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.

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.

Слово «спутник» в значении летательного аппарата появилось в нашем языке благодаря Федору Михайловичу Достоевскому, который рассуждал о том, «что станет в пространстве с топором?.. Если куда попадет подальше, то примется, я думаю, летать вокруг Земли, сам не зная зачем, в виде спутника...». Что подвигло писателя на подобные рассуждения, сегодня сказать затруднительно, но спустя столетие — в начале октября 1957 года — вокруг нашей планеты принялся летать совсем даже не топор, а сложнейший по тем временам аппарат, ставший первым искусственным спутником, посланным в космос с совершенно определенными целями. А за ним последовали и другие…

Особенности «поведения»

Сегодня к спутникам — нарушителям спокойной картины ночного неба — все давно привыкли. Созданные на заводах и запущенные на орбиту, они продолжают «кружить» во благо человечества, оставаясь неизменно интересными разве что узкому кругу специалистов. Что же представляют собой искусственные спутники и какую пользу из них извлекает человек?

Как известно, одним из главных условий выхода спутника на орбиту является его скорость — 7,9 км/с для низкоорбитальных спутников. Именно при такой скорости наступает динамическое равновесие и центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Иными словами, спутник летит настолько быстро, что не успевает упасть на земную поверхность, поскольку Земля в прямом смысле слова уходит у него «из-под ног» из-за того, что она круглая. Чем больше начальная скорость, сообщенная спутнику, тем выше будет его орбита. Однако по мере удаления от Земли скорость на круговой орбите падает и геостационарные спутники движутся по своим орбитам со скоростью всего 2,5 км/с. При решении задачи длительного и даже вечного существования космического аппарата (КА) на околоземной орбите необходимо поднимать его на все большую высоту. Стоит заметить, что на движение КА существенным образом влияет и атмосфера Земли: даже будучи сверхразреженной на высотах свыше 100 км от уровня моря (условной границы атмосферы), она заметно тормозит их. Так что со временем все КА теряют высоту полета и срок их пребывания на орбите напрямую зависит от этой высоты.

С Земли спутники видны только ночью и в те моменты времени, когда они освещены Солнцем, то есть не попадают в область земной тени. Необходимость совпадения всех перечисленных факторов приводит к тому, что продолжительность наблюдения большинства низкоорбитальных спутников составляет в среднем по 10 минут перед входом и столько же — после выхода из тени Земли. При желании земные наблюдатели могут систематизировать спутники по яркости (на первом месте здесь находится Международная космическая станция (МКС) — ее яркость приближается к первой звездной величине), по периодичности мерцания (определяемой вынужденным или специально заданным вращением), по направлению движения (через полюс или в ином направлении). На условия наблюдения спутников существенным образом влияют цвет его покрытия, наличие и размах солнечных батарей, а также высота полета — чем она больше, тем медленнее движется спутник и тем существенно менее ярким и заметным он становится.

Большая высота полета (минимальное расстояние до Земли 180— 200 км) скрадывает размер даже таких относительно больших КА, как орбитальные комплексы «Мир» (сведенный с орбиты в 2001 году) или МКС, — все они видны, как светящиеся точки, большей или меньшей яркости. Простым глазом, за редким исключением, опознать спутник невозможно. Для целей точной идентификации КА используют различные оптические средства — от биноклей до телескопов, что простому наблюдателю не всегда доступно, а также расчеты их траекторий движения. Опознать отдельные КА астроному-любителю помогает Интернет, где публикуется информация о местонахождении спутников на околоземной орбите. В частности, любой желающий может войти на сайт NASA, где в режиме реального времени отображается текущее местонахождение МКС.

Что же касается практического применения спутников, то начиная с самых первых запусков они сразу стали решать конкретные задачи. Так, полет первого спутника был использован для исследования из космоса магнитного поля Земли, а его радиосигнал нес в себе данные о температуре внутри герметичного корпуса спутника. Поскольку запуск космического аппарата — удовольствие достаточно дорогое, да к тому же весьма сложное в реализации, то на каждый из запусков возлагается сразу несколько задач.

Прежде всего решаются технологические проблемы: отработка новых конструкций, систем управления, передачи данных и тому подобное. Полученный опыт позволяет создавать следующие экземпляры спутников более совершенными и постепенно переходить к решению усложненных целевых задач, оправдывающих расходы по их созданию. Ведь конечной целью этого производства, как и всякого другого, является извлечение прибыли (коммерческие запуски) или максимально эффективное использование спутников в процессе эксплуатации для целей обороны, решения геополитических и многих других задач.

Следует напомнить, что космонавтика в целом родилась вследствие военно-политического противостояния СССР и США. И, конечно, как только появился первый спутник, оборонные ведомства обеих стран, наладив контроль за космическим пространством, ведут с тех пор постоянный учет всех объектов, находящихся в ближайших окрестностях Земли. Так что, наверное, только им известно точное число КА, так или иначе функционирующих на данный момент. При этом отслеживаются не только сами космические аппараты, но и доставившие их на орбиту последние ступени ракет, переходные отсеки и другие элементы. То есть, строго говоря, спутником считается не только то, что имеет «интеллект» — собственную систему управления, наблюдения и связи, — но и простой болт, отделившийся от КА на очередной фазе полета.

По данным каталога Космического командования США по состоянию на 31 декабря 2003 года, таких спутников на околоземной орбите зарегистрировано 28 140, и число их неуклонно растет (учитываются объекты размером более 10 см). Со временем, в силу естественных причин, часть спутников падает на Землю в виде оплавленных остатков, но многие остаются на орбитах на протяжении десятилетий. Когда КА отрабатывают свой ресурс и перестают подчиняться командам с Земли, продолжая при этом летать, в околоземном космическом пространстве становится не просто тесно, но порой и опасно. Поэтому при запуске на орбиту нового аппарата, во избежание столкновения и катастрофы, необходимо постоянно знать о том, где находится «старый».

Классификация КА является задачей довольно трудоемкой, поскольку каждый аппарат уникален, а круг задач, решаемых новыми КА, постоянно расширяется. Однако если рассматривать космические аппараты с точки зрения практической пользы, то можно выделить основные категории, определяемые их целевым назначением. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются спутники связи, навигационные, дистанционного зондирования Земли и научные. Спутники военного назначения и спутники-разведчики составляют отдельный класс, но по сути своей они решают те же задачи, что и их «мирные» собратья.

Спутники-связисты

Связисты одними из первых получили практическую выгоду от запуска спутников. Выведение на околоземную орбиту спутников-ретрансляторов позволило в кратчайшие сроки решить проблему устойчивой всепогодной связи на большей части обитаемой территории. Первым коммерческим спутником был именно спутник связи — «Эхо-2», запущенный США в 1964 году и позволивший организовать передачу телевизионных программ из Америки в Европу без использования кабельных линий связи.

