Состояние и развитие в США спутниковой системы радионавигации

Общие военные проблемы /
Командование вооружённых сил сразу же после окончания второй мировой войны развернуло обширные работы по навигационному оборудованию театров военных действий. Как отмечалось з зарубежной прессе, на всех вероятных ТВД в 50-х годах было установлено большое количество навигационных радиомаяков, созданы цепи системы дальней радионавигации «Лоран» А и системы ближней радионавигации .

В 60-е годы были дополнительно введены в строй цепи системы дальней радионавигации «Лоран» С, основное назначение которой — навигационное обеспечение патрулирования американских ракетных подводных лодок. По оценке иностранных специалистов, вышеназванные системы не полностью удовлетворяют требованиям к навигации подводных лодок, надводных кораблей, самолётов и подвижных средств сухопутных войск (танки, боевые машины пехоты и т. д.).

В иностранной печати отмечалось, что запуск в США первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) открыл для американского военного командования ещё более широкие возможности для навигационного обеспечения театров военных действий. Одной из первых космических программ США была программа создания спутниковой системы радионавигации для подводных лодок, надводных кораблей и самолётов, которая получила наименование «Транзит». Её предполагалось использовать для определения местоположения подвижного объекта (подводной лодки, надводного корабля, самолёта и т. д.), находящегося в любом районе земного шара, с точностью, достаточной для решения требуемых боевых задач.

Создание системы «Транзит» было начато в 1958 году по заданию командования ВМС США. До 1961 года было запущено восемь экспериментальных навигационных ИСЗ для изучения вопросов, связанных с конструкцией самих спутников и их систем: обеспечение длительного существования спутника, проблемы теплового баланса, пространственной ориентации и другие. Помимо этого, испытывались высокостабильные генераторы радиосигналов, антенны, источники питания и уточнялись тактические и технические характеристики бортовой аппаратуры ИСЗ. Одновременно было разработано наземное оборудование системы, выбраны пункты его дислокации, созданы опытные образцы навигационной аппаратуры для установки их на подводных лодках и надводных кораблях. Первый оперативный спутник «Транзит» запущен в декабре 1963 года, а в начале 1964 года эта система была принята на вооружение ВМС США с целью навигационного обеспечения боевого патрулирования ПЛАРБ и надводных кораблей. В июле 1967 года правительство США разрешило использовать систему «Транзит» (к этому времени она получила название NNSS — Navy Navigation Satellite System) и для навигации судов коммерческого флота.

В настоящее время система NNSS, помимо навигации подводных лодок и надводных кораблей, используется также при проведении геодезических и океанографических работ. Кроме того, эту систему предполагается использовать для определения местоположения самолётов, танков и других объектов на местности.

Метод определения местоположения подводной лодки, надводного корабля (в дальнейшем будут называться просто объектом) с помощью системы NNSS основан на использовании эффекта Доплера. Известно, что при установке передатчика радиосигналов на движущемся относительно наблюдателя объекте, приёмник наблюдателя воспринимает частоту радиосигналов, отличную от переданной. Если расстояние между движущимся передатчиком и приёмником наблюдателя уменьшается, то частота принимаемых сигналов выше частоты переданных, если же расстояние увеличивается, то частота принятых сигналов ниже частоты переданных. Сдвиг частоты принимаемых сигналов (доплеровский сдвиг) тем больше, чем больше относительная скорость движения объектов и рабочая частота радиосигналов передатчика. Так как спутники «Транзит» движутся по орбите относительно объектов на Земле с большими скоростями (около 27 000 км/час), то это вызывает довольно значительный сдвиг частоты сигналов, излучаемых ИСЗ, составляющий около 3500 гц.

Для определения координат объекта по измеренному доплеровскому сдвигу частот специалисты США разработали графики изменения сдвига частоты по времени, составленные для различных скоростей сближения ИСЗ и объекта. Однако этого, по мнению иностранных специалистов, оказалось недостаточно для определения местоположения объекта с помощью системы NNSS, поскольку нужна ещё точная привязка графика к единому времени. Метод определения местоположения объекта показан на рис. 1.

