Перспективы использования американской навигационной системы НАВСТАР в системах управления

В. Алексеева, В. Лукин, И. Мищенко, кандидат технических наук

В США и других странах НАТО ведутся активные работы по совершенствованию управляемого ракетного оружия, повышению его эффективности, в значительной степени определяемой точностью наведения. В свою очередь, точность наведения во многом будет зависеть от точности определения местонахождения носителя или непосредственно управляемой ракеты в полете (авиационной бомбы и других средств поражения). В этом плане наиболее перспективной западные специалисты считают глобальную спутниковую навигационную систему (СНС) НАВСТАР. Она предназначена для высокоточного и непрерывного определения в глобальном масштабе своего местоположения и скорости различными подвижными объектами (потребителями), в первую очередь военного назначения.

Развитие СНС НАВСТАР осуществлялось в два этапа. Экспериментальный этап, в ходе которого на круговые орбиты высотой около 20 тыс. км было выведено десять ИСЗ первого поколения, завершился в 1985 году. С запуском первых ИСЗ второго поколения в 1989 году началось развертывание эксплуатационной системы. После полного ввода в строй она обеспечит непрерывное определение пространственных координат и скорости, а также поправку точного времени потребителями в любой точке земли и околоземного пространства. Аппаратура потребителей работает только на прием навигационных сигналов, и таким образом система является пассивной. СНС НАВСТАР включает космический элемент, наземные станции контроля и управления, а также приемную навигационную аппаратуру потребителей.

В составе космического элемента планируется использовать 18 рабочих и три резервных ИСЗ. Рабочие спутники будут располагаться на шести равномерно рассредоточенных круговых орбитах (по три). Плоскости орбит разнесены по долготе на 60° и имеют наклонение 55° относительно экватора. Период обращения спутников 12 ч. Каждый ИСЗ излучает стандартный и высокоточный навигационные сигналы, которые различаются по структуре. Стандартный сигнал могут использовать все потребители системы, точность определения координат при этом должна быть не более 50 м. Высокоточный сигнал предназначен для использования в основном потребителями военного назначения и имеет защиту от несанкционированного доступа к нему.

Наземный элемент обеспечивает контроль за работой спутников и СНС в целом, управление ее работой, сбор необходимой информации для вычисления прогнозируемых данных, закладку их в запоминающие устройства ИСЗ, формирование системного времени и синхронизацию его относительно системы единого времени. Он включает ведущую станцию, несколько контрольных станций и станции ввода поправок.

Испытания различных типов аппаратуры потребителей при использовании высокоточного сигнала показали реальность получения погрешностей определения координат и скорости, а также поправки временных шкал: 5-10 м, 0,05-0,15 м/с и 5-15 мс соответственно. На рис. 1 изображен подвесной контейнер с такой аппаратурой и оборудованием для летных испытаний, проводившихся на самолете F-4 "Фантом".

В зарубежной печати сообщается, что точность навигационной информации для объектов, находящихся в районе, ограниченном радиусом в несколько сот километров от контрольной станции, может быть повышена путем использования дифференциального режима системы НАВСТАР.

Американские военные специалисты считают, что использование данных от системы НАВСТАР в системах управляемого авиационного оружия позволит повысить вероятность обнаружения, захвата и сопровождения целей благодаря обеспечению точного выхода на них при полете на малых высотах и по выбранному сложному маршруту, а в результате - большую вероятность их поражения.

По данным иностранной прессы, к радионавигационным средствам космического базирования предъявляются следующие требования. Зона действия этих средств должна охватывать весь земной шар без каких-либо временных или погодных ограничений; сигналы ИСЗ нужно кодировать, чтобы противник не мог ими воспользоваться. Для применения таких средств в авиационных системах оружия необходимо, чтобы точность наведения на стратегическую цель составляла несколько десятков метров, а для поражения малоразмерных объектов - несколько метров. Чтобы обеспечить скрытность проникновения носителей в воздушное пространство противника, устанавливаемая на них приемная аппаратура должна работать в пассивном режиме. Навигационные средства ракет и другого оружия, используемого однократно, не могут иметь высокую стоимость, в них исключается применение атомных стандартов частоты, прецизионных гироскопов и других дорогостоящих элементов.

