Залог независимости

Сколько стоит спутниковая навигация? 3 Ноябрь 2015, 09:37
Начавшаяся в конце сентября 2015 года российская операция в Сирии, помимо общих военных и политических результатов, заставила задуматься над еще одним аспектом происходящего. Ключевым элементом российской военной машины, позволившим применять в ходе операции современное высокоточное оружие, включая крылатые ракеты морского базирования и корректируемые авиабомбы, стало наличие у нашей страны собственной глобальной системы спутниковой навигации. Эта система, известная как ГЛОНАСС («Глобальная навигационная спутниковая система»), является одним из самых известных и широко обсуждаемых отечественных оборонных проектов, а история ее создания и развития приближается к 40 годам.
ГЛОНАСС является второй в мире глобальной навигационной спутниковой системой, действующей непрерывно и в режиме реального времени после американской GPS, известной также под более ранним наименованием NAVSTAR. Обе эти системы пришли на смену предшественникам разработки 1960-х годов (Transit/NAVSAT в США, «Циклон»/«Цикада» в СССР), и на сегодня являются единственными, способными обеспечить своих пользователей действительно глобальной (не без некоторых исключений) и постоянной навигацией.


Полный список действующих и создающихся навигационных спутниковых систем (НСС) естественно, шире. Сюда помимо GPS и ГЛОНАСС входят китайская «Бэйдоу», европейская Galileo, индийская IRNSS и японская QZSS, и анализ этих систем сам по себе представляет крайне увлекательное занятие, позволяя сделать выводы как об уровне технологического развития страны-обладателя, так и о ее политических и военных амбициях. Общих же выводов, напрашивающийся для всех стран, создающих и развивающих собственные НСС, ровно два. Во-первых, наличие НСС является неотъемлемой характеристикой военно-политической силы (державы или блока таковых), претендующей на самостоятельную политику, прежде всего, в военной сфере Во-вторых, степень развития собственной НСС прямо определяет способности страны проводить самостоятельные военные операции с использованием современного высокоточного вооружения.

Предтечи

Первой в мире навигационной спутниковой системой, реализованной на практике, стал американский Transit. Система начала разрабатываться в США в 1958 году. Главной ее задачей была выдача точных координат для атомных подводных ракетоносцев, что позволило бы упростить и ускорить подготовку к пуску баллистических ракет, нуждавшихся в точном определении места старта для поражения цели.
Спутник Тransit-1B 
Разработка спонсировалась ВМC, а велась совместно агентством DARPA, для которого Transit стал одним из первых проектов, и лабораторией прикладной физики университета Джона Хопкинса. Руководителем проекта стал доктор Ричард Киршнер. Первый спутник — Transit-1A — был выведен в космос в сентябре 1959 года, но не добрался до целевой орбиты. Второй — Transit-1B — был успешно запущен 13 апреля 1960 года. Испытания системы начались в 1960-м году, а в 1964 году она была принята в эксплуатацию. Как и предполагалось, главной задачей созданной НСС стало обеспечение навигации американских атомных подводных лодок с баллистическими ракетами (класса «Джордж Вашингтон» и следующие) и навигационное обеспечение запуска баллистических ракет «Поларис».