В это же время свой спутник связи «Молния-1» был создан и в Советском Союзе. После развертывания наземной сети станций «Орбита» все регионы нашей большой страны получили доступ к Центральному телевидению, а кроме того, была решена проблема организации надежной и качественной телефонной связи. Спутники связи «Молния» размещались на высокоэллиптических орбитах с апогеем в 39 000 км. Для целей непрерывного вещания была развернута целая группировка спутников «Молния», летавших в различных орбитальных плоскостях. Наземные станции сети «Орбита» были снабжены довольно большими антеннами, которые с помощью сервоприводов отслеживали движение спутника по орбите, периодически переключаясь на тот, который находится в зоне видимости. С течением времени в процессе совершенствования элементной базы и улучшения технических параметров бортовых и наземных систем произошла смена нескольких поколений таких спутников. Но и по сей день группировки спутников семейства «Молния-3» обеспечивают передачу информации по всей территории России и за ее пределы.

Создание мощных ракет-носителей типа «Протон» и «Дельта» позволило обеспечить доставку спутников связи на геостационарную круговую орбиту. Ее особенность состоит в том, что на высоте 35 800 км угловая скорость вращения спутника вокруг Земли равна угловой скорости вращения самой Земли. Поэтому спутник, находящийся на такой орбите в плоскости земного экватора, как бы висит над одной точкой, а 3 геостационарных спутника, расположенных под углом 120°, обеспечивают обзор всей поверхности Земли, за исключением только приполярных районов. Поскольку задача поддержания своего заданного положения на орбите возлагается на сам спутник, то использование геостационарных космических аппаратов позволило существенно упростить наземные средства приема-передачи информации. Отпала необходимость снабжать антенны приводами — они стали статичными, и для организации канала связи их достаточно выставить лишь однажды, при первоначальной настройке. В итоге наземная сеть пользователей оказалась существенно расширенной, и информация стала поступать непосредственно потребителю. Свидетельство того — множество параболических антенн-тарелок, расположенных на жилых домах как в крупных городах, так и в сельской местности.

Поначалу, когда космос был «доступен» только для СССР и США, каждая из стран заботилась исключительно об удовлетворении собственных потребностей и амбиций, но со временем стало понятно, что спутники нужны всем, и в итоге постепенно начали появляться интернациональные проекты. Один из них — созданная в конце 1970-х годов общедоступная система глобальной связи ИНМАРСАТ. Основным ее назначением было предоставление морским судам устойчивой связи при нахождении в открытом море и координация действий во время спасательных операций. Сейчас мобильная связь через систему спутниковой связи ИНМАРСАТ обеспечивается посредством переносного терминала размером с небольшой кейс. При открытии крышки «чемоданчика» с вмонтированной в нее плоской антенной и наведении этой антенны в предполагаемый район нахождения спутника устанавливается двусторонняя голосовая связь, и обмен данными происходит со скоростью до 64 килобит в секунду. Причем сегодня четыре современных спутника обеспечивают связь уже не только на море, но и на суше, охватывая огромную территорию, простирающуюся от Северного до Южного полярного круга.

Дальнейшая миниатюризация средств связи и использование на космических аппаратах высокоэффективных антенн привели к тому, что спутниковый телефон приобрел «карманный» формат, мало чем отличающийся от обычного сотового.

В 1990-х годах почти одновременно началось развертывание сразу нескольких систем мобильной персональной спутниковой связи. Сначала появились низкоорбитальные — IRIDIUM («Иридиум») и GLOBAL STAR («Глобал Стар»), а затем геостационарная — THURAYA («Турайа»).

Система спутниковой связи «Турайа» имеет в своем составе пока 2 геостационарных спутника, позволяющих поддерживать связь на большей части Африканского континента, на Аравийском полуострове, на Среднем Востоке и в Европе.

Системы «Иридиум» и «Глобал Стар», схожие по своей структуре, используют группировки из большого числа низкоорбитальных спутников. Космические аппараты поочередно пролетают над абонентом, сменяя друг друга, поддерживая тем самым непрерывную связь.

В «Иридиум» входит 66 спутников, вращающихся на круговых орбитах (высота 780 км от поверхности Земли, наклонение 86,4°), размещенных в шести орбитальных плоскостях, по 11 аппаратов в каждой. Эта система обеспечивает 100-процентное покрытие нашей планеты.

«Глобал Стар» включает в себя 48 спутников, летающих в восьми орбитальных плоскостях (высота 1 414 км от поверхности Земли, наклонение 52°), по 6 аппаратов в каждой, обеспечивая 80-процентное покрытие, исключая приполярные районы.

Между двумя этими системами спутниковой связи существует принципиальное отличие. В «Иридиуме» телефонный сигнал, поступивший на спутник с Земли, передается по цепочке на следующий спутник до тех пор, пока не достигнет того, который в данный момент находится в зоне видимости одной из наземных приемных станций (станций сопряжения). Такая схема организации позволяет при минимуме затрат на создание наземной инфраструктуры в кратчайшие сроки после развертывания орбитальной составляющей приступить к ее эксплуатации. В «Глобал Стар» же трансляция сигнала со спутника на спутник не предусмотрена, поэтому этой системе необходима более плотная сеть наземных приемных станций. А так как в ряде районов планеты они отсутствуют, сплошного глобального покрытия не происходит.

Практическая польза от применения персональных средств спутниковой связи сегодня стала очевидной. Так, в процессе восхождения на Эверест в июне 2004 года российские альпинисты имели возможность использовать телефонную связь через «Иридиум», что значительно снижало накал тревоги всех тех, кто следил за судьбой альпинистов во время этого трудного и опасного мероприятия.

ЧП с экипажем корабля «СоюзТМА-1» в мае 2003 года, когда после возвращения на Землю спасатели в течение 3 часов не могли обнаружить космонавтов в казахской степи, также побудило руководителей программы МКС снабдить космонавтов спутниковым телефоном «Иридиум».

Спутники-навигаторы

Еще одним достижением современной космонавтики является приемник системы глобального позиционирования. Создаваться существующие ныне спутниковые системы глобального позиционирования — американская GPS (NAVSTAR) и российская «ГЛОНАСС» — начали еще 40 лет назад, в период «холодной войны», для точного определения координат баллистических ракет. Для этих целей в качестве дополнения к спутникам — регистраторам старта ракет, в космосе была развернута система навигационных спутников, в задачу которых входило сообщение своих точных координат в пространстве. Приняв необходимые данные одновременно с нескольких спутников, навигационный приемник определял и собственное местоположение.

«Затянувшееся» мирное время заставило владельцев систем начать делиться информацией с гражданскими потребителями сначала в воздухе и на воде, а затем и на суше, хотя и оставив за собой право в отдельные «особые» периоды загрублять привязку навигационных параметров. Так системы военного назначения стали гражданскими.

Разнообразные типы и модификации GPS-приемников широко используются на морских и воздушных средствах, в системах мобильной и спутниковой связи. Более того, приемник GPS, как и передатчик системы «Коспас-Сарсат», является обязательным оборудованием для любого плавсредства, выходящего в открытое море. Создаваемый Европейским космическим агентством грузовой космический корабль ATV, который в 2005 году полетит к МКС, свою траекторию сближения со станцией также будет корректировать по данным систем GPS и «ГЛОНАСС».

