Спутники-спасатели

 В письме из Адыгеи наряду с частными вопросами был затронут вопрос и практического использования спутников. Ну, конечно, помимо телевещания.  И я вспомнил про свою старую статью на эту тему, Она хоть и старая, но описанная в ней система до сих пор работает. :-)  Так что почитайте. Глядишь, чего-нибудь новое то и узнаете. не секрет, что человек путешествует и плавает по морю очень давно, и до недавнего времени расстояния, на которых могли приниматься сигналы бедствия, ограничивались либо прямой видимостью, либо, с приходом радиосвязи, небольшой (50-100 км) зоной приема сигналов аварийной радиостанции. Кроме того, неизвестно еще, был ли аварийный сигнал принят кем-нибудь. Так что надеяться оставалось только на себя и удачу - проходящий мимо корабль или пролетающий самолет.
Вот уже много лет  нет необходимости полагаться на удачу в экстремальной ситуации. Если Вы благоразумно захватили с собой Аварийный Радиобуй (АРБ), система КОС-ПАС-SARSAT зарегистрирует Ваш сигнал бедствия в любой точке Земли и поможет спасателям найти Вас. Научно-технический прогресс и спутниковая система связи сохранили уже не одну жизнь.
Система КОСПАС-SARSAT предназначена для обнаружения терпящих бедствие транспортных средств и точного определения их географических координат. Инициаторами создания такой системы являются СССР, США, Франция и Канада. Впоследствии присоединились к соглашению Норвегия и Великобритания. Система включает в себя шесть искусственных спутников Земли на полярных круговых орбитах и аварийные радиобуи, передающие в случае аварии опознавательные радиосигналы. Сигналы принимаются на ИСЗ и ретранслируются в наземный пункт приема и обработки информации немедленно или с задержкой, если ИСЗ находится вне зоны радиовидимости приемной станции. По принятым сигналам с высокой точностью устанавливается местонахождение радиобуя. Точные координаты передаются спасательным службам, контролирующим данный район, а они предпринимают необходимые меры для помощи потерпевшим аварию.
 Упрощенная схема, поясняющая принцип действия системы Коспас-Sarsat

Огромное значение при спасении людей имеет своевременная информация о бедствии. Успешное решение этой задачи во многом зависит от надежности и эффективности средств связи. Деятельность человека на море уже давно носит глобальный характер, поэтому обеспечение безопасности - международная проблема. Для увеличения надежности приема и передачи сообщений о бедствии согласно международному соглашению были выделены специальные частоты (500, 2182 кГц; 121.5,156.8, 234 и 406 МГц) и выработаны правила пользования ими. Несколько позже были разработаны автоматические аварийные радиобуи (АРБ). Общим в их конструкции был принцип действия: при аварии (резкой перегрузке при аварии самолета или при попадании в воду при аварии на море) буй включался автоматически и начинал передавать в эфир на частотах, предназначенных для радиооповещения (121,5 и 234 МГц), сигнал о бедствии, воспринимаемый на слух как завывания сирены. При этом отличить один АРБ от другого не представлялось возможным, координат аварии сообщение не содержало и дальность действия передатчика была небольшой. Несмотря на эти недостатки, использование АРБ было крупным шагом вперед в обеспечении безопасности на море и оказалось эффективным, особенно при авариях вблизи от берегов. Такими устройствами стали оснащаться большинство судов и самолетов во всем мире. В настоящий момент в разных странах используется более 300 тыс. этих устройств.
Однако накопленный опыт организации и проведения поисково-спасательных работ на море с использованием существующих радиосредств для оповещения о бедствии показал недостатки имеющихся средств, в особенности при нахождении судов, терпящих бедствие вдали от берегов. Прогресс в решении проблемы обеспечения безопасности может быть достигнут только при выполнении следующих основных требований:
1. Глобальность действия (рабочая зона должна покрывать всю поверхность Земли).
2. Быстрота оповещения о бедствии наземных аварийно-спасательных служб.
3. Высокая точность определения координат места аварии.

