3.3.1 Спутники связи
Система связи и управления войсками является важнейшим звеном в организации деятельности вооруженных сил, обеспечивая их функционирование как единого целого.
Географическая протяженность СССР и распространенность сферы деятельности вооруженных сил далеко за пределы государственных границ делают системы космической связи незаменимыми для организации как стратегического, так и оперативного управления войсками. При этом для СССР поддержание постоянной связи между подразделениями и вышестоящими инстанциями представляется особенно важным, т к., насколько можно судить, в советской военной иерархии нижестоящие звенья обладают меньшей свободой действий. Эти обстоятельства отчасти могут объяснить разнообразие существующих в СССР систем космической связи, использующих спутники как на низких, так и на высокоэллиптических и геостационарных орбитах.
Спутники связи на высокоэллиптических орбитах.
Разработка спутников связи началась в СССР в первой половине 60-х гг. Отдаленность территории СССР от экватора затрудняла использование геостационарной орбиты, поэтому в первой системе космической связи были применены сильно вытянутые эллиптические орбиты с апогеем около 40 тысяч километров и перигеем около 450—500 километров, обеспечивающие период обращения близкий к 12 часам.
При расположении апогея такой орбиты над Северным полушарием спутник находится в зоне радиовидимости с территории СССР 8—9 часов в сутки. Правда из-за возмущающего влияния экваториального сжатия Земли большая ось вытянутой орбиты, вообще говоря, не остается неподвижной, а вращается в плоскости орбиты. Скорость ее вращения, однако, обращается в нуль для наклонения 63,4 градуса, которое как нельзя более подходит как для наблюдения таких спутников с территории СССР, так и для их запуска по штатным траекториям выведения с Байконура и Плесецка, обеспечивающим наклонения орбит 65 и 62,8 градуса соответственно.
Период обращения по высокоэллиптической орбите подбирается несколько меньшим 12 часов, так чтобы с учетом прецессии плоскости орбиты обеспечить ежесуточное повторение наземной трассы, что значительно облегчает задачу наведения наземных приемных станций.
Первый такой спутник был выведен на орбиту 22 августа 1964 г., но из-за нераскрытия бортовой остронаправленной антенны он не мог использоваться по назначению и был назван «Космосом-41» [la]. Первым советским спутником связи стал ИСЗ «Молния-1», запущенный 23 апреля 1965 г. Разработка этих аппаратов начиналась в ОКБ-1, а затем была передана образованному в Красноярске «филиалу № 2», возглавленному М. Ф. Решетневым и ныне известному как НПО прикладной механики [1б].
Спутники «Молния-1» имеют массу около 1500 кг и оборудованы ретрансляторами на лампах бегущей волны мощностью 40 и 20 ватт, работающими соответственно в диапазонах 4,1/3,4 ГГц для телевещания на систему наземных станций «Орбита» и 1/0,8 ГГц для телефонно-телеграфной связи[22]. Прием и передача информации осуществляются через одну из двух остронаправленных антенн зонтичного типа. Наряду с ретрансляцией одного телевизионного канала бортовая аппаратура обеспечивает многоканальную телефонную и высокочастотную телеграфную связь, осуществляемую путем мультиплексирования ряда телефонных каналов [2].
Последнее обстоятельство прямо указывает на двойное назначение системы «Молния». Хотя ретрансляция телепрограмм является чисто народнохозяйственным приложением, ВЧ-связь всегда использовалась для правительственных и военных нужд.
Систему из трех спутников «Молния-1», минимально необходимых для поддержания круглосуточной связи, удалось создать только в 1968 г. с запуском «Молнии 1-10». В 1969—70 гг. она была заменена системой из 4 спутников, плоскости орбит которых отстояли друг от друга на 90 градусов, обеспечивая большее перекрытие зон связи. Относительное расположение самих спутников на орбитах синхронизировалось так, чтобы все они следовали вдоль одной и той же наземной трассы.
В 1970 г. запуски «Молний» были перенесены из Байконура в Плесецк, что с 1973 г. сопровождалось уменьшением наклонения используемых орбит с 65 до 62,8 градусов и некоторым изменением вследствие этого процедуры стабилизации трассы.
В 1971 г. начались запуски спутников «Молния-2», использующих ту же базовую конструкцию, но с увеличенными на 50% солнечными батареями и новой ретрансляционной аппаратурой. Рабочая частота увеличилась до 6 ГГц, что повлекло замену зонтичных антенн на рупорные.
В отличие от «Молний-1», в сообщениях о запусках «Молний-2» говорилось об использовании их в интересах международного сотрудничества, так что эта модификация могла предназначаться для конкуренции с возглавляемой США международной организацией спутниковой связи «Интелсат». (Альтернативная «Интелсату» организация стран-членов СЭВ «Интерспутник» была учреждена как раз в 1971 г.).
Последняя на сегодняшний день модель, «Молния-3», появилась в 1974 г. и визуально не отличалась от «Молнии-2», однако была рассчитана на регулярную передачу цветных телепрограмм, которые до этого носили экспериментальный характер.
К концу 1975 г. система спутников «Молния» состояла из 4 групп, по одному представителю всех трех типов в каждой. Использование спутников «Молния-2» в 1977 г. прекратилось, а группировка «Молний-1» с 1976 г. была увеличена с 4 до 8 спутников в разнесенных на 45 градусов орбитальных плоскостях. При этом было замечено, что спутники, запускаемые в промежутки между четырьмя первоначальными плоскостями, функционируют только во время нахождения над территорией СССР, используя режим кодирования частотным смещением [3]. Это послужило основанием для предположения, что система «Молния-1» полностью переключена на военные нужды, а «Молния-3» обслуживает преимущественно гражданских пользователей.
Отметим, однако, что именно «Молния З» с 1976 г. используется в системе экстренной связи между правительствами СССР и США, а также для связи с корабельными измерительными пунктами космического командно-измерительною комплекса СССР.
Если отдельные запуски серии «Молния-1» (как правило, в зимние месяцы) продолжают осуществляться и с Байконура, то все «Молнии-3» выводятся на орбиты только с Плесецка.
В 1983 и 1985 гг. орбитальная группировка «Молний-3» также была расширена с 4 до 8 спутников. В отличие от 12 остальных задействованных «Молний», движущихся вдоль общей для всех наземной трассы, 4 спутника новой группы расположены так, что их наземная трасса смещена по долготе примерно на 90 градусов, т е. апогей ежесуточных витков оказываются не над азиатской частью СССР и северо-восточной частью Америки, а над Западной Европой и Тихим океаном (рис. 3.2).