Обе навигационные спутниковые системы устроены приблизительно одинаково. GPS имеет 24 спутника, размещенных на круговых орбитах по 4 в шести орбитальных плоскостях (высота 20 000 км от поверхности Земли, наклонение 52°), а также 5 запасных аппаратов. В «ГЛОНАСС» тоже 24 спутника, по 8 в трех плоскостях (высота 19 000 км от поверхности Земли, наклонение 65°). Для того чтобы навигационные системы работали с требуемой точностью, на спутниках установлены атомные часы, с Земли регулярно передается информация, уточняющая характер движения каждого из них по орбите, а также условия распространения радиоволн.

Несмотря на кажущуюся сложность и масштабность системы глобального позиционирования, компактный GPSприемник сегодня может приобрести любой желающий. По сигналам со спутников этот прибор позволяет не только определить местоположение человека с точностью до 5—10 метров, но и снабдить его всеми необходимыми данными: географическими координатами с указанием места на карте, текущим мировым временем, скоростью движения, высотой над уровнем моря, положением сторон света, а также целым рядом сервисных функций, являющихся производными от первичной информации.

Достоинства космических навигационных систем настолько неоспоримы, что Объединенная Европа, несмотря на гигантские затраты, планирует создать собственную навигационную систему GALILEO («Галилей»). Систему своих навигационных спутников планирует развернуть и Китай.

Спутники дистанционного зондирования Земли

Применение миниатюрных GPS-приемников позволило существенно усовершенствовать работу еще одной категории космических аппаратов — так называемых спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Если раньше снимки Земли, сделанные из космоса, было достаточно трудно связать с определенными географическими точками, то теперь этот процесс не представляет никаких проблем. А поскольку наша планета постоянно видоизменяется, то ее фотографии из космоса, никогда не повторяющиеся, будут востребованными всегда, предоставляя незаменимую информацию для изучения самых разнообразных аспектов земной жизни.

Спутники ДЗЗ имеют достаточно большую численность, и тем не менее их группировка постоянно пополняется новыми, все более совершенными аппаратами. Современным спутникам дистанционного зондирования, в отличие от тех, которые действовали в 1960—1970-х годах, нет необходимости возвращать на Землю отснятые в космосе фотопленки в специальных капсулах — на них установлены суперлегкие оптические телескопы и миниатюрные фотодетекторы на основе ПЗС-матриц, а также высокоскоростные линии передачи данных с пропускной способностью в сотни мегабит в секунду. В дополнение к оперативности получения данных появляется возможность еще и полной автоматизации обработки полученных изображений на Земле. Оцифрованная информация — это уже не просто изображение, а ценнейшая информация для экологов, лесоводов, землеустроителей и множества других заинтересованных структур.

В частности, спектрозональные фотографии, полученные в весенний период, дают возможность прогнозировать урожай, исходя из запаса влаги в почве, в период вегетации растений — обнаруживать места выращивания наркотических культур и своевременно принимать меры по их уничтожению.

Кроме того, необходимо принимать во внимание существующие ныне коммерческие системы продажи потребителям видеоизображений поверхности Земли (фотографий). Первыми такими системами была сначала группировка американских гражданских спутников LANDSAT, а затем французских — SPOT. При известных ограничениях и в соответствии с определенными расценками потребители во всем мире могут приобретать изображения интересующих их районов Земли с разрешением в 30 и 10 метров. Нынешние же, куда более совершенные спутники гражданского направления — ICONOS-2, QUICK BIRD-2 (США) и EROS-AI (Израиль— США) — после снятия ограничений американским правительством позволяют покупать фотографии земной поверхности с разрешением до 0,5 метра — в панхроматическом режиме и до 1 метра — в многоспектральном.

Вплотную к спутникам ДЗЗ примыкают метеорологические космические аппараты. Развитие их сети на околоземных орбитах существенно повысило надежность прогноза погоды и позволило обходиться без обширных сетей наземных метеостанций. А выходящие сегодня во всем мире выпуски новостей, сопровождаемые анимированными изображениями циклонов, трасс перемещения облачности, тайфунов и других явлений, которые создаются на основе данных метеоспутников, позволяют каждому из нас воочию убедиться в реальности происходящих на Земле природных процессов.

Спутники-«ученые»

По большому счету, каждый из искусственных спутников — это вынесенный за пределы Земли инструмент познания окружающего мира. Научные же спутники можно назвать своеобразными полигонами для проверки новых идей и конструкций и получения уникальной информации, которую никак иначе не добыть.

В середине 1980-х годов NASA была принята программа создания четырех астрономических обсерваторий, размещаемых в космосе. С теми или иными задержками все четыре телескопа были запущены на орбиту. Первым начал свою работу «ХАББЛ» (1990 год), предназначенный для исследования Вселенной в видимом диапазоне длин волн, за ним последовал «КОМПТОН» (1991 год), изучавший космическое пространство с помощью гамма-лучей, третьим был «ЧАНДРА» (1999 год), использовавший рентгеновские лучи, а завершил эту обширную программу «СПИТЦЕР» (2003 год), на долю которого пришелся инфракрасный диапазон. Названия всем четырем обсерваториям были даны в честь выдающихся американских ученых.

«ХАББЛ», работающий на околоземной орбите уже 15-й год, поставляет на Землю уникальные изображения далеких звезд и галактик. За столь продолжительный срок службы телескоп неоднократно ремонтировался во время полетов шаттлов, но после гибели «Колумбии» 1 февраля 2003 года запуски космических «челноков» были приостановлены. Планируется, что «ХАББЛ» пробудет на орбите до 2010 года, после чего, выработав свой ресурс, будет уничтожен. «КОМПТОН», передававший на Землю изображения источников гамма-излучения, прекратил свое существование в 1999 году. «ЧАНДРА» же продолжает исправно поставлять информацию о рентгеновских источниках. Все три этих телескопа предназначались учеными для работы на высокоэллиптических орбитах, дабы уменьшить влияние на них магнитосферы Земли.

Что же касается «СПИТЦЕРА», способного улавливать самое слабое тепловое излучение, исходящее от холодных удаленных объектов, то он в отличие от своих собратьев, вращающихся вокруг нашей планеты, находится на солнечной орбите, постепенно отдаляясь от Земли на 7° в год. Для того чтобы воспринимать крайне слабые тепловые сигналы, исходящие из глубин космоса, «СПИТЦЕР» охлаждает свои сенсоры до температуры, которая превышает абсолютный ноль всего на 3°.

С научной целью в космос запускают не только громоздкие и сложные научные лаборатории, но и маленькие спутники-шарики, снабженные стеклянными окошками и содержащие внутри уголковые отражатели. Параметры траектории полетов таких миниатюрных спутников с высокой степенью точности отслеживаются с помощью наведенного на них лазерного излучения, что позволяет получать информацию о малейших изменениях в состоянии гравитационного поля Земли.

