СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО ПОЛЯ Российский патент 2013 года по МПК G04B49/00 G04R20/00 B64G1/24 

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано при создании глобальной системы единого времени, а также при создании единого пространственно - временного поля, которое может быть использовано при навигации космических аппаратов (КА) в космическом пространстве, включая определения их эфемерид - альманахов, содержащих информацию о координатах КА в любой момент времени, в системах GPS, ГЛОНАСС и других.

Известен способ построения шкалы пульсарного времени, (RU з. №2004127189, G04B 49/00, опубл. 2006 г.), включающий измерения моментов пульсарных событий в наблюдательной системе координат и преобразование их в барицентрическую систему координат. Моменты текущих пульсарных событий в интервале после измеренного момента экстраполируют по среднему значению наблюдаемого периода вращения пульсара, определяемому по разности между последним и предшествующим ему измеренными моментами пульсарных событий и числу пульсарных событий между ними. По разнице между измеренным и экстраполированным моментами устанавливают интерполяционную поправку экстраполированных моментов пульсарных событий в этом интервале, а экстраполированные моменты пульсарных событий модифицируют инкрементом, величина которого устанавливается таким образом, чтобы единичный интервал времени был кратен интервалу между моментами пульсарных событий, модифицированными инкрементом. При этом модифицированные инкрементом моменты пульсарных событий, ограничивающих единичные интервалы времени, сопоставляют с моментами событий, ограничивающих единичные интервалы внешнего референта времени, например, атомного эталона.

Известен еще один способ формирования времени и частоты путем синхронизации атомных часов по наблюдаемым на радиотелескопе импульсам пульсара (RU п. №2316034, G04B 49/00, опубл. 2008 г.). Согласно данному изобретению всю совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара отсчитывают от начального импульса пульсара в пределах протяженности наблюдений. По этой совокупности корректируют величины периода вращения пульсара и его производных. Далее измерительный эталон замещают атомными часами, дополнительно производят накопление периодических сигналов радиоизлучения пульсара, находят новое значение интервала наблюдаемого импульса пульсара относительно начального по атомным часам. По разности между интервалом, измеренным по атомным часам, и интервалом, вычисленным по скорректированным значениям периода вращения пульсара и его производных, корректируют показание атомных часов.

Однако шкалы пульсарного времени, сформированные приведенными способами носят локальных наземный характер и предназначены только для решения узкого круга задач, а именно для атомных часов системы единого времени радиообсерваторий. Сложность и прерывистость спектра радиосигнала, получаемого наземным радиотелескопом обусловлено разноплановостью помех искусственного и естественного происхождения. По-скольку радиотелескоп «видит» выбранный пульсар лишь несколько минут в сутки, причем не каждые, то это не позволяет создать глобальную систему единого пульсарного времени для орбитальных группировок систем GPS, ГЛОНАСС и других.

Известен способ определения координат КА по пульсарным событиям (RU п. №,2275650 кл. G04B 49/00, опубл. 200). В данном способе начальные условия - нулевое время и нулевые координаты на переходной орбите определяются по сигналам группировок GPS, ГЛОНАСС. Дальнейшее изменение координат КА определяется по пульсарным событиям. При этом время отмеряется бортовыми хранителями времени КА на основе атомных часов работа которых находится в автономном режиме и не производится систематическая сверка с часами стартовой системы координат. Отсутствие единого пространственно-временного поля приводит к накоплению систематических ошибок в ориентации КА в пространстве, что отрицательно сказывается на точности его позиционирования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ эталонного измерения отрезков времени (СССР а.с. №479076, Кл. G04B 49/00, опубл. 1975 г.), включающий синхронизацию пространственно разнесенных генераторов системы единого времени с использованием метеорных радиоотражений при излучении сигналов станциями ведущего и ведомого генераторов.

Недостатком данного способа является использование непредсказуемых и локальных астрономических явлений - метеорных потоков, не позволяющих построить глобального единого пространственно-временного поля. Использование метеорных потоков в качестве эталонного сигнала отрицательно сказывается на периодичности синхронизации разнесенных генераторов системы единого времени, а не постоянство времени прохождения радиоотражений к разнесенным генераторам - на точности синхронизации. Кроме того, на фоне помех искусственного и естественного происхождения трудно провести селекцию полезного сигнала для устойчивой работы генераторов системы единого времени.

