Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0101

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0101
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Название доклада
Создание перспективных программных прототипов, аппаратно-программного комплекса и компонентов ГНСС-приемников нового поколения на основе собственного арсенид-галлиевого производства для повышения автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы
Докладчик
Шарыгин Герман Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Повышение автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы за счет использования в составе бортовой аппаратуры космического аппарата (КА) многоканальных ГНСС-приемников, ориентированных на характеристики ГЛОНАСС нового поколения в части использования межспутниковых и беззапросных измерений, а также автономного уточнения параметров вращения Земли, применительно к низким орбитам (НО), геостационарной орбите (ГСО), высоким эллиптическим орбитам (ВЭО).
2. Снижение нагрузки на наземную инфраструктуру в процессе развертывания и поддержания компонент Национальной информационной спутниковой системы на НО, ГСО, ВЭО вследствие повышения автономности их функционирования.
3. Повышение эффективности функционирования целевой аппаратуры этих компонент за счет более высокой, по сравнению с достигнутой, точности позиционирования, ориентации и стабилизации КА на НО, ГСО, ВЭО вследствие использования ГНСС-приемников, ориентированных на ГЛОНАСС нового поколения.
4. Создание научно-технического задела в области проектирования, изготовления и испытаний компонентов многоканальных ГНСС-приемников нового поколения на основе собственного арсенид-галлиевого производства.
Актуальность и новизна исследования
Координатно-временное обеспечение является одним из условий успешного функционирования космических аппаратов (КА) различного назначения.
Ограничения, свойственные наземным системам координатно-временного обеспечения искусственных спутников Земли (ИСЗ), стимулируют разработку и использование пассивных систем автономной навигации (САН), работающих без взаимодействия с наземными устройствами. Естественным является использование для этой цели глобальных навигационных систем (ГНСС): ГЛОНАСС, NAVSTAR GPS, а также европейской системы Galileo и китайской Compass.
Параметры радиолиний ГНСС подобраны таким образом, что непрерывное навигационное поле при видимости не менее 4 навигационных КА обеспечивается только до высот порядка 2000 км. Для навигации высокоорбитальных ИСЗ в настоящее время доступны только антиподные навигационные КА (находящиеся с другой стороны Земли от потребителя).
NASA, Центр космических полетов имени Годдарда разработал новый бортовой GPS-приемник «Навигатор», который может работать в полном спектре орбит.
Актуальным является создание отечественной системы автономной навигации для всех типов орбит на основе, главным образом, российской элементной базы и с использованием современных твердотельных технологий, обеспечивающих снижение массогабаритных параметров и повышение надежности и срока активного существования в условиях космического пространства. Созданию научно-технологического задела для решения этой проблемы и посвящена, в основном, настоящая работа.
Описание исследования

Решение задач ПНИ направлено на достижение требуемой точности оценок кинематического вектора состояния КА, состоящего из оценок его текущих координат, составляющих скорости движения и оценок углов ориентации КА в пространстве. Процесс проектирования и разработки космического бортового навигационного комплекса является итеративным и предполагает создание программно-аппаратного комплекса (ПАК) моделирования процессов позиционирования КА (ПАК моделирования). Создание ПАК позволило выполнить исследования перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением КА на НО, ГСО, ВЭО и разработать программный прототип навигационного приемника, в котором реализуется многоканальный прием и обработка радиосигналов навигационных космических аппаратов (НКА), с возможностью комплексирования с системой бортового измерителя сигналов астроориентиров (пульсаров и квазаров) и бортовой инерциальной навигационной системой. На основании анализа проведенных экспериментальных исследований в навигационном приемнике использован принцип разделения приемных каналов в высокочастотном тракте.

