Наука и жизнь // Иллюстрации

Чтобы вывести в заданные точки спутники связи «Экспресс-АМ44» и «Экспресс-МД1» и при этом сэкономить топливо, пришлось четыре раза включать двигатель разгонного блока, меняя таким образом параметры орбиты.

В российской группировке телекоммуникационных спутников сейчас насчитывается одиннадцать аппаратов.

Западные штаты США и Новая Зеландия пока остаются вне зоны действия российских спутников.

Спутники системы глобальной навигации движутся группами по трём орбитам, расположенным под примерно одинаковыми углами одна к другой.

ЛЕТЕТЬ, ЧТОБЫ ОСТАВАТЬСЯ НА МЕСТЕ

Шахматная королева из «Алисы в Зазеркалье» говорит, что в их стране, чтобы оставаться на месте, нужно бежать со всех ног. Конечно, Л. Кэрролл не мог предвидеть появления спутников связи, но писал словно о них.

Эти космические аппараты несутся вокруг Земли с огромной скоростью по круговым геостационарным орбитам для того, чтобы всего лишь оставаться над одной точкой земной поверхности. Геостационарные орбиты находятся в экваториальной плоскости нашей планеты. Двигаясь по ним, спутник делает оборот ровно за то время, за которое Земля обращается вокруг своей оси. Поэтому он «висит» всё время над одной и той же точкой. Это чрезвычайно удобно для ретрансляции радиосигналов: не нужно регулировать положение «тарелок», направляя их на «убегающий» спутник.

Чтобы вывести спутник связи на геостационарную орбиту, баллистикам приходится решать очень непростую задачу, требующую высочайшей точности функционирования носителя. «С ходу» запустить спутник на геостационарную орбиту можно только с космодрома на экваторе (см. «Наука и жизнь» № 4, 2009 г.). Если корабль стартует из средних широт, где расположены Байконур и тем более Плесецк, то приходится несколько раз менять параметры орбиты — её высоту и положение в пространстве. С Земли носитель со спутником выводится на опорную орбиту, затем на промежуточную и переходную (у всех у них есть общее название — «орбита выведения»), с которой попадает на геостационарную орбиту.

Лучше всего проводить коррекцию в апогее орбиты выведения, где скорость минимальна и на изменение траектории требуется меньший импульс и соответственно меньше топлива. Но воспользоваться таким экономным способом коррекции орбиты не всегда получается, поскольку спутник нужно доставить не просто на геостационарную орбиту, а в строго заданную на ней точку.

Подобных трудностей можно было бы избежать, будь Земля идеальной сферой. Тогда её гравитационное поле было бы равномерным (такое поле называют центральным) и спутник связи мог бы находиться в любой точке геостационарной орбиты. На самом деле наша планета имеет более сложную форму, и в её гравитационном поле имеются неравномерности, которые возмущают движение спутника, немного ускоряя или замедляя его. В некоторых точках геостационарной орбиты, называемых точками стояния, образуются как бы гравитационные ямки. Именно в этой точке спутник должен быть отделён от носителя. Число точек стояния ограничено, сейчас вычислена долгота 400 с лишним таких точек и во многих уже находятся спутники связи.

Оказавшись возле гравитационной ямки, спутник «скатывается» в неё, совершая сложные движения относительно земной поверхности, и, пока он совсем не «успокоится», может пройти довольно много времени. Зато потом в течение нескольких лет гравитационное поле Земли «тащит» спутник за собой, сделав его квазинеподвижным (двигающимся по круговой орбите, но не меняющим своего положения относительно земной поверхности). Весь этот срок он исправно ретранслирует радиосигналы.

С течением времени равновесие всё же нарушается и спутник начинает дрейфовать, постепенно удаляясь от точки стояния. С поверхности земли этот дрейф выглядит как постоянно увеличивающаяся «восьмёрка». Следить за ним становится трудно, и спутник снимают с орбиты, заменяя его новым.

СВЯЗЬ ЧЕРЕЗ МАТЕРИКИ И ОКЕАН

В феврале 2009 года ракета-носитель «Протон-М», оборудованная разгонным блоком «Бриз-М» (см. «Наука и жизнь» № 4, 2004 г.) и дополнительным топливным баком, вывела сразу два спутника: тяжёлый «Экспресс-АМ44» (2560 кг) и малый «Экспресс-МД1» (1140 кг). Запуск стал уникальным, поскольку общая масса спутников составляет 3,7 т и предельна для «Протонов».