Задачей предлагаемого изобретения является создание глобальной системы единого времени, используемой при создании единого пространственно-временного поля.

Технический результат - устранение помех искусственного и естественного происхождения, расширение области применения за счет использования как в наземных, так и на орбитальных навигационных системах, включая системы GPS, ГЛОНАСС и других, повышение точности позиционирования потребителя.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования информационного пространственно-временного поля, включающем синхронизацию пространственно разнесенных генераторов системы единого времени по астрономическим событиям, генераторы системы единого времени, в качестве целевой аппаратуры КА выводят в либрационные точки L4, L5. Синхронизацию их работы осуществляют по астрономическим событиям, в качестве которых используют сигналы пульсарных событий рентгеновского диапазона. Полученные синхронизированные сигналы генераторов системы единого времени преобразовывают в цифровой код, несущий информацию о эталонном времени и частоте, а также пространственных координатах КА, который излучается в штатном радиодиапазоне в околоземное пространство.

Для синхронизации генераторов системы единого времени используют сигналы пульсарных событий, координаты которых находятся на прямой, перпендикулярной к плоскости орбиты луны.

Для определения пространственных координат КА используют сигналы не менее трех пульсарных событий, координаты каждого из которых находятся в одной их трех взаимоперпендикулярных плоскостях.

Генераторы систем единого времени запускают по сигналу единого пульсарного события.

Технический результат - устранение помех искусственного и естественного происхождения достигается путем размещения регистрирующей аппаратуры сигналов пульсарных событий в либрационных точках L4, L5, значительно удаленных от источников помех искусственного и естественного происхождения.

Либрационные точки - это точки, в которых расположение малой массы КА, не меняется относительно двух больших масс, например Земли и Луны, движущихся относительно друг друга. Задача о движении трех тел относительно друг друга, одно из которых имеет очень маленькую массу и не оказывает никакого влияния на два первых тела, получила название ограниченной задачи трех тел, и впервые была решена Лагранжем в 1772 году. Точки L₁, L₂, L₃ называются прямолинейными или коллинеарными точками. Они расположены на одной прямой, на которой находится и центр масс двух больших тел, например Земли и Луны и являются неустойчивыми состояниями равновесия третьего тела. Первый спутник, использующий особенности либрационных точек, был выведен на орбиту в точку либрации L₁ 21.11.1978 года. (американский "ИСЕЕ-С").

Более стабильными являются точки L₄, L₅, образующие с большими телами равносторонние треугольники, так что внутренние углы этих треугольников равны 60°. Эти либрационные точки называются эквидистантными - точками устойчивого равновесия.

Размещение КА в данных точках позволит им находится любое заданное время без затрат рабочего тела на стабилизацию орбит и производить наблюдения в комфортных условиях за астрономическими объектами, включая пульсары.

Астрономические наблюдения и исследования в теории образования и развития звезд позволили за несколько последних десятилетий получить достаточно большой объем информации о количестве, расположении и характеристиках пульсирующих звезд-пульсарах.

Излучения пульсаров регистрируются в радио, оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах частот. Формы импульсов для одного и того же пульсара в различных диапазонах различны, однако период их повторения постоянен. Величина периода повторений индивидуальна для каждого пульсара (пульсар в Крабовидной туманности обладает периодом T_Crab=33 мс, пульсар PSR1509-58 имеет период T_PSR1509=150 мс, а пульсар Vela-T_Vela=89 мс). Стабильность частоты повторения пульсаров весьма велика и оценивается величиной 10-¹⁴ в год.

Известно достаточно большое количество пульсаров. Телескопом ROSAT каталогизировано 105924 пульсаров в рентгеновском диапазоне, телескоп ATNF обнаружил свыше 1400 пульсаров в радио диапазоне. Рабочий каталог пульсаров содержит 737 объектов, из которых 79 могут характеризоваться как достаточно мощные. Наиболее плотно, 27 известных мощных рентгеновских пульсаров, сосредоточены в плоскости галактики, а их угловое положение в настоящее время известно с погрешностью -0,1 угл. сек.

Учитывая высокую стабильность и помехозащищенность пульсарных событий для целевой аппаратуры КА расположенных в районе либрационных точек целесообразно использовать их для синхронизации разнесенных генераторов глобальной системы единого времени.

Измерение основной физической величины времени и ее производной частоты, а также воспроизведение и хранение единиц (секунды и Герца) лежат в основе большинства измерительных процессов. Точность измерений времени и частоты всегда определяли прогресс и приоритет научных исследований, достоверность испытаний новой техники.

Из сравнительного анализа бортовых хранителей времени видно, что по мере повышения точности стандартов частоты с(1-5)×10^-10 до 1×10^-14, значительно повышается вес источников с 1,35 до 33,7 килограмма, а так же возрастают энергозатраты на их работу. В то же время конструкторы космических аппаратов идут на повышение веса и энергопотребления стандартов частоты в погоне за точностью.

Перспективные же источники частоты на парах ртути с точностью 1×10^-18 могут оказаться неподъемными для существующих космических аппаратов.

Развитие радионавигационных средств на протяжении всей истории их существования неизменно стимулировалось расширением области применения и усложнением задач, возлагавшихся на них, и прежде всего ростом требований к их дальности действия и точности. Если в первые десятилетия радионавигационные системы обслуживали морские корабли и самолеты, то затем состав их потребителей значительно расширился. В настоящее время он охватывает все категории подвижных объектов.

Так, для первых радиоизмерительных систем (РИС) - амплитудных радиомаяков и радиопеленгаторов - была достаточна дальность действия в несколько сотен километров, то затем постепенно требования к дальности возросли до 1…2.5 тыс. км (для внутриконтинентальной навигации), до 8…10 тыс. км (для межконтинентальной навигации) и, наконец, превратились в требования глобального навигационного обеспечения. Поначалу устраивала точность в несколько километров, затем оказалось возможным реализовать точности в сотни метров и, наконец, с появлением технических возможностей для создания сетевых радионавигационных систем (СРНС) удалось удовлетворить требованиям на уровне десятка метров.

С целью значительного повышения точности измерений системами ГЛОНАСС, GPS и другими системами навигации, предлагается создать космическую систему единого времени (КСЕВ), использующую сигнал с пульсара, точность пульсаций которого намного превышает все известные эталоны.

Технический результат - расширение области применения предлагаемого способа за счет использования его, как в наземных, так и на орбитальных навигационных системах, включая системы GPS, ГЛОНАСС и других, Группируя и синхронизируя бортовые хранители времени КА этих группировок по сигналам, разнесенных в либрационные точки генераторов системы единого времени навигационная система приобретает новое качество, а именно она становится частью глобальной системы единого времени, используемой при создании единого пространственно -временного поля.

Создание единого информационного пространственно-временного поля, основанного на неразрывном сопряжении космических и наземных мультисервисных телекоммуникационных систем достигается посредством создания глобальной системы единого времени и полнодоступного глобального информационного пространства реального времени на основе широкополосного космического радиодоступа. Такая интегрированная система позволит обеспечить решение задач широкого спектра значимости.

С технической точки зрения для создания единого пространственно - временного поля необходимо образование магистрального широкополосного радиодоступа для подвижных систем связи третьего и последующих поколений в рамках сетевой космической системы на высоте около 20000 км. При этом неотъемлемой частью системы обеспечивающей пространственно-временную привязку и взаимодействия всех ее элементов должна явиться глобальная система единого времени.

Совместные решения информационно-коммуникационных и навигационных задач является, по сути, стратегическим развитием таких глобальных навигационных систем как ГЛОНАСС, GPS и Galileo. В настоящее время имеет место внедрения в космических проектах единого протокола передачи данных. Это позволит разнотипным КА свободно обмениваться между собой информацией. Унификация должна значительно повысить надежность космической связи. При сбое на одном орбитальном ретрансляторе оперативно сможет подключиться другой, без потери информации.