Разработанный ПАК моделирования использует созданную модель комплексированного навигационного приемника и позволяет имитировать внешние условия работы САН: характеристики орбитального движения НКА систем ГНСС и КА – носителя САН, управление движением и ориентацией КА, а также вычислять все необходимые параметры, от которых зависит эффективность и точностные характеристики системы. Функции ПАК наряду с моделированием множества навигационных сигналов, принадлежащих ГНСС ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, COMPASS, включают программно-алгоритмическую реализацию следующих основных функциональных задач:

  • поиск, обнаружение и захват (переход в режим сопровождения с точным измерением параметров навигационных сигналов) сигналов «видимых» НКА, при этом используется параллельный поиск по доплеровской частоте и последовательный - по временной задержке;
  • формирование одновременно по каждому из нескольких НКА в автоматическом режиме текущих оценок параметров навигационных сигналов – псевдодальности, псевдоскорости, фазовой псевдодальности;
  • формирование текущих оценок координат КА и составляющих его скорости с использованием обобщенного метода наименьших квадратов;
  • комплексирование с бортовой инерциальной навигационной системой (работающей в режимах изменения траекторий или выведения на орбиту) путем внесения поправок к показаниям инерциальной системы и интерполяция с использованием разности показаний этой системы и вектора состояния, определенного по сигналам навигационных аппаратов ГНСС;
  • в случае невозможности навигации по сигналам ГНСС предусматривается определение вектора состояния по сигналам астроориентиров (пульсаров и квазаров), одновременное комплексное использование этих систем нецелесообразно из-за несопоставимой точности определения координат;  
  • выделение цифровой информации навигационных сообщений, содержащихся в сигналах НКА;
  • формирование оценок расхождения (поправок) бортовой шкалы времени бортового навигационного комплекса КА и системной шкалы времени ГНСС.

При создании задела в области проектирования, изготовления и испытаний компонентов многоканальных ГНСС-приемников нового поколения на основе собственного арсенид-галлиевого производства разработаны и изготовлены экспериментальные образцы компонентов многоканальных ГНСС-приемников – монолитные интегральные схемы (МИС) малошумящего усилителя и двухканального ВЧ коммутатора. Использована собственная GaAs pHEMT-технология, МИС выполнены в корпусированном варианте с учетом космических условий эксплуатации. Кристаллы МИС смонтированы на подложку обратной металлизированной стороной методом приклеивания с помощью электропроводного клея с последующей полимеризацией; присоединение выводов к контактным площадкам кристалла МИС выполнено термозвуковой сваркой золотой проволокой диаметром 25-30 мкм.

Метрологическое обеспечение испытаний МИС, в том числе с использованием приборов собственного производства (измеритель коэффициента шума Х5М-18 промышленного партнера - фирмы «Микран») дало возможность проверить МИС по 6 основным показателям назначения.

Результаты исследования

Разработан, изготовлен и испытан программно-аппаратный комплекс (ПАК) моделирования процессов позиционирования КА, включающий:

  • формирование сигналов ГНСС с учетом моделей инструментальных погрешностей;
  • формирование сигналов от инерциальных датчиков ускорения и угловых скоростей с учетом их реальных характеристик;
  • формирование «сигналов астроориентиров» (пульсаров);
  • расчёт траектории КА по разным типам орбит;
  • расчёт эфемерид выбранных навигационных КА для различных ГНСС;
  • поиск-обнаружение-захват навигационных КА и формирование оценок параметров сигналов выбранного созвездия навигационных КА;
  • управление вращательным движением КА в режиме стабилизации;
  • формирование оценок параметров навигационных сигналов в режиме слежения;
  • формирование оценок навигационного вектора КА, смещения шкалы времени и частоты опорного генератора;
  • статистическую обработку результатов моделирования с отображением результатов.

