Что такое КИК?

Каждый космический полет, независимо от его целей и продолжительности, осуществляется с помощью сложнейшего ракетно-космического комплекса, состоящего из ракетно-космической системы и наземных служб обеспечения запуска и управления полетом космического аппарата. Ракетно-космическая система состоит из ракеты-носителя и космического аппарата. В наземные службы обеспечения полета входят космодром, командно-измерительный комплекс с центрами управления полетами, при наличии спускаемого аппарата - поисково-спасательный комплекс, в случае пилотируемых полетов - Центр подготовки космонавтов.

После изготовления и тщательных стендовых испытаний ракету-носитель и космический аппарат доставляют на космодром. Здесь их снова проверяют, состыковывают в единое целое, испытывают в горизонтальном и вертикальном положениях, заправляют баки горючим и окислителем, проверяют бортовые системы и кабельную сеть. Результаты предстартовых испытаний фиксируют телеметрические системы. Наконец, наступает кульминационный момент, ради которого напряженно трудились тысячи людей, - пуск! Но с отрывом ракеты от стартовой установки работа космодрома не заканчивается. Его измерительные пункты, расположенные по трассе активного участка полета ракеты, контролируют ее траекторию, работу бортовых приборов и систем, особенно - двигательной установки, отделение последней ступени ракеты от космического аппарата после выведения его на орбиту. Если полет пилотируемый, то в течение времени активного полета космодром поддерживает двухстороннюю радио- и телевизионную связь с экипажем. После выведения космического аппарата на орбиту управление его полетом осуществляется через командно-измерительный комплекс СССР.

Итак, что же такое КИК?

В него входят центры управления по "профилю" работы космических аппаратов (КА): Центр управления пилотируемыми полетами, Центр дальней космической связи и другие. Обрабатывают поступающую от КА информацию и осуществляют координацию действий измерительных средств информационно-вычислительные

комплексы и координационно-вычислительные центры. Они оснащены новейшей техникой, в том числе быстродействующими ЭВМ (с суммарной производительностью до десятков миллионов операций в секунду), позволяющими не только обрабатывать огромные массивы информации, но и наглядно отображать космическую обстановку практически в реальном масштабе времени на электронных табло, телевизионных экранах и световых динамических картах, моделирующих движение космических аппаратов. Однако информация в ЦУП поступает не непосредственно от космических аппаратов, а от наземных измерительных пунктов, также входящих в состав КИКа. Они-то и поддерживают связь с КА. Измерительные пункты расположены на территории Советского Союза таким образом, чтобы их зоны радиовидимости перекрывали как можно большее пространство, над которым происходят космические полеты, чтобы обеспечить возможность связи пилотируемых кораблей и станций с Землей практически в любое время суток, и громадной территории нашей Родины оказалось недостаточно. На помощь КИКу пришли экспедиционные суда Академии наук СССР во главе со своим флагманом "Космонавт Юрий Гагарин".

Наземные измерительные пункты поддерживают связь с соответствующими центрами управления по проводным и радиоканалам, а морские и отдаленные наземные пункты - через спутники-ретрансляторы. Все эти линии связи автоматизированы, они позволяют передавать все виды информации и вводить ее в электронно-вычислительные машины.

Запускам космических аппаратов предшествует длительная и сложная подготовка. Специалисты составляют программу полета, а на ее основании - баллистический проект, своего рода навигационный план полета. По заранее разработанным математическим программам баллистики с помощью ЭВМ рассчитывают время старта носителя, моменты отделения от него и выхода на орбиту космического аппарата, стыковок и расстыковок кораблей и станций, а также их траектории, исходные данные Для посадки спускаемых аппаратов. Множество факторов приходится учитывать при этом, и все они "закладываются" в ЭВМ! Это - характеристики ракет-носителей и космических аппаратов, сила притяжения и скорость вращения Земли, плотность и тормозящее воздействие атмосферы... И все же, как ни скрупулезны предварительные вычисления, КА летят по орбитам, лишь близким к расчетным. Это объясняется техническими причинами, а также чрезвычайной "чувствительностью" космических аппаратов к малейшим отклонениям фактических условий полета от расчетных. Если, например, при выведении скорость аппарата изменится всего лишь на один метр в секунду по сравнению с запланированной, то уже через один виток положение КА в космическом пространстве будет отличаться от расчетного на пятнадцать с лишним километров. Невозможно предусмотреть в баллистическом проекте и те изменения, которые происходят в верхней атмосфере. Ее фактическая плотность под действием солнечной активности может до 20 - 30% отклоняться от значений, заложенных в проект. По этой причине космический аппарат за сутки полета может на несколько километров отклониться от намеченного пути. Да и при спокойном Солнце атмосфера "тормозит" полет КА, в результате чего их орбиты понижаются и периоды обращения вокруг Земли уменьшаются.