Масса аппарата составляла 56 кг. Рабочие частоты 400 и 150 МГц. Недостатком системы был охват не всей территории Земли и ограниченное время доступа: определить координаты можно было только один раз в полтора часа, с точностью до 200 метров. По сегодняшним меркам эта точность вызывает усмешку, однако для первого поколения ракет морского базирования она была более, чем достаточной.
 "This 1967 Navy film explains the highly successful Navy Navigation Satellite System (NAVSAT), which was built during ... (Eng.) 
Спутниковая система Transit функционировала по исходному назначению до 1996 года. В полностью развернутом виде она состояла из шести космических аппаратов, продолжительность работы которых постепенно возрастала от нескольких недель до многих лет. Последние спутники системы Transit были выведены на орбиту в 1988 году, а после прекращения функционирования системы в 1996-м длительное время использовались для исследования атмосферы Земли.
Эхо-2 в процессе теста на эластичность. 
Эхо-2 — искусственный спутник Земли, пассивный спутник связи. Разработчик и оператор — NASA, находился на орбите с 1964 по 1969 
Параметры орбиты на момент выведения: высота 1030 х 1315 км, наклонение 81,50 градусов. Большее наклонение орбиты обеспечило лучшую видимость ИСЗ в высоких широтах. Эхо-2 использовался в совместной программе исследований по спутниковой связи СССР и США, широко проводились его визуальные и фотографические наблюдения (спутниковая геодезия и триангуляция, а по наблюдениям эволюции орбиты — изучение вариаций плотности верхней атмосферы Земли). Спутник вошел в атмосферу Земли 7 июня 1969 г.

НСС Transit была пионером и в сфере коммерческого использования спутниковой навигации. Первые гражданские абоненты системы появились в 1967 году, и их число быстро превзошло количество военных пользователей несмотря на то, что терминалы НСС появились не только на подлодках, но и на надводных кораблях ВМС США, а также и многих их союзников. Американскую систему использовали и «по ту сторону» железного занавеса: коммерческие терминалы этой системы встречались иной раз даже на боевых кораблях ВМФ СССР, что позволяло повысить точность навигации в мирное время и сократить промежуток между определением координат, используя одновременно и американскую, и свою систему, в роли которой выступала НСС «Циклон»/«Цикада».
Советский проект «Циклон» являлся первым в мире совмещенным навигационно-связным спутниковым комплексом. Первые экспериментальные аппараты системы были запущены в ноябре 1967-го и мае 1968 года соответственно, а развертывание НСС в рабочем режиме началось в 1971 году. В 1976 году система была принята на вооружение в составе шести космических аппаратов «Парус», обращающихся на околополярных орбитах высотой 1000 км.
Система обеспечивала определение плановых координат местоположения и была оснащена бортовым ретранслятором для радиотелеграфной связи кораблей ВМФ и подводных лодок с береговыми пунктами управления и между собой. Связь между абонентами осуществлялась как в зонах прямой радиовидимости, так и глобально, с задержкой по времени (2–3 часа) переноса спутником информации. Также дополнительно излучался радиосигнал на частоте 10 ГГц, который использовался для коррекции корабельной системы указания курса. 
«Циклон» позволял определять координаты с точностью до 80–100 метров с периодичностью в зависимости от географического положения судна от 10 до 60 минут. В 1979 году, спустя три года после ввода в эксплуатацию системы «Циклон», был развернут и ее гражданский вариант «Цикада», группировка которой насчитывала четыре спутника, выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83°. Впоследствии она была усовершенствована до варианта «Цикада-М» в составе шести аппаратов. Обе системы, и «Циклон», и «Цикада», эксплуатировались до 2008 года, со второй половины 80-х постепенно уступая свои позиции глобальным навигационным спутниковым системам следующего поколения: GPS и ГЛОНАСС.