Среднее время замены спутников серии «Молния» в 1990 г. достигло 1400 суток, т е. около 4 лет. почти удвоившись по сравнению с первой половиной 80-х. Тем не менее, увеличение количества одновременно использующихся «Молний» до 16 обусловило сохранение до последнего времени высокого темпа их запусков – 5—6 ежегодно. Всего же за 27 лет с 1965 по 1991 г. на орбиты было выведено 140 спутников под этим названием, не считая еще 7 вышедших на нерасчетные орбиты и объявленных «Космосами» (см. табл. 3.1).
Спутники связи на высокоэллиптических орбитах сохраняют свою привлекательность для СССР даже после развития сети геостационарных спутников, будучи более удобными для использования в высоких широтах. В 1990 г. было объявлено о планах замены после 1992 г. более чем пожилых «Молний» на новые ИСЗ «Маяк», Сохраняя внешние конструктивные черты «Молнии», он должен наряду с использованием обычного диапазона 6/4 ГГц обеспечивать связь с мобильными пользователями в диапазоне 1,6/1,5 ГГц [4]. В то же время говорилось о намерениях заменить «Молнию-З» геостационарными ИСЗ «Гранит» [5].
Низкоорбитальные спутники связи
Существование системы «Молния» не помешало параллельному созданию сразу нескольких систем низкоорбитальных ретрансляторов.
Первая система, предположительно, была впервые испытана в 1967 г., когда «Космос-158» был выведен стартовавшей с Плесецкого космодрома ракетой-носителем «Космос» (С-1) на круговую орбиту высотой 850 км с наклонением 74 градуса[23].
С 1970 г, начались систематические запуски с частотой 1—2 пуска в год (см табл. 3.2). Средняя высота орбит спутников составляла 800—820 км, что соответствовало периоду обращения 100,8—101,0 минут. Их точное назначение представлялось неясным, т к. орбиты были выше, чем у спутников радиотехнической разведки, а, в отличие от навигационных, которые с 1967 по 1970 г. запускались на почти такие же орбиты, данные спутники не излучают характерных синхронизованных сигналов.
По мере продолжения запусков выяснялось, что новые спутники образуют самостоятельную систему, располагаясь в 3 орбитальных плоскостях, восходящие узлы которых отстоят друг от друга на 120 градусов. Поскольку от них не фиксируется никаких передач, кроме непрерывного излучения радиомаяка мощностью не более 1 ватта, предполагается, что над иностранной территорией они работают только в режиме приема информации, а сбрасывают ее во время прохождения над территорией СССР. Подобный режим записи/воспроизведения или «ретрансляции с задержкой» применяется, например, в системах тина электронной почты. Малое количество спутников, при котором время ожидания связи может составлять несколько часов, свидетельствует об использовании их для ретрансляции не самых срочных сообщений, например, для связи с разведывательной агентурой, работающей в различных частях света.
Впрочем, время ожидания связи значительно снижается, если в каждой плоскости одновременно функционируют несколько спутников. Долгое время считалось, что в каждый момент времени система состоит только из трех работающих спутников, хотя и предполагалось, что «списанные» ранее аппараты могут вновь задействоваться при преждевременном выходе из строя пришедших им на смену. Впоследствии, однако, обнаружилось, что радиомаяки спутников данного типа используют как минимум две различные частоты, что свидетельствует о возможности одновременного функционирования в каждой плоскости нескольких ИСЗ. В течение же 1989 г Кеттерингская группа слежения зафиксировала сигналы двенадцати (!) таких спутников, старейший из которых был загущен еще в 1983 г [6].
По этой причине оценить реальную долговечность спутников рассматриваемого типа весьма затруднительно. Средний интервал между повторными запусками в каждую отдельную плоскость в 1989—1991 гг. возрос до 26 месяцев по сравнению с 14-ю, сохранявшимися на протяжении 1980—1988 гг. Однако, учащение запусков в начале 80-х могло объясняться и стремлением улучшить эксплуатационные характеристики системы за счет увеличения числа задействованных спутников.
Вторая низкоорбитальная система отличается тем, что спутники-ретрансляторы массой всего по 40—60 кг[24] запускаются носителем «Космос» (С-1) сразу по 8 штук. Спутники, очевидно, поочередно отделяются от второй ступени носителя еще до полной отсечки ее двигателя, оказываясь благодаря этому на несколько различающихся орбитах высотой около 1500 км с периодами обращения от 114,5 до 116 минут. Из-за небольшого различия параметров орбиты постепенно расходятся, но последующие пуски синхронизуются так, что новые партии спутников всякий раз доставляются в середину этого пучка траекторий.
При достаточной долговечности бортовой аппаратуры три-четыре запуска обеспечивают довольно густое и случайное распределение ретрансляторов по орбите, так что в пределах отдельного театра военных действий можно было бы поддерживать прямую связь. По этой причине данная система считается предназначенной главным образом для тактической связи. Она могла бы обеспечивать передачу сообщений и в глобальном масштабе с незначительным или даже нулевым временем ожидания доступа, но с задержкой ретрансляции. Развертывание «октетной» системы началось в 1970 г.[25] и до конца 1991 г. состоялось 44 запуска – в среднем по два в год (см. табл. 3.3). За все время существования она не претерпела никаких видимых изменений, и только в 1985 г. появились признаки возможного дополнения или замены ее более новой.
Новая система состоит из более крупных спутников, запускаемых примерно втрое более грузоподъемным носителем «Циклон» (F-2) по 6 штук за раз. Группы из 6 спутников также, выводятся на орбиты высотой около 1500 км, но с наклонением 82,6 градуса, что улучшает охват приполярных районов. В двух первых запусках на орбиту доставлялось только по одному полноразмерному аппарату и по 5 макетов, имевших вчетверо меньшие радиолокационные сечения и предназначавшихся для отработки системы последовательного oотделения спутников при групповом выведении. Эксплуатация системы началась два года спустя, в 1987 г. При этом партии из 6 рабочих спутников стали запускаться поочередно в две взаимно перпендикулярные плоскости, обеспечивая более равномерное распределение ретрансляторов по орбите.
