Анализ вариантов модернизации структуры орбитальной группировки системы ГЛОНАСС для обеспечения её конкурентоспособности

Для обеспечения конкурентоспособного уровня отечественная система ГЛОНАСС должна иметь тактико-технические характеристики (ТТХ) по точности, доступности и устойчивости радионавигационного поля, как минимум, на одном уровне с зарубежными аналогами. При этом достигнуть паритета с GPS необходимо в ближайшей перспективе на основе КА следующего поколения «ГЛОНАСС-К». Их использование определит ос-

Анисимова О. А., 2019

новные характеристики отечественного координатно-временного и навигационного обеспечения до 2030 года [1–3].

Рост потребностей в навигационных услугах в мире идёт семимильными шагами, а это означает, что такими же темпами должны развиваться средства и технологии самих навигационных систем. Дальнейшее развитие системы ГЛОНАСС должно происходить с учётом двух определяющих это развитие факторов.

Первым из них является необходимость перманентного обеспечения требований существующих и перспективных потребителей различного типа. Причём не только требования к навигации потребителей в обычных условиях (на открытой

2618-7957

ОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И

местности), но и в условиях сложного рельефа местности и городской застройки в мегаполисах.

Другим фактором, который необходимо принимать во внимание при формировании направлений развития ГЛОНАСС, являются направления и уровень развития глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) за рубежом [4–8].

Основным конкурентом системы ГЛОНАСС является американская GPS, орбитальная группировка (ОГ) которой состоит из 32 КА. Интенсивно развиваются европейская ГНСС Galileo и китайская BeiDou, которые, в соответствии с планами их 6     развития, к 2020 году будут полностью развёрнуты, и иметь в составе своих ОГ по 30 и 35 КА соответственно.

В связи с этим при формировании нового облика системы ГЛОНАСС необходимо учитывать, что без модернизации структуры ОГ ГЛОНАСС её характеристики будут существенно уступать аналогичным характеристикам трёх зарубежных ГНСС.

Таблица 1

Параметры орбиты ГНСС

ГЛОНАСС/GPS/Galileo/BeiDou [9, 10]

Количество штатных КА	24/32/27/27
Высота орбиты, км	19400/20200/23222/21528
Количество плоскостей	3/6/3/3
Наклонение	64,8°/54,8°/56°/57°

Синтез возможных вариантов модернизации ОГ ГЛОНАСС

Модернизация существующей ОГ ГЛОНАСС может осуществляться путём [6, 7, 11, 12]:

• •    увеличения числа КА с сохранением трёхплоскостной структуры и изменением высоты и наклонения орбит;

• •    увеличения числа КА с сохранением трёхплоскостной структуры и параметров орбит;

• •    увеличения числа КА с введением 3-х дополнительных плоскостей для размещения в них антиподных КА. Дополнительные плоскости располагаются между основными.

Модернизированные орбитальные группировки из 27 КА

Первое, наиболее действенное, направление связано с увеличением числа спутников в системе до 27 с возможными вариантами:

• •    изменения параметров ОГ (переход на более высокие орбиты с большой полуосью,

Том 3

а = 27594 км, повторяемостью трассы – 17/9, периодом 12 ч 40 мин и понижением наклонения до 57°);

• •    сохранения параметров существующей ОГ (небольшое поднятие высоты орбит для сохранения изотрассности).

В первом варианте характеристики навигационных услуг будут практически совпадать с характеристиками Galileo (имеет место слабая широтная асимметрия за счёт отличий наклонений, но несколько лучшее, чем в Galileo, качество навигации в приполярных регионах).

Во втором варианте формируется ОГ из 27 КА по 9 КА в каждой плоскости с высотой на 100 км выше штатной ( Т = 40811 с, а = 25620 км, повторяемость трассы – 19/9).

В табл. 2 приводятся навигационные характеристики для этих 2-х вариантов: ОГ ГЛОНАСС из 27 КА с параметрами орбит, близкими к номинальным, ОГ ГЛОНАСС-27* модернизированная ( а = 27730 км, i = 57°); и ОГ Galileo ( а = 29600 км, i = 57°), также состоящая из 27 КА.

