CC BY
725
УДК 621.396.98:629.783
СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ
А.И. ЛАЗАРЕВ, Е.Е. НЕЧАЕВ По заказу редакционной коллегии
В статье дан краткий обзор первых систем спутниковой связи и навигации, рассмотрены текущее состояние и перспективы развития современной орбитальной группировки.
Ключевые слова: спутниковые системы связи, спутниковые системы навигации, GPS, ГЛОНАСС.
1. История создания первых искусственных спутников Земли
1.1. Спутник - 1
В середине 50-х годов XX века уровень развития отечественной ракетной техники, создание межконтинентальной ракеты Р-7 выявили возможность достижения необходимой скорости, той, первой космической, о которой мечтал Циолковский.
В отличие от ракеты, искусственный спутник Земли может сообщать сведения с больших высот в течение долгого времени. Многие ученые пришли к выводу: искусственный спутник был ценным дополнением к программе Международного геофизического года, к ракетным методам исследований [1,2].
30 января 1956 г. было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР, которым предусматривалось создать под ракету Р-7 неориентированный ИСЗ (объект Д) весом 1000-1400 кг с аппаратурой для научных исследований весом 200-300 кг. Срок первого пробного пуска объекта Д - 1957 г.
К концу 1956 г. выяснилось, что намеченные планы запуска ИСЗ находятся под угрозой срыва из-за трудностей в создании научной аппаратуры и более низкой (304 с вместо расчетных 309-310 с) удельной тяги двигателей ракеты - носителя. Правительство установило новый срок запуска объекта Д - апрель 1958 г.
Однако в ноябре 1956 г. ОКБ-1 внесло предложение о срочной разработке и запуске так называемого «простейшего спутника» (объект ПС) массой порядка 100 кг в апреле-мае 1957 г. во время летных испытаний Р-7.
Простейший спутник был выполнен как герметичный контейнер сферической формы диаметром 580 мм, состоящий из двух силовых полуоболочек, изготовленный из алюминиевого сплава АМг-6 толщиной 2 мм. Передняя полуоболочка имела меньший радиус и прикрывалась полусферическим внешним экраном (R = 580 мм) толщиной 1 мм для обеспечения «теплоизолирующего» режима. Задняя силовая полуоболочка, отделенная от бортовых систем внутренним экраном, являлась одновременно радиационной поверхностью системы терморегулирования. Герметичный объем заполнялся сухим азотом при давлении 1,3 атм. Четыре антенны (две длиной 2,4 м, две - 2,9 м) монтировались на передней полуоболочке. Специальный пружинный механизм разводил антенны на угол 35° от продольной оси ИСЗ после его отделения от ракеты
- носителя (таким образом, формировалась заданная диаграмма направленности антенн.
Внутри термоконтейнера находились: радиопередатчики мощностью 1 Вт и массой 3,5 кг; блок питания из трех батарей на основе серебряно-цинковых элементов массой 51 кг (срок их непрерывной работы - не менее двух недель); дистанционный переключатель; вентилятор системы терморегулирования; сдвоенное реле системы терморегулирования; контрольное термо-
реле и барореле. Радиопередатчики работали на частотах 20,005 и 40,002 МГ ц (длины волн соответственно 15 и 7,5 м) импульсами длительностью от 0,2 до 0,6 с (настроечное значение 0,4 с), импульсы одного передатчика в паузах другого. При замыкании и размыкании контактов датчиков контроля давления (барореле с настройкой Р=0,35 атм) и температуры (сдвоенное термореле с настройкой Т1=+50°С, Т2=0°С) изменялись частоты сигналов и соотношения между их длительностью и паузами, что обеспечивало «диапазонный» контроль герметичности и температуры внутри ПС.
Общая масса ПС в сборе составляла 83,6 кг.
4 октября в 22 ч 28 мин. 34 с по московскому времени (5 октября в 00:28:34 по местному времени) был осуществлен запуск первого в мире искусственного спутника Земли первой космической ракетой-носителем Р-7.
Параметры орбиты:
- наклонение - 65,1°;
- высота перигея - 228 км;
- высота апогея - 947 км;
- период обращения - 96,17 мин.
Спутник находился на орбите до 4 января 1958 года, совершив 1440 оборотов. Центральный блок ракеты совершил 882 оборота вокруг Земли и вошел в плотные слои атмосферы 2 декабря 1957 года.
1.2. Explorer -1
Запуск Советским Союзом 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли явился ужасным ударом по самомнению Соединенных Штатов, уверовавших - особенно после успешной разработки ядерного и термоядерного оружия - в свое безусловное техническое лидерство.
В отличие от СССР, где в начале - середине 1950-х годов межконтинентальными БР и РН на их основе занималось только ОКБ-1 С.П.Королева, в США ситуация складывалась иначе. Конкурирующие между собой за влияние и ресурсы виды вооруженных сил - в отсутствие внешнего соперника - продвигали собственные «космические» проекты. Главным элементом каждого проекта являлся спутниковый носитель.
