55 лет противостояния систем GPS и ГЛОНАСС навигации.

55 лет назад первый спутник Земли помог учёным разработать концепцию систем GPS и ГЛОНАСС навигации. Навигационные битвы США VS СССР и партнёрство США и России.

4 октября 1957 года в 22 ч 28 мин по московскому времени весь мир узнал о событии, которое  сегодня принято считать началом космической эры. 55 лет назад ракета-носитель под кодовым названием Спутник (Р-7), стартовав с 5-го научно-исследовательского полигона Министерства обороны СССР «Тюра-Там» (получившего впоследствии наименование Байконур), успешно вывел на орбиту первый искусственный спутник земли ПС-1 (Простейший Спутник -1), который передал первый сигнал из космоса.


Радиопередатчик мощностью 1 Вт периодически излучал сигналы длительностью 0,4 с попеременно на волнах 7,5 и 15 м. Длительность сигналов изменялась при повышении (выше 50°С) или понижении (ниже 0°С) температуры и при падении давления (ниже 0,35 кгс/см за счет срабатывания одного из контрольных термо- или барореле). Температура в ПС-1 поддерживалась вентилятором, срабатывающим от термореле при температуре выше 23°С. Источники энергопитания были рассчитаны на беспрерывную работу в течение двух недель. Общая масса ПС-1 составила 83,6 кг.  Для стыковки ПС-1 с ракетой предусматривался специальный переходный отсек. Система отделения обеспечивала сброс головного обтекателя и отделение спутника от центрального блока ракеты. После отделения спутника от последней ступени, ракеты начали работать передатчики и в эфир полетели знаменитые сигналы "Бип...бип...бип". Наблюдения на первых витках показали, что спутник вышел на орбиту с наклонением 65°6', высотой в перигее 228 км и максимальным удалением от поверхности Земли 947 км. На каждый виток вокруг Земли он тратил 96 мин 10,2 с. В 1 ч 46 мин 5 октября 1957 года спутник прошел над Москвой.


Русское слово "спутник" сразу вошло в языки всех народов мира. Заголовки на первых полосах зарубежных газет тех исторических октябрьских дней 1957 года были полны восхищения подвигом нашей страны. "Величайшая сенсация века", "Воплощенная в жизнь заветная мечта человечества", "Окно во Вселенную открыли Советы", "Эта великая победа является поворотным пунктом в истории цивилизации", "Уже сейчас ясно, что 4 октября 1957 года навеки войдет в анналы истории" — вот некоторые из тогдашних заголовков мировой прессы.


Над созданием искусственного спутника Земли во главе с С. П. Королёвым работали ученые М. В. Келдыш, М. К. Тихонравов, Н. С. Лидоренко, В. И. Лапко, Б. С. Чекунов, А. В. Бухтияров и многие другие.

Это всем известные факты, но мало кому известно, что это событие также стало и началом эры спутниковой навигации.


Сразу после запуска спутника в 1957 году учёные из России (группа под руководством В.Котельникова)  и Америки ( учёные из Массачусетского технологического института (MIT) во главе с Ричардом Кершнером) практически одновременно заметили, что частота радиосигналов, передаваемых советским спутником, увеличивалась по мере его приближения и уменьшалась по мере удаления и если измерить частоты его сигнала, можно рассчитать координаты точки, в которой производятся измерения. Данный факт объяснялся эффектом Доплера и это предположение  стало основополагающей концепцией спутниковой навигации.


В мае 1958 года американцы подают заявку на патент и в марте 1965 года получают патент на данное открытие http://www.google.com/patents?id=H5pOAAAAEBAJ&zoom=4&pg=PA6#v=onepage&q&f=false

В 1959 году  военно-морские силы США разработали теорию спутниковой навигационной системы для атомных подводных лодок «Поларис», получившую кодовое название TRANSIT.


В 1964 году система космическая группировка TRANSIT поступает на вооружение ВМС США. Система была предназначена для обнаружения подводных лодок и сначала состояла из шести спутников, но со временем их число выросло до десяти.

