Pro časopis Letectví + kosmonautika zpracoval RNDr. PETR LÁLA, CSc. (L+K č.8 /1975)

Nedílnou součástí každého kosmického letu je rádiové spojení mezi kosmickým objektem a řídicím střediskem. Jeho pomocí se určuje přesná dráha objektu a její změny s časem, přenáší se telemetrická informace o stavu palubní aparatury, vysílají se povely nutné k řízení dalšího průběhu letu. V případě pilotovaných letů je nutné navíc zajistiti dvoustranné fónické spojení a přenos televizních záběrů. K tomu je třeba vybudovat síť sledovacích stanic. Sítě sledovacích stanic pochopitelně u obou kosmických velmocí prošly za léta kosmické éry značným vývojem, protože vlastní rozmístění a počet stanic závisí na celé řade faktorů.

V souvislosti s nadcházejícím sovětsko-americkým pilotovaným letem ASTP/EPAS byly poprvé uveřejněny některé podrobnosti o sovětském sledovacím systému. Využíváme toho k stručnému shrnutí vývoje i současného stavu sledovacích systémů obou kosmických velmocí, a to nejen s přihlédnutím ke společnému letu lodí Sojuz a Apollo, ale i ostatním byť i nepilotovaným kosmickým letům.

Pilotované lety jsou z komunikačního hlediska nejnáročnější. Přítomnost posádky si vyžaduje pokud možno nepřetržitou kontrolu jejího stavu, jakož i stavu systému kosmické lodě. Sovětské pilotované lety probíhají zatím jen v malých výškách nad zemským povrchem (200 - 350 km). To znamená, že přímá rádiová slyšitelnost (neuvažujeme-li anomální šíření rádiových signálů na nízkých frekvencích do velkých vzdáleností, jež nezajišťuje kvalitní spojení) z každé stanice dosahuje maximálně necelých osm minut, přičemž doba oběhu kosmické lodě je okolo 90 min. Průmět oblasti slyšitelnosti na zemský povrch má přibližně tvar kružnice o poloměru 1600 km. Z této skutečnosti vycházeli sovětští odborníci při návrhu své sítě a - jak potvrzují fotografie z nového řídicího střediska u Kalinina u Moskvy - rozmístili svých sedm hlavních pozemních sledovacích stanic (viz tab. 1) především podél jižních hranic SSSR po celé délce jeho území. Velké rozlohy SSSR je tím optimálně využito k rádiovému spojení na co největším počtu oběhů.

----------------------------------------------------------------------------------------------------
Název         Zkratka  Lokalita           Přibližné souřadnice
                                           (° v.d.) (° s.š.)
----------------------------------------------------------------------------------------------------
Jevpatoria      EVT    Krym                    33       45
Tbilisi         TBL    Gruzie                  45       41
Džusaly         DŽS    Kazachstán              64       46
Kolpaševo       KLP    u Novosibirsku          83       58
Ulan Ude        ULD    u Bajkalského jezera   107       52
Ussurijsk       USK    u Vladivostoku         132       44
Petropavlovsk-
Kamčatskij      PPK    Kamčatka               158       53
-----------------------------------------------------------------------------------------------------

Jak je jistě většině čtenářů známo, průmět dráhy nízké družice na zemský povrch se podobá sinusoidě, u níž je největší severní a jižní vzdálenost od rovníku číselně rovna sklonu dráhy družice (u sovětských kosmických lodí 52°). Po startu z kosmodromu Bajkonur v Kazachstánu leží severní vrchol sinusoidy nad územím SSSR. Vlivem otáčení naší planety se však průmět dráhy na zemský povrch neustále posunuje rychlostí 22.5° za oběh směrem k západu.

Díky tomu leží od sedmého oběhu celý průmět mimo území SSSR. Pouze na prvních obězích dochází vždy k přeletu některé z pozemních stanic: poslední stanicí, která může na 6. oběhu signály zachytit je Jevpatoria na Krymu. Teprve na 13. oběhu vstoupí loď opět do oblasti rádiové slyšitelnosti, tentokrát stanice Petropavlovsk - Kamčatskij (viz obr. 1). Protože kosmická loď vykonává za den zhruba 15 oběhů, příznivá situace trvá do 21. oběhu a 22.-27. oběh jsou opět “hluché".

