Перевод статьи опубликованной в Феврале 2001 года в журнале Professional Surveyor,
Публикуется с разрешения Professional Surveyors Publishing Company, Inc,
1713-J Rosemont Avenue, Frederick, MD 21702-4140,USA
Phone: +(301) 682-6101
Fax: +(301) 682-6105
E-mail:profsurv@profsurv.com

Перевод выполнен "Навгеоком" © 2002

Автор статьи: Марк Чевес (редактор журнала Professional Surveyor)

Предупреждающие знаки "Разрешено применение силы вплоть до уничтожения" указывают на высокий уровень защиты основной компоненты GPS - Главной управляющей станции (Master Control Station - MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление GPS в мировом масштабе. Не так давно, после прохождения многочисленных пунктов контроля безопасности, у меня появилась возможность посетить MCS и встретиться с персоналом, отвечающим за работу одного из самых важных "изобретений" 20-го века.

Антенна внутри защитного кожуха радиолокационной станции, изображенная на заднем плане фотографии, используется для приема и передачи телеметрической информации от GPS спутников. На переднем плане показаны двойной ряд безопасности и один из датчиков движения.

База ВВС Шривер является местом размещения 50-го космического соединения США - подразделения командования воздушно-космических сил. Она занимает площадь 15.5 кв. км и насчитывает в штате 3800 военнослужащих, гражданских специалистов министерства обороны и специалистов, служащих по контракту. Непосредственной работой по управлению созвездия спутников занимается 2-ой дивизион космических операций. Руководство работами по обслуживанию спутников осуществляют с пункта космических операций им. Джека Швигерта (Швигерт являлся астронавтом и командиром-пилотом корабля Аполлон 13).

50-е космическое соединение имеет богатую историю. В начале 1981 г. ВВС США сообщили о создании службы управления военными космическими системами. Первоначально эта служба располагалась на станции ВВС Фалкон, которая строилась, главным образом, как резервная для станции ВВС Онизука, шт. Калифорния. Именно со станции Онизука ранее осуществлялось управление всеми спутниками министерства Обороны США. В 1987 г. было создано 2-е космическое соединение и его управление было передано cо станции Онизука на станцию Фалкон.

Вследствие широкой реорганизации ВВС США 2-е космическое соединение перестало существовать и в 1992 г. создается 50-е космическое соединение. В 1998 г. станция ВВС Фалкон была переименована в базу ВВС Шривер в честь генерала Бернарда А. Шривера, пионера в разработке национальных программ баллистических ракет, а также космических и ракетных программ ВВС США. 50-е космическое соединение управляет большинством спутников ВВС США, включая спутники системы связи министерства обороны (DSCS), системы обеспечения министерства обороны (DSP) и военными стратегическими и тактическими спутниками-ретрансляторами (MILSTAR). В космосе функционирует более 500 спутников, из которых свыше 200 принадлежит США, при этом половина из них имеет военное назначение. К числу задач космического соединения относятся связь, навигация, наблюдения и определение погоды.

Передача секретных данных

Спутники системы DSCS, размещенные на орбитах свыше 42 тыс. км, обеспечивают передачу закодированной речи и данных по всему миру. В их состав входит управляемая антенна в виде тарелки для обеспечения более мощного луча, который может регулироваться с учетом различий терминалов пользователей. Эта система продемонстрировала свою истинную ценность во время операции "Буря в пустыне", десятая годовщина которой исполнилась в феврале 2001 г.

Терминал DSCS использовался для связи между зонами боевых действий и Пентагоном. Некоторые официальные лица министерства обороны рассматривали использование системы GPS как ключ к победе в операции "Буря в пустыне", благодаря использованию авиадиспетчерами, пилотами, танкистами и другими специалистами ее навигационных возможностей. Любопытна статистика; в операции "Буря в пустыне" только 10% применявшейся боевой техники использовали систему GPS как систему точного наведения, тогда как во время конфликта в Косово, GPS использовалась для этих целей в 95% случаев.

