Специально для «Гранита науки» старший научный сотрудник Главной астрономической обсерватории НАНУ Марина Ищенко написала статью об искусственных спутниках Земли — космических летательных аппаратов, выведенных на околоземные орбиты – и о разнообразии научных и прикладных задач, для решения которых эти спутники предназначены.
4 октября 1957 г. у нашей планеты появился первый спутник, сделанный руками человека. С помощью ракетоносителя «Спутник» (на базе межконтинентальной баллистической ракеты «Р-7»), под руководством С.П. Королева был осуществлён запуск с полигона «Тюра-Там» (ныне «Байконур») первого искусственного аппарата «Спутник-1», СССР. Проработал он 92 дня и сошел с орбиты 4 января 1958 года. Его масса была 83,6 кг, а диаметр — 58 см. Цели у этой космической мисси были в первую очередь связанны с оттачиванием технологии запусков и выведения космических аппаратов на околоземные орбиты. Кроме этого планировалось:
— проверка расчётов и основных технических решений, принятых для запуска;
— ионосферные исследования прохождения радиоволн, излучаемых передатчиками спутника;
— экспериментальное определение плотности верхних слоёв атмосферы по торможению спутника;
— исследование условий работы аппаратуры.
Последующие спутники с собственными ракетоносителями запустили США и Франция. Под руководством В. фон Бруана с помощью ракетоносителя «Юпитер-С» на базе баллистической ракеты «Редстоун» (запуск с мыса Канаверал) 1 февраля 1958 года был запущен «Эксплорер 1», США. Проработал спутник 111 дней, успев совершить научное открытие – обнаружение радиационных поясов вокруг Земли, получившие название внутренних радиационных поясов им. Ван Аллена.
Франция 26 ноября 1965 года запустила искусственный спутник под названием «Астерикс», проработавший 15 дней. Запуск был осуществлён с космодрома Хаммагир с помощью ракетоносителя «Диамант-А». Научных целей спутник не имел.
С 1957 года прошло уже 63 года и по данным UCS Satellite Database на 31 марта 2020 года на различных высотах околоземных орбит в активном состоянии находятся 2666 искусственных спутников Земли. По количеству активных спутников лидерами являются: США – 1327, Россия – 169, Китай – 363. В основном, искусственные спутники можно поделить по категориям, характеризующим их предназначение. На сегодня наиболее популярна следующая характеристика.
Астрономические спутники – спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов. Среди ярких примеров можно привести такие как «Хаббл» (изучает структуру Вселенной, без влияния эффектов атмосферы Земли), космический гамма-телескоп им. Ферми (исследуются астрофизические и космологические процессы, происходящие в активных ядрах галактик, пульсарах и других высокоэнергетических источниках), «Вояджеры» 1 и 2 (изучали планеты и межпланетное пространство) и т.д. Биоспутники и наноспутники – спутники, предназначенные для проведения научных экспериментов над живыми организмами в условиях космоса. Ко второй категории относятся малогабаритные аппараты (бокс весом несколько кг). Спутники, связанные с изучением Земли, такие как: спутники дистанционного зондирования (поколения «Landsat» и «Sentinel», занимающиеся картографированием поверхности нашей планеты, к примеру, для сервиса Google Maps), метеорологические (спутники, предназначенные для мониторинга погоды, а также для наблюдения климата Земли) и т.д. Спутники связи, такие как «Иридиум» и «Starlink» (проект Илона Маска по глобальной сети интернет) и т.д. Навигационные и военные спутники. И особняком стоят космические станции — долговременные космические корабли.
