§ 42. Искусственные спутники Земпи

Системы спутниковой навигации. Принципиальной основой использования ИСЗ в качестве опорных ориентиров при определении места судна в море является закономерный характер движения ИСЗ вокруг Земли: координаты ИСЗ могут прогнозироваться с заданной точностью на требуемый момент времени.

Наблюдение за движением спутника производится с наземных станций слежения (СС на рис. 109) в полосе движения ИСЗ. Полученные таким образом данные передаются в координационно-вычислительный центр (КВЦ), где определяются новые элементы, поступающие далее на станции ввода (СВ). С СВ данные поступают в прие- мо-передающую аппаратуру ИСЗ и в специальный блок памяти спутника. Периодически данные с ИСЗ поступают в судовые приемоинди- каторы, микропроцессоры которых вычисляют координаты спутника

Рис. 109. Спутниковая система судовождения

на момент наблюдения, а затем и координаты самого судна в этот момент. Как видно, спутниковые РНС отличаются от обычных РНС лишь тем, что их опорные точки ИСЗ не фиксированы на земной поверхности, а закономерно движутся в околоземном пространстве.

В настоящее время реализованы два метода определения места судна по низколетящему ИСЗ — разностно-дальномерный (дифференциальный) и радиально-скоростной (интегральный). Оба метода основаны на эффекте Доплера, заключающемся в том, что при взаимном перемещении источника излучения и приемника (рис. 110) частота принимаемых колебаний f отличается от частоты излучаемых колебаний f0, причем разность этих частот — доплеровское смещение Fd — пропорциональна относительной скорости перемещения:

Fd = f — /о = Vf0 cos a/C = V cos a/k0,              (107)

где V — скорость движения ИСЗ по орбите, км/ч;

С — скорость распространения радиоволн, км/ч;

а — направления на наблюдателя со спутника относительно его траектории, рад; ко — длина волны, соответствующая /0, м.

Во время движения ИСЗ доплеровское смещение частоты непрерывно меняется от Fdttaкс =              (когда а = 0) до FdKKн = 0 (когда

Ао

а = 90°). Последний момент называют моментом траверза, когда ИСЗ находится на кратчайшем расстоянии от наблюдателя, рав-

НОМ Ркр*

Радиально-скоростной (дифференциальный) метод заключается в выделении частоты биений между частотой принятого сигнала и опорной частотой судового генератора эталонных колебаний. Частоту этого генератора берут равной излучаемой частоте. Тогда доллеров- ское смещение частоты

(108)

Формулу (107) можно переписать так:

Fd — V'p/Xo,

где = V cos а — радиальная скорость сближения ИСЗ с наблюдателем.

Из выражений (107) и (109) видно, что при /^ = 001181 постоянными оказываются направления с ИСЗ на наблюдателя (a = const) и скорость их сближения (Vp = const). Постоянному углу а в пространстве соответствует поверхность в виде конуса (рис. 111), вершина которого S совпадает с местом ИСЗ, а ось — с вектором скорости спутника. Таким образом, поверхность конуса является поверхностью положения наблюдателя — изоповерхностью. Несколько последующих измерений дают соответствующее число конических поверхностей с вершинами, расположенными в последующих точках S, траектории ИСЗ с различными углами а, (рис. 112). Так как судно находится на поверхности Земли, то его место надо искать на кривой, по которой поверхность конуса пересекается с поверхностью Земли.

Для определения места судна требуются по крайней мере две изодопы. Вторая изодопа может быть получена через несколько минут после первой. Изодопы пересекаются в двух точках М'0 и М", лежащих по разные стороны от следа орбиты (трассы ИСЗ) на поверхности Земли. Двузначность разрешается с помощью счисления. С целью повышения точности определения места судна не ограничиваются двумя измерениями доплеровского смещения частоты, а привлекают избыточное число измерений навигационного параметра. Во время одного прохода ИСЗ может быть получено множество изодоп. Измерения Fd осуществляются в течение всего периода пребывания ИСЗ в зоне видимости наблюдателя или в течение части этого времени. Результаты измерений обрабатываются по способу наименьших квадратов с помощью микропроцессоров судовых приемоиндикато- ров. В результате место судна получается с более высокой точностью. Движение судна во время наблюдений может быть учтено обычным способом (приведение наблюдений к одному моменту).

