Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0081

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0081
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
Название доклада
Разработка перспективных методов и средств повышения автономности функционирования низкоорбитальных и геостационарных космических аппаратов, основанных на использовании высокоточных навигационных измерений многоканальными приемниками глобальных навигационных спутниковых систем
Докладчик
Гладышев Андрей Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
- повышение автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы за счет использования в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников, ориентированных на характеристики ГЛОНАСС нового поколения в части использования межспутниковых и беззапросных измерений применительно к низким и геостационарным орбитам;
- снижение нагрузки на наземную инфраструктуру в процессе развертывания и поддержания компонент Национальной информационной спутниковой системы на низких и геостационарных орбитах вследствие повышения автономности их функционирования;
- повышение эффективности функционирования целевой аппаратуры этих компонент за счет более высокой точности позиционирования и измерения пространственной ориентации космических аппаратов вследствие использования ГНСС-приемников, ориентированных на ГЛОНАСС нового поколения.
Задачи исследования:
- разработать методы и средства повышения автономности функционирования низкоорбитальных и геостационарных космических аппаратов, основанные на использовании высокоточных навигационных измерений многоканальными ГНСС-приемниками;
- изготовить Программно-аппаратный комплекс моделирования процессов позиционирования, измерения пространственной ориентации космических аппаратов на низких и геостационарных орбитах, осуществляющихся с использованием в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников и провести с его помощью исследование перспективных методов и средств высокоточной навигации с учетом широкого спектра разнородных по своей физической природе управляемых и неуправляемых факторов.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность темы исследования обусловлена все возрастающими требованиями к точности позиционирования космических аппаратов при одновременном увеличении их количества. Немалую часть общей численности быстро растущего сегмента группировки космических аппаратов занимают различные системы коммуникации, геостационарная орбита которых позволяет обеспечивать непрерывную круглосуточную связь в глобальной зоне обслуживания и предоставляет практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом. На низких орбитах наблюдаются тенденции применения высокоточной целевой аппаратуры, а также формирования многоспутниковых группировок.
Указанные тенденции требуют непрерывного высокоточного навигационного обеспечения, что существенно увеличивает нагрузку на наземную инфраструктуру. А поддержание, развитие и эксплуатация сети наземных станций составляет значительную часть стоимости космических проектов.
Эффективными методами увеличения срока автономного функционирования, снижения нагрузки на наземный комплекс управления и увеличения точности позиционирования космических аппаратов являются методы, основанные на применении в составе бортовой аппаратуры многоканальных ГНСС-приемников.
Научная новизна исследования заключается в доказанной целесообразности использования сигналов межспутниковой радиолинии для навигационных измерений и разработанном методе высокоточных измерений координат и пространственной ориентации по этим сигналам. Для измерения пространственной ориентации разработан пеленгационный метод, обеспечивающий надежное разрешение фазовой неоднозначности и повышение точности за счет большой избыточности измерений.
Описание исследования

В ходе исследования были разработаны методы и средства повышения автономности функционирования низкоорбитальных (НО) и геостационарных (ГСО) космических аппаратов (КА), основанные на использовании высокоточных навигационных измерений многоканальными ГНСС-приемниками.

Основным методом, разработанным при выполнении ПНИ, является метод высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанный на использовании в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников.  С этим методом органично связаны методы расчета эфемеридно-временной информации, ускоренного разрешения фазовой неоднозначности и обработки межспутниковых и беззапросных измерений.

Основой метода высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации является применение сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений (БАМИ). Применение сигналов БАМИ позволяет устранить главную проблему использования ГНСС-приемников на ГСО – прерывистый характер навигационного поля (рисунок 1).

Рисунок 1 – Диаграмма направленности навигационной антенны НКА 

Антенна БАМИ имеет гораздо более широкую диаграмму направленности (ДН), которая обеспечивает более длительный период наблюдаемости сигнала НКА на ГСО (рисунок 2).

Рисунок 2 – Диаграмма направленности антенны БАМИ

Принцип решения навигационной задачи при применении сигнала БАМИ практически не отличается от обычного навигационного сигнала, за исключением того, что сигналы БАМИ имеют временное разделение. Его негативное влияние можно компенсировать за счет совместной обработки навигационных сигналов и сигналов БАМИ. Совместная обработка навигационных сигналов и сигналов БАМИ позволяет получить приемлемые точности навигационных определений. При совместных измерениях шумовая погрешность измерения псевдодальности на одиночную антенну составляет 0,23...0,68 м.

Для измерения пространственной ориентации КА был разработан пеленгационный метод, который дает наилучшие результаты при использовании антенных решеток за счет возможности использования более длинных баз при меньшем числе переборов при разрешении фазовой неоднозначности. Он позволяет осуществлять определение углов пространственной ориентации при использовании антенной решетки с систематической погрешностью не более 6' и среднеквадратическим отклонением не более 10'.

Методы расчета на борту КА уточненной эфемеридно-временной информации по межспутниковым измерениям при автономном функционировании основаны на применении комбинированного алгоритма, задачей которого является определение поправок к начальным условиям движения КА, задающим опорную орбиту.

В рамках этих методов разработаны две методики:

- методика уточнения эфемерид навигационных КА по межспутниковым измерениям;

- методика расчета параметров привязки бортовых шкал времени КА к единой шкале на интервале автономного функционирования.

Для проведения экспериментальных исследований разработанных методов был изготовлен Программно-аппаратный комплекс (ПАК) моделирования процессов позиционирования, измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, осуществляющихся с использованием в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников.

