Введение
Современные системы спутниковой навигации, такие как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Beidou, играют ключевую роль в повышении точности позиционирования и ориентации космических объектов. Их использование для ракетно-космической техники (РКТ) стало неотъемлемой частью обеспечения навигационной надежности и точности при выполнении различных миссий. Спутниковая навигация позволяет осуществлять контроль за движением, определение координат и скорости, что критически важно при запуске, орбитальных маневрах и выполнении стыковок.
Цели и задачи
Таким образом, цель данной работы заключается в рассмотрении современных видов спутниковой навигации и сравнение международных систем с зарубежными. Задачи для нашего изучения:
– рассмотрим существующие виды навигации на планете земля;
– выявим роль спутниковой навигации в ракетно-космической технике;
– изучим особенности применения спутниковой навигации в РКТ.
Основная часть
Спутниковые навигационные системы основываются на принципах триангуляции, где навигационные спутники отправляют сигналы времени, и на основе времени прохождения сигнала вычисляется расстояние до каждого спутника. Совокупность этих данных позволяет вычислить координаты объекта в пространстве.
Существует несколько глобальных навигационных спутниковых систем [1]:
– GPS (Global Positioning System) — система, разработанная США, наиболее широко используется в мировом масштабе.
– ГЛОНАСС — российская система, аналогичная GPS.
– Galileo — европейская система, обеспечивающая высокую точность позиционирования.
– Beidou — китайская система, активно развивающаяся и применяемая в разных регионах мира.
– QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) — японская региональная спутниковая навигационная система.
Роль спутниковой навигации в ракетно-космической технике
Применение спутниковой навигации в РКТ охватывает различные аспекты, от старта ракеты до маневров в космосе и вывода спутников на орбиту.
- Навигация космических аппаратов
Для космических аппаратов, таких как спутники и межпланетные станции, навигация является основой их функционирования. Использование спутниковой навигации позволяет точно определять положение космического аппарата на орбите, управлять его движением и корректировать орбиту при необходимости.
Например, на борту космического аппарата Гонец-М [2] (советский и российский спутниковый проект для связи) использовалась система GPS для повышения точности навигации. Спутники серии «Гонец-М» оборудованы GPS-приемниками, которые позволяют точно отслеживать их положение в реальном времени. Это важно для корректировки орбитальной траектории и обеспечения связи с Землей.
- Навигация ракет
Спутниковая навигация важна не только для космических аппаратов, но и для ракет. На протяжении всего полета ракеты используется система спутниковой навигации для контроля траектории полета, что позволяет с высокой точностью корректировать курс и достигать заданной цели.
– Управление траекторией. На старте ракеты используется система спутниковой навигации для точного определения траектории и углов ориентации. Это особенно важно для ракет с полезными нагрузками, такими как спутники связи, научные спутники или системы разведки.
– Коррекция курса. Спутниковая навигация позволяет в реальном времени корректировать курс ракеты, компенсируя погрешности, вызванные, например, изменениями погодных условий или ошибками в расчете начальной траектории.
Например, в рамках разработки и эксплуатации ракет-носителей «Союз», российские специалисты интегрировали системы спутниковой навигации, включая ГЛОНАСС, для более точного выведения полезных нагрузок на орбиту. На ракете «Союз-2" используется система ГЛОНАСС для навигации и коррекции траектории в реальном времени, что улучшает точность выводимой орбиты и помогает минимизировать погрешности, связанные с траекторией полета. [3]
При старте ракеты система ГЛОНАСС помогает отслеживать её положение на всех этапах полета, начиная от старта до выведения спутников или других объектов на нужную орбиту. Это особенно важно для точных запусков спутников связи и других специализированных космических аппаратов, которые требуют высокой точности при размещении на орбите.
- Автономная навигация космических объектов
Для многих космических объектов, например, для межпланетных станций и некоторых спутников, автономная навигация является критически важной. Без постоянной связи с Землей система спутниковой навигации может точно определять положение объекта в космосе, а также выполнять маневры с высокой степенью точности.
Примеры автономной навигации:
– Автономная посадка. Применяется в тех случаях, когда необходимо точно приземлить аппарат на другую планету или небесное тело.
Например, в рамках миссии «Чанъэ-5» [4] (космический аппарат для доставки образцов с Луны), система Beidou использовалась для автономной навигации и посадки на Луну. Beidou предоставляла данные о местоположении и ориентации аппарата в процессе его сплошной посадки на поверхность Луны.
Перед тем как аппарат покинул орбиту Земли и направился к Луне, система Beidou использовалась для точного навигационного расчета и коррекции траектории в межпланетном пространстве. В частности, Beidou обеспечивал точное определение позиции аппарата на его траектории, что критично для успешного выведения на орбиту Луны и осуществления корректировок курса.
