ГЛОНАСС для космических применений
22 Февраля 2015
Сергей Ревнивых, заместитель руководителя дирекции ГЛОНАСС, директор департамента развития системы ГЛОНАСС ОАО «Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф. Решетнёва»
Пожалуй, нет ни одной отрасли экономики, где бы уже не применялись технологии спутниковой навигации – от всех видов транспорта до сельского хозяйства. И области применений постоянно расширяются. Причём, в большинстве своём, приёмные устройства принимают сигналы как минимум двух глобальных навигационных систем – GPS и ГЛОНАСС.
Состояние вопроса
Так уж получилось, что применение ГЛОНАСС именно в космической отрасли в России не столь велико, как этого можно было бы ожидать, учитывая тот факт, что основным разработчиком системы ГЛОНАСС является Роскосмос. Да, уже многие наши космические аппараты, носители, разгонные блоки имеют в составе бортовой аппаратуры приёмники ГЛОНАСС. Но пока они – либо вспомогательные средства, либо используются в составе полезной нагрузки. До сих пор для проведения траекторных измерений, для определения орбит околоземных космических аппаратов, синхронизации в большинстве случаев используются наземные средства командно-измерительного комплекса, многие из которых давно выработали свой ресурс. Кроме того, измерительные средства располагаются на территории Российской Федерации, что не позволяет обеспечить глобальное покрытие всей траектории космических аппаратов, что сказывается на точности орбиты. Применение навигационных приёмников ГЛОНАСС в составе штатной бортовой аппаратуры траекторных измерений позволит получить точность орбиты низкоорбитальных КА (составляют основную часть орбитальной группировки) на уровне 10 сантиметров в любой точке орбиты в реальном времени. При этом нет необходимости привлекать к проведению траекторных измерений средства командно-измерительного комплекса, тратить средства на обеспечение их работоспособности и содержание личного состава. Достаточно иметь одну-две станции для приёма навигационной информации с борта и передачи её в центр управления полётом для решения задач планирования. Такой подход меняет всю стратегию баллистико-навигационного обеспечения. Но, тем не менее, эта технология уже достаточно хорошо в мире отработана и особой сложности не представляет. Здесь требуется только принятие решения о переходе на такую технологию.
Значительное количество низкоорбитальных космических аппаратов составляют спутники дистанционного зондирования Земли и решения научных задач. С развитием технологий и средств наблюдения, повышения разрешающей способности, повышаются требования к точности привязки получаемой целевой информации к координатам спутника в момент съёмки. В апостериорном режиме для обработки снимков и научных данных во многих случаях точность орбиты требуется знать на уровне сантиметров.
Для специальных космических аппаратов геодезического класса (типа Lageos, Эталон), которые специально созданы в целях решения фундаментальных задач изучения Земли и уточнения моделей движения космических аппаратов, сантиметровые точности орбит уже достигнуты. Но надо иметь в виду, что эти аппараты летают за пределами атмосферы и имеют сферическую форму, чтобы минимизировать неопределённость возмущений солнечного давления. Для траекторных измерений используется глобальная международная сеть лазерных дальномеров, что стоит недёшево, и работа средств сильно зависит от погодных условий.
Космические аппараты ДЗЗ и науки в основном летают на высотах до 2000 км, имеют сложную геометрическую форму, в полной мере испытывают возмущения от атмосферы и солнечного давления. Задействовать лазерные средства международных служб не всегда представляется возможным. Поэтому задача получения орбит таких спутников с сантиметровой точностью является очень непростой. Требуется использование специальных моделей движения и методов обработки информации. За последние 10-15 лет в мировой практике достигнут значительный прогресс для решения таких задач с использованием бортовых высокоточных навигационных приёмников ГНСС (в основном – GPS). Пионером в этой области выступил спутник Topex-Poseidon (совместный проект NASA-CNES, 1992–2005 гг., высота 1 336 км, наклонение 66), точность орбиты которого ещё 20 лет назад была обеспечена на уровне 10 см (2,5 см по радиусу).
В ближайшее десятилетие в Российской Федерации запланировано к запуску достаточно много космических аппаратов ДЗЗ для решения прикладных задач различного назначения. В том числе, для ряда космических систем требуется привязка целевой информации с очень высокой точностью. Это задачи разведки, картографирования, мониторинга ледовой обстановки, чрезвычайных ситуаций, метеорологии, а также рад фундаментальных научных задач в области изучения Земли и мирового океана, построения высокоточной динамической модели геоида, высокоточных динамических моделей ионосферы и атмосферы. Точность положения космического аппарата уже требуется знать на уровне сантиметров на всём витке орбиты. Речь идёт об апостериорной точности.