Ввод «секстетной» системы в эксплуатацию немедленно отразился па запусках «октетов», частота которых с 1987 г. была сокращена с двух до одного в год.
Наметившаяся в последние годы тенденция к коммерциализации деятельности космических предприятий СССР привела к тому, что в 1990 г. НПО прикладной механики и НПО точных приборов предложили создать на базе «секстетных» спутников коммерческую систему связи «Гонец». Представленные при этом данные позволили впервые увидеть реальный облик советского военного связного спутника (рис. 3.3).
Каждый «Гонец» представляет собой цилиндр массой 225—250 кг, покрытый солнечными элементами и снабженный выдвижной штангой гравитационного стабилизатора. Две малонаправленные конические антенны обеспечивают связь по 2—3 каналам в диапазоне 200—400 МГц при емкости бортового запоминающего устройства 8 Мбайт.
При коммуникации отдаленных группировок с центральным командованием системы низкоорбитальных ретрансляторов уступают высокоэллиптическим или стационарным ИСЗ по оперативности, однако избыточность такой распределенной системы делает ее менее уязвимой. Потеря одного или даже нескольких ретрансляторов практически не сказывается на операционных характеристиках системы, что особенно важно при ведении боевых действий.
Это обстоятельство в сочетании с относительной простотой и дешевизной низкоорбитальных ретрансляторов объясняют, почему низкоорбитальные спутники связи продолжают интенсивно применяться, несмотря на появление целого ряда геостационарных.
Геостационарные спутники связи
Использование геостационарной орбиты в СССР затруднялось географическим положением, осложняющим выведение на экваториальные орбиты и, видимо, техническими проблемами. Первую заявку на резервирование мест и частот на геостационарной орбите СССР подал в Международный союз электросвязи еще 3 февраля 1969 г., а первый реальный запуск состоялся только в марте 1974 г. – на 12 лет позже, чем в США.
Начиная со второй половины 70-х гг. использование стационарной орбиты постепенно расширялось, и в конце 1990 г. на ней находилось сразу 33 функционирующих спутника как минимум пяти типов [4]. Геостационарные спутники запускаются под четырьмя названиями: «Радуга», «Экран», «Горизонт» или «Космос», но среди последних явно выделяются несколько разновидностей. Все типы, отождествленные официально, разработаны НПО прикладной механики, изготовляющим также спутники серии «Молния» и являющимся, таким образом, монополистом в области крупных связных спутников.
Спутники «Экран», запускавшиеся с 1976 по 1989 г., применяются для непосредственного телевещания на сеть приемников коллективного пользования и выходят за рамки нашего рассмотрения.
Спутники «Радуга» и «Горизонт» помимо телевещания рассчитаны на ретрансляцию телефонно-телеграфной информации и могут быть использованы в системах правительственной и военной связи. В западных источниках считается, что для военной связи используются именно «Радуги» – старейшие из советских стационарных спутников, запускаемые с 22 декабря 1975 г. и располагающиеся в настоящее время в 8 различных точках стояния.
Дополнительным свидетельством военного назначения «Радуги» считается то, что она ни разу не демонстрировалась публично [7]. По этому поводу надо отметить, что в [8] имеется фотография с подписью «ИСЗ «Радуга». Изображенный на ней спутник ничем не отличается от известных фотографий «Горизонта», зато сам «Горизонт» представлен в той же книге лишь в виде штрихового рисунка, воспроизводящего все детали фотографии «Радуги»заисключением 4 маленьких солнечных батарей, откидывающихся в стороны от двух основных (рис. 34).
Ошибка ли это или «утечка информации» (что крайне маловероятно в условиях советской секретности), не вызывает сомнений, что появившийся в 1978 г. «Горизонт» конструктивно близок к «Радуге». Согласно [8], средняя масса «Радуги» составляет 1965 кг, а «Горизонта» – 2120 кг. Основной рабочий диапазон спутников обоих типов 6/4 ГГц (как и у «Молнии-3»), но «Горизонт» помимо 6 ретрансляторов этого диапазона имеет также по одному ретранслятору для диапазонов 1,6/1,5 и 14/11 ГГц.
В 1981 г. СССР подал в комиссию по распределению частот МСЭ заявку на развертывание в точках стационарной орбиты, занятых сейчас «Радугами» и «Горизонтами» ретрансляторов «Луч» и «Луч П» для связи в диапазоне 14/11 ГГц, «Волна» для связи с мобильными пользователями (0,4/0,3 и 1,6/1,5 ГГц) и «Галс» для правительственной связи[26]. Заявленная для «Галса» полоса 8/7 ГГц общепризнанна как диапазон правительственной и военной связи, и во всех указанных местах расположения этих ретрансляторов находятся «Радуги» (см. табл. 3.4).
Система мобильной связи «Волна», предлагавшаяся, очевидно, прежде всего для удовлетворения потребностей правительственных и военных пользователей, задействует точки нахождения как «Радуг» так и «Горизонтов». «Радугам» соответствуют ретрансляторы с нечетными номерами, рассчитанные на связь с воздушными и наземными транспортными средствами, а «Горизонтам» – четные, для связи с самолетами и судами.
Экспериментальные ретрансляторы «Луч» и «Волна» устанавливались на некоторых «Горизонтах» с 1982 г.
В июне 1989 г. очередная запущенная «Радуга» была неожиданно объявлена как «Радуга-1», что, очевидно, означает появление новой модификации спутника, хотя до сих пор в таких случаях первый номер сохранялся за исходной моделью. Сообщение о запуске отличалось от обычного для «Радуг» указанием на наличие на борту «многоканальнойретрансляционной аппаратуры, предназначенной для дальнейшего расширениятелефонно-телеграфной связи на территории СССР» (выделенные слова ранее отсутствовали). «Радуга-1» заняла пустовавшую до того точку стояния над 49 градусом восточной долготы и через полтора года к ней присоединился второй спутник под таким же обозначением.
Из 92 советских спутников, выведенных на геостационарную орбиту с 1974 по 1991 г., 19 носят имя «Космос».
Официальные сообщения о запуске одиннадцати из них прямо указывали на использование спутников для ретрансляции данных. Эта группа по своим характеристикам распадается на две. Первая, начатая в мае 1982 г. «Космосом-1366», может быть связана с заявленной СССР системой «Поток», назначение которой остается неясным, а потому заставляет предположить военное использование, вероятнее всего – для ретрансляции информации с разведывательных спутников. Спутники данного типа сначала выводились в точку, зарегистрированную как «Поток-2» (80 градусов в д.), но в 1986 г. «Космос-1738» впервые занял точку «Поток-1» над 13,5 градуса з д., где в 1988 г. его сменил «Космос-1961». В 1991 г. «Космос-1961» был заменен «Космосом-2172».