Принципиальная схема для определения местоположения объекта с помощью системы NNSS
Рис. 1. Принципиальная схема для определения местоположения объекта с помощью системы NNSS: 1 — положение ИСЗ в момент пролёта им траверза; 2 — орбита ИСЗ; 3 — проекция орбиты ИСЗ на поверхности Земли; 4 — линия траверза.

При уменьшении расстояния между спутником и объектом (например, подводной лодкой) доплеровский сдвиг положителен и постепенно уменьшается, становясь равным нулю в момент прохождения спутником траверза объекта. Линией траверза называется воображаемая прямая линия, на которой находятся объект и ИСЗ в момент, когда расстояние между ними минимально. После прохождения ИСЗ линии траверза доплеровский сдвиг становится отрицательным. Крутизна кривой зависимости доплеровского сдвига от времени (положения А, В, С на рис. 1) определяется быстротой изменения относительной скорости (скорости перемещения ИСЗ относительно объекта). Чем дальше расположен объект от линии проекции орбиты ИСЗ на земную поверхность, тем меньше его относительная скорость, а значит, и крутизна кривой на графике. Относительная скорость будет максимальна в том случае, если проекция орбиты спутника на земную поверхность пройдёт через точку расположения объекта (ИСЗ пролетит над объектом). Таким образом, крутизна доплеровской кривой на графике является мерой расстояния от объекта до точки D (проекция ИСЗ на поверхность Земли в момент прохождения им траверза).

Для определения направления от объекта на точку D точно засекают момент времени, когда доплеровский сдвиг станет равным нулю (момент to). Затем по параметрам орбиты ИСЗ (высота, угол наклона орбиты, точки апогея и перигея, размеры полуосей и т.
д.) проводят на карте линию проекции орбиты спутника на земную поверхность и, зная положение ИСЗ в каждый момент времени, наносят на эту линию точку D (положение ИСЗ в момент to).

После этого на карте проводится перпендикуляр в точке D к линии проекции орбиты ИСЗ и на нем откладывается расстояние до объекта, полученное из графика зависимости доплеровского сдвига от времени. Так как перпендикуляр можно провести в обе стороны от линии проекции спутника, то получаются две точки, в которых может находиться объект. Для однозначного определения координат объекта используется дополнительная навигационная аппаратура (компас, астронавигационные средства и т. д.).

Для определения координат объекта достаточно одного ИСЗ, однако в этом случае между сеансами приёма сигналов с ИСЗ будут чрезмерно большие временные интервалы. Для сокращения этих интервалов в системе NNSS используются несколько спутников. Так, при нахождении на орбитах четырёх ИСЗ интервалы времени в зависимости от широты местоположения объекта составляют: около 90 мин. на экваторе, 68 мин. на широте 30° и 36 мин. на широте 60°.

В состав системы NNSS входят три группы оборудования:

  • наземный комплекс;
  • приёмо-передающее оборудование, установленное на ИСЗ;
  • оборудование, установленное на объектах.

Наземный комплекс оборудования включает четыре станции слежения за спутниками, вычислительный центр и несколько станций ввода данных в аппаратуру ИСЗ. Принципиальная схема действия системы NNSS показана на рис. 2.

Состав и принципиальная схема действия системы NNSS
Рис. 2. Состав и принципиальная схема действия системы NNSS: 1 — положение ИСЗ в момент времени t1; 2 — положение ИСЗ в момент времени t2; 3 — положение ИСЗ в момент времени t3; 4 — орбита ИСЗ; 5 — доплеровские сигналы поступают от ИСЗ на станцию слежения; 6 — данные, полученные от ИСЗ, в дискретной форме поступают от станции слежения в вычислительный центр; 7 — сигналы параметров орбит и коррекции времени от станции ввода данных поступают в приёмную аппаратуру ИСЗ; 8 — вычислительный центр посылает обновлённые данные параметров орбит на станцию ввода данных; 9 — станция ввода данных; 10 — вычислительный центр; 11 — станция слежения; 12 — полученные координаты объекта (долгота, широта); 13 — ЭВМ; 14— приёмная аппаратура объекта; 15 — навигационные сигналы, параметры орбит ИСЗ, время и другая информация принимаются приёмной аппаратурой объекта.

