История развития отечественной спутниковой радионавигации

[Skylark]

Рождение идеи

Современная отечественная спутниковая радионавигация создавалась усилиями многих научных учреждений и производственных предприятий нашей страны. А идея зародилась в Научно-исследовательском гидрографическо-штурманском институте - НИИ-9 ВМФ (НИГШИ ВМФ, ныне - Гос. научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт - НИНГИ МО РФ - С-Пб, Большой пр. ВО, д. 104 / Кожевенная линия 41) В недрах именно этого учреждения родилась идея и усилиями горячих сторонников этой идеи в НИИ-9 прокладывалась трудная дорога к созданию низкоорбитных и среднеорбитных спутниковых радионавигационных систем.

В середине 50-х годов незадолго до запуска первого ИСЗ (1956 г.) трудно было представить, какое значение он сможет оказать на развитие навигации. Даже многие крупные ученые, получив просьбу Президиума АН СССР высказаться о том, как можно использовать космос, не смогли ничего предложить. В то же время развитие ВМФ требовало создания глобальной высокоточной системы определения координат места и курса корабля для коррекции корабельных автономных навигационных систем.

Летом 1956 г. только что окончивший ВМА старший научный сотрудник НИГШИ  Вадим Алексеевич Фуфаев высказал идею использования для этой цели ИСЗ. Эту идею поддержали начальник отдела Леонид Иванович Гордеев и заместитель начальника Института известный штурман Бруно Иванович Цезаревич.

На первенство идеи есть и другие претенденты - может быть, что  первое обоснованное предложение об использовании спутников для навигации родилось в Ленинграде также еще до запуска первого спутника в коллективе, возглавляемом проф. В.С. Шебшаевичем, в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им. А.Ф. Можайского в 1957г. при исследовании возможностей применения радиоастрономических методов для самолетовождения.

Научные основы низкоорбитальных навигационных спутниковых систем были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958-1959 гг.), которые осуществляли ЛВВИА им. А.Ф. Можайского, Институт теоретической астрономии АН СССР, Институт электромеханики АН СССР,  НИИ-9 ВМФ и Горьковский НИРФИ.

Идея использования ИСЗ, снабженных радиопередатчиком (необходимой мощности), для навигации казалась фантастической, но после запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого ИСЗ появилась реальная основа для ее осуществления. Первые попытки НИГШИ привлечь к научным исследованиям этого вопроса ВМА и Пулковскую обсерваторию оказались неудачными. Оставалось рассчитывать, в первую очередь, на собственные силы НИГШИ .

В Институте была создана инициативная группа, которая проводила исследования по трем направлениям:
- разработка дальномерного метода определения координат корабля (В.А. Фуфаев);
- разработка доплеровского метода определения координат (В.П. Заколодяжный);
- разработка угломерных методов определения координат и поправки курсоуказания (с 1961 г. Е.Ф. Суворов).

В.А. Фуфаев и Е.Ф. Суворов кроме научных исследований много времени уделяли решению различных организационных вопросов. Идея постепенно пробивала себе дорогу и в других научных организациях. Позже капитан 1 ранга Суворов Евгений Фёдорович возглавил 17 отдел НИИ-9.

В результате выполненных проработок и после серии полезных совещаний в Подмосковном НИИ-4 (январь-март 1958 г.) с участием И.А. Артельщикова, А.А. Большого, Г.И. Левина, Ю.А. Мозжорина, П.Е. Эльясберга, В.Д. Ястребова в НИИ-4 МО началась разработка аванпроекта системы. В 1959 г. в Институте в течение года была проведена научно-исследовательская работа по разработке методов определения координат места по навигационным ИСЗ. На эту пионерскую научно-исследовательскую работу Комитетом по делам изобретений и открытий при СМ СССР впоследствии было выдано удостоверение о регистрации. Выводы, сделанные в отчете о работе, свидетельствуют о том, что на тот период не учитывалась возможность использования всего видимого участка орбиты ни в доплеровском, ни в дальномерном методах, реализованных в системе в последующем. Это прежде всего связано с тем, что тогда еще не представляли огромных возможностей вычислительной техники.

Таким образом, благодаря исследованиям, проводимым в 1958-1959 гг. в  НИГШИ , институтах и вузах МО, АН СССР и промышленности в стране был заложен самостоятельный научно-исследовательский фундамент спутниковой радионавигации и подготовлен этап практического создания низкоорбитной спутниковой радионавигационной системы (СРНС). В первой половине 1960 г. был разработан аванпроект первой отечественной низкоорбитной СРНС. Однако, по ряду причин работы по созданию системы были отложены.