Это уже непростая задача для космической баллистики. Пожалуй, единственный способ, который может обеспечить решение этой задачи, – использование измерений бортового навигационного приёмника ГНСС и соответствующих средств высокоточной обработки навигационной информации на земле. В большинстве случаев это комбинированный приёмник, работающий по системам GPS и ГЛОНАСС. В ряде случаев могут быть выдвинуты требования применения только системы ГЛОНАСС.
Эксперимент по высокоточному определению орбит с помощью ГЛОНАСС
У нас в стране технология получения высокоточных координат с помощью навигационных приёмников геодезического класса достаточно хорошо отработана для решения геодезических и геодинамических задач на поверхности Земли. Это технология так называемого высокоточного позиционирования (precise point positioning). Особенностью технологии является следующее:
* для обработки измерений навигационного приёмника, координаты которого необходимо уточнить, информация из навигационных кадров сигналов ГНСС не используется. Навигационные сигналы используются только для измерений дальности, преимущественно на основе измерений фазы несущей частоты сигнала;
* в качестве эфемеридно-временной информации навигационных космических аппаратов используются высокоточные орбиты и поправки бортовых часов, которые получены на основе постоянной обработки измерений глобальной сети станций приёма навигационных сигналов ГНСС. В основном сейчас используются решения Международной службы ГНСС (IGS);
* измерения навигационного приёмника, координаты которого требуется определить, обрабатываются совместно с высокоточной эфемеридно-временной информацией с использованием специальных методов обработки.
В результате координаты приёмника (фазового центра антенны приёмника) могут быть получены с точностью единиц сантиметров.
Для решения научных задач, а также для задач землеустройства, кадастра, строительства в России уже в течение нескольких лет такие средства существуют и широко применяются. В то же время, информации о средствах, которые могут решать задачи высокоточного определения орбит низкоорбитальных КА, у автора до настоящего времени не было.
Проведённый несколько месяцев назад инициативный эксперимент показал, что прототипы таких средств у нас есть, и они могут быть использованы для создания штатных отраслевых средств высокоточного баллистико-навигационного обеспечения низкоорбитальных КА.
В результате эксперимента подтверждена возможность использования существующих прототипов для высокоточного определения орбиты низкоорбитальных КА на уровне нескольких сантиметров.
Для эксперимента был выбраны летающий отечественный КА ДЗЗ «Ресурс-П» № 1 (околокруговая солнечно-синхронная орбита со средней высотой 475 км.), оснащённый комбинированным навигационным приёмником ГЛОНАСС/GPS. Для подтверждения результата обработка данных была повторена для геодезических КА системы GRACE (совместный проект NASA и DLR, 2002–2016 гг, высота 500 км, наклонение 90), на борту которых были установлены приёмники GPS. Особенности эксперимента следующие:
* с целью оценки возможностей системы ГЛОНАСС для определения орбиты КА «Ресурс-П» (общий вид представлен на рис. 1) использовались измерения только системы ГЛОНАСС (4 комплекта бортовых навигационных приёмников разработки ОАО «РИРВ»);
* для получения орбиты КА системы GRACE (общий вид представлен на рис. 2) использовались измерения только системы GPS (измерения находятся в свободном доступе);
* в качестве ассистирующей информации использовались высокоточные эфемериды и поправки бортовых часов навигационных спутников систем ГЛОНАСС и GPS, которые получены в ИАЦ КВНО ЦНИИмаш на основе обработки измерений станций глобальной сети IGS (данные находятся в свободном доступе). Оценка точности этих данных службой IGS представлена на рис. 3 и составляет порядка 2,5 см. Расположение глобальной сети станций ГЛОНАСС/GPS службы IGS представлено на рис. 4;
* макетный образец аппаратно-программного комплекса, обеспечивающий высокоточное определение орбиты низкоорбитальных КА (инициативная разработка ЗАО «ГЕО-ЦУП»). Образец также обеспечивает декодировку измерений бортовых приёмников КА «Ресурс-П» с использованием высокоточной эфемеридно-временной информации и учётом особенностей сеансной работы бортовых приёмников. Макетный образец прошёл отработку по измерениям КА системы GRACE.
Рис. 1. Общий вид космического аппарата «Ресурс-П».
Рис. 2. Общий вид КА системы GRACE.
