Сердце ГЛОНАСС
Спутниковая навигация давно стала важным элементом военного дела. Она обеспечивает точное определение местоположения в любой точке земного шара, используется в системах наведения оружия и средствах целеуказания. Сигналы навигационных спутников активно используют и гражданские потребители. И мало кто знает, кто управляет всем этим космическим навигационным хозяйством. Корреспондент «Армейского стандарта» побывал в центре управления российской Глобальной навигационной спутниковой системой в подмосковном Краснознаменске, который называют сердцем ГЛОНАСС.
ГЛОНАСС, который изначально задумывался как военная космическая система, — лишь одна из структур Космических войск. Стоит в одном ряду с системой предупреждения о ракетном нападении или системой контроля космического пространства. Точно так же имеет в своем составе космический эшелон — группировку спутников ГЛОНАСС — и целую сеть наземных средств контроля и управления.
Центр управления ГЛОНАСС в Краснознаменске можно назвать и сердцем системы, и ее мозгом. Отсюда боевыми расчетами Космических войск осуществляется круглосуточное непрерывное управление всей орбитальной группировкой космических аппаратов Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС.
Предназначена эта система для обеспечения безграничного числа потребителей в военной и гражданской сферах высокоточными координатами временной и навигационной информации. В числе массовых потребителей — автомобильный, воздушный, морской транспорт. На основе сигналов ГЛОНАСС построены автомобильная система экстренного реагирования на аварии «ЭРА-ГЛОНАСС», Международная система поиска и спасения «КОСПАС-САРСАТ». С помощью ГЛОНАСС возможно даже прогнозирование землетрясений.
Вопрос национальной безопасности
О состоянии и перспективах развития орбитальной группировки российской навигационной спутниковой системы «Армейскому стандарту» рассказал начальник отдела испытаний и управления космическими аппаратами ГЛОНАСС подполковник Рустам Яхин.
— Рустам Фаритович, расскажите об орбитальной группировке ГЛОНАСС.
— Сегодня в ее составе 27 космических аппаратов. 24 используются по целевому назначению, три — в орбитальном резерве и на испытаниях. Спутники размещены в трех орбитальных плоскостях, по восемь космических аппаратов в каждой плоскости. Сегодня у нас в группировке используются по целевому назначению, то есть передают на землю навигационные сигналы, 23 спутника «Глонасс-М» и один «Глонасс-К».
— Сколько всего было запущено аппаратов?
— С начала эксплуатации ГЛОНАСС запущено 134 космических аппарата. Первый запуск состоялся еще в СССР 12 октября 1982 года. Это был военный космический аппарат серии «Ураган». Изначально ГЛОНАСС создавалась как военная система в противовес американской системе NAVSTAR.
— Почему нужна своя система? Ведь можно пользоваться GPS.
— Создание и развитие национальной спутниковой навигационной системы — вопрос национальной безопасности. Потому что у США есть возможность отключать сигналы GPS.
У системы ГЛОНАСС тоже есть возможность «загрубить» гражданский сигнал. Наша система более защищена от воздействия. Каждый аппарат излучает два сигнала: гражданский и военный. Чтобы получить военный сигнал, нужно знать определенный код.
— Запуски спутников ГЛОНАСС отслеживаете?
— Да. Принимаем на управление запущенный аппарат. К нам к запуску приезжает большая бригада специалистов компании-разработчика.
Справка «АС»
Разработчик и производитель навигационных спутников «Глонасс-М» и «Глонасс-К» — компания «Информационные спутниковые системы» имени М.Ф.Решетнева. Находится в Железногорске Красноярского края.
— Когда следующий запуск в интересах ГЛОНАСС?
— На 25 октября предварительно назначен запуск очередного космического аппарата для системы ГЛОНАСС. Это спутник «Глонасс-К» новой серии. Всего будет девять таких аппаратов. К запуску планируется аппарат 15-й летный.
— Какой аппарат он заменит на орбите?
