УГЛОМЕСТНО-ВРЕМЕННОЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ АВАРИЙНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2007 года по МПК B64G1/10 H04B7/185 

Предлагаемый способ относится к космической технике и может быть использован на космических аппаратах, находящихся на орбите искусственного спутника Земли, кроме геостационарной, стабилизируемых вращением вдоль вертикальной оси, и на наземных приемных пунктах.

Известны способы и системы определения координат аварийного объекта (патенты РФ №2155352, 2158003, 2040860, 2059423, 2174092, 2193990, 2201601, 2206902, 2226479, 2240950; патенты США №4161730, 4646090, 4947177; Скубко Р.А. и др. Спутник у штурвала. - Л.: Судостроение, 1989, с.168 и другие).

Из известных способов и систем наиболее близким к предлагаемому является «Угломестно-временной доплеровский способ определения координат аварийного объекта» (патент РФ №2174092, В64G 1/10, 1999), который и выбран в качестве прототипа.

Согласно известному способу производят поиск такого пространственного положения приемной антенны спутника при наличии факта работы передатчика аварийного объекта, когда частота Доплера принимаемого сигнала равна нулю. В этот момент измеряют угол между осью приемной антенны и осью датчика горизонта. Координаты подспутниковой точки трассы космического аппарата в момент измерения вычисляются. Измерения проводят два раза. По координатам двух подспутниковых точек и двум измерениям указанного угла определяют местоположение аварийного объекта.

Известный способ обеспечивает однозначное определение и повышение точности вычисления координат аварийного объекта, находящегося на поверхности Земли, а также расширение площади просматриваемой поверхности и увеличение отношения сигнал /шум в приемной радиолинии.

Однако известный способ не полностью реализует свои потенциальные возможности. Он может использоваться и для уточнения элементов орбиты космического аппарата при его прохождении над наземным приемным пунктом.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем уточнения элементов орбиты космического аппарата при его прохождении над наземным приемным пунктом.

Поставленная задача решается тем, что согласно угломестно-временному доплеровскому способу определения координат аварийного объекта, находящегося на поверхности Земли, с помощью космического аппарата, стабилизируемого вращением вдоль вертикальной оси, заключающемуся в том, что при появлении сигнала передатчика аварийного объекта на просматриваемой с космического аппарата полосе на поверхности Земли измеряют частоту Доплера беззапросным методом, находят пространственное положение космического аппарата в момент, когда частота Доплера принимаемого сигнала равна нулю, измеряют в этот момент времени угол между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью датчика горизонта с привязкой измерения к бортовому времени, вычисляют координаты подспутниковой точки в момент указанного измерения, при этом измерения проводят два раза и по координатам двух подспутниковых точек и двум измерениям угла между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью датчика горизонта определяют местоположение аварийного объекта на поверхности Земли, на борту космического аппарата формируют модулирующий код, содержащий информацию о значении угла между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью датчика горизонта, манипулируют им фазу высокочастотного колебания, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, принимают на наземном приемном пункте при прохождении над ним космического аппарата, преобразуют принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией по частоте с использованием напряжения первой эталонной частоты, выделяют напряжение промежуточной частоты, последовательно умножают и делят его фазу на два, выделяют гармоническое колебание промежуточной частоты, используют его для синхронного детектирования принимаемого сложного сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и используют его для определения местоположения аварийного объекта на поверхности Земли, одновременно гармоническое колебание промежуточной частоты преобразуют по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты, выделяют колебание доплеровской частоты, определяют величину, знак и нулевое значение доплеровской частоты и используют их для уточнения элементов орбиты космического аппарата.

Геометрическая схема расположения космического аппарата 1, импульсного инфракрасного датчика 2 горизонта и приемной антенны 3, размещенной на одной оси противоположно датчику 2 горизонта, показана на фиг.1. Принцип определения доплеровского сдвига частоты передатчика КА иллюстрируется на фиг.2. Зависимость доплеровской частоты от времени изображена на фиг.3. Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ, представлена на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие работу системы, изображены на фиг.5.

Система содержит передатчик 20 аварийного объекта (аварийного радиобуя АРБ), бортовую аппаратуру космического аппарата и наземную аппаратуру приемного пункта.