Рис. 3. Оценка точности эфемерид ИАЦ КВНО ЦНИИмаш службой IGS. Точность ассистирующей эфемеридной информации навигационных КА ГЛОНАСС (обозначение – IAC, тёмно-синие точки на графике) составляет 2,5 см.
Рис. 4. Расположение глобальной сети станций ГЛОНАСС/GPS международной службы IGS (источник - http://igscb.jpl.nasa.gov/network/iglos.html).
В результате эксперимента получен беспрецедентный результат для отечественного баллистико-навигационного обеспечения низкоорбитальных космических аппаратов:
* С учётом ассистирующей информации и реальных измерений бортовых навигационных приёмников КА «Ресурс-П» только по измерениям ГЛОНАСС была получена высокоточная орбита этого КА с точностью 8-10 см (см. рис. 5).
* С целью подтверждения результата в ходе эксперимента аналогичные расчёты были проведены для геодезических КА системы GRACE, но уже с использованием измерений GPS (см. рис. 6). Точность орбиты этих КА была получена на уровне 3-5 см, что полностью совпадает с результатами ведущих центров анализа службы IGS
Рис. 5. Точность орбиты КА «Ресурс-П», полученной по измерениям только ГЛОНАСС с использованием ассистирующей информации, оценённая по измерениям четырёх комплектов бортовых навигационных приёмников.
Рис. 6. Точность орбиты КА GRACE-B, полученной по измерениям только GPS с использованием ассистирующей информации.
Система АННКА первого этапа
На основании результатов проведённого эксперимента объективно следуют выводы:
• В России существует значительный задел отечественной разработки для решения задач высокоточного определения орбит низкоорбитальных КА на конкурентоспособном уровне с зарубежными центрами обработки информации. На основе этого задела создание постоянно действующего отраслевого баллистического центра для решения такого рода задач не потребует больших затрат. Этот центр сможет предоставлять всем заинтересованным организациям, которым требуется привязка к координатам информации со спутников ДЗЗ, услуги по высокоточному определению орбит любых спутников ДЗЗ, оснащённых аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС и/или ГЛОНАСС/GPS. В перспективе могут использоваться и измерения китайской системы BeiDou и европейской Galileo.
• Впервые показано, что по измерениям системы ГЛОНАСС при решении высокоточных задач можно обеспечить точность решений практически не хуже, чем по измерениям GPS. Итоговая точность зависит в основном от точности ассистирующей эфемеридной информации и точности знания модели движения низкоорбитальных КА.
• Представление результатов отечественных систем ДЗЗ с высокоточной привязкой к координатам резко повысит её значимость и конкурентоспособность (с учётом роста и рыночной цены) на мировом рынке результатов дистанционного зондирования Земли.
Таким образом, для создания первой очереди системы Ассистирующей Навигации для Низкоорбитальных КА (условное название – система АННКА) в Российской Федерации имеются в наличии (или находятся в стадии создания) все составные части:
* есть собственное базовое специальное программное обеспечение, которое позволяет независимо от операторов ГЛОНАСС и GPS получать высокоточную эфемеридно-временную информацию;
* есть прототип специального программного обеспечения, на основе которого в кратчайшие сроки может быть создан штатный аппаратно-программный комплекс определения орбит низкоорбитальных КА с точностью на уровне сантиметров;
* есть отечественные образцы бортовых навигационных приёмников, которые позволяют решать задачу с такой точностью;
* Роскосмосом создается собственная глобальная сеть станций приёма навигационных сигналов ГНСС.
Архитектура системы АННКА для реализации первого этапа (апостериорный режим) показана на рис. 7.
Функции системы следующие:
* получение измерений от глобальной сети в центр обработки информации системы АННКА;
* формирование высокоточных эфемерид для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС и GPS (в перспективе – для систем BeiDou и Galileo) в центре АННКА;
* получение измерений бортовой аппаратуры спутниковой навигации, установленной на борту низкоорбитального КА ДЗЗ и передача её в центр АННКА;
* расчёт высокоточной орбиты КА ДЗЗ в центре АННКА;
* передача высокоточной орбиты КА ДЗЗ в центр обработки данных наземного специального комплекса системы ДЗЗ.
Система может быть создана в кратчайшие сроки, даже в рамках существующих мероприятий федеральной целевой программы поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС.
Рис. 7. Архитектура системы АННКА на первом этапе (апостериорный режим), обеспечивающей определение орбит низкоорбитальных КА на уровне 3-5 см.