Глобальная навигация

Ограничения, накладываемые особенностями архитектуры НСС первого поколения с обеих сторон – длительные перерывы в определении координат, невозможность навигации в режиме реального времени и в любом желаемом регионе планеты — привели военных в СССР и США практически к одинаковому набору требований. Система нового поколения должна была поддерживать определение координат непрерывно, в режиме реального времени, в любом районе земного шара. Это открывало путь к созданию высокоточного оружия со спутниковым наведением, позволив на порядок повысить точность крылатых ракет нового поколения и обеспечить им возможность скоростного маловысотного полета за счет совмещения аппаратуры следования рельефу местности и системы спутниковой навигации. 
В развертывании глобальной НСС Советский Союз на первом этапе опережал США: первый пуск навигационного аппарата будущей системы ГЛОНАСС состоялся 12 октября 1982 года. На орбиту был выведен спутник «Ураган» 11Ф654 и два массогабаритных макета 11Ф654ГВМ. В последующих шести запусках на орбиту выводились по два штатных аппарата и одному макету. Применение макетов являлось следствием неготовности электронной части спутников, при этом схема разведения аппаратов обязательно требовала наличия третьего спутника в полезной нагрузке.
16 сентября 1986 года восьмым по счету запуском «Протона» с навигационными спутниками ГЛОНАСС были выведены сразу три штатных аппарата. Два раза в 1989 году вместе с двумя спутниками «Ураган» на орбиту выводились пассивные геодезические аппараты «Эталон», которые использовались для уточнения параметров гравитационного поля и его влияния на орбиты КА «Ураган».
Опытная эксплуатация системы началась в 1985 году. В 1991 году группировка ГЛОНАСС была доведена до 12 аппаратов, что позволило обеспечить навигацию на большей части территории Земли, а в сентябре 1993 года система ГЛОНАСС была официально принята в эксплуатацию. В штатной конфигурации, с 24 работающими космическими аппаратами, ГЛОНАСС была развернута в декабре 1995 года.
Однако малый срок активного существования спутников ГЛОНАСС привел к тому, что уже через год состав группировки начал сокращаться, и к началу 2001 года на орбите функционировали всего шесть аппаратов. В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН и вывести на орбиту 18 спутников — таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата.
2 сентября 2010 года общее количество спутников ГЛОНАСС было доведено до 26 — группировка была полностью развернута для полного покрытия Земли с некоторым запасом.
Состояние КА группировки КНС ГЛОНАСС на 15.10.2015г. по анализу альманаха от 06:00 15.10.15 (UTC) и текущих эфемеридных сообщений, принятых в ИАЦ (по данным www.glonass-iac.ru)
Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19400 км с наклонением 64,8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал GPS ловится плохо. Спутниковая группировка развернута в трех орбитальных плоскостях с 8 равномерно распределенными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников.
Для определения координат приемник должен принимать сигнал как минимум четырех спутников и вычислить расстояния до них. При использовании трех спутников определение координат затруднено из-за ошибок, вызванных неточностью часов приемника.
«Звездным часом» ГЛОНАСС, окончательно продемонстрировавшим наличие в России полноценной работоспособной системы глобальной спутниковой навигации, стала осень 2015 года, когда Воздушно-космические силы РФ по просьбе официального Дамаска начали операцию против исламистов в Сирии. Отличительным признаком кампании, стартовавшей 30 сентября 2015 года, стало активное использование корректируемых авиабомб КАБ-500С, наводящихся по сигналам российской навигационной системы. 7 октября 2015 года к ударам по Сирии присоединился ВМФ России — запущенные с четырех кораблей Каспийской флотилии 26 крылатых ракет 3М-14 комплекса «Калибр» также использовали сигналы ГЛОНАСС. Дальнейшее развитие ГЛОНАСС и как военной, и как коммерческой системы плотно связано с запуском в эксплуатацию нового поколения оборудования, включая космические аппараты серии «ГЛОНАСС-К», отличающиеся сроком службы в 10 и более лет, а также доступные наземные терминалы для различных категорий пользователей.
Модель КА Глонасс-К на выставке CeBIT
Однако если военные перспективы системы не вызывают сомнений еще с 1980-х годов, то гражданским рынком спутниковой навигации после распада СССР почти монопольно завладела американская система GPS, полностью развернутая к 1993 году. Развертывание обеих систем, и американской, и советской/российской, совпало с «цифровой революцией» 1990-х, но последствия распада СССР не позволили России использовать открывшееся «окно возможностей». 
GPS же отработала «по полной программе». Ниже перечислены области, где данная НСС активно применяется.
Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведется мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
Тектоника, тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
Строительство и эксплуатация зданий и сооружений: с помощью GPS контролируются колебания объектов под действием ветровой нагрузки, износа конструкции и других факторов, что позволяет предупреждать возможное неблагоприятное развитие событий.
Подобное широкое использование стало одним из следствий цифровой революции, позволившей повысить точность определения координат до десятков сантиметров, особенно в сочетании с развертыванием наземной инфраструктуры в виде базовых станций, позволяющих повысить точность измерений. 
Вместе с тем главным назначением GPS было и остается обеспечение навигацией Вооруженных сил США и их союзников, что накладывает на работу системы ряд ограничений. Одно из самых серьезных заключается в способности произвольно отключить или «загрубить» сигнал на тех или иных территориях, лишив противника возможности пользоваться точной навигацией. При этом список военных преимуществ, которые дает использование GPS, не менее внушителен.

