Путешествие в космос - Баллистика и навигация космических аппаратов - РАЗДЕЛ III. Введение в теорию спутниковой навигации

Баллистика и навигация космических аппаратов

РАЗДЕЛ III. Введение в теорию спутниковой навигации

Чужие идея не могут принести нам пользы, сока мы не усвоим их.

Бошен

Труднее отвечать ва тот вопрос, который очевиден.

В. Шоу

Появление и широкое использование нового направления навигации подвижных объектов, в том числе и космических средств, получившего название спутниковой навигации, в отличие от традиционных, стало возможным благодаря двум свершениям, во многом определившим научно-технический прогресс XX в.

Речь идет о возникновении практической космонавтики, бегущей начало с момента запуска первого в мире советского ИСЗ, и создании быстродействующих ЭЦВМ, расширивших расчетные возможности человека.

Это действительно так, поскольку измерения доплеровского сдвига частоты передатчика первого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника. Очевидной стала и обратная задача: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ определить координаты пункта наблюдения. Если пункт наблюдения не является неподвижным, задача усложняется, ее решение требует увеличения вычислений, но от этого она не становится неразрешимой. Широкое использование современных ЭЦВМ обеспечило реальную возможность выполнения большого объема вычислительных операций по уточнению координат спутника на момент определения навигационных параметров и расчету на борту потребителя навигационной информации собственных координат в реальном (или близком к нему). масштабе времени. Первые шаги по разработке теории и техники навигационных определений по сигналам ИСЗ были сделаны в период 1955—1959 гг. Определяющую роль в решении этой сложной научно-технической задачи сыграли исследования советских и американских ученых.

Проведенные в СССР исследования позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским разработкам низкоорбитальной спутниковой навигационной системы (СНС), первый спутник которой («Космос-192») был выведен на орбиту 27 ноября 1967 г. Развертывание отечественной СНС первого поколения «Цикада», состоящей из 4 навигационных спутников, выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км с наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора, было завершено к 1979 г. С 1964 г. американскими специалистами эксплуатировалась СНС «Транзит», созданная по заказу ВМС и предназначенная для навигационного обеспечения атомных подводных лодок, оснащенных баллистическими ракетами.Успешное применение СНС первого поколения для решения задач, главным образом, морской навигации послужило стимулом последующего поиска возможностей использования их и для навигации летательных аппаратов различного назначения. Однако вскоре выявились существенные недостатки СНС первого поколения, сводящиеся к следующему. Наличие нескольких навигационных ИСЗ (шести для исходного варианта СНС «Транзит» и четырех — СНС «Цикада»), обращающихся по независимым орбитам, делает возможным проведение только дискретных навигационных сеансов при достаточно большой продолжительности (порядка 5...6 мин) использования в сеансе только, одного спутника и с интервалами между сеансами, исчисляемыми многими десятками мин. Такой режим работы навигационной системы, приемлемый для многих средств ВМС, конечно, не является наилучшим для навигации летательных аппаратов, время движения которых оказывается в ряде случаев соизмеримым с интервалами дискретизации сеансов измерений. Ото приводит к неизбежному снижению точности определения текущего местоположения. Следствием выявленных недостатков СНС первого поколения явилась разработка различных проектов их модернизации, направленных на обеспечение непрерывности измерений и практической мгновенности навигационных определений. В этом смысле заслуживает упоминания один из вариантов модернизированной системы «Транзит», базирующийся на одновременных измерениях, проводимых по двум навигационным спутникам. Его реализация потребовала повышения высот орбит ИСЗ и увеличения их количества в системе. Проведенные расчеты показали, что при размещении на заданных высотах по пять спутников на пяти полярных орбитах и одной экваториальной может быть обеспечена возможность одновременной видимости из любой точки земного шара по крайней мере двух ИСЗ. Это позволяет осуществить непрерывное определение координат как кораблей, так и любых типов летательных аппаратов, и избавиться таким образом от принципиального недостатка СНС первого поколения.