Тема космического мусора стала актуальна в 2009 году, когда официально было задетектировано столкновение двух искусственных спутников «Космос-2251» (принадлежал Космическим войскам России) и «Иридиум 33» (спутниковая связь «Иридиум», США). После столкновения образовалось более чем 1000 обломков в диаметре от 10 см. Обломков менее чем 10 см еще больше, но их детектирование представляет сложность в связи з мелкими размерами. Помимо осколков к космическому мусору относится все, что находится на околоземных орбитах и является неисправным и не функционирует. Часть таких объектов ежедневно сгорает в верхних плотных слоях атмосферы, а часть – падает на Землю. Строго говоря, существует такое понятие как «орбита захоронения», куда выводится отработанный спутник (при условии, что на момент выведения спутника из состояния «активный», он все еще способен выполнить маневр перехода на эту орбиту, т.е. исправен и достаточно топлива на коррекцию орбиты). Орбита захоронения рассчитывается индивидуально для каждого спутника и наиболее актуальной является для спутников, находящихся на геостационарной орбите.
Кладбище космических кораблей или точка Немо. Не все искусственные спутники могут быть уничтожены при входе в верхние слои атмосферы или выведены на орбиту захоронения. Космические аппараты весом более десятков тонн должны быть контролируемо спущены на Землю или же орбиты корректируются таким образом, что часть аппарата сгорает в атмосфере, а остатки конструкции падают на запланированное место. Таким местом считается точка Немо – территория равно удаленная от берега примерно на 2500 км. и располагается она в Тихом океане, а ближайшее населенное место от нее – остров Пасхи. Точка Немо входит в список земных полюсов недоступности, судоходство там запрещено. В свое время на кладбище нашли пристанище станции «Мир» и «Скайлеб», шесть «Салютов».
Из перечисленных выше разнообразий спутников и спутниковых систем в повседневной жизни большинство из нас хотя бы раз использовали навигацию в телефоне, предоставляемую Глобальными спутниковыми навигационными системами.
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)
Пионеры в области навигации: спутниковые системы «Transit» и «Циклон».
После успешного запуска первого искусственного спутника «Спутник-1» ВМФ США начинает спонтировать разработки по созданию спутниковой навигации, в частности, их интересовало более точное наведение баллистических ракет типа «Поларис», запускаемых с атомных подводных лодок класса «Джордж Вашингтон». 13 апреля 1960 года был выведен на орбиту спутник «Transit 1B», послуживший началом старта к развитию первой спутниковой навигационной системы «Transit» (NAVSAT Navy Navigation Satellite System). В 1964 году система вступила в эксплуатацию для использования ВМФ США. Масса аппарата – 56 кг, высота орбиты – около 1000 км, тип орбиты – полярная (т.е. спутник пролетал через полюс Земли) рабочие частоты 400 и 150 МГц. Путем улучшения приема сигнала наземной аппаратурой и одновременной видимостью пяти спутников точность определения местоположения статического объекта составляла примерно от 100 до нескольких десятков метров. Гораздо хуже определялось местоположение перемещающегося объекта – точность была около 200 м.
В 1967 году система «Transit» получает статус «открытая» для использования гражданским и коммерческим сегментом пользователей, где сразу же начинает пользоваться широким применением в сфере геодезии.
Геодезия (буквально с греческого «делю землю») – это наука о вращении, гравитации и форме Земли, включая их эволюцию во времени, поскольку свойства Земли меняются со временем. Земля является динамической системой – у нее есть жидкая, подвижная атмосфера и океаны, постоянно меняющееся глобальное распределение льда, снега и воды, жидкое ядро, которое претерпевает некоторый тип гидромагнитного движения, мантия, одновременно термически конвектирующая и отскакивающая от ледниковой нагрузки последнего ледникового периода, и подвижные тектонические плиты. Кроме того, геодезией называется отрасль производства, связанная с определением пространственных характеристик местности и искусственных объектов. Применяется для координатного обеспечения картографии, строительства, землеустройства, кадастра, горного дела, геологоразведки и других областей хозяйственной деятельности.
Последний спутник системы «Transit» был запущен в 1988 году, а дальнейшее развитие системы было прекращено в 1996 году. С этого года основная задача «Transit» состоит в изучении и мониторинга ионосферы Земли. Главным недостатком системы был охват не всей территории Земли и ограниченное время доступа.