История распорядилась так, что первым американским ИСЗ стал Explorer-1, выведенный на орбиту 31 января 1958 г. ракетой-носителем Jupiter С, а основой «Юпитера-С», в свою очередь, послужил Redstone («Редстоун») - прямой потомок «оружия возмездия» III Рейха V-2.
Научная аппаратура ИСЗ была разработана и изготовлена доктором Джеймсом Ван Алленом из Университета штата Айова. Она включала блок обнаружения космических лучей, датчик внутренней температуры, три датчика внешней температуры, датчик температуры носового конуса, микрофон для регистрации ударов микрометеоров и датчик микрометеорной эрозии. Данные с этих приборов передавались на Землю передатчиком мощностью 60 мВт, работающим на частоте 108,03 МГц, и передатчиком 10 мВт на частоте 108,00 МГц. Передающие антенны - две щелевые, непосредственно на корпусе аппарата, и четыре гибких штыря длиной 55,9 см, формирующих турникетную антенну. Вращение спутника вокруг продольной оси позволяло сохранить штыри в разложенном положении.
Никто не мог со 100%-й уверенностью заявить, что спутник на орбите. Лишь через 117 мин. станция в Калифорнии приняла радиосигнал ИСЗ, подтвердив, что первый виток вокруг Земли сделан. Первый американский спутник вышел на орбиту с параметрами:
- перигей - 360 км;
- апогей - 2534 км;
- наклонение - 33,3°;
- период обращения 114,9 мин.
В JPL (Jet Propulsion Laboratory - Лаборатория реактивного движения) спутник в рабочем порядке именовали RTV-7 или Deal 1, но он стал известен миру как Explorer 1.
Общая масса ИСЗ составила 13,9 кг, из которых 8,32 кг приходилось на приборы.
«Мощный» передатчик функционировал около двух недель, прием данных с другого прекратился 23 мая 1958 г. Несмотря на непродолжительный срок активного существования, Explorer 1 позволил получить ряд важных данных о космическом пространстве - в частности, было выявлено наличие у Земли радиационных поясов, впоследствии названных поясами Ван-Аллена. Спутник оставался на орбите до 31 марта 1970 г. [1].
2. История систем спутниковой связи США
Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи.
Первые опыты по связи через специальные ИСЗ начались в 1960 г. 13 мая 1960 г. США вывели в космос для пассивной ретрансляции надувной ИСЗ «Эхо-1» диаметром 30 м. Металлизированная поверхность служила отражателем радиосигналов, посылаемых с одного наземного пункта на другой. Орбита спутника «Эхо-1» имела высоту немногим более 1500 км. Исследования, проведенные с помощью пассивного спутника, позволили углубить знания в области распространения радиоволн в околоземном космосе. Первыми американскими спутниками с активными ретрансляторами были «Телстар», запущенный 10 июля 1962 г., и «Реле», запущенный 13 декабря 1962 г. Оба спутника выводились на низкие околоземные орбиты и стабилизировались вращением вокруг своей продольной оси.
Их передатчики имели мощность всего два ватта. Для приема на Земле требовались антенны большого диаметра. Низкие орбиты не позволяли иметь длительные сеансы связи, а быстрое перемещение по небосводу требовало непрерывного автослежения.
В 1963 г. американцы впервые попытались вывести спутники «Синком» на геостационарную орбиту.
Одним из первых геостационарных спутников, применявшихся для повседневных нужд, стали спутники «Комстар». Их срок службы рассчитан на семь лет. Они ретранслировали сигналы телефонии и телевизионные сигналы в пределах территории США, а также Пуэрто-Рико. Через них можно было одновременно ретранслировать до 6000 телефонных разговоров и до 12 телевизионных каналов. Геометрические размеры спутника «Комстар 1»: высота 5,2 м, диаметр 2,3 м (7,5 фута). Стартовый вес составлял 1410 кг. [3].
2.1. Спутниковая система «Интелсат»
В 1962 г. президентом США Джоном Кеннеди был подписан документ (Communication Satellite Act), в котором закладывались основы регулирования новой индустрии - спутниковой телекоммуникации. Этот закон "открыл ворота" созданию первого коммерческого спутникового оператора. Им и стала International Telecommunications Satellite Organisation, то есть Intelsat. Дата создания Intelsat - 20 августа 1964 г., когда 11 стран подписали соглашение.