Хотя использование ГО ИСЗ позволяет обеспечить практически мгновенную передачу сообщения об аварии, главный недостаток таких систем заключается в том, что зона их действия ограничена 70 град. сев. и южн. широты и не охватывает приполярные районы. Кроме этого, в связи с малой относительной скоростью спутника и судна нет возможности применять для точного определения координат высокоэффективные скоростные методы. А знание точных координат аварии, безусловно, необходимо. Испытания, проведенные с использованием ГО ИСЗ системы ИНМАРСАТ, показали возможность применения ГО спутников для оповещения о бедствии, но использование этой системы для автоматического определения координат оказалось нецелесообразным. Напротив, спутниковые системы, использующие низколетящие, запускаемые на полярную орбиту ИСЗ, обладают рядом неоспоримых достоинств. Главное из которых - обеспечение глобальной зоны действия и возможность автоматического определения координат места подачи аварийного сигнала. При этом координаты могут последовательно уточняться при каждом следующем проходе ИСЗ над районом бедствия. Точность определения координат при работе на частоте 406 МГц порядка 3-5 км. Еще одним достоинством является то, что для передачи сигнала на низколетящий (на высоте 1000 км) спутник требуется значительно менее мощный передатчик, чем для передачи сообщения на геостационарный (высота 36000-40000 км) спутник. Это позволяет размещать на АРБ маломощные передатчики, уменьшить вес, повысить компактность и увеличить время работы АРБ за счет рационального использования элементов питания. Единственный недостаток системы на низколетящих спутниках - дискретность - обусловлен периодическим прохождением ИСЗ над районом бедствия. Это затрудняет мгновенную передачу сообщений наземным службам. Но этот недостаток может быть устранен простым увеличением числа спутников в системе. В случае использования в системе четырех искусственных спутников среднее время ожидания возможности передачи сигнала на Землю не превышает 1 часа. Указанное ограничение компенсируется таким важным достоинством низкоорбитальнои системы, как высокоточное определение координат места аварии.
Геометрические соотношения при использовании низкоорбитальных ИСЗ (Н=1000 км)  Простое оповещение о бедствии без указания точных координат приводит чаще всего к необходимости проведения широкомасштабных поисково-спасательных работ в большом районе, а следовательно - к увеличению времени поиска и большим затратам на поисково-спасательные работы и, что самое главное, к уменьшению вероятности успешного спасения потерпевших бедствие людей. Ограничения в оперативности передачи сообщений можно устранить, если соединить систему на низколетящих спутниках с системой на ГО ИСЗ (например ИНМАРСАТ), но для этого необходимо установить на ГО спутниках ретрансляторы на 406 МГц. В такой ситуации при включении АРБ, работающего на частоте 406 МГц, его сигналы будут почти мгновенно приняты ГО спутником и переданы наземным службам, а с помощью низколетящего спутника точно определены координаты и с задержкой не более 1 часа через ГО спутник переданы на Землю. Конечно, такая система более универсальная и эффективная, но и более дорогостоящая.
 Несмотря на все перечисленные недостатки и трудности в создании спутниковой системы поиска потерпевших бедствие, такая система была создана и введена в эксплуатацию усилиями четырех стран - СССР, США, Канады и Франции - более 10 лет назад.  Созданная система получила название КОСПАС-SARSAT (Космическая система Поиска Аварийных Судов и Самолетов - Search and Rescue Satellite Aided Tracking).
Система состоит из четырех основных частей:
аварийные радиобуи (APB), устанавливаемые на судах и самолетах и предназначенные для передачи информации о бедствии на частотах 121,5 и 406,025 МГц.
искусственные спутники, которые принимают сигналы АРБ и передают их на частоте 1544,5 МГц на наземные пункты приема информации для последующей обработки. ИСЗ запускают на околополярную орбиту на высоту 800-1000 км.
пункты приема информации, обеспечивающие прием от ИСЗ сигналов АРБ и вычисляющие географические координаты места аварии.
центры управления системой, служащие для координации и управления элементами системы, обмена информацией и контроля за ее прохождением.
Аппаратура АРБ
 В системе Kocnac-Sarsat использовались два типа АРБ:
1.Существующая модель АРБ-121, работающая на частоте 121,5МГц.
2.Специально разработанная модель АРБ-406, работающая на частоте 406 МГц.
Аварийный сигнал от АРБ-406 содержит информацию о стране - владельце АРБ, названии объекта носителя АРБ, типе пользователя и характере бедствия. Выбор технических характеристик АРБ-406 (номинал несущей частоты, высокая стабильность частоты) позволяет ослабить влияние ионосферы Земли и приводит к тому, что точность определения координат увеличивается в 8-10 раз по сравнению с АРБ-121. В состав АРБ-406 включен также маломощный (15-25 мВт) передатчик, работающий на частоте 121,5 МГц и предназначенный для окончательного привода спасательных средств к месту нахождения АРБ. Сигналы, принимаемые ИСЗ, обрабатываются и поступают для прямой ретрансляции и одновременно записываются в блок памяти ИСЗ. Таким образом обеспечивается возможность приема и обработки сигналов от 20 АРБ, одновременно работающих в зоне видимости ИСЗ, и запоминания информации от 200 АРБ за один виток. Информация , записанная в блок памяти, передается на частоте 1544,5 МГц при прохождении зоны видимости наземных пунктов приема информации. Там она сортируется, обрабатывается, происходит вычисление координат АРБ и по наземным каналам связи передается потребителям.
  АРБ-121 были разработаны давно и предназначались изначально для обнаружения аварийных сигналов на слух радистами рейсовых самолетов при прослушивании аварийных радиочастот, поэтому никаких специальных требований к стабильности несущей частоты не предъявлялось. Сигналы, передаваемые АРБ-121, не содержат никакой дополнительной информации и одинаковые для всех радиобуев этого стандарта, поэтому при приеме невозможно отличить один АРБ от другого. ( * Сегодня не применяется.)