Основной ПАК моделирования являются:

- компьютерные модели бортовой навигационной системы КА и навигационного поля в заданной точке орбиты КА на НО и ГСО;

- макет многоканального ГНСС-приемника с разработанным специальным программным обеспечением.

Экспериментальные исследования разработанных методов и средств высокоточной навигации проводились с учетом широкого спектра разнородных по своей физической природе управляемых и неуправляемых факторов. Результаты экспериментальных исследований возможных точностных характеристик многоканальных ГНСС-приемников, предназначенных для высокоточной навигации КА на НО и ГСО, показали, что разработанные в ходе выполнения ПНИ методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников обеспечивают заданную точность позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО.

Использование методов и средств высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на ГСО, основанных на использовании ГНСС-приемников, приводит к существенному уменьшению погрешности прогнозирования эфемерид – на интервале 10 суток погрешность прогноза не превысила 10 м (с учетом в модели возмущающих ускорений).

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИ были разработаны методы и средства высокоточной навигации КА:

- методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников;

- методы обработки межспутниковых и беззапросных измерений и расчета эфемеридно-временной информации КА на временном интервале автономного функционирования;

- методы ускоренного разрешения фазовой неоднозначности, возникающей в многоканальных ГНСС-приемниках при реализации интерферометрических способов измерения пространственной ориентации.

Для проведения экспериментальных исследований разработанных методов и алгоритмов высокоточной навигации КА разработан и изготовлен Программно-аппаратный комплекс моделирования процессов позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, осуществляющихся с использованием в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников.

Моделирование навигационных определений при помощи многоканальных ГНСС-приемников, реализующих разработанные в ходе выполнения ПНИ методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО, показало их высокую точность – СКО измерений координат не превысило 3 м по всем трем координатам (рисунок 3), СКО измерения скорости – 0,02 м/с, СКО измерения углов пространственной ориентации – 12 угл. мин (рисунок 4).

Рисунок 3 – Моделирование результатов измерения координат КА на ГСО по сигналам БАМИ (σX = 2,947 м, σY = 2,846 м, σZ = 3,576 м)

Рисунок 4 – Моделирование результатов измерения курса КА на ГСО по сигналам БАМИ (σα = 10,2 угл. мин.)

Использование методов и средств высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО, основанных на использовании высокоточных навигационных измерений многоканальными ГНСС-приемниками, приводит к существенному уменьшению погрешности прогнозирования эфемерид – на интервале 10 суток погрешность прогноза составила менее 5 м. Более высокая точность прогноза эфемерид, по сравнению с КА на ГСО, объясняется большим количеством одновременно участвующих в расчете НКА и лучшим геометрическим фактором при решении навигационной задачи.

Разработанный метод разрешения фазовой неоднозначности в ГНСС-приемниках, оснащенных многоэлементными антенными решетками, основан на пеленгационном методе. Разработка и исследование этого метода проводилась на примере 8-элементной ФАР (рисунок 5), где при расчете используется семь баз B1-B7.

Рисунок 5 – Схема 8-элементной антенной решетки и конфигурация баз между антеннами

Исследование показало, что метод позволяет использовать переборные методы даже при достаточно длинных базах (более 0,7 м) по причине небольшого числа вариантов перебора.

Достигнутый уровень научно-технических разработок в ходе выполнения ПНИ сопоставим с мировым уровнем разработок в области применения ГНСС-приемников для навигационного обеспечения КА на ГСО и НО и позволит достичь высокой степени автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы. Применение разработанных методов позволит обеспечить достижение показателей точности определения местоположения КА при помощи ГНСС-приемников в единицы метров, пространственной ориентации - десятые доли градуса, что сопоставимо с лучшими образцами бортовой навигационной аппаратуры зарубежных производителей.

Практическая значимость исследования
Результаты работы могут быть использованы для создания низкоорбитальных и геостационарных КА связи, дистанционного зондирования Земли, метеорологии, обладающих повышенными потребительскими свойствами и сроком автономного функционирования, а также лабораторных и рабочих мест по изготовлению и наземной экспериментальной отработки бортовой аппаратуры.
Особое влияние полученные результаты окажут на повышение уровня конкурентоспособности платформ спутников связи на ГСО, который в основном определяется рядом технических и эксплуатационных характеристик, часть из которых не зависит от класса платформы. К таким характеристикам относятся точность удержания в заданной орбитальной позиции; точность наведения диаграмм направленности антенн на заданные зоны обслуживания; наличие режима автономной от средств наземного комплекса управления работы. Весьма важным направлением является повышение точности ориентации перспективных КА наблюдения и связи, на которых предусматривается применение многолучевых антенн, формирующих узкие лучи с (1–2° и менее) диаграммами направленности.
Особое значение имеет развитие КА на НО, предназначенных для дистанционного зондирования Земли. Услуги на основе их применения являются необходимым условием развития экономики, повышения безопасности жизни, а сама система становится ключевым элементом во многих областях инфраструктуры Российской Федерации.
Разработанные в ходе выполнения ПНИ методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры КА многоканальных ГНСС-приемников обеспечат определение координат с погрешностью менее 15 м; определение скорости с погрешностью менее 0,1 м/с; определение углов пространственной ориентации с погрешностью менее 20'.
Методы расчета эфемеридно-временной информации обеспечивают заданную точность позиционирования и измерения ориентации КА на временном интервале автономного функционирования более 10 сут.
Результаты, полученные ходе выполнения ПНИ, защищены двумя патентами на изобретения и тремя свидетельствами о регистрации программ ЭВМ. Основы разработанных методов и результаты их исследования опубликованы в изданиях Скопус.