Первая отечественная спутниковая радионавигационная система

Современная отечественная спутниковая радионавигация создавалась усилиями многих научных учреждений и производственных предприятий нашей страны, при этом роль Гос.НИНГИ МО РФ (в то время НИГШИ ВМФ) имеет особое значение, так как в недрах нашего Института родилась эта идея и усилиями горячих сторонников этой идеи в Институте прокладывалась трудная дорога к созданию ныне действующих низкоорбитных и среднеорбитных спутниковых радионавигационных систем.

В середине 50-х годов незадолго до запуска первого ИСЗ (1956 г.) трудно было представить, какое значение он сможет оказать на развитие навигации. Даже многие крупные ученые, получив просьбу Президиума АН СССР высказаться о том, как можно использовать космос, не смогли ничего предложить. В то же время развитие ВМФ требовало создания глобальной высокоточной системы определения координат места и курса корабля для коррекции корабельных автономных навигационных систем.

Летом 1956 г. только что окончивший ВМА старший научный сотрудник Института Вадим Алексеевич Фуфаев высказал идею использования для этой цели ИСЗ. Эту идею поддержали начальник отдела Леонид Иванович Гордеев и заместитель начальника Института известный штурман Бруно Иванович Цезаревич.

Идея использования ИСЗ, снабженных радиопередатчиком (необходимой мощности), для навигации казалась фантастической, но после запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого ИСЗ появилась реальная основа для ее осуществления. Первые попытки привлечь к научным исследованиям этого вопроса ВМА и Пулковскую обсерваторию оказались неудачными. Оставалось рассчитывать, в первую очередь, на собственные силы.

В Институте была создана инициативная группа, которая проводила исследования по трем направлениям:

• разработка дальномерного метода определения координат корабля (В.А.Фуфаев);
• разработка доплеровского метода определения координат (В.П.Заколодяжный);
• разработка угломерных методов определения координат и поправки курсоуказания (с 1961 г. Е.Ф.Суворов).

В.А.Фуфаев и Е.Ф.Суворов кроме научных исследований много времени уделяли решению различных организационных вопросов. Идея постепенно пробивала себе дорогу и в других научных организациях.

В результате выполненных проработок и после серии полезных совещаний в Подмосковном НИИ космического профиля (январь–март 1958 г.) с участием И.А.Артельщикова, А.А.Большого, Г.И.Левина, Ю.А.Мозжорина, П.Е.Эльясберга, В.Д.Ястребова в НИИ МО началась разработка аванпроекта системы. В 1959 г. в Институте в течение года была проведена научно-исследовательская работа по разработке методов определения координат места по навигационным ИСЗ. На эту пионерскую научно-исследовательскую работу Комитетом по делам изобретений и открытий при СМ СССР впоследствии было выдано удостоверение о регистрации. Выводы, сделанные в отчете о работе, свидетельствуют о том, что на тот период не учитывалась возможность использования всего видимого участка орбиты ни в доплеровском, ни в дальномерном методах, реализованных в системе в последующем. Это прежде всего связано с тем, что тогда еще не представляли огромных возможностей вычислительной техники.

Таким образом, благодаря исследованиям, проводимым в 1958–1959 гг. в нашем Институте, институтах и вузах МО, АН СССР и промышленности в стране был заложен самостоятельный научно-исследовательский фундамент спутниковой радионавигации и подготовлен этап практического создания низкоорбитной спутниковой радионавигационной системы (СРНС). В первой половине 1960 г. был разработан аванпроект первой отечественной низкоорбитной СРНС. Однако, по ряду причин работы по созданию системы были отложены.

Период 1961–1963 гг. были весьма трудным для инициаторов создания СРНС. В 1961 г. произошла реорганизация Института и он утратил самостоятельность, войдя в состав объединенного Института ВМФ. Руководство объединенным Институтом пыталось переподчинить инициативную группу, а разрабатываемую систему включить в многофункциональную космическую систему ВМФ. В промышленности среди разработчиков навигационных комплексов появились противники создания СРНС. Они пытались доказать, что использование радиоастрономических методов определения места имеет большие перспективы для глобальной всепогодной помехоустойчивой навигации.

Несмотря на все эти неприятности, которые отнимали у руководителей инициативной группы массу времени, работы над созданием методов спутниковой радионавигации продолжались. С помощью ЭВМ "Урал", а позднее "М-20", были кординально решены вопросы математического моделирования, что позволило "проигрывать" различные варианты задачи определения координат при большой избыточности измеренных значений навигационных параметров и получить более ясное представление о степени необходимой детализации алгоритма решения навигационной задачи для ее реализации в корабельной аппаратуре.

