Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) - это сумма уникальных технологий, плод многолетнего труда российских конструкторов и ученых. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени.
ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска). В создании системы ГЛОНАСС принимали участие:
• Министерство обороны Российской Федерации - головной заказчик системы, обеспечивающий контроль разработки и ее дальнейшее совершенствование, а также развертывание, поддержание и управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС;
• Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика Решетнева М.Ф. (НПО ПМ);
• головной разработчик системы, спутника ГЛОНАСС, автоматизированной системы управления спутниками и ее математического обеспечения;
• Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (РНИИ КП) - головной разработчик наземного комплекса управления и бортовой аппаратуры спутника ГЛОНАСС;
• Российский институт радионавигации и времени (РИРВ) - головной разработчик спутниковой и наземной аппаратуры системы синхронизации и времени;
• Производственное объединение "Полет" (ПО "Полет") - разработчик и изготовитель спутника ГЛОНАСС, а также ряд других российских научных и производственных организаций.
Первый запуск спутника по программе ГЛОНАСС (Космос 1413) состоялся 12 октября 1982 года. Система ГЛОНАСС была официально принята в эксплуатацию 24 сентября 1993 года распоряжением Президента Российской Федерации 658рпс с неполной комплектацией орбитальной структуры при условии развертывания штатной орбитальной структуры (24 спутника) в 1995 году. Постановлением Правительства РФ от 7 марта 1995 г. №237 были организованы работы по полному развертыванию орбитальной структуры (24 спутника), обеспечению серийного производства навигационной аппаратуры и представлению ГЛОНАСС в качестве элемента международной глобальной навигационной системы для гражданских потребителей.
КАК РАБОТАЕТ СИСТЕМА ГЛОНАСС?
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:
• горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
• точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.
Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.
Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
ОРБИТАЛЬНАЯ СТРУКТУРА СПУТНИКОВ ГЛОНАСС
Полная орбитальная структура системы ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, равномерно размещенных трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120град.( по абсолютной долготе восходящего узла. Плоскостям присвоены номера 1,2,3 с возрастанием в направлении вращения Земли. Номинальные значения абсолютных долгот восходящих узлов идеальных плоскостей, зафиксированных на 00 часов Московского времени 1 января 1983 года, равны: 215град15мин00сек + 120град (i - 1), где i- номер плоскости (i = 1,2,3) Номинальные расстояния между соседними спутниками ГЛОНАСС в орбитальной плоскости по аргументу широты составляют 45град. Средняя скорость прецессии орбитальных плоскостей равна (- 0,00059251) радиан/сутки. Спутникам 1-й плоскости присвоены номера 1-8, 2-й плоскости - 9-16, 3-й плоскости - 17-24, с возрастанием против направления движения спутника. Аргументы широты спутников с номерами j = N + 8 и j = N + 16 отличаются от аргументов широты спутников с номерами j = N и j = N + 8 на +15град., соответственно, (где N = 1...8) и составляют на 00 часов Московского времени 1 января 1983 года: 145град26мин37сек+ 15град(27 - 3j + 25j*, где j = (1...24) - номер спутника; j* = E((j - 1)/8) - т.е. целая часть числа (j - 1)/8. Другими словами, орбитальные плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15град.
Максимальные уходы спутников относительно идеального положения в орбитальной плоскости не превышают 5град. на интервале 5 лет. Интервал повторяемости трасс движения спутников и зон радиовидимости для наземных средств - 17 витков (7 суток, 23 часа 27 минут 27 секунд). Драконический период обращения спутника ГЛОНАСС - 11 часов 15 минут 44 секунды. Высота орбиты - 19100 км (18840...19440 км). Наклонение орбиты - 64,8 ±0,3град. Эксцентриситет - 0 ± 0,01
Такая конфигурация орбитальной структуры позволяет обеспечивать глобальную и непрерывную зону действия системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.
Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя "Протон", разгонного блока 11С861-01 и СЗБ 11Ф639.М0000-0-01. Одним носителем одновременно выводятся три спутника ГЛОНАСС.
Перевод каждого спутника в заданную точку орбитальной плоскости производится с помощью собственной двигательной установки.
СПУТНИК ГЛОНАСС
Спутник ГЛОНАСС конструктивно состоит из цилиндрического гермоконтейнера с приборным блоком, рамы антенно-фидерных устройств, приборов системы ориентации, панелей солнечных батарей с приводами, блока двигательной установки и жалюзи, системы терморегулирования с приводами. На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для калибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений дальности до спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели формируются в виде блока, постоянно отслеживающего направление на центр Земли. В состав бортовой аппаратуры входят:
• навигационный комплекс;
• комплекс управления;
• система ориентации и стабилизации;
• система коррекции;
• система терморегулирования;
• система электроснабжения.