— Очередной «Глонасс-К» запускается во вторую орбитальную плоскость, займет место между десятой и одиннадцатой рабочими точками. После отделения от разгонного блока будет находиться между двумя рабочими точками, пройдут летные испытания. Длительность летных испытаний — от десяти месяцев до одного года. После успешного завершения летных испытаний аппарат может быть введен в состав смешанной орбитальной группировки ГЛОНАСС. В перспективе планируем, что он заменит 723-й аппарат, который находится в десятой рабочей точке. У 723-го есть ограничения по оборудованию.
Скорая помощь для спутников
— Какие главные задачи решают ваши специалисты?
— Наш центр — это сердце системы. В Центре управления глобальной навигационной спутниковой системой ГЛОНАСС несут дежурство боевые расчеты 153-го главного испытательного космического центра имени Г.С.Титова. Они осуществляют круглосуточное и непрерывное управление всей орбитальной группировкой ГЛОНАСС.
Сюда стекается вся информация со всех измерительных пунктов, которые расположены по всей территории Российской Федерации. Она здесь анализируется. Выявляются нештатные ситуации. Принимаются все необходимые решения. Вместе с боевыми расчетами Космических войск в этом участвуют и представители промышленности — бригады специалистов с предприятия – изготовителя спутников.
Специалисты все подготовлены, имеют все высшее образование. В их распоряжении тома эксплуатационной документации по управлению космическими аппаратами. Запомнить всю документацию, конечно, невозможно, но надо знать, где искать. В случае необходимости можем и без представителей промышленности оперативно парировать нештатные ситуации. Достаточно часа-двух, и мы можем аппарат ввести в систему.
— Чем вызваны нештатные ситуации?
— Как правило, тем, что аппараты выходят за пределы срока активного существования. Аппаратура изнашивается.
— Каков срок службы аппаратов на орбите?
— Гарантированный срок активного существования аппаратов «Глонасс-М» 7 лет. У спутников следующего поколения «Глонасс-К» — 10 лет.
— Возможно внешнее воздействие на спутники ГЛОНАСС?
— Наши спутники защищены от любого воздействия. Просто так к ним не подобраться. Есть специальная аппаратура на борту, которая защищает аппарат от внешних воздействий. Поэтому подстроиться под аппарат, взять его под управление, как любят показывать в фильмах-боевиках, невозможно.
Были случаи, когда гермоконтейнер на аппарате пробивали частицы космического мусора. «Глонасс-М», в отличие от «Глонасс-К», — аппараты герметичного типа. В гермоконтейнере, где расположена целевая аппаратура, поддерживается определенный температурно-влажностный режим. При попадании частиц космического мусора происходит разгерметизация. Аппарат может какое-то время поработать, но потом связь с ним теряется. К сожалению, была такая ситуация. Благо мы оперативно из нее вышли. Заменили на спутник, который находился в орбитальном резерве. Поэтому потери управления, точностных характеристик системы в целом не было.
— Как становится известно, что с аппаратом что-то не так?
— Спутник прилетает в зону радиовидимости наших средств с сигналом, что он неисправен. Снимаем телеметрическую информацию для анализа состояния бортовой аппаратуры. Телеметрическая информация кодированная, аппаратура носит гриф «секретно». Сектор информации о состоянии бортовой аппаратуры анализирует параметры. Специалисты выявляют возникшие неисправности и затем формируют пакет команд, которые приводят ситуацию в норму.
— Быстро решается проблема?
— Бывало, что минут за 20–30 решаем вопрос. Все зависит от самой проблемы и от местоположения аппарата. Главное, чтобы аппарат находился в зоне радиовидимости наших наземных средств. Все наши командно-измерительные средства расположены только на территории Российской Федерации. Зона радиовидимости, когда возможны сеансы управления, ограничена временем пролета космических аппаратов над территорией страны. Если аппараты в зоне радиовидимости, мы оперативно проблему решали.
— Были случаи, когда аппарат считался безнадежным, но его удавалось реанимировать вашим специалистам?
— У нас в орбитальной группировке есть 735-й аппарат. Сейчас он в 22-й рабочей точке. Это третья орбитальная плоскость. Изначально он находился в 24-й рабочей точке. Вышел из строя. Потеряли с ним связь. С ним не было связи четыре месяца. Уже отправили документы на закрытие.