Дальнейшее развитие
Дальнейшее развитие системы АННКА в направлении реализации режима высокоточного определения и прогнозирования орбиты низкоорбитальных КА в реальном времени на борту может коренным образом изменить всю идеологию баллистико-навигационного обеспечения такого рода спутников и полностью отказаться от использования измерений наземных средств командно-измерительного комплекса. Трудно сказать насколько, но эксплуатационные затраты на баллистико-навигационное обеспечение будут сокращены значительно, учитывая оплату работы наземных средств и персонала.
В США в NASA такая система создана более 10 лет назад на базе связной спутниковой системы для обеспечения управления космическими аппаратами TDRSS и созданной ещё ранее глобальной системы высокоточной навигации GDGPS. Система получила название TASS. Она обеспечивает ассистирующей информацией все научные космические аппараты и спутники ДЗЗ на низких орбитах с целью решения на борту задач определения орбит в реальном времени на уровне 10-30 см.
Архитектура системы АННКА на втором этапе, обеспечивающей решение задач определения орбит на борту с точностью 10-30 см в реальном времени, показана на рис. 8:
Функции системы АННКА на втором этапе следующие:
* получение измерений от станций приёма навигационных сигналов ГНСС глобальной сети в реальном времени в центр обработки данных АННКА;
* формирование высокоточных эфемерид для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС и GPS (в перспективе – для систем BeiDou и Galileo) в центре АННКА в реальном времени;
* закладка высокоточных эфемерид на КА-ретранслятор связных систем (постоянно, в реальном времени);
* ретрансляция высокоточных эфемерид (ассистирующей информации) спутниками-ретрансляторами для низкоорбитальных КА ДЗЗ;
* получение высокоточного положения КА ДЗЗ на борту с помощью специальной аппаратуры спутниковой навигации, способной обрабатывать принимаемые навигационные сигналы ГНСС совместно с ассистирующей информацией;
* передача целевой информации с высокоточной привязкой в центр обработки данных наземного специального комплекса ДЗЗ.
Рис. 8. Архитектура системы АННКА на втором этапе (режим реального времени), обеспечивающей определение орбит низкоорбитальных КА на уровне 10-30 см в реальном времени на борту.
Предложения, рекомендации и благодарности
Проведённый анализ существующих возможностей, экспериментальные результаты показывают, что в Российской Федерации имеется хороший задел для создания системы высокоточной ассистирующей навигации низкоорбитальных космических аппаратов, что позволит значительно сократить расходы на управление этими аппаратами и сократить отставание от ведущих космических держав в области высокоточной навигации КА в решении актуальных научных и прикладных задач. Для того чтобы сделать необходимый шаг в эволюции технологии управления низкоорбитальными КА, необходимо только принять соответствующее решение.
Система АННКА первого этапа может быть создана уже в кратчайшие сроки с минимальными затратами.
Для перехода ко второму этапу потребуется реализовать комплекс мероприятий, который должен быть предусмотрен в рамках государственных или федеральных целевых программ:
* создание специальной связной спутниковой системы для обеспечения непрерывного управления околоземными космическими аппаратами, либо на геостационарной орбите, либо на наклонных геосинхронных орбитах;
* модернизация аппаратно-программного комплекса формирования ассистирующей эфемеридной информации в реальном времени;
* завершение создания российской глобальной сети станций приёма навигационных сигналов ГНСС;
* разработка и организация производства бортовых навигационных приёмников, способных обрабатывать навигационные сигналы ГНСС совместно с ассистирующей информацией в реальном времени.
Реализация этих мероприятий – серьёзная, но вполне реализуемая работа. Она может быть выполнена предприятиями ОРКК с учётом уже запланированных мероприятий в рамках Федеральной космической программы и в рамках Федеральной целевой программы поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС с учётом соответствующих корректировок. Оценка затрат на её создание и экономического эффекта – необходимый этап, который должен быть сделан с учётом запланированных проектов создания космических систем комплексов дистанционного зондирования Земли, систем спутниковой связи, космических систем и комплексов научного назначения. Есть абсолютная уверенность, что эти затраты себя оправдают.
В заключение автор выражает искреннюю благодарность ведущим специалистам в области отечественной спутниковой навигации Аркадию Тюлякову, Владимиру Митрикасу, Дмитрию Фёдорову, Ивану Скакуну за организацию эксперимента и предоставление материалов для данной статьи, международной службе IGS и её руководителям – Урсу Хугентоблю и Руфи Нилан – за предоставленную возможность в полном объёме использовать измерения глобальной сети станций приёма навигационных сигналов, а также всем тем, кто помогал и не мешал.