Аппаратура станции слежения на ИСЗ принимает, регистрирует и превращает доплеровские сигналы из аналоговой в цифровую форму. Эти данные каждая станция передаёт в вычислительный центр, где на основе их анализа автоматически рассчитываются параметры орбит ИСЗ на ближайшие 12—16 час. и вносится коррекция частоты доплеровских сигналов на ионосферную рефракцию. Затем вся информация передаётся на станцию ввода данных, дополняется сигналами коррекции точного времени и в виде команд посылается на ИСЗ. Принятая спутником информация вводится в его запоминающее устройство, обновляя принятые ранее данные.

Станции слежения за ИСЗ системы NNSS расположены в Перл-Харборе (Гавайские о-ва), в Миннеаполисе (штат Миннесота) и Уинтер-Харборе (штат Мэн). Четвёртая станция слежения находится в Пойнт-Мугу (штат Калифорния), где размещены вычислительный центр, центр управления системой и станция ввода данных. Другая станция ввода данных расположена в Миннеаполисе.

Спутники системы NNSS выводятся на круговые полярные орбиты. Высота орбиты ИСЗ в среднем составляет 1100 км. В настоящее время используются пять оперативных спутников. Номера ИСЗ, даты их запуска и высоты орбит приведены в таблице (по состоянию на начало 1971 года).

Номера, даты запуска и высоты орбит ИСЗ системы NNSSНомера, даты запуска и высоты орбит ИСЗ системы NNSS

ИСЗ системы NNSS имеет форму цилиндра высотой 450 мм, диаметром 300 мм, его вес 60 кг. В качестве источников электропитания на ИСЗ используются солнечные батареи, заряжающие никеле-кадмиевые аккумуляторы. Для стабилизации положения спутника на орбите применяется специальная выдвижная штанга, ориентирующая антенну в направлении Земли. В состав электронного оборудования ИСЗ входит эталон частоты и времени, аппаратура для приёма команд от наземных станций ввода данных, передатчик навигационной информации и цифровое запоминающее устройство.

Передатчик навигационной информации генерирует посылки радиосигналов на частотах 150 Мгц и 400 Мгц. Одновременная работа на двух частотах используется для возможности устранения ошибок, возникающих в результате ионосферной рефракции. Каждая посылка имеет длительность 2 мин. и содержит сигналы точного времени, данные орбиты ИСЗ и навигационный сигнал. Цифровое запоминающее устройство ИСЗ служит для хранения расчётных параметров орбит. Каждые 12 час. эти данные обновляются по командам, поступающим от станции ввода данных. Однако система рассчитана таким образом, что обновление данных дважды в сутки не является обязательным. Функционирование системы NNSS при некотором снижении точности возможно и без выполнения указанной процедуры. Поэтому даже вывод из строя всех наземных станций не означает одновременного выхода из строя всей системы NNSS.

В иностранной печати отмечается, что точность определения координат объекта зависит в основном от характеристик применяемой на объекте аппаратуры и находится в пределах 200 — 2000 м.

Приёмная аппаратура объектов включает приёмник доплеровских сигналов и специализированную ЭВМ. На атомных ракетных подводных лодках устанавливается аппаратура AN/BRN-3, разработанная фирмой «Вестингауз». Для навигации надводных военных кораблей применяется аппаратура AN/SRN-9, а для навигации коммерческих судов — её гражданский вариант 4007АВ. За последние 3—5 лет фирмой «Мэгнавокс» созданы для применения в различных целях три типа приёмной аппаратуры — МХ/702/hp, AN/WRN-4 и AN/PRR-14.

Аппаратура AN/BRN-3, установленная на всех американских атомных ракетных подводных лодках, вооружённых ракетами , функционирует автоматически. Она принимает и регистрирует информацию от спутников, обеспечивает совместно с бортовой ЭВМ подводных лодок определение момента начала сеанса приёма данных от ИСЗ, расчёт кривой доплеровского сдвига и сравнение её с кривой, полученной по сигналам от ИСЗ, а также осуществляет самопроверку.