Во время посадки посадочный модуль использовал вспомогательные данные с системы Beidou для повышения точности расчета параметров сплошной посадки. Это позволило аппарату избежать препятствий и точно приземлиться на поверхность Луны.
После того как Чанъэ-5 собрал лунные образцы, система Beidou помогала на этапе возвращения, обеспечивая точное отслеживание местоположения возвращающегося модуля и координацию его движения на орбите Земли. В ходе сплошной связи с Землей Beidou передавал информацию о состоянии системы и корректировал параметры траектории.
– Автономные стыковки. Например, для стыковки с Международной космической станцией (МКС) или другими спутниками используются высокоточные спутниковые навигационные системы.
- Системы резервирования
Спутниковая навигация в РКТ часто комбинируется с другими навигационными системами для обеспечения избыточности и надежности. Это важно, поскольку навигационные сигналы могут быть временно недоступны, например, из-за помех, солнечных бурь или других факторов. В таких случаях данные гироскопов, акселерометров и звездных датчиков используются для восстановления навигационной информации.
Например, в рамках разработки ракет и космических аппаратов, таких как ракета Ariane 5 (часть программы Европейского космического агентства), используется система Galileo как резерв для системы GPS в процессе навигации. Основной системой для навигации на старте и в полете является GPS, однако система Galileo применяется как дополнительная (резервная) система навигации, что повышает точность и надежность запуска. Это важно в условиях, когда GPS-сигнал может быть ослаблен или заблокирован (например, в случае помех или выхода из зоны покрытия). [5]
Особенности применения спутниковой навигации в РКТ
- Высокие требования к точности
В отличие от гражданских применений, для РКТ требуются чрезвычайно высокие стандарты точности. Ошибка в несколько метров может привести к серьезным последствиям для космических миссий, например, к ошибкам при выводе спутника на орбиту или при стыковке с другой космической станцией. В этой связи используются системы коррекции спутниковых сигналов, такие как дифференциальная коррекция (DGPS) и системы усиления сигнала.
- Устойчивость к помехам
Космос — это среда с высокими уровнями радиации и помех, что требует от спутниковых навигационных систем высокой устойчивости к внешним воздействиям. Современные аппараты РКТ оборудованы специальными фильтрами и системами защиты, которые позволяют минимизировать влияние помех на навигационные сигналы.
- Интеграция с другими системами
Спутниковая навигация в РКТ часто интегрируется с другими типами навигационных систем, такими как инерциальные системы навигации (ИНС), гироскопы, акселерометры и звездные датчики. Это позволяет достичь нужной точности и надежности, особенно в условиях, когда спутниковый сигнал временно недоступен или нестабилен.
Перспективы и вызовы
Современные тенденции в развитии спутниковых навигационных систем для РКТ включают улучшение точности, устойчивости к помехам, а также интеграцию с новыми технологиями, такими как квантовая навигация и система позиционирования в глубоком космосе. Однако остается ряд вызовов:
– Разработка новых высокоточных систем навигации, которые могут работать при снижении доступности спутников.
– Обеспечение надежности спутниковых навигационных систем в условиях космического пространства.
– Защита от возможных кибератак и помех, способных нарушить навигационное обеспечение.
Заключение
Спутниковая навигация является ключевым элементом в развитии ракетно-космической техники, обеспечивая точность позиционирования, контроля за траекториями и маневрами. Системы спутниковой навигации в РКТ оказывают существенное влияние на успешность миссий, будь то запуск спутников, научные исследования или межпланетные экспедиции. Постоянное совершенствование этих систем будет способствовать развитию новых технологий и расширению возможностей космических исследований.
Литература:
- «Оценка точности прогнозирования геоцентрических координат навигационных спутников Глонасс, GPS, Galileo, Beidou» Никитина Л. А., Когогин Д. А., в сборнике: Распространение радиоволн. сборник докладов I Всероссийской молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти Д. С. Лукина. Йошкар-Ола, 2024. С. 19–22.;
- «Оценка помехоустойчивости систем спутниковой связи на основе результатов GPS-мониторинга ионосферы», Пашинцев В. П., Цимбал В. А., Песков М. В., В сборнике: Перспективные технологии в средствах передачи информации — ПТСПИ-2019. Материалы XIII международной научно-технической конференции. В 2-х томах. Редколлегия: А. Г. Самойлов [и др.]. 2019. С. 100–104.;
- «Глонасс — российская национальная система состояние, перспективы развития и применения системы Глонасс», Урличич Ю. М., T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2008. Т. 2. № 2. С. 14–18.;
- «Анализ глобальной навигационной спутниковой системы Beidou», Петров Ю. В., Васильева В. А., Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2023. № 6. С. 33.
- «Обзор конструкций адаптеров современных космических аппаратов», Хахленкова А. А., Лопатин А. В., Космические аппараты и технологии. 2018. Т. 2. № 3 (25). С. 134–146.
