Военные спутниковые системы.
(обзор)
А.Н. Михалев
Военные спутниковые системы являются незаменимым средством обеспечения современных боевых действий на любых театрах конфликтов. Но и в мирное время функциональное обеспечение военных служб спутниками навигации, коммуникации, слежения-предупреждения и метеонаблюдений чрезвычайно важно и не может быть замещено чем-либо другим.
С начала космических запусков в конце 60-х, начале 70-х военные спутники занимали большое место среди других, зачастую гражданские спутники несли военную аппаратуру. Подобное двойное использование осуществляется и ныне.
Свою задачу мы видим в том, чтобы сгруппировать сведения и обобщить их по военным спутниковым системам, показать тенденции их развития.
- Как и для научных и прикладных спутников, военные спутники работают в созвездиях 2-5-12 и более спутников. Это требуется как по зоне покрытия Земли, так и с целью межсвязей спутников в космосе для трансляции данных, направления коммуникаций на наземные станции и терминалы.
- Покажем, что спутники основных военных секторов постоянно модернизируются с вводом новой электроники, зондов, регистрирующих камер.
- Требования пополнения созвездий, вывода новых спутников, повышают требования к надежности/экономичности запуска. Пока он осуществляется на расходуемых многоступенчатых ракетах, изготовленных в качестве ICBM или модернизированных. Это удорожает запуски. В то же время разработка экономичных (возможно многоразовых) доставщиков продвигается медленно.
- Вопросы стоимости стоят остро. Предположительно в связи с этим военные арендуют ресурсы связей, изображений на коммерческих спутниках с целью иметь более широкую связь и больше разведывательных снимков при меньших затратах.
Рассмотрим 4 основные спутниковые системы, обеспечивающие военные нужды США в мирное время и в условиях конфликтов.
Первой системой служит система навигации GPS, которая чрезвычайно важна для позиционирования всех военных сил в условиях их маневра и действий. Развернутая и совершенствуемая ряд лет система обеспечивает высокоточные данные привязки для подвижных и стационарных сухопутных, морских и воздушных участников. Доступная коммерческим пользователям с меньшей точностью это – всемирная навигационная система, применяемая, в том числе для отыскания терпящих бедствие.
Другой важнейшей функцией GPS является высокоточное наведение. Использование устойчивых к смешению GPS терминалов на вооружениях в войсках позволяет наведение вооружений с 10 –4м точностью в любых атмосферных условиях в любое время суток и без присутствия оператора в цепи управления. Один самолет может наводить боеприпасы на ряд целей при оказании минимального бокового повреждения благодаря реализуемой точности.
Коммуникационные системы являются важнейшим звеном обеспечения связи для всех военных служб, как в мирное время, так и в полевых условиях. Разделение видов связи, осуществляемых через спутники, на широкополосную, защищенную и узкополосную отражает степень объема передаваемой информации и потребности различных пользователей. Широкополосная коммуникация несет ведущую функцию взаимосвязи управленцев с соединениями. При наличии Радиопередающей функции связь обеспечивает также прямую передачу военных карт, погодных карт, разведывательных данных.
Спутники системы разведки, распознавания, слежения, составляющие до 40% всех военных спутников, обеспечивают разведывательные снимки в видимой, инфракрасной области, а также радарные изображения. Спутники таких созвездий осуществляют слежение проблемных территорий, слежение движения военных объектов, в том числе ракет. Применение цифровой технологии позволяет надежную регистрацию в реальное время военных объектов с высоким разрешением. Электронная разведка сигналов позволяет перехватывать и выделять развед-информацию из миллионов перехватов сообщений через спутники, по телефонным каналам и регистрировать радарные сигналы.
Метеорологические спутники обеспечивают данные для средне-срочного прогноза погоды для командиров на поле боя, а также в мирное время. Зондирование атмосферы, ионосферы дает информацию об условиях распространения коммуникации, навигации и других сигналов в этих сферах.
1. Система навигации GPS.
