Эпоха новых космических аппаратов ГЛОНАСС

Высокоорбитальный космический комплекс ГЛОНАСС Смещение национальных шкал времени относительно Международной шкалы координированного времени UTC

Цифровая трансформация экономики во всем мире требует точной временной синхронизации процессов и достоверной информации о пространственном положении объектов. Глобальные навигационные спутниковые системы являются сегодня самым точным средством решения данных задач, посредством формируемого спутниками искусственного радионавигационного поля.

В 2022 году исполняется 40 лет первому запуску спутника ГЛОНАСС и сегодня именно характеристики радиосигналов навигационных спутников определяют качество навигационных услуг. В наступающем году будет осуществлен запуск первого спутника четвертого поколения «Глонасс-К2» № 13L, который будет излучать полный ансамбль навигационных сигналов — сигналы с частотным разделением (в диапазонах L1 и L2) и сигналы с кодовым разделением (в диапазонах L1, L2 и L3).

Это долгожданный запуск подведет итоги почти 10 лет работы и позволит начать этап предоставления услуг посредством всего ансамбля сигналов с кодовым разделением с помощью фазированной антенной решетки, расположенной на геометрической оси спутника. Антенная решетка для сигналов с частотным разделением будет смещена на 0,9 м относительно оси спутника, однако подобная конструкция будет реализована всего на двух спутниках.

Следующие спутники «Глонасс-К2» будут иметь общую антенную систему для всех навигационных сигналов, их запуски начнутся в 2024 году.

Завершается пусковая компания спутников «Глонасс-М» — крайний спутник второго поколения, который предоставляет услуги с помощью открытых навигационных сигналов с частотным разделением в традиционных диапазонах 1,6 и 1,25 ГГц. Это будет седьмой спутник, способный излучать сигнал с кодовым разделением в диапазоне L3. В настоящее время данный сигнал излучают только два спутника «Глонасс-К», однако завершение работ по приему в эксплуатацию модернизированного наземного комплекса управления ГЛОНАСС позволит предоставить услуги посредством этого сигнала. Мы прогнозируем последовательное увеличение спутников, способных предоставлять данные услуги, на уровне до двух спутников ежегодно по мере замены спутников «Глонасс-М» на спутники «Глонасс-К» и «Глонасс-К2» в рамках стратегии запусков по оперативной необходимости.

Безусловно, задержка обновления орбитальной группировки, на момент написания данной статьи 15 спутников (62% созвездия) работают сверх гарантийного срока активного существования, ограничивает возможности по повышению точности. На протяжении 10 лет эквивалентная погрешность псевдодальности за счет космического комплекса (ЭППД) составляет 1,4 м, при этом спутники, запущенные в последние годы, обеспечивают величину ЭППД на уровне 0,8 м.

Аналогичные и в перспективе более высокие точностные характеристики имеют сигналы спутников «Глонасс-К», которые будут восполнять орбитальную группировку ближайшие три года. Данные спутники имеют единую антенную решетку для трех диапазонов частот и могут излучать как сигналы с частотным разделением, так и с кодовым.

В целях повышения точности и доступности навигации в 2022 году начинаются работы по созданию дополнительной орбитальной группировки из шести спутников в трех плоскостях, образующих две трассы подспутниковых точек.

Создание данной группировки позволит на 25% повысить точность навигации в восточном полушарии за счет снижения величины геометрического фактора. Кроме того, на всей территории России и в Арктике возрастает доступность навигационных услуг ГЛОНАСС в сложных условиях, при которых потребитель имеет возможность принимать сигналы спутников, находящихся выше 25° над уровнем горизонта.

Спутники нового поколения будут построены на основе платформы «Глонасс-К», которая уже успешно прошла летную квалификацию и показала возможность достижения точности прогнозирования ЭППД в 0,3 м.

Моделирование на этапе предварительного проектирования данной группировки показало, что спутник, имеющий конструкцию типа «Глонасс-К», может обеспечить на данных орбитах ЭППД менее 0,4 м при использовании стандартного бортового синхронизирующего устройства на основе цезиевого стандарта частоты. Подобные точности при условии использования моделей задержек в ионосфере и тропосфере, передаваемых в навигационных сигналах, позволит потребителям осуществлять навигационные определения в абсолютном режиме менее 2 м в плане. Навигационные услуги данные спутники будут предоставлять посредством сигналов с кодовым разделением в трех частотных диапазонах.

Параметры дополнительной орбитальной группировки

Наименование параметра	Значение
Количество плоскостей	3
Количество трасс	2
Количество КА	6
Наклонение орбит	64.8°
Большая полуось, км	42 164.142
Период, с	86 164
Эксцентриситет	0.072
Географическая долгота восходящего узла	60°, 120°

Масса новых спутников будет менее 1 000 кг, что позволит запускать их на заданные орбиты с обоих российских космодромов (Плесецка и Восточного) посредством высоконадежной ракеты «Союз-2». Первый запуск спутника на высокую наклонную геосинхронную орбиту планируется на 2026 год.

Важной задачей ГЛОНАСС является передача потребителям национальной шкалы времени UTC (SU). За последние годы удалось добиться значительных результатов в этом направлении, в частности:

Введён в эксплуатацию комплекс высокоточных средств сличений национальной шкалы координатного времени UTC (SU) со шкалой времени ГЛОНАСС, который включает перевозимые квантовые часы, обеспечивающие хранение шкалы времени с погрешностью не более 1 нс на интервале наблюдения 1 сутки и при времени транспортирования не более 12 ч, а также комплекс дуплексных сравнений шкал времени, обеспечивающий сравнение с предметами допускаемой погрешности ± 1,5 нс;
модернизированы и введены в эксплуатацию комплексы хранения шкалы времени вторичного эталона единиц времени и частоты ВЭТ1-5 (г. Иркутск) и РЭТ1-1 (г. Петропавловск-Камчатский), обеспечивающий суммарную погрешность 3·10-15, и имеющие пределы допускаемого смещения шкалы времени комплекса относительно национальной шкалы времени UTC (SU) ± 10 нс;
создан оптический репер частоты наземного базирования на холодных атомах стронция с погрешностью воспроизведения единицы частоты и времени не более 1·10-17;
создан хранитель единиц времени и частоты на основе «фонтана» атомов рубидия, имеющих нестабильность частоты не более 2·10-16, для оснащения эталонов единиц времени и частоты и последующей передачи более точной время-частотной информации прецизионным наземным и бортовым средствам и системам ГЛОНАСС;
создан опытный образец комплекса хранения национальной шкалы времени Российской Федерации на основе водородных хранителей нового поколения.

Применение вновь разработанных технических средств позволило существенно уменьшить максимальное смещение национальной шкалы времени относительно Международной шкалы координированного времени UTC, на 2020 год этот показатель составил менее ± 3 нс. По данным BIPM, шкала времени UTC (SU) входит в число лучших национальных реализаций UTC.

В заключении можно однозначно констатировать, что 2022 год будет полон важных для потребителей ГЛОНАСС событий, которые обеспечат улучшение потребительских характеристик и заложат основу дальнейшего развития системы.