Абонентская аппаратура для морских судов системы «Цикада». (1976 г.)

Спутниковые навигационные системы имеют весьма существенные преимущества перед другими навигационными системами, широко используемыми для гражданских и военных целей. Это прежде всего глобальность действия, независимость от погодных условий, времени года, суток и высокая точность обсервации.

Работы по созданию первой отечественной спутниковой навигационной системы начались в конце 60-х годов после выпуска соответствующего постановления Правительства. Институт был определен головной организацией по радиотехническому комплексу системы, разработке бортовой космической и наземной радиотехнической аппаратуры, а также аппаратуры потребителей навигационной информации. В результате научно-исследовательских работ был определен основной облик спутниковой навигационной системы. Разработаны структура навигационного сигнала, система траекторных измерений, эфемеридного обеспечения, средства командного и программного управления.

На основе экспериментальных работ, проведенных на КА «Космос-192», который был оснащен экспериментальной навигационной аппаратурой и запущен 27 ноября 1967 года, были разработаны и построены низкоорбитальные навигационные системы для нужд военных и гражданских (система «Цикада») потребителей.

Обсервация в этих системах проходила по одному спутнику беззапросным методом, позволяющим определять две пространственные координаты в зоне видимости спутника с точностью около 100 м. В силу специфики навигационных определений эти системы получили широкое применение для обсервации морских судов. В течение 70-х годов различными модификациями аппаратуры потребителей, разработанной Институтом, были оснащены практически все крупные отечественные морские суда.

Для выполнения требований различных потребителей, позволяющих обеспечить в любой момент времени определение трех пространственных координат, вектора скорости и точного времени в 70-х годах при активном участии

Структурные элементы ГЛОНАСС.

специалистов Института, были разработаны основы такой среднеорбитальной многоспутниковой навигационной системы, которая должна неограниченному количеству различных потребителей выдавать беззапросным методом синхронизированные от четырех спутников навигационные сигналы и другую необходимую информацию.

Бортовое и наземное радиотехническое оборудование этой новой системы также создавалось в Институте с использованием ряда новейших технологий в области высокоточных радиотехнических измерений и методов управления многоспутниковыми группировками.

Аппаратура доплеровских измерений «Сфера-Н». (1968 г.)

В 1982 году был запущен на орбиту высотой 19100 км и наклонением 64,5 градусов первый спутник, оснащенный необходимой радиотехнической аппаратурой системы ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система).

В 1995 г. система ГЛОНАСС была полностью развернута (24 ИСЗ с трехлетним сроком активного существования) и принята в эксплуатацию.

В период экономического кризиса группировка существенно уменьшилась.

В соответствии с утвержденной Правительством в 2001 году Федеральной целевой программой спутники системы ГЛОНАСС модернизируются для обеспечения срока активного существования до 7 лет и до 10 лет. Предусмотрено существенное увеличение точности обсервации, надежности, доступности, достоверности и других важных характеристик системы ГЛОНАСС. Группировка будет доведена до полного состава в 2008 г.

Разработаны комплекты многоканальной навигационной аппаратуры потребителей, работающей по ИСЗ системы ГЛОНАСС и аналогичной американской системы GPS. Предусматривается возможность функционирования этой аппаратуры и по европейской системе «Галилео».

Возможность с помощью спутниковой навигации высокоточного измерения взаимных координат разнесенных в пространстве объектов определило основу создания специальных спутниковых систем для геодезических целей. Первый КА геодезической космической системы «Сфера» («Космос-203») был запущен на орбиту в 1968 году. Вся радиотехническая аппаратура спутника, наземная измерительная специальная аппаратура и средства управления были разработаны и изготовлены в нашем Институте. Система полностью выполнила возложенные на нее геодезические задачи.

Лазерный дальномер. (1981 г.)

В 1981 году был произведен запуск на орбиту КА второго поколения отечественной космической геодезической системы «ГеоИК». Помимо радиотехнической измерительной аппаратуры ИСЗ и наземных измерительных пунктов, система была оснащена аппаратурой доплеровских измерений и лазерными дальномерами.