Первый спутник Intelsat сначала назывался очень поэтично - Early Bird, то есть "Ранняя Пташка", а затем стал называться проще - Intelsat 1. Этот спутник был создан компанией Hughes Space and Communications, так что дату 6 апреля можно считать днем рождения еще одного гиганта телекоммуникационной индустрии. Весил спутник чуть более 32 кг, он мог одновременно передавать через Атлантический океан 240 телефонных каналов или один телевизионный. "Ранняя Пташка" была рассчитана на 18 месяцев активного существования. Однако отработала она гораздо больше, и когда в 1969 г. возникла необходимость - спутник был активирован и в течение некоторого времени осуществлял межконтинентальную передачу.
В дальнейшем предполагалось запустить еще четыре спутника, два из которых должны были осуществлять трансатлантическую трансляцию, а два - транстихоокеанскую. Первый спутник Intelsat 2 в результате преждевременного срабатывания двигателя разгонного блока отделился от носителя на эллиптической орбите. Таким образом спутник стал непригодным для межконтинентальной трансляции и стал использоваться для связи между США и Гавайскими островами. Второй спутник Intelsat 2 был запущен в январе 1967 г. и стал первым спутником на геостационарной орбите, связавшим два берега Тихого Океана. К концу 1967 г. все четыре спутника Intelsat 2 находились на орбите.
Первого июля 1969 г. начал работу спутник Intelsat 303, осуществляющий трансляцию через Индийский океан. Таким образом, первую в мире глобальную спутниковую систему можно было считать созданной. Из восьми спутников Intelsat 3 пять были удачно выведены на орбиту, один разрушен при запуске и два - не достигли геостационарной орбиты в результате неисправности двигателя разгонного блока.
Помимо создания первой глобальной сети, спутники Intelsat 3 сыграли еще одну значительную роль в развитии спутниковых коммуникаций. Событие было не столь значимое экономически, сколь политически. Именно через один из этих спутников Ричард Никсон разговаривал из Овального Кабинета Белого дома с Нейлом Армстронгом, находящимся в этот момент на поверхности Луны. Именно благодаря спутникам Intelsat это событие увидели миллионы телезрителей во всем мире.
В 1971 г. были запущены первые два спутника серии Intelsat 4. Каждый спутник мог транслировать 4 тысячи телефонных каналов и 2 телевизионных. К середине 1972 г. спутники Intelsat 4 заняли свои орбитальные позиции над всеми тремя океанами. Всего было создано восемь спутников, из которых семь благополучно вышли на орбиту, а один был разрушен при запуске.
Со временем спутники Intelsat 4 не справлялись с сильно возросшим трафиком, поэтому компании Hughes были заказаны спутники серии Intelsat 4A, которые отличались от спутников четвертой серии повышенной пропускной способностью - 6 тысяч телефонных каналов. Всего было создано и запущено шесть спутников этой серии, из которых один в результате аварии ракеты Atlas-Centaur был утерян.
В декабре 1980 г. на орбиту был выведен первый спутник пятого поколения.
Эти спутники могли транслировать 12 тысяч телефонных каналов и два телевизионных, минимальный гарантированный срок службы серии Intelsat 5 - 7 лет. Начиная со спутника Intelsat 510 на орбиту выводились спутники серии Intelsat 5A, в которых количество телефонных каналов возросло до 15 тысяч, а срок службы - до десяти лет.
Для шестой серии спутников Intelsat давний партнер компании Hughes Space & Communications подготовил 376 серию. Эти спутники позволяли осуществлять телефонную связь с использованием аппаратуры цифрового сжатия, что позволило довести число телефонных каналов, передаваемых одним спутником, до 120 тысяч. Плюс к этому можно транслировать три телевизионных канала. Без применения цифровой аппаратуры спутник может передавать до 24 тысяч телефонных каналов. Всего на спутнике установлено 38 транспондеров С-диапазона и 10 транспондеров Ku-диапазона. Минимальный гарантированный срок службы спутников равняется 13 годам.
С начала 90-х гг. развитие спутниковых коммуникаций взяло новый темп. Начали появляться новые операторы и спутниковые системы. Многие страны начали создавать собственные национальные сети спутникового вещания. Многие обозреватели и эксперты в области спутниково-космической индустрии констатировали, что с началом 90-х резко обострилась конкуренция в этой области. Спутники Intelsat 7 и Intelsat 7A были заказаны компании Space Systems/Loral, они были созданы на основе платформы FS 1300 - количество этих спутников на орбите немногим уступало количеству HS-376 и HS-601 компании Hughes. Intelsat 7 может передавать 18 тысяч телефонных каналов (90 тысяч с цифровым сжатием) и три телевизионных. На спутнике Intelsat 7A количество телефонных каналов возросло до 22,5 тысяч аналоговых и
112,5 тысяч цифровых. На спутниках обеих модификаций установлено по 26 С-транспондеров, различие в количестве Ku-транспондеров: на Intelsat 7 их 10, на Intelsat 7A - 14.