Дальнейшее развитие космических средств и навигационной аппаратуры привело к практическому отказу от системы «Транзит» и созданию в США СНС второго поколения, получившей название «Глобальной системы местоопределения» (ГСМ или GPS в английской транскрипции), более известной как система «Навстар» по наименованию навигационного спутника этой системы, предназначенного для измерения времени и координат.
Спутниковая радионавигационная система (СРНС) GPS была полностью развернута в 1993 г.

Начало летных испытаний высокоорбитальной отечественной СРНС, получившей название ГЛОНАСС, датируется октябрем 1982 г., когда был осуществлен запуск спутника «Кос-мос-1413». Доведение количества спутников r СРНС ГЛОНАСС до штатного состава (24) было завершено в 1995 г.

В чем же состоит принципиальное отличие СНС второго поколения от СНС первого поколения и их модернизаций? Прежде всего это сетевые системы непрерывного действия, т. е. в указанных системах за счет соответствующего баллистического построения достигается зависимое, или координированное, обращение ИСЗ по орбитам, при котором обеспечивается глобальное (всеохватывающее) высокоточное навигационное обеспечение движущегося объекта, будь то корабль, самолет или космический аппарат. Но это уже достигалось отчасти с помощью модернизированных вариантов СНС первого поколения. Другим весьма важным отличительным признаком служит то, что СНС второго поколения обеспечивают определение не только координат, но и трех составляющих вектора скорости движущегося объекта, с которого производят навигационные измерения. Но за повышение информативности навигационных измерений приходится «расплачиваться» еще большим (чем в случае модернизации СНС первого поколения) усложнением системы, увеличением суммарного количества спутников в ней, числа одновременно наблюдаемых ИСЗ.

Требование обеспечения СНС ГЛОНАСС (одновременной в любой момент времени) радиовидимости потребителем, находящимся в любой точке поверхности Земли, не менее четырех спутников при минимальном общем количестве в системе, определило выбор высоты орбиты НС, равной 20 тыс. км. Вообще для гарантированной видимости потребителем так называемого «созвездия» из четырех спутников в таких системах достаточно иметь 18 спутников. Однако их, как правило, увеличивают до 24 с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя за счет предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, гарантирующей наивысшую точность.

Приведенный небольшой технико-исторический экскурс уже дает основание сделать вывод, что спутниковая навигация, хотя и является разделом общей теории навигации как науки, весьма специфична и требует специального изучения. Развитие ее, а тем более практическое применение не сводится к простому переносу созданных и всесторонне апробированных способов астрономической навигации или радионавигации (либо их синтеза) на новую техническую основу. При разработке теории спутниковой навигации пришлось столкнуться с множеством проблем, связанных как с вопросами баллистического обеспечения, так и с вопросами приборного оснащения потребителей навигационной информации.

Здесь уместным будет процитировать Генерального конструктора космических систем навигации и связи академика М. Ф. Решетнева: «Одной из центральных проблем создания СНС, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10... 15 м.

...Второй проблемой создания высокоорбитальной навигационной системы является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников».

Нетрудно убедиться, что подобного рода проблемы, да и некоторые другие, не отмеченные в цитированном выступлении, характерны только для СНС.

Обобщая изложенное, с некоторой долей условности в общей проблеме решения задач спутниковой навигации можно выделить два аспекта:

► баллистический, связанный с синтезом орбитальной структуры, удовлетворяющей сформулированным требованиям, в частности требованию обеспечения баллистической устойчивости, исследованием эволюции системы под действием возмущений в процессе ее функционирования, прогнозированием орбитальных параметров и управлением элементами орбитальных структур и др.;

► сигнально-аппаратурный, определяющий пути и характеризующий возможности технической реализации позиционного метода навигации с использованием НИСЗ выбранной орбитальной структуры при гарантированном достижении требуемой точности навигационных определений.

По понятным причинам в данном учебнике особое внимание уделяется баллистическим аспектам спутниковой навигации. Радионавигационные аспекты решения навигационных задач затрагиваются здесь лишь в силу необходимости достижения целостного изложения обсуждаемого вопроса, что вполне допустимо при наличии весьма квалифицированной специальной литературы, посвященной рассмотрению последнего аспекта проблемы.

<<<Назад Страница 78 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz