Спутники-штурманы
Поскольку в последнее время все больше разных судов одновременно находятся на морских просторах, возникает потребность в спутниках-штурманах, помогавших при мореплавании. Кроме этого, спутники такого типа являются незаменимыми помощниками и в самолетовождении. Данные аппараты получили название навигационных.
Для того чтобы проложить курс корабля или самолета, в каждый момент времени нужно знать их точное местонахождение. С древних времен мореплаватели пользовались естественными небесными ориентирами: солнцем, звездами, планетами. Кроме этого, в процессе навигации участвовало магнитное поле Земли.
Когда Колумб пересекал Атлантический океан, он пел на запад строго по 29-й параллели. Предполагалось, что его флотилия окажется у берегов Флориды. Но они промахнулись и оказались у одного из Багамских островов, а это значительно южнее. Аналогичное ошибки происходят и в наши дни.
Как это ни печально, ошибки в навигации приводят порой к очень серьезным последствиям. К примеру, мировой торговый флот ежегодно теряет большое количество судов. За 1984 год эта цифра составила, по данным Ливерпульской ассоциации страховщиков, 215 кораблей обшей грузоподъемностью в 1,3 миллиона тонн. Многие из этих судов сели на мель или столкнулись друг с другом. Существует и еще одна опасность: каждый сезон на окраине Гренландии образуется 10-15 тысяч айсбергов, которые, пересекая морские просторы, угрожают катастрофой пассажирским, рыболовецким и грузовым судам.
Справиться с этой проблемой помогают спутники. Космическая навигационная система позволяет на 20% сэкономить время следования по маршруту трансатлантических океанских и воздушных судов. Имеются данные, из которых видно, что ежегодно спутники предотвращают до 400 катастроф как в воздухе, так и на воде.
В Министерстве морского флота бывшего СССР было создано Всесоюзное объединение «Морсвязьспутник». В его системе действовали советские и международные спутники связи. Навигационные данные, полученные с их помощью, использовались для сокращения интервалов между самолетами в воздухе, продолжительности трансокеанских рейсов. Космическая система навигации дала возможность существенно улучшить коммерческие показатели флота. Как видно из расчетов, каждое транспортное судно, пользовавшееся при прокладке курса спутниковыми данными, в среднем экономило 18-20 тысяч рублей в год.
Все традиционные средства навигации использовались в мореплавании. Но на заре своего развития авиация позаимствовала их для своих целей. После того как было изобретено радио, а затем и радиолокация, большое распространение получили радионавигационные и радиолокационные системы. Но в настоящее время даже точность этих систем уже не устраивает моряков и летчиков, потому что стала слишком большой плотность движения судов. Возникла необходимость в более точном определении координат, так как для судов с осадкой в 15-20 мэтров малейшая неточность может грозить такси неприятностью, как посадка на мель.
С большой загруженностью морских трасс связан и такой вид аварий, как столкновение судов. Например, через пролив Ла-Манш в сутки проходит 400-500 судов, и двигаются они чаше всего ночью, в густом тумане. В таких условиях даже небольшое отклонение от курса грозит столкновением.
Основные принципы спутниковой навигации очень похожи. Суть данного метода заключается в следующем. Пять спутников, расположенных на орбитах по долготе 60°, дают возможность вести наблюдение в любой точке земного шара с интервалами на экваторе примерно в 80°, а в средних широтах - около 40°.
Наземные станции слежения дважды в день передают на спутники значения их эфемерид, а также сигналы коррекции бортового временного устройства, которое дает сигналы точного времени, обеспечивая тем самым высокую точность системы. В зависимости от методов измерения параметров, которые имеет относительное положение искусственного спутника Земли и искомого объекта, различают несколько способов определения местонахождения корабля или самолета. К ним относятся: дальномерный, угломерный, комбинированный и доплеровский.
Первые три метода из-за своей малой точности практически не применяются. При доплеровском способе для того, чтобы определить смешение курсового параметра искусственного спутника, точки стояния объекта относительно следа траектории спутника на земной поверхности (курсового параметра искусственного спутника), применяются измерения доплеровского сдвига частоты радиосигналов, передаваемых бортовым передатчиком.