Начало 1997 г. было ознаменовано для Intelsat запуском первого спутника из серии Intelsat 8. Спутники этой серии были заказаны компании Lockheed Martin Astra Space, они созданы на базе модели GE 7000. Каждый спутник оборудован 38 транспондерами С-диапазона и 6 - Ku-диапазона. Каждый спутник мог осуществлять передачу 22,5 тысяч телефонных каналов (112,5 тысяч при цифровом сжатии) и трех телевизионных. Срок службы спутника - 18 лет.
2.2. Спутниковая система «Инмарсат»
«Инмарсат» был основан в 1979 г. в целях обеспечения спутниковой связью морского транспорта и как средство связи на случай стихийных бедствий при проведении спасательных операций. С тех пор межправительственная организация «Инмарсат», объединяющая на сегодняшний день 86 стран, расширила рынок пользователей связи. Пользователями «Инмарсат» являются тысячи людей, проживающих или работающих в отдаленных районах с отсутствующей или низкоразвитой инфраструктурой, а также люди, путешествующие по миру. В дополнение к морскому транспорту, сегодняшние типичные пользователи включают в себя журналистов, службы вещания, службы спасения и оказания медицинской помощи, операторов наземного транспорта, авиационные линии, пассажиров авиалайнеров и авиадиспетчеров, правительственных служащих, национальные учреждения скорой помощи и гражданской обороны, глав государств.
В соответствии с назначением и принципами использования система Inmarsat подразделяется на стандарты: Inmarsat-A, Inmarsat-C, Inmarsat-D/D+, Inmarsat-M, Inmarsat-phone mini-M, Inmarsat-M4.
Основные из них:
• Inmarsat-M. Первый в мире стандарт, обеспечивший спутниковую связь с персонального портативного телефона;
• Inmarsat-phone mini-M. Пришел на смену Imarsat-M. Его терминалы относительно малогабаритны (с ноутбук);
• Inmarsat-M4. Стандарт Inmarsat-М4 был введен в эксплуатацию в конце 1999 г. Он обеспечивает работу в Глобальной сети (Global Area Network (GAN)), включая голосовую связь, факс, высокоскоростную передачу данных, ISDN, MPDS, доступ в Интернет/Интранет, электронную почту, видеоконференции.
2.3. Спутниковая система "Глобалстар"
«Глобалстар» является необходимым элементом в профессиональной деятельности людей, занятых в различных сферах бизнеса, когда требуется множество различных услуг связи на удаленных территориях, где не доступна сотовая связь и отсутствуют современные наземные телефонные сети. Режимы: Globalstar/AMPS-800/CDMA-800.
Все услуги связи, предоставляемые российским сегметом спутниковой сети "Глобалстар" с использованием мобильных и стационарных абонентских терминалов, полностью интегрируются с наземными телефонными сетями общего пользования и мобильными сетями для обеспечения связи с любой точкой от южных границ Российской Федерации до 180° в. д. и по Северному морскому пути до 74° с.ш.
Представитель компании Глобалстар в России компания Глобалтел в 2009 г. объявила себя банкротом. В настоящее время система потеряла 60% своих спутников и не устраивает пользователей неустойчивостью и "прерывистым" характером связи.
2.4. Спутниковая система "Иридиум"
Появилась в 1998 г. и стала первой в мире сетью мобильной спутниковой связи. Зона охвата Иридиум составляет 100% нашей планеты, а ее спутниковые телефоны работают в любой стране мира.
Создание системы Иридиум (Iridium) было инициировано компанией Motorola, Inc. (США) и началось в 1989 г.
В июле 1993 г. большая часть компании Iridium, Inc. была выкуплена у Моторолы американскими и иностранными инвесторами. Тем самым проект получил начальные средства, необходимые для его успешной реализации.
Коммерческая эксплуатация сети началась 23 сентября 1998 г., а ее полное развертывание окончательно состоялось в конце того же года. В систему были вложены очень большие капиталы, что естественно отразилось на стоимости оборудования и трафика. Первые пользователи спутниковой системы связи Иридиум платили порядка 3000 USD за спутниковый телефон и от
3,5 до 7 USD за минуту телефонного разговора.
Высокая стоимость оборудования и трафика, невнятная маркетинговая политика и повсеместное распространение сотовой связи не смогли привлечь в систему необходимого притока клиентов. В конце 1999 г. насчитывалось только 50000 абонентов.
Перечисленные факторы и огромные накладные расходы на содержание сети (до 10 миллионов долларов ежемесячно) привели к тому, что в марте 2000 г. компания Iridium LLC объявила о своем банкротстве. Однако благодаря стараниям корпорации Boeing и военного ведомства США в декабре 2000 г. система получила новые денежные средства и под новым именем Iridium Satellite LLC опять начала оказывать услуги мобильной спутниковой связи.
На начало 2009 г. количество абонентов системы Iridium составило 320-330 тысяч пользователей в основном за счет "перетока" клиентов ГлобалСтар, качество связи которого перестало удовлетворять нефтяников Сибири и жителей Якутии, Канады и Аляски.
К 2014 г. Иридиум планирует увеличить клиентскую базу до 550 тысяч пользователей, поскольку севернее 70 параллели и в ныне активно осваеваемой Арктике реально доступную связь предоставляет только Иридиум.
В системе Иридиум функционируют 66 низкоорбитальных спутников, размещенных на шести приполярных орбитах. Разработанный для этой сети механизм межспутниковых связей позволяет передавать сигнала с одного спутника на другой без ретрансляции этого сигнала на Землю. Вся полоса межспутниковой линии разделена на 8 частотных каналов. Пропускная способность в каждом направлении составляет 25 Мбит/с.
Спутники Иридиум находятся на высоте 780 км над поверхностью Земли, ниже всех остальных спутников, используемых другими известными системами мобильной спутниковой связи.
В конце 1970-х гг. начали возникать частные спутниковые сети, целиком обслуживающие одну компанию. Благодаря развитию антенной техники VSAT компании получили возможность устанавливать связь между всеми своими офисами посредством антенн диаметром 3-6 м. Такие сети использовались главным образом для обмена цифровыми данными. С помощью антенн VSAT большего диаметра в 1970-х гг. обеспечивалась телефонная связь с поселками на Аляске. В 1990-х гг. спутники впервые были применены для «сельской» телефонии во всем мире. В некоторых экспериментах спутниковая ретрансляция выполняла функции протяженных телефонных линий, а сотовая - функции местных шлейфов.
3. История систем спутниковой связи СССР
Работы по созданию спутниковых систем связи велись и в нашей стране. Ее огромная территория и слабое развитие связи, особенно в малонаселенных восточных районах, где создание сетей связи с помощью других технических средств (РРЛ, кабельные линии и др.) сопряжено с большими затратами, делало этот новый вид связи весьма перспективным.
3.1. Спутниковая система «Молния»
СССР первым начал применять спутники для повседневных нужд, запустив на орбиты с 12-часовым периодом обращения спутники «Молния». Они обеспечивали трансляцию теле-
и радиопередач на всей протяженности его территории, а также телефонную, телексную и факсимильную связь.
23 апреля 1965 г. состоялся третий по счету и первый успешный запуск первого советского спутника связи «Молния-1».
Система спутников «Молния» разворачивалась на сильно вытянутой эллиптической орбите (с характеристикой приблизительно 40 000 на 500 км) с наклонением около 65° относительно плоскости экватора. Спутники располагались примерно на равных расстояниях друг от друга.
В СССР государственная система спутниковой связи "Молния-1" работала в диапазоне 800...1000 МГц. Однако в соответствии с Регламентом радиосвязи, принятым Международным союзом электросвязи на Всемирной конференции радиосвязи, этот диапазон не предназначался для спутниковой связи, а был отведен для фиксированной подвижной связи, для использования в радиовещательной и радиолокационной службах, а также для воздушной радионавигации.
Перевод государственной системы спутниковой связи в новый диапазон начался в 1971г. С выводом на высокоэллиптическую орбиту спутника "Молния-2" с двухствольным ретранслятором, работающим в диапазоне частот 4/6 ГГц, можно считать началом создания в СССР новой государственной системы спутниковой связи, работающей в наиболее перспективном диапазоне частот.
В середине 1973 г. был введен в эксплуатацию трехствольный ретранслятор на спутнике "Молния-3", имеющий также высокоэллиптическую орбиту. Такие высокие орбиты (в апогее около 40 тыс. км) очень удобны для организации связи на территории нашей страны, так как зона радиовидимости с такого спутника охватывает всю территорию страны и всю северную полярную область Земли. Получить такую же зону радиовидимости со спутников, находящихся на геостационарной орбите в любых точках над экватором, невозможно.
Недостатком системы со спутниками на высокоэллиптических орбитах является необходимость перевода антенн земных станций с одного спутника на другой 4 раза в сутки, из-за чего возникают кратковременные перерывы связи (в среднем до 30 с).
Следующим поколением спутников связи стали спутники на геостационарных орбитах — "Радуга" и "Горизонт" [4].
В дальнейшем получили развитие серии аппаратов Молния-1Т (1983) и Молния-3К (2001).
24 декабря 2006 г. ракетой носителем Союз-2 с использованием разгонного блока Фрегат был выведен первый из серии космических аппаратов двойного назначения «Меридиан», предназначенный для обеспечения связи морских судов и самолетов ледовой разведки в районе Северного морского пути с береговыми наземными станциями, расширения сети спутниковой связи северных районов Сибири и Дальнего Востока.
Система предназначена для замены трех различных систем связи: «Молния-3», «Молния-1», «Парус».
3.2. Спутниковая система "Орбита"
После завершения исследований технических возможностей ИСЗ "Молния-1" было предложено решить проблему подачи ТВ-программ центрального телевидения в восточные районы страны путем создания первой в мире системы спутникового вещания "Орбита" в диапазоне 1 ГГц на базе аппаратуры "Горизонт-К".
В 1965-1967 гг. в восточных районах нашей страны было одновременно сооружено и введено в действие 20 земных станций (ЗС) "Орбита" и новая центральная передающая станция "Резерв". Система "Орбита" стала первой в мире циркулярной, телевизионной, распределительной спутниковой системой, в которой наиболее эффективно использованы возможности спутниковой связи.
Диапазон, в котором работала новая система "Орбита" 800-1000 МГц, не соответствовал тому, который был распределен в соответствии с Регламентом радиосвязи для фиксированной спутниковой службы. Станция, функционирующая в новом диапазоне частот, получила название "Орбита-2". Для нее был создан полный комплекс аппаратуры для работы в международ-
ном диапазоне частот на участке Земля-Космос в диапазоне 6 ГГ ц, на участке Космос-Земля - в диапазоне 4 ГГц. В качестве антенны на ЗС использовались те же параболические зеркала диаметром 12 м, но к ним был разработан приемо-передающий рупорный облучатель с поляризационным селектором и широкополосные волноводные тракты, отдельные для приема и передачи. Это позволяло переводить эти станции в дальнейшем в дуплексный режим работы. Была разработана система наведения и автосопровождения антенн с программным устройством.
Станции "Орбита-2" начали внедряться с 1972 г., а к концу 1986 г. их было построено около 100.
3.3. Спутниковая система ТВ-вещания "Экран"
Широкое развитие системы "Орбита", как средства подачи ТВ программ, в конце 70-х годов стало экономически неоправданным из-за большой стоимости ЗС, делающей нецелесообразной ее установку в пункте с населением менее 100-200 тыс. чел. Более эффективной оказалась система "Экран", работающая в диапазоне частот ниже 1 ГГц и имеющая большую мощность передатчика бортового ретранслятора. Целью создания этой системы был охват ТВ-вещанием малонаселенных пунктов в районах Сибири, Крайнего Севера и части Дальнего Востока. Для ее реализации были выделены частоты 714 и 754 МГц, на которых было возможно создать достаточно простые и дешевые приемные устройства. Система "Экран" стала фактически первой в мире системой непосредственного спутникового вещания.
Первый спутник системы "Экран" был запущен 26 октября 1976 г. на геостационарную орбиту в точку 99° в.д. Несколько позднее в Красноярске были выпущены станции коллективного приема "Экран-КР-1" и "Экран-КР-10" с мощностью выходного телевизионного передатчика 1 и
10 Вт. Земная станция, передающая сигналы на ИСЗ "Экран", имела антенну с диаметром зеркала 12 м, она была оборудована передатчиком "Градиент" мощностью 5 кВт, работающим в диапазоне 6 ГГц. К концу 1987 г. число установленных станций "Экран" достигло 4500.
3.4. Спутниковая система "Горизонт"
С 1975 годов в СССР стали использовать спутники «Горизонт» с геостационарной орбитой. Они предназначены для передачи данных, обеспечения телевидения, телефонии, радиовещания, видеоконференцсвязи.
Первые спутники системы были расположены в точке стояния над экватором 14° з. д.; 35° и 80° в. д. На каждом из них было по шесть стволов, работающих в диапазоне 4/6 ГГц, и один ствол в диапазоне 11/14 ГГц, ширина полосы частот каждого ствола 36...40 МГц. Спутники «Г оризонт» имели мощность ретранслятора 40 Вт и коэффициент усиления передающей антенны ИСЗ — 30 дБ. В дальнейшем на спутнике "Горизонт" был введен ствол ретранслятора, работающий в диапазоне 1,5/1,6 ГГц, для организации связи с подвижными объектами или малыми станциями, а также между ними.
3.5. Спутниковая система "Интерспутник"
В 1967 г. началось развитие международного сотрудничества социалистических стран в области спутниковой связи. Целью его было создание международной спутниковой системы "Интерспутник", предназначенной для удовлетворения потребностей Болгарии, Венгрии, Германии, Монголии, Польши, Румынии, СССР и Чехословакии в телефонной связи, передаче данных и обмене ТВ программами. В 1969 г. были разработаны аванпроект этой системы, юридические основы организации "Интерспутник", а в 1971 г. подписано соглашение о ее создании.
После системы "Интелсат", система "Интерспутник" стала второй в мире международной системой спутниковой связи.
