|
|
  |
Главная страница / Архитектура отрасли космические навигационные системы :: Спутниковая навигация :: «Глонасс» и Navstar :: GPS-навигаторыОсновная перспектива развития глобальных космических навигационных систем определяется стремлением существенно, на один-два порядка (до единиц метров в космосе и до десятков сантиметров на поверхности Земли и приземном воздушном пространстве) повысить точность навигационного поля. Это даст возможность значительно расширить круг потребителей навигационной информации, включая высокоскоростные объекты в воздушном и космическом пространстве (самолеты, ракеты, космические аппараты). Перспективные направления развития космических навигационных систем Существующие системы «Глонасс» и Navstar не позволяют получить точностных характеристик навигационного поля. Реализуемые и разрабатываемые проекты модернизации указанных систем в основном сконцентрированы на повышении стабильности бортовых стандартов частоты, совершенствовании наземной системы траекторных измерений, синхронизации бортовых стандартов частоты по наземному эталону, уточнении модели движения космических аппаратов (КА) по орбите. На наш взгляд, отличительной чертой данных проектов является направленность на измерение возмущающих факторов и их учет при функционировании космической системы. Более перспективен подход, который основан на создании космической навигационной системы, имеющей обратную связь по параметрам точности навигационного поля и осуществляющей саморегулирование без участия наземных станций в процессе функционирования. Возможности значительного повышения точности навигационного поля и введения автономного контура саморегулирования связаны с оснащением КА аппаратурой межспутникового обмена и астроопределений. Наличие линий межспутникового обмена позволяет создать «распределенный» стандарт частоты, в котором нивелируются инструментальные погрешности отдельных бортовых стандартов, повышается точность навигационного поля в целом, возрастает длительность автономного функционирования, снижается частота контроля и коррекции с Земли. Для высокоточной синхронизации бортовых стандартов частоты КА космической системы (КС) навигации между собой необходимы высокочастотные линии межспутникового обмена информацией, например лазерные, обладающие высокой пропускной способностью. Но объем информации синхронизации небольшой, и загрузка линий межспутникового обмена будет низкой. Следовательно, наличие таких линий связи обусловливает возможность и целесообразность организации на базе КА навигации глобальной сети передачи данных. Большая пропускная способность и высокая скорость передачи данных по межспутниковым линиям связи позволяют организовать в этой сети обмен информацией по наиболее совершенным протоколам обмена, например АТМ, обеспечивающим передачу различных видов информации, в том числе телевизионных. Баллистическое построение КС навигации обеспечивает постоянное нахождение в зоне видимости земного наблюдателя 4–6 КА, двигающихся с невысокой относительно земного набим из них в связь с помощью направленной или ненаправленной антенны. При этом значение показателей энергетики радиоканала «земля – борт» почти на порядок меньше, чем у КА-ретрансляторов на геостационарной и высокоэллиптической орбите. Важной особенностью связного обеспечения подобной системы является независимость качества сигнала от местоположения приемопередатчика – в экваториальной зоне или на полюсе, на поверхности Земли, в воздухе или космосе. Высокий угол визирования земной антенны на КА также существенно снижает влияние состояния атмосферы на качество радиообмена. Проведение траекторных измерений и синхронизация бортовых стандартов частоты наземными станциями затрудняются еще и тем, что повышение точности измерений связано с возрастанием частоты сигнала. Это значительно увеличивает отрицательное влияние на экологию (в радиодиапазоне), точность измерений состояния атмосферы, ионизационного слоя, радиационных полей и других факторов (в оптическом диапазоне). Альтернативным вариантом траекторных измерений является периодическое проведение астроопределений – уточнение текущего положения КА по звездам с последующей коррекцией расчетных параметров орбиты бортовым вычислительным комплексом. Реализация данного подхода не требует активных измерительных средств и может выполняться с помощью специализированной камеры наблюдения в оптическом диапазоне. Наличие на борту аппаратуры астрокоррекции позволяет отказаться от применения специализированных наземных измерительных средств, исключить из состава бортовой аппаратуры соответствующий приемопередатчик. Обмен управляющей и телеметрической информацией между КА и центром управления системой может осуществляться по линиям межспутникового обмена, так как КА фактически являются абонентами космической сети передачи данных. Значение показателей наблюдаемости и управляемости любого КА системы будет близко к единице. Следовательно, можно отказаться и от установки на борту специальных приемопередатчиков для обмена с наземными станциями управляющей и телеметрической