Z toho je patrné, že bez použití sledovacích stanic ležících mimo území SSSR není možné zajistit spojení s kosmickou lodí na všech obězích. Tento problém vyřešil SSSR z technických i provozních důvodů nikoliv stavbou stanic na území jiných států (jak to dělají např. USA), ale vybudováním flotily speciálně vybavených lodí. Toto řešení má velkou výhodu v mobilnosti lodí, které je možné poměrně rychle přemisťovat podle požadavku právě probíhajícího experimentu.

Výpočet dráhy kosmické lodě pohybující se na nízké dráze kolem Země ukazuje zajímavý fakt - průměty dráhy pro 7.-10. oběh procházejí (s rozptylem 300 km) bodem ležícím nedaleko Montrealu. V této oblasti, u břehů kanadské provincie Nová Scotia, je tedy pro sovětské řídicí středisko výhodné zakotvit sledovací loď. V souhlase s označením na mapce J. Oberga v časopise Flight International je toto místo (63° z. d., 44° s. š.) na připojené mapě označeno jako M1.

Nejkritičtější částí každého pilotovaného letu je obvykle sestup z oběžné dráhy. Protože sovětská přistávací oblast leží v Kazachstánu, prochází trasa posledního oběhu nad Atlantikem (protíná rovník zhruba na 0° - 12° v. d.), Nigérií, Čadem, a pak nad zeměmi Středního východu. Zpočátku bývala proto sledovací loď umístěna v Guinejském zálivu, aby byla co nejblíže k místu zapálení brzdicího motoru (na mapě označeno jako M2 v místě se souřadnicemi 7° v. d., 3° s. š.). Při dalších letech (zejména dlouhodobých) se zřejmě ukázalo výhodnějším přesunout loď do jižního Atlantiku (bod M3 se souřadnicemi 15° z. d., 10° j. š.). Odtud je možné daleko lépe sledovat korekce dráhy, které se v průběhu letu často vykonávají nad jižní polokoulí (např. přechod na kruhovou montážní dráhu při letu Sojuz 16).

Rostoucí náročnost pilotovaných kosmických letů také vedla k tomu, že k původním dvěma oblastem v Atlantském oceánu byla později připojena další – v blízkosti Kuby v Karibském moři. Na mapě sovětské sledovací sítě je tato oblast (asi 80° z. d. a 22° s. š.) označena jako M4. Při letu ASTP/EPAS budou tedy sovětské sledovací lodě umístěny v oblastech M1, M3 a M4.

Podobně jako při pilotovaných letech, existuji dvě nejdůležitější etapy, kdy je třeba zajistit sledování mimo uzemí SSSR i při letech sond k Měsíci nebo k planetám. Zde však nejsou polohy sledovacích lodí tak fixní, neboť průmět dráhy závisí na konkrétní poloze cílových nebeských těles. Sovětské kosmické sondy jsou vypouštěny zásadně technikou tzv. parkovací dráhy, jež spočívá v předběžném navedení na nízkou oběžnou dráhu kolem Země (ve výši asi 200 km), odkud sonda po dosažení vhodného bodu - v němž je zapálen motor posledního stupně - odlétá k cílově planetě. Tento bod navedení na meziplanetární dráhu (nebo na dráhu k Měsíci) leží v jižním Atlantiku. V závislosti na konkrétní dráze jsou při těchto pokusech sledovací lodě umístěny v oblasti 45° z. d. a 45° j. š., s 10° z. d. a 15° j. š. (na mapě označeno jako D1).

Při svém dalším letu se sonda velmi rychle vzdaluje od Země, její let se neustále zpomaluje a proto se průmět dráhy začíná “ohýbat" směrem k západu a sonda se pohybuje blízko rovníku (viz obr. 2).

Nastupuje druhá závažná etapa letu - oddělení od posledního stupně, rozevření panelů slunečních baterií, orientace v prostoru atd. K těmto úkonům dochází zpravidla nad Karibským mořem a proto další sovětská sledovací loď kotví při letech sovětských kosmických sond u Kuby - v okolí bodu se souřadnicemi 80° z. d. a 22° s. š. (označen D2). Protože v té době se sonda již po obloze pohybuje pomalu (je to asi 20 min po navedení nad jižním Atlantikem), je možno ji odtud sledovat 10 - 14 hodin. S rostoucí vzdáleností se sonda stává ,,normálním" nebeským tělesem a je pozorovatelná z každé stanice po velmi dlouhou dobu (omezenou pouze rotací Země kolem osy). Proto jsou stanice v Jevpatorii, u Vladivostoku a v Karibském moři společně schopny zajistit prakticky nepřetržité spojení.