Вторая, более открытая система передачи данных аналогична системе TDRSS[27], использующейся в командно-измерительном комплексе НАСА, и предназначена для поддержания связи между пилотируемым комплексом «Мир» и Центром управления полетом. Система зарегистрирована как «SDRN»[28], но первый из входящих в нее спутников – «Космос-1700» – впоследствии назывался «Луч». С ретрансляторами «Луч» и «Луч П», заявлявшимися ранее, его роднит только рабочий диапазон 15/11 ГГц. Путаницу в названиях усугубил последний на сегодняшний день спутник этой серии «Космос-2054» названный после запуска «ретранслятором „Альтаир“.
В отличие от обоих предшественников, «Космоса-1700» и «-1897», «Космос-2054» был выведен не в «восточную» (над Индийским океаном), а в «западную» точку системы (над Атлантикой). В сообщении о его запуске бортовая ретрансляционная аппаратура впервые не называлась «экспериментальной».
Последнюю группу образуют «Космосы», выводимые без каких бы то ни было комментариев в точку над 25 градусом з д. Эти спутники обычно также ассоциируются со связными, но в последнее время появилось больше оснований квалифицировать их как экспериментальные спутники раннего оповещения (см. раздел 3.2.3).
3.3.2 Навигационные спутниковые системы
Уже опыт слежения за первым спутником в 1957 г. показал, что измерение доплеровского сдвига частоты радиосигнала, излучаемого движущимся по известной орбите передатчиком, может быть использовано для определения географических координат точки наблюдения.
Достигаемое при использовании космических средств повышение точности навигации было особенно принципиальным для подводных лодок ракетного базирования (ПЛАРБ), поскольку погрешность определения ими своего местоположения ограничивает точность наведения баллистических ракет, находящихся на борту.
В 1958 г. ВМС США приступили к разработке навигационной системы «Транзит», предусматривавшей запуск 6 спутников на круговые полярные орбиты высотой 1000 км. Аналогичная советская система стала развертываться в 1967 г Характерные синхронизированные сигналы, передаваемые навигационными спутниками, не позволяли их спутать ни с какими другими, даже несмотря на то, что конфигурация создаваемой в СССР космической навигационной системы на протяжении почти десятилетия постоянно трансформировалась.
С 1967 по 5970 г. 6 спутников было выведено с космодрома Плесецк носителями С-1 («Космос») на круговые орбиты средней высотой около 775 км и периодом обращения примерно 100 минут. Затем эта серия прекратилась и начались аналогичные запуски на орбиты высотой 1000 км с периодом обращения 104,8-105 минут, обеспечивающие более широкие полосы обзора. На протяжении 1970—1972 гг. была развернута система из трех спутников в отстоящих на 120 градусов орбитальных плоскостях, и в 1972 г. уже начались замены в рамках образованной группировки.
Однако позже в этом же году рабочая орбита была изменена еще раз. Высота ее осталась прежней, 1000 км, но наклонение используемых орбит увеличилось с 74 до 83 градусов и на этих орбитах началось формирование группировки из 3 спутников, отстоящих не на 120, а на 60 градусов друг от друга. Начиная с 1975 г. эта конфигурация была еще раз перестроена, и в завершенном виде система стала по существу копией «Транзита», включая 6 спутников в отстоящих на 30 градусов друг от друга орбитальных плоскостях. Хотя орбиты советских спутников и не стали чисто полярными, высота в 1000 километров достаточна для того, чтобы спутники могли наблюдаться из любой точки поверхности Земли.
В 1976 г. наряду с группировкой из 6 спутников начала формироваться еще одна система из 4 аналогичных, аппаратов. Они выводились на орбиты такой же высоты и наклонения, но их плоскости отстояли друг от друга не на 60, а на 45 градусов. Наблюдения Кеттерингской группы слежения показывали, что все эти спутники вещают на одной частоте – 150,00 МГц, отличаясь друг от друга только идентификатором, плоскости орбиты, тогда как все 6 прежних плоскостей характеризуются индивидуальными частотами передач, смещенными друг относительно друга на 30 кГц[29].
Объяснение появилось в 1978 г., когда третий представитель новой группы – «Космос-1000» – был объявлен предназначенным для навигации судов морского и рыболовного флота СССР. Новая подгруппа была таким образом отождествлена как «гражданская» система и впоследствии получила официальное название «Цикада». Существование же второй подгруппы по-прежнему официально не комментировалось, подтверждая ее военное назначение.
Вместе с тем, обе подсистемы существуют не независимо: восходящие узлы орбит «гражданских» спутников постоянно поддерживаются в противоположном полушарии по отношению к восходящим узлам «военных». Это обстоятельство, безразличное при использовании только одной группы спутников, расширяет возможности пользователей, способных принимать сигналы обеих групп.
С 1982 г. некоторые спутники системы «Цикада» оснащаются дополнительными ретрансляторами для приема сигналов аварийных радиобуев международной системы поиска аварийных судов и самолетов КОСПАС-SARSAT. Такая модификация с 1989 г. запускается под именем «Надежда». Опубликованные фотографии спутников системы «Цикада» (рис. 3.5) позволяют представить и внешний вид их «военных» партнеров – цилиндрический корпус со сферическими днищами, «завернутый» в солнечные батареи, со штангой гравитационного стабилизатора на одном конце и развертываемыми на орбите антеннами – на другом.
В последние 10 лет среднее время замены спутников в «военной» подгруппе составляет 16 месяцев, но как и в случае спутников связи, запуск нового не обязательно вызван поломкой предыдущего. Если же спутник неожиданно выходит из строя, то вместо него может временно включаться находящийся в той же плоскости более старый. Так, в конце 1988 г. «Космос-1891» был временно заменен выведенным ранее из эксплуатации «Космосом-1759 до запуска в феврале 1989 Космоса-2004», а «Космос-1802» реактивизировался для замены «Космоса-1934», вышедшего из строя через 9 месяцев после старта.