Ближайшие перспективы

Получившее столь бурное развитие в конце XX века космическое машиностроение не останавливается в своем прогрессе ни на один год. Спутники, казавшиеся еще каких-нибудь 5—10 лет назад верхом технической мысли, сменяют на орбите новые поколения космических аппаратов. И хотя эволюция искусственных спутников Земли становится все более скоротечной, вглядываясь в недалекое будущее, можно попытаться увидеть основные перспективы развития беспилотной космонавтики.

Летающие в космосе рентгеновские и оптические телескопы уже подарили ученым немало открытий. Теперь же к запуску готовятся целые орбитальные комплексы, оснащенные этими приборами. Такие системы позволят провести массовое исследование звезд нашей Галактики на предмет наличия у них планет.

Ни для кого не секрет, что современные радиотелескопы земного базирования получают картинки звездного неба с разрешением, на порядки превосходящим достигнутое в оптическом диапазоне. Сегодня для такого рода исследовательских инструментов настала пора выведения в космос. Эти радиотелескопы будут запущены на высокие эллиптические орбиты с максимальным удалением от Земли на 350 тыс. км, что позволит не менее чем в 100 раз улучшить качество получаемых с их помощью изображений радиоизлучения звездного неба.

Недалек тот день, когда в космосе будут построены заводы по производству особо чистых кристаллов. И это касается не только биокристаллических структур, так нужных медицине, но и материалов для полупроводниковой и лазерной промышленности. Вряд ли это будут спутники — здесь скорее понадобятся посещаемые или роботизированные комплексы, а также пристыковываемые к ним транспортные корабли, доставляющие исходные продукты и привозящие на Землю плоды внеземной технологии.

Не за горами и начало колонизации других планет. В таких длительных полетах без создания замкнутой экосистемы никак не обойтись. И биологические спутники (летающие оранжереи), имитирующие дальние космические перелеты, появятся на околоземной орбите в самом недалеком будущем.

Одной из самых фантастических задач, при этом уже сегодня с технической точки зрения абсолютно реальной, является создание космической системы глобальной навигации и наблюдения земной поверхности с точностью до сантиметров. Такая точность позиционирования найдет применение в самых разных областях жизни. В первую очередь в этом нуждаются сейсмологи, надеющиеся, отслеживая малейшие колебания земной коры, научиться предсказывать землетрясения.

На сегодняшний момент наиболее экономичным способом вывода спутников на орбиту являются одноразовые ракеты-носители, причем чем ближе к экватору находится космодром, тем дешевле оказывается запуск и тем больше выводимая в космос полезная нагрузка. И хотя ныне уже созданы и успешно функционируют плавучая, а также самолетная пусковые установки, хорошо развитая инфраструктура вокруг космодрома еще долго будет основой для успешной деятельности землян по освоению околоземного пространства.

Александр Спирин, Мария Побединская

Редакция выражает благодарность Александру Кузнецову за помощь в подготовке материала.

орбитальная группировка;

опытно-конструкторская работа;

ракета космического назначения;

ракетно-космическая техника;

рабочее место оператора;

ракета-носитель;

средняя квадратическая погрешность;

техническое задание;

технико-экономическое обоснование;

федеральная космическая программа;

цифровая модель рельефа;

чрезвычайная ситуация.

Введение

Содержанием исследований, результаты которых приведены в настоящем обзоре, является:

Создание корпоративных космических систем и комплексов должно основываться на современной элементной базе и новейших конструктивных решениях, а номенклатура и качество получаемых данных должны соответствовать мировому уровню.

1 Обзор космических программ ДЗЗ зарубежных стран

1.1 Космическая программа США

1.1.1 Основы космической политики США

Основные идеи новой космической политики:

Основными целями космической политики США являются:

1.1.2 Положение о стратегических намерениях национальной системы геопространственной разведки США

Рисунок 1 - Космический снимок - растровое изображение

Рисунок 2 - Идентификация целей и объектов

Рисунок 3 - Отображение оперативной обстановки в реальном масштабе времени

1.1.3 Космическая военная программа видовой разведки

1.1.4 Коммерческая космическая программа США

Рисунок 4 - Космический аппарат WorldView-1

Рисунок 5 - Космический аппарат GeoEye-1

Следующим логическим шагом развития рынка космических средств ДЗЗ является запуск КА со сверхвысокой разрешающей способностью (до 0.25 м). Ранее изображения с таким разрешением обеспечивали только военные спутники США и СССР.

Пока у основных компаний-конкурентов на рынке ДЗЗ из стран Европы, России, Японии, Израиля и Индии нет планов по созданию спутников ДЗЗ со сверхвысоким разрешением. Поэтому запуски таких аппаратов в США приведут к дальнейшему развитию рынка и укреплению позиций американских компаний - операторов КС ДЗЗ.

1.2 Космические программы Европейских стран

1.2.1 Франция

Космический сегмент системы SPOT в настоящее время состоит из четырех КА (SPOT 2, -4, -5 и -6). Наземный сегмент включает Центр управления и эксплуатации КА, сеть станций приема информации и центров обработки и распространения данных.

Рисунок 6 - КА SPOT 5

1.2.2 Германия

Рисунок 7 - Спутники TerraSAR-X и Tandem-X

Рисунок 8 - Архитектура орбитального сегмента системы SAR-Lupe

1.2.3 Италия

Итальянская программа космических исследований базируется на использовании ракет-носителей США ("Скаут"), Европейской организации по разработке ракет-носителей ("Европа-1") и Европейского космического агентства ("Ариан").

1.2.4 Великобритания

Рисунок 9 - Снимок с разрешением 2.8 м, полученный миниспутником TOPSAT-1

1.2.5 Испания

Испания принимает участие и в создании глобальной европейской системы спутникового наблюдения оборонного назначения.

1.3 Космические программы других стран

1.3.1 Япония

Рисунок 10 - 3D-модель территории штата Гуджарат, построенная по данным Cartosat-1

10 января 2007 года запущен спутник Cartosat-2, с помощью которого Индия вышла на рынок данных метрового разрешения. Cartosat-2 является спутником дистанционного зондирования с панхроматической камерой для картографии. Камера предназначена для фотосъемки пространственным разрешением один метр и шириной полосы захвата 10 км. Космический аппарат имеет солнечно-синхронную полярную орбиту с высотой 630 км.

Индия готова распространять спутниковые изображения метрового разрешения, полученные с помощью Cartosat-2, по ценам ниже рыночных и в перспективе планирует запустить новый космический аппарат с пространственным разрешением до 0,5 метра.

1.3.2 Израиль

1.3.3 Китай

Рисунок 11 – КА CBERS-01

19 сентября 2007 года в Китае запущен третий китайско-бразильский спутник ДЗЗ CBERS-2B. Спутник выведен на утреннюю солнечно-синхронную орбиту высотой 748х769 км, наклонением 98.54 градусов, время пересечения экватора 10:30.

1.3.4 Корея

1.3.5 Канада

Канада в 1990 г. создала Канадское космическое агентство, под руководством которого ведутся работы по ракетно-космической тематике.