Бортовая аппаратура КА содержит последовательно включенные приемную антенну 3, приемник 5, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 19, измеритель 6 частоты Доплера, устройство 4 сравнения, заторможенный блокинг-генератор 7, схему совпадения И 8, второй вход которой соединен с вторым выходом приемника 5, схему совпадения И 9, второй вход которой соединен с вторым выходом блокинга-генератора 7, вентиль 10, второй вход которого через счетчик 13 импульсов соединен с выходами датчика 2 горизонта и генератора 12 импульсов, схему коммутации 14, магнитное запоминающее устройство 15, формирователь 21 модулирующего кода, фазовый манипулятор 23, второй вход которого через генератор 22 высокой частоты соединен с вторым выходом схемы 14 коммутации, усилитель 24 мощности и передающую антенну 17. Генератор 22 высокой частоты, фазовый манипулятор 23 и усилитель 24 мощности образуют передатчик 16.

Наземная аппаратура приемного пункта 25 содержит последовательно включенные приемную антенну 26, усилитель 27 высокой частоты, первый смеситель 28, второй вход которого соединен с первым выходом блока 29 эталонных частот, усилитель 30 промежуточной частоты, удвоитель 31 фазы, первый узкополосный фильтр 32, делитель 33 фазы на два, второй узкополосный фильтр 34, фазовый детектор 35, второй вход которого соединен с выходом усилителя 30 промежуточной частоты, вычислительный блок 39 и блок 40 регистрации. К выходу второго узкополосного фильтра 34 последовательно подключены второй смеситель 36, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 29 эталонных частот, третий узкополосный фильтр 37 и измеритель 38 частоты Доплера, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока 39.

Сущность предлагаемого способа состоит в поиске такого пространственного положения приемной антенны 3 КА, стабилизируемого вращением вдоль вертикальной оси, при наличии факта работы передатчика 20 аварийного объекта, когда частота Доплера принимаемого сигнала равна нулю, измерение в этот момент времени угла между механической осью приемной антенны 3 КА и осью горизонта с привязкой измерения к бортовому временному устройству 18. Измерения записываются в магнитное запоминающее устройство 15 и передаются по радиолинии на наземный приемный пункт 25. Координата подспутниковой точки в момент измерений вычисляется. Измерения проводятся не менее двух раз. По координатам двух подспутниковых точек и двум измеренным углам между механической осью приемной антенны 3 КА и осью горизонта определяется местоположение аварийного объекта.

Принцип определения параметров орбиты КА с помощью доплеровской беззапросной системы, при которой на борту КА расположен передатчик, а на Земле - измерительное устройство, иллюстрируется фиг.2 и 3.

Доплеровская частота определяется на основании соотношения

где λ - рабочая длина волны,

r - текущее расстояние от КА до наземного приемного пункта (0).

Вектор движения КА может быть направлен под любым углом к линии радиосвязи. Связь радиальной составляющей V_r с модулем V находится при задании конкретного закона движения КА, определяющего вид функции r=r(t).

Пусть наблюдаемая траектория движения КА S₁-S₂ не проходит через наземный приемный пункт О, относительно которого ведется отчет расстояний. Кратчайшее расстояние между приемником и передатчиком при нахождении последнего в точке S₀ составляет r₀ (фиг.2). Это так называемая точка траверза. Время отсчитывается от момента t=0, соответствующего прохождению КА через точку S₁. Расстояние между S₁ и S₀ обозначим через l₀, момент прохождения точки S₀ - через t₀.

Зависимость доплеровской частоты от времени имеет следующий вид:

где знак «плюс» соответствует условию 0≤t≤t₀ (сближение), а знак «минус» - условию t₀<t≤∞ (удаление).

Указанное выражение показывает, что доплеровская частота зависит как от V и λ, так и от t, r₀ и l₀. Причем зависимость от времени нелинейная (фиг.3).

На линейном участке вблизи точки перегиба

и тогда

Дифференцируя это выражение по времени, можно найти выражение для производной от доплеровской частоты:

Видно, что значение не зависит от начала наблюдений (l₀).

Из последнего выражения следует, что, зная скорость V и длину волны λ, а также измерив производную можно найти кратчайшее расстояние

По величинам V и r₀ рассчитывают элементы орбиты КА.

Особенностью беззапросного метода измерения радиальной скорости является необходимость использования эталонов частоты. При условии, что погрешность измерения радиальной скорости не должна превышать десятой доли метра в секунду, допустимая относительная нестабильность эталонов частоты в течении всего времени функционирования системы не должна превышать 10^-10. Столь высоким требованиям к стабильности частоты удовлетворяют квантовые эталоны частоты.