Разностно-дистанционный (интегральный) метод основан на измерении разности расстояний между судном и двумя положениями одного и того же ИСЗ в последовательные моменты времени. В своем движении по орбите низколетящий спутник проходит последовательно точки S0, Si, S2 (рис. 113), расстояние d между которыми называется базой. Если измерить разность расстояний Ар, = (pi — р0) до двух последовательных положений спутника S0 и Si, тогда место наблюдений окажется на изоповерхности, представляющей собой гиперболоид вращения.

(Si, S2), измеряют вторую разность расстояний Др2 = (р2 — pi) и получают второй гиперболоид и вторую гиперболу. Аналогично получают Дрз и третий гиперболоид и т. д. Место судна получается в точке пересечения двух, трех и более гипербол.

Разность расстояний Ар, определяется доплеровским методом, т. е. путем подсчета числа импульсов биений доплеровской частоты в течение промежутка времени, необходимого спутнику для прохождения базы di. Такой подсчет математически представляет собой I интегрирование доплеровского смещения частоты по времени в интервале t = /,¦+1 — ti, т. е.

ti :              t,+ I

\ F, (t)dt= (\/К)\ р (t)dt.              (110)

lgt;              t,

Интеграл от доплеровского смещения частоты представляет собой число импульсов биений N6 за промежуток времени t= ti+ \ — ti. Интеграл от радиальной скорости за тот же промежуток времени есть изменение расстояния от судна до спутника за время t, т. е. не что иное, как разность расстояний Др;. Тогда интеграл (ПО) можно записать в виде:

jV6i= (1Д„) Ар„              (111) I

откуда

Др ,= N6,ko.              (112)

Таким образом, каждому подсчитанному числу биений N6i доплеровской частоты соответствует вполне определенное значение разности расстоянийДр,              от судна до двух последовательныхположений

спутника              на              орбите              в              моменты начала и конца              интервала              времени t.

Обработка информации, полученной со спутника во время прохождения, производится в микропроцессоре судового приемоиндика- тора путем сравнения измеренных значений навигационных параметров со счислимыми.

t=t+AX.;}

Вычисления производятся по упрощенным (линеаризованным) соотношениям методом последовательных приближений до полной сходимости. Обычно требуется не более трех-четырех итераций. Координаты обсервованного места получаются через несколько минут после прохождения спутника.

В настоящее время на морском флоте широко используются спутниковые РНС доплеровского типа, созданные в СССР и США. Глобальная спутниковая РНС «Транзит» представляет собой сложный радиотехнический комплекс, включающий пять ИСЗ на полярных орбитах, близких к круговым, с высотой свыше 1 тыс. км. Спутниковая система включает также сеть_лаземных станций слежения,

координационно-вычислительный центр, морскую обсерваторию и станцию ввода командной информации.

Искусственные спутники обращаются вокруг Земли с периодом 107—108 мин, имеют на борту систему питания, два передатчика, работающих на частотах 400 и 150 МГц, стандарт точного времени и частоты, блок памяти для хранения эфемеридной информации

о              положении спутника на орбите, приемопередающие устройства | командной и телеметрической информации. Станции слежения с появлением ИСЗ в зоне видимости измеряют доплеровский сдвиг частоты принимаемого со спутника сигнала и производят проверку сигналов точного времени поданным морской обсерватории. Серии измеренных значений Fd и ошибки точного времени сообщаются по телетайпу на координационно-вычислительный центр, где рассчитываются параметры орбиты ИСЗ и предвычисляется его траектория на 12—16 ч вперед.

Приемоиндикатор (ПИ), установленный на борту судна, автоматически производит поиск сигнала по всему горизонту через ненаправленную антенну, а при появлении сигнала автоматически синхронизируется с ним и начинает прием.

После включения ПИ и ввода программы судоводитель должен I ввести в память ПИ следующие исходные данные: дату, гринвичское время 7'гр; счислимые координаты судна; курс и скорость судна; высоту судовой приемной антенны над поверхностью принятого для расчетов референц-эллипсоида.