На всех судах приборы настроены на прием радиосигналов со спутников, которые непрерывно передают сведения о своем положении. Полученные данные аппаратура судов передает судовой ЭВМ, которая анализирует и обрабатывает их, а потом рассчитывает последовательно положение спутника на орбите, местоположение судна по отношению к нему. В конечном счете ЭВМ выдает географические координаты, высвечивающееся на световом табло или записывавшиеся на ленту телетайпа. Задача штурмана— нанести на карту корректировку в заданный маршрут.
Навигационные спутники, находящиеся на высокой орбите (порядка 1100 километров), имеют период обращения в 107 минут. За это же время Земля поворачивается примерно на 26°. Значит, каждый следующий виток будет находиться западнее предыдущего на 2880 километров, то есть на величину, меньшую, чем размер зоны прямой видимости, равный для этой высоты 3000 километрам.
Все замеры, которые производит навигационная спутниковая система, привязаны к единому времени. Для этого на спутнике смонтированы высокоточные часы. Время от времени они корректируются с Земли при помоги: сигналов единого времени. Передача этих сигналов происходит одновременно с передачей эфемерид. В результате геостационарные спутники заменили мореплавателям безмолвную Полярную звезду, по которой они ориентировались испокон веков.
На лайнерах «М. Лермонтов», «А. Пушкин» установлена аппаратура, позволяющая в рейсах из Санкт-Петербурга к берегам Северной Америки прокладывать курс с точностью до 2 кабельтовых (примерно 365 мэтров). При пользовании двухканальной системой приема данных со спутников эта цифра может быть снижена до нескольких десятков метров. Но безошибочное судовождение нужно не только в целях безопасности. Это позволяет сократить время нахождения в пути морского судна, а значит, сберечь топливо и повысить производительность каждого лайнера.
При использовании спутниковой системы навигации гораздо легче определить местоположение самолета над океаном с точностью до 0,9 километра. В начала 70-х годов это делалось с помощью стандартных навигационных средств. Точность определения равнялась 20 кило-мэтрам. Подсчитано, что отклонение сверхзвукового самолета от кратчайшего пути следования примерно на 400 километров увеличивает расход горючего на 3 тонны.
Кроме того, что морской и воздушный флот обеспечивается новыми системами судовождения, спутники могут помочь решить проблемы дальней и сверхдальней связи, сделав ее всепогодной, круглосуточной и не зависящей от географических координат и магнитных бурь. С помощью спутников появится не только надежная связь с берегом, которая обеспечит более быстрый обмен метеорологической, рыбопромысловой, навигационной и другой информацией, но и позволит передавать телевизионные фотоизображения.
Для того чтобы спутники хорошо функционировали, нужно правильно выбрать параметры их орбит. Самыми оптимальными являются полярные и околополярные круговые орбиты, потому что они охватывают всю поверхность Земли, очень стабильны, а кроме того, для них легче, чем для эллиптических, рассчитывать эфемериды и учитывать влияние возмущающих воздействий. Высота орбиты чаше всего равна 1000 километрам.
Для правильного определения любым объектом своего местоположения в любой точке Земли не менее четырех спутников должно находиться на круговых полярных орбитах на расстоянии в 100-120 минут один от другого. Плоскости орбит, или восходящие узлы, должны быть разнесены в пространстве на 45°.
Спутниковая навигационная система, являясь пассивной, тем не менее обеспечивает неограниченную пропускную способность, потому что она основана на измерении доплеровского сдвига частоты радиосигналов искусственных спутников Земли.
Применение навигационных спутников дало возможность повысить безопасность движения кораблей в океанах, а самолетов в воздухе. Помимо этого, на основе навигационных космических комплексов была создана система управления движением океанских и воздушных судов в зонах портов и аэродромов. Ее важное преимущество заключается в там, что стоимость каналов не увеличивается, как в наземных системах, сростам расстояния между корреспондентами.
|
|
Читайте в рубрике «Освоение космоса»: |