Космический сегмент. Полная (проектная) группировка НКА системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, равномерно распределенных в трех орбитальных плоскостях

Полная (проектная) группировка НКА системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, равномерно распределенных в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120° no абсолютной долготе восходящего узла и имеют условные номера 1, 2 и 3, возрастающие по направлению вращения Земли.

В каждой орбитальной плоскости расположено по 8 спутников со сдвигом по аргументу широты 45°. Орбитальные плоскости сдвинуты друг относительно друга на 15°, т.е. спутники в соседних орбитальных плоскостях смещены на 15° по аргументу широты. Нумерация позиций спутников производится по порядку их последовательности на орбите в определенный момент времени и против их движения. Спутникам 1··й орбитальной плоскости присвоены номера 1...8, 2-й орбитальной плоскости - 9".16, 3-й - 17".24.

Орбиты спутников являются близкими к круговым, с высотой 18840...19440 км (номинальное значение 19100 км). Наклонение орбиты - 64, 8° с точностью ± 0, 3°. Точность выведения спутника в заданную точку орбиты составляет 0, 5 с по периоду обращения, ±1° по аргументу широты и ±0, 01 по эксцентриситету.

Орбитальная структура сети спутников построена таким образом, что в каждой точке земной поверхности и околоземного пространства одновременно наблюдаются не менее четырех спутников. Их взаимное расположение обеспечивает необходимые точностные характеристики системы. Нужно заметить, что заданная точность координатно-временных измерений может быть достигнута при наличии в системе 21 спутника, по семь в каждой орбитальной плоскости, а остальные используются в качестве " горячего" резерва. Непрерывность навигационного поля системы ГЛОНАСС обеспечивается на высотах до 2000 км. Система сохраняет полную функциональность при одновременном выходе из строя до 6 НКА (по два в каждой плоскости).

Интервал повторяемости трасс движения НКА и, соответственно, зон радиовидимости наземными потребителями составляет 17 витков или 7 сут 23 ч 27 мин 28 с. Отсюда видно, что СНС ГЛОНАСС не является резонансной (или синхронной), т.е. спутники в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронизма) с вращением Земли. Начало каждого витка смещается относительно поверхности Земли приблизительно на 21° по долготе и орбита каждого НКА имеет многовитковый след. Благодаря этому возмущающее влияние нецентральности гравитационного поля Земли на орбиты НКА значительно снижается и является одинаковым для всех НКА. Как следствие, орбитальная группировка СНС ГЛОНАСС более стабильна по сравнению с GPS, имеющей синхронные 12-часовые орбиты. Орбитальная группировка ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования НКА, хотя срок функционирования НКА на сегодняшний день несколько меньше, чем в GPS.

Так как бортовой запас топлива ограничен, изменение действующей конфигурации орбитальной группировки за счет перевода НКА на другую орбиту допускается только в крайнем случае, для оптимизации навигационных определений или обеспечения электромагнитной совместимости.

Выведение НКА на орбиту осуществляется по групповой схеме, по три спутника одновременно. Схема выведения НКА состоит из трех этапов:

1. Выведение головной части на промежуточную круговую орбиту высотой около 200 км;

2. Переход на эллиптическую орбиту с перигеем около 200 км, апогеем 19100 км и наклонением 64, 3°;

3. Переход на круговую орбиту высотой 19100 км.

Постановка НКА в заданную системную точку может занять от недели до месяца и зависит от соотношения между точкой выведения спутника на орбиту и конечной системной точкой.

Служебные системы и специальное оборудование НКА помещены в цилиндрический гермоконтейнер диаметром 1, 35 м. Для уменьшения возмущений орбиты, возникающих от истечения микроструй газа, герметичность навигационного спутника повышена на порядок по сравнению с другими спутниками.