Так была решена задача оценки точности определения поправки курсоуказания по ИСЗ, связанная с перебором значений с секундными шагами аргументов в пределах нескольких угловых минут и выбором минимальных значений.

В.П.Заколодяжным был наиболее полно исследован алгоритм доплеровского метода (1958–1964), что позволило в дальнейшем положить его в основу создания приемной аппаратуры "Штырь-Б".

В этот период много внимания уделялось разработке концепции организации вычислений и концепции эфемеридного обеспечения.

Вопросы использования вычислительных устройств, в первую очередь, решались применительно к корабельной приемной аппаратуре. Первые же попытки моделирования задач показали необходимость выполнения большого объема вычислений в ходе обсервации. Поэтому Институту приходилось искать разработчиков малогабаритных вычислительных устройств для этих целей. В 1961 г. была предпринята попытка привлечь организацию, возглавляемую главным конструктором Ф.Г.Старосом, но она оказалась неудачной. Надо отметить, что в то время головными институтами ВМФ, НТК ВМФ был взят курс на использование на корабле единой ЭВМ – боевой информационно-управляющей системы (БИУС), разработка специализированных ЭВМ для решения отдельных задач категорически запрещалась.

Ошибочность этого требования сотрудникам Института пришлось испытать при разработке корабельных приемоиндикаторов, предполагаемых к широкому распространению, вплоть до малых кораблей и судов любых ведомств, когда требовалось для вычислений использовать элемент БИУСа по весам и габаритам в десятки раз превосходящим возможности размещения этой аппаратуры на корабле.

Поэтому при разработке доплеровской комплектации корабельной аппаратуры "Штырь-М" в ее состав был включен блок вторичной обработки информации (фактически специализированная ЭВМ).

Впоследствии была принята новая стратегия – "иерархическая система", которая допускала создание специализированных ЭВМ, но на это ушли годы.

В 1964 г. Институт снова стал самостоятельным и была создана лаборатория по спутниковой тематике, которую возглавил Е.Ф.Суворов. К руководству возрожденным Институтом пришел контр-адмирал Юрий Иванович Максюта. В его лице направление спутниковых навигационных систем получило компетентное и целенаправленное руководство.

Многократные сообщения о состоянии работ по системе США "Транзит", которая с 1963 г. уже функционировала, привели к тому, что 15.01.64 г. на правительственном уровне было принято решение о создании отечественной спутниковой системы.

С этого решения на основе разработанной в Институте методологической базы начались практические шаги по созданию отечественных СРНС. В декабре 1966 г. в Институте был сформирован отдел "Методов и средств использования искусственных спутников Земли в навигации", из трех лабораторий.

Коллектив отдела существенно усилился с прибытием в него И.Р.Берестенко, Г.А.Букина, В.И.Лапшиной из Красноярского ОКБ, ветерана разработки корабельных радиоастрономических средств Э.А.Жижемского, выпускников ВМА В.А. Панкевича, Ю.С.Тюрина, выпускника академии им.Дзержинского В.А.Пыленкова, выпускников академии им.А.Ф.Можайского Л.А.Кобякова, Е.А.Малыгина и В.Н.Челищева.

23 ноября 1967 г. первый отечественный навигационный ИСЗ "Космос 192" был выведен на орбиту. Непосредственно разработкой первой отечественной СРНС занимались: Красноярское ОКБ прикладной механики – головная организация (руководители М.Ф.Решетнев, Г.М.Чернявский), Московское НИИ приборостроения (Б.И.Борисенко, Н.Е.Иванов, В.А.Салищев), ЛНИРТИ (П.П.Дмитриев, А.Ф.Смирновский).

В научных разработках принимали участие наш Институт и ЛВВИА им.А.Ф.Можайского. Подмосковный НИИ космического профиля творчески взаимодействовал со всеми организациями-участниками.

Для испытаний корабельной навигационной аппаратуры был переоборудован ЭОС "Николай Зубов". В организации работ по переоборудованию деятельное участие приняли офицеры Гидрографического управления ВМФ В.И.Губанов, Е.А.Конеченков и Ю.Н.Косков, а от Института В.Н.Агафонов и Ю.Н.Семаков.