Подводный старт крылатой ракеты «Томагавк», в качестве навигационного средства использующей приемник GPS
Помимо уже упомянутого использования в системах наведения некоторых образцов высокоточного оружия, GPS используется в современных системах управления войсками, позволяя постоянно контролировать передвижение своих боевых единиц и подразделений, на порядок ускоряет приведение в боевую готовность артиллерийских и реактивных систем, нуждающихся в точной привязке к местности, резко облегчает навигацию в отсутствие видимых ориентиров и в погоду, исключающую навигацию по небесным телам. Давая возможность использовать беспилотные аппараты с обменом информацией в реальном времени, мгновенно выдавать целеуказание на огневые средства без пересчета координат, и т. д., GPS обеспечивает армии, владеющей подобными системами, подавляющее превосходство над армией предыдущего поколения.
Именно осознание опасности подобного разрыва и необходимости обладать собственной навигационной системой является главным стимулом разработки НСС в различных странах и блоках, а также заставляет тщательно подходить к выбору партнеров по военно-техническому сотрудничеству в целях уменьшения вероятности внезапно остаться без навигации в случае ссоры со страной-обладателем НСС.

«Галилео» — европейская гарантия 

Запуск российской ракетой-носителем «Союз» 9-го и 10-го спутника европейской НСС Galileo 11 сентября 2015 г.
Европейская система Galileo предназначена в первую очередь для решения геодезических и навигационных задач. Помимо стран Европейского союза в проекте участвуют Китай, Израиль, Южная Корея и Украина. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидается, что «Галилео» войдет в строй до 2020 года, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Для вывода аппаратов будут использоваться российские ракеты-носители «Союз», по контракту с европейским космическим агентством запускаемые с космодрома Куру во французской Гвиане. Космический сегмент будет обслуживаться наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций. В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система «Галилео» не контролируется национальными военными ведомствами, однако в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Разработку системы осуществляет Европейское космическое агентство. Общие затраты оцениваются в 4,9 млрд евро.

«Бэйдоу» — восход третьей силы.

Растущие возможности Китая заставили руководство этой страны задуматься о собственной спутниковой навигации еще в 1980-х годах, но практическое развертывание китайской НСС началось в 2000 году. Первый спутник, «Бэйдоу-1А», был запущен 30 октября 2000 года. Второй, «Бэйдоу-1B», — 20 декабря 2000. Третий спутник, «Бэйдоу-1C», отправлен на орбиту 25 мая 2003 года как подстраховочный, и с этого момента система считается введенной в эксплуатацию в экспериментальном режиме.

24 февраля 2011 г. было развернуто 6 действующих спутников. 27 декабря 2011 года «Бэйдоу» была запущена в испытательном режиме, охватывая территорию Китая и сопредельных районов. 27 декабря 2012 г. система была запущена в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования при численности группировки в 16 аппаратов. Проведенные в 2014 году испытания показали, что точность системы превышает 1 метр.
К 2020 году Китай планирует развернуть свою систему как глобальную, выведя ее на рынок под международным коммерческим наименованием Compass. Космический сегмент спутниковой системы навигации Compass будет сформирован из 5 спутников на Геостационарной орбите (ГСО) и 30 спутников на средней земной орбите.

IRNSS – индийская реакция.