Спутник, рассчитанный первоначально на 5 лет работы в космосе, вдвое превысил расчетный срок и продолжает передавать качественные изображения. За 10 лет безупречной работы RADARSAT-1 провел съемку территорий общей площадью 58 млрд. кв. км, что на два порядка превышает площадь поверхности Земли. Надежность системы составила 96%. Самым крупным из 600 потребителей информации RADARSAT-1 является служба ледовой разведки Канады, которая ежегодно получает 3800 радиолокационных изображений с задержкой по времени менее 90 минут после съемки.

Рисунок 12 - RADARSAT в космосе глазами художника

Канадское космическое агентство заключило контракт с компанией MacDonald, Dettwiler and Associates (MDA) на проведение проекта по созданию второго поколения спутников для дистанционного зондирования поверхности Земли с помощью радара Radarsat-2. Спутник Radarsat-2 позволяет получать изображения с разрешением 3 м на пиксель.

1.3.6 Австралия

Австралия активно сотрудничает с рядом стран в области освоения космоса. Австралийские фирмы участвуют также в разработке совместного с Южной Кореей микроспутника для сбора данных об окружающей среде в сельских районах стран Азиатско-Тихоокеанского региона. По сообщению директора центра CRCSS стоимость проекта составит 20-30 млн. дол. Большие перспективы открывает сотрудничество Австралии с Россией.

1.3.7 Другие страны

Недавно Национальное космическое агентство Тайваня NSPO объявило о планах разработки первого космического аппарата силами национальной промышленности. Проект, получивший название Argo, нацелен на создание малого спутника дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с помощью оптической аппаратуры высокого разрешения.

По данным NSPO, в ходе работ по проекту Argo уже разработана космическая платформа, в системе управления которой впервые будет применен новый процессор LEON-3. Все программное обеспечение бортовых систем и наземного центра управления полетом предполагается создать на Тайване. Расчетный срок существования спутника составит 7 лет.

1.4 Космические программы стран СНГ

1.4.1 Белоруссия

Таблица 1. Основные характеристики КА «Канопус-В» и БКА

Размер КА, м×м

Масса КА

Масса полезной нагрузки, кг

Орбита:

высота, км

наклонение, град

период обращения, мин

время пересечения экватора, час

Период повторного наблюдения, сутки

Среднесуточная мощность, Вт

Срок активного существования, лет

Космические аппараты «Канопус-В» и БКА предназначены для решения следующих задач:

- высокооперативного наблюдения.

1.4.2 Украина

Что касается космических аппаратов высокого разрешения лучше 10 м, то их создание также целесообразно вести на кооперативной основе с заинтересованными зарубежными партнерами и владельцами аналогичных систем. При создании перспективных КА особое внимание должно быть уделено повышению информационных возможностей системы. В этом плане в Украине имеется ряд оригинальных разработок.

1.4.3 Казахстан

Представители причастных к реализации казахстанской космической программы научно-исследовательских организаций и производственно-внедренческих структур Казахстана, России и стран дальнего зарубежья считают, что приоритетным на данный момент направлением развития космической деятельности в Казахстане должны стать средства спутниковой связи и системы дистанционного зондирования Земли.

2 Космическая программа России

2.1 Основные положения Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы

Основными задачами Программы являются:

Сроки и этапы реализации Программы – 2006 – 2015 годы.

На первом этапе (в период до 2010 года), в части дистанционного зондирования Земли создаются:

Приоритетными направлениями космической деятельности, способствующими достижению стратегических целей, являются:

Программные мероприятия включают мероприятия, финансируемые за счет бюджетных средств, и мероприятия, выполняемые за счет средств, инвестируемых в космическую деятельность негосударственными заказчиками.

Мероприятия, финансируемые за счет бюджетных средств, включают работы, предусмотренные в следующих разделах:

раздел I – «Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы»;

При реализации Программы будут достигнуты следующие результаты:

б) увеличена периодичность обновления данных гидрометеорологического наблюдения до 3 часов для средневысотных космических аппаратов и до реального масштаба времени для геостационарных космических аппаратов, что обеспечит:

д) создан космический комплекс с малоразмерным космическим аппаратом с повышенной точностью определения координат терпящих бедствие объектов, обеспечены оперативность получения аварийных сообщений до 10 секунд и точность определения местоположения объектов, терпящих бедствие, до 100 м.

Оценка величины экономического эффекта от результатов космической деятельности в социально–экономической и научной сферах показывает, что в результате реализации Программы обобщенный экономический эффект в период 2006 – 2015 годов прогнозируется на уровне 500 млрд. рублей в ценах 2005 года.

2.2 Анализ космических систем ДЗЗ.

Рисунок 13 - Орбитальная группировка КА ДЗЗ на период 2006-2015 годы

По существу, основными космическими средствами ДЗЗ, разработанными в период до 2015 года будут КА «Канопус-В» оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций и КА «Ресурс-П» оперативного оптико-электронного наблюдения.

КА «Канопус-В» №1, запуск которого состоялся 22 июля 2012 года, включает:

Комплекс «Ресурс-П» является продолжением отечественных средств ДЗЗ высокого разрешения, используемых в интересах социально-экономического развития РФ. Он предназначен для решения следующих задач:

- подсистема «Арктика-МС2» из четырех КА для обеспечения подвижной правительственной связи, управления воздушным движением и ретрансляции навигационных сигналов (разработчик ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева»).

2.3 Развитие наземного комплекса приема, обработки, хранения и распространения КИ ДЗЗ

Как отмечено в ФКП-2015 наземная космическая инфраструктура, включающая космодромы, наземные средства управления, пункты приема информации и экспериментальную базу для наземной отработки изделий ракетно-космической техники, нуждается в модернизации и дооснащении новым оборудованием.

Функциональная схема интегрированной спутниковой системы ДЗЗ показана на Рисунке 14.

Рисунок 14 - Интегрированная спутниковая система ДЗЗ

Таким образом, министерства и ведомства-потребители КИ ДЗЗ, с одной стороны, и Федеральное космическое агентство, с другой стороны, заинтересованы в обеспечении координации деятельности всех созданных разными ведомствами и организациями центров и станций НКПОР и налаживании их согласованного функционирования и взаимодействия по единым правилам, удобным для всех звеньев НКПОР и потребителей.

3 Анализ «Концепции развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года»

Важным разделом Концепции являются предложения, обеспечивающие повышение эффективности использования космической информации в России.

Главными проблемами, определяющими эффективность использования космической информации в России являются:

Такой подход перспективен, так как по мере ускорения развития национального рынка геоинформатики появится устойчивый спрос на геопространственные данные, который можно будет восполнять отечественными системами ДЗЗ по мере их появления и развития. Проблемы развития отрасли ДЗЗ не решаются в один день сразу после запуска нового спутника, необходим достаточно длительный этап формирования устойчивого спроса на данные ДЗЗ.

9. Разработать и ввести в эксплуатацию наземные и авиационные средства валидации результатов тематической обработки космической информации.

