ГЛОНАСС держит удар GPS

Управление национальной космической безопасности США выпустило итоговый доклад «Исследование национальной архитектуры средств координатно-временного и навигационного обеспечения», в котором говорится об этапах и перспективах развития штатовской системы спутниковой навигации.

По сути, американцы для своих немногочисленных конкурентов — Европейского космического агентства, Японского агентства аэрокосмических исследований и космических агентств государств БРИКС — России, Китая и Индии, обозначили рубежи, которые необходимо преодолеть хотя бы для того, чтобы видеть спину лидера.

Напомним, что НАСА достаточно жестко придерживается поставленных целей, в частности, технологическая программа Х2000 обязывает разработчиков каждые три года внедрять новые или, по крайней мере, модернизировать ключевые подсистемы космических аппаратов. Причем, речь идет не только об уменьшении размеров при одновременном повышении надежности, но и о принципиальном улучшении характеристик.

Прежде всего, в американском докладе жестко ставится вопрос о развитии атомных стандартов частоты, в простонародье известных, как атомные часы, стабильная работа которых каждые 7 лет улучшается на порядок.

Не вдаваясь в научные подробности, отметим, что резонансная частота атомов любого конкретного вещества с течением времени стабильна, что делает атомный осциллятор (периодически повторяющая во времени система — ред.) точнейшим хронометром в природе. Для того чтобы искусственно удерживать в возбужденном энергетическом состоянии атомы, разрабатывают и применяют чрезвычайно сложные приборы, так называемые мазеры. Чем больше в них резонирующая частота, зависимая от выбранного вещества, тем точнее атомные часы. Не менее важно, чтобы мазер служил как можно дольше, что в свою очередь удешевляет эксплуатацию всей программы навигации.

Здесь еще пару лет назад российское отставание от американцев и европейцев было критическим, способным свести на нет титанические усилия разработчиков ГЛОНАСС. Используемые у нас цезиевые мазеры отличались не только относительно низкой точностью измерения времени, но и характеризовались быстрой деградацией. Между тем в США для нужд Пентагона с 2012 года выпускаются Chip-Scale Atomic Clocks — 35-граммовые атомные часы на кристалле, которые, в принципе, можно использовать для позиционирования на местности даже без сигнала спутников.

Хотя сдерживающим фактором для широкого применения Chip-Scale Atomic Clocks является чрезмерная цена и нарекания о низкой надежности, Управление национальной космической безопасности США считает это направление наиболее перспективным, а потенциальное коммерческое применение миниатюрных атомных часов — обнадеживающим. Более того, американцы надеются, что правила ВТО позволят им монополизировать рынок глобального позиционирования уже в 2025 году, так как «европейцам и россиянам потребуется время для преодоления конкурентного преимущества».

Между тем, мировой рынок спутниковой навигации насчитывает, по крайне мере, миллиард пользователей, которые, хотя и получают бесплатный сигнал, являются покупателями навигаторов и сопутствующих мобильных приложений. По логике вещей, Россия, являясь конкурентом США, тоже могла вступить в борьбу за этот лакомый кусок. Правда, для этого нужно встать на ноги.

Сформировавшееся сегодня отставание в твердотельной электронике стартовало во времена правления Ельцина и достигло своего апогея в 2014 году. И это несмотря на то, что в реальности возрождать наукоемкие технологии для спутниковых программ стали в начале нулевых годов.

По большому счету, система ГЛОНАСС изначально трещала по швам. Так, спутники первого поколения имели гарантированный срок эксплуатации 7 лет, хотя порой работали еще меньше, например, спутник № 722 — всего 2 года 3 месяца. И это тогда, когда американские аппараты системы GPS эксплуатировались в разы дольше. Это нисколько не умаляет достижения наших разработчиков. После разгрома в 90-х они сделали невероятный скачок вперед, разрушив монополию американцев на спутниковую навигацию.

И все-таки в первых числах апреля 2014 году стало окончательно ясно, что используемые в ГЛОНАСС цезиевые и рубидиевые атомные часы безнадежно устарели и могут использоваться, лишь как резервные. В статье «ГЛОНАСС в апреле: что пошло не так», издание GPS WORLD сообщило о «плохих» орбитальных позициях российских спутников, которые почему-то возникли сразу после того, как Москва не поддержала ультраправые беспорядки на Украине и изгнание законного президента.

На 13-м заседании американского Совета национального космического позиционирования, навигации и синхронизации, состоявшемся 3 июня 2014 года, были приведены данные, согласно которым в момент некорректной работы ГЛОНАСС среднеквадратичное отклонение наших спутников от расчетной орбиты достигало 71 метра, тогда как требуется не больше 0,5 метра. Это сопоставимо с ошибкой в наземном позиционировании до 200 км. Виной происшествия, по мнению экспертов, стали программное обеспечение, и, возможно, бортовые атомные часы.

Глен Гиббонс, ведущий международный эксперт в области глобальных навигационных спутниковых систем и редактор специализированного издания Inside GNSS, не скрывая злорадства, назвал случившийся сбой системной технологической проблемой русских, хотя и отметил, что космический сегмент GPS тоже не безупречен. Между тем, международные пользователи российской навигационной системой заявили, что ни при каких условиях не откажутся от услуг ГЛОНАСС, поскольку политически не доверяют Соединенным Штатам.

Так или иначе, но точность позиционирования нашей спутниковой навигации, к сожалению, соответствует стандартам США далеких 80-х годов прошлого века, а вынужденное обновление парка космических аппаратов из-за быстрой деградации бортовых эталонов времени является неподъемной ношей для бюджета.

В 2014 году выход виделся в активизации разработки отечественных атомных часов на основе пассивного водородного мазера, аналогичного тому, который используется в европейской навигационной системе. По имеющейся информации, применяемые в GIOVE-B швейцарские хронометры имеют погрешность в 1 секунду за период три миллиона лет, причем работают при перепаде температур +100° C до -150° C и в условиях космической радиации. Они являются несоизмеримо более точными, чем цезиевые, и служат в разы дольше.

Тогда — два года назад, считалось, что по самым оптимистичным оценкам потребуется, как минимум, 7 лет, чтобы петербургскому Институту радионавигации и времени довести до ума аналогичные приборы, а компании «ВРЕМЯ-Ч» из Нижнего Новгорода начать их выпуск.

Однако эту проблему удалось решить значительно раньше. Нижегородцы освоили выпуск водородных стандартов частоты, в частности, Ч1−1003M, для которого минимальный шаг диапазона составляет десять в минус пятнадцатой степени. То есть этот прибор считает время на фемтосекунды.

И вот стало известно, что через два года ГЛОНАСС получит первый спутник с атомными часами на основе пассивного водородного мазера. Этот прогресс отметили также составители вышеупомянутого доклада «Исследование национальной архитектуры средств координатно-временного и навигационного обеспечения», заявив, что в Российской Федерации имеется все необходимое для создания бортовых эталонов времени, позволяющих определять координаты наземных объектов с сантиметровой или даже миллиметровой точностью.

Нам просто фантастически повезло, что Запад, во-первых, ввел против России санкции в связи с украинским политическим кризисом, тем самым вынудив власти пойти на нормальное финансирование национальных космических программ. И, во-вторых, наша страна получила урок, что надеяться нужно только на себя.

Впрочем, речь идет только о передышке, генеральное конкурентное сражение между GPS и ГЛОНАСС еще впереди. И не факт, что Россия, связанная договором ВТО, отобьется! Дело в том, что без коммерческих доходов от услуг навигации Москве просто не осилить безумно дорогие космические проекты следующих десятилетий, уверены американцы.