Гринвичское время Ггр может вводиться с точностью до 15 мин, так как по сигналу точного времени с ИСЗ часы ПИ автоматически устанавливаются по гринвичскому времени с точностью до 200 мкс. Обычно ПИ связывается с гирокомпасом и лагом, поэтому курс, скорость и счислимые координаты судна вводятся в микропроцессор приемоиндикатора автоматически.

Средний интервал времени между надежными обсервациями составляет 1 —1,5 ч, в отдельных случаях до 2—3 ч, в течение которых место судна должно определяться по счислению или другим способом. Средняя квадратическая погрешность места определения судна 50—150 м при условии, что абсолютная скорость судна не имеет погрешности (например, на стоянке), увеличение погрешности в скорости на 0,1 уз увеличивают СКП обсервованного места судна на 36 м. Дополнительным средством контроля качества обсервации является число итераций, выполняемых ЭВМ при расчете обсервован- ных координат. Быстрая сходимость результата, когда число итераций не превышает пяти-шести, указывает на высокое качество обсервации.

Время работы ИСЗ непрерывно. Число судов, одновременно использующих систему ИСЗ, не ограничено.

Система спасения на море «КОСПАС — САРСАТ». Традиционные средства связи, используемые для оповещения при бедствии на море, работают на частотах 500 и 2182 кГц, 80 и 156 МГц. Дальность действия этих средств ограничена и обычно не превышает 100— 200 миль. В последнее время в мировой практике нашли применение

аварийные радиобуи (АРБ), которые при вводе их в действие автоматически передают сигналы бедствия, используемые для обнаружения и пеленгования терпящего бедствие судна. Сигналы АРБ могут быть приняты и на ИСЗ с последующей передачей аварийной информации судна на береговые пункты приема информации (ППИ). В этом случае сигнал от АРБ содержит данные о координатах аварийного судна, которые предварительно автоматически (или вручную) вводятся в запоминающее устройство АРБ.

Дальнейшая разработка космической системы, основанной на использовании низкоорбитальных ИСЗ, продолжается в СССР, США, Канаде и Франции в соответствии с Межправительственным соглашением по исследованию и использованию космического пространства в мирных целях. США, Канада и Франция разрабатывают проект под названием «САРСАТ» (Search and Rescue Satelite Aided Tracking), а СССР — под названием КОСПАС (Космическая система поиска аварийных судов и самолетов). В дальнейшем планируется создание совместной системы «КОСПАС — САРСАТ», которая будет использоваться в глобальной морской системе связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССББ). Начало введения ГМССББ в действие планируется на 90-е годы. Сообщение о бедствии, передаваемое АРБ в рамках ГМССББ, должно содержать следующую информацию: тип и название АРБ; страна, к которой принадлежит терпящий бедствие объект; характер аварии и время, прошедшее с момента включения АРБ. Такие сигналы АРБ принимаются ИСЗ, обрабатываются им, привязываются к судовому времени и направляются на запоминающее устройство ИСЗ и на его передатчик для ретрансляции в адрес ППИ. На ППИ принятая от ИСЗ информация поступает в специальную ЭВМ, где происходит сортировка данных и их обработка с целью определения координат АРБ. Схема космической системы поиска и спасания приведена на рис. 114.

В системе «КОСПАС — САРСАТ» будут использоваться советские и американские ИСЗ, запускаемые на близкополярные орбиты. ППИ будут установлены в США (три), в Канаде (один), во Франции (один) и в СССР (три — в Москве, Архангельске и Владивостоке). Рабочая зона таких ППИ перекрывает все северное полушарие Земли. Центр управления советской частью системы расположен в Москве, американской — в Сент-Луисе, канадской — в Оттаве, французской—в Тулузе. Связь между центрами управления производится по сети «ТЕЛЕКС». Первый ИСЗ «Космос-1383» в рамках проекта «КОСПАС — САРСАТ» был запущен в СССР 30 июня 1982 г.; первый ИСЗ США системы «САРСАТ» — 28 марта 1983 г.

