момент и времени их прохождения.

Исследования системы определения координат судна с помощью НИСЗ показали, что погрешность обычно не превышает 50-100 м. Но откуда же возникает эта ошибка? Главным образом из-за рефракции: проходя через ионосферу, длина волны сигнала увеличивается при взаимодействии со свободными электронами и ионами. Кроме того, уменьшается и скорость распространения радиоволн в атмосфере.

Впрочем, достоинств у спутниковой навигационной системы гораздо больше, чем недостатков. Начнем с того, что ею можно пользоваться практически в любом районе Мирового океана. Кроме того, специалисту, обслуживающему бортовой приемоиндикатор, не требуются специальные пособия, таблицы и карты. Широта и долгота определяются автоматически. А раз так, то традиционная работа штурманов с карандашом и линейкой начинает понемногу уходить в область преданий.