Дополнительным требованием, предъявляемым к этим средствам, является их высокая защищенность от искусственных помех (особенно от уводящих). Это обычно достигается путем комплексного использования радио- и инерциальных навигационных систем (РНС и ИНС). Последние обладают высокой точностью, но из-за значительной стоимости, а также массогабаритных характеристик самостоятельно не применяются в системах наведения оружия. Однако при правильном объединении ИНС и РНС можно получить навигационную аппаратуру, обеспечивающую высокую точность и помехозащищенность при приемлемых стоимости и габаритах. При этом следует иметь в виду, что не всякие радионавигационные средства могут быть объединены с ИНС. Этому препятствуют большие интервалы времени обновления навигационной информации некоторых РНС, недостаточная их точность, невозможность определения трехмерных координат скорости, больший по сравнению с ИНС интервал корреляции погрешности. Основные характеристики РНС, применяемых для наведения оружия, приведены в таблице. По мнению зарубежных военных специалистов, СНС НАВСТАР превосходит по большинству тактико-технических характеристик все существующие системы ближней, дальней и спутниковой навигации и в дальнейшем сможет их заменить.

Преимущества использования СНС НАВСТАР на различных этапах применения оружия наиболее наглядно иллюстрируются на примере авиационных систем. На первом этапе производится поиск, обнаружение и опознавание целей, а также вырабатываются данные целеуказания. При этом СНС может обеспечить высокую точность навигационно-временной информации и способствовать значительному улучшению выполняемых операций.

После обнаружения и опознавания цели в современных системах оружия производится высокоточное корреляционное сравнение траекторий ее движения, полученных с помощью различных средств. Использование СНС дает возможность сократить количество этих траекторий и упростить алгоритмы их корреляции.

На предпусковом этапе подготовки оружия пассивный режим работы приемной аппаратуры

НАВСТАР уменьшает вероятность обнаружения пусковой установки противником. Время подготовки к пуску сокращается, так как необходимые данные поступают через информационный низкоскоростной канал СНС. Кроме того, в этой аппаратуре оружия можно обойтись без гироскопа, который нужно достаточно длительное время выставлять перед пуском. Цели с известными координатами могут поражаться с больших дальностей.

Подготовка ИНС носителя оружия может быть упрощена или исключена, поскольку данные системы НАВСТАР позволяют осуществлять ее корректировку непрерывно. Время прицеливания также сокращается ввиду того, что до момента пуска нет необходимости осуществлять предварительный поиск и захват целей системой самонаведения оружия. Подход авиационного носителя к цели может производиться под прикрытием складок местности, облачности или другим способом из безопасной зоны. Применение аппаратуры НАВСТАР в этом случае дает возможность: выполнять полет с минимальными отклонениями от выбранного маршрута, что облегчает условия работы системы самонаведения; выходить на цель с огибанием сложного рельефа местности; осуществлять наведение оружия над местностью в пассивном режиме без ориентиров; корректировать ИНС в любой точке маршрута, если работа аппаратуры НАВСТАР не нарушена помехами; затруднять противнику определение места и времени пуска и нанесения удара, поскольку не обязательно нахождение цели в поле зрения системы наведения оружия и нет необходимости перед пуском выполнять демаскирующий маневр "горка" с целью набора высоты.

Преимущество использования НАВСТАР на этапе пуска заключается в том, что отпадает необходимость постоянно держать цель в пределах видимости системы самонаведения, так как аппаратура СНС позволяет сравнительно просто повторно захватывать ее. Данные, получаемые от системы НАВСТАР, обеспечивают точное формирование команды на подрыв боевой части ракеты. При этом появляется возможность точно измерять и учитывать скорость ракеты. По данным зарубежной печати, аппаратура СНС НАВСТАР, пригодная для использования в системах управляемого оружия, может быть представлена несколькими модификациями. Для маневренных высокодинамичных потребителей, требующих минимального времени для первого местоопределения и повторного захвата сигналов ИСЗ после нарушения условий приема, наиболее целесообразно использовать многоканальный приемник и бортовую ЭВМ, что обеспечивает оперативное получение навигационной информации на самом обсервирующемся объекте. Для потребителей, двигающихся длительное время (несколько десятков минут или более) по мало изменяющимся траекториям, достаточно иметь одноканальный приемник с меньшими размерами и массой, который потребляет меньше энергии, чем многоканальный.

Многоканальный приемник непрерывно принимает сигналы от четырех используемых ИСЗ одновременно по всем каналам, одноканальный же поочередно переключается через несколько секунд на прием от каждого спутника. Существует и так называемый мультиплексный приемник, один канал которого может переключаться на прием через несколько миллисекунд. По массе, габаритам и потреблению энергии он близок к одноканальному приемнику, а по времени первого измерения координат, повторного захвата и динамическим характеристикам - к многоканальному, однако по сравнению с ним имеет существенно меньшие систематические погрешности. Это обеспечивает меньшую общую погрешность и повышает помехозащищенность аппаратуры. Приемники всех трех типов могут быть упрощены и удешевлены за счет исключения операции выбора спутников и получения эфемеридной информации, вводимой заранее.