Вначале в "Интерспутнике" использовался ИСЗ типа "Молния-3" на высокоэллиптической орбите, а с 1978 г. - два многоствольных геостационарных спутника типа "Горизонт". На ЗС первоначально был установлен передатчик "Градиент-К" и приемный комплекс "Орбита-2". Позднее стали применяться передатчики "Геликон" мощностью 3 кВт и приемники "Широта", а в качестве МШУ
- усилители "Электроника 4/60". Была установлена каналообразующая аппаратура "Градиент-Н, (типа ОКН, с ЧМ каждой несущей аналоговым сигналом), а позже начали применять более совершенную аппаратуру МДВУ-40 и "Интерчат" (разработанную совместно с венгерским институтом ТКИ). Был составлен регламент, который определял технические требования к ЗС, отношения между техническими службами, дирекцией и службами администраций связи [5].
4. Спутниковые системы навигации
В 1958 - 1959 гг. в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии (ЛВВИА) им. А.Ф. Можайского, Институте теоретической астрономии АН СССР, Институте электромеханики АН СССР, двух морских НИИ и Горьковском НИРФИ проводились исследования по теме "Спутник", ставшие впоследствии основой для построения первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой системы "Цикада". И в 1963 г. начались работы по построению этой системы. В 1967 г. на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник "Космос-192". Характерной чертой радионавигационных спутниковых систем первого поколения является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника. В дальнейшем спутники системы "Цикада" были оборудованы приёмной аппаратурой обнаружения терпящих бедствия объектов.
Параллельно с этим, после успешного запуска СССР первого искусственного спутника земли, в США в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Гопкинса проводятся работы, связанные с возможностью измерения параметров сигнала, излучаемого спутником.
На основе этих исследований в 1964 г. в США создаётся доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения "Transit". Основное её назначение - навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 г. Так же, как и в системе "Цикада", в системе "Transit" координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников. ИСЗ систем имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли ~ 1100 км, период обращения спутников "Transit" равен 107 минутам. Точность вычисления координат источника в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости источника. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 м, то это, в свою очередь, приведёт к ошибке определения координат ~ 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м.
В 1967 г. ВМС США была разработана программа, по которой был осуществлён запуск спутника TIMATION-I, а в 1969 г. - спутника TIMATION-II. На борту этих спутников использовались кварцевые генераторы. В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использованию широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных спутников. Позднее, в 1973 г. две программы были объединены в одну общую под названием "Navstar-GPS". К 1996 г. развёртывание системы было завершено.
В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы Глонасс начались в 1982 г. запуском спутника "Космос-1413" [6].
4.1. NAVSTAR GPS
NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System) — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS, позволяет в любом месте
Земли (включая приполярные области), при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.
Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника, то есть для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Для определения координат используются сигналы как минимум с четырёх спутников.
Основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20180 км. Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц. Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника.
Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код - модуляция BPSK(1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2, начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа - SA) с мая 2000 г. отключено. С 2007 г. США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2 модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M, введен в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция B0C(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война).
24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хорошую точность. Поэтому для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 г.).
Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever (штат Колорадо) и с помощью 10 станций слежения, из них три станции способны посылать на спутники корректирующие данные в виде радиосигналов с частотой 2000 - 4000 МГ ц. Спутники последнего поколения распределяют полученные данные среди других спутников.
4.2. ГЛОНАСС
Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 г.
24 сентября 1993 г. система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 г. спутниковая группировка была развернута до штатного состава - 24 спутника.
Вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока службы, число работающих спутников сократилось к 2001 г. до 6.
В августе 2001 г. была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 г., а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 г. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007 - 2009 гг. произвести шесть запусков и вывести на орбиту 18 спутников - таким образом, к концу 2009 г. группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата.
В конце марта 2008 г. были несколько скорректированы сроки развёртывания космического сегмента ГЛОНАСС. Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 г.; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, из которых некоторые успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 г. план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли шесть аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 г. включала лишь шестнадцать работающих спутников, а 25 декабря 2008 г. их количество было доведено до 18.
5. Состояние российской орбитальной группировки
По состоянию на 31 января 2010 г. в состав российской орбитальной группировки (ОГ) входят более 110 космических аппаратов: 40 - гражданского назначения, 24 -двойного, а остальные КА используются в интересах Министерства обороны РФ. Для сравнения: год назад, по состоянию на 31 января 2009 г. в российскую ОГ входили 105 КА: 35 гражданских, 22 двойного и 48 КА военного назначения.
5.1. Космическая связь
В течение 2009 г. группировка геостационарных спутников связи и телевещания, принадлежащая ФГУП «Космическая связь» (КС), лишилась трех старых и пополнилась двумя новыми современными аппаратами.
Первым вышел из строя «Горизонт» № 40, стоявший в точке 117° в. д. Он был запущен 28 октября 1993 г. и многократно выработал свой ресурс. С октября 2008 года аппарат начал дрейфовать вдоль стационарной орбиты и весной 2009 г. был выведен из состава ОГ. Теперь у ГПКС остался один лишь «Горизонт» № 44. КА стабилизирован по долготе в точке 14° з. д., но наклонение его орбиты уже достигло 10°. В январе 2010 г. спутник выполнил очередной маневр с целью удержания в точке.