Более частое обновление военной, части системы в сочетании с различием численного состава групп приводит к тому, что на 1-2 ежегодных пуска «гражданских» навигационных спутников приходится 4-5 «военных»[30]. Всего же до конца 1991 г. для «военной» системы было запущено 99 спутников, а для «гражданской» – 22 (см. табл. 3,7).
Объявленная точность определения местоположения с помощью системы «Цикада» составляет по различным источникам от 80—100 до 100—200 метров, что соответствует данным, опубликованным для «Транзита» – от 60 до 130 м в диапазоне углов возвышения спутника от 26 до 66 градусов [9].
Для гражданских целей этою вполне достаточно, но развитие потребностей наведения новых систем вооружений стимулировало разработку второго поколения навигационных спутниковых систем. В отличие от предыдущих они рассчитаны на получение не двух, а трех координат пользователя, а также трех компонент его вектора скорости.
Добиться этого позволяет одновременное определение расстояния до нескольких спутников по запаздываниям сигналов от их тщательно синхронизированных бортовых часов. В США такая система, получившая название «Navstar/GPS»[31] начала испытываться ВВС в 1978 г.
В Советском Союзе испытания новой «Глобальной навигационной спутниковой системы» (ГЛОНАСС) начались в 1982 г. Используемая методика требует нахождения в любой момент времени в поле зрения каждого пользователя не менее 4 спутников, поэтому высоты орбит и количество спутников в системах второго поколения значительно увеличены. Как в советской, так и в американской системах применены круговые орбиты высотой около 20 тысяч километров и периодом обращения около 12 часов, но если система «Навстар» предусматривает размещение 18 спутников в 6 плоскостях, отстоящих друг от друга на 60 градусов, в СССР было решено ограничиться тремя плоскостями, а количество спутников увеличить до 21[32].
Обе системы работают в частотном диапазоне 1,6/1,5 ГГц, но, как и в системах первого поколения, каждый советский спутник работает на своей частоте, не ограничиваясь, как американские, встроенным в формат сигнала личным кодом. Поскольку, кроме того, «Глонасс» использует самую верхнюю часть диапазона. навигационные сигналы вплотную примыкают к полосе, отведенной для спутниковой связи с самолетами, а также перекрывают диапазон 1607—1612 МГц, зарезервированный для радиоастрономических исследований.
Спутники системы «Глонасс», весящие по 1400 кг каждый, доставляются на рабочую орбиту 4-ступенчатыми носителями «Прогон» (D-1-e) по 3 штуки в одном пуске. При начальном периоде обращения 675 минут спутники дрейфуют вдоль рабочей орбиты до назначенных точек расположения, где и стабилизируются с помощью бортового двигателя, доводя период обращения до 675,7 минуты.
Недоумение наблюдателей вызывало то, что до 1986 г. минимум один из каждых 3 спутников оставался нестабилизированным, и 16 из 48 запущенных с 1982 по 1990 г. спутников вообще не передавали навигационных сигналов. Только в 1991 г. выяснилось, что из-за дефицита электронных компонентов часть спутников не оснащалась навигационной аппаратурой и использовалась лишь для отработки выведения на рабочую орбиту.
Орбита «Глонассов», имеющая высоту 19 100 км, несколько отличается от первоначально заявлявшейся строго полусуточной с высотой 20 000 км. Однако она тоже является кратной, обеспечивая повторение наземной трассы каждого спутника через 8 суток по завершении им 17 витков. Это. возможно, имеет какие-то преимущества на начальном этапе, когда задействованы еще не все орбитальные плоскости и места расположения спутников.
В испытательных пусках, продолжавшихся с 1982 по 1988 г., спутники доставлялись только в две плоскости. Подобная картина сохраняется и после начала в 1989 г. запусков эксплуатационных спутников.
Развертывание первой фазы системы, предусматривающей использование 10—12 ИСЗ в двух плоскостях, завершилось в 1991 г. В феврале 1992 г. количество работающих одновременно спутников впервые достигло 12, но поддержание его даже на этом уровне потребует сохранения прежнего темпа запусков ввиду ограниченного ресурса аппаратов.
Начало же серийного производства эксплуатационных спутников в 1991 г. намечалось только на 1993 г., после чего, надо понимать, только и может начаться переход к полномасштабной системе из 24 ИСЗ, которую планировалось завершить к 1995 г.
Заявленная точность полностью развернутой системы «Глонасс» составляет 10 метров по каждой из координат и 0,05 м/с по каждой компоненте скорости [10]. Это практически совпадает с проектными требованиями к системе «Навстар/GPS». Подчеркнем, однако, что такая точность в GPS достигается только при использовании особо закодированного сигнала, доступного лишь военным пользователям. Гражданские пользователи системы GPS получают координаты с точностью до 30 метров, а в режиме «выборочной доступности», т е. при преднамеренном ухудшении сигнала для затруднения несанкционированного доступа к точному коду погрешность возрастает до 100 метров. Последняя величина также согласуется с характеристиками аппаратуры системы «Глонасс», доступной для гражданского использования и обеспечивающей погрешность 100 м по широте и долготе и 15 м/с по скорости [1] в отсутствие искусственного ухудшения сигнала[33].
Как бы то ни было, до завершения полного развертывания системы «Глонасс» низкоорбитальные навигационные системы сохранят свою роль, и наблюдавшаяся до последнего времени картина запусков, в которой ежегодные две партии «Глонассов» балансировались 5-6 низкоорбитальными спутниками едва ли изменится в пользу новой системы.
3.3.3 Геодезические спутники
Геодезические спутники предназначаются для точного определения формы Земли и конфигурации ее гравитационного поля. Эти данные важны как для научных целей, так и для составления точных топографических карт и наведения ракет дальнего действия.
Несферичность гравитационного поля Земли искажает траектории движения всех спутников, и любой из них в той или иной степени может использоваться для геодезических измерений. Так, уже первый искусственный спутник, запущенный в 1957 г., позволил уточнить значение экваториального сжатия Земли. Однако для более точных измерений геопотенциала необходимо минимизировать влияние на траекторию других возмущающих факторов, прежде всего сопротивления атмосферы.
По этой причине специализированный геодезический спутник должен иметь максимальное отношение массы к площади поперечного сечения (минимальный баллистический коэффициент) и выводиться на высокую, предпочтительно круговую орбиту.
