СПОСОБ ПРИЕМА И КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ОТ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ВОЗМУЩЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01S19/09 

Область техники

Заявленная группа изобретений относится к космической отрасли, а именно к средствам и способам оперативного мониторинга состояния ионосферы с использованием космических аппаратов (КА), и может использоваться, например, для оперативной диагностики ионосферных возмущений с целью принятия необходимых комплексных мер по повышению безопасности хозяйственной и научной деятельностей, сопряженных с применением наземных, морских, авиационных и космических средств.

Уровень техники

Из уровня техники известен способ мониторинга ионосферы, основанный на измерении наземным стационарным приемником характеристик сигналов, принимаемых от космических аппаратов высокоорбитальной космической навигационной системы (КНС) ГЛОНАСС/GPS [1]. Недостатками такого способа являются:

- ограничение исследуемой области ионосферы зоной радиовидимости космических аппаратов высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS из точки расположения наземного стационарного приемника навигационных сигналов;

- невозможность наблюдения ионосферы в приполярной и полярной зонах с географической широтой более 70° в связи с особенностями баллистического построения высокоорбитальных группировок КНС.

Из уровня техники известен способ оценки состояния ионосферы, основанный на приеме и обработке наземным стационарным приемником сигналов от КА низкоорбитальной КНС [2]. Недостатками такого способа являются:

- ограничение исследуемой области ионосферы частью орбиты, находящейся в пределах зоны радиовидимости КА низкоорбитальной КНС из точки расположения наземного стационарного приемника сигналов;

- невозможность непрерывности наблюдения ионосферы, обусловленная ограниченным числом КА низкоорбитальной КНС на орбите и, как следствие, наличием перерывов измерений (радиовидимости КА низкоорбитальной КНС) в зоне наземного пункта приема сигналов названных КА.

Известно техническое решение задачи мониторинга ионосферы [3], основанное на анализе сигналов, проходящих сквозь ионосферу от КА высокоорбитальной КНС до навигационных приемников, установленных на низкоорбитальных КА (НКА). Однако известное решение не предполагает оперативного взаимодействия с потребителями информации в части приема от них заявок на проведение измерений, а также с ЦУП в части планирования задействования бортовой аппаратуры НКА и сеансов связи для приема от них результатов измерений.

Названные недостатки негативно сказываются на оперативности обеспечении внешних потребителей глобальной информацией о возмущениях ионосферы.

Раскрытие изобретения

В целях повышения оперативности решения названных задач требуется автоматизация процессов приема от внешних потребителей заявок на планирование применения бортовой аппаратуры НКА и обработки поступающих от них данных. В целях расширения зоны диагностики ионосферы необходимо задействование некоторого множества НКА, имеющих на борту навигационные приемники сигналов от КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS.

Вместе с тем большинство существующих НКА различного назначения оснащены бортовыми приемниками навигационных сигналов от КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS для измерения параметров собственных орбит, использование данных от которых, при условии, что радиолиния между названными КА проходит сквозь ионосферу, позволит решить задачу оперативной диагностики возмущений ионосферы в квазиглобальном масштабе и в режиме квазиреального времени. Данные, собранные бортовой аппаратурой НКА (приемники сигналов от навигационных КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS), при их нахождении вне зон радиовидимости наземных пунктов приема за один или несколько орбитальных витков полета, записываются в бортовое ЗУ и передаются на наземный пункт приема по команде центра управления полетом (ЦУП) для последующей обработки. Данные, собранные бортовой аппаратурой НКА, не содержат эфемерид о КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, что может быть восполнено от стороннего источника, например от наземного приемника сигналов КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS.

В целях повышения эффективности (по показателям «оперативность» и «глобальность») обеспечения потребителей результатами спутниковой диагностики ионосферы необходимо взаимосогласованное решение организационно-технических задач по трем направлениям:

- оперативное планирование задействования бортовой аппаратуры КА и наземных средств управления и приема данных;

- прием и обработка данных от КА;

- обеспечение информационного взаимодействия с ЦУП и внешними потребителями информационной продукции.

Реализация такой технологии требует:

- приема и обработки заявок от внешних потребителей информации;

- планирования задействования бортовой аппаратуры НКА различного назначения (приемников навигационных сигналов от КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS);

- планирования проведения сеансов связи с НКА по приему данных в ЦУП;

- прием от внешнего источника данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, например наземного стационарного двухчастотного приемника навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS;

- проведения предварительной обработки данных, поступивших от бортовой аппаратуры НКА;

- проведения необходимых расчетов в целях диагностики ионосферных возмущений и передачи результатов обработки внешним потребителям информации.

Из уровня техники не известны технологии комплексного решения задач приема от внешних потребителей заявок на проведение измерений, планирования и передачи в ЦУП программы задействования бортовой аппаратуры НКА различного назначения для приема ими сигналов от высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, приема данных результатов спутниковых измерений, осуществления приема от внешнего источника данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС, например наземного стационарного двухчастотного приемника навигационных сигналов, проведения необходимых расчетов с последующей передачей потребителям информационной продукции.