Наиболее приемлемый вариант модернизации ОГ системы ГЛОНАСС (ОГ из 27 КА с сохранением её наклонения, но изменением высоты на ~100 км) для своей реализации потребует:

• •    перестройки орбитальной группировки (перевод функционирующих КА в новые системные точки) и вывод её из целевого использования на длительное время (0,5 года);

• •    изменения программно-методической документации по управлению КА из-за изменения изотрассности (вместо 8 суток будет 9 суток).

Для обеспечения работы в системе ГЛОНАСС с ОГ из 27 КА как существующего, так и создаваемого парка потребителей также необходимо разработать новый суперкадр для передаваемой с КА ГЛОНАСС навигационной информации по дополнительным 3 КА, провести доработку бортовой навигационной аппаратуры КА, средств НКУ ГЛОНАСС, согласовать радиочастотную заявку на дополнительные литеры частот.

Модернизированные орбитальные группировки из 30 КА

Изотрассные варианты ОГ, состоящие из 30 КА, требуют повышения высоты орбиты ОГ ГЛОНАСС на 200 км. Такая ОГ имеет большую полуось a , равную 25710 км, повторяемость трассы – 21/10, драконический период – 41026 с. Такая ОГ является трёхплоскостной, в каждой плоскости находится по 10 равномерно распределённых КА, наклонение их орбит 64,8°. Навигационные характеристики этой ОГ практически совпадают с характеристиками ОГ-30 (неизотрассная), и несколько лучше, чем у Galileo из 27 КА. В табл. 3 приведены навигационные характеристики этих 3-х ОГ.

Таблица 2

Навигационные характеристики 2-х вариантов ОГ ГЛОНАСС-27 и ОГ Galileo-27

	ОГ ГЛОНАСС-27 Г/Р	ОГ ГЛОНАСС-27* Г/Р	ОГ Galileo-27 Г/Р
Среднее значение пространственного геометрического фактора PDOP для угла места 5°	1,78/1,62	1,74/1,67	1,71/1,68
Доступность по условию PDOP ≤ 6 на открытой местности с ограничениями по углу места 5°	1/1	1/1	1/1
Доступность повышенной точности по условию PDOP ≤ 2 на открытой местности с ограничениями по углу места 5°	0,801/0,894	0,842/0,880	0,872/0,883
Доступность по условию PDOP ≤ 6 в городской и горной местности с ограничениями по углу места 25°	0,725/0,877	0,804/0,815	0,852/0,807

Примечание: Г – глобальная зона обслуживания, Р – зона обслуживания территории Российской Федерации .

Таблица 3

Навигационные характеристики ОГ ГЛОНАСС из 30 КА и ОГ Galileo

	ОГ-30 а = 25509 км Г/Р	ОГ-30 а = 25710 км Г/Р	ОГ Galileo-27 Г/Р
Среднее значение пространственного геометрического фактора PDOP для угла места 5°	1,66/1,51	1,66/1,51	1,71/1,68
Доступность по условию PDOP ≤ 6 на открытой местности с ограничениями по углу места 5° (%)	1/1	1/1	1/1
Доступность повышенной точности по условию PDOP ≤ 2 на открытой местности с ограничениями по углу места 5° (%)	0,912/0,991	0,916/0,992	0,872/0,883
Доступность по условию PDOP ≤ 6 в городской и горной местности с ограничениями по углу места 25° (%)	0,876/0,970	0,880/0,972	0,852/0,807

Таблица 5

Аргументы широты спутников группировки ГЛОНАСС ОГ-30А

Номер спутника в плоскости	Ω = 0°	Ω = 60°	Ω = 120°	Ω = 180°	Ω = 240°	Ω = 300°
1	0		15		30
2	–45	–37,5	–30		–15
3	–90		–75	–67,5	–60
4	–135		–120		–105	–52,5
5	–180		–165		–150
6	–225	–217,6	–210		–195
7	–270		–255	–247,5	–240
8	–315		–300		–285	–232,5