Источник: журнал "Вестник ГЛОНАСС" №3(19)-2014.
Пожалуй, нет ни одной отрасли экономики, где бы уже не применялись технологии спутниковой навигации – от всех видов транспорта до сельского хозяйства. И области применений постоянно расширяются. Причём, в большинстве своём, приёмные устройства принимают сигналы как минимум двух глобальных навигационных систем – GPS и ГЛОНАСС.
Состояние вопроса
Так уж получилось, что применение ГЛОНАСС именно в космической отрасли в России не столь велико, как этого можно было бы ожидать, учитывая тот факт, что основным разработчиком системы ГЛОНАСС является Роскосмос. Да, уже многие наши космические аппараты, носители, разгонные блоки имеют в составе бортовой аппаратуры приёмники ГЛОНАСС. Но пока они – либо вспомогательные средства, либо используются в составе полезной нагрузки. До сих пор для проведения траекторных измерений, для определения орбит околоземных космических аппаратов, синхронизации в большинстве случаев используются наземные средства командно-измерительного комплекса, многие из которых давно выработали свой ресурс. Кроме того, измерительные средства располагаются на территории Российской Федерации, что не позволяет обеспечить глобальное покрытие всей траектории космических аппаратов, что сказывается на точности орбиты. Применение навигационных приёмников ГЛОНАСС в составе штатной бортовой аппаратуры траекторных измерений позволит получить точность орбиты низкоорбитальных КА (составляют основную часть орбитальной группировки) на уровне 10 сантиметров в любой точке орбиты в реальном времени. При этом нет необходимости привлекать к проведению траекторных измерений средства командно-измерительного комплекса, тратить средства на обеспечение их работоспособности и содержание личного состава. Достаточно иметь одну-две станции для приёма навигационной информации с борта и передачи её в центр управления полётом для решения задач планирования. Такой подход меняет всю стратегию баллистико-навигационного обеспечения. Но, тем не менее, эта технология уже достаточно хорошо в мире отработана и особой сложности не представляет. Здесь требуется только принятие решения о переходе на такую технологию.
Значительное количество низкоорбитальных космических аппаратов составляют спутники дистанционного зондирования Земли и решения научных задач. С развитием технологий и средств наблюдения, повышения разрешающей способности, повышаются требования к точности привязки получаемой целевой информации к координатам спутника в момент съёмки. В апостериорном режиме для обработки снимков и научных данных во многих случаях точность орбиты требуется знать на уровне сантиметров.
Для специальных космических аппаратов геодезического класса (типа Lageos, Эталон), которые специально созданы в целях решения фундаментальных задач изучения Земли и уточнения моделей движения космических аппаратов, сантиметровые точности орбит уже достигнуты. Но надо иметь в виду, что эти аппараты летают за пределами атмосферы и имеют сферическую форму, чтобы минимизировать неопределённость возмущений солнечного давления. Для траекторных измерений используется глобальная международная сеть лазерных дальномеров, что стоит недёшево, и работа средств сильно зависит от погодных условий.
Космические аппараты ДЗЗ и науки в основном летают на высотах до 2000 км, имеют сложную геометрическую форму, в полной мере испытывают возмущения от атмосферы и солнечного давления. Задействовать лазерные средства международных служб не всегда представляется возможным. Поэтому задача получения орбит таких спутников с сантиметровой точностью является очень непростой. Требуется использование специальных моделей движения и методов обработки информации. За последние 10-15 лет в мировой практике достигнут значительный прогресс для решения таких задач с использованием бортовых высокоточных навигационных приёмников ГНСС (в основном – GPS). Пионером в этой области выступил спутник Topex-Poseidon (совместный проект NASA-CNES, 1992–2005 гг., высота 1 336 км, наклонение 66), точность орбиты которого ещё 20 лет назад была обеспечена на уровне 10 см (2,5 см по радиусу).
В ближайшее десятилетие в Российской Федерации запланировано к запуску достаточно много космических аппаратов ДЗЗ для решения прикладных задач различного назначения. В том числе, для ряда космических систем требуется привязка целевой информации с очень высокой точностью. Это задачи разведки, картографирования, мониторинга ледовой обстановки, чрезвычайных ситуаций, метеорологии, а также рад фундаментальных научных задач в области изучения Земли и мирового океана, построения высокоточной динамической модели геоида, высокоточных динамических моделей ионосферы и атмосферы. Точность положения космического аппарата уже требуется знать на уровне сантиметров на всём витке орбиты. Речь идёт об апостериорной точности.