В 1983 г. на заседании ИМО был принят проект рекомендаций для ГМССББ. Основные требования к этому проекту сводятся к следующему: где бы судно ни находилось, оно должно принимать сигналы бедствия в направлении «судно — судно»; должны обеспечиваться радиосвязь в зоне бедствия и взятие пеленгов на терпящие бедствие объекты с помощью хотя бы двух различных и полностью независимых радиосредств; судно должно иметь возможность передавать

Рис 114 Система поиска и спасения

сигналы оповещения о бедствии в направлении «судно — берег» и излучать сигналы для пеленгования.

Для исключения вносимых людьми ошибок в разрабатываемой глобальной морской системе связи ГМССББ ручная телеграфия, использующая код Морзе, и радиотелефония применяться не будут; вместо них будут использованы буквопечатание и автоматический обмен информацией.

Система связи ИНМАРСАТ. С 1 февраля 1982 г. вступила в действие международная система спутниковой связи ИНМАРСАТ. Она представляет собой систему ИСЗ, служащих в качестве ретрансляторов сообщений между судами, оборудованными специальными радиосредствами, и специальными береговыми радиостанциями (БРС), которые имеют связь с береговыми абонентами. Система ИНМАРСАТ обеспечивает двустороннюю телефонную и телеграфную радиосвязь, передачу данных факсимильных передач, сообщений о бедствии, срочности и безопасности. Береговые станции находятся во владении стран, на чьей территории они расположены. Судовые радиостанции принадлежат судовладельцам.

Управление системой ИНМАРСАТ возложено на Международную организацию, носящую то же название. Эта организация учреждена в соответствии с Конвенцией, которая определяет правовой статус организации ИНМАРСАТ и принципы ее экономической деятельности. В настоящее время организация ИНМАРСАТ финансируется 36 странами, подписавшими Конвенцию. В дальнейшем по мере развития системы экономическую основу организации будет составлять плата, взимаемая за представляемые услуги с судовых и береговых абонентов.

В системе ИНМАРСАТ используются три геостационарных спутника, находящихся в фиксированных точках над экватором на высоте 36 тыс км Этими спутниками перекрываются районы Атлантического, Тихого, Индийского океанов Каждый из спутников перекрывает некоторую зону, в которой может находиться определенное число обслуживаемых судов и несколько береговых радиостанций, одна из которых выполняет функции координатора Любая судовая радиостанция может быть соединена с требуемым абонентом через любую береговую станцию данной сети

В системе ИНМАРСАТ БРС служат промежуточным звеном между спутником и береговыми абонентами, с которыми они соединены международными и национальными сетями Типовая БРС включает в себя антенну с параболическим зеркалом диаметром 10—13 м, радиоприемное и радиопередающее устройства для сопряжения с наземными сетями связи Всего в настоящее время насчитывается 13 БРС системы ИНМАРСАТ, которые уже действуют или строятся В их число входят Одесса (СССР), Гунхилли (Великобритания), Фучино (Италия), Племер-Боду (Франция), Тангуа (Бразилия), Саутбери (США), Умм-аль-Аши (Кувейт), Эйк (Норвегия), Яма- гути (Япония), Гонконг (Гонконг), Ибараки (Япония), Сингапур (Сингапур) Координирующими по районам являются радиостанции, находящиеся в Саутбери (для Атлантики), Ямагути (для Индийского океана) и Ибараки (для Тихого океана) Типовая судовая радиостанция спутниковой системы связи ИНМАРСАТ состоит из электронного блока, расположенного в закрытом помещении судна, телетайпа и блока управления Антенный пост устанавливается на мачте или на специальной колонке на верхней палубе судна К электронному блоку подключены телефонный и телеграфный аппараты, аппаратура передачи данных, а также факсимильная и другая аппаратура. Антенный блок радиостанции содержит параболическую антенну диаметром 1,2 м Антенна имеет двухосную систему автоматического наведения луча на спутник по азимуту и углу возвышения, а также систему стабилизации, компенсирующую бортовую и килевую качки судна Судовая радиостанция передает в полосе частот 1635,5—1645,0 МГц, принимает в полосе частот 1535,0—1543,0 МГц Излучаемая судовой радиостанцией мощность составляет 25 Вт на канал К настоящему времени на судах Минморфлота СССР установлено 30 спутниковых систем связи