Система навигации GPS состоит из 3 сегментов: космического сегмента, управляющего сегмента и сегмента пользователей. Космический сегмент – это 24 спутника на средней орбите, облетающие Землю за 12 часов. Управляющий сегмент состоит из наземных станций, включающих Главную на базе Шрайвер. Станции определяют данные орбит спутников и выгружают их на них. Спутники посылают подмножества данных о своей орбите и времени на приемники (терминалы) пользователей. Сегмент пользователей – это соединения (и бойцы) с терминалами, которые определяют относительно положения спутников свои координаты X,Y,Z и время. Несущий микроволновой сигнал со спутника модулирован данными о его орбите. Каждый спутник вырабатывает также свой сигнал псевдо-случайного шума, являющийся его адресом.
Поскольку данные орбиты в промежуток времени известны относительно Земли, то пользователь со своим терминалом, зафиксировав свои координаты относительно спутника, по несложному алгоритму определяет свое положение в земной системе координат.
Положением прихода специального сигнала от спутника определяется различие времени спутника и приемника. Точность навигации приемника обеспечивается точностью координат положения спутника и ошибкой времени приемника относительно времени GPS.
GPS наведение точных боеприпасов. Малоразмерные приемники GPS размещаются на многих ракетах, бомбах и других вооружениях. Использование стандартной инерциальной системы наведения дополняется коррекцией ошибки, используя код GPS. Когда нацеливание обновляется с выведенной GPS координатой, то получается точное оружие с КВО ~1м.
Такое GPS наведение возможно днем и ночью в любых погодных условиях, оно равно точности ТV и лазерного наведения. Возможно наведение на группу целей. Координаты целей, как правило, определяются радаром. Для преодоления смешения осуществляется управление лучом приема антенны GPS. Доказана высокая точность при наведении ракетно-артиллерийского боеприпаса. GPS особенно эффективно для наведения (парящих) бомб. Укрепление системы проведено как по спутниковой стороне, так и по приемникам. Оно осуществляется увеличением направленной энергии, излученной передатчиком спутника. Выводятся новые спутники GPS-IIR с увеличенной мощностью сигнала. Такое точное наведение боеприпасов с GPS минимизирует боковое повреждение от их применения.
2. Коммуникационные системы.
Без надежных коммуникаций невозможны военные действия, разведка, вся военная инфраструктура. Службы нуждаются в большом объеме, скорости и защищенности передачи данных. Коммуникационные сети, дальнодействующие вооружения, самолетный подход/посадка и многое другое – это нынешняя коммуникационная среда.
До последних лет в США использовались спутники DSCS (5 на геосинхронной орбите). Связь осуществлялась на UHF.
Позднее спутники Милстар (на геосинхронной орбите) обеспечивали коммуникацию на EHF между управленцами и пользователями, такими как суда, подлодки, самолеты. Работа в диапазоне 30-300 Ггц позволила преодолеть переполнение и интерференцию связи.
Программа Милстар, обеспечивающая покрытие между 650 северной и 650 южной широты включала 2 спутника (1994, 1995), которые обеспечивали столь защищенную связь, что она выдержала бы условия ядерного взрыва.
Несмотря на то, что в службах имеются различные терминалы, форматизация коммуникаций позволяет их успешное совмещение с коммуникационными системами разных спутников.
Широкополосные коммуникации обеспечивают большую емкость данных (скорость и объем). Защищенные - позволяют антисмешивание, скрытность, устойчивость. Узкополосная связь служит для связи бойцов по голосу, с низкой скоростью, для мобильных пользователей.
На смену Милстар идет спутник Гапфиллер, обеспечивающий в 10 раз больший объем данных и надежную военную X-полосу (7-8 Ггц).
Система будет поддерживать центрированный к сети бой через построение включающее межсвязи спутников в космосе и через наземные узлы. Сеть будет направлять связь от терминала к спутнику в его прямой видимости, через другой спутник к терминалу в другой части мира.
Параметры спутника –вес 6000кг, использование 10 Квт энергии, срок службы 11,8 лет.
Управление сети будет осуществляться Армией, спутники будут вести Возд.Силы.
