22 января, 2010

Область контроля – околоземное пространство

Источниками информации в системе ККП являются радиолокационные, оптические и радиотехнические средства Минобороны РФ и ряда других организаций, способные осуществлять наблюдения космических объектов (ИСЗ), получать координатную и некоординатную измерительную информацию о КО и передавать ее на командный пункт Системы ККП (в Центр контроля космического пространства – ЦККП) для накопления, централизованной обработки, обобщения, анализа (с учетом сторонней информации о событиях в ОКП) и выработки выходной информации о КО и космической обстановке для различных военных и гражданских потребителей. Важными функциями ЦККП являются ведение каталога с текущими (актуальными, регулярно уточняемыми) данными обо всех обнаруженных средствами СККП КО и осуществление целенаправленного управления наблюдениями множества КО с выдачей на наблюдательные средства необходимых данных (целеуказаний) для наведения средств на заданные КО.

Основными источниками измерительной информации о КО для СККП являются: принадлежащие МО РФ группировки расположенных на территории РФ и государств СНГ радиолокационных средств Системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН) и Системы противоракетной обороны (ПРО) и группировка специализированных оптико-электронных, радиолокационных и радиотехнических средств СККП, а также сеть привлекаемых (не принадлежащих МО РФ) оптико-электронных средств различных гражданских ведомств.

Виктор Дмитриевич ШИЛИН родился в 1945 г. в поселке Актюз Киргизской ССР. Окончил в 1968 г. Московский физико-технический институт. Главный конструктор системы контроля космического пространства. Кандидат технических наук. Автор нескольких изобретений. Награжден орденом Почета (1997 г.) и несколькими медалями.
Фото: Михаил ХОДАРЕНОК

Российская Система ККП по назначению и структуре схожа с Системой ККП (Space Surveialance System) США, но существенно уступает ей по количеству и качеству наблюдательных средств, расположенных в том числе и далеко за пределами территории США для обеспечения глобальности и оперативности контроля ОКП. В настоящее время США располагают не только наземными, но и космическими средствами обнаружения КО, а также и средствами инспекции КА в космосе. Менее развитыми средствами ККП располагают Франция, ФРГ, Китай и ряд других государств.

Несмотря на различия информационных возможностей средств и систем ККП различных государств, все они имеют общие проблемы решения задач контроля космического пространства, сложность которых обусловлена следующими факторами, связанными с характером объектов контроля (космических объектов и изменений космической обстановки) и с техническими характеристиками средств Системы ККП:

– большим количеством и разнообразием подлежащих контролю космических объектов и подлежащих контролю изменений космической обстановки;

– высокими требованиями к полноте, оперативности получения, достоверности и точности информации о КО и космической обстановке, предъявляемыми основными потребителями информации;

– принципиально ограниченными возможностями наблюдательных средств ККП;

– математической и вычислительной сложностью алгоритмов обработки измерительной информации о КО и алгоритмов формирования информации об изменениях космической обстановки.

Рассмотрим отдельно каждую группу перечисленных факторов и их роль в определении требований к Системе ККП и к особенностям ее функционирования.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОЖЕСТВА ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ ККП

Основными объектами контроля для Системы ККП при решении ею разведывательных задач является множество находящихся в ОКП действующих иностранных космических аппаратов (КА) и орбитальных группировок иностранных космических систем (прежде всего – военного и двойного назначения) и связанные с их функционированием и использованием изменения космической обстановки (события в космосе), представляющие потенциальные угрозы РФ, в том числе:

Подлежащая наблюдению средствами ККП орбитальная группировка дополняется находящимся в космосе существенно более многочисленным многообразием «космического мусора»: не упавшими на Землю недействующими КА, ракетными блоками и технологическими фрагментами, сопутствующими выводу в космос КА, а также фрагментами произошедших в космосе разрушений более чем 20 КА и ракетных блоков США, РФ и Китая.
Фото: ESA

– вывод в космос, проведение испытаний и ввод в оперативное использование новых иностранных КА и космических систем различного назначения и различной государственной принадлежности;

– изменения состава, пространственной конфигурации и характеристик функционирования иностранных космических систем (КС) военного и двойного назначения (а значит – изменения характеристик эффективности этих систем и их потенциальной опасности для РФ);

– факты проведения, назначение и возможные результаты иностранных военно-космических и технологических экспериментов в космосе;

– создание иностранными государствами угроз выводу в космос и функционированию в космосе отечественных КА;

– подготовка и проведение иностранными государствами боевых действий в космосе и из космоса.