Это уже непростая задача для космической баллистики. Пожалуй, единственный способ, который может обеспечить решение этой задачи, – использование измерений бортового навигационного приёмника ГНСС и соответствующих средств высокоточной обработки навигационной информации на земле. В большинстве случаев это комбинированный приёмник, работающий по системам GPS и ГЛОНАСС. В ряде случаев могут быть выдвинуты требования применения только системы ГЛОНАСС.
Эксперимент по высокоточному определению орбит с помощью ГЛОНАСС
У нас в стране технология получения высокоточных координат с помощью навигационных приёмников геодезического класса достаточно хорошо отработана для решения геодезических и геодинамических задач на поверхности Земли. Это технология так называемого высокоточного позиционирования (precise point positioning). Особенностью технологии является следующее:
* для обработки измерений навигационного приёмника, координаты которого необходимо уточнить, информация из навигационных кадров сигналов ГНСС не используется. Навигационные сигналы используются только для измерений дальности, преимущественно на основе измерений фазы несущей частоты сигнала;
* в качестве эфемеридно-временной информации навигационных космических аппаратов используются высокоточные орбиты и поправки бортовых часов, которые получены на основе постоянной обработки измерений глобальной сети станций приёма навигационных сигналов ГНСС. В основном сейчас используются решения Международной службы ГНСС (IGS);
* измерения навигационного приёмника, координаты которого требуется определить, обрабатываются совместно с высокоточной эфемеридно-временной информацией с использованием специальных методов обработки.
В результате координаты приёмника (фазового центра антенны приёмника) могут быть получены с точностью единиц сантиметров.
Для решения научных задач, а также для задач землеустройства, кадастра, строительства в России уже в течение нескольких лет такие средства существуют и широко применяются. В то же время, информации о средствах, которые могут решать задачи высокоточного определения орбит низкоорбитальных КА, у автора до настоящего времени не было.
Проведённый несколько месяцев назад инициативный эксперимент показал, что прототипы таких средств у нас есть, и они могут быть использованы для создания штатных отраслевых средств высокоточного баллистико-навигационного обеспечения низкоорбитальных КА.
В результате эксперимента подтверждена возможность использования существующих прототипов для высокоточного определения орбиты низкоорбитальных КА на уровне нескольких сантиметров.
Для эксперимента был выбраны летающий отечественный КА ДЗЗ «Ресурс-П» № 1 (околокруговая солнечно-синхронная орбита со средней высотой 475 км.), оснащённый комбинированным навигационным приёмником ГЛОНАСС/GPS. Для подтверждения результата обработка данных была повторена для геодезических КА системы GRACE (совместный проект NASA и DLR, 2002–2016 гг, высота 500 км, наклонение 90), на борту которых были установлены приёмники GPS. Особенности эксперимента следующие:
* с целью оценки возможностей системы ГЛОНАСС для определения орбиты КА «Ресурс-П» (общий вид представлен на рис. 1) использовались измерения только системы ГЛОНАСС (4 комплекта бортовых навигационных приёмников разработки ОАО «РИРВ»);
* для получения орбиты КА системы GRACE (общий вид представлен на рис. 2) использовались измерения только системы GPS (измерения находятся в свободном доступе);
* в качестве ассистирующей информации использовались высокоточные эфемериды и поправки бортовых часов навигационных спутников систем ГЛОНАСС и GPS, которые получены в ИАЦ КВНО ЦНИИмаш на основе обработки измерений станций глобальной сети IGS (данные находятся в свободном доступе). Оценка точности этих данных службой IGS представлена на рис. 3 и составляет порядка 2,5 см. Расположение глобальной сети станций ГЛОНАСС/GPS службы IGS представлено на рис. 4;
* макетный образец аппаратно-программного комплекса, обеспечивающий высокоточное определение орбиты низкоорбитальных КА (инициативная разработка ЗАО «ГЕО-ЦУП»). Образец также обеспечивает декодировку измерений бортовых приёмников КА «Ресурс-П» с использованием высокоточной эфемеридно-временной информации и учётом особенностей сеансной работы бортовых приёмников. Макетный образец прошёл отработку по измерениям КА системы GRACE.
Рис. 1. Общий вид космического аппарата «Ресурс-П».
Рис. 2. Общий вид КА системы GRACE.
Рис. 3. Оценка точности эфемерид ИАЦ КВНО ЦНИИмаш службой IGS. Точность ассистирующей эфемеридной информации навигационных КА ГЛОНАСС (обозначение – IAC, тёмно-синие точки на графике) составляет 2,5 см.