В 1985 году геодезическая космическая система «ГеоИК» была принята в эксплуатацию. С помощью этой системы, помимо геодезических задач, были уточнены важные параметры Земли, которые легли в основу расчета эфемерид и их прогноза в навигационных спутниковых системах.

По навигационной и геодезической тематике 10 сотрудников нашего Института были удостоены Ленинской и Государственной премий и более 100 сотрудников были награждены орденами и медалями СССР.

В настоящее время многих потребителей спутниковой навигационной информации не в полной мере удовлетворяет точность, достоверность и другие параметры навигационных определений, предоставляемых действующими в штатном режиме системами ГЛОНАСС и GPS. Это, прежде всего, различные виды транспорта, геодезические и картографические службы, научные учреждения.

В мировой практике указанная проблема решается путем создания так называемых функциональных дополнений к спутниковым навигационным системам.

Общий принцип построения этих дополнений заключается в следующем. На пункте (или пунктах) с известными координатами устанавливается опорная станция, имеющая в составе приемник ГЛОНАСС и/или GPS. По измерениям этих приемников формируются дифференциальные поправки (ДП), представляющие собой оценки погрешностей измерений и информацию о целостности навигационного поля, которые должны передаваться потребителям в зоне обслуживания и учитываться при их обсервациях.

Схема построения регионального функционального дополнения.

Схема построения системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ).

Известно несколько способов практической реализации рассмотренного принципа в зависимости от размеров территории, на которую распространяется действие ДП, и способа их доставки потребителям. Институт с 2002 года является головным исполнителем по созданию региональных и широкозонных функциональных дополнений к системам ГЛОНАСС и GPS.

Особенность схемы построения одного из вариантов регионального функционального дополнения состоит в передаче ДП потребителям в канале телевизионного вещания без нарушения его работы. В аппаратуре потребителей принятые ДП вводятся в текущие измерения и компенсируют существующие погрешности. В результате значительно повышается точность обсерваций. Система способна обеспечить определение координат с точностью до 3 см на расстоянии 30 км относительно опорной станции и до 3 м — на расстоянии до 150 км. Данный вариант весьма экономичен, что будет способствовать быстрому внедрению системы в регионах.

На рисунке представлена схема построения системы широкозонного функционального дополнения. Эта более сложная перспективная система получила название системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ). Зоной действия услуг СДКМ является вся территория Российской Федерации, а также прилегающие регионы.

Аппаратура опорной станции дифференциальных поправок. (2002 г.)

Особенности системы заключаются в том, что на обширной территории разворачивается несколько (сеть) опорных станций с приемниками сигналов ГЛОНАСС и GPS. Измерения, полученные на этих станциях, передаются в центр обработки данных (центр глобального мониторинга — ЦГМ). В центре вычисляются погрешности текущих эфемерид и часов навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС и GPS, которые в виде корректирующей информации могут передаваться потребителю либо через Интернет, либо по каналам спутниковой связи. Система обеспечивает определение координат с точностью до 3 м на всей территории. В случае совместного использования сигналов систем ГЛОНАСС и GPS, СДКМ и региональных функциональных дополнений возможно обеспечить определение координат с точностью до 3 см на расстояниях до 200 км относительно опорных станций.

Для реализации описанных выше работ специалистами Института была разработана аппаратура, предназначенная для установки на опорных станциях региональных и широкозонных функциональных дополнений. Она обеспечивает приём сигналов спутников ГЛОНАСС и GPS в диапазонах L1 и L2, передачу в центр обработки «сырых» измерительных данных, выработку дифференциальных поправок к измерениям и мониторинговой информации о целостности навигационного поля, а также других характеристик компонентов навигационной системы.

Основным элементом радиотехнической системы управления космическими аппаратами (КА) являются командно-измерительные системы (КИС), состоящие из взаимосвязанных бортовых и наземных комплексов, которые обеспечивают

● управление КА разовыми командами, программной и специальной информацией;

● прием с КА телеметрической информации;

● измерение текущих навигационных параметров движения КА;

● сверку, коррекцию и фазирование бортовой шкалы времени.

