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.

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.

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].

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».