Испытания корабельной аппаратуры были начаты в Балтийском море и на наземном измерительном пункте в районе г.Щелково. Были предъявлены: доплеровская аппаратуры "Штырь-Б" (гл.конструктор Н.Е.Иванов), дальномерная аппаратура "Импульс-Б" (гл.конструктор А.Ф.Смирновский), угломерная аппаратура "Цезий" (гл. конструктор М.К.Петушков), аппаратура синхронизации "Карбид-Б" (гл.конструктор Е.Ю.Сентянин) и ЭВМ "Амулет" (гл.конструктор В.В.Стрыгин). Первый сигнал был принят в конце 1967 г. вскоре после запуска спутника "Космос-192". Позднее к испытаниям были привлечены пл "Б-36", "Б-78" КСФ и "Б-88" КТОФ.

В государственных испытаниях от ВМФ участвовали В.Д.Шандабылов (ГС ВМФ), Н.И.Богаткин, П.С.Волосов, Г.К.Данилова, В.П.Заколодяжный, В.Н.Кефала, Н.Д.Кириченко, Ю.Н.Косков, В.И.Лапшина, Ю.И.Максюта, Б.Г.Мордвинов, В.А.Пыленков, Е.Ф.Суворов, Ю.С.Тюрин, В.А.Фуфаев,(Институт).

Положительные результаты испытаний позволили в 1972 г. перейти к опытной эксплуатации системы "Залив", в состав которой входили 4 спутника на круговых орбитах высотой около 1000 км. За время опытной эксплуатации системы было обеспечено более ста дальних походов кораблей и судов ВМФ. С целью оплавывания системы два похода совершил ЭОС "Николай Зубов". Первый поход с 10.01.71 по 22.06.71 г. – по маршруту: Ломоносов–Балтийск–Свиноуйсце–Мурманск–Гавана–м.Доброй Надежды–Гвинейский залив–Мурманск–Свиноуйсце–Ломоносов. За 152 суток похода было пройдено 30389 миль, произведено 554 обсервации. От Института в походе участвовали Б.Г.Мордвинов (начальник экспедиции), П.С.Волосов, Ю.А.Гаврилов, В.К.Гаранин, Н.И.Королев, В.Н.Хоробрых.

Анализ материалов похода подтвердил:

• правильность общих принципов построения и функционирования системы;
• реальность достижения заданных характеристик;
• превышение инструментальной точности аппаратуры по отношению к точности прогноза эфемерид.

Второй поход ЭОС "Николай Зубов" проходил с 10.04. по 28.10.72 г. по маршруту: Ломоносов–Балтийск–Росток–Касабланка–острова Южн.Георгия–район м.Горн–Фольклендские острова–Монтевидео–Куба–Галифакс–Росток–Балтийск–Ломоносов. За 203 суток похода пройдено 27920 миль, произведено 1500 обсерваций. От Института в походе участвовали Б.Г.Мордвинов (зам.начальника экспедиции), В.В.Терентьев, от ВМА – Ю.С.Дубинко.

Этот поход, где научное руководство осуществлял Ю.С.Дубинко, дал ценные материалы, которые позволили оценить созданную систему критически и наметить пути и направления развития корабельной аппаратуры СРНС. Принятие системы на вооружение состоялось в сентябре 1976 г. Основные характеристики первой отечественной СРНС: средняя квадратическая погрешность определения координат места – 250 м. Длительность обсервации 6–15 мин. В дальнейшем перспективы развития корабельной аппаратуры были рассмотрены и определены в научно-исследовательских работах, проводившихся в 1977–1988 гг. под руководством начальника отдела, а затем заместителя начальника Института Ю.С.Дубинко. Будучи высокоэрудированным специалистом в области современной радиоэлектроники, хорошо владеющий математическим аппаратом, получив большой опыт работы со спутниковыми навигационными системами, Ю.С.Дубинко впервые в отечественной науке и практике предложил и внедрил принципы математического проектирования аппаратуры потребителей этих систем. Суть указанных принципов достаточно полно изложена в книгах "Судовые комплексы спутниковой навигации", "Бортовые устройства спутниковой радионавигации", в ряде статей и докладов, основным автором которых является Ю.С.Дубинко.

В эти же годы он продолжил в Институте научный поиск решения ряда проблем, возникших в ходе создания первой СРНС. Так, влияние погрешности учитываемой скорости объекта на суммарную погрешность определения места является наиболее существенным недостатком низкоорбитных СРНС. С целью уменьшения влияния этой погрешности в аппаратуру АДК-4 по предложению Ю.С.Дубинко была включена составляющая вектора скорости, направленная вдоль трассы спутника. Ее включение снизило чувствительность к погрешности скорости до 70 м на 1 уз, против 360 м в АДК-3. Однако это привело к увеличению погрешностей координат на качке. Дальнейшие исследования, выполненные Ю.С.Дубинко и Г.К.Даниловой, определили пути демпфирования влияния качки на точность определения координат. Результаты этих исследований были внедрены в новые корабельные приемоиндикаторы.