Pro úplnost je třeba uvést, že při letech bezpilotních kosmických lodí typu Zond k Měsíci s návratem na Zemi kotvila flotila záchranných lodí také v Indickém oceánu. Při návratu sond Zond 5-7 od Měsíce po tzv. jižní dráze (směrem od jihu na sever) ležela dopadová oblast v Indickém oceánu (65° v. d., 30° j. š.). Zond 5 v tomto místě vylovila flotila pod vedením lodě “Vasilij Golovnin". Sondy Zond 6 a 7 využily při průletu atmosférou aerodynamického vztlaku, takže nad tímto místem pouze přelétly a přistály až v Kazachstánu. U jižní dráhy však nemohou přibližování sondy sledovat stanice na severní polokouli, což je značně nevýhodné. Proto byla při letu Zondu 8 vyzkoušena tzv. severní dráha, po níž sonda při návratu od severu proletí nad stanicí Jevpatoria na Krymu. Sonda pak byla vylovena z Indického oceánu na 70° v. d. a 40° j. š. Tato místa přistání jsou na mapě označena jako L1 a L2.

K realizaci popsané sítě námořních sledovacích stanic byla v SSSR vybudována postupně celá flotila lodí. Nejprve to byly upravené vojenské a obchodní lodě. Patří k nim “Dolinsk", “Běžina", “Ristina", “Aksaj", “Moržovec", “Kegostrov", “Nevel" a “Boroviči". V roce 1967 byla v Baltijském závodě vyrobena první ze tří speciálních lodí patřících Akademii věd SSSR. Byla nazvána “Kosmonaut Vladimír Komarov" a jejím nejcharakterističtějším znakem jsou dvě 20m kopule kryjící rádiové antény. Poprvé se tato loď účastnila sledování Zondu 5 a Sojuzu 4 a 5. V roce 1970 začala pracovat loď “Akademik S. P. Koroljov", vyrobená Černomořským závodem v Nikolajevu. Jejím prvním úkolem byla spolupráce při letu stanice Saljut 1 a transportních lodí Sojuz 10 a 11.

Vlajková loď flotily nazvaná “Kosmonaut Jurij Gagarin" byla v leningradské loděnici zhotovena v rekordním termínu (březen - říjen 1969) a koncem roku 1971 vyplula na svou první vědeckou plavbu z Oděsy. Loď je vybavena dvěma 26m a dvěma 12m anténami (celkový počet různých antén však přesahuje 100. Je to největší výzkumná loď světa a má speciální zařízení vyrovnávající vliv mořských vln na stabilitu lodě. Navigační zařízení umožňuje určit okamžité souřadnice plavidla s přesností několika metrů. Pomocí komunikačních družic typu Molnija je loď spojena s řídicím střediskem i dalšími stanicemi. Na palubě je vlastní výpočetní středisko, umožňující zpracovávat docházející telemetrické informace a připravovat povely, které jsou pak z magnetického záznamu vysílány v potřebný okamžik do vesmíru. Časová základna lodě je s přesností zlomku milisekund synchronizována se světovými standardy.

Pamatuje se i na pohodlí posádky - ta je ubytována v jedno- a dvoulůžkových kajutách, může použít kterýkoliv ze tří bazénu, tělocvičnu, kinosál pro 260 osob nebo knihovnu s 10 000 svazky. Jedenáct palub spojuje 8 nákladních a osobních výtahů. Ze 1250 místností je přes 100 speciálních laboratoří.

Při letu družicových stanic Saljut 3 a 4 pracovaly lodě “Kosmonaut J. Gagarin" a “Akademik S. P. Koroljov" u kanadských břehů, “Kosmonaut V. Komarov" v Karibském moři. V jižním Atlantiku obvykle kotví loď “Moržovec".

