Казалось бы, оснащение высокоточного оружия только спутниковыми навигационными приемниками является лучшим вариантом. Действительно, их компактность, надежность, низкая стоимость очень привлекательны. Но существенным недостатком систем глобального позиционирования и навигации является то, что они работают лишь при наличии спутниковых сигналов. А сигналы эти могут отсутствовать в некоторых местах, их могут глушить, искажать. Вот почему полагаться на возможность навигации с использованием только спутниковых приемников нельзя.
Крылатая ракета AGM-86C
О системах глобального позиционирования
Под системами глобального позиционирования понимаются радиосистемы для определения местоположения, использующие навигационные искусственные спутники Земли, которые передают специальные сигналы. Такие системы круглосуточно обеспечивают получение информации о пространственном положении и скорости в данный момент времени для пользователей, имеющих соответствующее приемное оборудование — GPS или «ГЛОНАСС»-приемники. Эти приемники используют спутниковые сигналы для измерения расстояния от каждого от четырех (или больше) спутников, которые в этот момент находятся в его зоне радиовидимости. В приемном устройстве есть постоянно обновляемая информация о том, где именно в каждый момент находятся космические аппараты. Расстояние до каждого спутника вычисляется по времени прохождения сигнала и скорости распространения радиоволн. По положению спутников и расстоянию до каждого из них приемник вычисляет свои координаты и скорость движения. Стандартные приемники могут фиксировать местоположение с точностью 2–3 метра и время — до 1 миллионной доли секунды.
В России работает группировка из 24 спутников «ГЛОНАСС». Они находятся на круговой орбите высотой 19 400 км с наклонением 64,8° и периодом обращения 11 ч 15 мин. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных), где сигнал от американской навигационной системы GPS ловится плохо. Спутниковая группировка развернута в трех орбитальных плоскостях, с восемью равномерно распределенными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, а для покрытия территории России достаточно 18. Каждый из них делает около двух оборотов в сутки вокруг Земли. Потенциальный предел погрешности для абсолютных определений в реальном времени оценивается в 0,70–0,8 м. Он может быть достигнут при полностью развернутой орбитальной группировке на базе новых аппаратов «ГЛОНАСС-К» и дальнейшей модернизации наземного комплекса управления до глобального.
Сейчас в России создается Национальная спутниковая сеть высокоточного позиционирования. Эта сеть сможет объединить более шестисот наземных спутниковых станций «ГЛОНАСС», на базе которых будут построены отдельные региональные сети высокоточного позиционирования. Реализация проекта обеспечит дециметровую и сантиметровую точность определения координат любых объектов в режиме реального времени.
Беспилотник RQ-170 Sentinel
Военное применение систем глобального позиционирования
Под эффективностью оружия прежде всего понимается его способность поразить цель. Она зависит от многих факторов, но главными выступают два: мощность боезаряда и точность попадания. И вот, как показали теоретические исследования, подтвержденные экспериментами, относительное увеличение точности более чем в три раза сильнее сказывается на приросте эффективности, чем увеличение мощности боезаряда. В последние 15–20 лет точность попадания радикально удалось увеличить за счет применения спутниковой навигации.
С развитием электронных технологий приемники глобальных навигационных спутниковых систем становятся дешевле, уменьшаются их габариты, масса и потребляемая мощность, к тому же, они очень надежны. Это позволило устанавливать приемники на различных объектах вооружения, военной и специальной техники. В настоящее время в США новые образцы вооружения и военной техники не принимаются на вооружение, если они не способны принимать спутниковые навигационные сигналы. Такой подход позволяет создавать высокоэффективные автоматизированные системы управления боем на любых театрах военных действий.
Широкое использование космических навигационных систем высокой точности применяется при создании практически всех видов высокоточного оружия. Например, межконтинентальные баллистические ракеты по спутниковым сигналам уточняют свою траекторию полета, за счет чего существенно повышается точность попадания боеголовок. Использование навигационного приемника в составе бортового комплекса управления крылатой ракеты позволяет значительно повысить автономность системы в полете и точность поражения целей. То же относится к корректируемым снарядам ствольной артиллерии. То есть само существование высокоточного оружия без космической навигации считается невозможным.
Сейчас появились новые возможности управления боеприпасом с использованием сигналов датчиков его положения и координат цели. Определение взаимного положения боеприпаса и цели обеспечивается разными способами. Среди них есть подсветка цели и управление боеприпасом по отраженному сигналу, управление на основании показаний систем навигации (инерциальной, спутниковой, картографической, звездной) и знания координат цели или пути к цели, управление оператором.
Чем меньше объект управления, тем сложнее организовать управление им. Для самолета, баллистической или крылатой ракеты, наземного или водного средства передвижения создаются комплексные системы управления, использующие для работы разные принципы и аппаратуру навигации. А вот создать управляемый артиллерийский снаряд — проблема. Первым таким боеприпасом стал американский M712 Copperhead. Этот 155‑мм снаряд имел дальность полета до 16 километров и на конечном участке траектории наводился на цель при помощи полуактивной лазерной системы самонаведения. В 1980‑х годах M712 был модернизирован, в результате чего получил возможность наводиться не только по отраженному свету лазера, но и по инфракрасному излучению цели. Согласно различным данным, эффективность этого снаряда по сравнению с неуправляемыми боеприпасами выше в несколько десятков раз.
Управляемая авиационная бомба JDAM
Однако характерным свойством таких управляемых снарядов является наведение по отраженному лучу лазера. То есть, для успешной атаки дополнительно требуются корректировщики, которые должны подсвечивать цель лазером. И находиться им надо не так далеко от цели, что повышает риск потерь личного состава. Несмотря на новые возможности по уничтожению точечных целей, такой тип боеприпаса имеет и другие недостатки. Электроника, сенсорные системы, а также механические компоненты современного управляемого лазером боеприпаса во время выстрела не выдерживают высоких перегрузок. Кроме того, плохие погодные условия — туман или низкая облачность, ограничивают их применение. Поэтому в западных странах подобная концепция управляемого снаряда была признана недостаточно эффективной и бесперспективной.
Но новый способ решения задачи был найден. В США разработали снаряд M982 Excalibur и приняли его на вооружение в 2007 году. Он не нуждается в подсветке цели, поскольку имеет комбинированную систему наведения — инерциальную и спутниковую. Перед стрельбой артиллерийский расчет получает от разведки координаты цели и вводит их в электронный блок снаряда. Когда 155‑мм снаряд выстреливается, то он корректирует свою траекторию в соответствии с данными инерциальной навигационной системы и сигналами со спутников GPS. При дальности стрельбы до 60 километров заявленное круговое вероятное отклонение снаряда M982 не превышает 10–12 метров, что позволяет поражать любые цели. Главное — знать их координаты. Этот снаряд успешно применялся американскими войсками в Ираке.
Стрельба происходит так. Пушка автоматически нацеливается в соответствии с заранее определенными параметрами: горизонтальным и вертикальным углами наведения, типом снаряда и метательного заряда, необходимыми для достижения соответствующего результата. До или во время заряжания подается электропитание на электронику и вводятся данные о цели. Производится выстрел, снаряд летит к цели по баллистической траектории. В определенный момент авионика снаряда принимает на себя управление. Получая спутниковые данные, она постоянно определяет положение снаряда и сравнивает его с имеющимися координатами цели. Отклонения от направления на цель парируются управляющими устройствами, на которые подаются сигналы управления. Чем ближе к цели, тем чаще происходит такая коррекция, что обеспечивает наивысший уровень точности. Правда, боеприпас получился дорогим. По подсчетам американских экономистов, даже при массовом производстве этот снаряд не может стоить меньше 50–55 тыс. долларов.
Более предпочтительным считалось такое решение, которое позволяет использовать существующие боеприпасы. И вот в 2010 году израильская компания IAI продемонстрировала модуль TopGun, представляющий собой насадку, устанавливаемую на место штатного взрывателя. Модуль для 155‑мм снарядов обеспечивает наведение боеприпаса по сигналам спутниковой навигационной системы. Как утверждается, он обеспечивает круговое вероятное отклонение не более 20 метров на дальности порядка 40 километров. Вообще, точность стрельбы такими модернизированными снарядами не ухудшается с увеличением дальности. Этот дополнительный модуль может быть установлен на любой снаряд стандарта НАТО, вне зависимости от типа. А израильская фирма IMI поставляет 81‑мм управляемый по сигналам GPS минометный снаряд GM81 с отклонением менее 10 метров. Низкая стоимость таких модулей позволяет в короткие сроки оснастить артиллерийские подразделения большим количеством управляемых снарядов.