информацией и перейти к однопунктной схеме управления. Относительно невысокая загрузка камеры астроопределениями обусловливает возможность и целесообразность ее использования для постоянного глобального наблюдения за поверхностью Земли и космическим пространством в различных диапазонах излучений. Технически это реализуется установкой дополнительного зеркала. Необходимость в постоянно действующей системе многоспектрального глобального обзорного наблюдения в настоящее время назрела. В этом заинтересован широкий круг потребителей: метеорологи, океанологи, экологи, органы предупреждения о стихийных бедствиях и ликвидации чрезвычайных ситуаций, разведки природных ресурсов и др. Полученные по межспутниковым каналам связи данные наблюдений могут оперативно передаваться в любое место. Реализация изложенных подходов позволит обеспечить существенное повышение точности навигационного поля. нная система станет одним из эталонов времени и геодезической сети. Кроме того, внедрение новых методик создает принципиально новые возможности для расширения круга решаемых КА задач: создания глобальной многофункциональной системы координатно-временного и связного обеспечения, постоянного обзорного наблюдения, совершенствования системы управления КА в полете. Таким образом, рассмотрение облика перспективной космической навигационной системы доказывает наличие принципиально новых возможностей по созданию на ее основе многофункциональной космической системы. Реальные функции системы могут быть намного шире. Рассмотрим их более подробно. Анализ возможностей использования системы для решения прикладных задач Вопросы применения высокоточной координатно-временной информации достаточно широко освещены в литературе. В рамках данной статьи ограничимся только новыми аспектами, связанными с дополнением возможности связного обеспечения и совершенствованием космических технологий. Совмещение на КА координатно-временного и связного обеспечения позволяет существенно усовершенствовать решение задач диспетчеризации и управления движением различных подвижных средств. Приемник навигационных сигналов может одновременно являться и автоматическим передатчиком формализованных сообщений, в которых передаются данные о местоположении подвижного средства, состоянии наиболее значимых параметров, а при необходимости и видеоизображений. Сообщения поступают в центр управления движением, где формируются управляющие воздействия, принимаемые тем же устройством. Применение в космическом сегменте сети АТМ технологии обеспечивает обмен не только цифровой, но и аудио- и видеоинформацией. В большинстве опубликованных работ по проблемам использования космических навигационных систем основное внимание уделяется системам наземного, морского и воздушного базирования. В то же время перспективные навигационные системы окажут существенное влияние на развитие самих космических систем. К числу принципиальных вопросов, требующих решения для совершенствования процессов управления КА в полете, относятся переход на координатный принцип управления и упрощение процедуры установления связи КА с наземными станциями. Для успешного выполнения КА целевой задачи на его борту должны иметься данные о его собственном текущем положении в пространстве и текущем положении обслуживаемой им зоны или объекта. По этим данным решается задача пространственной ориентации функциональных элементов бортовой аппаратуры, ее подготовки к выполнению определенных целевым назначением КА действий. Для прогнозирования движения КА необходимо провести серию высокоточных измерений параметров орбиты и решить сложную баллистическую задачу. В принципе, перечисленные задачи могут быть решены как на борту КА, так и средствами наземного комплекса управления. Для этого на борту КА необходимо наличиложение, а также большие вычислительные мощности для производства расчетов. Однако жесткие массогабаритные ограничения бортовой аппаратуры не позволяют решать все перечисленные задачи на борту КА. Для упрощения бортовой аппаратуры обычно применяется временной принцип управления. На Земле создается сеть территориально разнесенных измерительных средств, которые проводят высокоточные измерения текущих параметров движения КА. Результаты измерений собираются в центре управления, где производится расчет параметров орбиты и осуществляется прогноз движения КА. Затем по этим данным производится расчет временного графика (программы) работы бортовой аппаратуры. После его записи на запоминающие устройства бортовой аппаратуры и сверки (коррекции) бортовой шкалы времени КА производится запуск устройства управления, которое сверяет текущее время с заданным во временной программе. При совпадении моментов времени выполняются определяемые программой действия. Команды бортовым устройствам выдаются наземными командно-измерительными станциями в ходе сеанса связи. Одним из вариантов перехода на координатный способ управления является ориентация по звездам. Однако для этого на борту необходимо иметь большой объем данных о звездной карте неба, дополнительную аппаратуру астроопределений, производить пересчет