При отсутствии или низком уровне искусственных помех на ракете можно использовать ретранслятор сигналов ИСЗ либо упрощенно их обрабатывать и передавать на носитель, где после дополнительной обработки сигналов и навигационных вычислений выделяется навигационная информация.

СНС НАВСТАР, как сообщалось в зарубежной печати, по сравнению с другими РНС обладает более высокой потенциальной помехозащищенностью благодаря возможности применения широкополосных псевдошумовых сигналов, пространственному разделению сигналов и помех, а также принятому использованию двух несущих частот. Для еще большего ее повышения в аппаратуре могут применяться адаптивные антенны с управлением нулем диаграммы направленности и автоматически отстраиваемые от помехи адаптивные приемники. В последних содержатся ограничитель импульсов (обеспечивает защиту от импульсных помех) и схемы управления полосой пропускания следящих систем, изменения режимов приемника и оптимизации времени преддетекторного интегрирования в зависимости от помех, исключающие прямое прохождение помех через преобразователи частоты за счет применения дополнительного кодирования, а также специальные средства против уводящих помех.

Воздействие помех на аппаратуру СНС потребителя проявляется в ухудшении точности получаемой навигационной информации при небольшом уровне помех и в нарушении функционирования аппаратуры, заключающегося в срыве работы следящих систем при больших уровнях помех. Считается, что надежность навигационного обеспечения с помощью системы НАВСТАР при наличии помех составляет 0,99. Более надежное навигационное обеспечение в сложной помеховой обстановке может быть достигнуто при объединении ее аппаратуры с инерциальными устройствами на базе бесплатформенных кольцевых лазерных и перспективных волоконно-оптических гироскопов. Возможны различные варианты такого объединения.

В наибольшей степени требованиям точности, помехозащищенности и быстродействия удовлетворяет мультиплексный приемник с несколькими каналами и полным набором функций, интегрированный с инерциальными средствами. При малых промежутках времени между пуском и поражением цели на тактическом оружии целесообразно применять только инерциальные системы, выставленные перед пуском от аппаратуры СНС на носителе. В другой вариант могут входить ретранслятор или приемопередатчик, а также инерциальные средства на управляемом оружии, приемник и бортовая ЭВМ - на носителе. В этом случае ИНС оружия корректируется по двусторонней линии связи с носителем. Наиболее экономичный вариант (без ИНС) включает ретранслятор или приемопередатчик на оружии и линию связи с носителем для его наведения. Использование в линии связи между носителем и оружием широкополосных сигналов систем типа ДЖИТИДС (объединенная тактическая система связи и распределения данных) либо PLRS (система определения местоположения, опознавания и передачи данных) позволяет существенно улучшить помехозащищенность системы наведения оружия.

Аппаратура системы НАВСТАР в крылатой ракете (рис. 2) взаимодействует с инерциальными средствами, получая от них информацию о координатах объекта и их производных, обеспечивает, в свою очередь, начальную выставку ИНС и ее коррекцию в полете. При таком взаимодействии особое внимание уделяется выбору вычислительных средств, обладающих необходимыми возможностями, и созданию алгоритмов, обеспечивающих высокую надежность коррекций путем контроля их достоверности и пороговой обработки ненадежных измерений, поступающих от аппаратуры СНС НАВСТАР. Для ускорения захвата сигналов приемником ракеты в него по высокочастотному кабелю могут вводиться радиокоманды от приемника носителя или его антенны, поскольку до пуска и во время его антенна ракеты затенена носителем. В некоторых случаях учитывается разнос антенн носителя и ракеты.

Комплект аппаратуры СНС НАВСТАР вместе с инерциальными средствами для тактического потребителя в настоящее время оценивается почти в 100 тыс. долларов. В будущем стоимость оружия с аппаратурой СНС такой комплектации может быть снижена до 50 тыс. долларов. Объем аппаратуры (без ИНС) для наведения оружия составляет 9-12 дм3, масса - 15 кг.

Помимо использования данных СНС в авиационном управляемом ракетном оружии, возможно применение системы НАВСТАР и при бомбометании неуправляемыми бомбами. Высокая точность бомбометания достигается путем постоянного ввода в вычислитель бомбового прицела самолета точных данных о его скорости и координатах на данный момент времени от аппаратуры СНС НАВСТАР.

Бомбометание с использованием СНС НАВСТАР может выполняться как при ее объединении с имеющимся на борту вычислителем системы управления оружием, так и при оснащении собственной аппаратурой вычисления. В обоих случаях на индикатор летчика выдается информация, обеспечивающая наведение самолета на цель (рис. 3).