15 июня 2009 г. в связи с полной выработкой рабочего тела двигательной установки ориентации и стабилизации «Экспресс-АЗ» был выведен из эксплуатации и уведен на орбиту захоронения. Аппарат был запущен 24 июня 2000 г. и находился в точке 11° з. д. Организованные через него спутниковые каналы были переведены на«Экспресс-АМ44».
Третьим потерянным аппаратом стал последний спутник непосредственного телевещания «Экран-М» №18. Он был выведен на орбиту 7 апреля 2001 г. и работал в точке стояния 99° в. д., транслируя на частоте 714 МГц телепрограмму «Орбита-3» (дубль Первого канала) и радиопрограмму «Маяк» на вещательную зону В (Сибирь). Находясь далеко за пределами гарантийного срока, аппарат не обеспечивал надлежащих параметров основных эксплуатационных характеристик (стабильность удержания на орбите и выходная мощность ретрансляторов). 1 февраля 2009 г. последний «Экран-М» прекратил работу и начал дрейфовать на запад. 7 апреля, когда он уже находился над точкой 95° в. д., аппарат был уведен на орбиту захоронения.
11 февраля 2009 г. одним пуском РН «Протон-М» на орбиту были выведены «Экс-пресс-АМ44» (в точку 11°з.д.) и «Экспресс-МД1» (80° в. д.).
Оба аппарата успешно прошли летные испытания и были введены в эксплуатацию в мае 2009 г. В 2010 г. пополнение группировки КС не предусмотрено.
В ведении ОАО «Г азпром космические системы» (ГКС) по-прежнему находятся три спутника «Ямал». Пополнение группировки ГКС в 2010 г. тоже не планируется.
В составе системы связи «Гонец» за прошедший год изменений не произошло. В группировке по-прежнему числятся девять КА: восемь «Гонец-Д1» и один модернизированный «Го-нец-М». В системе работают только шесть КА «Гонец-Д1», а два аппарата выведены из эксплуатации и находятся на ресурсных испытаниях. Первый «Гонец-М» (№11 Л) не был принят в эксплуатацию и числится в резерве. В 2010 г. предполагается запустить «Гонец-М» №12Л совместно с двумя военными КА. Аппараты будут выведены на орбиту из Плесецка.
5.2. Текущее состояние ГЛОНАСС
В 2009 г. из эксплуатации был выведен один космический аппарат «Глонасс» - «Космос-2403»(11Ф654 №795; последний спутник старого типа), а 14 декабря 2009 г. запущены три новых «Глонасса-М» («Космос-2456/ -2457/-245S»).
По состоянию на 31 января 2010 г. в группировке ГЛОНАСС состоят 22 КА. Из них в системе работают 19 спутников, один аппарат временно выведен на техобслуживание, а два КА находятся на этапе вывода из системы.
В 2010 г. предполагается резко нарастить группировку навигационных спутников. Тремя пусками «Протонов» на орбиту будут выведены девять аппаратов, в том числе восемь «Гло-насс-М» и один «Глонасс-К». К концу текущего года система ГЛОНАСС будет собрана в полной конфигурации (24 КА) и начнет работать в глобальном масштабе [7].
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев И.Б, Лавренов А.Н. Большой космический клуб. - М.: РТСофт, 2006.
2. Ивановский О.Г. Ракеты и космос в СССР: Записки секретного конструктора. - М.: Молодая гвардия, 2005.
3. Вишневский В.И., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Исторический очерк развития сетевых технологий // Широкополосные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005.
4. Черток Б.Е. Ракеты и люди. - М.: РТСофт, 2006.
5. Сергеев В. История создания и развития отечественных систем связи и вещания // Электросвязь: история и современность. - 2007. - №1.
6. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: Эксмо-Трендз, 2000.
7. Шамсутдинов С. Настоящее и будущее гражданской российской орбитальной группировки // Новости космонавтики. - 2010. - № 3.
STATUS AND DEVELOPMENT OF COMMUNICATION AND NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS
Lazarev A.I., Nechaev E.E.
The article provides an overview of the first satellite communications and navigation, consider the current state and prospects of development of modern orbital grouping.
Key words: satellite communication systems, satellite navigation systems, GPS, GLONASS.
Сведения об авторах
Лазарев Алексей Игоревич, 1988 г.р., инженер 2-й категории кафедры основ радиотехники и защиты информации МГТУ ГА, область научных интересов - информационная безопасность, космические летательные аппараты, сетевые технологии.
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой управления воздушным движением МГТУ ГА, автор 150 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ, использование спутниковых технологий при ОрВД.