На замену запустили 760-й аппарат. На этапе ввода его в систему появилась связь с 735-м. И мы восстановили управление им. Благодаря упорству боевого расчета, который с ним работал. Специалисты верили, надеялись, что мы его восстановим. Так и вышло. Он находился рядом с 760-м, который уже был введен в систему. Мы перевели 735-й в орбитальный резерв.
Когда случилась неисправность с 731-м аппаратом, мы его пытались реанимировать — не получилось. Было принято решение командованием Космических войск на основе наших предложений 735-й гнать в 22-ю рабочую точку для замены 731-го аппарата. Операция проведена успешно. Сегодня этот спутник используется по целевому назначению.
— Сколько километров он прошел по орбите?
— Все зависит от количества «рабочего тела» на борту спутника, упрощенно говоря, запаса топлива, и, соответственно, от степени ускорения космического аппарата. Бывает ускоренный режим, средний темп и медленный дрейф. Был определен оптимальный средний режим, с учетом количества рабочего тела, оставшегося на космическом аппарате.
Примерно два с половиной месяца аппарат успешно дрейфовал в своей орбитальной плоскости. Пролетел миллионы километров. Вначале по команде аппарат получил импульсы ускорения. При подходе к заданной рабочей точке, в соответствии с анализом текущих навигационных параметров, были даны несколько импульсов торможения, и аппарат успешно занял нужное место на орбите.
— Что собой представляет орбитальная рабочая точка ГЛОНАСС?
— Образно говоря, это цилиндрической формы пространство вдоль линии орбиты спутника. Высота «цилиндра» примерно 400 километров, а длина 700. Есть параметры оценки стояния аппарата в рабочей точке, специальные программы расчета местоположения аппарата. Как только он выходит за пределы рабочей точки, нам об этом сигнализируют. Начинаем операции по удержанию аппарата в заданной точке. Мы должны его вернуть в идеальное положение. Такое недавно произошло с 702-м аппаратом. Мы его вернули.
— А 731-й что теперь ждет?
— Находится в резерве. Направлены документы в компанию-разработчик с предложением вывести аппарат из состава группировки ГЛОНАСС. Он на связи. Но не используется по целевому назначению. Три комплекта целевой аппаратуры не функционируют. Аппарат давно вышел за пределы гарантийного срока активного существования.
— Выведенные из группировки аппараты уводят на орбиту захоронения?
— Нет, это не требуется. Мы проводим заключительные операции. Выдаем необходимые команды. Удаляем аппарат из кодовых таблиц. К нему нет ключей. То есть никаких сеансов управления с ним не проводим. Отдаем его в ведение главного центра разведки, который ведет каталог космических объектов. Космическому аппарату присваивается уникальный номер серии «Космос». Специалисты системы контроля космического пространства будут его отслеживать.
Наши аппараты не сходят с орбиты, не сгорают в плотных слоях атмосферы. Высота орбиты — 19 тыс. 100 километров. Это низколетные аппараты дистанционного зондирования Земли, которые работают на орбитах высотой в несколько сот километров, постепенно снижаются и в конце концов сгорают.
— Основу группировки составляют спутники «Глонасс-М». На земле есть запас этих спутников?
— Остался один «Глонасс-М» на хранении. Это наш ближайший горячий резерв. Пока оснований для его запуска нет. Решение будет приниматься командованием Космических войск для замены при оперативной необходимости.
Если аппарат выходит из строя, как я уже говорил, мы его пытаемся восстановить, применяем все возможные и невозможные меры для его восстановления. Согласно документации, рекомендациям главного конструктора и наработанному нами опыту. Если восстановить его не получается, запускаем космический аппарат на замену.
Будущее системы
— На смену «Глонасс-М» идут навигационные спутники следующего поколения «Глонасс-К». Сегодня на орбите два таких аппарата. Они завершили испытания?
— Это 701-й, так называемый 11-й летный, который был запущен 26 февраля 2011 года, и 702-й — 12-й летный, запущенный 1 декабря 2014 года в девятую рабочую точку. Работает по целевому назначению.