4 Технико-экономическое обоснование принципов финансирования при создании космических систем ДЗЗ

Заключение

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

3 А.Кучейко. Новая политика США в области коммерческих средств ДЗЗ. Новости космонавтики, №6, 2003 г.

4 В. Чуларис. Национальная политика США в области использования космического пространства. Зарубежное военное обозрение №1, 2007 г.

6 В. Чуларис. Геоинформационное обеспечение ВС США. Зарубежное военное обозрение, №10, 2005 г.

7 Космической разведке США поставлены новые задачи. Наука, 03.02.06

8 США создали на орбите крупнейшую за всю историю группировки спутников видовой разведки. Известия науки. 03.02.2006 г.

9 А. Андронов. Спутники, доступные террористам. «Независимое военное обозрение», 1999 г.

10 В.Иванченко. Иконос Зоркий Глаз. Журнал «КОМПЬЮТЕРРА», 06.09.2000 г.

11 М. Рахманов. Спутниковая разведка: новые тенденции развития. «Издание о высоких технологиях C.NEWS», 2006 г.

12 А. Копик. Запущен новый коммерческий «шпион». «Новости космонавтики», №6, 2003г.

13 М.Рахманов. Спутниковое зондирование: перемены неизбежны. «Издание о высоких технологиях C.NEWS», 2006 г.

16 Ю.Б. Баранов. Рынок данных ДЗЗ в России. Журнал «Пространственные данные», №5, 2005 г.

17 Французская разведка устремляется в космос. Наука, 27.12.04.

18 Радарные снимки: Германия вырывается в лидеры. Наука, 20.03.06.

19 Максим Рахманов «Германия запускает систему космического шпионажа», Наука, CNews, 2003 г.

20 А.Кучейко. Всепогодная система космической разведки и наблюдения: взгляд из Италии. «Новости космонавтики», №5, 2002г.

21 А.Кучейко. Япония создала крупнейшую систему космической разведки. «Новости космонавтики», №4, 2007 г.

22 Японская ракета вывела тяжелый спутник ALOS на орбиту. Наука, 24.01.06.

28 Радарный спутник: Канада не дает России ослепнуть. Наука, 2005 г.

лидирующего положения США, как мирового лидера в разработке и использовании систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основные усилия государственного регулирования отрасли ДЗЗ в США направлены на поощрение развития рыночных

механизмов.

Основополагающим документом в этой области является директива о космической политике по использованию коммерческих систем ДЗЗ, утвержденная президентом США

марта 1994 г., где излагались основы политики США в области доступа иностранных заказчиков к ресурсам американских систем ДЗЗ .

Новая политика направлена на дальнейшее укрепление лидирующего положения в

мире американских компаний и охватывает следующие области деятельности:

− лицензирование деятельности и функционирование КС ДЗЗ;

− использование ресурсов КС ДЗЗ в интересах оборонных, разведывательных и

других государственных ведомств США;

− доступ иностранных заказчиков (государственных и коммерческих) к ресурсам ДЗЗ, экспорт технологий и материалов ДЗЗ;

− межправительственное сотрудничество в области военной и коммерческой космической видовой съемки.

Основная цель политики - усиление и защита национальной безопасности США и интересов страны на международной арене путем укрепления лидирующих позиций в

области КС ДЗЗ и развития национальной промышленности. Задачи, которые преследует политика - стимулирование роста экономики, защита окружающей среды и укрепление

научного и технологического превосходства.

Новая директива затрагивает и область коммерциализации систем зондирования.

На некоммерческой основе, по оценке экспертов, технологии ДЗЗ не только не получат развития, но и отбросят США (как и любую другую страну) далеко назад от ведущих позиций в мире. Космические видовые материалы, по мнению правительства США,

становятся востребованной правительственными ведомствами для их нужд продукцией систем ДЗЗ, получаемой на коммерческой основе. При этом преследуется и одна из

главных целей - освободить Национальное разведывательное сообщество от большого объема запросов на эту продукцию от различных ведомств США. Второй, но не менее важной задачей новой политики правительства в области космоса становится коммерциализация систем ДЗЗ с целью дальнейшего укрепления в мире лидирующего

положения американских компаний - операторов космических систем зондирования. Директива определяет порядок лицензирования деятельности системы ДЗЗ в

интересах МО, разведки и других ведомств, например, Госдепа и т. п. А также она устанавливает определенные ограничения для иностранных заказчиков продукции

систем ДЗЗ и экспорта технологий и материалов для нее и определяет основу межправительственного сотрудничества в области военных и коммерческих видов

Предпринятые шаги правительства США обеспечивают усиление и защиту национальной безопасности, а также создание благоприятных условий для страны на международной арене путем укрепления лидирующего положения Америки в области

ДЗЗ и развития собственной промышленности. С этой целью правительством страны

предоставлены огромные полномочия национальному управлению картографии и видовой информации США - NIMA, входящему как структурное подразделение в состав разведывательного сообщества Штатов. NIMA функционально отвечает за сбор, распределение видовой информации, получаемой от космических систем ДЗЗ, среди

государственных ведомств и иностранных потребителей, получение и распространение

которых производится только с одобрения Госдепартамента США. Министерству торговли и NASA вменено в обязанности координирование запросов на продукцию ДЗЗ в коммерческом секторе по направлениям. При этом предусматривается использование одной и той же видовой информации разными ведомствами, испытывающими интерес к одним и тем же районам съемок.

Гражданские потребности в области ДЗЗ определяют министерства торговли,

внутренних дел и космическое агентство NASA. Они же выделяют соответствующие средства для реализации проектов в этой области. Содействие в реализации

гражданских правительственных программ ДЗЗ оказывает управление NIMA. Эта

организация является головной также в подготовке планов мероприятий по реализации новой космической политики, в разработке которых, кроме NIMA, участвуют министры обороны, торговли, госдеп и директор центральной разведки (по совместительству и директор ЦРУ).

Геоинновационноеагентство «Иннотер»

Характерно, что эти вопросы и решаются законодательно, в виде обсуждения и принятия законов. Учитывается, что такие правительственные средства ДЗЗ, как Landsat,

Terra, Aqua и другие, будут использоваться для решения оборонных и разведывательных задач тогда, когда компании-оператору получение информации с помощью коммерческих систем ДЗЗ становится невыгодно. NIMA создает все необходимые условия промышленности США для получения конкурентного преимущества перед другими

странами. Правительство Штатов гарантирует поддержку развития рынка систем ДЗЗ, оно же оставляет за собой право ограничения продаж видовой продукции в те или иные

страны в интересах соблюдения ведущей роли США в космических средствах ДЗЗ. Директива предусматривает, что ЦРУ и МО должны отслеживать присущими им

методами и способами состояние развития ДЗЗ в других странах с тем, чтобы промышленность США не потеряла ведущего положения в мире на рынках средств ДЗЗ.

Правительство США не запрещает своему МО закупать любые видовые материалы

у коммерческих фирм. Прямая выгода понятна: нет необходимости запуска нового или перенацеливание уже работающего спутника ДЗЗ на интересующий военный район. Да и оперативность становится высочайшей. Это и делает с удовольствием минобороны США,

развивая тем самым коммерческие структуры, занимающиеся разработкой и

применением систем ДЗЗ .