Внешний вид спутника системы ГЛОНАСС

На поверхности контейнера, обращенной к Земле, смонтированы антеннофидерная система и панель уголковых отражателей. На противоположной стороне находятся топливные баки двигателей ориентации. Спутник снабжен солнечными батареями, ширина которых в раскрытом виде составляет 7, 23 м. Во время нахождения спутника в тени питание бортового оборудования осуществляется от аккумуляторов. Общая масса аппарата составляет 1487 кг.

Время активного существования спутника увеличено с 3, 5 лет до 5 лет и ведутся работы по увеличению этого срока до 12...15 лет. В противном случае расходы на поддержание орбитальной группировки наряду с необходимостью ее доукоплектования могут оказаться чрезмерно большими.

Формирование высокостабильных синхрочастот и бортовой шкалы времени происходит при помощи бортового хронизатора. В состав хронизатора входят три комплекта цезиевого атомного стандарта частоты и устройство формирования синхрочастот и шкал времени. Масса бортового хронизатора - 207 кг.

Хронизатор обеспечивает формирование сигналов стандартной точности и сетки синхрочастот

Бортовой хронизатор может работать в штатном или дежурном режиме. В дежурном режиме в качестве задающего генератора используется кварцевый генератор, и синтезатор частот обеспечивает формирование сетки частот, необходимой на этапе ожидания команд, выведения в заданную точку орбиты или при аварийной ситуации. Оборудование переводится в штатный режим по команде наземного центра управления. При этом происходит синхронное (по фронту импульсов) переключение на атомный стандарт частоты. Если уход бортовой шкалы времени превышает норму, с наземной станции происходит коррекция и фазирование бортовой шкалы.

Кроме бортового хронизатора в состав бортового оборудования входят: бортовой навигационный передатчик, блоки формирования навигационных сигналов, бортовая ЭВМ, системы ориентации и коррекции орбиты, телеметрии, приема сигналов наземного комплекса управления, терморегулирования и электропитания.

Бортовой навигационный передатчик состоит из аппаратуры формирования навигационных сигналов и антеннфидерного оборудования. Для повышения надежности предусмотрено дублирование силовых блоков передатчика и формирователей навигационного сигнала. Для контроля за излучением используются амплитудные датчики ВЧ-излучения антенны, сигнал с которых поступает на бортовую телеметрическую систему. Переключение на резервные блоки может происходить автоматически или по команде с Земли.

Антенно-фидерная система конструктивно представляет собой фазированную решетку, состоящую из двух групп спиральных излучателей.

При проектировании системы первоначально предполагалось разместить на каждом НКА по два передатчика. Один из них должен был излучать навигационный сигнал в направлении центра Земли, для наземных пользователей и низкоорбитальных КА. Второй должен был излучать сигнал в противоположном направлении.

Система ориентации и стабилизации спутников построена по активной трехосной схеме с управляющими маховиками и реактивной системой разгрузки. Система ориентации обеспечивает реализацию программы начальной ориентации НКА после выведения на орбиту, успокоение спутника, ориентацию продольной оси спутника на центр Земли, а солнечных батарей на Солнце, управление вектором тяги двигателей системы коррекции.

Система координат. Передаваемые каждым НКА эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны спутника, так как при определении псевдодальности измеряется время распространения сигнала от фазового центра передающей антенны, до фазового центра приемной. Положение фазового центра передающей антенны легко приводится к положению центра масс спутника, поскольку при орбитальном движении небесного тела орбитой является траектория движения его центра масс.

Координаты фазового центра передающей антенны описываются в связанной с Землей геоцентрической системе координат. Данная система координат определяется следующим образом:

начало координат расположено в центре масс Земли;

ось Z направлена на Условный полюс Земли;

ось Х направлена в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, определенного Международным бюро времени;

ось У дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Земля рассматривается как эллипсоид. Геодезическая широта определяется как угол между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора. Геодезическая долгота определяется как угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку Р. Геодезическая высота определяется как расстояние по нормали от поверхности эллипсоида до точки Р.