В России тоже разработаны навигационные модули, но они работают от сигналов спутников «ГЛОНАСС». Они могут устанавливаться как на новые снаряды, так и на уже существующие. Заявляется, что круговое вероятное отклонение модернизированных таким образом боеприпасов не превышает 10 м, в то время как для обычных 152‑мм снарядов на больших дальностях стрельбы оно может доходить до 100 м и более. Российским ученым удалось добиться устойчивого приема спутникового сигнала на вращающемся снаряде. К настоящему времени управляются с помощью спутниковых сигналов и другие отечественные боеприпасы различного назначения. Это, например, тактическая авиационная ракета Х‑8 МКЭ и УАБ типа КАБ‑500 С‑Э. Заявляется, что оснащенные приемником сигналов со спутников «ГЛОНАСС» неуправляемые авиационные ракеты С‑24 и С‑25 смогут попадать в цели с точностью до 1 м.
УАБ типа КАБ-500 С-Э
Подавление спутниковых навигационных сигналов
Казалось бы, оснащение высокоточного оружия только миниатюрными спутниковыми навигационными приемниками является наилучшим вариантом. Но принципиальным недостатком систем навигации по спутниковым сигналом является то, что они работают лишь при наличии этих сигналов. Кроме того, в момент приема навигационных сведений бортовой комплекс управления становится доступен для враждебного информационного воздействия.
Если говорить об американской GPS, то Пентагон, в случае военных действий на определенных территориях, может отключить над ними спутниковый сигнал или создать помехи. Это может быть сделано, например, программной командой на искажение, понижение точности информации, смещение координатной сетки на сотни и тысячи метров по горизонтали. Спецслужбы США и подконтрольные им структуры могут локально, где-нибудь в зоне конфликта, размещать и включать соответствующее оборудование для глушения сигналов. При этом приборы и вооружение войск НАТО будут нормально функционировать в кодированном режиме.
По некоторым данным, иракские военные во время войны 2003 года глушили GPS. Тогда в цели попадали только две крылатых ракеты «Томагавк» из 40 и 30 % управляемых бомб. Дело в малой мощности сигнала, приходящего к навигационному приемнику с расположенного на расстоянии более чем в 20 тысячах километров спутника, поэтому не очень мощный передатчик может обеспечить глушение сигналов.
Вот недавний примеры. В ноябре 2014 года наблюдатели ОБСЕ заявили об инциденте с применением радиопомех в отношении их беспилотного летательного аппарата во время его полета над территорией Донецкой области. Беспилотник подвергся воздействию неизвестных радиопомех, нарушавших его нормальную навигацию. После того, как он приземлился, эксперты ОБСЕ обнаружили, что GPS-сигналы подавлялись неизвестным устройством. И это был уже третий случай с участием таких аппаратов на Украине с 23 октября того же года.
А вот результаты применения аппаратуры мобильного комплекса РЭБ «Красуха» на учениях в августе 2015‑го. В результате постановки помех с использованием этого оборудования военные специалисты исказили навигационное поле и сделали невозможным нанесение прицельного авиационного удара фронтовыми бомбардировщиками Су‑34. Тогда пара этих самолетов, имитирующая удар ракетами «воздух-поверхность» по наземным пунктам управления войсками, не смогла обнаружить цели и навести на них средства авиационного поражения.
Но более эффективными могут быть электронные так называемые спуфинг-атаки на навигационную систему. Противник при этом посылает сымитированные навигационные сигналы, выдавая ложные навигационные данные, которые воспринимаются приемником как истинные. В результате объект, оборудованный спутниковой навигационной системой, сбивается с курса. Осуществить такое воздействие может любая система ПВО. И не только. В 2013 году студенты-хакеры из университета г. Остин в штате Техас сбили с курса большую яхту с помощью обыкновенного ноутбука. Есть предположение, что именно с помощью спуфинг-атаки Иран в декабре 2012 года посадил в заданном месте на своей территории американский секретный беспилотник RQ‑170 Sentinel.
А исследователи из университета Карнеги Меллон и компании Coherent Navigation разработали три типа атак, способных вывести из строя инфраструктуру GPS. В частности, они разработали гибридный приемопередатчик PCSS (Phase-Coherent Signal Synthesiser). Он более дешев и имеет большие возможности по сравнению с ранее разработанным комплектом. В процессе проведения атак устройство принимало реальные GPS-сигналы и воспроизводило вредоносные сигналы.
Авиационная ракета С-24
Меры по повышению надежности приема сигнала
Считается, что надежность и устойчивость функционирования спутниковых навигационных систем обеспечивается использованием шумоподобных сигналов. Впервые такой способ был продемонстрирован в 1972 году. В этой системе все спутники излучают сигнал на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом, индивидуальным для каждого спутника. Спектр такого сигнала похож на спектр случайного шума, отчего сигнал и получил название шумоподобного.
Использование псевдослучайного кода позволяет значительно увеличить помехоустойчивость и передавать в сигнале информацию о положении спутников и метки точного времени. Также при использовании псевдослучайного кодирования легко решается проблема ограничения доступа, поскольку коды могут быть как открытыми для общего пользования, так и секретными. Гражданским пользователям доступны только открытые коды, поэтому достаточно по команде с наземного пункта управления внести преднамеренные погрешности в информацию, передаваемую открытыми кодами, как работоспособным остается только военное оборудование, а гражданские приемники перестанут функционировать с приемлемой точностью. Уверенность в надежности таких сигналов и обуславливает широкое применение спутниковых навигаторов.
Со времени агрессии НАТО против Югославии в 1999 году американцы стремятся улучшить помехозащищенность GPS, применяя все более сложные коды и засекречивая их. Они эксплуатируют спутники с новыми радиопередатчиками, которые имеют в восемь раз большую мощность сигнала, более высокую устойчивость к атмосферным помехам, а также к помехам, создаваемым намеренно возможным противником. Но значительно поднять мощность сигнала со спутника нельзя, а секретные коды выявляются, например, при записи сигнала с помощью радиотелескопов.
Исследования, проведенные в период создания системы «ГЛОНАСС» и при разработке средств радиоэлектронной борьбы с системами типа GPS показали, что в принципе возможно создание имитационной помехи, структура которой будет совпадать со структурой навигационного сигнала, и помеха будет приниматься навигационным приемником как еще один сигнал спутника. В результате приемник будет вычислять ошибочные координаты своего местоположения.
Многие специалисты считают, что до сих пор любые меры, повышающие помехозащищенность спутниковых сигналов малоэффективны или бесполезны в условиях применения средств радиоэлектронного противодействия. Кроме того, такие меры ведут к увеличению масс, габаритов приемников, их сложности и стоимости, а это особенно критично для высокоточного оружия.
Микроэлектромеханическая инерциальная система
Спасительная вещь в себе
Только одна навигационная система не нуждается в получении данных извне — инерциальная. Именно поэтому на нее не действуют никакие помехи. Посредством таких систем определяют координаты, скорость, ускорение движения любого объекта. Применяемые в них акселерометры измеряют ускорения по осям движения, по этим данным вычисляются скорости и координаты. А гироскопическое устройство (в платформенных системах) обеспечивает ориентирование осей акселерометров в движении. Недостаток этих систем в том, что погрешность определения местоположения растет пропорционально длительности движения объекта управления.
Лет 40 назад, когда начинали использовать спутниковую навигацию, инерционные системы были очень сложны, дороги, имели большие массы и габариты. Первый вариант практической инерциальной системы с бортовой электронно-вычислительной машиной, разработанный в США в начале 1960‑х для автоматического управления самолетом, представлял собой несколько контейнеров, занимавших почти весь салон самолета. Вот почему привлекательность полностью электронных компактных и дешевых спутниковых приемников была понятна.
Однако развитие электроники и других технологий непосредственно влияло и на инерциальные системы. Теперь в них применяются компактные цифровые устройства, миниатюрные гироскопы и акселерометры. И такие системы, хотя и дороже спутниковых приемников, могут размещаться практически на всех объектах, оборудованных спутниковой навигацией. Наличие этих двух систем позволяет пользоваться сигналами глобального позиционирования, когда они есть и не являются ложными и переходить на навигацию с использованием инерциальной системы, когда их нет и в условиях помех.
Инерциальные системы могут быть платформенными и бесплатформенными. В платформенных акселерометры размещаются на основании, которое сохраняет положение в пространстве благодаря работе гироскопов с быстро вращающимися роторами. Широкое применение платформенных систем обусловлено высокой точностью навигационных измерений. Например, поплавковый гироскоп имеет уход осей от одной десятитысячной доли градуса в час. Межконтинентальная баллистическая ракета, оснащенная таким устройством, пролетев за полчаса 8–10 тысяч километров, отклонится от заданного направления только на несколько метров. Этот прибор представляет собой роторный гироскоп, все подвижные элементы которого помещены в жидкость с большим удельным весом. В результате, вес ротора вместе с кожухом уравновешивается гидростатическими силами. Трение в осях подвеса уменьшается на много порядков, возрастает ударная и вибрационная стойкость. А сам ротор вращается на 30–60 тыс. оборотов в минуту на воздушной подушке. Конечно, это сложное и дорогое устройство.