Основные идеи новой космической политики:

− законодательно закрепляется, что ресурсы американских КС ДЗЗ будут в

максимальной степени использоваться для решения оборонных, разведывательных

задач, обеспечения внутренней и международной безопасности и в интересах

гражданских пользователей;

− правительственные системы ДЗЗ (например, Landsat, Terra, Aqua) будут

ориентированы на задачи, которые не могут эффективно решаться операторами КС

ДЗЗ в силу экономических факторов, интересов обеспечения национальной

безопасности или по другим причинам;

− установление и развитие долговременного сотрудничества между

правительственными органами и аэрокосмической промышленностью США, обеспечение оперативного механизма лицензионной деятельности в области функционирования операторов систем ДЗЗ и экспорта технологий и материалов ДЗЗ;

− создание условий, обеспечивающих промышленности США конкурентные преимущества в области предоставления услуг ДЗЗ иностранным

правительственным и коммерческим потребителям.

Геоинновационноеагентство «Иннотер»

Новая политика в области ДЗЗ - первый шаг администрации Буша по пересмотру космической политики США. Очевидно, что принятие документа прошло при активном

лоббировании корпораций аэрокосмической промышленности, которые с удовлетворением восприняли новые правила игры. Предыдущая политика, определенная директивой PDD-23, способствовала появлению и развитию коммерческих средств высокого разрешения. Новый документ гарантирует господдержку развития рынка ДЗЗ, а

также устанавливает, что новые коммерческие проекты промышленность будет разрабатывать с учетом потребностей в видовой продукции, определенных гражданскими

и оборонными ведомствами.

Другой важный аспект - государство становится "международным толкачом"

коммерческой информации ДЗЗ. В структуре продаж видовой информации коммерческих операторов и раньше преобладали оборонные и другие государственные заказчики.

Однако масштабы закупок были, сравнительно, невысокими и рынок космических

материалов ДЗЗ развивался медленно. В последние годы, после появления КС ДЗЗ высокого разрешения (0.5-1 м), ситуация стала меняться. Коммерческие системы высокого и среднего разрешения ныне рассматриваются как важнейшее дополнение

военных космических систем, позволяющее повысить оперативность выполнения заказов

и производительность интегрированной системы в целом, разграничить функции и расширить круг пользователей видовой информации.

В течение последних 5-7 лет видовая съемка с помощью коммерческих КА стала важнейшим источником актуальной и высококачественной видовой информации в силу

ряда причин:

− ресурс военных систем видовой разведки ограничен из-за расширения круга задач и числа потребителей, в результате чего понизилась оперативность решения задач обзорной съемки;

− коммерческая видовая продукция среднего и низкого разрешения стала доступнее,

в силу введения принципов прямого вещания и роста предложения услуг на международном рынке;

− рынок снимков высокого разрешения (до 1 м и лучше) значительно вырос, и увеличилось число операторов коммерческих систем видовой съемки, что привело к усилению конкуренции и снижению стоимости услуг;

− коммерческая видовая продукция не имеет грифа секретности, поэтому подлежит широкому распространению среди низовых звеньев управления Вооруженных сил, командования союзных сил, других ведомств (МИД, МЧС, пограничная служба) и

даже СМИ.

Геоинновационноеагентство «Иннотер»

31 августа 2006 года президент США Джордж Буш одобрил концепцию «Национальная космическая политика США», в которой представлены

основополагающие принципы, цели, задачи и направления деятельности американского военно-политического руководства, федеральных министерств и ведомств, а также коммерческих структур по использованию космического пространства в национальных интересах. Этот документ заменил одноименную президентскую директиву 1996 года.

Выход «национальной космической политики» был обусловлен повышением значимости космических систем в обеспечении национальной безопасности Соединенных Штатов, а

также необходимостью приведения реализуемой космической политики в соответствие с новыми условиями обстановки .

Реализация космических программ объявлена приоритетным направлением деятельности. При этом американское военно-политическое руководство будет

придерживаться ряда основополагающих принципов, приводимых ниже:

− все страны имеют право на свободное использование космоса в мирных целях, позволяющих США осуществлять военную и разведывательную деятельность в национальных интересах;

− отвергаются любые притязания какой-либо страны на единоличное использование космического пространства, небесных тел или их частей, а также ограничение прав США на подобную деятельность;

− Белый дом стремится сотрудничать с ВПР других государств в рамках

использования космического пространства в мирных целях, чтобы расширить предоставляемые в связи с этим возможности и достичь больших результатов в исследовании космоса;

− американские КС должны беспрепятственно работать в космическом пространстве.

Поэтому США будут рассматривать любое вмешательство в функционирование своих КС как посягательство на их права;

− КС, включая наземный и космический компоненты, а также обеспечивающие их функционирование линии связи, считаются жизненно важными для национальных интересов страны.

В связи с этим Соединенные Штаты будут:

− защищать свои права на свободное использование космического пространства;

− разубеждать или удерживать другие страны от действий или разработки средств, позволяющих нарушать эти права;

Метод дистанционного зондирования Земли
Дистанционное зондирование – это получение любыми неконтактными
методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах.
Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы,
которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной
поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра (т.е. посредством
электро-магнитных волн (ЭМВ).
Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в
следующем:
актуальность данных на момент съемки (большинство картографических
материалов безнадежно устарели);
высокая оперативность получения данных;
высокая точность обработки данных за счет применения GPS – технологий;
высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и
радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных
снимках);
экономическая целесообразность (затраты на получение информации
посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);
возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за
счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и,
как следствие, возможность проводить трехмерное моделирование участка
земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Виды съемки для получения данных дистанционного зондирования
Виды зондирования по источнику сигнала:
Виды зондирования по месту размещения аппаратуры:
Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная):
панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) – простейший
пример черно-белая съемка;
цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);
многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных
зонах спектра);
радарная (радиолокационная);
Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная):
Те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке;
Лидарная (лазерная).

Возможность обнаружить и измерить то или иное явление, объект или процесс
определяется разрешающей способностью сенсора.
Виды разрешений:

Характеристики сенсоров аппаратов ДЗЗ
Краткие характеристики космических аппаратов для получения данных
дистанционного зондирования Земли коммерческого использования

Аэрофотокомплекс, интегрированный с GPS-приемником

Примеры аэрофотоснимков различного оптического разрешения
0,6 м
2м
6м

Аэрофотоснимок в оптическом и тепловом (инфракрасном) спектрах
Слева – цветной аэроснимок
нефтебазы, справа – ночной
тепловой снимок той же
территории. Помимо четкого
различения пустых (светлые
кружки)
и
наполненных
емкостей, тепловой снимок
позволяет обнаружить утечки
из
резервуара
(3)
и
трубопровода (1,2). Сенсор
САВР,
съемка
Центра
экологического
и
техногенного мониторинга, г.
Трехгорный.