В 1980 г. под научным руководством Ю.С.Дубинко и участии В.А.Фуфаева сотрудниками экспериментальной лаборатории Института (А.Т.Берладиным, С.В.Болдыревым, Г.К.Даниловой, М.А.Добориным, В.Ф.Зуевым, В.И.Лапшиной, А.А.Мониевым, А.М.Пановым, К.М.Петушковым, И.В.Ратьковым) без какого-либо участия промышленности была разработана первая математическая модель и создан действующий макет принципиально новой корабельной аппаратуры. Между тем появились трудности с размещением антенн для приема сигналов СРНС на многоцелевых подводных лодках. Выполненные промышленностью различные варианты размещения антенн практически осуществить не удалось.

Тогда в 1979–1982 гг. сотрудниками Института В.И.Киричеком и Е.Н.Сафроновым под руководством начальника отдела В.А.Монтелли были проведены эксперименты на Северном флоте по приему сигналов СРНС на серийные связные антенны пл. Проведенные исследования прошли успешно, что обеспечило внедрение корабельной приемной аппаратуры АДК-3 на многоцелевые пл. Для сопряжения АДК-3 со связными антеннами сотрудниками Института в 1984 г. был разработан и внедрен антенный коммутатор ПА-Ш. Вооружение аппаратурой спутниковых навигационных систем пл старых проектов (611, 613, 641) было осуществлено разработкой тем же авторским коллективом малогабаритных антенн АМА-П и АМА-Н.

Создание низкоорбитной спутниковой навигационной системы была настоящей революцией в навигации. Впервые корабли и суда нашей страны смогли определять с высокой точностью свое место в любой точке Мирового океана по отечественной системе. В ходе разработки системы и по результатам ее эксплуатации ряд сотрудников Института защитили кандидатские диссертации: В.П.Заколодяжный (1964 г.), В.А.Фуфаев (1966 г.), Г.А.Букин (1969 г.), С.Я.Генералов (1972 г.), Г.К.Данилова(1988 г.) и др. Ряд сотрудников Института был отмечен правительственными наградами. Начальник Института Ю.И.Максюта стал лауреатом Ленинской премии, а В.П.Заколодяжный, Е.Ф.Суворов, В.А.Фуфаев – лауреатами Государственной премии.

Благодаря опыту создания и использования этой системы идея спутниковой радионавигации быстро приобрела своих союзников в других родах войск и народном хозяйстве. В СССР выросли большие коллективы опытных разработчиков, которые были в состоянии уверенно повести дело дальнейшего прогресса СРНС.

Спутниковые навигационные системы открыли новую эру глобальной прецизионной навигации. Гос.НИНГИ МО РФ не только был одним из основателей нового научно-технического направления, но и активно участвовал на всех этапах создания низкоорбитных и среднеорбитной СРНС.

На различных этапах создания отечественных спутниковых навигационных систем активное участие от ВМФ принимали: Ю.И.Базаров, Н.И.Богаткин, С.Я.Генералов, Л.И.Гордеев, Г.К.Данилова, Е.С.Доведов, Ю.С.Дубинко, Э.А.Жижемский, В.П.Заколодяжный, Ю.Н.Косков, В.И.Лапшина, Ю.И.Максюта, В.А.Монтелли, Э.М.Нарышкина, В.А.Панкевич, И.В.Пивковский, Е.Ф.Суворов, Ю.С.Тюрин, В.А.Фуфаев, А.А.Шашков и др. Большая организационная работа была проведена С.А.Колосковым, А.И.Рассохо, Р.В.Старкиным, Г.Г.Толстолуцким, В.Д.Шандабыловым.

Статья написана по материалам Ю.И.Базарова, А.В.Зайцева, Ю.Н.Коскова и Е.Ф.Суворова,

1. Суворов Е.Ф. Летопись зарождения, развития первых шагов реализации идеи отечественной спутниковой навигационной системы. Рукопись.

2. Шебшаевич В.С. Развитие теоретических основ спутниковой радионавигации Ленинградской радиокосмической школой/ // Радионавигация и время. –1992. –№ 1.

3. Федотов А.В. От эфемерид светил до космических навигационных систем // Морской сборник.– 1995.–№ 8.

4. История Гидрографической службы Российского флота. Том 2.–: ГУНиО МО. –1997.