Спутники, предназначенные специально для геодезических измерений, стали запускаться в СССР с 1968 г. Они выводились ракетами С-1 («Космос») на круговые орбиты высотой 1200 км с наклонением 74 градуса, и их сигналы были очень похожи на сигналы дебютировавших годом ранее навигационных спутников. Это вполне объяснимо, так как техника доплеровских измерений может использоваться и для навигации и геодезических целей. Однако не образующие упорядоченной системы одиночные спутники не позволяют проводить привязку в произвольное время и в произвольном месте, что делает очевидным их использование преимущественно для геодезических измерений.
Отдельные спутники данной серии выводились на орбиты, отличающиеся от остальных по наклонению («Космос-480» и «Космос-708»). Для навигации это сулило бы только дополнительные сложности, но для геодезических целей сопоставление измерений при различных наклонениях представляет интерес.
С 1972 г. высота орбит геодезических спутников увеличилась до 1300—1400 км, что могло быть связано либо с некоторым уменьшением их массы, либо с улучшением энергетических характеристик носителя «Космос»[34], а с 1981 г. геодезические спутники стали запускаться более грузоподъемным носителем «Циклон» (F-2). Новые спутники выводились на орбиты высотой 1500 км и наклонением 73,6 или 82,6 градуса, В 1989 г. очередной спутник этого типа, «Космос-1950», был назван «элементом комплекса „Гео-ИК“ и сообщалось, что его бортовое оборудование включает передатчик для доплеровских измерений, импульсную лампу и лазерные уголковые отражатели.
Внешний вид «Космоса-1950» (рис. 3.8) показывает его конструктивное родство с низкоорбитальными навигационными спутниками, объясняющееся близостью задач и сходством используемых методик. Установленная на спутнике импульсная лампа способна выдавать серии из 9 вспышек с энергией 800—1200 джоулей до 55 раз в сутки. Фотографирование их на фоне звездного неба позволяет определить местоположение точки наблюдения с точностью до 15 метров [13]. (Такая же методика использовалась на американских геодезических спутниках «Анна-1» и «Геос», запускавшихся в 1962—1975 гг.). Ограниченный ресурс бортовых систем диктует необходимость запусков геодезических спутников в среднем раз в год. Несравненно более долговечными являются пассивные спутники, оборудованные уголковыми отражателями для лазерной локации. Первым спутником такого класса стал американский «Лагеос», выведенный на орбиту в 1976 г. В СССР уголковые отражатели начали устанавливаться на спутниках системы «Глонасс», а в 1989 г. вместе с очередными парами «Глонассов» были запущены два специальных геодезических спутника «Эталон».
Спутники «Эталон» аналогичны по конструкции «Лагеосу» и представляют собой сферический корпус диаметром 1294 мм из алюминиево-титанового сплава, в который вмонтировано 306 сборок из 7 кварцевых уголковых отражателей каждая. Шесть из более чем 2100 отражателей каждого спутника изготовлены из германия и предназначаются для проведения в будущем измерений в инфракрасном диапазоне.
Впоследствии планировалось запустить еще два «Эталона», хотя спутники, в которых нечему ломаться, на орбитах высотой около 19000 километров могут функционировать практически вечно.
3.3.4 Метеорологические спутники
Метеорологическая обстановка влияет не только на мирную, но и на военную деятельность. Не говоря уже о необходимости учета погодных условий при планировании учебной или боевой деятельности вооруженных сил, наличие или отсутствие облачности определяет возможность выполнения разведывательной фотосъемки, а точность наведения головных частей современных МБР требует учета температуры воздуха и скорости ветра в районе цели. Таким образом, военным пользователям метеорологические наблюдения со спутников необходимы даже более, чем гражданским.
Работы по созданию спутниковой метеорологической системы начались в начале 60-х гг. В отличие от практически всех остальных космических аппаратов метеоспутники разрабатывались не ракетной фирмой, а ВНИИ электромеханики, относящимся к Министерству электротехнической промышленности. Такая аномалия могла быть вызвана изначальным стремлением создать спутник с электромеханической системой ориентации, избавляющей чувствительную инфракрасную и телевизионную аппаратуру от отрицательного воздействия выхлопов ракетных двигателей. (Нельзя, впрочем, исключить, что все было как раз наоборот).
Система электромеханической стабилизации начала отрабатываться еще в 1963 г. на спутниках «Космос-14» и «Космос-23». Измерительная же аппаратура испытывалась на возвращаемых фоторазведчиках «Космос-45», «Космос-65» и «Космос-92».
Первым целевым метеоспутником официально считается «Космос-122», 25 мая 1966 г. запущенный с Байконура[35] на круговую орбиту высотой 625 км и наклонением 65 градусов. Однако с августа 1964 по май 1966 г. на точно такие же орбиты выводились еще 4 «Космоса», которые также могли предназначаться для экспериментальных метеорологических наблюдений.
После испытаний «Космоса-122» запуски были перенесены в Плесецк, предоставлявший возможность вывода на околополярные орбиты. В 1967 г. «Космос-144» и «Космос-156» впервые образовали экспериментальную космическую систему «Метеор», включающую два аппарата на взаимно перпендикулярных орбитах с наклонениями 81,2 градуса. Однако штатная эксплуатация системы началась только в 1969 г., после чего используемые спутники и стали официально называться «Метеорами».
С декабря 1971 г. высота рабочей орбиты «Метеоров» была увеличена до 900 км, что расширяло полосу обзора, хотя и приводило к снижению разрешения. Система «Метеор» обеспечивала получение телевизионных изображений облачного покрова Земли в видимом и инфракрасном диапазоне через каждые 6 часов. В 1975 г. появились спутники «Метеор-2», способные помимо этого измерять вертикальный профиль температуры в атмосфере, а также оснащенные системой прямой передачи изображения, позволяющей без посредства Центра управления в любой точке Земли получать телеизображение соответствующего участка с разрешением 2 км.
В 1982-84 гг. запуски «Метеоров» были переведены с ракеты-носителя «Восток» (А-1) на «Циклон» (F-2). При этом наклонение рабочих орбит изменилось с 81,2 до 82,6 градуса, как это произошло и со спутниками радиотехнической разведки, и несколько увеличилась высота полета – с 900 до 950 километров.