В бесплатформенных системах акселерометры, определяющие линейные ускорения и гироскопы, служащие для определения угловых скоростей вращения, жестко связаны с корпусом объекта. Вычислитель постоянно рассчитывает отклонения относительно начального положения осей в пространстве. В этих системах применяются гироскопы разных видов. Они не имеет подвижных частей, бесшумны, не требуют специального обслуживания, очень надежны, имеют малую массу и энергопотребление, сохраняя работоспособность при огромных перегрузках. Пока они имеют меньшие точности, чем платформенные, но применяются все больше, поскольку их можно устанавливать практически на любые объекты управления.
В качестве гироскопов могут использоваться, например, волоконно-оптические. В них установлена неподвижная многовитковая катушка размером 2–5 см с оптическим волокном. Она является интерферометром, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. Эти гироскопы обладают достаточной для большинства применений точностью — они имеют уход осей от 0,001 градуса в час.
Другой широко применяемый тип — микроэлектромеханические гироскопы. Это разновидность одноосного гироскопа вибрационного типа. Они могут иметь размеры в несколько миллиметров и массу в полграмма. Инерциальные системы, созданные по микроэлектромеханическим технологиям представляют собой такие же компактные интегральные схемы, как и приемники спутниковых сигналов. Чувствительным элементом гироскопа является вытравленная в пластине кремния площадка, соединенная тонкими упругими перемычками с основным кристаллом кремния. Когда объект вращается вокруг оси, возникают инерционные силы Кориолиса. Они заставляют колебаться площадку с амплитудой, пропорциональной амплитуде угловой скорости. Пока эти устройства имеют уход осей порядка градуса в час, но предсказывается достижение точности 0,01 градуса в час к 2020 году.
Модуль TIMU
Последние достижения контрпартнеров
В апреле 2012 года была представлена американская высокоточная 60‑мм мини-авиабомба Hatchet для беспилотников. Она имеет вес 1,8 кг и при этом оснащена и лазерной головкой самонаведения, и приемником GPS, и системой инерциального наведения.
Опять же в США в 2013 году в Мичиганском университете создан новый чип TIMU для инерциальной навигации. Его можно, в частности, размещать на боеприпасах малых калибров. TIMU представляет собой микросхему объемом 10 куб. мм, на которой размещены три гироскопа, три акселерометра и очень точные часы. Чип состоит из шести слоев, каждый из которых не превышает 50 микрон в толщину. При этом каждый слой выполняет определенные функции. Чип принимает управление на себя тогда, когда спутниковый сигнал недоступен. Его преимуществами являются низкое энергопотребление и возможность размещения в миниатюрном корпусе.
Совершенной сенсацией стала публикация летом 2013‑го о том, что американская компания Northrop Grumman разработала новый микро-гироскоп на основе эффекта ядерного магнитного резонанса (micro-NMRG). Прототип продемонстрировали представителям Управления перспективных оборонных исследований (DARPA), заказавшего создание этих новых устройств для использования в особо малых автономных объектах позиционирования. Гироскопы micro-NMRG для точного определения своего пространственного положения используют спин-поляризованные ядра атомов в качестве гироскопов атомарного масштаба. Предполагается, что со временем они будут иметь точность, сравнимую с той, что дают волоконно-оптические гироскопы.
Вообще, система инерциальной навигации, которую DARPA желает получить, не должна быть по объему больше 20 куб. см и потреблять более 1 Вт. Допустимый предел ошибки при определении ускорения объекта — 0,000001 g, а при определении угловых скоростей — 0,0001 градуса в час. Система должна приходить в работоспособное состояние не более чем за 10 секунд.
Новых данных по последней разработке с использованием ядерного магнитного резонанса нет. Это может свидетельствовать о том, что она еще не вышла из стадии лабораторных исследований. Или наоборот, вышла и публикаций о ней не будет. Однако, другие уже существующие бесплатформенные инерциальные системы вполне могут устанавливаться на любые аппараты и боеприпасы вместе со спутниковыми приемниками. Тогда, пусть и с несколько меньшей точностью, но цель будет достигнута. Надеяться только на систему глобального позиционирования можно только в мирное время.
Оценили 64 человека
73 кармы