СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТУПНОСТИ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПО ГЛОНАСС

Полный текст

В просматриваемой перспективе развития космических полетов в ближнем космосе, а также полетов на Луну, является актуальным исследование возможности использования навигации по системе ГЛОНАСС для космических аппаратов в рабочей зоне вплоть во высот орбиты Луны. Актуальность расширение зоны навигационного обслуживания системы ГЛОНАСС подкрепляется следующими факторами: 82 № 6(52). 2013 — развитие применения автономной навигации на ГСО и ВЭО по ГЛОНАСС в системах гражданского и военного назначения; — более плотное заполнение геостационарной орбиты космическими аппаратами требует повышение точности, доступности и надежности их навигационного и временного обеспечения; — развитие технологии довыведение КА на ГСО без разгонных блоков, двигателями малой тяги КА, требует точного навигационного обеспечения КА на всем этапе выведения и маневрирования на орбите; — заявленные перспективы развития космических полетов в близком космосе, а также полетов на Луну и к другим планетам потребуют точного навигационного обеспечения этих космических аппаратов. Возможность использования ГЛОНАСС и GPS для навигации высокоорбитальных космических аппаратов на геостационарной орбите (ГСО) уже подтверждена успешным опытом эксплуатации на нескольких космических аппаратах на ГСО серии «Радуга М1», а возможность использования ГЛОНАСС и GPS для навигации спутников на высокоэллиптических орбитах (ВЭО) подтверждена моделированием и показана возможность обеспечения автономного определения вектора текущего положения КА с погрешностью на уровне 100-300 м (СКО) [1]. Навигационные системы ГЛОНАСС и GPS разрабатывались в первую очередь для обслуживания наземных потребителей, диаграммы направленности передающих антенн и параметры навигационных радиолиний подобраны таким образом, что непрерывное навигационное поле при видимости не менее 4 НКА обеспечивается до высот ~2000 км. Излучение НКА системы ГЛОНАСС направлено в сторону Земли, поэтому для навигации высокоорбитальных пользователей в настоящее время доступны только НКА с другой стороны Земли относительно КА. Для обеспечения приема сигналов НКА бортовой навигационной аппаратурой, установленной на КА ГСО или КА ВЭО, требуется применять специальные антенные системы и более чувствительные приемники. Прием сигнала в основном производится на скате основного лепестка диаграммы направленности передающей антенны НКА, поэтому незначительное изменение в усилении приемной антенны или чувствительности приемника сильно отражается на величине рабочего угла и, следовательно, на объеме доступных измерений, продолжительности измерительных сеансов и количестве одновременно доступных сигналов НКА. [а ·............| в Рис. 1. Распределение числа радиовидимых НКА бортовой аппаратурой АРН на ГСО: а - по результатам моделирования по ГЛОНАС; б - по результатам моделирования по GPS; в - по реальным измерениях БА АРН на КА «Радуга-М1» с 07.02.2009 по 09.02.2009 83 Вестник СибГАУ — Антенна с оптим. ДН » Антенна с одним лепестком - Аргумент перигея I ■-Антенна с оптим. ДН Антенна с одним лепестком | б Рис. 2. Условия радиовидимости НКА ГЛОНАСС на ГСО и ВЭО при чувствительности -168 дБВт и оптимальной ДН антенны в направлении на Землю Время,ч Время,ч а На рис. 1, а, б показаны результаты моделирования числа радиовидимых НКА ГЛОНАСС и GPS на суточном интервале при различной чувствительности навигационной аппаратуры и при использовании направленной антенны, с коэффициентом усиления в максимуме 15 дБ при ширине главного лепестка по уровню 0 дБ ± 26°. На рис. 1, в представлены распределения числа ра-диовидимых НКА с ГСО построенные по измерительной информации БА АРН полученной по результатам летной эксплуатации