Последней моделью серии «Метеор» стал «Метеор-3», дебютировавший в 1984 г. (Первый спутник этого типа вышел на нерасчетную орбиту из-за отказа последней ступени носителя и был назван «Космосом-1612»). ИСЗ «Метеор-3» имеют массу 2150 кг по сравнению с примерно 1500 кг у предыдущих, но тем не менее доставляются на более высокие орбиты, благодаря большей экономичности осуществляемого «Циклоном» двухимпульсного выведения. Увеличение высоты орбиты до 1200 км дало возможность ликвидировать разрывы между полосами наблюдения в экваториальных районах при сохранении угла зрения оптической системы. Измерительная аппаратура «Метеоров-3» размещается на универсальной монтажной платформе, что позволяет менять ее состав в зависимости от особенностей задач каждого спутника.
Штатная конфигурация системы «Метеор-3» предусматривает одновременное нахождение на орбитах трех спутников, восходящие узлы которых отстоят друг от друга на 60 градусов. После того как в 1991 г. с запуском 4-го «Метеора-3» она была полностью укомплектована, эксплуатация «Метеоров-2», очевидно, завершилась. Последние два «Метеора-2» были выведены на орбиты в 1990 г., несмотря на наличие еще трех работоспособных предшественников, что можно истолковать как стремление поместить на орбитальное хранение остающиеся спутники данного типа перед полным переключением на новую систему.
В отличие от США, Японии и Западной Европы в СССР до сих пор не существует геостационарных метеоспутников. Хотя еще в 1976 г. Советский Союз обязался до конца 1978 запустить такой спутник в рамках международной программы изучения глобальных атмосферных процессов (ПИ-ГАП/GARP), впоследствии обещание было взято назад со ссылкой на технические трудности. Тем не менее СССР зарезервировал на стационарной орбите 3 места для спутников GOMS (Geostationary Operational Meteorological Satellite)[36]. С 1988 г. первый запуск такого спутника, ставшего также известным как 17Ф45 [14] и «Электро» [15], неизменно обещался «в следующем году», но летом 1991 г. он был наконец собран и отправлен на космодром для испытаний. Поскольку «Электро» весит 2400 кг, т е. на 200 кг больше чем РН «Протон» с разгонным блоком ДМ может доставить на геостационарную орбиту, его запуск должен осуществляться с использованием нового блока ДМ-2, первый полет которого также задерживается по крайней мере с конца 1990 г. В настоящее время запуск первого ИСЗ «Электро» планируется на 1993 г. [16].
Для военных пользователей геостационарные метеоспутники представляют наименьший интерес. В метеорологическом обеспечении военной деятельности особое значение имеет точное определение погодных условий в относительно небольших районах. По этой причине после того, как спутники Национального управления по изучению океана и атмосферы (НОАА) США стали запускаться на более высокие орбиты, ВВС США создали специализированные низкоорбитальные метеоспутники DMSP[37] для удовлетворения своих специфических нужд, таких как обеспечение полетов и планирование съемок с разведывательных спутников.
В Советском Союзе такой специализации не наблюдается, возможно потому, что Вооруженные силы, контролируя все космические аппараты, имеют возможность получать всю необходимую информацию из единой системы метеонаблюдений. Кроме того, на советских спутниках оптической разведки устанавливаются бортовые датчики облачности, позволяющие избежать расходования пленки при неблагоприятных погодных условиях в районе цели [17].
3.3.5. Исследовательские и калибровочные спутники
Довольно большое количество советских спутников, не связываемых с известными научными или народнохозяйственными программами, не удается отнести также ни к одной из рассмотренных выше военных категорий. Даже после отбрасывания уникальных пусков, которые могут относиться к различным прерванным проектам, остается более ста спутников, четко разделяющихся по орбитальным параметрам на несколько серий. Периодическая замена аппаратов в пределах каждой из них свидетельствует об осуществлении продолжительных программ, а отсутствие какого бы то ни было упоминания о их конкретном назначении заставляет предположить, что эти программы также носят военный характер.
В космической деятельности Министерства обороны США имеется ряд вспомогательных программ, носящих исследовательский характер. Они охватывают испытания и отработку оборудования для перспективных космических систем военного назначения, различные калибровочные устройства, зонды для измерения плотности атмосферы и т п. Естественно ожидать существования подобных направлений и в советской программе, так что по крайней мере некоторые неотождествленные серии советских спутников могут предназначаться для решения аналогичных задач.
По этой причине в обзорах Исследовательской службы Конгресса США для советских спутников, не относящихся к вышеперечисленным военным категориям и не отождествленных как научные или прикладные, было введено понятие «малые (minor) военные спутники». Этот термин отражает вспомогательность их предполагаемого военного значения и отчасти подчеркивает их небольшие размеры, поскольку «малые» спутники запускались легкими носителями «Космос».
Запуски с использованием носителей В-1 начались в 1964 г. на космодроме Капустин Яр, а с 1967 г. распространились также в Плесецк. Все такие спутники выводились на вытянутые орбиты, распадающиеся по высоте апогея на три группы: низкие (500—600 км), высокие (1200—2200 км) и промежуточные (800—870 км). Если запуски с Капустина Яра обеспечивали наклонения орбит 48,4—49 градусов, то с Плесецка низкоапогейные спутники выводились на орбиты с наклонением 71 градус, а высокоапогейные – 82 градуса (см. табл. 3.11).
Орбиты каждого из этих типов применялись и для научных запусков (многие из которых были отождествлены как таковые лишь годы спустя), поэтому очень вероятно, что рассматриваемые спутники базировались на унифицированной конструкции, разработанной фирмой Янгеля и хорошо известной по первым спутникам серии «Космос».
Оптические измерения свидетельствовали, что спутники стабилизируются на орбите вращением, но никому из независимых наблюдателей не удавалось получить от них дешифруемые радиосигналы (в отличие от научных спутников, которые обычно сразу распознавались по телеметрии).
Малые высоты перигеев – от 220 до 290 км – ограничивали орбитальное существование запускаемых В-1 спутников считанными месяцами. Наиболее короткоживущими были низкоапогейные аппараты с периодом обращения около 92 минут, и спутники этой серии запускались 6—8 раз в год. В общей сложности на их долю приходится 63 из 98 запусков В-1, не отождествленных как научные.
Регулярность замен низкоорбитальных спутников свидетельствовала, что программа носит эксплуатационный, а не экспериментальный характер. О ее назначении высказывались самые различные гипотезы, от определения погодных условий в районах съемки фоторазведчиков, до ведения радиотехнической разведки и контроля за ядерными взрывами в космосе.
