Ошибки мировой космонавтики

Радиоволны помогают определять местоположение не только космических аппаратов на орбите. С их помощью люди на Земле тоже могут «найти себя». Этим занимаются спутники навигации. Четыре спутника определяют время, за которое радиоволна пройдет от приемника у пользователя на Земле до аппарата на орбите. Если умножить время на скорость света, получится расстояние. Зная расстояния до спутников, положение которых также известно благодаря обратному исследованию на выбранных опорных пунктах, можно установить координаты.

Хотя ионосфера раньше мешала космическим кораблям, но серьезных проблем не доставляла, то в данном случае она создавала большие трудности. Дело в том, что скорость света очень большая (~300 000 км/с), и если ошибиться во времени даже немного, то ошибка в расстоянии будет огромной. Первые три спутника навигационной системы «Циклон» («Космос-192», «Космос-220», «Космос-292») тестировались в 1969 году, тогда ошибка составляла 3 км. Правда, главной причиной была неверная информация о реальных координатах спутника, которые определяются теми же методами. Чтобы учитывать то влияние, которое оказывает атмосфера и ее слои на прохождение радиосигнала, использовалось и используется минимум два передатчика на разных частотах. Только теперь они нужны не для дублирования, а для расчетов. По разнице в скорости прохождения сигнала и по разнице угла его преломления можно рассчитать параметры атмосферы и внести поправки в координаты.

С определением координат спутника ученые тоже поработали. Новая система учитывает не только положение спутников относительно опорных пунктов, но и положение Земли в пространстве. Земля вращается неравномерно, есть приливы и отливы, есть прецессия и нутация, есть движение полюса и еще с десяток эффектов, меняющих положение планеты в пространстве. Хотя они и слабые, но для повышения точности нужно учитывать их тоже. Тогда на помощь пришла астрономия. В 1960-х годах ученые стали открывать интересные объекты – квазары. Это удаленные на немыслимое расстояние объекты, которые излучают радиоволны. Ближайший находится примерно в 23 084 182 000 000 000 000 000 км. На таком расстоянии, даже если квазар и двигается, на небе Земли это совершенно незаметно. С помощью радиосигналов от этих объектов астрономы определяют точное положение их в пространстве и на их основе создают опорную систему координат. Это увеличило точность навигационных спутников в разы.

Первая американская навигационная система Transit допускала ошибку в 200 метров, однако спутники этой серии использовали не только время прохождения сигнала, но и эффект Доплера. Это эффект изменения длины волны в зависимости от скорости передвижения. Когда источник сигнала и приемник движутся навстречу друг другу, то длина волны этого сигнала уменьшается, а частота увеличивается. Если волна распространяется между удаляющимися объектами, то она как бы растягивается, становится больше. Частота при этом уменьшается. Это легко наблюдать, вернее, слышать, когда гудит поезд. Если он едет на нас, то звук выше, а когда от нас, то ниже. Так как точки на Земле двигаются с разными скоростями, то, определив скорость по эффекту Доплера, можно уточнить координаты местоположения. Метод требовал сложных вычислений, так как надо было понимать, как относительно любой точки на Земле двигается спутник и какая у него должна быть относительная скорость. Тем не менее собранный для этой цели новый компьютер с задачей справлялся. Однако оставалась проблема: если приемник на Земле не стоит, а перемещается, то метод оказывался полностью бесполезен.

Современная российская система ГЛОНАСС точнее, но и она может сбоить. Как, например, в 2018 году из-за аварийного отключения электроэнергии на одном из наземных пунктов. На борт спутника не поступали его координаты, а без них информация о расстоянии бессмысленна.