Аппаратура AN/SRN-9 более проста, навигационные расчёты по её данным производятся штурманом. Для определения координат объекта с помощью аппаратуры AN/SRN-9 должно быть принято не менее трёх посылок сигналов от ИСЗ.

Аппаратура МХ/702/hp состоит из приёмника сигналов от ИСЗ, ЭВМ типа 2114, печатающего устройства и антенны с предварительным усилением сигналов. Антенна устанавливается на мачте корабля. ЭВМ имеет запоминающее устройство на 8192 слова, в которое заранее вводится навигационная программа, день месяца, время суток, примерные географические координаты, курс, скорость корабля и высота антенны относительно поверхности опорного эллипсоида Земли. Аппаратура работает автоматически. При поступлении сигналов от ИСЗ фиксируется их доплеровский сдвиг на обеих частотах каждой посылки (150 Мгц и 400 Мгц). После окончания сеанса приёма ЭВМ на основе полученных от ИСЗ сигналов и с учётом данных, хранящихся в запоминающем устройстве, определяет местоположение корабля в географических координатах.

Аппаратура AN/WRN-4 по своим основным характеристикам аналогична аппаратуре МХ/702/hp, однако выполнена более компактной в виде единого блока, на передней панели которого с помощью цифровых счётчиков отображаются координаты корабля. Вышеприведённые типы аппаратуры используются для решения навигационных задач при проведении океанографических работ, поиске полезных ископаемых, прокладке телефонного трансатлантического кабеля. Эту аппаратуру можно устанавливать также и на подводных лодках.

Аппаратура AN/PRR-14 предназначена для использования в ВВС, ВМС и сухопутных войсках США при проведении геодезических работ, она отличается сравнительно высокой точностью определения координат (30—40 м). Аппаратура включает приёмник радиосигналов и записывающее устройство с перфолентой, работает на частотах 150 Мгц и 400 Мгц системы NNSS, а также на частотах 162 Мгц и 324 Мгц передатчиков геодезических спутников. Данные, записанные на перфоленту, передаются в вычислительный центр, аппаратура которого рассчитывает координаты в момент приёма сигналов от спутников системы NNSS.

Общий вид аппаратуры AN/PRR-14, МХ/702/hp и AN/WRN-4 показан на рис. 3.

Общим вид приёмной аппаратуры системы NNSSРис. 3. Общим вид приёмной аппаратуры системы NNSS: 1 — аппаратура AN/WRN-4; 2 — аппаратура МХ/702/hp (с антенной, расположенной левее); 3 — аппаратура AN/PRR-14.

В последние годы, по данным иностранной печати, наметились тенденции использования системы NNSS и для навигации объектов на местности. Например, фирма «Хониуэлл» по заказу командования ВМС США разработала портативный носимый локатор AN/PRN-7 (XN-1) для навигации и целеуказания (используется передовыми авианаводчиками на местности). Локатор обеспечивает определение местоположения объекта с помощью системы NNSS. Он состоит из двух комплектов аппаратуры — центральной станции и прибора авианаводчика. Оба комплекта включают приёмники с процессорами и антенны; на центральной станции, помимо этого, имеется вычислитель координат. Прибор авианаводчика принимает и запоминает сигналы от ИСЗ, которые затем передаются по радио на центральную станцию. На последней определяется положение авианаводчика относительно станции. Каждый комплект питается от аккумуляторов. Прибор авианаводчика (рис. 4) весит 32 кг, ёмкость его аккумуляторов рассчитана на обеспечение работы прибора в течение четырёх суток.

Прибор авианаводчика типа AN/PRN-7Рис. 4. Прибор авианаводчика типа AN/PRN-7.