Также ведутся работы над созданием единого интерфейса бортовой аппаратуры различных КА. Новым универсальным форматом станет отлично зарекомендовавший себя в компьютерных сетях протокол TCP/IP, который лежит в основе ИНТЕРНЕТА. В этом случае всем орбитальным группировкам понадобится очень точно синхронизовать все бортовые хранители времени и согласовать работу бортовых процессоров по единой тактовой частоте. Для решения этой задачи требуется глобальная космическая система единого времени.

Технический результат - повышение точности позиционирования потребителя достигается путем автоматической и непрерывной коррекции бортовых хранителей времени по штатным каналам связи.

На фиг.1 представлена принципиальная схема размещения элементов глобальной системы единого времени.

Система образована астрономическими элементами, включающими планету Земля 1, ее естественного спутника Луну 2 и миллисекундные пульсары 3, либрационные точки 4 (L4 и L5). В систему также входят не менее двух идентичных КА 5 и 6, расположенных в соответствующих либрационных точках 4 (L4 и L5).

КА 5 и КА 6 укомплектованы соответственно целевой 7, 8 и бортовой 9, 10 аппаратурами. В качестве целевой аппаратуры 7, 8 используются датчики пульсарных событий 11 и 12, генераторы системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16, приемо-передающая аппаратура 17 и 18 и бортовая - цифровая вычислительная аппаратура 19, 20, а также использующая пульсарные события навигационная аппаратура 21 и 22, синхронизаторы по пульсарным событиям 23, 24.

Система работает следующим образом.

Со стартовой площадки, расположенной на Земле 1 по траекториям Ляпунова, проходящим вблизи естественного спутника Луны 2 в либрационные точки 4 соответственно в L4-КА 6, а в L5-КА 5. Бортовая аппаратура 9, 10 нацеливает датчики пульсарных событий 11, 12 в точки космического пространства, с предварительно выбранными координатами миллисекундных пульсаров 3. Полученные сигналы пульсаров 3 преобразовываем в синхроимпульсы при помощи синхронизаторов 23, 24, которые обеспечивают синхронную работу генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16. Бортовая - цифровая вычислительная аппаратура 19, 20 формирует команды, содержащие информацию об эталонном времени и частоте, полученную от генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16 и информацию о точных координатах КА 5, 6 полученную от навигационной аппаратуры 21 и 22, полученные команды при помощи приемопередающей аппаратуры 17 и 18 транслируются в околоземное космическое пространство.

По непрерывно транслируемым командам, содержащим шкалу пульсарного времени и эталонные сигналы частоты, а также точные координаты источников трансляции одновременно и непрерывно осуществляется синхронизация бортовых хранителей времени всех КА, входящих в глобальную навигационную группировки типа GPS, ГЛОНАСС и других. По этим сигналам также одновременно и непрерывно производится определение эфемерид всех КА, входящих в эти группировки.

Таким образом, КА входящие в глобальные навигационные системы приобретают новое качество. Они становятся элементами глобальной системы единого времени, создающей единое пространственно-временное поле, Благодаря этому полю любое транспортное средство, как на Земле, Луне и в космическом пространстве в реальном масштабе времени может решать прямую и обратную навигационные задачи с высокой точностью.

Пример 1. Со стартовой площадки, расположенной на Земле 1 по траекториям Ляпунова, проходящим вблизи естественного спутника Луны 2 в либрационные точки 4 соответственно выводят в L4-КА 6, а в L5-КА 5. Бортовая аппаратура 9, 10 нацеливает датчики пульсарных событий 11, 12 в точки космического пространства, с предварительно выбранными координатами миллисекундных пульсаров 3. Для синхронизации генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16 используют сигналы пульсарных событий, координаты которых находятся на прямой, перпендикулярной к плоскости орбиты Луны 2.

Полученные сигналы пульсаров 3 преобразовывает в синхроимпульсы при помощи синхронизаторов 23, 24, которые обеспечивают синхронную работу генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16. Бортовая - цифровая вычислительная аппаратура 19, 20 формирует команды, содержащие информацию об эталонном времени и частоте, полученную от генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16 и информацию о точных координатах КА 5, 6 полученную от навигационной аппаратуры 21 и 22, Полученные команды при помощи приемо-передающей аппаратуры 17 и 18 транслируется в околоземное космическое пространство.