Разработанные алгоритмы и программы имеют ряд отличий от традиционных решений: формирование  совместных оценок радионавигационных параметров для многоконтурных (бездискриминаторных) следящих устройств с когерентной обработкой и адаптацией к неизвестной начальной фазе, обеспечивающее захват сигнала при отношении C/N0 от (23-25) Дб-Гц с вероятностью не хуже 0,9 при времени когерентного накопления 1 мс, СКО погрешности по псевдозадержке не хуже 20 нс (на 10-й секунде работы), по псевдочастоте – 0.07 Гц (на 30-й секунде); вычисление оценок навигационного вектора КА, а также смещения шкалы времени и частоты опорного генератора на основе применения сигма точечного фильтра Калмана, что обеспечивает меньшие погрешности оценок по сравнению с традиционным алгоритмом.

Аппаратная часть ПАК реализована на специализированном высокопроизводительном персональном компьютере, собранном на базе материнской платы MSI X99S SLI PLUS и процессора Intel Core i7-5960X.

В результате приемочных испытаний ПАК получено, что СКО местоопределения и оценки скорости равны 2,25 м и 0,002 м/с для КА на НО, 112 м и 0,05 м/с для КА на ГСО, 52 м и 0,17 м/с для КА на ВЭО, что с запасом удовлетворяет требованиям технического задания (п. 4.3.1.1).

Разработаны схемотехнические и топологические решения экспериментальных образцов МИС двухпозиционного коммутатора и МШУ L-диапазона частот на основе собственной GaAs pHEMT-технологии с параметрами на уровне современных аналогов для применения в составе многоканальных ГНСС приёмников нового поколения.

Разработаны конструкторско-технологические решения по корпусированию экспериментальных образцов компонентов многоканальных ГНСС-приемников, что позволило получить законченный товарный продукт элементов САН – малошумящего усилителя и коммутатора, полученных на основе собственного арсенид-галлиевого производства. Отработана технология монтажа кристалла, разварки выводов и корпусирования интегральных схем.

Изготовлены и испытаны экспериментальные образцы МИС. Полученные показатели назначения малошумящего усилителя (коэффициент шума 1,8 дБ, коэффициент передачи 18 дБ, диапазон 1100-1700 МГц, выходная мощность 10 дБмВт по сжатию коэффициента передачи на 1 дБ, потребляемый ток 80 мА) находятся на уровне мировых достижений.

Практическая значимость исследования
Большинство КА Национальной информационной спутниковой системы требует точного координатно-временного обеспечения. Определение координат и синхронизация шкал времени с использованием наземной инфраструктуры имеет ряд недостатков, главными из которых являются ограниченный район обеспечения с помощью национальных средств, сложность и дороговизна создания и эксплуатации наземного сегмента системы, низкая помехоустойчивость по отношению к организованным помехам, особенно при работе в запросном режиме.
Практическая значимость ПНИ состоит в том, что созданный научно-технический задел позволяет создать автономную беззапросную (пассивную) систему навигации КА всех типов орбит – от низких до высокоэллиптических, а также производить синтез и анализ различных вариантов системы, включая алгоритмы и программное обеспечение, с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса моделирования. Разработанные методы и алгоритмы позволяют достичь более высокой, по сравнению с достигнутой, точности позиционирования, ориентации и стабилизации КА на НО, ГСО, ВЭО вследствие использования ГНСС-приемников, ориентированных на ГЛОНАСС нового поколения, а также за счет совместного использования сигналов нескольких ГНСС и комплексирования с инерциальной системой.
Раздел ПНИ, посвященный созданию практического задела в области проектирования, изготовления и испытаний компонентов многоканальных ГНСС-приемников нового поколения на основе собственного арсенид-галлиевого производства, включая конструирование, изготовление и испытания монолитных интегральных схем элементов систем автономной навигации, способствует решению проблем импортозамещения и повышения надежности и сроков активного функционирования полезной нагрузки КА.
Результаты ПНИ и разработанный проект технического задания на ОКР по теме «Разработка радиационно-стойких монолитных интегральных схем для применения в составе радиотрактов космических систем» позволяют перейти к практической реализации результатов ПНИ при создании не только перспективных систем автономной навигации, но и других элементов приборной базы полезной нагрузки КА.