Как отмечается в иностранной печати, для навигации самолётов система NNSS должного применения до настоящего времени не получила. Основная причина заключается в больших временных интервалах между поступлением сигналов от спутников, равных в среднем 60 — 90 мин. Поэтому американские специалисты считают, что использование системы в авиации имеет смысл в тех случаях, когда продолжительность полёта самолёта составляет 5 час. и более. При этом предполагается использовать информацию, получаемую от ИСЗ, для коррекции автономной инерциальной системы самолёта или его доплеровской радиолокационной станции. Проведённые испытания показали, что при таком методе навигации координаты самолёта определяются с точностью до 350—600 м.

В целом, по мнению иностранных специалистов, спутниковая система радионавигации NNSS является достаточно точной, надёжной и живучей. Вместе с тем они отмечают такой существенный недостаток этой системы, как дискретность получения данных от ИСЗ, что исключает её применение в тактической авиации. Другим недостатком системы является длительность определения местоположения объекта, так как нужно следить за сигналами ИСЗ все время, пока он находится в поле видимости объекта.

В состав бортового корабельного оборудования системы NNSS обычно входит ЭВМ. Это, как утверждается в иностранной печати, даёт возможность создать на базе ЭВМ комплексную навигационную систему корабля, значительно повышающую точность навигации, и компенсировать такой существенный недостаток системы NNSS, как большие временные интервалы получения данных от ИСЗ. В состав комплексной навигационной системы, помимо аппаратуры системы NNSS, входит гирокомпас, гировертикаль, доплеровская гидроакустическая станция, печатающее устройство и аппаратура отображения данных на планшете и индикаторе.

Основным элементом системы является ЭВМ, ведущая непрерывное счисление пути по данным доплеровской станции и гирокомпаса. Повышение точности навигационной системы предполагается достичь взаимной корректировкой отдельных её элементов. Считается, например, что точное знание скорости корабля в момент приёма сигналов от ИСЗ повысит точность определения его местоположения. В свою очередь точное знание координат корабля будет использовано для коррекции данных счисления его пути.

Применение комплексных навигационных систем на кораблях, по мнению иностранных специалистов, можно ожидать в ближайшие годы. На рис. 5 приведён состав и принцип взаимодействия одной из таких систем, разработанной фирмой «Литтон».

Состав и принцип взаимодействия корабельной комплексной навигационной системы фирмы «Литтон»
Рис. 5. Состав и принцип взаимодействия корабельной комплексной навигационной системы фирмы «Литтон»: 1 — гирокомпас; 2 — гировертикаль; 3 — прибор для измерения скорости звука в воде; 4 — доплеровская гидроакустическая станция; 5 — приёмник сигналов от ИСЗ; 6 — усилитель сигналов; 7 — антенна; 8 — штурманская стойка индикации и управления; 9 — планшет; 10 — печатающее устройство; 11 — ЭВМ; 12 — данные о местоположении корабля поступают в ЭВМ; 13 — скорость корабля; 14 — скорость звука в воде; 14 — величины килевой и бортовой качки; 16 — курс корабля; 17 — ввод данных в ЭВМ и вывод данных на печатающее устройство; 18 — поступление данных для отображения их на планшете; 19 — поступление данных для отображения их на индикаторе и ввод команд в ЭВМ.

В американской прессе отмечается, что в будущем не предполагаются значительные изменения в системе NNSS. Работы, ведущиеся по её модернизации, направлены на увеличение силы принимаемых сигналов, повышение надёжности аппаратуры и снижение влияния тормозящего действия атмосферы на полёт ИСЗ.

Одновременно с модернизацией системы NNSS в США проводятся работы по созданию новых спутниковых систем радионавигации. В иностранной печати отмечается, что командование вооружённых сил США предполагает в будущих системах навигации с использованием ИСЗ устранить основные недостатки системы NNSS: дискретность поступления данных от ИСЗ и невозможность определения высоты полёта самолёта. Новая разрабатываемая система, получившая наименование DNSS (Defense Navigation Satellite System), должна обладать широкими тактическими возможностями, её намечают использовать во всех видах вооружённых сил США. В системе предполагается применить другие методы получения навигационных данных — дальномерный или разностно-дальномерный. Диапазон частот 1500—1700 Мгц.
  • alldmi
  • 0
  • 0

Похожие записи

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.