«Transit» послужила прототипом для разработки Глобальной Системы Позиционирования (Navstar Global Positioning System, более известное как сокращение «GPS»). Годом рождения GPS можно считать 1973, когда министерство обороны США инициировало процесс унификации навигационных систем (разные ведомства работали над разными системами, которые были несовместимы). GPS стала первой действующей основной группировкой глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с момента объявления полностью работоспособной в 1995 году.
Параллельно с «Transit», СССР разрабатывал свою спутниковую навигационную систему, получившую название «Циклон».
В 1967 году был выведен на орбиту первый навигационный отечественный спутник «Космос-192». Навигационный спутник обеспечивал непрерывное излучение радионавигационного сигнала на частотах 150 и 400 МГц. Также дополнительно излучался радиосигнал на частоте 10 ГГц, который использовался для коррекции корабельной системы указания курса. Масса аппарата – 800 кг, высота орбиты – 760 км, тип орбиты – низкая приполярная. Орбитальная группировка состояла из шести спутников и позволяла определять местоположение с точностью до 100 м. В основном, система «Циклон» по своей конструкции и принципу действия была схожа с «Transit». Основной особенностью «Циклона» можно считать наличие бортового ретранслятора для радиотелеграфной связи кораблей ВМФ и подводных лодок с береговыми пунктами управления и между собой. Связь между абонентами могла осуществляться как в зонах прямой радиовидимости, так и глобально, с задержкой по времени (2-3 часа) переноса спутником информации.
В 1976 году был разработан гражданский вариант навигационной системы для нужд торгового морского флота, получивший название «Цикада».
Последнее выведение космического аппарата на орбиту состоялось в 1978 году. На данный момент все спутники выведены из эксплуатации. Навигационная система «Циклон» послужила прототипом для создания следующего поколения навигационной системы под названием «ГЛОНАСС», старт которой был дан в 1976 году специальным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Подобно своему американскому аналогу GPS NAVSTAR, ГЛОНАСС обеспечивает двухчастотные навигационные сигналы L-диапазона для гражданской и военной навигации. Созданная в 1980-х годах, система впервые достигла своей полной работоспособности в 1995 году. После временной деградации номинальная группировка из 24 спутников была полностью восстановлена в 2011 году, и с тех пор система получила статус глобальной.
На сегодняшний день в мире существует четыре глобальных (покрытие сигналом спутниковой системы осуществляется на всю планету) и две региональных (покрытие сигналом спутниковой системы осуществляется на определенную территорию) навигационных спутниковых систем, табл. 1.
Европейская глобальная навигационная спутниковая система «Galileo» разработана как автономная спутниковая система позиционирования для обслуживания по всему миру. Она не зависит от других систем в отношении группировки спутников, наземного сегмента и работы. Система использует те же физические принципы, что и GPS, ГЛОНАСС и другие, то есть измерения дальности на основе радиосигнала от высокоточных часов на космических аппаратах. В 1980-х годах Китай начал разработку региональной спутниковой системы под названием «COMPASS», а с 2015 году система получает статус глобальной под названием «Бэйдоу».
регионального позиционирования)
Определение местоположения: принцип действия. Для осуществления навигационных измерений каждый спутник передает непрерывный сигнал, фиксирующийся наземным ГНСС-приемником. В сигнале от спутника содержатся координаты его местоположения на орбите (никак не координаты пользователя), а так же метка времени, указывающая на момент времени, когда сигнал покинул спутник. ГНСС-приемник определяет расстояние от каждого спутника по задержке передачи сигнала. Зная расстояние до каждого спутника и местоположение самих спутников, принцип определения местоположения сводится к решению геодезической задачи трилатерации. Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис.), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рисунке).
Из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Чем больше будет видно спутников, тем меньше будет радиус этой области и тем выше будет точность. Передача навигационного сигнала на двух частотах используется для того, чтобы можно было вести поправку на запаздывание радиосигналов при их прохождении через ионосферу Земли.