системы автономной навигации на борту КА «Радуга М1». Чувствительность БА АРН - 165 дБВт, что соответствует энергетическому потенциалу Q = Ec/N = 203 - 165 = 38 дБГц. На рис. 2 показаны результаты моделирования условий радиовидимости НКА ГЛОНАСС и GPS на суточном интервале для КА на ВЭО и ГСО при чувствительности приемника -168 дБВт (Q = 35 дБГц) для двух вариантов антенны в направлении на Землю: антенны с оптимальной ДН, обеспечивающей прием всех возможных сеансов и антенны, с коэффициентом усиления в максимуме 15 дБ при ширине главного лепестка по уровню 0 дБ ±26° и максимуме диаграммы направленном на центр Земли. На рис. 2, а показаны графики для пользователя на ВЭО, а на рис. 2, б для пользователя на ГСО. Для анализа условий навигации на более высоких орбитах была создана программная имитационная модель космических навигационных систем ГЛОНАСС, GPS и проведено моделирование условий радионавигации для высокоэллиптического КА со следующими параметрами орбиты: высота апогея -362 000 км; высота перигея - 200 км; наклонение -23 град. (рис. 3). Моделирование проводилось для открытых навигационных сигналов в диапазоне L1: ГЛОНАСС сигнал L1OF; GPS сигнал L1 C/A. Так как система автономной навигации для высокоорбитальных КА должна обеспечивать работу на разных участках орбиты: от участка перигея на высотах от 200 км, когда КА находится ниже НКА ГНСС до участка апогея на высотах более 362 000 км. В этих условиях целесообразно применить антенную систему из нескольких антенн и использовать для каждого участка орбиты наиболее оптимальную по форме диаграммы направленности и направлению антенну рис. 4, а. Рис. 3. Модельная орбита Для моделирования использовалась антенная система из трех антенн А1, А2, А3 с различными диаграммами направленности и коэффициентами усиления рис. 4, а: - А1 антенна с полусферической ДН с КУ = 3 дБ (используется на участке перигея, направлена по радиус вектору от Земли); - А2 направленная антенна с КУ 15 дБ (на участке высот ~ 40-100 тыс. км, к Земле); - А3 направленная антенна с КУ 22 дБ (на участке высот >100 тыс. км, к Земле. При расчете радиолинии НКА - приемник системы автономной навигации учитывались следующие параметры: - диаграммы направленности навигационных источников НКА ГНСС (рис. 4, б); 84 № 6(52). 2013 - мощность передатчика сигнала НКА: ГЛОНАСС - 32Вт, GPS - 25Вт; - поляризация антенн - правая круговая; - диаграмма направленности приемника (рис. 4, а), при расчете выбиралась та антенна, которая давала больший уровень сигнала; - коэффициент шума приемника - 1,2 дБ; - шумы Земли, Солнца и космоса; - ослабление сигнала в пространстве; - пороговый уровень энергетического потенциала приемной аппаратуры Qi=30 дБГц и Q2 = 35 дБГц. По результатам моделирования движения КА и НКА навигационных систем были рассчитаны зависимости числа радиовидимых НКА и геометрического фактора PDOP при движении КА от перигея до апогея для двух значений порога по чувствительности Q: = 30 дБГц и Q2 = 35 дБГц (рис. 5). Обобщенная оценка погрешности определения местоположения потребителя в первом приближении может быть рассчитаны по формуле δί> = PDOP'URE, где URE - эквивалентная погрешность дальности (скорости) потребителя, определяемая по формуле: URE2 = SISRE2 + UREa2 где, SISRE - эквивалентная погрешность дальности (скорости) за счет космического сегмента. В соответствии с требованиями на систему ГЛОНАСС для всех КА, используемых по целевому назначению, эквивалентная погрешность псевдодальности в пространстве за счет ошибок космического сегмента с вероятностью 0.95 - (2СКО) для сигналов с открытым доступом не должна превышать (по этапам развития системы): на этапе 1 - 6,2 м; на этапе 2 -3,5 м; на этапе 3 - 1,4 м. UREA - эквивалентная аппаратурная погрешность дальности. Значение UREA зависит от реализации аппаратуры и