Период 1961-1963 гг. был весьма трудным для инициаторов создания СРНС. В 1961 г. произошла реорганизация НИГШИ  и он утратил самостоятельность, войдя в состав объединенного Института ВМФ. Руководство объединенным Институтом пыталось переподчинить инициативную группу, а разрабатываемую систему включить в многофункциональную космическую систему ВМФ. В промышленности среди разработчиков навигационных комплексов появились противники создания СРНС. Они пытались доказать, что использование радиоастрономических методов определения места имеет большие перспективы для глобальной всепогодной помехоустойчивой навигации.

Несмотря на все эти неприятности, которые отнимали у руководителей инициативной группы массу времени, работы над созданием методов спутниковой радионавигации продолжались. С помощью ЭВМ "Урал", а позднее "М-20", были кординально решены вопросы математического моделирования, что позволило "проигрывать" различные варианты задачи определения координат при большой избыточности измеренных значений навигационных параметров и получить более ясное представление о степени необходимой детализации алгоритма решения навигационной задачи для ее реализации в корабельной аппаратуре.

Так была решена задача оценки точности определения поправки курсоуказания по ИСЗ, связанная с перебором значений с секундными шагами аргументов в пределах нескольких угловых минут и выбором минимальных значений.

В.П. Заколодяжным был наиболее полно исследован алгоритм доплеровского метода (1958-1964), что позволило в дальнейшем положить его в основу создания приемной аппаратуры "Штырь-Б".

В этот период много внимания уделялось разработке концепции организации вычислений и концепции эфемеридного обеспечения.

Вопросы использования вычислительных устройств, в первую очередь, решались применительно к корабельной приемной аппаратуре. Первые же попытки моделирования задач показали необходимость выполнения большого объема вычислений в ходе обсервации. Поэтому Институту приходилось искать разработчиков малогабаритных вычислительных устройств для этих целей. В 1961 г. была предпринята попытка привлечь организацию, возглавляемую главным конструктором Ф.Г. Старосом, но она оказалась неудачной. Надо отметить, что в то время головными институтами ВМФ, НТК ВМФ был взят курс на использование на корабле единой ЭВМ - боевой информационно-управляющей системы (БИУС), разработка специализированных ЭВМ для решения отдельных задач категорически запрещалась.

Ошибочность этого требования сотрудникам Института пришлось испытать при разработке корабельных приемоиндикаторов, предполагаемых к широкому распространению, вплоть до малых кораблей и судов любых ведомств, когда требовалось для вычислений использовать элемент БИУСа по весам и габаритам в десятки раз превосходящим возможности размещения этой аппаратуры на корабле.

Поэтому при разработке доплеровской комплектации корабельной аппаратуры "Штырь-М" в ее состав был включен блок вторичной обработки информации (фактически - специализированная ЭВМ).

Впоследствии была принята новая стратегия - "иерархическая система", которая допускала создание специализированных ЭВМ, но на это ушли годы.

В 1964 г. НИГШИ снова стал самостоятельным НИИ-9 ВМФ и была создана лаборатория по спутниковой тематике, которую возглавил Е.Ф. Суворов. К руководству возрожденным НИИ-9 пришел контр-адмирал Юрий Иванович Максюта. В его лице направление спутниковых навигационных систем получило компетентное и целенаправленное руководство.

Многократные сообщения о состоянии работ по системе США "Транзит", которая с 1963 г. уже функционировала, привели к тому, что 15.01.64 г. на правительственном уровне было принято решение о создании отечественной спутниковой системы.

С этого решения на основе разработанной в Институте методологической базы начались практические шаги по созданию отечественных СРНС. В декабре 1966 г. в Институте был сформирован отдел "Методов и средств использования искусственных спутников Земли в навигации", из трех лабораторий.

Коллектив отдела существенно усилился с прибытием в него И.Р. Берестенко, Г.А. Букина, В.И. Лапшиной из Красноярского ОКБ, ветерана разработки корабельных радиоастрономических средств Э.А. Жижемского, выпускников ВМА В.А.  Панкевича, Ю.С. Тюрина, выпускника академии им.Дзержинского В.А. Пыленкова, выпускников академии им.А.Ф. Можайского Л.А. Кобякова, Е.А. Малыгина и В.Н. Челищева.
     
Циклон - первая спутниковая система навигации в СССР.  


Создание такой системы на практике должно было ликвидировать разрыв между потенциальными боевыми возможностями появившихся в конце 1950-х - начале 1960-х годов ракетных подводных лодок и характеристиками автономных средств управления их движением и подготовки данных для стрельбы ракетным оружием. Точность определения местоположения лодки во время пуска баллистических ракет, находящихся на борту, напрямую определяла точность стрельбы ими.