Сегмент пользователя
ГНСС-приемники разрабатываются и производятся уже более четырех десятилетий. Еще в 2013 году, по разным оценкам, около 1 миллиарда гражданских ГНСС-приемников (включая 500-600 миллионов телефонов с функцией ГНСС) использовались в глобальном масштабе. Количество приемников, использовавшихся в военных и правительственных организациях, составляло около 300 000. По предварительным оценкам к 2023 году гражданский сегмент пользователя ГНСС увеличится в разы.
Справа: График процентного соотношения различных ГНСС-систем в сегменте пользователя
Как говорилось выше, спутниковые навигационные системы разрабатывались исключительно для военных целей, но на сегодня эти системы распространен во всем мире и применяется в гражданских целях. ГНСС-приемники можно найти в продаже практически во всех магазинах, специализирующихся на продаже электроники. А их цена варьируется от нескольких сотен до одного миллиона гривен. Они встраиваются в смартфоны, онбордеры, мобильные телефоны, КПК. Потребители без проблем могут покупать приложения и устройства, которые позволяют на электронной карте видеть свое местоположение и способствуют прокладки маршрутов, учитывая дорожные знаки, пробки и разрешены повороты. Кроме этого, ГНСС применяется для следующих целей:
Спутниковый мониторинг и навигация: морская, автомобильная, авиационная, речная и портовая, космическая и транспортная навигация и управление. Геодезия: определение точных границ земельных участков и их координаты. Картография: построение военных, гражданских, государственных, тематических карт. Мобильная связь: некоторые страны применяют ГНСС для определения местонахождения человека, который позвонил 911. Тектоника плит: наблюдение колебания и движения тектонических плит. Активный отдых: различные приложения для спорта и активного отдыха.
Так же ГНСС-широко используется в различных научно-прикладных сферах: от изучения и мониторинга ионосферы и тропосферы, прогноза погоды в реальном времени, предсказывании землетрясений и т.д.
В Украине первая высокопрофессиональная ГНСС-станция была установлена в Киеве на базе Главной астрономической обсерватории НАНУ в конце 1997 года с целью реализации Международной земной системы отсчета. В дальнейшем, при содействии ГАО НАНУ с этой целью в течении следующих пару лет были установлены перманентные станции в Ужгороде, Харькове, Полтаве и Евпатории, послужившие началу работы «Украинской ГНСС-сети». Сейчас, летом 2020 года в Украине действует более 400 высокопрофессиональных ГНСС-станций, установленных различными государственными, академическими, университетскими структурами и частными организациями. ГНСС-сети делятся как на глобальное покрытие территории Украины, примером могут послужить государственная «Система координатно-часового та навігаційного забезпечення України (СКНЗУ)», так и на региональные, такие как «KyivPOS» (обеспечивает покрытием г. Киев). Основная цель создания таких сетей — это обеспечение пользователей в сфере геодезии, земельного кадастра, мониторинга и т.д. возможностью использовать RTK как на государственном, так и на частном уровнях с сантиметровой точностью. Метод RTK в Украине нашел широкое применение в сфере высокоточного земледелия, когда необходимо иметь точность до 2 см, к примеру, при посадке семян. Примером успешной частной копании в этом направлении может служить ПРаТ «Систем Солюшнс», обеспечивающая услугу высокоточного земледелия с помощью более 70 ГНСС-станций, оборудованных ГНСС-аппаратурой фирмы «Leica».
Ряд ГНСС-станций, имеющий длительную историю наблюдений и стабильность в работе, включены в Европейскую перманентную ГНСС-сеть (EPN), целью которой является реализация на европейской части Евразийской литосферной плиты Европейской системы отсчета EUREF. Таких станций на данный момент 19. Пять ГНСС-станций входят в Международную ГНСС-службу (IGS), одной из задач которой, состоит в реализации глобальной системы отсчета. Мониторинг стабильности работы и пересылки наблюдений выполняет Операционный ГНСС-центр ГАО НАН Украины.