Спутники системы DSP имеют орбиты с высотами 40 тыс. км и выше. Они используются с 1970-х годов в качестве системы раннего предупреждения для обнаружения пусков ракет, космических запусков и ядерных взрывов. Эти спутники использовались во время операции "Буря в пустыне" для обнаружения и предупреждения пусков Ираном ракет Scud. Использование программы DSP выявило необходимость размещения на спутниках дополнительных механизмов для устранения нежелательного спутникового момента. Все последующие спутниковые программы, включая GPS, имеют такие дополнительные устройства. Это позволяет сократить расход бортового горючего.

Система MILSTAR обеспечивает ретрансляцию сигналов связи для военных целей. Эту систему можно считать уникальной благодаря использованию каналов связи спутник-спутник, при этом исключается потребность в уязвимых и дорогих наземных ретрансляционных станциях. Для односторонней связи требуется 2.8 секунды, а это значит, что связь с подтверждением приема осуществляется менее чем за 6 секунд.

Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов на орбитах, близких к круговым, высотой чуть более 20 тыс. км. Их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры - 1.52м в ширину и 5.33м в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. С вводом в эксплуатацию Блока II спутников GPS, частью программы GPS стало также обнаружение ядерных взрывов. В задачу входит точное определение моментов наземных взрывов.

Станции слежения

Наземная часть системы GPS состоит из пяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс. В будущем планируется создание еще одной станции наблюдения на мысе Канаверел, шт. Флорида. На всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Затем информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции и используется для обновления эфемерид спутников.

Наземные антенны используются для передачи команд и обновленной навигационной информации на спутники и для приема данных о функционировании спутников (телеметрии). Фактическое управление спутниками осуществляет бригада из семи человек, работающих посменно по восемь часов.

Каждая бригада состоит из трех офицеров и четырех рядовых военнослужащих. Командиром бригады является капитан, руководителем бригады – высококвалифицированный гражданский специалист. В каждой бригаде работают от двух до четырех операторов спутниковых систем, оператор загрузки системы, оператор наземных систем и оператор космического аппарата.

Рис. 2 Пилот первого класса Thomas J. King просматривает телеметрию с GPS спутника.

Операторы спутниковых систем осуществляют фактическую загрузку информации. Если в процессе мониторинга выявляются ситуации, когда данные телеметрии не соответствуют требуемым техническим характеристикам, то за их корректировку отвечает оператор космического аппарата. Примером подобных ситуаций может быть "период затмения", когда спутник находится на теневой стороне планеты. В это время используется энергия батареи, поскольку на солнечные панели не падает свет.

Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа. Мониторинг состояния спутников осуществляется практически непрерывно. За сутки выполняется 70-80 контактов с созвездием спутников. Оператор наземных систем отвечает за поддержание работоспособности всех каналов связи между станцией MCS и удаленными станциями.

Оператор спутниковой системы подготавливает и передает команды и загрузочные данные, а оператор космического аппарата выполняет различные тесты функционирования подсистем. После поступления сигнала об обнаруженном сбое, в течение 30-40 мин выполняется анализ работоспособности спутника. В настоящее время в случае, если спутник находится в зоне видимости, срочные загружаемые команды могут быть выполнены в течение нескольких минут.

На фотографии изображен операционный зал станции слежения: на переднем плане – рабочее место оператора спутниковых систем, на заднем плане справа – рабочее место оператора космического аппарата, на заднем плане слева – рабочее место специалиста по навигации.

С помощью станций слежения оператор системы загрузки отслеживает сигнал, получаемый со спутников. Получение качественных характеристик навигационного сигнала достигается за счет поступления сигнала с каждой следящей станции, посредством создания на MCS модели параметров спутника и, при необходимости, путем введения поправок в модель MCS или в навигационные данные.

Оператор космического аппарата постоянно отслеживает механическую работоспособность спутников. В случае отклонения от штатной работы космического аппарата он предпринимает необходимые действия по обеспечению "безопасности" тепловых, электрических и механических устройств спутника. Существующее в настоящее время число наземных станций наблюдения приводит к разрывам в слежении за орбитами. С целью обеспечения не только непрерывной, но и избыточной видимости за спутниками, к сети имеющихся станций наблюдения добавляются еще шесть станций Национального управления картографирования (NIMA). Увеличение числа наземных станций обеспечивает более высокую точность и полноту данных. Кроме того, появляется возможность увеличения разностей между временем GPS и UTC (USNO), которые обновляются в интервале от 1 до 96 раз в сутки (каждые 15 минут).