Для контроля за движением искусственных небесных тел на пунктах КИКа имеются системы орбитальных измерений. В их состав входят радиолокационные станции, вычислительные средства, устройства их сопряжения и ввода данных в ЭВМ и автоматизированные каналы связи. Как, например, определяется дальность? Когда КА проходит в зоне радиовидимости пункта слежения, локатор посылает зондирующие радиоимпульсы, излучаемые строго направленно в сторону движущегося с космической скоростью аппарата. Одновременно импульс по внутристанционной линии связи направляется в преобразующее устройство, в котором он включает счетчик. И начинается отсчет времени "путешествия" импульса в космосе. На КА сигнал усиливается и в виде ответного радиоимпульса направляется бортовым приемопередающим устройством обратно - в сторону наземной станции, где выключает счетчик. Его показания и дают нам время, затраченное импульсом на дорогу по маршруту Земля - КА - Земля. Скорость распространения радиоволн известна (около 300 000 км/с). Время прохождения импульса внутри бортового и наземного приемопередающих устройств - величина тоже постоянная. Она заранее измеряется и "закладывается" в ЭВМ, которые и выполняют все остальные расчеты.

Траекторные измерения начинаются сразу же после выведения космического аппарата на орбиту. В эти мгновения космодром, как эстафету, "передает" аппарат в "радиоруки" КИКа. Установление самого факта выведения - первейшая баллистическая задача командно- измерительного комплекса при каждом космическом запуске. Однако для точного определения и прогнозирования орбит недостаточно данных, полученных в одной точке земного шара. Поэтому используются данные, полученные с нескольких удаленных друг от друга пунктов. Орбитальная информация с них поступает в соответствующий центр управления. Там баллистики с помощью быстродействующих ЭВМ определяют точную орбиту, сравнивают с расчетной и в зависимости от результатов принимают решение: "так держать" или внести коррективы в дальнейшее движение спутника. На основании полученных данных составляют целеуказания для измерительных средств: точное время и направление для наведения антенн, находящихся на наземных и морских измерительных пунктах. А делать это нужно заранее: зеркала и опорно-поворотные устройства антенн весят по нескольку десятков тонн: чтобы поставить их в требуемое положение, нужно время. Иначе можно потерять драгоценные секунды, необходимые для передачи очередных команд на борт, получения информации и для радио- и телевизионной связи с космонавтами. Если заранее не подготовиться к встрече с аппаратом, то можно упустить его из виду: находясь на орбите высотою 200 - 400 км, зону радиовидимости одного пункта он пролетает за пять - семь минут. Словом, орбитальные измерения - основа работы земных штурманов космических кораблей. В последние годы им на помощь в дополнение к радиолокационным средствам пришли квантово-оптические, использующие энергию отраженного лазерного луча.

Для того чтобы передавать на борт указания баллистиков, очередные программы и так называемые уставки, т. е. величины, изменяющие ранее заложенные программы, используются специальные программно-командные радиолинии. В их состав входят: на Земле - аппаратура формирования и набора команд, количество которых при различных комбинациях может достигать нескольких сотен, приемопередающее устройство с антенной системой для передачи радиокоманд и получения с борта подтверждений о прохождении команд; на космическом аппарате - приемопередающая, регистрирующая аппаратура и распределительное устройство, направляющее полученные с Земли "указания" соответствующим бортовым исполнительным механизмам и системам.