Основной проблемой при использовании данной системы является своевременность получения данных. Информация о местоположении, скорости и угловой ориентации самолета должна поступать в масштабе времени, наиболее близком к реальному. По мере ее устаревания возрастает погрешность в определении положения самолета в момент сброса бомб и снижается точность бомбометания.

Большинство вычислений при бомбометании выполняется на летательном аппарате с частотой 10 Гц. К ним относятся: расчет линии точек попадания бомб на земле, вычисление команд управления самолетом по курсу и тангажу для совмещения этой линии с целью, выработка сигналов на сброс. Погрешность управления по крену вычисляется 20 раз в секунду. Другие, более медленно изменяющиеся переменные, корректируются с частотами 1 и 5 Гц. Сброс бомб производится, если не превышены максимальные значения трех погрешностей: управления, навигации и промаха.

СНС НАВСТАР нашла применение и при испытаниях МБР, а также баллистических ракет, запускаемых с атомных ракетных подводных лодок (ПЛАРБ). Ее использование позволяет избежать трудностей, связанных с ограниченной дальностью действия обычно применяемых наземных станций, упростить и удешевить испытания, обеспечивает большую точность, чем та, которая достигается при применении прежних систем, оснащенных радиолокационными средствами слежения. СНС НАВСТАР обеспечивает более точное определение скорости ПЛАРБ в момент пуска ракеты, что повышает точность наведения и определения точки падения ракеты при испытаниях, а также безопасность полигона.

Первоначально при испытаниях на МБР устанавливался многоканальный приемник с навигационной бортовой ЭВМ, что позволяло проводить детальную послеполетную оценку точности наведения, поскольку изменения приемника, содержащие точные координаты ракеты на данный момент времени, через телеметрический канал поступали на станцию слежения. Аппаратура, установленная на МБР, синхронизировалась до пуска, чтобы уже через 10 с после него она могла выдавать навигационную информацию.

Более совершенные варианты аппаратуры СНС обычно имеют на МБР ретранслятор сигналов ИСЗ, находящихся в зоне радиовидимости, а основное оборудование устанавливается на земле и не теряется при испытаниях. Ретранслятор может быть цифровым. Ретранслировались сигналы несущих частот: 1,6 и 1,4 ГГц, поскольку только на них в СНС НАВСТАР имеется открытый сигнал с низкой тактовой частотой. Использование двух несущих частот позволяло корректировать ошибки навигационных определений, обусловленных состоянием ионосферы. В целях улучшения навигационной точности (геофактора) через этот же ретранслятор передавались сигналы нескольких наземных псевдоспутников, работающих также на указанных выше частотах. Частота на выходе ретранслятора находится в диапазоне 2,2-2,3 ГГц телеметрического канала главной станции слежения, которая имеет приемник, непосредственно принимающий сигналы ИСЗ и выдающий главным образом эфемеридную информацию и сигналы синхронизации, а также многоканальный приемник, принимающий ретранслированные сигналы от УР и использующий сигналы синхронизации.

Особенностью приемника ретранслированных сигналов является коррелятор - согласованный фильтр, позволяющий быстро (за доли секунды) захватить сигналы, поступающие от ракеты. Это одно из условий, выполнение которого позволяет начать слежение за ракетой сразу же после пуска, что особенно важно для ракет, запускаемых с ПЛАРБ в подводном положении, когда невозможен предварительный захват ретранслированных сигналов. ЭВМ главной станции слежения в реальном масштабе времени определяет положение и скорость ракеты, вычисляет ее траекторию и точку падения. При недопустимом отклонении ракеты от заданной траектории ее подрывают. Кроме того, данные измерений псевдодальностей и псевдоскоростей БР-ИСЗ записываются для более точного послеполетного определения траектории ракеты в лабораторных условиях. Такая система позволяет отслеживать несколько ракет одновременно. В качестве антенны используется в основном микрополосковое кольцо вокруг ракеты.

Точка падения и промах сравнительно просто определяются при падении головок ракет в заданном районе суши. При падении в воду для этого используются гидроакустические буи, тоже оборудованные ретрансляторами сигналов системы НАВСТАР, которые передают их на самолет, находящийся в воздухе в районе испытаний. Вначале определяется положение буев, а затем по акустическому импульсу, возникающему при ударе ракеты о воду и также регистрируемому буями, - положение точки падения и промах.

Аппаратура, работающая в реальном масштабе времени с использованием ретранслятора сигналов СНС НАВСТАР на определяемом объекте, может применяться, кроме того, для полигонных испытаний тактических ракет, летательных аппаратов и наземных транспортных средств.

Зарубежое военное обозрение №2 1990 С.