отношения сигнал/шум в момент измерений. На этапе моделирования значение погрешности измерения псевдодальности было принято равным 2 м (2*СКО). В этом случае значение URE для измерений по сигналам с открытым доступом на этапах 1, 2 и 3 будет иметь значение: 6,5 м, 4 м и 2,4 м, соответственно. Модельные диаграммы направленности антенн излучателей навигационных сигналов в диапазоне LI для НКА ГЛОНАСС, GPS Рис. 4. Диаграммы направленности антенн 900 Cl 800 О s 700 0 600 1 500 ■& g 400 I 300 ^ 200 100 0 шЁШ&Ё iflHHOU -H 'Ъ lkj ВДПННМ'ШНИ шшштгъь шштмшзн тттч '^тлиишиш «βΝ® Ї^-ЯШШЛ . лїійїи / т/и ш — Nvid_GLN_GPS_Q30 -*-Nvid_GLN_GPS_Q35-Радиус вектор | Время I PD0P_Q30 X PDOP_Q35-Радиус в( б а 30 10 Время б а Рис. 5. Число доступных для измерений НКА ГЛОНАСС и GPS с КА на трассе Земля-Луна-Земля (для пороговых уровней чувствительности приемника Q1 = 30 дБГц, Q2 = 35 дБГц) (а); геометрический фактор PDOP на трассе Земля-Луна-Земля (при пороговых уровнях чувствительности приемника Q = 30 дБГц, Q = 35 дБГц) (б) 85 Вестник СибГАУ На основе проведенных оценок значения URE и результатов моделирования PDOP (рис. 6), можно сделать вывод, что устойчивая навигация с погрешностью в диапазоне 0,65.2,5 км (2*СКО) для этапа 1 и 0,25 .1 км (2*СКО) для этапа 3 развития ГЛОНАСС, будет возможна для высот орбит от 50 до 150 тыс. км. Для более высоких орбит погрешность возрастает за счет ухудшения геометрического фактора, несмотря на большое количество доступных для измерений НКА. Для пользователя использующего приемник с порогом по чувствительности на уровне Q = 35 дБГ ц значительное ухудшение условий радионавигации происходит, начиная с высот 70-80 тыс. км. Существенно улучшить условия навигации по ГЛОНАСС для высокоорбитальных потребителей возможно, если установить на КА «Глонасс-К» дополнительную передающую антенну, которая будет обеспечивать излучения навигационного сигнала в противоположном от Земли направлении. Ввиду того, что радиолинии спутник-спутник не пересекают слой ионосферы, то достаточно использовать навигационный сигнал в одном частотном диапазоне, например новый сигнал с кодовым разделением в диапазоне L1 - L1OC. По результатам проведенных расчетов энергетики радиолинии определены основные требования к дополнительному источнику навигационного сигнала. Требуется излучать навигационный сигнал - L1OC (сигнал должен полностью совпадать с штатным сигналом подаваемым на основную антенну и отводится от блока формирования навигационного сигнала до основных усилителей мощности), через антенну с полусферической диаграммой направленности с КУ 2,5-3 дБ, при этом к антенне достаточно подводить мощность на уровне 32-36 Вт. Для реализации описанных предложений в состав аппаратуры бортового источника навигационных сигналов НКА «Глонасс-К» необходимо включить дополнительно: усилитель мощности на 40 Вт; фидерный тракт; антенну с полусферической диаграммой и КУ = 3 дБ). Упрощенная структурная схема необходимой доработки бортового источника навигационных сигналов показана на рис. 6. Для реализации такой доработки потребуется незначительные дополнительные ресурсы КА по энергопотреблению порядка 100-150 Вт и массе 10-15 кг. Для определения степени влияния от установки дополнительного источника излучения на доступность и потенциальную точность навигационного обеспечения для высоко орбитальных пользователей было проведены моделирование и расчет распределения числа доступных для измерений НКА и распределение величины геометрического фактора для двух типов пользователей: для пользователя на трассе Земля-Луна (рис. 7) и для пользователя на ГСО (рис. 8, 9). Расчеты проведены для случая мощности подводимой к дополнительной излучающей антенне на уровне 32 Вт и двух значений уровня чувствительности навигационной аппаратуры Q = 30 и 35 дБГц. На графике для Qn^ = 