Пример 2. Со стартовой площадки, расположенной на Земле 1 по траекториям Ляпунова, проходящим вблизи естественного спутника Луны 2 в либрационные точки 4 соответственно выводят в L4-КА 6, а в L5-КА 5. Бортовая аппаратура 9, 10 нацеливает датчики пульсарных событий 11, 12 в точки космического пространства, с предварительно выбранными координатами миллисекундных пульсаров 3. Для определения пространственных координат КА 5, 6 используют сигналы не менее трех пульсарных событий, координаты каждого из которых находятся в одной их трех взаимоперпендикулярных плоскостей.

Для синхронизации генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16 используют сигналы пульсарных событий, координаты которых находятся на прямой перпендикулярной к плоскости орбиты Луны 2.

Полученные сигналы пульсаров 3 преобразовывают в синхроимпульсы при помощи синхронизаторов 23, 24, которые обеспечивают синхронную работу генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16. Бортовая - цифровая вычислительная аппаратура 19, 20 формирует команды, содержащие информацию об эталонном времени и частоте, полученную от генераторов системы единого времени 13, 14 на базе атомных часов 15, 16 и информацию о точных координатах КА 5, 6 полученную от навигационной аппаратуры 21 и 22, Полученные команды при помощи приемо-передающей аппаратуры 17 и 18 транслируется в околоземное космическое пространство.

Таким образом, предлагаемый способ формирования информационного пространственно-временного поля позволяет обеспечить создание глобальной системы единого времени, используемой при формировании единого пространственно-временного поля. Что в свою очередь благодаря устранения помех искусственного и естественного происхождения, расширяет область применения системы за счет использования ее, как в наземных, так и на орбитальных навигационных комплексах, включая системы GPS, ГЛОНАСС и других, а также повышает точность при позиционировании потребителя.

Изобретение направлено на создание глобальной системы единого времени и единого пространственно-временного поля, которое может быть использовано при навигации космических аппаратов (КА) в космическом пространстве, включая определения их эфемерид-альманахов содержащих информацию о координатах КА в любой момент времени, в системах GPS, ГЛОНАСС и других, что обеспечивается за счет того, что способ формирования информационного пространственно-временного поля включает синхронизацию пространственно разнесенных генераторов системы единого времени по астрономическим событиям, при этом генераторы системы единого времени в качестве целевой аппаратуры КА выводят в либрационные точки L4, L5. Синхронизацию их работы осуществляют по астрономическим событиям, в качестве которых используют сигналы пульсарных событий рентгеновского диапазона. Полученные синхронизированные сигналы генераторов системы единого времени преобразовывают в цифровой код, несущий информацию эталонного времени и частоты, а также пространственных координат КА, который излучается в штатном радиодиапазоне в около земное пространство. Для синхронизации генераторов системы единого времени используют сигналы пульсарных событий, координаты которых находятся на прямой перпендикулярной плоскости орбиты луны. Для определения пространственных координат КА используют сигналы не менее трех пульсарных событий, координаты каждого из которых находятся в одной их трех взаимноперпендикулярных плоскостей. Генераторы систем единого времени запускают по сигналу единого пульсарного события. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования информационного пространственно-временного поля, включающий синхронизацию пространственно разнесенных генераторов системы единого времени по астрономическим событиям, отличающийся тем, что генераторы системы единого времени на базе атомных часов в качестве целевой аппаратуры КА выводят в либрационные точки L4, L5, причем синхронизацию их работы осуществляют по астрономическим событиям, в качестве которых используют сигналы пульсарных событий рентгеновского диапазона, полученные синхронизированные сигналы генераторов системы единого времени преобразовывают в цифровой код, несущий информацию эталонного времени и частоты, а также пространственных координат КА, который излучается в штатном радиодиапазоне в околоземное пространство.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для синхронизации генераторов системы единого времени на базе атомных часов используют сигналы пульсарных событий, координаты которых находятся на прямой, перпендикулярной плоскости орбиты Луны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения пространственных координат КА используют сигналы не менее трех пульсарных событий, координаты каждого из которых находятся в одной их трех взаимоперпендикулярных плоскостях.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что генераторы систем единого времени запускают по сигналу единого пульсарного события.