Радарный космический снимок
Радарные снимки позволяют обнаруживать на поверхности воды нефть и нефтепродукты с
толщиной пленки от 50 мкм. Другое применение радарных снимков – оценка
влагосодержания почв.

10.

Радарный космический снимок
Радарная интерферометрия позволяет обнаруживать с околоземной орбиты деформации
земной поверхности в доли сантиметра. На данном изображении показаны деформации,
возникшие за несколько месяцев разработки нефтяного месторождения Белридж в
Калифорнии. Цветовая шкала показывает вертикальные смещения от 0 (черный-синий) до –
58 мм (красно-коричневый). Обработка выполнена фирмой Atlantis Scientific по снимкам ERS1

11.

Наземный комплекс приема и обработки данных ДЗЗ
(НКПОД) предназначен для приема данных ДЗЗ от
космических аппаратов, их обработки и хранения.
В состав конфигурации НКПОД входят:
антенный комплекс;
приемный комплекс;
комплекс синхронизации, регистрации и структурного
восстановления;
комплекс программного обеспечения.
Для обеспечения максимального радиуса
обзора
антенный
комплекс
должен
устанавливаться так, чтобы горизонт был
открыт от углов места 2 град. и выше в
любом азимутальном направлении.
Для качественного приема существенным
является
отсутствие
радиопомех
в
диапазоне от 8,0 до 8,4 ГГц (передающие
устройства радиорелейных, тропосферных и
других линий связи).

12.

Наземный комплекс приема и обработки данных ДЗЗ (НКПОД)
НКПОД обеспечивает:
формирование заявок на планирование съемки земной поверхности и приема
данных;
распаковку информации с сортировкой по маршрутам и выделением массивов
видеоинформации и служебной информации;
восстановление строчно-линейной структуры видеоинформации, декодирование,
радиометрическую коррекцию, фильтрацию, преобразование динамического
диапазона, формирование обзорного изображения и выполнение других операций
цифровой первичной обработки;
анализ качества полученных изображений с использованием экспертных и
программных методов;
каталогизацию и архивацию информации;
геометрическую коррекцию и геопривязку изображений с использованием данных
о параметрах углового и линейного движения космических аппаратов (КА) и/или
опорных точек на местности;
лицензионный доступ к данным, получаемых со многих зарубежных спутников ДЗЗ.
Программное обеспечение для управления антенным и приемным комплексом
выполняет следующие основные функции:
автоматическую проверку функционирования аппаратной части НКПОД;
расчет расписания сеансов связи, т. е. прохождения спутника через зону видимости
НКПОД;
автоматическую активизацию НКПОД и прием данных в соответствии с
расписанием;
расчет траектории спутника и управление антенным комплексом для
сопровождения спутника;
форматирование принимаемого информационного потока и запись его на жесткий
диск;
индикацию текущего состояния системы и информационного потока;
автоматическое ведение журналов работы.

13.

Основные направления применения спутниковых систем глобального
позиционирования при геоинформационном обеспечении предприятий
нефтегазового сектора:
развитие опорных геодезических сетей всех уровней от глобальных до
съемочных, а также проведение нивелирных работ в целях геодезического
обеспечения деятельности предприятий;
обеспечение добычи полезных ископаемых (открытая разработка, буровые
работы и др.);
геодезическое обеспечение строительства, прокладки трубопроводов,
кабелей, путепроводов, ЛЭП и др. инженерно-прикладных работ;
землеустроительные работы;
спасательно-предупредительные работы (геодезическое обеспечение при
бедствиях и катастрофах);
экологические исследования: координатная привязка разливов нефти, оценка
площадей нефтяных пятен и определение направления их движения;
съемка и картографирование всех видов – топографическая, специальная,
тематическая;
интеграция с ГИС;
применение в диспетчерских службах;
навигация всех видов – воздушная, морская, сухопутная.

14.

Устройство и применение спутниковых систем глобального
позиционирования в нефтегазовой отрасли
Существующие СГСП: GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo, IRNSS
Основные элементы спутниковой системы навигации:

15.

ГЛОНАСС
Основой системы являются 24 спутника (и 2 резервных), движущихся над
поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных
плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км
масса - 1415 кг,
гарантированный
срок
активного
существования - 7 лет,
особенности - 2 сигнала для гражданских
потребителей,
по
сравнению
со
спутниками
предшествующего поколения («Глонасс»)
точность определения местоположения
объектов повышена в 2,5 раза,
мощность СЭП - 1400 Вт,
начало летных испытаний - 10 декабря
2003 года.
отечественная бортовая ЦВМ на базе
микропроцессора с системой команд VAX
11/750
масса - 935 кг,
гарантированный
срок
активного
существования - 10 лет,
новые навигационные сигналы в формате
CDMA, совместимые по формату с системами
GPS/Galileo/Compass
за счёт добавления CDMA сигнала в диапазоне
L3, точность навигационных определений в
формате ГЛОНАСС повысится вдвое по
сравнению со спутниками «Глонасс-М».
полностью российский аппарат, отсутствуют
импортные приборы.

16.

Точность ГЛОНАСС
Согласно данным СДКМ на 22 июля 2011 года ошибки навигационных
определений ГЛОНАСС по долготе и широте составляли 4,46-7,38 м при
использовании в среднем 7-8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же
время ошибки GPS составляли 2,00-8,76 м при использовании в среднем 6-11
КА (в зависимости от точки приёма).
При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки
составляют 2,37-4,65 м при использовании в среднем 14-19 КА (в
зависимости от точки приёма).
Состав группы КНС ГЛОНАСС на 13.10.2011:
Всего в составе ОГ ГЛОНАСС
28 КА
Используются по целевому назначению
21 КА
На этапе ввода в систему
2 КА
Временно выведены на
техобслуживание
4 КА
Орбитальный резерв
1 КА
На этапе вывода из системы
-

17.

Оборудование приема сигналов ГЛОНАСС
Экран прибора-навигатора Glospace с
отображением плана московских улиц в
перспективной проекции и указанием
местоположения наблюдателя
НАП «ГРОТ-М» (НИИКП, 2003 г.)
один из первых образцов

18.

GPS
Основой системы являются 24 спутника (и 6 резервных), движущихся над
поверхностью Земли с частотой 2 оборота в сутки по 6-ти круговым орбитальным
траекториям (по 4 спутника в каждой), высотой примерно 20180 км с наклоном
орбитальных плоскостей 55°
Спутник системы GPS на орбите

19.

Оборудование приема сигналов GPS

20.

Типы оборудования для приема сигнала СГПС
навигатор (точное время; ориентацию по сторонам света; высоту над уровнем
моря; направление на точку с координатами, заданными пользователем; текущую
скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость; текущее положение на
электронной карте местности; текущее положение относительно маршрута);
трекер (GPS/ГЛОНАСС +GSM, передает данные о местоположении и перемещении,
не отображает карту на клиентском оборудовании – только на сервере);
логгер (трекер без GSM-модуля, записывает данные о перемещении).
навигатор
трекер
логгер