RTK (кинематика в реальном времени) – метод получения плановых координат и высот c сантиметровой точностью с помощью поправок, получаемых с базовой ГНСС-станции в режиме реального времени. Необходимым условием является наличие покрытия территории GSM-связи, где ведутся работы и где установлена базовая станция. Принцип работы: сигнал с ГНСС-спутника к моменту фиксирования его ГНСС-приемником подвергается ряду искажений, среди которых влияние различных слоев атмосферы (тропосфера и ионосфера), помехи от различных наземных объектов, а также переотражение сигнала (многолучевость) от разных поверхностей. Высокопрофессиональный двухчастотный ГНСС-приемник, установленный на перманентной станции, способен устранять ряд помех, но в тоже время он не предназначен для полевых работ, а его высокая стоимость не позволяет широкое использование. Для таких целей используют более дешевые аналоги (роверы) с опцией приема поправки от базовой станции. Идеальным расстоянием меду базовой станции и ровером считается 20-30 км.
Ярким примером использования ГНСС-наблюдений в науке является изучение движения литосферных плит. Еще в далеких 1920-х годах Альфред Вегенер выступал на собрании Немецкого геологического общества с докладом о дрейфе материков. Исходной посылкой к созданию теории послужило совпадение очертаний западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки. Если эти континенты сдвинуть, то они совпадают, как если бы образовались в результате раскола одного праматерика. Вегенер не удовлетворился совпадением очертаний побережий (которые неоднократно отмечались к нему), а стал интенсивно искать доказательства теории. Для этого он изучил геологию побережья обоих континентов и нашел множество сходных геологических комплексов, которые совпадали при совмещении, так же, как и береговая линия. Другим направлением доказательства теории стали палеоклиматических реконструкции, палеонтологические и биогеографические аргументы. Многие животные и растения имеют ограниченные ареалы, по обе стороны Атлантического океана. Они очень похожи, но разделены многокилометровых водным пространством, и трудно предположить, что они пересекли океан. Кроме того, Вегенер стал искать геофизические и геодезические доказательства. Однако в то время уровень этих наук был явно недостаточен, чтобы зафиксировать современное движение континентов.
Окончательным доказательством теории движения материков стало глобальное применение спутников GPS в изучении этого вопроса. Поскольку ГНСС-наблюдения на перманентных станциях ведутся каждую секунду 24 часа 7 дней в неделю и не зависят от погодных условий, ученым удалось накопить длительные оценки координатных рядов, что позволило оценить скорости и направления смещений ГНСС-станций.
На карте представлены вектора движений перманентных ГНСС-станций, наблюдения которых анализируются международным консорциумом «UNAVCO». Скорости представлены в глобальной системе отсчета IGS08 (центр системы отсчета находится в центре планеты).
В последующем были определены границы всех основных тектонических плит (их 14), а так же «мелкие» плиты, которые принято рассматривать в составе больших 14.
Примером «мелкой» плиты может служить Анатолийская литосферная плита, на которой расположена Турция, считающаяся сейсмически активным регионом. Если за систему отсчета представить Евразийскую литосферную плиту, когда скорости ГНСС-станций рассчитываются относительно Евразийской плиты (а на самой плите они почти равны нулю), сразу можно выделить вектор движения Анатолийской плиты в сравнении с Африканской (территория Израиля) – они движутся в противоположном направлении. Что вызвано процессом так называемой субдукции вдоль Греческих и Кипрских дуг (синяя линия), где происходит погружение одних блоков земной коры под другие. Такие процессы зачастую сопровождаются активными землетрясениями (ромбы) и вулканизмом (треугольники).
При подготовке материала использованы следующие ресурсы:
База данных по активным спутникам
Ресурс визуализации активных спутников
U.S. Coast Guard Navigation Center
Информационно-аналитический центр КВНО АО ЦНИИмаш
BeiDou Navigation Satellite System
Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)
А также Handbook of Global Navigation Satellite Systems // Edts . Peter J.G. Teunissen and Oliver Montenbruck. 2017
Автор: PhD Марина Ищенко, старший научный сотрудник ГАО НАН Украины, доцент кафедры аэрокосмической геодезии Национального авиационного университета