Профессиональная подготовка специалистов

Первоначальную подготовку персонал проходит на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии. На базе ВВС Шривер новые сотрудники контрольной станции проходят интенсивный курс обучения в течение трех месяцев и постоянные тренинги во время работы. На станции, кроме военных специалистов, постоянно присутствуют гражданские специалисты фирм-производителей спутниковых систем.

Десять лет тому назад все члены бригад являлись военными специалистами, каждый из которых имел инженерное или техническое образование. Интенсивное обучение и изменение в политике управления ВВС позволили заменить некоторых военных специалистов гражданским персоналом. Качественная подготовка специалистов имеет и “обратную сторону”. Возникает проблема сохранения персонала станции из-за потребности частных компаний в высокопрофессиональных специалистах.

Задачи ежегодного обслуживания

Основной задачей ежегодного обслуживания созвездия спутников является корректировка их движения по орбитам. Она требует от операторов периодически изменять положение спутника в плоскости орбиты. Корректировка осуществляется с использованием небольших двигателей-ускорителей, которые называются "delta-v". Данная процедура выполняются в основном один раз в год, однако, при необходимости может производиться и чаще.

Другая задача требует от операторов производить "накачку ионов" на резервные спутниковые часы, в это время спутник должен находиться в автономном режиме. Сообщения о планируемых остановках в работе выдаются за 96 часов до перевода спутника в автономный режим. Тенденции поведения спутников тщательно фиксируются. Каждые 15 минут программное обеспечение автоматически выполняет проверку допустимых параметров и оценку измеренных, отнаблюденных и спрогнозированных по передаваемым данным величин.

Рис. 4 Рабочее место специалиста по навигации

Далее эти измерения проходят через фильтр Калмана с целью сравнения смоделированного поведения с фактическим. Анализ выполняется по постоянно протоколируемым данным. Ежеквартально готовятся отчеты для космического командования с рекомендациями планов запусков. Например, в одном из недавних отчетов вследствие уменьшения созвездия спутников было рекомендовано запустить в 2001 г. три спутника вместо двух. Станция MCS является единственным военным спутниковым подразделением, которая имеет собственную радиотрансляционную сеть. Другие подразделения ВВС, нуждающиеся в использовании наземных антенн, должны резервировать их использование.

Альтернативная контрольная шкала времени

Пять лет назад на станции MCS была размещена альтернативная контрольная шкала времени(Alternate Master Clock - АМС). Один раз в час, используя двухканальный спутниковый передатчик времени, АМС синхронизируется с главными часами обсерватории ВМФ США, которые установлены в Вашингтоне, округ Колумбия.

В соответствии с дипломатическим договором между 48 государствами, Международному бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Measures - BIMP) предоставлено право "обеспечивать единообразие измерений во всемирном масштабе и возможность их перевода в Международную систему единиц (SU)". Всемирное координированное время (UTC) является часами "на бумаге" и состоит из поправок времени, получаемых во всемирном масштабе в лабораториях - членах BIMP.

Главные часы обсерватории ВМФ "сверяются" или синхронизируются со шкалой UTC (BIPM). Эталоны времени в США состоят из водородных мазеров, наилучшим образом хранящих время в течение короткого периода, и цезиевых устройств, которые лучше всего хранят время в течение длительного периода.

Рис. 5 Водородные мазерные часы USNO на контрольной станции

Как известно, созвездие спутников непрерывно “стареет”. Отработавшие спутники отводятся на расстояние 1.1 тыс. км от стандартной орбиты для вывода их из созвездия. По этой причине, необходимо обеспечить управление спутником и после выключения его из числа функционирующих спутников созвездия. В настоящее время инвестируется 200 млн. долларов в наземный сегмент управления для обновления программных и аппаратных средств.

Генерал-лейтенант Ланц Лорд, бывший заместитель командира космического командования ВВС США, сказал: "Если Вы не в космосе, Вы не участвуете в прогрессе технологии, в движении вперед". Специалисты космического командования ВВС несут серьезную ответственность перед нашим государством. Точность и целостность GPS системы делают ее выдающимся символом преданности делу этих людей.