В настоящее время в околоземном космическом пространстве функционируют около 1 тыс. иностранных КА, принадлежащих около 30 государствам и межгосударственным организациям, в том числе – входящих в орбитальные группировки более чем 50 иностранных КС, предназначенных для решения различных задач военного и двойного назначения: дистанционного зондирования Земли и разведки из космоса наземных, морских, воздушных и космических объектов, обнаружения стартов БР и ядерных взрывов, связи и передачи данных, космической навигации, метеоразведки, топогеодезии, космической инспекции и др.

Указанные КА имеют в настоящее время с учетом развития нанотехнологий размеры от нескольких сантиметров (микроспутники) до нескольких метров (радиолокационные и оптические яркости их могут отличаться на 4 порядка и более), весьма разнообразны по форме, конструкции и особенностям функционирования и используют орбиты с разными наклонениями (от 0° до 130°) и с высотами от 200-400 км (здесь существенное влияние на движение КА оказывает торможение в верхней атмосфере, плотность которой сильно меняется под действием солнечного излучения и, в частности, вспышек на Солнце) до 40-120 тыс. км (здесь наблюдения с Земли малоразмерных КА с низкой радиолокационной и оптической яркостью существенно затруднены большой дальностью до них).

Для надежного предсказания предстоящих столкновений действующих КА с другими КО необходимо обеспечивать определение и прогнозирование расстояний сближения КА с другими КО с точностями, сравнимыми с размерами КА и КО (в частности, для пилотируемых КА – с ошибками не хуже 100 м).
Фото: ESA

Это многообразие подлежащих контролю иностранных КА и КС, а также подлежащая наблюдению средствами ККП орбитальная группировка действующих отечественных КА дополняется находящимся в космосе многочисленным многообразием «космического мусора»: не упавшими на Землю недействующими КА, ракетными блоками и технологическими фрагментами, сопутствующими выводу в космос КА, а также фрагментами произошедших в космосе разрушений более чем 20 КА и ракетных блоков США, РФ и Китая. При этом в космосе насчитывается около 15 тыс. фрагментов «космического мусора», имеющих размеры, сравнимые с размерами действующих КА (более 10-20 см), и потому имеющих схожие с КА радиолокационные и оптические яркости. Прогнозируется наличие в космосе в ближайшее время не менее 100 тыс. малоразмерных фрагментов с размерами до 1-3 см, представляющих угрозу нарушения функционирования действующих КА в случае столкновения с ними.

Таким образом, решение задач контроля множества разнообразных иностранных действующих КА и КС и опасных событий в космосе должно осуществляться в условиях наличия в космосе громадного количества разнообразных фоновых объектов «космического мусора» и с учетом возможных событий нарушения функционирования и разрушения действующих иностранных и отечественных КА в результате столкновений с фрагментами «космического мусора».

Что касается функций Системы ККП по информационному обеспечению безопасности космической деятельности РФ, то при решении этой задачи основными объектами контроля для СККП являются:

– все отечественные КА на этапах их вывода в космос, сближений и разделений в космосе и возвращения из космоса, при возникновении аварийных ситуаций, при опасных сближениях их с другими КО, а также при падениях на Землю;

– иностранные КА и элементы «космического мусора», представляющие угрозу действующим отечественным КА (в частности – опасно маневрирующие иностранные КА, элементы «космического мусора», сближающиеся с отечественными КА, плотные множества фрагментов разрушившихся КО).

ТРЕБОВАНИЯ К ИНФОРМАЦИИ СККП О КО И КОСМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКЕ

Для военных потребителей информации СККП о КО и космической обстановке наиболее важными являются требования полноты контроля ОКП (в том числе – обеспечение контроля всех иностранных КА и КС военного и двойного назначения), максимальной оперативности формирования информации об изменениях космической обстановки и высокой достоверности этой информации (исключения ложной информации).

Наиболее жесткие требования к точности информации СККП о КО предъявляет задача заблаговременного предупреждения о возможных столкновениях действующих КА с другими КО, решаемая Системой ККП в интересах как военных, так гражданских потребителей, осуществляющих управление действующими отечественными КА (в том числе – организаций федерального космического агентства).

Для надежного предсказания предстоящих столкновений действующих КА с другими КО (в целях принятия решений о проведении необходимой коррекции орбит КА для уклонения от столкновений) необходимо обеспечивать определение и прогнозирование (на времена, достаточные для принятия решений и осуществления коррекций орбит КА) расстояний сближения КА с другими КО с точностями, сравнимыми с размерами КА и КО (в частности, для пилотируемых КА – с ошибками не хуже 100 м).

Для обеспечения таких точностей прогнозирования параметров сближений КО при требуемых временах прогнозирования порядка суток или нескольких часов необходимо располагать высокоточными (с ошибками в десятки метров) измерениями координат обоих сближающихся КО и пользоваться наиболее точными математическими моделями движения КО с корректным учётом различных возмущающих факторов окружающей среды.

ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О КО НАБЛЮДАТЕЛЬНЫМИ СРЕДСТВАМИ ККП

Главными проблемами получения измерительной информации о КО являются большие дальности до КО при малых размерах КО (современных и перспективных малоразмерных КА и элементов «космического мусора»). Эти обстоятельства обуславливают трудность обнаружения КО и проведения высокоточных координатных и некоординатных измерений на фоне шумов приемника (для РЛС и ОЭС) и фоне атмосферы и звездного неба (для ОЭС).

Большие дальности и мешающее влияние прохождения света через неоднородности атмосферы затрудняют и получение с Земли оптических изображений для распознавания и контроля состояния КА (оптические устройства обладают высокой разрешающей способностью по углам, которая пересчитывается в требуемую линейную разрешающую способность оптического изображения КА умножением на дальность).

Как известно, предельная дальность наблюдения КО радиолокационным средством (РЛС) пропорциональна корню четвертой степени радиолокационной яркости КО (эффективной поверхности рассеивания), а предельная дальность наблюдения КО оптико-электронным средством (ОЭС) пропорциональна корню второй степени от величины блеска КО в лучах Солнца.

Поэтому с увеличением высот орбит КО, а значит и дальностей пролета КО относительно РЛС или ОЭС, резко (особенно для РЛС) увеличиваются размеры доступных наблюдению КО. Поэтому обладающие всепогодной и круглосуточной работоспособностью радиолокационные средства ККП могут эффективно использоваться прежде всего для обнаружения и контроля КО на низких высотах (до 2,5-3,5 тыс. км), а для обнаружения и контроля КО на больших высотах приходится использовать в основном оптико-электронные средства, для которых возможности наблюдения КО существенно ограничиваются условиями облачности, осадков и времени суток (если только не разместить их за атмосферой, в космосе).

Для поиска и обнаружения вновь запущенных в космос КА, а также для обнаружения и идентификации сманеврировавших КА необходимо отличать эти КА от уже находящихся в космосе КО, а также обеспечивать надежную идентификацию с этими КА получаемых измерений в процессе длительного слежения за их движением и функционированием.

Основными параметрами для различения КО друг от друга являются параметры их движения (элементы орбит), а также характерные размеры КО (их радиолокационные и оптические яркости). Эти характеристики всех обнаруженных Системой ККП КО необходимо достаточно точно измерять и периодически уточнять – вести и поддерживать в актуальном состоянии каталог КО ЦККП.

Требуемые для надежной привязки радиолокационных и оптических измерений к объектам каталога точности данных каталога определяются, прежде всего, плотностью КО в областях ОКП (точнее – в фазовом пространстве параметров движения и яркости КО).

Экспериментально установлено, что для надежной идентификации около 10 тыс. низкоорбитальных КО необходимо обеспечивать точность прогнозирования по данным каталога положения КО не хуже 15 км, а для идентификации около 1000 КО геостационарной области – не хуже 70 км.

Для обеспечения необходимой точности данных каталога совокупность наблюдательных средств ККП должна обеспечивать достаточно большую частоту координатных измерений по каждому каталогизированному КО. При этом потребная частота координатных измерений для каждого КО зависит не только от точностей этих измерений (чем точнее каждое измерение, тем меньше измерений необходимо для точного определения параметров орбиты КО), но и от того, насколько сильно на движение КО влияют труднопредсказуемые возмущения, обусловленные внешней средой (плотностью верхней атмосферы, давлением солнечного излучения) и особенностями движения КО (периодической коррекцией параметров орбит действующими КА, изменением их ориентации в пространстве).

В настоящее время в околоземном космическом пространстве функционируют около 1 тыс. иностранных КА, принадлежащих около 30 государствам и межгосударственным организациям, в том числе – входящих в орбитальные группировки более чем 50 иностранных КС, предназначенных для решения различных задач военного и двойного назначения: дистанционного зондирования Земли и разведки из космоса наземных, морских, воздушных и космических объектов, обнаружения стартов БР и ядерных взрывов, связи и передачи данных, космической навигации, метеоразведки, топогеодезии, космической инспекции и др.
Фото: ESA

Кроме того, требуемый темп обновления информации о КО в каталоге зависит и от того, насколько точны используемые в ЦККП математические методы прогнозирования движения КО. На практике для поддержания требуемых точностей данных каталога ЦККП в наилучших случаях достаточно получения по КО одного точного измерения за несколько суток, а в наихудших случаях требуется получение измерений на каждом витке движения КО по орбите (несколько раз каждые сутки для низкоорбитального КО и ежесуточно для высокоорбитального КО).

Ясно, что для ведения в ЦККП каталога множества разнообразных КО Система ККП должна располагать достаточно большим числом высокоточных и высокопроизводительных наблюдательных средств, распределенных по географической долготе (с учетом вращения средств вместе с поверхностью Земли относительно медленно изменяющихся плоскостей орбит КО).