координат из звездной системы координат в земную. Реализация данного подхода также затрудняется вследствие значительного объема задач и веса дополнительной аппаратуры. Отметим, что неэффективность данного варианта проявляется при решении задач применительно к отдельному КА. При создании космической описанной навигационной системы основная часть навигационных задач будет решаться на борту КА навигации: астроопределения, переход от звездного базиса к земному. По их сигналам другие КА в любой момент смогут определять собственное местоположение в земных координатах и самостоятельно управлять бортовой аппаратурой без долгосрочного прогноза своего движения. Рассмотрим теперь проблему взаимосвязи с КА в полете. Конечной целью функционирования КА является доставка информации потребителям, основная масса которых находится на поверхности Земли. Информационный обмен между космическим аппаратом и наземной станцией возможен только при нахождении КА в зоне прямой видимости между ними, что существенно ограничивает возможности взаимосвязи. Величина коэффициента взаимосвязи не превышает отношения площади суммы площадей зон видимости к площади поверхности Земли. Так, для всей территории России это отношение для низких круговых орбит (основной вид орбит для ОГ КА наблюдения) не превышает 3%. Низкое значение коэффициента взаимосвязи значительно снижает оперативность доставки информации потребителю и управляющих воздействий на КА (время ожидания момента, когда КА появится в зоне видимости, может достигать нескольких часов), требует высокоскоростного обмена (длительность нахождения КА в зоне видимости на низких круговых орбитах не превышает 5иворечие. Повышение глобальности охвата земной поверхности КА сокращает возможности по получению информации с них. Улучшение взаимосвязи с помощью эллиптических и геостационарных орбит упрощает взаимосвязь с КА, но снижает глобальность охвата. Одним из направлений разрешения данного противоречия является использование КА ретрансляторов на геостационарной орбите. Однако это достаточно сложный и дорогостоящий вариант, поскольку требует специального КА-ретранслятора, установки на его борту дополнительной специальной антенны, проведения поиска между двумя быстродвижущимися объектами на расстоянии около 40 тыс. км и последующего переприема информации с геостационарной орбиты наземной станцией. Создание рассматриваемой нами космической системы позволяет решить и эту проблему. Принимая от КА навигации сигналы, прикладной космический аппарат сможет сориентировать свою антенну и установить двустороннюю связь с наземной станцией, не находясь в зоне прямой видимости. Кроме того, являясь абонентом космической сети передачи данных, в любой момент получить информацию из центра управления полетом. Благодаря высокой скорости и пропускной способности лазерных линий связи информационный обмен ЦУП – КА будет осуществляться в близком к реальному масштабе времени. Технолого-конструктивные вопросы В результате рассмотрения возможных подходов к созданию перспективной многофункциональной космической системы может возникнуть впечатление, что проблема заключается только в установке на борту КА достаточно простых дополнительных устройств. Это далеко не так. Высокая конкурентоспособность предлагаемой системы и длительный срок ее существования обеспечиваются при соблюдении следующих условий: использование технологий, позволяющих на один-два порядка по сравнению с существующими системами повысить ее эксплуатационные и потребительские характеристики; возможность модернизации системы в процессе эксплуатации. Принципиально новой должна быть бортовая аппаратура КА, обеспечивающая функционирование наземно-космической глобальной сетевой системы передачи данных, в том числе информации, необходимой для управления самими КА. Следовательно, практическая реализация концепции системы возможна только при создании КА на основе комплекса новых технологий. К наиболее важным из них относятся: бортовой стандарт частоты прецизионной точности (возможно, на основе водородного генератора), блок лазерной связи, блок наведения лазерного луча, блок высокоточной стабилизации КА, многоспектральная камера обзорного наблюдения с обработкой изображения, бортовой коммутатор сообщений, сетевая технология передачи данных по перспективным протоколам, бортовой вычислительный комплекс с возможностью перепрограммирования, унифицированная негерметичная платформа, бортовая антенна, ядерный источник электроэнергии повышенной мощности, программно-алгоритмическое обеспечение. Таким образом, для создхнологий, решающих ряд сложных научно-технических и конструкторских проблем. Сокращение функциональных возможностей на основе усеченного набора технологий приведет к существенному снижению ее потребительских характеристик. На наш взгляд, рассмотренный облик системы является наиболее сбалансированным и функционально полным. Создание подобной системы целесообразно в рамках единой целевой программы, консолидирующей разработку семейства научных, технологических и конструкторских разработок. Главная страница / Архитектура отрасли |