Навигационный комплекс обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС. В состав комплекса входят: синхронизатор, формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов. Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени. Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов содержащих дальномерный код и навигационное сообщение. Комплекс управления обеспечивает управление системами спутника и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система, блок управления бортовой аппаратурой и система телеметрического контроля. Командно-измерительная система обеспечивает измерение дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии. Блок управления обеспечивает распределение питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд.
Система ориентации и стабилизации обеспечивает успокоение спутника после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце и продольной оси спутника на Землю, затем ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты. В системе используются прибор на основе инфракрасного построения местной вертикали (для ориентации на центр Земли) и прибор для ориентации на Солнце. Погрешность ориентации на центр Земли не хуже 3град., а отклонение нормали к поверхности солнечной батареи от направления на Солнце - не более 5град. Для минимизации возмущений на движение центра масс спутника разгрузка двигателей маховиков производится с помощью магнитопровода. В качестве исполнительного органа при осуществлении успокоения и стабилизации спутника во время выдачи импульса коррекции используется двигательная установка. Режим успокоения, в результате которого происходит гашение угловых скоростей, включается в зоне радиовидимости.
В режиме начальной ориентации на Солнце осуществляется разворот спутника относительно продольной оси с помощью управляющих двигателей-маховиков до появления Солнца в поле зрения прибора ориентации на Солнце, который установлен на панели солнечных батарей.
Режим ориентации на Землю начинается из положения ориентации на Солнце путем разворота спутника с помощью двигателей-маховиков вдоль оси, ориентированной на Солнце, до появления Земли в поле зрения прибора ориентации на центр Земли. В штатном режиме обеспечивается ориентация оси спутника вместе с антеннами на центр Земли, с помощью управляющих двигателей-маховиков по сигналам с приборов ориентации на центр Земли, ориентация солнечных батарей на Солнце путем разворота спутника вместе солнечными батареями с помощью управляющего двигателя-маховика по одному каналу и разворотов панелей батарей относительно корпуса спутника с помощью привода вращения солнечных батарей по другому каналу по сигналам приборов ориентации на Солнце. В режиме ориентации перед проведением коррекции и стабилизации спутника во время выдачи импульса коррекции отслеживание ориентации на Солнце не производится.
Система коррекции обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система включает двигательную установку и блок управления ей. Двигательная установка состоит из 24 двигателей ориентации с тягой 10 г и двух двигателей коррекции с тягой 500 г.
Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника. Регулирование тепла, отводимого из гермоконтейнера, осуществляется жалюзи, которые открывают или закрывают радиационную поверхность в зависимости от температуры газа. Отвод тепла от приборов осуществляется циркулирующим газом с помощью вентилятора.
Система электроснабжения включает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей - 1600 Вт, площадь - 17,5 м2. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей. Их разрядная емкость составляет 70 ампер-часов.
Для обеспечения надежности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.
Таким образом, на спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций:
• излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;
• прием, хранение и передача цифровой навигационной информации;
• формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;
• ретрансляция или излучение сигналов для проведения траекторных измерений для контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;
• прием и обработка разовых команд;
• прием, запоминание и выполнение временных программ управления режимами функционирования спутника на орбите;
• формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления;
• прием и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;
• формирование и передача "признака неисправности" при выходе выжных контролируемых параметров за пределы нормы.
Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.
ВЫВЕДЕНИЕ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС НА ОРБИТУ
Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса "ПРОТОН" с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС. Схема выведения включает:
• выведение космической головной части на промежуточную круговую орбиту с высотой ~200 км;
• переход на эллиптическую орбиту с перигеем ~200 км, апогеем ~19100 км и наклонением 64,3град.
Перевод каждого спутника в заданную точку орбитальной плоскости проводится с помощью спутниковой двигательной установки. Точность приведения в рабочую точку орбиты:
• по периоду обращения - 0,5 с;
• по аргументу широты - 1град.;
• по эксцентриситету - ~0,01;
• по наклонению орбиты - ~0,3град.
НАЗЕМНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ
Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой (г. Краснознаменск, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом.
ПОТРЕБИТЕЛИ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС
Основными областями применения системы ГЛОНАСС являются:
• Министерство обороны;
• Транспорт (космический, воздушный, морской, речной, наземный);
• Прикладные задачи (геодезия, картография, океанография, геофизика, землеустройство, геология, добыча полезных ископаемых, рыболовство, экология)
• Научные задачи (фундаментальные исследования, научно-экспериментальные исследования)