Прежде чем подать ту или иную команду на борт, нужно быть твердо уверенным в том, что их "исполнители" исправны, готовы к действию и что на борту все в норме. Достоверные сведения об этом поступают на морские и наземные станции слежения по многочисленным каналам и составляют телеметрическую информацию. На бортовых приборах, работу или показания которых надо контролировать, устанавливают чувствительные преобразователи - датчики. Их прикрепляют также к телу космонавта, вживляют в ткань различных биообъектов. На современных космических аппаратах устанавливают сотни, а на орбитальных комплексах - тысячи датчиков. С частотой от одного раза в минуту до ста раз в секунду (у каждого датчика свой режим) посылают они сигналы. На выходе датчика возникает электрическое напряжение, пропорциональное измеряемым параметрам. Посредством частотной, фазовой, импульсной или амплитудной модуляции оно преобразуется в промежуточный сигнал, а в выходном модуляторе - в радиосигнал. Таким образом показания приборов, измеряющих параметры жизнедеятельности биообъектов, воздуха в жилых помещениях, тока в кабельной сети и батареях, рабочего тела в баках, функционирования бортовой аппаратуры, а также результаты научных экспериментов и многие другие превращаются в удобную для дальнейшей передачи и обработки форму. Это так называемая измерительная информация. Есть еще и сигнализирующая, она отражает состояние контролируемого параметра ("В норме", "Меньше", "Больше") или прибора ("Включен", "Выключен"). На Земле происходит преобразование всей информации в сигналы двоичного кода. Он наиболее удобен для передачи по линиям связи и "понятен" ЭВМ и другим средствам обработки.

В зависимости от заранее разработанной программы бортовая информация может либо сразу передаваться на Землю, либо запоминаться бортовыми приборами, накапливаться в них, а затем передаваться на Землю во время пролета КА над измерительными пунктами в запланированные заранее сеансы связи. В случае необходимости, по команде Центра управления, "внеплановая" телеметрическая информация может быть запрошена и передана с борта. Полученная наземными и морскими измерительными станциями информация передается непосредственно для обработки в электронно-вычислительные машины соответствующего центра. Там радиосигналы снова преобразовываются в значения физических величин, сформировавших их на борту. Основные сведения, наиболее важные для управления полетом, отображаются на электронных табло коллективного пользования. Более подробные данные о работе отдельных бортовых систем специалисты могут "вызвать" на индивидуальные телеэкраны - мониторы, имеющиеся на каждом рабочем месте. В ряде случаев 10 - 20 % телеметрической информации обрабатывают непосредственно на измерительных пунктах, и в Центр передают физические значения требуемых параметров.

Телеметрия тщательно анализируется специалистами, и они дают заключения о состоянии и работе бортовых систем. В случаях каких-либо отклонений они вносят предложения об изменении режима работы приборов и систем, о включении дублирующих, резервных устройств. Одобренные руководителями полета предложения специалистов в виде радиокоманд передают на борт с помощью уже знакомых читателю программно-командных радиолиний. Таким образом реализуется оперативно обработанная телеметрическая информация. Есть еще и полная ее обработка. Она производится в информационно-вычислительных центрах как в ходе космических полетов, так и по их завершении. Результаты полной обработки используются учеными, конструкторами, испытателями и медиками при подготовке к очередным полетам, создании новой наземной и космической техники, разборе и анализе нештатных ситуаций. Для двухсторонней радио- и телевизионной связи с пилотируемыми кораблями и орбитальными станциями на их борту и на Земле имеются соответствующие приемопередающие системы.

Объем всей информации, принимаемой командно-измерительным комплексом от космических аппаратов, работающих одновременно на орбитах, лишь за одни сутки соответствует количеству печатных знаков, содержащихся примерно в ста пятидесяти тысячах экземпляров лежащей перед вами книги.

Телеметрические и траекторные измерения, программно-командный обмен и сведения о ходе и результатах исследований и экспериментов в космосе не имели бы ценности и не могли обеспечить надежное управление полетами космических аппаратов, если бы вся эта информация и действия людей и техники на Земле и в космосе не были бы "увязаны" в едином и очень точном времени.