Корабль перешёл на геостационарную орбиту в точке 11 градусов западной долготы, где от него отделился «Экспресс-АМ44». Затем корабль переместился восточнее и в точке 80 градусов восточной долготы «освободился» от «Экспресса-МД1».

Спутники построены на российских предприятиях, а их начинка — транспондеры — устройства, которые ретранслируют сигнал с изменением его частоты, — на французском и итальянском предприятиях. В «Экспрессе-АМ44» смонтированы работающие в диапазоне СВЧ 10 транспондеров с полосой по 40 МГц, 16 транспондеров с полосой по 54 МГц и один транспондер с полосой 1 МГц. Обладая такими характеристиками, спутник способен передавать информацию со скоростью 1265 Мбит/с.

В «Экспрессе-МД1» аппаратуры поменьше — там работают восемь транспондеров с полосой по 40 МГц и один транспондер с полосой 1 МГц, которые обеспечивают скорость передачи 321 Мбит/с.

В составе группировки теперь будет 11 спутников, которые охватят практически всю обитаемую поверхность Земли, за исключением западных областей Северной Америки и Океании.

КОСМИЧЕСКАЯ КАРУСЕЛЬ

Создатели космической техники продолжают работу над совершенствованием российской системы спутниковой навигации ГЛОНАСС. Сейчас на орбитах, расположенных в трёх плоскостях, которые находятся под примерно одинаковыми углами относительно друг друга, движутся 20 спутников «ГЛОНАСС-М»: 19 рабочих и один резервный. Они могут обеспечить навигационной информацией всё население России и стран СНГ. Только над Москвой в любой момент видно созвездие из восьми спутников, которые позволяют надёжно определять местоположение объекта, несмотря на плотную многоэтажную застройку, мешающую прохождению радиосигналов (чтобы узнать координаты объекта, в пределах прямой видимости должны находиться не менее трёх навигационных спутников).

В течение этого года планируется довести состав группировки до штатного. В каждой орбитальной плоскости вокруг Земли будут обращаться по 10 спутников «ГЛОНАСС-М», из которых по два будут находиться в резерве или на техобслуживании.

По утверждению начальника Управления космических систем навигации, связи и наземных комплексов управления Федерального космического агентства А. Е. Шилова, мы достигли точности определения координат 10,5 м, то есть уже вплотную приблизились к американской системе GPS, которая гарантирует точность 10 м, хотя в реальности она у них немного выше. Более того, в следующем году во время запуска одного из российских навигационных спутников в комбинации с ним будет выведен на орбиту спутник «ГЛОНАСС-К», позволяющий намного более точно определять место. И если американцы не модернизируют к тому времени свои аппараты, то по точности мы будем первыми.

У «ГЛОНАСС-К» есть ещё одно большое достоинство: он не имеет герметичного корпуса, а значит, будет легче предшественников и вывод его на орбиту обойдётся дешевле.

РОССИЯ ПЕРЕНЕСЛА СИСТЕМУ КООРДИНАТ

В общем, будущее космических объектов ГЛОНАСС особых беспокойств не вызывает. Больше возникает вопросов о том, на какие приёмники будут приходить сигналы со спутников. По нормативам выпускающиеся в России приёмники должны быть мультисистемными, как, например, современные телевизоры, которые дают нормальную картинку и в Европе (PAL), и в России (SECAM), и в США и Японии (NTSC). Навигационные приёмники должны расшифровывать сигналы спутников ГЛОНАСС и GPS. Благо различия в показаниях обеих систем сейчас устранены. Причина разночтений состояла в том, что в основе американской системы координат WGS-84 и российской системы ПЗ-90 лежали геоиды (геометрические фигуры, поверхность которых совпадает со сглаженной поверхностью Земли), близкие по форме, но с несовпадающими началами координат (см. «Наука и жизнь» № 4, 2007 г.). Поэтому в одной и той же точке приёмники, настроенные на сигналы со спутников ГЛОНАСС и GPS, показывали разницу координат в десятки метров.

В 2007 году в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации была введена система координат ПЗ-90.02, у которой точка отсчёта смещена по осям X, Y, Z соответственно на –36, +8 и +18 см. После коррекции параметров аппаратуры на спутниках ГЛОНАСС различия в показаниях практически исчезли. Имея двухсистемный приёмник, остаётся только выбрать одну из них — а именно ту, у которой видно больше спутников, — и определить своё местонахождение.

Редакция благодарит профессора Л. Н. Лысенко (МГТУ им. Н. Э. Баумана) за помощь и консультации при подготовке материала.

№8, 2009