Рис. 4. Расположение глобальной сети станций ГЛОНАСС/GPS международной службы IGS (источник - http://igscb.jpl.nasa.gov/network/iglos.html).
В результате эксперимента получен беспрецедентный результат для отечественного баллистико-навигационного обеспечения низкоорбитальных космических аппаратов:
* С учётом ассистирующей информации и реальных измерений бортовых навигационных приёмников КА «Ресурс-П» только по измерениям ГЛОНАСС была получена высокоточная орбита этого КА с точностью 8-10 см (см. рис. 5).
* С целью подтверждения результата в ходе эксперимента аналогичные расчёты были проведены для геодезических КА системы GRACE, но уже с использованием измерений GPS (см. рис. 6). Точность орбиты этих КА была получена на уровне 3-5 см, что полностью совпадает с результатами ведущих центров анализа службы IGS
Рис. 5. Точность орбиты КА «Ресурс-П», полученной по измерениям только ГЛОНАСС с использованием ассистирующей информации, оценённая по измерениям четырёх комплектов бортовых навигационных приёмников.
Рис. 6. Точность орбиты КА GRACE-B, полученной по измерениям только GPS с использованием ассистирующей информации.
Система АННКА первого этапа
На основании результатов проведённого эксперимента объективно следуют выводы:
• В России существует значительный задел отечественной разработки для решения задач высокоточного определения орбит низкоорбитальных КА на конкурентоспособном уровне с зарубежными центрами обработки информации. На основе этого задела создание постоянно действующего отраслевого баллистического центра для решения такого рода задач не потребует больших затрат. Этот центр сможет предоставлять всем заинтересованным организациям, которым требуется привязка к координатам информации со спутников ДЗЗ, услуги по высокоточному определению орбит любых спутников ДЗЗ, оснащённых аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС и/или ГЛОНАСС/GPS. В перспективе могут использоваться и измерения китайской системы BeiDou и европейской Galileo.
• Впервые показано, что по измерениям системы ГЛОНАСС при решении высокоточных задач можно обеспечить точность решений практически не хуже, чем по измерениям GPS. Итоговая точность зависит в основном от точности ассистирующей эфемеридной информации и точности знания модели движения низкоорбитальных КА.
• Представление результатов отечественных систем ДЗЗ с высокоточной привязкой к координатам резко повысит её значимость и конкурентоспособность (с учётом роста и рыночной цены) на мировом рынке результатов дистанционного зондирования Земли.
Таким образом, для создания первой очереди системы Ассистирующей Навигации для Низкоорбитальных КА (условное название – система АННКА) в Российской Федерации имеются в наличии (или находятся в стадии создания) все составные части:
* есть собственное базовое специальное программное обеспечение, которое позволяет независимо от операторов ГЛОНАСС и GPS получать высокоточную эфемеридно-временную информацию;
* есть прототип специального программного обеспечения, на основе которого в кратчайшие сроки может быть создан штатный аппаратно-программный комплекс определения орбит низкоорбитальных КА с точностью на уровне сантиметров;
* есть отечественные образцы бортовых навигационных приёмников, которые позволяют решать задачу с такой точностью;
* Роскосмосом создается собственная глобальная сеть станций приёма навигационных сигналов ГНСС.
Архитектура системы АННКА для реализации первого этапа (апостериорный режим) показана на рис. 7.
Функции системы следующие:
* получение измерений от глобальной сети в центр обработки информации системы АННКА;
* формирование высокоточных эфемерид для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС и GPS (в перспективе – для систем BeiDou и Galileo) в центре АННКА;
* получение измерений бортовой аппаратуры спутниковой навигации, установленной на борту низкоорбитального КА ДЗЗ и передача её в центр АННКА;
* расчёт высокоточной орбиты КА ДЗЗ в центре АННКА;
* передача высокоточной орбиты КА ДЗЗ в центр обработки данных наземного специального комплекса системы ДЗЗ.
Система может быть создана в кратчайшие сроки, даже в рамках существующих мероприятий федеральной целевой программы поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС.
Рис. 7. Архитектура системы АННКА на первом этапе (апостериорный режим), обеспечивающей определение орбит низкоорбитальных КА на уровне 3-5 см.