Разработанное ЦУКОС МО совместно с ВМФ тактико-техническое задание предусматривало создание системы с четырьмя спутниками на низкой круговой орбите, обеспечивающей с помощью корабельной и лодочной навигационной аппаратуры обработку навигационных сигналов спутников и определение местоположения. Наличие канала служебной связи позволяло повысить оперативность управления силами флота.

В 1962 г. НИИ-695 (п/я 241, с 1966 г. - Московский НИИ радиосвязи, с 1993 г. - ОАО "МНИИРС") разработал эскизный проект на экспериментальную навигационно-связную систему «Циклон» с двумя режимами работы: режим с переносом информации, который мог быть использован подводными лодками (ПЛ) и надводными кораблями при их нахождении в любом районе Мирового океана, и режим непосредственной ретрансляции, используемый при одновременном нахождении объектов ВМФ в зоне видимости КА. Высота орбиты КА была порядка 800 км.

Разработку системы «Циклон» и космических аппаратов для нее осуществляло КБ прикладной механики МОМ (г.Красноярск-26, главный конструктор - М.Ф. Решетнев. Сегодня это - ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» - одно из ведущих предприятий российской космической отрасли, выросшее из филиала Королевского  ОКБ-1 в  г. Железногорске Красноярского края),

Разработку навигационного и командно-измерительного комплексов осуществляло НИИ «Радиоприбор» МОМ (главный конструктор - Н.Е. Иванов, директор - Л.И. Гусев. Это бывший НИИ-885 и будущий НИИП, РНИИ КП, ныне - ОАО РКС), связного комплекса и системы в целом - МНИИРС МПСС (главный конструктор связной части системы - Н.Н. Несвит, корабельного комплекса - И.Х. Голдштейн).

Спутник выводился ракетой-носителем «Космос-3М» (кстати, разработки того же Решетневского КБ прикладной механики). Летные испытания были начаты в 1967 г. и проводились государственной комиссией под руководством вице-адмирала Г.Г. Толстолуцкого - начальника связи ВМФ.

Система «Циклон», как и разработанная еще в 1958 г. аналогичная американская система Транзит, использовала допплеровский метод определения местоположения. Эта методика основана на том, что по изменению допплеровского сдвига частоты радиосигнала от спутника, движущегося по орбите с известными параметрами, можно рассчитать географические координаты точки наблюдения.

По своим информационным характеристикам комплекс «Циклон» существенно отличался от американского аналога, который обеспечивал определение только плановых координат местоположения. А радионавигационный спутник системы "Циклон" был оснащён ретранслятором для радиотелеграфной связи подводных лодок и кораблей ВМФ с береговыми пунктами управления и между собой, дополнительно излучал радиосигнал на частоте 10 ГГц.

Как уже отмечалось выше, связь могла осуществляться как при нахождении абонентов в зонах совместной радиовидимости, так и глобально, с задержкой на время переноса спутником информации. Дополнительный радиосигнал предназначался для коррекции корабельной системы указания курса. Такое увеличение функциональной нагрузки на спутник делало его не только навигационным, но и связным, а создаваемую на его основе спутниковую систему - навигационно-связной.

Оригинальная система ориентации для КА «Циклона», выполненная специалистами КБ прикладной механики, стала значительным достижением в отечественном спутникостроении, что было подтверждено более чем сорока авторскими свидетельствами.

Для управления космическим аппаратом «Циклон» в 1966 году НИИ «Радиоприбор» завершило разработку командно-программной траекторно-измерительной радиолинии (КПТРЛ) «База». Для размещения аппаратурного комплекса в 1966-1967 годах на НИП-14 было построено техническое здание № 202. К концу 1967 года аппаратура радиолинии «База» была установлена, смонтирована, состыкована и проверена в автономном режиме. Начальник отделения КПТРЛ "База" на НИП-14 - майор Колчин А.Г.

В 1967-1969 гг. были запущены первые три спутника 11Ф617 системы «Циклон» и в период до 1970 г. проведены летно-конструкторские испытания экспериментальной системы, которые позволили проверить и уточнить принципы построения аппаратурных комплексов и системы в целом.

Испытания корабельной аппаратуры были начаты в Балтийском море и на НИП-15  в Щелково-7. Были предъявлены: доплеровская аппаратуры "Штырь-Б" (гл.конструктор Н.Е. Иванов), дальномерная аппаратура "Импульс-Б" (гл.конструктор А.Ф. Смирновский), угломерная аппаратура "Цезий" (гл. конструктор М.К. Петушков), аппаратура синхронизации "Карбид-Б" (гл.конструктор Е.Ю. Сентянин) и ЭВМ "Амулет" (гл.конструктор В.В. Стрыгин).