Однако для слежения за ядерными взрывами необходимо одновременное нахождение на орбите сразу нескольких спутников. Метеорологическое обеспечение фоторазведывательных полетов не требует такой скрытности связи. К тому же, как сказано выше, советские спутники оптической разведки используют собственные бортовые датчики облачности. Предположение об ведении радиотехнической разведки само по себе непротиворечиво, хотя для эффективности такой системы также желательно было бы иметь на орбите несколько спутников одновременно. Кроме того оно не очень увязывается с многолетним осуществлением таких запусков параллельно с существованием группировки спутников радиотехнической разведки, запускаемых носителями С-1.
Наиболее логичным кажется предположение [18], что данные спутники использовались для калибровки наземных радиолокационных станций и определения параметров верхней атмосферы.
С 1974 г. запуски на аналогичные орбиты стали осуществляться также с помощью более мощной ракеты С-1. В 1974—76 г. она заменила В-1 при наиболее редких запусках на высокоэллиптические орбиты с периодом обращения около 109 минут. Запуски на орбиты с апогеями 850—1000 км в 1977 г. прекратились вместе с использованием В-1 и два запуска С-1 в 1974 и 1976 гг. на близкие к этим орбиты с апогеями около 720 и перигеями 240—280 км не получили продолжения. Наиболее же массовая серия низкоапогейных запусков В-1 была в 1975—76 гг. сменена спутниками, выводимыми ракетами С-1 на околокруговые орбиты средней высотой около 495 километров и наклонением 65,8 градуса. До тех пор на такие орбиты выводились только мишени для спутникового перехвата, и поэтому запущенный в 1975 г. «Космос-752» поначалу рассматривался как неиспользованная по каким-то причинам мишень.
Увеличение со временем количества «неперехваченных мишеней», а также расширение запусков и на другие наклонения, свидетельствовало о самостоятельной роли этих спутников, а синхронное прекращение пусков низкоапогейных спутников ракетами В-1 позволяет предположить преемственность двух программ.
Примерно половина запускаемых носителями С-1 низкоорбитальных «малых» спутников, начиная с «Космоса-816» в 1976 г., периодически отделяет во время полета небольшие объекты, снижающиеся значительно быстрее основного аппарата. Если сами спутники при начальной высоте орбиты около 500 км существуют по несколько лет, «фрагменты» падают за несколько месяцев. Как правило, объекты появляются попарно и сбрасываются с основного аппарата симметрично, так что половина оказывается выше, а половина ниже его орбиты. Объекты обычно выпускаются небольшими группами на протяжении многих месяцев, причем отделение новой партии часто совпадает со сходом предыдущих с орбиты.
Фрагменты имеют радиолокационные сечения порядка 0,1 квадратного метра. Рассчитанные же по скорости их снижения баллистические коэффициенты составляют около 0,1 м /кг, что дает для массы каждого зонда около 1—2 кг [19], По всей видимости, объекты являются полыми без каких бы то ни было активных систем, а разница в баллистических коэффициентах говорит о различии их форм.
Слежение за такими пассивными зондами позволяет определять вариации плотности верхних слоев атмосферы, которая значительно, иногда многократно, меняется в зависимости от времени года, суток и состояния солнечной активности и влияет на точность управления полетами спутников и баллистических ракет.
Помимо этого, орбитальные мишени с точно известными радиолокационными характеристиками могут использоваться для калибровки радиолокационных станций, используемых в системе контроля космического пространства и предупреждения о ракетном нападении. В этом случае целесообразно использование мишеней разной формы, например, эталонных сфер и имитаторов радиолокационных характеристик реальных боеголовок. Использование космических мишеней для проверки радиолокационных средств для Советского Союза более актуально чем для США. США отрабатывают свои системы слежения на тихоокеанском атолле Кваджалейн с использованием реальных пусков МБР из Калифорнии, тогда как СССР лишен аналогичной возможности. Кроме того, в отличие от США, в СССР продолжается эксплуатация системы противоракетной обороны Москвы, что требует периодических учебных «атак».
С 1976 до 1983 г. предельное количество мишеней, отделяемых низкоорбитальными спутниками, составляло 24. Начиная с «Космоса-1601» эта величина возросла до 28. В ряде случаев технические неполадки, видимо, препятствовали сбросу всех объектов, а иногда фиксировались фрагменты, могущие представлять собой конструктивные элементы основного аппарата.
С 1988 г. аналогичные спутники стали запускаться также носителями «Циклон». При этом использовались несколько более высокие орбиты со средней высотой 530 км и наклонениями 74 или 82,5 градуса, но характер орбитального поведения остался прежним. Первый спутник нового типа, «Космос-1985», отделил 36 объектов партиями по 2—6 штук на протяжении более чем двух лет.
Продолжении этой серии «Космосом-2053» в 1989 и «Космосом-2106» в 1990 г. позволяет предположить, что калибровочные пуски постепенно переключаются с носителя С-1 «Космос» на «Циклон», подобно тому как это произошло с геодезическими спутниками.
Одновременно с этим неожиданно возобновились пуски «малых» спутников на высокоапогейные орбиты. Запущенные с годичным интервалом «Космос-2002» и «Космос-2059» были в 1989 и 1990 гг. выведены на наиболее вытянутые их использовавшихся малыми спутниками орбиты с апогеем около 2300 км и перигеем всего 190 км. При таких низких перигеях оба упали в течение нескольких месяцев, но вскоре после запуска каждый отделил по 10 небольших объектов, просуществовавших около полутора месяцев.
Кроме того, в 1990 г. «Космос-2098» был выведен на орбиту с апогеем 2000 км и перигеем около 400 км, использовавшуюся последний раз в 1983 г. В 1987 г. после 10-летнего перерыва «Космос-1868» также вновь использовал «среднеапогейную» орбиту высотой 280 на 710 км, а в 1991 на похожую орбиту высотой 200 на 780 км был выведен «Космос-2164».
Эпизодичность последних запусков делает более вероятным их экспериментальный характер. Однако если при использовании носителя В-1 низкие перигеи рабочих орбит могли диктоваться кратковременностью разгонного участка ее второй ступени, то сохранение этой же формы орбиты при применении РН С-1 свидетельствует о каком-то значении именно таких траекторий. Возможно, таким путем определяется вертикальный профиль параметров атмосферы и/или имитируется траектория полета МБР, апогей которой может достигать тысяч километров, а перигей находится ниже поверхности Земли.