Глобальную службу Радиопередачи, осуществляющую передачу видеокарт, графиков, погодных данных обеспечивают ныне спутники Нави UFO-8,9 и 10. Терминалы с антеннами 0,6-1м получают данные со скоростью 24 Мбит/с с пятном покрытия 900км, и со скоростью 1,5Мбит/с в пятне 3600км. Спутник Гапфиллер также будет осуществлять Радиопередачу в Ка-полосе, т.е. он заменит спутники Нави.
Повторим, что пока узкополосную коммуникацию осуществляют спутники UFO. Они служат для 7500 терминалов пользователей.
3. Спутники разведки, распознавания, слежения, раннего предупреждения.
Разведывательные спутники можно подразделить на 4 вида: распознающие, следящие, раннего предупреждения и электронной разведки.
Аппаратура дешифровки спутниковых картин на Земле позволяет получать детальную информацию об объектах.
Обеспечение действия на поле боя требует снимков высокого разрешения при частом повторе в дневных, ночных и всепогодных условиях. Наряду с этим рутинная разведка мирного времени требует обзора широких площадей зон общего и военного интереса для избежания «сюрпризов».
Доминирующая осведомленность поля боя позволяет обеспечить сетево-центрированный бой, который опирается на сеть спутников и полевые приемные системы для любых сухопутниых, морских и воздушных сил.
Основное средство диагностики спутников распознавания Изображающая технология. Ранние спутники CORONA (1960-1972) дали исчерпывающую информацию по ракетным площадкам России, Китая. Фотопленка снимков в видимом свете сбрасывалась в канистрах в атмосферу и подхватывалась самолетами; время жизни спутников составляло 7-10 дней. Разрешение снимков достигало 10-12м.
Масса спутников дальнейшей серии Кейхоул составляла для KH-7/8 2000кг, их длина 10,6м при диаметре 1,5м. Фотопленка в канистрах также сбрасывалась на Землю. Дальнейшее совершенствование аппаратуры на спутнике Кейхоул KH-9 привело к получению телевизионного изображения, которое в реальное время передавалось на землю для обработки. Срок жизни такого спутника составлял 6 месяцев.
Следующее улучшение в системе спутникового изображения дал аппарат KH-11. Он нес мультиспектральные цифровые изображающие системы, а также приборы разведки сигналов (ниже). Его масса 13,5т, длина 13,5м при диаметре 3м. Время жизни прогнозировалось около 3 лет. Аппарат действовал на слабо эллиптической орбите с апогеем 1060км и перигеем 270км, аппаратура спутников позволяла инфракрасную съемку и получение теплового изображения. Получение цифровых видео регистраций в реальное время являлось большим преимуществом для разведки – распознавания.
Дневные и ночные и всепогодные снимки дает изображающий радар, который применялся в более поздних сериях развед-спутников.
Как отмечалось, обработка снимков позволяет выделить интересующую разведку информацию. По цифровым снимкам это делать удобнее, но и обычные изображения могут быть преобразованы в цифровой код и подвергнуты компьютерной обработке.
Спутники дальнейшей серии Лакросс несли изображающий радар. Это крупные спутники с массой 15т и выработкой 10-20 Квт энергии. Различные моды сканирования радара давали высокое разрешение малых областей и меньшее -для более обширных областей.
В планах Разведывательного Офиса разместить для разведки большое число малых спутников вместо нескольких крупных. Технико-экономический анализ показал, что созвездие таких спутников более надежно обеспечит получение развед-изображений и проведение других разведывательных функций.
Ныне разведывательная Программа Поддержки Обороны (DSP) будет заменяться композицией спутников SBIRS-высокое и SBIRS-низкое. Первые будут обеспечивать раннее предупреждение запусков ракет и регистрацию других инфракрасных событий на Земле с геосинхронизованной орбиты. SBIRS-низкое из 24 спутников на низкой орбите 1800 км будет обеспечивать нужды ракетной обороны, и также вести общую детальную инфракрасную разведку.
Успех любой операции зависит от петли анализа-направления-распространения развед-данных по новым угрозам, непрерывному покрытию целей высокого интереса и адекватного стратегического предупреждения.