Дальнейшее развитие
Дальнейшее развитие системы АННКА в направлении реализации режима высокоточного определения и прогнозирования орбиты низкоорбитальных КА в реальном времени на борту может коренным образом изменить всю идеологию баллистико-навигационного обеспечения такого рода спутников и полностью отказаться от использования измерений наземных средств командно-измерительного комплекса. Трудно сказать насколько, но эксплуатационные затраты на баллистико-навигационное обеспечение будут сокращены значительно, учитывая оплату работы наземных средств и персонала.
В США в NASA такая система создана более 10 лет назад на базе связной спутниковой системы для обеспечения управления космическими аппаратами TDRSS и созданной ещё ранее глобальной системы высокоточной навигации GDGPS. Система получила название TASS. Она обеспечивает ассистирующей информацией все научные космические аппараты и спутники ДЗЗ на низких орбитах с целью решения на борту задач определения орбит в реальном времени на уровне 10-30 см.
Архитектура системы АННКА на втором этапе, обеспечивающей решение задач определения орбит на борту с точностью 10-30 см в реальном времени, показана на рис. 8:
Функции системы АННКА на втором этапе следующие:
* получение измерений от станций приёма навигационных сигналов ГНСС глобальной сети в реальном времени в центр обработки данных АННКА;
* формирование высокоточных эфемерид для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС и GPS (в перспективе – для систем BeiDou и Galileo) в центре АННКА в реальном времени;
* закладка высокоточных эфемерид на КА-ретранслятор связных систем (постоянно, в реальном времени);
* ретрансляция высокоточных эфемерид (ассистирующей информации) спутниками-ретрансляторами для низкоорбитальных КА ДЗЗ;
* получение высокоточного положения КА ДЗЗ на борту с помощью специальной аппаратуры спутниковой навигации, способной обрабатывать принимаемые навигационные сигналы ГНСС совместно с ассистирующей информацией;
* передача целевой информации с высокоточной привязкой в центр обработки данных наземного специального комплекса ДЗЗ.
Рис. 8. Архитектура системы АННКА на втором этапе (режим реального времени), обеспечивающей определение орбит низкоорбитальных КА на уровне 10-30 см в реальном времени на борту.
Предложения, рекомендации и благодарности
Проведённый анализ существующих возможностей, экспериментальные результаты показывают, что в Российской Федерации имеется хороший задел для создания системы высокоточной ассистирующей навигации низкоорбитальных космических аппаратов, что позволит значительно сократить расходы на управление этими аппаратами и сократить отставание от ведущих космических держав в области высокоточной навигации КА в решении актуальных научных и прикладных задач. Для того чтобы сделать необходимый шаг в эволюции технологии управления низкоорбитальными КА, необходимо только принять соответствующее решение.
Система АННКА первого этапа может быть создана уже в кратчайшие сроки с минимальными затратами.
Для перехода ко второму этапу потребуется реализовать комплекс мероприятий, который должен быть предусмотрен в рамках государственных или федеральных целевых программ:
* создание специальной связной спутниковой системы для обеспечения непрерывного управления околоземными космическими аппаратами, либо на геостационарной орбите, либо на наклонных геосинхронных орбитах;
* модернизация аппаратно-программного комплекса формирования ассистирующей эфемеридной информации в реальном времени;
* завершение создания российской глобальной сети станций приёма навигационных сигналов ГНСС;
* разработка и организация производства бортовых навигационных приёмников, способных обрабатывать навигационные сигналы ГНСС совместно с ассистирующей информацией в реальном времени.
Реализация этих мероприятий – серьёзная, но вполне реализуемая работа. Она может быть выполнена предприятиями ОРКК с учётом уже запланированных мероприятий в рамках Федеральной космической программы и в рамках Федеральной целевой программы поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС с учётом соответствующих корректировок. Оценка затрат на её создание и экономического эффекта – необходимый этап, который должен быть сделан с учётом запланированных проектов создания космических систем комплексов дистанционного зондирования Земли, систем спутниковой связи, космических систем и комплексов научного назначения. Есть абсолютная уверенность, что эти затраты себя оправдают.
В заключение автор выражает искреннюю благодарность ведущим специалистам в области отечественной спутниковой навигации Аркадию Тюлякову, Владимиру Митрикасу, Дмитрию Фёдорову, Ивану Скакуну за организацию эксперимента и предоставление материалов для данной статьи, международной службе IGS и её руководителям – Урсу Хугентоблю и Руфи Нилан – за предоставленную возможность в полном объёме использовать измерения глобальной сети станций приёма навигационных сигналов, а также всем тем, кто помогал и не мешал.
Источник: журнал "Вестник ГЛОНАСС" №3(19)-2014.