В приемнике беззапросной системы измерения радиальной скорости осуществляется двухкратное преобразование частоты. Оно необходимо потому, что относительное значение доплеровского сдвига равное отношению скорости не превышает 10^-4. В этих условиях выделение доплеровского сдвига при однократном преобразовании частоты требует использования контуров с очень высокой, практически недостижимой добротностью.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Поступательное движение космического аппарата, ось вращения которого отклонена от местной вертикали, обеспечивает перемещение линии сканирования диаграммы направленности приемной антенны 3 и последовательный просмотр полосы на поверхности Земли вдоль орбиты космического аппарата. Частота вращения КА выбирается из условия просмотра поверхности Земли без пропуска. Для устранения неоднозначности механическая ось приемной антенны 3 КА сдвигается относительно оси вращения на угол β, равной ширине диаграммы направленности приемной антенны.

В исходном состоянии до попадания сигнала с передатчика 20 аварийного объекта в диаграмму направленности приемной антенны 3 на выходе приемника 5 сигнал отсутствует. На выходе схем совпадения И 8, 9 - нуль. Импульсный датчик 2 горизонта в момент пересечения трассы КА вырабатывает импульс, который обнуляет счетчик 13 импульсов. Вентили 10 и 11 закрыты.

При появлении сигнала с передатчика 20 аварийного объекта в просматриваемой полосе на поверхности Земли измеритель 6 начинает измерение частоты Доплера беззапросным методом. При достижении частоты Доплера значения, равного нулю, механическая ось приемной антенны 3 находится в точке траверза. В этот момент измеряется значение угла между осью датчика 2 горизонта и положения механической оси приемной антенны 3 (угла α). Измерения привязываются к бортовому временному устройству 18.

При достижении значения частоты Доплера на выходе измерителя 6, равном нулю, открывается устройство 4 сравнения и запускается заторможенный блокинг-генератор 7, на выходах схемы совпадения И 9 появляется единица. Открываются вентили 10 и 11. Информация о значении угла α (количество импульсов, записанных в счетчик 13 импульсов) и времени измерения записывается через схему коммутации 14 на магнитное запоминающее устройство 15 и поступает на вход формирователя 21 модулирующего кода, где формируется код M(t) (фиг.5,б), который поступает на первый вход фазового манипулятора 23. На второй вход последнего подается высокочастотное колебание с выхода генератора 22 высокой частоты (фиг.5,а)

где U_c, f_c, ϕ_c, - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 23 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.5,в)

где ϕ_k(t)={0,π} - манипулированная составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5,б), причем ϕ_k(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е на границах между элементарными посылками (К=1, 2,...,N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c=Nτ_э),

который после усиления в усилителе 23 мощности с помощью антенны 17 излучается в эфир. При прохождении КА над наземным приемным пунктом 25 указанный сигнал улавливается приемной антенной 26. На выходе приемника 27 в этом случае появляется сигнал

где f₁=f_c±F_д,

F_д - доплеровское смещение частоты, обусловленное движением КА относительно наземного приемного пункта, который поступает на первый вход первого смесителя 28, на второй вход которого подается напряжение первой эталонной частоты с первого выхода блока 29 эталонных частот

.

На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 30 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.5,г)

где

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

- промежуточная частота;

которое поступает на информационный вход фазового детектора 35 и на вход удвоителя 31 фазы. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг.5,д)

где

К₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Следует отметить, что удвоитель 31 фазы представляет собой перемножитель, на два входа которого подается ФМн-сигнал промежуточной частоты u_пр(t).

Так как 2ϕ_k(t)={0,2π}, то в указанном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Ширина спектра Δf₂ второй гармоники определяется длительностью T_c сигнала тогда как ширина спектра Δf_c ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок т.е. ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_с входного сигнала

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз.

Гармоническое колебание u₃(t) выделяется узкополосным фильтром 32 и поступает на вход делителя 33 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое колебание (фиг.5,е)

которое выделяется узкополосным фильтром 34 и подается на опорный вход фазового детектора 35.

Следовательно, опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов и работы фазового детектора, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.

На выходе фазового детектора 35 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5,ж)

где

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5,б), которое поступает на первый вход вычислительного блока 39. В вычислительном блоке 39 по координатам двух подспутниковых точек и двум измеренным углам α₁ и α₂ между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью горизонта определяется местоположение аварийного объекта.

