СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СЕТЕВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2007 года по МПК B64G1/10 G01C21/02 

Изобретение относится к спутниковым навигационным системам и может быть использовано для создания глобального радионавигационного поля для навигации морских, наземных, воздушных, а также низкоорбитальных и высокоорбитальных космических потребителей.

Известны спутниковые навигационные системы (RU 2001109386, B64G 1/00, 2003, RU 2181927, H04B 7/185, 2002, US 51129095 Н04В 1/185, 1992, RU 2118055, Н04В 7/185, 1998).

Известны спутниковые навигационные системы Глонасс и GPS, разработанные в середине восьмидесятых годов двадцатого столетия, и Глонасс - К и Галилео, разрабатываемые в настоящее время. Орбитальная группировка каждой из этих систем состоит из 24-х космических аппаратов (КА), выведенных на орбиты высотой около 20000 км над уровнем поверхности Земли (Ю.А.Степанов. Спутниковая навигация и ее приложение. Москва: Эко-трендз, 2003 с 35-54).

Такая высота орбиты выбиралась в основном из условия удобства сверки частоты бортовых цезиевых стандартов с частотой наземного водородного стандарта частоты, так как КА этих систем проходят над наземным пунктом управления в одно и то же время каждый день, и из условия уменьшения влияния неоднородностей гравитационного поля Земли. Однако построение группировки навигационных КА производилось в условиях отсутствия в системах межспутниковых, охватывающих всю группировку КА ретрансляторных и измерительных радиолиний, и не является оптимальной с точки зрения стоимости формирования группировки КА и поддержания ее количественного состава, поэтому предлагается способ оптимального с точки зрения стоимости построения системы.

Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в создании низкоорбитальной группировки навигационных КА, которая в сочетании с помехоустойчивой сетью ретрансляционных и измерительных радиолиний, связывающей все КА группировки, с навигационной радиолинией, освещающей верхнюю полусферу, позволяет с гораздо меньшими затратами, чем у существующих и разрабатываемых навигационных систем обеспечить более достоверные и высокоточные навигационные определения сухопутных, морских, воздушных и космических низкоорбитальных и высокоорбитальных потребителей.

Для достижения указанного результата предлагается:

Низкоорбитальная сетевая навигационная система, содержащая N космических аппаратов (КА), число которых определяется из выражения

N=mn

m - число КА в одной орбитальной плоскости,

n - число орбитальных плоскостей в системе.

где

[] - целая часть числа,

i - наклонение орбиты КА,

α - угловой радиус видимости КА с поверхности Земли,

R₃ - радиус Земли,

Н - высота орбиты КА,

β - наименьший допустимый угол места видимости КА наземным потребителем, при этом каждый космический аппарат помимо навигационной аппаратуры содержит узел связи, обеспечивающий связь в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн данного космического аппарата с двумя космическими аппаратами в своей орбитальной плоскости и двумя космическими аппаратами из соседних орбитальных плоскостей, при этом по крайней мере один космический аппарат содержит высокоточный синхрогенератор.

Конкретно предлагается следующее:

- создать низкоорбитальную группировку КА при высоте орбит КА от 6000 км до 9000 км.

- обеспечить стабилизацию частоты и времени на КА с помощью защищенных от помех Земли радиолиний.

- возложить на эти линии функции измерения взаимного местоположения КА.

- обеспечить каждый КА антенной для создания радионавигационного поля в верхней по отношению к КА полусфере.

Если стабилизацию бортовой частоты КА осуществлять не от атомных стандартов частоты, а с помощью ретрансляционных и измерительных радиолиний, связывающих все КА, то становится возможной оптимизация высоты орбиты КА по стоимости формирования группировки КА. При этом число КА для каждой высоты орбиты подсчитывается по формуле:

где р - чило КА в одной плоскости орбиты;

m - число орбит

где:

[] - целая часть числа, 1 - наклонение орбиты КА,

α - угловой радиус видимости КА с поверхности Земли,

R₃ - радиус Земли,

Н - высота орбиты КА,

β - наименьший допустимый угол места видимости КА наземным потребителем.

Затраты L на вывод группировки КА на орбиты могут быть оценены при помощи выражения:

где М - масса КА,

- отношение стартовой массы ракеты к массе полезной нагрузки. может быть получен расчетным путем или из многочисленных данных, полученных при выводах полезных нагрузок на орбиты разных высот.