Работы по созданию КИС в Институте были начаты в конце 50-х годов с появлением первых КА, управляемых из наземных пунктов. Это КИС «Сатурн-М», предназначенная для управления полетом первого отечественного спутника связи на высокоэллиптической орбите «Молния-1» (1960 год), и КИС для управления в дециметровом диапазоне волн низкоорбитальными навигационными спутниками «Цикада». Следующим этапом была разработана КИС для управления в сантиметровом диапазоне волн спутником связи типа «Молния».

Спутник связи «Молния-1» (1960 год)

В СССР большинство автоматических КА создавались по заказу Министерства обороны. Перед разработчиками была поставлена задача: сделать радиолинии КИС помехозащищенными. Впервые эта задача была решена в Институте в 1974 году при создании унифицированной двух-диапазонной КИС. В сантиметровом диапазоне волн с помощью этой КИС управлялись высокоэллиптические и все геостационарные спутники связи, вещания и ретрансляции данных: «Молния», «Экран», «Горизонт», «Радуга», а также геостационарные ИСЗ: «Луч» и др. В дециметровом диапазоне волн обеспечивалось управление низкоорбитальными навигационными и геодезическими КА: «Цикада», «Сфера» и «ГеоИК».

Для определения орбиты КА высокоточной космической навигационной системы ГЛОНАСС нужно было радиотехническими методами обеспечить измерение дальности до КА с предельной погрешностью не более 1 м и радиальной скорости — с погрешностью не более 1 мм/с. Указанные высокие требования обеспечила созданная в Институте бортовая аппаратура и наземная станция КИС, работающая в сантиметровом диапазоне волн.

Дальнейшие модификации наземных станций КИС, сохраняя совместимость с бортовой аппаратурой КИС ранее запущенных КА, существенно превосходили своих предшественников по степени автоматизации, размерам аппаратуры и другим эксплуатационным и тактико-техническим параметрам.

В конце 80-х годов началось интенсивное развитие коммерческих спутниковых систем связи. Для управления геостационарными спутниками таких систем, как «Экспресс», «Купон», «Галс», была разработана конверсионная модификация — КИС «Каштан». Наземная станция КИС строилась как аппаратно-программный комплекс, объединенный в локальную вычислительную сеть. Это позволило сделать аппаратуру наземной станции компактной и довести количество операторов в смене до двух — минимально разрешенное по технике безопасности.

В 2003 году по заказу ФГУП «Космическая связь» (ГПКС) для управления геостационарными спутниками типа «Экспресс AM» была создана КИС ГПКС. Для увеличения надежности управления бортовая аппаратура КИС непрерывно передает телеметрическую информацию, которая принимается на закрепленной за данным геостационарным спутником упрощенной наземной станции КИС. Наземная станция КИС является необслуживаемой. Управление ее аппаратурой производится дистанционно из удаленного ЦУП, из которого осуществляется и управление самим КА.

Наземная станция КИС. (1972 г.)

Бортовая аппаратура КИС 90-х годов.

Приборы перспективной бортовой КИС. (2005 г.)

Одновременно с разработкой новых КА и появлением модификаций наземных станций происходило совершенствование бортовой аппаратуры КИС. Масса ее, составляющая в начале 70-х годов 120 кг, в последних разработках уменьшилась до 20 кг, а энергопотребление снизилось в несколько раз. При этом срок службы бортовой аппаратуры увеличился с 3 до 10 лет.

Для обеспечения управления автоматическими КА в Институте были созданы более 30 модификаций бортовой аппаратуры КИС, которые работали на более чем 500 КА.

Для малых КА типа «Монитор», «Стерх» создана бортовая КИС, которая относится к новому поколению бортовой аппаратуры.

Дальнейшие перспективы развития КИС связаны с обеспечением управления в международном диапазоне волн, унификацией аппаратуры и увеличением информативности и гибкости управления КА, уменьшением габаритно-массовых характеристик бортовой аппаратуры до 7 — 10 кг, снижением ее энергопотребления, увеличением помехозащищенности, надежности работы и срока службы.

далее