Для этого на всех наземных и морских измерительных пунктах, в центрах управления непрерывно действуют высокостабильные атомные и молекулярные часы с точностью "хода" плюс - минус одна секунда за 10 000 лет. Их совокупность образует систему единого времени, или просто СЕВ. Метки СЕВ "накладываются" на все виды регистрируемой информации, и лишь после этого она становится объектом обработки ЭВМ, анализа и оценки ученых.

Все контакты, обмен информацией, радиотелевизионные и телеграфные передачи между космическими аппаратами и станциями слежения, между измерительными пунктами и центрами управления и вычислительными центрами ведутся по сложным разветвленным автоматизированным линиям связи - кабельным и радио, наземным и космическим. Причем для надежности каждое направление связи дублируют, создают резервные обходные пути. Все это учитывают в схемах связи, составляемых заранее на основании программ полетов космических аппаратов. Схемой предусматривается размещение, состав, количество средств, направления и порядок использования каналов и другой техники связи. А ее арсенал весьма разнообразен и значителен: мощные приемопередающие радиоцентры, сложные антенные системы и поля, станции космической связи и спутники-ретрансляторы.

Протяженность линий измеряется сотнями и тысячами метров, когда речь идет о связи служб, аппаратных залов внутри центров управления, станций слежения или научно-исследовательских судов, и - тысячами и десятками тысяч километров, когда Центр управления полетом поддерживает связь с космическим аппаратом, проводящим, например, над дальневосточной станцией слежения или над судном, работающим в Атлантике. В этих случаях радиосигналы бортового передатчика принимаются соответственно наземной или морской станцией слежения, передаются на спутник-ретранслятор, откуда поступают на станцию космической связи, соединенную кабельными каналами с Центром управления.

Обеспечением управления космическими аппаратами не исчерпываются функции систем наземно-космической связи КИКа. Они постоянно используются в сверхдальней телефонно-телеграфной связи и передачах матриц газет из Москвы в десятки городов, а также программ Центрального телевидения через спутники в отдаленные районы СССР, в братские социалистические страны и другие государства по системам "Интервидения" и "Евровидения". По каналам наземно-космической связи передают информацию со спутников погоды, навигации, изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды в сотни институтов и организаций десятков министерств и ведомств СССР и государств - участников программ "Интеркосмос", "Интерспутник", КОСПАС - САРСАТ и других.

Изучение и практическое использование космоса осуществляется с помощью пилотируемых кораблей, автоматических межпланетных и орбитальных станций, космических аппаратов самого разнообразного научного и прикладного назначения. Многие десятки из них одновременно действуют на околоземных и межпланетных орбитах. А командно-измерительный комплекс для управления полетами всех искусственных небесных тел - один! Как же распределить между ними время использования наземных и морских средств слежения, чтобы полностью и надежно принималась и обрабатывалась информация?

Учитывая наличие и состояние наземных средств измерения, управления и связи, требования программ полета и непрерывно меняющуюся космическую обстановку, специалисты группы координации планируют очередность и порядок взаимодействия наземных и морских средств с теми или иными космическими аппаратами. Если возникает внеплановая необходимость связаться с пилотируемым космическим аппаратом, когда нужная для этого наземная станция занята работой с автоматическим аппаратом, то вводится в действие резервная однотипная станция, а если занята и она (бывают и на Земле перегрузки), то сеанс связи со спутником-автоматом переносят. На следующих витках он наверстает упущенное.

В управлении полетом, в руководстве работой наземных и корабельных средств слежения и в обработке громадных потоков информации все возрастающую роль играет математическое обеспечение. В его разработке участвуют создатели техники и специалисты соответствующих Центров управления. Во многом успех космических экспериментов зависит также и от работы наземных служб энергетики, метрологии, гостехнадзора и самого разнообразного технического обеспечения.

Так работает командно-измерительный комплекс сегодня. Новейшей техникой, созданной па основе самых современных достижений науки и прежде всего радиоэлектроники и вычислительной математики, управляют высококвалифицированные специалисты. Они и их семьи живут в благоустроенных квартирах, в которых не страшны заполярные холода, камчатские метели, зной и пылевые бури полупустыни.

А началось все в 1957 г. с нуля, с первых колышков и палаток. А пожалуй, даже еще раньше - с запусков первых советских жидкостных ракет в тридцатых годах...