Начало практических работ по развертыванию китайской НСС немедленно повлекло за собой «ответ из-за Гималаев». 9 мая 2006 г. правительство Индии одобрило проект развертывания Индийской спутниковой региональной системы навигации (IRNSS) с бюджетом 14,2 миллиарда рупий в течение следующих 6–7 лет. Позже стоимость всего проекта оценивалась в 16 миллиардов рупий (около 290 миллионов долларов США).
Спутниковая группировка IRNSS должна состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах на высоте около 24000 км в апогее. Причем четыре спутника из семи в IRNSS будут размещены на орбите с наклонением в 29° по отношению к экваториальной плоскости. Все семь спутников будут иметь непрерывную радиовидимость с индийскими управляющими станциями.
Запуск первого спутника индийкой навигационной системы IRNSS
Спутники IRNSS будут использовать платформу, подобную той, которая используется на метеорологическом спутнике Kalpana-1 с массой 1330 кг и мощностью солнечных батарей 1400 Вт. Полезная нагрузка будет включать два 40-ваттных твердотельных передатчика.
Наземный сегмент IRNSS будет иметь станцию мониторинга, станцию резервирования, станцию контроля и управления бортовыми системами. Государственная компания ISRO является ответственной за развертывание IRNSS, которая будет находиться целиком под контролем индийского правительства. Навигационные приемники, которые будут принимать сигналы IRNSS, также будут разрабатываться и выпускаться индийскими компаниями.
IRNSS предполагает определение координат местонахождения объекта с точностью порядка 20 метров для региона Индийского океана (около 1500 км вокруг Индии) и менее 10 метров — непосредственно по Индии и территориям сопредельных государств, охваченным данной системой навигации.
28 марта 2015 года Индия успешно запустила четвертый спутник собственной навигационной системы IRNSS-1D. Запуск состоялся в 17:19 по местному времени (14:49 мск) с космодрома на острове Шрихарикота у берегов штата Андхра Прадеш. Масса IRNSS-1D — 1425 килограммов. Максимальная высота полета — 20650 километров, минимальная — 284 километра. Срок активного существования — 10 лет.
Подобная система в первую очередь предназначена для военного использования: индийские разработки в области высокоточного оружия требуют соответствующего навигационного обеспечения, чтобы не допустить военного превосходства Китая в этой чувствительной сфере. К тому же нужна страховка на случай невозможности использования систем ГЛОНАСС и GPS. При этом надо отдавать себе отчет в том, что среди государств, расположенных по побережьям Индийского океана, Индия становится безусловным лидером, способным вести конфликт любой сложности с минимальным привлечением иностранной поддержки или без оной вообще.

QZSS — осторожное развитие

Замыкает перечень действующих или разворачиваемых НСС японский проект Quasi-Zenith Satellite System (QZSS, «Квазизенитная спутниковая система»).
По сути, QZSS представляет собой не столько систему навигации, сколько систему дифференциальной коррекции, повышающей точность работы системы GPS. Система позиционирования QZSS может работать совместно с геостационарными спутниками в японской системе MTSAT, находящейся в процессе создания, которая сама по себе является системой дифференциальной коррекции, подобной системе WAAS, созданной США.
Движение группировки
спутников QZSS
по орбите 
Спутники будут находится на высокой эллиптической орбите «Тундра». Такие орбиты позволяют спутнику держаться более 12 часов в день с углом возвышения более 70° (то есть большую часть времени спутник находится практически в зените). Этим и объясняется термин „quasi-zenith”, то есть «кажущийся находящимся в зените», который дал название системе.

QZSS может улучшить работу системы GPS двумя способами: во-первых, повышением доступности GPS-сигналов, и во-вторых, повышением точности и надежности работы навигационных систем, работающих с GPS.

В перспективе развитие QZSS может привести к созданию собственной японской системы навигации, однако среди японских военных многие относятся к этой перспективе скептически, полагая, что наличие собственной спутниковой системы не стоит возможной ссоры с США.
Илья Крамник для Technowars