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Název                     "Kosmonaut            "Akademik         "Kosmonaut
                       Vladimír Komarov"     S. P. Koroljov"    Jurij Gagarin"
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Pracuje od roku             1967                1970               1971
Výtlak (tuny)             17 500              22 000             45 000
Délka (m)                    156                 181,9              232
Max. šířka (m)                23,3                25                 31
Max. rychlost (uzly)          17                  17,5                ?
Výkon motoru (kW/k)       6620 / 9000         8826 / 12 000    13 975 / 19 000
Počet palub                    3                   4                 11
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Americká síť sledovacích stanic

Vzhledem k tomu, že rakety z hlavních amerických kosmodromů startují směrem nad oceán (Atlantský nebo Pacifický), byla od začátku vývoje amerických raket věnována pozornost výstavbě sledovacích stanic na vhodně umístěných ostrovech a na lodích. Všechny americké sledovací lodě byly postaveny z vyřazených vojenských a obchodních plavidel. V roce 1966 byla doposud roztříštěná organizace sjednocena ve zvláštním oddělení ministerstva obrany USA. Flotila sledovacích lodí je šestnáctičlenná, ovšem většiny z plavidel se využívá při zkouškách vojenských raket.

Nejdokonaleji jsou vybaveny lodě typu “Vanguard" (překonstruované roku 1966 z tankerů T2). Kromě stejnojmenné lodě jsou to ještě USNS “Redstone" a “Mercury". Jejich výtlak je 22 300 tun, délka asi 165 m. Hlavní antény mají průměr 4,8 m (rádiové pásmo C, radarové sledování) a 9 m (pásmo S, příjem telemetrie). Na palubě každé z nich jo samočinný počítač UNIVAC 642 B a loď je tak schopna samostatně řídit let kosmických objektů. Posádka má 152 členů, z toho 108 specialistů. Protože doba plavby se může protáhnout až na 2 měsíce, je i zde speciální pozornost věnována pohodlí posádky (bazény, knihovna atd.). Navigace je zajišťována systémem LORAN a TRANSIT.

V projektech Mercury a Gemini se využívalo i množství pozemních stanic v Americe, Africe a Austrálii. Sledovací lodě byly umístěny v Atlantiku, Pacifiku a někdy i v Indickém oceánu. Protože všechny americké kosmické lodě přistávají na vodě, byla vždy vytvořena ještě flotila záchranných lodí umístěných v hlavních i záložních přistávacích oblastech. Každá flotila (“Task Force") se skládá z hlavní lodě PRS ( Primary Recovery Ship ), podpůrných plavidel a speciálního letadla

(ARIA - Advanced Range Instrumented Aircraft). Pro pilotované lety byly vytvořeny dvě takové flotily (TF 130 a TF 140), jedna v Atlantiku, druhá v Pacifiku.

Maximální počet pozemních stanic této sítě byl 14, sledovacích lodí 5. Pro projekt Apollo bylo možné některé pozemní stanice zrušit, neboť loď vykonala pouze 1 - 2 oběhy na parkovací dráze kolem Země. Navedení na dráhu k Měsíci pak bylo sledováno z vhodně umístěných plavidel. Činnost kosmonautů ve velkých vzdálenostech od Země a na Měsíci sledovaly pozemní stanice systému dálkového kosmického spojení (Deep Space Network), umístěné v Goldstone (Kalifornie), Canberra (Austrálie), u Madridu (Španělsko) a Johannesburgu (J. Afrika). Poslední stanice byla později, po vybavení stanice u Madridu další anténou, zrušena jako přebytečná.

V roce 1973 měla americká sledovací síť STDN (Space Flight Tracking and Data Network) celkem 19 pozemních stanic, loď “Vanguard" a speciální letadla ARIA. Tato síť slouží ke sledování všech družic NASA. Stanice jsou spojeny s komunikačním střediskem v Goddard Space Fligt Center ve státě Maryland systémem NASCOM (NASA Communications Network), který kromě podmořských kabelů a mikrovlnných spojů zahrnuje i pronajaté kanály na stacionárních družicích Intelsat. Stanice jsou vybaveny 9m nebo 26m anténami. Jsou to: Cape Canaveral (Florida), Bermuda, ostrov Ascension a Kanárské ostrovy, (Atlantik), Madrid (Španělsko), Johannesburg (J. Afrika - zrušena), Tananarive (Malgašská rep.), Carnarvon a Canberra (Austrálie), Havajské ostrovy a Guam (Pacifik), Quito (Ecuador), Santiago (Chile), Fairbanks (Aljaška), Newfoundland (Kanada), Rosman (Severní Karolína), Goldstone (Kalifornie) a Corpus Christi (Texas).