Летные испытания 701-го и 702-го аппаратов «Глонасс-К» завершены. Программа летных испытаний выполнена в полном объеме. Все замечания, которые выявлены в ходе испытаний, устранены. Но пока нет решения государственной комиссии. Оно ожидается: либо завершить испытания, либо продолжить, либо устранить какие-то еще замечания.
В перспективе всю орбитальную группировку ГЛОНАСС из 24 спутников планируется заменить на аппараты «Глонасс-К2». Рассчитываем, что это произойдет в 2025–2027 годах. К этому времени будет новый наземный комплекс управления со станциями в Антарктиде, взаимодействующий с измерительными станциями Роскосмоса, расположенными на экваторе.
Сейчас в интересах развития ГЛОНАСС реализуются две опытно-конструкторские работы. Одна касается орбитальной группировки — это разработка космического аппарата нового типа «Глонасс-К2». Вторая — создание нового наземного комплекса управления.
С новыми аппаратами и новым наземным комплексом точность навигационного определения будет в пределах 5–10 сантиметров.
— А сейчас какая?
— 3–3,5 метра.
— Группировка будет расширена?
— Да, появится такая возможность. На аппаратах «Глонасс-М» излучается две радиолокационные частоты, а на «Глонасс-К» и «Глонасс-К2» есть третья частота с кодовым разделением. Как у аппаратов GPS. Третья частота позволит нам использовать по целевому назначению 30 аппаратов.
— Когда ожидается запуск первого аппарата «Глонасс-К2»?
— В первом полугодии 2021 года.
— Отслеживаете появление на орбите иностранных навигационных систем, например китайской «Бэйдоу»?
— Китайская система «Бэйдоу» создавалась вначале как региональная. Аппетит приходит во время еды. Сейчас Китай создает глобальную систему. Китайская система развивается семимильными шагами. У них интенсивные запуски. «Бэйдоу» на подходе. Запустили порядка 20 спутников. То есть в ближайшие два-три года «Бэйдоу» станет глобальной системой.
Европейская система «Галилео» тоже развивается. Но по темпам китайской уступает. «Галилео» пока не глобальная, а региональная навигационная система.
Свои системы развивают Япония и Индия.
Но пока есть только две глобальные навигационные спутниковые системы: GPS и ГЛОНАСС.
— Орбитальное построение ГЛОНАСС лучше, чем у GPS?
— Наше построение орбитальных плоскостей выгоднее. Орбиты спутников ГЛОНАСС не сопряжены с собственным вращением Земли вокруг своей оси. То есть движение наших навигационных спутников по орбитам не синхронизировано с вращением Земли. А высота орбиты американских навигационных спутников 20 тысяч километров. Эта орбита имеет синхронность с вращением Земли, и аппараты у них «уплывают» со своих рабочих точек очень быстро. Соответственно, американцам приходится выводить аппараты из системы, проводить коррекцию, а это означает перерыв в использовании спутников по целевому назначению.
У американцев, кстати, аппараты жестко не привязаны, как у нас, к рабочим точкам. У них каждому аппарату присвоен код с параметрами его местоположения на орбите. Сейчас у них в системе 31 аппарат.
— У американцев больше возможностей контролировать с земли спутники GPS?
— У США наземные станции контроля расположены вдоль экватора. В этом у них есть небольшое географическое преимущество. Но оно несущественно.
— Орбиты ГЛОНАСС обеспечивают навигационное покрытие наших северных территорий?
— Да, наклонение орбиты — 64,8 градуса — оптимально для того, чтобы надежно охватывать навигационными сигналами территорию Российской Федерации, в том числе северные широты, включая Северный морской путь.
Орбитальное построение группировки ГЛОНАСС обеспечивает глобальное покрытие всей земной поверхности. В какой бы точке земной поверхности вы не находились, всегда над вами будет от шести до девяти спутников ГЛОНАСС. Это позволяет с помощью приемного навигационного устройства точно определить свое местоположение.
