ГЛОНАСС берет тайм-аут
Из-за выявленных проблем с бортовыми часами обновление спутниковой группировки откладывается, график запусков корректируется.
"Известия" узнали о результатах летных испытаний новейшего российского навигационного спутника "Глонасс-К1", выведенного на орбиту в начале 2011 года. Роскосмос планировал начать замену нынешней навигационной спутниковой группировки, состоящей из аппаратов "Глонасс-М", на аппараты следующего поколения "Глонасс-К" с 2016 года. Сейчас эти сроки пересматриваются: дополнительные годы потребовались на решение проблем с атомными часами, ключевым узлом навигационного спутника. Это грустный привет из 1990-х, когда отечественная электронная промышленность пришла к краху. Такие проекты, как ГЛОНАСС, помогают возрождать производства, простаивавшие по 15 лет. Но годы запустения дают о себе знать как раз в те моменты, когда нужно сделать шаг к следующему поколению. История "Глонасс-К" здесь более чем показательна.
Что произошло на орбите
Спутникам "Глонасс-К" совсем скоро суждено стать технологическим лицом России. Система ГЛОНАСС в последнее время получила признание в мировом масштабе, став полноценным конкурентом американской GPS. Не так важно, что ГЛОНАСС позволяет определять координаты с большей, чем у GPS, погрешностью. Разница для большинства потребителей всё равно неощутима, да и ГЛОНАСС на этом рынке новичок. У системы не доделан наземный комплекс управления, не развернута сеть станций сбора измерений и много еще чего. Если всё доделать, точность приблизится к GPS вплотную. И то, что сделано сейчас, безусловно, стоит считать большим достижением. Однако на празднование данного успеха у российской промышленности совершенно нет времени, потому что конкуренты поджимают.
Через пять лет на орбите будет не две как сейчас, а четыре навигационных системы: свои сейчас строят ЕС и Китай. Устроить сравнительное тестирование четырех похожих друг на друга спутниковых систем под силу любому специализированному изданию. И оказаться в таблице, составленной по результатам таких тестов, на четвертом месте, даже после китайцев, нам будет неприятно. Быть обладателями самой слабой глобальной системы — значит объявить всему миру о своей технологической отсталости. Чтобы до этого не дошло, у России должен быть навигационный спутник нового поколения, уже отработанный, испытанный и запущенный в серийное производство. Чем быстрее он появится, тем лучше. Исходя из этих соображений, в Федеральную целевую программу ГЛОНАСС внесли планы запустить первый экспериментальный "Глонасс-К" в 2010 году (запустили в феврале 2011), второй — в 2011 году и третий — в 2014-м. Пока на орбите только один "Глонасс-К", запуск второго образца каждый год переносится на следующий. Оказалось, дело в атомных часах.
— В ходе летных испытаний первого летного образца "Глонасс-К" выявились проблемы с бортовыми часами, — говорит генеральный директор и генеральный конструктор ИСС имени Решетёва Николай Тестоедов. — На этом аппарате у нас там два цезиевых и два рубидиевых устройства. Вопросы были и к тем и к другим.
Атомные часы — это сердце навигационного спутника. Его передатчики излучают сигнал, содержащий точное время и координаты аппарата в данный момент. Получив сигналы от нескольких навигационных спутников, чип в пользовательском приборе, будь то телефон или навигатор, высчитывает свои координаты. Чем более точные данные он получает, тем более аккуратно определяет свои координаты. Именно поэтому некорректная работа атомных часов была воспринята конструкторами как весьма серьезная неполадка. Устранить проблему предстояло головному разработчику спутниковой и наземной аппаратуры системы синхронизации и времени для ГЛОНАСС — петербургскому Институту радионавигации и времени (РИРВ).
В РИРВе "Известиям" рассказали, что всё от них зависящее уже сделали.
— На "Глонасс-К" были зафиксированы отказы квантовых рубидиевых стандартов частоты, — говорит генеральный конструктор по системам и средствам единого времени военного и двойного назначения РИРВ Аркадий Тюляков. — Учитывая некоррелированность отказов, они не являются конструктивными и наиболее вероятно связаны с отказом комплектующих элементов.
Где брать детали
Низкое качество комплектующих подводит ГЛОНАСС не в первый раз. В середине нулевых из-за бракованных печатных плат выходили из строя серийные аппараты, сейчас из-за некачественных деталей страдают перспективные. Ситуацию с платой была возможность решить оперативно, купив новую за границей. С атомными часами так не поступишь, потому что это прибор с уникальными параметрами, сделанный для космического аппарата, сопряженный с его системами. Поэтому искать решение вопроса приходится в рамках возможностей отечественной промышленности.
В "Глонасс-М" применяются цезиевые стандарты частоты. Но для того чтобы их получить, нужно было восстановить производство комплектующих. В частности, в 2006 году в подмосковном Фрязино на предприятии "Исток" было реанимировано производство атомно-лучевых трубок, созданное в советское время. В целом работа дала результат — "Глонасс-М" с этими цезиевыми часами летают и обеспечивают заданную точность измерений. Но в испытаниях "Глонасс-К" они должных параметров не продемонстрировали.