Таблица 6

Навигационные характеристики ОГ из 30 КА

	ГЛОНАСС-24 Г/Р	ОГ-30 Г/Р	ОГ-30А Г/Р	ОГ-30Б Г/Р	ОГ-30 (6×5) Г/Р
Среднее значение пространственного геометрического фактора PDOP для угла места 5°	1,94/1,74	1,66/1,51	1,67/1,54	1,72/1,56	1,61/1,55
Доступность по условию PDOP ≤ 6 на открытой местности с ограничениями по углу места 5°	0,99991/1	1/1	1/1	1/1	1/1
Доступность повышенной точности по условию PDOP ≤ 2 на открытой местности с ограничениями по углу места 5°	0,614/0,842	0,912/0,991	0,87/0,965	0,836/0,983	0,936/0,973
Доступность по условию PDOP ≤ 6 в городской и горной местности с ограничениями по углу места 25°	0,492/0,786	0,876/0,97	0,710/0,89	0,730/0,93	0,772/0,964

Таблица 7 ⁹

Навигационные характеристики ОГ-36, ОГ-36А, ОГ-36Б, ОГ-36С

	ОГ-36 Г/Р	ОГ-36А Г/Р	ОГ-36Б Г/Р	ОГ-36С Г/Р
Среднее значение пространственного геометрического фактора PDOP для угла места 5°	1,49/1,35	1,47/1,38	1,54/1,41	1,52/1,46
Доступность по условию PDOP ≤ 6 на открытой местности с ограничениями по углу места 5° (%)	1/1	1/1	1/1	1/1
Доступность повышенной точности по условию PDOP ≤ 2 на открытой местности с ограничениями по углу места 5° (%)	0,960/1	0,971/1	0,953/0,99995	0,951/0,990
Доступность по условию PDOP ≤ 6 в городской и горной местности с ограничениями по углу места 25° (%)	0,956/1	0,846/0,938	0,900/0,985	0,831/0,923

2618-7957

ОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И технологии имина

щие КА, не целесообразны. Это связано с тем, что они требуют изменения параметров орбит с помощью изменения программы запусков и реконфигурации существующей ОГ, что требует больших затрат топлива и времени на реконфигурацию. Единственным приемлемым вариантом увеличения высоты КА является создание параллельно с существующей ОГ ГЛОНАСС в других плоскостях изотрассной ОГ из 30 КА с высотой, большей номинала на 200 км. Достоинством такого варианта является отсутствие необходимости коррекции орбит существующих КА, возможность практического сохранения схем выведения и достоинства самой ОГ (равномерность, изотрассность).

4. Изменение наклонения с целью компен-

сации зон ухудшения точности тоже не целесообразно, так как требует неприемлемых затрат на коррекцию и существенного изменения программы выведения при отсутствии соответствующего эффекта.

Кроме развития ОГ ГЛОНАСС в рамках средневысотных орбит целесообразно рассматривать развитие ОГ за счёт создания регионального сегмента на основе геосинхронных орбит, в том числе геостационарных орбит, геосинхронных наклонных орбит и высокоэллиптических орбит. Достоинством этих орбит являются улучшение навигационных характеристик, в основном на территории РФ, а также возможность осуществлять комплексирование навигационных и связных услуг. В то же время использование дополнения из геосинхронных ОГ потребует серьёзной модерниза-

Том 3

ции наземного комплекса управления, программы запусков и, скорее всего, создания КА нового типа.

Заключение

На основе проведённого предварительного анализа можно сделать вывод о том, что предпочтительным является вариант перехода к шестиплоскостной ОГ из 30 КА (в штатную группировку добавляются 3 дополнительные плоскости), который обеспечит следующие возможности:

• •    повышение устойчивости навигации при использовании существующей навигационной аппаратуры потребителей (НАП), функционирующей по 24-м КА ГЛОНАСС, на основе стратегии переключения режимов функционирования части дополнительных КА в случае выхода из строя до 6-ти из 24 КА штатной ОГ;

• •    существенное повышение качества навигации для перспективной НАП, функционирующей по расширенной ОГ из 30 КА;

• •    изотрассность орбит и, как следствие, более высокую по сравнению с неизотрассными вариантами устойчивость орбитальных параметров и параметров РНП на протяжении всего срока активного существования без использования корректирующих импульсов;

• •    преемственность с существующей ОГ и открытость ОГ данного типа к дальнейшему (более 30 КА) эффективному развитию ОГ, пределом которого является достижение состава из 48 КА в виде удвоенной существующей ОГ ГЛОНАСС.