При использовании для оперативного контроля высокоорбитальных КО оптико-электронных средств ККП наземного базирования большое число территориально разнесённых ОЭС позволяет снизить зависимость потока измерительной оптической информации о КО от погодных условий.

При этом чем меньше размеры КО (чем меньше его радиолокациолнная и оптическая яркость), тем меньше предельные дальности его наблюдения (а они должны, по крайней мере, превышать высоту орбиты КО) и, соответственно, тем меньше поток (частота) наблюдений КО одним и тем же составом средств ККП и тем труднее поддерживать в ЦККП требуемую точность каталога КО.

Отметим еще раз, что требования к частоте наблюдений КО снижаются при повышении точности измерений. Поэтому актуальной задачей совершенствования и развития наблюдательных средств ККП является не только увеличение их числа и повышение их чувствительности, но и повышение точности и достоверности измерений.

ПРОБЛЕМЫ ОБРАБОТКИ В ЦККП ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ О КО И ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ОБ ИЗМЕНЕНИЯХ КОСМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ

При большом количестве подлежащих контролю КО и большом числе и разнообразии необходимых для обеспечения требуемой эффективности решения задач ККП наблюдательных средств ККП программно-алгоритмическое обеспечение ЦККП должно обеспечивать возможность обработки в масштабе времени, близком к реальному, большой поток координатных и некоординатных измерений от совокупности разнородных средств ККП, в настоящее время – результаты до 100 тыс. наблюдений КО с получением координатных измерений и до нескольких десятков наблюдений КО с получением различных некоординатных измерений каждые сутки.

Еще несколько лет назад основными проблемами обработки измерительной информации в ЦККП являлись ограниченные возможности используемых вычислительных средств по производительности и по объемам памяти. Бурное развитие вычислительной техники оставило эти проблемы в прошлом. Сейчас на первое место при развитии ЦККП выдвигаются выдвигаются проблемы сложности разработки и программной реализации эффективных математических методов обработки информации и принятия решений.

В частности, при обработке координатных измерений стоит задача использования сложных высокоточных алгоритмов прогнозирования движения КО и современных адаптивных статистических методов формирования оценок и решений, а при обработке некоординатных измерений – решение проблем сложного анализа радиолокационных, оптических и радиотехнических сигналов и изображений с использованием, в частности, методов решения обратных задач электродинамики.

С учетом успехов в развитии современных средств отображения и диалогового анализа больших объемов разнообразной информации по новому ставится проблема сочетания и сбалансированного развития в ЦККП чисто автоматических и полуавтоматических (с участием специалистов-операторов) методов обработки и анализа информации и принятия решений.

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ СИСТЕМЫ ККП

Планируемое развитие российской Системы ККП направлено на совершенствование решения перечисленных выше проблем и повышение информационных возможностей Системы с учетом тенденций развития объектов контроля (иностранной и отечественной космической техники и космической обстановки в целом), а также совершенствования использования информации СККП потребителями.

В части развития радиолокационных средств ККП предполагается проведение модернизации существующих и создание новых РЛС систем ПРН и ПРО с существенным повышением качества радиолокационных измерений по КО в интересах СККП. Помимо этого, предполагается развитие и группировки специализированных РЛС СККП – важнейших источников некоординатных измерений для решения задач распознавания и контроля состояния КА.

В частности, рассматривается возможность дополнения группировки новыми РЛС для обнаружения малоразмерных КО и для получения двумерных радиоизображений КА с линейными разрешающими способностями существенно меньшими характерных размеров КА.

В части развития оптических средств ККП вместе с расширением числа привлекаемых к наблюдениям КО оптико-электронных средств различных ведомств планируется проведение модернизации существующих и создание новых специализированных оптико-электронных и лазерно-оптических средств ККП с существенным повышением количественного состава, проницающих способностей и точностей координатных измерений группировки специализированных ОЭС СККП наземного базирования, а также поэтапное создание первых российских оптико-электронных средств ККП космического базирования.

Существенное продвижение ожидается в решении задачи получения качественных оптических изображений низкоорбитальных КА с использованием новейших достижений технологии адаптивной оптики.

В дополнение к развитию группировок специализированных радиолокационных и оптических средств СККП предусматривается также и создание новых специализированных радиотехнических средств ККП, использующих для всепогодных и круглосуточных наблюдений удаленных КА энергию радиоизлучений бортовой аппаратуры КА.

По мере развития наблюдательных средств ККП поэтапно должны совершенствоваться и развиваться с использованием новейших достижений информационных технологий программно-аппаратные средства ЦККП, а также средства передачи данных, связывающие ЦККП с источниками и потребителями информации СККП.