Při projektu Skylab se v roce 1973 na sledování podílelo 13 stanic, sledovací loď USNS “Vanguard" byla zakotvena v argentinském přístavu Mar Del Plata. Stanice, které budou pracovat při letu programu ASTP/EPAS, jsou uvedeny v tab. 2 spolu s orientačními souřadnicemi. Sledovací loď “Vanguard" bude zakotvena v jižním Pacifiku.

--------------------------------------------------------------------------------------------------
Název             Zkratka  Lokalita      Přibližné souřadnice
                                          (° v.d.) (° s.š.)
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Cape Canaveral      CNV    Florida           -80       29
Bermuda             BDA    Atlantik          -70       32
Newfoundland       (NFD)   Kanada            -57       48
Kanárské ostrovy    CYI    Atlantik          -16       28
Madrid             (MAD)   Španělsko          -3       41
Tananarive          TAN    Malgašská rep.     48      -19
Guam                GWM    Pacifik           145       12
Havajské ostrovy    HAW    Pacifik          -159       22
Canberra            CBR    Austrálie        -149      -36
Goldstone           CAL    Kalifornie       -120       34
Corpus Christi      TEX    Texas             -97       28
Quito               QUI    Ecuador           -78        0
Santiago            AGO    Chile             -70      -34
---------------------------------------------------------------------------------------------------
Pozn.: Zkratky uvedené v závorce nejsou ověřeny

Při letošním experimentálním letu dojde také poprvé za pilotovaného letu ke spolupráci sledovacích stanic obou státu. Protože sovětské kosmické lodě používají jiné frekvence než Apollo (sovětská frekvence je 20,008 a 121,75 MHz), americká strana dodala do Sojuzu zařízení umožňující spolupráci s americkými stanicemi na frekvenci 296,8 MHz. Rádiové spojení mezi oběma kosmickými loděmi bude probíhat mimo této frekvence i na 259,7 MHz a 121,75 MHz. Loď Apollo je vybavena ještě aparaturou pro spojení s pozemními stanicemi na pásmu S (přenos televize, fónie i telemetrie ze záznamu na 2272,5 MHz směrem k Zemi, měření vzdálenosti a spojení ve směru družice - Země na 2287,5 MHz a ve směru Země - družice na 2106,4 MHz).

Na rozdíl od prvních amerických pilotovaných letů, kdy sklon k rovníku byl malý (do 32°), je v projektech Skylab a ASTP/EPAS sklon přes 50°, takže průmět dráhy pokrývá mnohem vetší rozmezí zeměpisných šířek. To značně zvyšuje počet tzv. “hluchých" oběhů. Proto bude letos použito zcela nové sledovací techniky. Stacionární družice ATS-6, která bude v té době přemístěna nad 35° v. d., zajistí přímé fónické, telemetrické i televizní spojení lodě Apollo s řídicím střediskem v Houstonu prakticky po celou polovinu každého oběhu (ve směru Apollo - ATS na 2256 MHz, v opačném na 2077,4 MHz).

Tato revoluční technika (v SSSR se počítá s obdobným využitím spojových družic typu Molnija) umožní v budoucnu použitím několika stacionárních družic prakticky zcela odstranit dosavadní “hluchá místa" při sledování důležitých kosmických experimentů a navíc zredukovat na minimum počet pozemních stanic s nákladným provozem. Projekt této sítě pod označením TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System) je nyní ve fázi koncepčních studií. S jeho realizací se počítá v osmdesátých létech souběžně s uvedením kosmického raketoplánu do běžného provozu.

Fotografie a schémata k článku "Systém sledovacích stanic":

Obr.1) Sovětská sledovací síť pro pilotované lety.

Obr.2) Sovětská sledovací síť při letech k Měsíci a planetám (D1 a D2). Při návratu sond typu Zond operovala záchranná flotila v oblastech L1 nebo L2.

Obr.3) Americká síť sledovacích stanic pro let laboratoře Skylab. Čárkovaně je vyznačeno spojení mezi stanicemi kabelem, plnou čarou spojení linkové a rádiové.

Obr.4) Vlajková loď sovětské flotily sledovacích lodí.

Obr.5) Anténa madridské stanice začleněné do sítě Deep Space Network.