Вестибюль Куонсет хижины транзитной станции спутникового слежения 019:

1.Трехосевой низкочувствительный магнитометр спутниковой антенны
2.Сигнальный полюс
3.Вспомогательный фоновый полюс
4.Проблесковый маячок температурной сигнализации
5.СНЧ антенна
6-9.Доплеровские антенны спутникового слежения
10.Труба от печи нагревателя
11.Прожектор
12.Топливный бак

Оборудование внутри транзитной станции спутникового слежения 019:

1.Блок автоматического управления
2.Таймер-счетчик
3.Детектор временного интервала
4.Диаграмма преобразования временного интервала
5.Журнал спутниковых эфемерид
6.Ресивер
7.Устройство отображения времени
8.Программист заголовка-трейлера
9.Цифровые и основные часы
10.Главный генератор
11.Рекордер полосной диаграммы
12.Бумажный перфоратор
13.Коротковолновой приемник

Не отображено на схеме: УНЧ приемник, блок исправления рефракции, система резервного питания, блоки питания, регуляторы напряжения переменного тока.



Подводным лодкам часто часами приходилось ждать сигнала со спутника, а оборудование занимало очень много место, но это был настоящий прорыв в морской навигации.

Впервые предложение по использованию спутников для навигации было сделано проф. В.С. Шебшаевичем. Эта возможность была открыта им при исследовании приложений радиоастрономических методов в самолетовождении.  В Советском союзе под грифом “секретно” в период с 1958 по 1959 год  начинаются работы над подтверждением данного предложения. В Ленинградской военно-воздушной инженерной академии имени А. Ф. Можайского, Институте теоретической астрономии АН СССР, Институте электромеханики АН СССР, двух морских НИИ и Горьковском НИРФИ были проведены исследования по кодовым названием “Спутник”. В результате были созданы предпосылки к созданию первой советской низкоорбитальной навигационной спутниковой системы «Цикада» предназначенной для советских подводных лодок и военных кораблей.


В 1967 году был выведен на орбиту первый отечественный спутник "Космос-192" ("Циклон") с экспериментальной навигационной аппаратурой на борту. Аппаратура спутника обеспечивала непрерывное излучение радионавигационного сигнала на частотах 150 и 400 МГц в течение всего времени активного существования. Использование солнечных батарей цилиндрической конструкции, наличие гравитационной системы ориентации и ряд других решений, впервые применённые на данном спутнике стали базовыми для создания спутников навигации, связи и геодезии.

В 1979 году навигационная система "Цикада" была сдана в эксплуатацию в составе четырех спутников. Навигационные спутники были выведены на круговые орбиты высотой 1000 км с наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Плоскости орбит наклонены на 45° друг к другу. Система "Цикада" позволяла потребителю в среднем через каждые 1.5 – 2 часа входить в радиоконтакт с одним из спутников и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5-6 мин. Навигационная система "Цикада" использовала беззапросные измерения дальности от потребителя до навигационных спутников. Данная система до сих пор поддерживается в рабочем состоянии.


В период “холодной войны” между США и СССР развернулась настоящая технологическая битва за создание глобальной спутниковой системы позволяющей не только точно и быстро ориентироваться в пространстве, но и использовать оружие высокоточного поражения.  Сегодня обе глобальные космические группировки ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS построены по одному и тому же принципу, имеют одинаковую структуру и примерно равное количество спутников на орбите. Современный GPS или ГЛОНАСС прибор рассчитывает свое местоположение, скорость и высоту над уровнем моря на основе расчёта времени, которое затрачивается на прием сигналов от четырех или более спутников, т.е. по тем же принципам, которые заложили советские и американские учёные 55 лет назад.

В период “потепления отношений” между двумя сверхдержавами спутники, которые были предназначены исключительно для военных, теперь совместно служат для мирных целей  (систем спасения, мониторинга объектов, навигации, геодезии и других.). Но всё так же несут и боевое дежурство, продолжая обеспечивать высокоточную навигацию и обеспечение систем наведения и управления для вооружённых сил своих стран.

P.S 4 октября 2012 года американские военные запустили и успешно вывели на орбиту свой новый спутник GPS Block IIF-3, видимо тем самым отметив 55 летний юбилей запуска первого советского спутника и день Космических войск России. Мы так же поздравляем всех с юбилеем, а военных с их праздником.

Продолжение следует

Обсудить на форуме

Источники:
http://www.glonass-ianc.rsa.ru/guide/
http://www.aetherczar.com/?tag=richard-kershner
http://en.wikipedia.org/wiki/Transit_(satellite)
http://space.skyrocket.de/doc_sdat/tsiklon.htm
http://www.astronautix.com/craft/transit.htm