Первый сигнал был принят от КА «Циклон» № 1 («Космос-192») КПТРЛ "База" 27 ноября 1967 года, на третий день  после запуска спутника "Космос-192".

Для испытаний корабельной навигационной аппаратуры в Балтийском море был переоборудован ЭОС "Николай Зубов". В организации работ по переоборудованию деятельное участие приняли офицеры Гидрографического управления ВМФ В.И. Губанов, Е.А. Конеченков и Ю.Н.Косков, а от НИГШИ В.Н. Агафонов и Ю.Н. Семаков.

Гаранин В.К., НИИ-9 ВМФ: "В марте (речь о 1969 г.) начинаются ЛКИ по теме "Циклон". Летают на круговых орбитах высотой 800 км два спутника по тонне весом каждый. 80% веса занимает связная аппаратура, она же съедает 90% электроснабжения от бортовых источников тока. У прагматиков-американцев уже близка к завершению работа по созданию спутниковой системы навигации "Транзит". Их спутники в 10 раз легче, но в них нет другой аппаратуры, кроме навигационной. Навигационным параметром в "Транзите" служит доплеровский сдвиг частот навигационного сигнала. Я на ТОГЭ возможности такого параметра не предполагал.

В нашем "Циклоне" также используется доплеровский эффект, для надёжности он идёт на двух радиочастотах. Этот сигнал принимается ненаправленной антенной типа "Штырь". И ещё в нашей системе имеется и угломерно-дальномерный канал, о возможности использования которого я докладывал командованию в 1960 году. Вместо РЛС "Кама" в "Циклоне" используется радиосекстан "Цезий", замеряющий углы и дальности до спутника.

Для испытаний корабельной аппаратуры по части навигации специально переоборудовано Экспедиционное океанографическое судно 335 ОД ЭОС "Николай Зубов". Работы по установке на "Зубов" навигационного комплекса "Сигма-850" начались ещё при мне. Теперь я назначен Командиром отряда координирования (КОК). Мой заместитель - Волосов Павел Семёнович, старший научный сотрудник 17 отдела, кандидат военно-морских наук, лейтенант флота в отставке. Он закончил ВВМУ, но по состоянию здоровья сразу был уволен в отставку. В отряд входит штурманская боевая часть ЭОС "Николай Зубов" со всем личным составом и техникой, а также прикомандированная Радиодальномерная гидрографическая партия с аппаратурой "Рым", радионавигационным и теодолитным планшетами.

Март и апрель 1969 года я провёл в районе Балтийска. Большая часть из этих двух месяцев прошла в полигоне к северо-востоку от мыса Таран (Брюстерорт). Я поставлял на каждый сеанс связи со спутником эталонные координаты, а Павел Семёнович Волосов - поправки курсоуказания. Работа очень муторная, изматывающая. Но я был доволен: через 9 лет мои мысли начали воплощаться в реальность..."            Первоисточник

Первые испытания на Черном море показали, что система не обеспечивает заданную точность определения местоположения. Ошибка составляла 3 км, что было абсолютно неприемлемо. Весной 1969 г. ответственность за баллистико-навигационное обеспечение навигационных КА взял на себя Центр командно-измерительных комплексов. Разрабатывавшееся в это время в ВЦ Центра КИК в Голицыно-2 под руководством его начальника В.Д. Ястребова новое программно-математическое обеспечение (ПМО) позволило повысить точность расчета эфемерид навигационных КА в 10-30 раз.

В ноябре 1969 г. была проведена обработка полного набора измерений одного КА в течение 5 суток на новом ПМО и достигнута точность определения местоположения 100 метров! Вскоре выяснилось, что в использовавшемся ранее ПМО разработки КБ прикладной механики были ошибки, обусловленные неаккуратным учетом аномалий гравитационного поля... Таким образом, после доработки алгоритма измерений и обработки навигационной информации удалось достичь требуемой точности.

Для накопления полноценных экспериментальных данных и подготовки предложений по созданию боевой системы спутниковой связи, система «Циклон» в 1971 г. была сдана в опытную эксплуатацию под названием «Залив» (приказ министра обороны №0033 об этом вышел только в 1972 г.). При этом оконечные комплексы «Цунами-М» были дополнительно установлены на средних дизель-электрических подводных лодках проекта 613 и больших дизель-электрических лодках проекта 611, на крейсере «Адмирал Сенявин» и на плавбазе «Тобол». Позднее к испытаниям были привлечены ПЛ "Б-36", "Б-78" КСФ и "Б-88" КТОФ.

Источник ( и продолжение статьи с красочными фотографиями)