  Для определения координат АРБ-121 необходимо измерять несущую частоту (для оценки ее смещения) с точностью 3 Гц. У большинства АРБ-121 спектр сигнала существенно размыт (до 200 Гц), что вызвано схемными особенностями. Эти особенности не позволяют использовать для измерения частоты этого сигнала те же методы, что и для измерения частоты сигнала АРБ-406. 


Точное определение частоты сигнала, имеющего размытый спектр без четких спектральных составляющих, представляет собой сложную задачу, впервые решенную именно в связи с определением координат АРБ-121. Для этого применяется сложная математическая обработка сигналов АРБ-121, которая не может быть произведена на борту спутника. Именно поэтому, в отличие от сигналов АРБ-406, сигналы АРБ-121 не записываются и не обрабатываются на борту спутника, а ретранслируются на наземный пункт приема информации в реальном времени и вся обработка происходит на Земле. Поэтому сигналы от АРБ-121 не могут быть переданы наземной службе приема вне зоны совместной видимости (обеспечивающей непосредственную ретрансляцию) АРБ - ИСЗ - Наземного пункта приема информации. При всех сложностях, возникающих при эксплуатации АРБ-121, она целесообразна в связи с возможностью использования существующего огромного парка этих буев.
 Спутниковая подсистема 
Быстрому созданию системы КОС-ПАС-SARSAT способствовало использование в качестве спутниковой подсистемы низкоорбитальных спутников типа "Цикада". Эти спутники эксплуатировались ранее и доказали свою надежность в работе. При выборе конфигурации спутниковой подсистемы учитывалась возможность предсказывать параметры орбиты на достаточно длительное время (от этого зависит точность определения координат), минимальные энергетические затраты при радиообмене и обеспечение большой зоны видимости и покрытия поверхности Земли. Высота орбиты в 1000 км, выбранная для спутника "Цикада", удовлетворяет этим требованиям. Малость возмущений позволяет точно прогнозировать положение спутника с нужной точностью на сутки вперед, ширина земной полосы обзора с орбиты достигает 6000 км, продолжительность сеанса видимости 10-15 минут. Период обращения 105 минут. Известно, что след спутника на земной поверхности доходит до широты Ф=1, где i - наклонение орбиты спутника к плоскости экватора. Исходя из требований глобальности обзора, желательно наклонение орбиты, близкое к 90 град., то есть необходимо использовать полярные орбиты. При высоте орбиты 1000 км каждый последующий виток траектории ИСЗ за счет вращения Земли будет проектироваться на земную поверхность со смещением на запад на 26 град. Следовательно, при каждом новом витке области будут значительно перекрываться. Общее число ИСЗ выбирается из следующих соображений. Если стремиться к минимальному числу спутников и исходить из допустимости дискретных сеансов, повторяющихся не реже чем через один виток (105 минут), то общее число спутников не должно быть меньше числа полос обзора каждого спутника, укладывающихся по длине экватора. При ширине полосы порядка 6000 км за один виток будет захвачен участок экватора длиной 12000 км или 120 град., следовательно, три ИСЗ позволяют охватить весь экватор, но без перекрытия полос видимости для разных ИСЗ. Считается, что система из четырех спутников сможет обеспечить полное покрытие всей экваториальной зоны Земли, и тем более высокоширотных зон, где перекрытие будет больше. Со временем орбита спутника изменяется, спутник может выйти из строя и т.д. Для предупреждения этого предусмотрена некоторая избыточность в системе. В данный момент на орбите находится шесть спутников.
  Наземный пункт приема информации является одним из основных элементов наземной части системы КОСПАС. Он предназначен для приема сигналов от ИСЗ, разделения сигналов, идущих от АРБ-121 и АРБ-406, для обработки этих сигналов, определения координат источников аварийных сигналов по доплеров-скому смешению частоты, формированию массива аварийных сообщений для передачи в Центр Управления и хранения всех аварийных сообщений. Антенна приемного устройства имеет диаметр 2.5 метра и вместе с поворотным устройством позволяет осуществлять программное слежение за спутником в течение всего времени прохождения спутником через зону видимости приемной станции.
 Центр обработки и распределения информации
Основными задачами Центра является общая координация работы космической и наземной подсистемы станции и взаимодействие с потребителями. Это включает в себя анализ состояния и обеспечение работоспособности системы КОСПАС, координацию наземных служб, прием сообщений об авариях от пунктов приема информации и передачу этой информации потребителям, передачу прогнозов положений ИСЗ, использующихся для вычисления координат, и поддержание связи с системой SARSAT.
 В заключение можно отметить, что международное сотрудничество и системный подход при проектировании и создании такой большой системы, как КОСПАС-SARSAT, позволило избежать целого ряда ошибок и ввести в действие за короткий срок работоспособную систему, надежно функционирующую и по сей день. Конечно, сегодня с поправкой на GPS :-)