Получение цифровых изображений существенно повышает эффективность разведки, давая круглосуточную всепогодную информацию, как в глобальном охвате, так и непосредственно в зоне конфликта.
«Шпионские» спутники несут также аппаратуру разведки сигналов (Эшелон). Аппаратура на спутниках регистрирует миллионы сообщений, E-mail и других передач. Перехваты осуществляются со спутников на геостационарной, эллиптической и на низкой орбитах. В сферу перехвата попадают сигналы спутниковых и наземных коммуникаций, а также радарные сигналы.
4. Метеорологические спутники.
В 70-е годы солнечно-синхронизованные спутники ITOS (830км) обеспечивали информацию по вертикальной структуре атмосферы (температуре, влажности) и успешно действовали свыше 6 лет. Агентство Атмосферы и Океана НОАА запускало позднее спутники НОАА-6, … НОАА-17. Они обеспечили данные более высокого разрешения в дневных и ночных условиях. НОАА-8 нес транслятор поиска: через него люди, суда, самолеты могли подать сигналы SOS наземным службам спасения.
Геосинхронные спутники осуществляли мониторинг всей поверхности Земли. Эти спутники GOES дали лучшие погодные регистрации атмосферы и наблюдения природных условий на поверхности.
Военная система спутников DMSP, которая параллельно велась НОАА, обеспечивала наряду с отмеченными данные по типу и высоте облаков, температуре земли, поверхности воды, по льду и снегу и др. Данные со спутников направлялись в Амер. Центры Обработки Действия, откуда они уже в виде метеоданных распределялись по военным службам.
В 1994 военные и гражданские спутники метеорологии были слиты в единую систему, которая позднее будет предоставлять передовые метеоданные для различных пользователей. Это будут спутники программы Полярно Орбитальной Регистрации Среды. Фактически три агентства НОАА, Мин. Обороны, НАСА будут вести спутники Полярной Орбиты и собирать требуемые данные. Разработаны новые технологии инфракрасного и микроволнового изображения, зонды, что в целом позволит считать систему NPOESS «системой наблюдения среды».
Спутники NPOESS будут размещены на орбитах в 833 км в трех узлах плоскости орбиты с различным временем пересечения экватора и рассчитаны на 10-летний цикл работы в 2008-2019 гг. Мощный транслятор спутников будет передавать параметры Регистрации Среды для обработки наземным службам и предоставления метеоданных пользователям в региональных центрах.
Комплекс регистрации видимых, инфракрасных и радарных регистраций Полярно Орбитальной Системы даст лучшее пространственно-временное разрешение атмосферных, океанских, наземных данных, что позволит точное предсказание ближне-срочной погоды, а также штормов, ураганов и других природных катаклизмов.
Заключения.
1.Широко известна и применяется в том числе гражданскими пользователями навигационная система GPS. Она составляет основу наземной, морской и космической навигации. Военная точность составляет ~20м по широте, долготе и высоте, однако она возможна только для допущенных пользователей с дорогими кодированными терминалами.
Аккуратные и точные вооружения стали возможны благодаря наведению их через приемники GPS. Такое наведение, помимо достижения КВО до 1-4м является круглосуточным, всепогодным. В петле управления не требуется оператор. Многоцелевое наведение дает существенную экономию по носителям и боеприпасам.
2. К военной связи применяются требования высокой скорости (объема) передаваемых данных, защищенных от смешивания. Сложилась градация связи на широкополосную, защищенную, узкополосную, а также обеспечивающую функцию Радиопередачи. По службе Радиопередачи пользователю направляются видеокарты местности, графики и погодные данные.
Ранее и ныне эти функции обеспечиваются спутниками Милстар в диапазоне сверх-высокой частоты EHF. Система связи обеспечивает центрированные к сети действия через межсвязи спутников в космосе и наземные узлы. Связь направляется от терминала к спутнику в прямой видимости, на другой спутник и на терминал на удаленной территории.
Созвездие нового спутника связи Гапфиллер даст в 12 раз больше объем передачи. При 10-кратном увеличении числа пятен покрытия будет минимизирована интерференция.