— По цезиевым часам отмечалась деградация параметров, — поясняет заместитель гендиректора "Истока" Сергей Щербаков. — Отказов по ним фактически нет. Деградация параметров означает, что изделие, скорее всего, не прослужит столько, сколько нужно. Перед нами стоит задача повышения точности и надежности. Мы планировали добиться повышения этих параметров, применив метод лазерной селекции. Но проблема в том, что в России сейчас нет лазеров, которые бы делали параметры выше, чем они есть сейчас. Это объяснимо: в твердотельной электронике отстали сильнее, чем в других областях...
Щербаков рассказывает, что оборудование для производства атомно-лучевых трубок в девяностые было законсервировано и простояло 10 лет.
— Такие простои без последствий не обходятся. В этих областях за год уже достигается существенный прогресс, а если ты 10 лет сидел и ничего не делал, то тут уж извините... Со временем мы на требуемый уровень, безусловно, выйдем. А пока всё упирается в вопросы оборудования, технологий и культуры производства.
Сколько нужно времени
Ключевой вопрос для разработчиков ГЛОНАСС — как долго мы будем наверстывать технологическое отставание и где будут конкуренты, когда мы эту задачу решим.
По мнению Александра Кузнецова, главы компании "Новые энергетические технологии" (НЭТ, получила грант "Сколково" на создание малогабаритных атомных часов для наземного применения), характеристики существующих летных образцов можно значительно усовершенствовать за 3–5 лет.
— Эффекта можно добиться через три года, если начать работу прямо сейчас, — говорит Кузнецов. — За этот срок можно провести серьезную модернизацию бортового образца, получив новый прибор, более надежный и с улучшенными характеристиками. Через 5–7 лет можно выйти на новое качество, к которому стремятся европейцы, — там идет работа по созданию опережающего задела. А у нас она не идет. Всё движется к тому, что мы отстанем в технологическом плане со своим ГЛОНАСС от той же европейской навигационной системы Galileo.
Кузнецов рассказал, что НЭТ под эгидой сколковского проекта, посвященного малогабаритным атомным часам, удалось собрать группу ученых, которые занимались тематикой квантовых стандартов частоты во многих странах, в том числе в Германии и США.
— От лица этого коллектива мы в прошлом году предложили Роскосмосу создать бортовой стандарт нового поколения для спутников ГЛОНАСС, — отметил он. — Роскосмос достаточно быстро откликнулся, было созвано специальное совещание с участием представителей предприятий отрасли. Разговоры на эту тему ведутся с лета прошлого года. Никаких принципиальных возражений мы не услышали, но и действий никаких не последовало.
Научный руководитель лаборатории НЭТ Владимир Величанский подчеркивает, что технологическое отставание будет нарастать, если сейчас не заниматься перспективными технологиями.
— Модернизация существующих стандартов это одна задача, помощь в решении которой мы предлагаем "Истоку". Но в то же время сейчас нужно начинать программу, нацеленную на создание перспективных стандартов, работающих на охлажденных атомах, — они дают выигрыш в стабильности сразу на два порядка. Если этого не делать, отставание будет только нарастать. Кстати, именно в России сделали первую в мире магнитно-оптическую ловушку на охлажденных атомах рубидия.
Что делают конкуренты
Часто упоминаемая специалистами европейская система Galileo как раз сейчас разворачивается. Первый этап ее формирования должен завершиться уже в следующем году, когда на орбите будут 18 спутников. Такого количества должно хватить для уверенного покрытия зоны Евросоюза, хотя в дальнейшем группировку планируют увеличить до 30 аппаратов. На определенное время Galileo станет технологическим лидером среди навигационных систем — в ее составе будут новейшие спутники, созданные с учетом накопленного GPS и ГЛОНАСС опыта (многие аппараты GPS летают по 20 лет, успевая за этот отрезок времени откровенно устареть, так что у Galileo тут есть фора).
В основных бортовых атомных часах на спутниках Galileo применяются водородные стандарты частоты, в резервных — рубидиевые. По данным, опубликованным Европейским космическим агентством, стабильность атомных часов на водороде составит 0,45 наносекунд на 12 часов. То есть часы могут отстать либо опередить время на одну миллиардную долю секунды за период немногим более одних суток. Для сравнения: рубидиевые часы на аппаратах Galileo имеют заявленную стабильность на уровне 1,8 наносекунд в 12 часов, то есть их гарантированная точность ниже в четыре раза.
В создании водородных стандартов частоты для Galileo принимали участие российские специалисты из нижегородской компании "Время Ч", отметили в Роскосмосе.
Технический директор "Времени Ч" Борис Сахаров пояснил, что ряд сотрудников компании принимали участие в научно-исследовательских работах по водородным стандартам для Galileo, проводившихся в Швейцарии, но как частные лица, и поэтому говорить об участии компании в проекте некорректно.