Взяв отношение L, соответствующее высоте 20000 км, к L, соответствующему нужной высоте орбиты, мы получим коэффициент В, характеризующий выигрыш при формировании группировки навигационных КА на требуемой высоте орбит КА по сравнению с затратами на формирование группировки КА, имеющих высоты орбит 20000 км. Значения В, рассчитанные для высот орбит от 20000 до 5000 км, и β_мин=5° приведены на графике (чертеж)

Ряд 1 - β_мин=0°, ряд 2 - β_мин=5°, ряд 3 - β_мин=10°

Ломаный характер графика значений В и максимумы в районах 7000 км и 14000 км определяются сменой числа КА в группировке на этих высотах.

Максимум коэффициента В в диапазоне высот орбит от 5000 до 20000 км приходится на Н=7000 км, и на этой высоте затраты на формирование группировки навигационных КА будут минимальны.

Однако точность прогнозирования орбиты КА на такой малой высоте будет ниже, поэтому ниже будет и точность навигационного определения потребителей системы. Но снабдив КА низкоорбитальной группировки сетью межспутниковых измерителей положений КА, мы не только получим уменьшение затрат на формирование группировки, но и высокую точность знания положения КА, а следовательно, и более высокую точность навигационного определения потребителей. Особенно выигрышным такое решение проблемы будет в случае построения измерительной сети в защищенной от помех с поверхности Земли части миллиметрового диапазона радиоволн.

Одновременно на миллиметровую радиосеть можно возложить и ретрансляцию синхронизации частот навигационных сигналов между КА группировки. Проработки показали, что замена цезиевых стандартов частоты ретрансляторами уменьшит массу каждого КА, что даст дополнительный выигрыш в стоимости его вывода на орбиту.

Таким образом, создав группировку навигационных КА на высоте 7000 км в сочетании с обеспечением этих КА межспутниковыми миллиметрового диапазона радиолиниями ретрансляции синхронизирующих сигналов и измеряющих расстояние между КА группировки, исключив из состава аппаратуры КА цезиевые стандарты частоты, добавив в аппаратуру КА дополнительные навигационные передатчики с антеннами, смотрящими вверх, мы получаем новое качество - повышение точности навигационного определения потребителей системы, дополнительное сплошное радионавигационное поле для навигации высокоорбитальных космических аппаратов при более чем в 2 раза меньших затратах на формирование группировки. Межспутниковые радиолинии должны работать в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн. Это сделает их устойчивыми к помехам с поверхности Земли.

Изобретение относится к информационным спутниковым системам и может быть использовано для создания глобального радионавигационного поля для морских, наземных, воздушных, а также космических потребителей. Предлагаемая система содержит множество низкоорбитальных космических аппаратов (КА), число которых выбирается из условий глобального покрытия соответствующих областей доступа потребителей. При этом каждый КА помимо навигационной аппаратуры содержит узел связи, обеспечивающий связь данного КА с двумя другими КА в своей орбитальной плоскости и двумя КА из соседних орбитальных плоскостей. Связь осуществляется в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн. По крайней мере один КА содержит высокоточный синхрогенератор. Тем самым создается группировка КА, имеющая помехоустойчивую сеть ретрансляционных и измерительных радиолиний, связывающую все КА группировки, а также навигационную радиолинию, освещающую верхнюю полусферу. Технический результат изобретения состоит в повышении достоверности и точности, а также помехозащищенности навигационных данных, предоставляемых потребителям, пользующимся спутниковой системой. 1 ил.

Низкоорбитальная сетевая навигационная система, содержащая космические аппараты (КА), число N которых определяется из выражений

N=mn, ,

где m - число КА в одной орбитальной плоскости;

n - число орбитальных плоскостей в системе;

[] - целая часть числа;

i - наклонение орбиты КА,

α - угловой радиус видимости КА с поверхности Земли;

R₃ - радиус Земли;

Н - высота орбиты КА;

β - наименьший допустимый угол места видимости КА наземным потребителем,

при этом каждый КА помимо навигационной аппаратуры содержит узел связи, обеспечивающий связь данного КА в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн с двумя КА в своей орбитальной плоскости и двумя КА из соседних орбитальных плоскостей, при этом по крайней мере один КА содержит высокоточный синхрогенератор.