Одновременно гармоническое колебание u₄(t) (фиг.5,е) с выхода узкополосного фильтра поступает на первый вход второго смесителя 36, на второй вход которого подается напряжение второй эталонной частоты

где

F₀ - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения F_д.

На выходе второго смесителя 36 формируется колебание

где

F_p=±F_д+F_о,

которое выделяется узкополосным фильтром 37 и подается на вход измерителя 38 частоты Доплера.

В зависимости от того, F_р>F₀ или F_р<F₀, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости.

Зная скорость V и длину волны λ, а также измерив производную в вычислительном блоке 39 определяются элементы орбиты КА.

Способ позволяет однозначно определить координаты, сократить время поиска аварийного объекта, увеличить площадь просматриваемой поверхности Земли за счет сканирования приемной диаграммы направленности, увеличить соотношение сигнал/шум радиолинии за счет использования приемной антенны с узкой диаграммой направленности.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет уточнить элементы орбиты космического аппарата при его прохождении над наземным пунктом. Тем самым функциональные возможности способа расширены.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при эксплуатации космических аппаратов, находящихся на орбите искусственного спутника Земли, кроме геостационарной, стабилизируемых вращением вдоль вертикальной оси, а также наземных приемных пунктов. Система, реализующая предложенный способ, включает в себя передатчик аварийного объекта, бортовую аппаратуру космического аппарата и наземную аппаратуру приемного пункта. Бортовая аппаратура космического аппарата содержит датчик горизонта, приемную антенну, устройство сравнения, приемник, измеритель частоты Доплера, блокинг-генератор, две схемы И, два вентиля, генератор импульсов, счетчик импульсов, схему коммутации, магнитное запоминающее устройство, передатчик, передающую антенну, формирователь модулирующего кода, генератор высокой частоты и усилитель мощности. Наземная аппаратура приемного пункта содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, два смесителя, блок эталонных частот, удвоитель фазы, три узкополосных фильтра, делитель фазы на два, фазовый детектор, измеритель частоты Доплера, вычислительный блок и блок регистрации. Сущность способа состоит в поиске такого пространственного положения приемной антенны космического аппарата, стабилизируемого вращением вдоль вертикальной оси, при наличии факта работы передатчика аварийного объекта, когда частота Доплера принимаемого сигнала равна нулю. Измерение в этот момент времени угла между механической осью приемной антенны и осью горизонта производится с привязкой измерения к бортовому временному устройству. Способ характеризуется расширенными возможностями и позволяет, в частности, уточнять элементы орбиты космического аппарата при его прохождении над наземным приемным пунктом. Это способствует сокращению времени поиска аварийного объекта. 5 ил.

Угломестно-временной доплеровский способ определения координат аварийного объекта, находящегося на поверхности Земли, с помощью космического аппарата, стабилизируемого вращением вдоль вертикальной оси, заключающийся в том, что при появлении сигнала передатчика аварийного объекта на просматриваемой с космического аппарата полосе на поверхности Земли измеряют частоту Доплера беззапросным методом, находят пространственное положение космического аппарата в момент, когда частота Доплера принимаемого сигнала равна нулю, измеряют в этот момент времени угол между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью датчика горизонта с привязкой измерения к бортовому времени, вычисляют координаты подспутниковой точки в момент указанного измерения, при этом измерения проводят два раза и по координатам двух подспутниковых точек и двум измерениям угла между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью датчика горизонта определяют местоположение аварийного объекта на поверхности Земли, отличающийся тем, что на борту космического аппарата формируют модулирующий код, содержащий информацию о значении угла между механической осью приемной антенны космического аппарата и осью датчика горизонта, манипулируют им фазу высокочастотного колебания, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, принимают на наземном приемном пункте при прохождении над ним космического аппарата, преобразуют принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией по частоте с использованием напряжения первой эталонной частоты, выделяют напряжение промежуточной частоты, последовательно умножают и делят его фазу на два, выделяют гармоническое колебание промежуточной частоты, используют его для синхронного детектирования принимаемого сложного сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и используют его для определения местоположения аварийного объекта на поверхности Земли, одновременно гармоническое колебание промежуточной частоты преобразуют по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты, выделяют колебание доплеровской частоты, определяют величину, знак и нулевое значение доплеровской частоты и используют их для уточнения элементов орбиты космического аппарата.