— Я думаю, мы Galileo вперед уже пропустили, — говорит Сахаров. — У них летный эксперимент завершен: четыре аппарата, оснащенных водородными стандартами, летают сейчас. О положительных результатах разработчики докладывали на научных конференциях. В результате точность у Galileo будет выше, чем у ГЛОНАСС.
"Время Ч" уже создает водородные часы для космических аппаратов — первые были установлены на космической обсерватории "Радиоастрон", стартовавшей в 2011 году.
Виктор Хартов, гендиректор НПО имени Лавочкина, где строился "Радиоастрон", заверил "Известия", что на сегодняшний водородный стандарт работает без замечаний.
— Мы также участвуем в разработке нового водородного стандарта частоты для аппаратов "Глонасс-К", — говорит Сахаров. — Эта работа была начата в 2007 году, были созданы технологические образцы и успешно испытаны по всем параметрам. Они показали отличные характеристики, результат положительный. Прогресс по характеристикам в сравнении с действующими на спутниках цезиевыми приборами — примерно в 10 раз. То есть стабильность 5 умножить на 10 в минус 15-й степени. Уже не один год эти приборы работают в РИРВе в тестовом режиме, пока без замечаний.
По словам Сахарова, ранее речь шла об установке водородных часов на "Глонасс-К", стартующий в 2013 году. Но из-за проблем с цезиевыми и рубидиевыми стандартами график запусков ощутимо сдвинулся, и сейчас пуск аппарата с водородными часами отложен на неопределенный срок.
— Вроде бы до 2015 года. А так мы в готовы обеспечить водородными стандартами всю группировку. Потому что точки зрения целевых показателей, записанных в ФЦП (точность определения координат ГЛОНАСС на уровне 50 см к 2020 году. — "Известия"), цезиевый стандарт слабоват. Он уже находится на пике возможностей.
Что делается сегодня
По словам Тестоедова, после того как были выявлены проблемы с бортовыми часами, для изучения проблемы и поиска решения при Роскосмосе была сформирована межведомственная комиссия. Причем в нее вошли почти те же специалисты, которые в 2006 году участвовали в комиссии по восстановлению производств атомных часов.
— По итогам летных испытаний проведены все необходимые комиссионные рассмотрения, приняты меры, доработаны все рубидиевые источники, — говорит глава ИСС имени Решетнёва. — Сейчас ждем новой партии цезиевых источников из Фрязино. Поставка ожидается в ближайшие недели. В мае от РИРВа мы получим бортовое синхронизирующее устройство, и это позволит нам, проведя цикл совместных испытаний доработанной аппаратуры и аппарата, обеспечить его запуск в конце этого года, как и запланировано.
Тестоедов признает, что окончательную точку ставит испытание спутника в космосе. Только после этого можно будет заявить о решении проблемы.
— Полагаю, что за полгода-год после запуска мы сможем набрать данные для продолжения работ по серии "Глонасс-К", — говорит он.
Разумеется, гарантии успешных испытаний дать никто не может, и на этот случай в Роскосмосе уже прорабатывают "План Б". Он заключается в том, чтобы одновременно вести мероприятия по повышению точности ГЛОНАСС несколькими путями. И если что-то одно не даст результата, сработает другое.
— Есть несколько путей повышения характеристик системы ГЛОНАСС, — говорит представитель Роскосмоса. — Совершенствование наземного комплекса управления, создание возможностей для более частой закладки информации. Например, если создать возможность закладки информации на борт навигационного спутника дважды в день через геостационарные спутники, то те же часы можно корректировать дважды в день, тем самым нивелируя их неточность. Ведутся работы по созданию межспутниковых линий связи, что позволит коррелировать время постоянно. Каждое из этих мероприятий позволит нам достичь целевых показателей ФЦП ГЛОНАСС, необязательно реализовывать все. Что-то может не получиться, но что-то обязательно даст результат.
В тексте действующей ФЦП ГЛОНАСС указано, что последний спутник "Глонасс-М" должен быть запущен в 2015 году. С 2016 года по утвержденному правительство графику запускаться должны только "Глонасс-К".
— Сейчас мы видим 2018 год как дату начала развертывания серийных аппаратов "Глонасс-К" второго этапа, — говорит Тестоедов. — А до этого мы будем запускать летные образцы, которые вместе с "Глонасс-М" будут поддерживать устойчивость орбитальной группировки.
По словам представителя Роскосмоса, эти планы уже пересматриваются, причем не только из-за затянувшихся испытаний первых летных образцов. Еще одна существенная причина — стабильность существующей группировки. Даже с учетом неудачного запуска трех "Глонасс-М" с Байконура летом прошлого года (ракета упала и взорвалась на первой минуте полета) орбитальная группировка сейчас укомплектована, и работа основных спутников не вызывает нареканий. А значит, можно отложить уже запланированные пуски на более поздний срок. Хотя сегодня уже пять аппаратов ГЛОНАСС перешагнули гарантийный срок активного существования в 7 лет и работают дальше. В Роскосмосе считают этот факт не недостатком системы, а показателем высокой надежности создаваемых аппаратов.