Наклонение американских спутников GPS — 55 градусов. Они больше ориентированы на охват приэкваториальных территорий. Это сделано с учетом географического положения США.
— В системе управления Вооруженными силами данные используются?
— Мы снабжаем систему управления Вооруженными силами необходимой информацией. Помимо навигации ГЛОНАСС может решать другие прикладные задачи в интересах как военных, так и гражданских потребителей.
Мы передаем данные о состоянии группировки ГЛОНАСС в ЦНИИМАШ, головной институт Роскосмоса, а он уже публикует ежедневно обновляемый бюллетень состояния орбитальной группировки.
Дежурство боевое
— Получается, что ваши специалисты отвечают за то, чтобы каждый космический аппарат ГЛОНАСС находился там, где нужно, и выдавал правильный сигнал?
— Наша задача — управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС, ее эксплуатация, поддержание в работоспособном состоянии. Мы за это отвечаем. Поэтому наши специалисты несут дежурство круглосуточно.
Каждый аппарат находится под тотальным контролем, по всем направлениям. Расчеты осуществляют контроль состояния космических аппаратов, бортовых систем. Следят за тем, чтобы аппарат находился в нужной точке, чтобы не было каких-то динамических процессов, чтобы он излучал «здоровый» навигационный сигнал.
Мы знаем координаты каждого аппарата. Если он начинает смещаться, это сказывается на точности навигационных приборов. Если аппарат сместился на орбите на 100 метров, на земле погрешность в определении местоположения составит более десяти метров. Поэтому все отслеживается, по программе вычисляется и в случае нештатных ситуаций быстро парируется.
Работоспособность наземных средств тоже контролируется. Они расположены по всей территории Российской Федерации — от Калининграда до Камчатки, от Воркуты до Северного Кавказа. Есть несколько информационных каналов связи с ними, в том числе резервные, космическая связь.
Всякое может быть: непогода, землетрясение и т.д. Допустим, если станция на Камчатке не может выполнить запланированный сеанс управления со спутником ГЛОНАСС, то есть станции, которые могут ее подстраховать. Возможно перепланирование сеансов управления, и станция, расположенная, допустим, в Уссурийске, Комсомольске-на-Амуре, Енисейске или Улан-Удэ, оперативно данный сеанс управления может выполнить.
То есть потеря управления исключена. Есть четкое резервирование. Расчеты понимают, когда, что делать и как.
— Боевой расчет несет службу круглосуточно?
— Боевое дежурство организовано с 10 утра до 10 утра следующих суток. Большинство наших специалистов, 95%, выпускники Военно-космической академии имени Можайского. Там обучают управлению космическими аппаратами.
— Служебные перспективы есть у офицеров?
— Могу на своем примере рассказать. Окончил академию лейтенантом в 2006 году. Служил в Енисейске. Старшим лейтенантом в конце 2009 года переведен в Краснознаменск. В 2016 году назначен начальником отдела. То есть за шесть лет вырос от инженера-испытателя, старшего лейтенанта до начальника отдела, подполковника. Должность соответствует по тарифному разряду командиру бригады. В подчинении 43 офицера. Прапорщиков, солдат нет.
Под грифом секретно
Отдел испытаний в Центре управления ГЛОНАСС далеко не единственный. Космическое хозяйство дело хлопотное, высокотехнологичное и высокоинтеллектуальное. За обработку и анализ кодированных спутниковых сигналов отвечает отдел комплексного анализа специальной бортовой аппаратуры космических аппаратов системы ГЛОНАСС. Его начальник подполковник Александр Виничук рассказал о работе подчиненных.
Специалисты этого отдела формируют предложения и предлагают решения в случае нештатной ситуации на борту космического аппарата. Делается это на основе анализа технического состояния всех узлов и систем. Алгоритм такой: выясняется, какая система дала сбой, определяется, на какую резервную систему переходить.