Министерство Обороны широко практикует аренду каналов связи на коммерческих спутниках, что повышает емкость, площадь покрытия и надежность коммуникации.
3. Одной из основных задач спутниковой фоторазведки является обеспечение полевых действий. Командиры на поле боя нуждаются в дневных, ночных, всепогодных снимках местности при частом их повторе. Мультиспектральные снимки и радарные изображения представляют спектр таких регистраций.
Камеры спутников серии Кейхоул, начиная с KH-11, получали снимки в цифровой форме и в реальное время передавали их на наземные станции для дешифровки. Радарный спутник Лакросс обеспечивал высокоразрешенные картины.
Эти, как и другие спутники осуществляли также рутинное получение изображений широких областей для выделения военной активности.
Новая инфракрасная система SBIRS-высокое и SBIRS-низкое обеспечит как раннее предупреждение и общую разведку с высокой орбиты, так и детальную инфракрасную разведку с низкой орбиты (SBIRS-низкое).
Сеть слежения коммуникаций Эшелон ведет электронный перехват спутниковых коммуникаций, телефонных, E-mail передач и включается в компьютерную систему, выделяющую развед-информацию по ключевым словам.
4. Метеоспутники НОАА действуют с 1970-х на высотах 830-870км. Диагностика параметров по сечению атмосферы позволяла вырабатывать средне-срочный прогноз погоды.
В 90-х спутники GOES действовали на геосинхронной орбите, давали детальную информацию по атмосфере и по ионосфере, а также характеристику состояния поверхности. Вдобавок НОАА вела еще военную спутниковую погодную систему DMSP. Регистрировались параметры облаков, температуры океанов и поверхности, определялись характеристики снежного и ледового покровов.
Новая Полярно-Орбитальная система NPOESS в силу ее орбиты и насыщения ее спутниками, разнесенными по времени призвана обеспечить метеоданные для НОАА, Военного Министерства и НАСА. Для получения поверхностных, океанских и солнечно-геофизических данных улучшены технологии микроволнового изображения и зонды для круглосуточных наблюдений.
1. Функционально разделенные спутниковые системы обеспечивают весь спектр задач обслуживания военных сил, как в мирное время, так и в условиях конфликтов. В нынешний Информационный век без использования спутникового обеспечения невозможны любые военные операции, сколь-нибудь содержательная разведка и необходимое метеообеспечение.
2. Если не размещать в космосе или на Земле противоспутникового оружия, которое имеется у сверхдержав, а также принять Договор о неинтерференции спутников других стран, то стратегическая ситуационная осведомленность благодаря спутниковой информации работает на укрепление международной стабильности.
3. Политическая риторика в отношении уязвимости спутников и попытки оснастить их защитами, укрепить, спрятать и.т.д. – толкает к развертыванию космических, противокосмических поражающих средств и ведет к стратегически провальной гонке вооружений.
4. Политика США навязать России высокотехнологичную гонку вооружений в целях экономического изматывания чреваты неконтролируемым сползанием к гонке теперь уже космических боевых средств ведущих к угрозе мировой войны. У России имеются средства противостоять угрозам космических вооружений, причем сделать это более дешевыми мерами.
5. В этой связи спутники, в первую очередь военные, должны стать неприкосновенными объектами, как от временного, так и постоянного их деградирования. Любой акт против спутников может рассматриваться как агрессия, поэтому только их предохранение может служить международной стабильности. Единственный путь – Договоры по запрещению оружия в космосе по всем боевым противокосмическим средствам. Эти Договоры в целом могут проверяться национальными средствами. Иначе мир может ждать космический Апокалипсис.
6. Представляется интересным подход, если бы все спутники: навигационные, коммуникационные, разведывательные, метеорологические - принадлежали, запускались и велись частными компаниями. При этом военные закупали бы навигационные данные, полосы частот и узлы связи, приобретали многоспектральные снимки и метеоданные в том объеме, который им нужен для обеспечения национальной безопасности. Это сможет в корне изменить оборонную политику на Земле, приводя если не к универсальной, то к более высокой безопасности.