35 дБГц на рис. 8 видно, что вероятность того, что число одновременно видимых НКА меньше 3-х равно 0,444 , следовательно вероятность когда доступны 3 и более НКА буден равна Р(М,зм > 3) = 1 - 0,444 = 0,556; для значения Qn^ = 30 дБГц эта вероятность составит PN™ > 3) = = 1 - 0,003 = 0,997. Проведенные проработки, показали, что доосна-щения НКА ГЛОНАСС дополнительным излучателем навигационного сигнала направленным в противоположную от Земли сторону, позволит существенно расширить рабочую зону ГЛОНАСС для космических пользователей, обеспечить возможность навигационного обеспечения вплоть до орбиты Луны. На основе проведенных оценок можно сделать вывод, что устойчивая навигация на трассе Земля-Луна-Земля возможна с погрешностью в диапазоне от 0,240 до 2,5 км (2*СКО). При этом произойдет значительное улучшение условий навигации по ГЛОНАСС на ГСО и ВЭО. В случае реализации изложенного предложения на ГСО станут доступны мгновенные навигационные определения с погрешностью на уровне 140 м (2* СКО) при использовании навигационной аппаратуры с порогом чувствительности на уровне Q = 35 дБГц и на уровне 30 м (2*СКО) при использовании навигационной аппаратуры с порогом чувствительности на уровне Q = 30дБГц. Система ГЛОНАСС в настоящее время находится на этапе модернизации, разрабатывается новый навигационный космический аппарат «Глонасс-К II» и новый бортовой источник навигационных сигналов для него. В этой связи изложенные предложения могут быть реализованы в рамках уже проводимых и запланированных работ. Реализация изложенного способа повышения доступности придаст системе ГЛОНАСС новое качество и обеспечит ее опережающее развитие и конкурентоспособность. Если начать реализацию этих предложений начиная с 2013 г., то к 2025 г. система ГЛОНАСС будет готова обеспечивать точную навигацию высокоорбитальных пользователей и навигацию космических аппаратов на трассе перелета к Луне и на окололунной орбите. Библиографические ссылки 1. Бартенев В. А., Гречкосеев А. К., Марарескул Д. И. Применение ГЛОНАСС и GPS для навигации космических аппаратов на геостационарных и высокоэллиптических орбитах. Методы навигации, построение аппаратуры и технология испытаний // Космонавтика и ракетостроение. 2007. Вып. 3 (48). References 1. Bartenev V. A., Grechkoseev A. K., Marareskul D. I. Kocmonavtika I raketostroenie. 2007, no. 3 (48). 86 № 6(52). 2013 Дополнительное АФУ Бортовой источник навигационных сигналов Формирователь навигационных сигналов Рис. 6. Упрощенная схема доработки бортового источника навигационных сигналов Время - Nvid_GLN_Back_Q30 —»— Nvid_GLN_Back_Q35 -Радиус вектор Время - PDOP_GLN_Back_Q30 —о— PDOP_GLN_Back_Q35 -Радиус вектор б Рис. 7. Число доступных для измерений НКА ГЛОНАСС на трассе Земля-Луна-Земля (для пороговых уровней чувствительности приемника Q = 30 дБГц, Q = 35 дБГц) (а); геометрический фактор PDOP на трассе Земля-Луна-Земля (для условий доступности измерений при пороговых уровнях чувствительности приемника Q = 30 дБГц, Q = 35 дБГц) (б) а 87 Вестник СибГАУ Число доступных НКА I —Л— При Qпор=30дБГц —При Qпор=35дБГц~| Рис. 8. Функция распределения вероятности числа одновременно доступных измерений по модернизированным НКА ГЛОНАСС для пользователя на ГСО Время, сек Рис. 9. Изменение геометрического фактора во времени для пользователя на ГСО орбите при работе по НКА GPS и модернезированным НКА ГЛОНАСС при Qm^ = 30 дБГц (а); функция распределения геометрического фактора PDOP для пользователя на геостационарной орбите отдельно по ГЛОНАСС при наличии дополнительной излучающей антенной в направлении от Земли и совместно с GPS (б)

Об авторах

Д. И. Марарескул

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: dimar@iss-reshetnev.ru
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина 52

Список литературы

Дополнительные файлы