— Оперативным анализом во время сеанса управления работа не заканчивается, — рассказал Александр Виничук. — Она, можно сказать, только начинается. Телеметрическая информация анализируется, изучается более подробно. Это позволяет порой не допустить нештатной ситуации. Проанализировав состояние отдельных систем, можно благодаря накопленному опыту предположить, что может произойти нештатная ситуация. Процентов на 60–70 эти проблемы преодолеваются до того, как наступила нештатная ситуация или произошел отказ.
— Вспышки на Солнце могут повлиять на работу аппаратуры?
— Нет, не влияют. За весь период функционирования ГЛОНАСС подобных случаев не зафиксировано. Исследования даже проводили. В результате пришли к выводу, что нештатные ситуации никак не связаны с внешним воздействием.
По телеметрическим параметрам оценивались точки, над которыми произошла та или иная нештатная ситуация. И ни разу не смогли доказать, что было какое-то внешнее воздействие.
На каждом аппарате установлена система контроля внешней среды, которая подобные воздействия должна фиксировать. Она ничего такого не фиксировала. Аппараты наши хорошо защищены.
Эфемериды — дело тонкое
Для повышения точностных параметров ГЛОНАСС очень важно знать точное положение на орбите космических аппаратов. Эти задачи решает центр системы высокоточного определения эфемерид и временных поправок. Система высокоточного определения эфемерид и временных поправок позволяет прогнозировать параметры движения космических аппаратов в сантиметровом режиме.
Чтобы узнать точное местоположение, нужно точно знать, где находится космический аппарат в космосе. Если мы уточняем местоположение аппарата, мы повышаем точность определения местоположения на земле. Если ошибка в определении местоположения спутника измеряется в метрах, то погрешность в навигации тоже измеряется в метрах.
При этом используются данные не только с наземных измерительных станций, которые находятся на территории Российской Федерации, но и порядка двухсот беззапросных измерительных средств глобальной распределенной сети, расположенной в России и на всем земном шаре.
Расчетная орбита спутников ГЛОНАСС является эталоном для наземного контура управления. Реализуется возможность калибровки навигационной аппаратуры, измерительных средств.
Специалистами центра решается ряд научно-прикладных задач. Так, на полугодовом интервале обработки данных есть возможность следить за движением тектонических плит, ионосферы и тропосферы.
Аппаратно-программные средства системы позволяют в режиме реального времени следить не только за состоянием орбитальной группировки ГЛОНАСС, но и системы GPS. В каждый момент времени в зоне видимости находится 13 аппаратов GPS и 10 аппаратов ГЛОНАСС.
На специальном экране можно наблюдать, какое количество аппаратов ГЛОНАСС находится в данный момент в любой точке земного шара. Для определения местоположения потребителю необходимо минимум четыре космических аппарата. Но чем больше аппаратов в зоне видимости, тем выше точность навигационных определений. Сегодня в зоне видимости имеется минимум 6, максимум 11–12 аппаратов.
Система высокоточного определения эфемерид может следить за точностью определения координат системами GPS и ГЛОНАСС. Точность сопоставима, притом что в ГЛОНАСС используется 23 аппарата, а в GPS — 31.
Дальнейшая перспектива развития спутниковой навигации связана с системой прецизионной навигации Министерства обороны. В постоянном режиме точность определения местоположения планируется довести до трех сантиметров. Проведены автономные испытания, система проходит опытную эксплуатацию. Остались юридические вопросы.
Система предполагает наличие гораздо большего количества измерительных средств. Если в действующей системе используется порядка 200 измерительных станций, то в системе прецизионной навигации Министерства обороны — порядка 400. Используются более точные измерительные средства. Они проводят более точную оценку положения спутников на орбите, используют более совершенные математические модели.
Эфемериды — это координаты центра масс космического аппарата в заданное время. При прохождении каждым космическим аппаратом зоны видимости измерительного пункта снимаются измерения. По этим данным уточняется положение космического аппарата.
Период обращения космического аппарата ГЛОНАСС 11 часов 15 минут. Измерения проводятся на каждом витке. То есть, грубо говоря, в течение суток дважды уточняются координаты каждого аппарата в орбитальной группировке ГЛОНАСС. У спутников своя трасса полета. Повторяемость трассы полета — 17 витков, или 8 суток.