Заявленная группа изобретений комплексно решает вышеперечисленные задачи.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является увеличение размеров зоны наблюдения до квазиглобального, а также повышение оперативности и непрерывности диагностики возмущения ионосферы путем обеспечения возможности комплексной автоматизации процессов приема и обработки сигналов от бортовой аппаратуры НКА, принимающих сигналы от КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS при условии, что радиолиния между названными КА проходит сквозь ионосферу.

Заявленная группа изобретений представляет собой комплекс средств, направленных на прием и обработку данных с номинальным качеством и оптимальными затратами.

Технический результат достигается тем, что: аппаратно-программный комплекс для приема и комплексной обработки данных от спутниковых навигационных приемников низкоорбитальных космических аппаратов для диагностики возмущения ионосферы, включает:

аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, центром управления полетом и внешними потребителями;

аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных;

аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений;

аппаратно-программный комплекс расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей;

блок памяти-архив;

при этом аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, центром управления полетом и внешними потребителями выполнен с возможностью:

приема от внешних потребителей заявок на проведение измерений, их обработки и сохранения в блоке памяти-архиве;

планирования проведения измерений по заданной внешними потребителями области ионосферы;

передачи в центр управления полетом заявки на задействование бортовой аппаратуры низкоорбитальных космических аппаратов для проведения измерений;

приема от наземного источника данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS и сохранения в блоке памяти-архиве;

приема от центра управления полетом исходного файла данных, принятых от бортовых навигационных приемников сигналов космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, установленных на низкоорбитальных космических аппаратах различного назначения, их обработки и сохранения в блоке памяти-архиве;

передачи внешним потребителям выполненных по их заявкам результатов диагностики возмущений ионосферы;

аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных выполнен с возможностью:

ввода принятого от центра управления полетом исходного файла данных от бортовых навигационных приемников сигналов космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, установленных на низкоорбитальных космических аппаратах различного назначения;

определения из исходного файла характеристик движения низкоорбитальных космических аппаратов: координаты х, у, z, векторы скорости V_x, V_y, V_z и системного t_кнс времени;

преобразования системного t_кнс времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS во всемирное UT;

определения из исходного файла принятых характеристик космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: № космического аппарата, псевдодальность, псевдофаза, соотношение сигнал/шум;

синхронизации времени файлов, принятых от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS и низкоорбитальных космических аппаратов;

фильтрации файлов по признаку корректности измерений;

сохранения результатов в блоке памяти-архиве;

аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений выполнен с возможностью:

ввода исходного файла данных координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета взаимного определения координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета координат точки преломления радиолуча от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: x_b, y_b, z_b;

расчета высоты точки преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: h_b;

расчет угла преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: a_b;

учета допплеровского эффекта;

сохранения результатов в блоке памяти-архиве;

аппаратно-программный комплекс расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS выполнен с возможностью:

ввода исходного файла, принятого от наземного источника данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

инициализации эфемерид космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета момента времени от эпохи системного времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета текущего значения средней аномалии;

расчета долготы восходящего узла орбиты космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

решения уравнения Кеплера;

расчета аргумента широты;

расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат на момент проведения измерений;

аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей выполнен с возможностью:

ввода из блока памяти-архива файла исходных данных по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный космический аппарат - космический аппарат высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный космический аппарат - космический аппарат высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

разработки выходных информационных продуктов для потребителей; сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

Аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, центром управления полетом и внешними потребителя содержит процессор, выполненный с возможностью:

приема от внешних потребителей заявок на проведение измерений и их сохранение в базе данных заявок;

приема от наземного источника данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальных космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

приема от центра управления полетом данных о результатах спутниковых измерений;

ведения базы данных заявок, измерений, баллистической информации о космическом аппарате, о бортовой аппаратуре космического аппарата, об эфемеридах и результатов планирования;

расчета предварительного плана проведения измерений и задействования бортовой аппаратуры низкоорбитального космического аппарата;

расчета баллистического прогноза;

интерактивного планирования измерений;

графического моделирования;

формирования задания на включение бортовой аппаратуры низкоорбитального космического аппарата;

формирования сообщения внешним потребителям об обработке заявки;

отображения результатов работы на дисплее;

передачи заявки в центр управления полетом;

передачи сообщения внешним потребителям.

Аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных содержит процессор, выполненный с возможностью:

ввода поступающего от центра управления полетом исходного файла данных, принятых установленными на низкоорбитальный космический аппарат различного назначения бортовыми навигационными приемниками сигналов от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

выделения из исходного файла характеристик движения космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: координаты z, у, z, векторы скорости V_x, V_y, V_z и системного t_кнс времени;

преобразования системного t_кнс времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS во всемирное UT;

выделения из исходного файла принятых характеристик космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: № космического аппарата, псевдодальность, псевдофаза, соотношение сигнал/шум, флаг корректности измерений;

синхронизации времени файлов, принятых от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS и от низкоорбитальных космических аппаратов;

фильтрации файлов по признаку корректности измерений;

сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

Аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений содержит процессор, выполненный с возможностью:

ввода из блока памяти-архива исходного файла - результата предварительной обработки;

инициализации эфемерид космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета момента времени от эпохи системного времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета текущего значения средней аномалии;

расчета долготы восходящего узла орбиты;

решения уравнения Кеплера;

расчета аргумента широты;

расчета радиус-вектора;

расчета наклона орбиты;

расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат;

сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

Аппаратно-программный комплекс расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS содержит процессор, выполненный с возможностью:

ввода исходного файла данных координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета взаимного определения координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета координат точки преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета высоты точки преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: h_b;

расчета преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: a_b;

учета допплеровского эффекта;

сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

Аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей содержит процессор, выполненный с возможностью:

ввода исходного файла данных координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

расчета флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный космический аппарат - космический аппарат высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

разработки и сохранения в базе данных выходных информационных продуктов для внешних потребителей;

уведомления оператора о выполнении заявки.

Способ приема и комплексной обработки данных от спутниковых навигационных приемников низкоорбитальных космических аппаратов для диагностики возмущения ионосферы заключается в том, что осуществляют:

прием от внешних потребителей заявок на проведение ионосферных измерений;

предварительное планирование задействования: время включения-выключения, запоминание и передача данных бортовой аппаратуры низкоорбитальных космических аппаратов (бортового приемника сигналов от космического аппарата высокоорбитальных космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS) исходя из баллистического построения группировки низкоорбитальных космических аппаратов различного назначения и разработку плана работ для центра управления полетом;

прием от наземного источника, например от навигационного приемника, данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальных космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;

прием от центра управления полетом данных спутниковых измерений бортовой аппаратурой низкоорбитальных космических аппаратов;

комплексную обработку данных измерений, включающую: предварительную обработку данных, расчет геометрических условий, расчет координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, диагностику возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум;

формирование и передачу внешним потребителям сообщений о планировании и выполнении заявок и данных измерений по заранее согласованным расписанию и протоколам информационного обмена.

Заявленный аппаратно-программный комплекс (АПК) приема и комплексной обработки данных от спутниковых навигационных приемников КА для определения возмущения ионосферы реализован на основе аппаратных и программных средств, интегрированных в составе единого аппаратно-программного комплекса, состоящего из автоматизированных рабочих мест, объединенных локальной вычислительной сетью и сопрягаемых техническими средствами обмена данными с наземным источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНСГЛОНАСС/GPS, с ЦУП и внешними потребителями.

Технология реализуется посредством комплексной автоматизации процессов взаимодействия совокупности автоматизированных рабочих мест (АРМ), функционально объединенных в аппаратно-программный комплекс (АПК), выполненный на базе вычислительных средств, аппаратно и программно сопрягаемых посредством локальной вычислительной сети (ЛВС) между собой и с источниками информации - ЦУП, наземным источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, а также с системой обмена данными с внешними потребителями, при этом в качестве программного обеспечения АПК применяются: аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, ЦУП и внешними потребителями; аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных; аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений; аппаратно-программный комплекс расчета координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS; аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей; блок памяти-архив.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленной группы изобретений поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг. 1 - блок-схема заявленного АПК для приема и комплексной обработки данных от спутниковых навигационных приемников КА для диагностики возмущения ионосферы, где:

1 - наземный источник данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS;

2 - центр управления полетом;

3 - внешние потребители;

4 - аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, ЦУП и внешними потребителями;

5 - аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных;

6 - аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий;

7 - аппаратно-программный комплекс расчета координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

8 - аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей;

9 - блок памяти-архив.

На фиг. 2 - алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса планирования и взаимодействия с внешними потребителями, ЦУП и наземным источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, где:

10 - поступление от внешних потребителей заявки на проведение измерений;

11 - поступление данных об эфемеридах КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

12 - поступление данных о результатах спутниковых измерений;

13 - база данных (БД) заявок;

14 - ведение баз данных;

15 - БД измерений;

16 - БД об эфемеридах КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

17 - расчет предварительного плана проведения измерений и задействования бортовой аппаратуры НКА;

18 - баллистический прогноз;

19 - интерактивное планирование измерений;

20 - графическое моделирование;

21 - баллистическая БД о НКА;

22 - формирование задания на включение бортовой аппаратуры НКА;

23 - БД о бортовой аппаратуре НКА;

24 - БД результатов планирования;

25 - формирование сообщений внешним потребителям об обработке заявки;

26 - дисплей;

27 - передача задания в ЦУП;

28 - передача сообщения внешним потребителям.

На фиг. 3 - алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса предварительной обработки данных, где:

29 - ввод принятого от ЦУП исходного файла данных от установленных на НКА различного назначения бортовых навигационных приемников сигналов от КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

30 - выделение из исходного файла характеристик движения КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (координаты x, у, z, векторы скорости V_x, V_y, V_z) и системного t_кнс времени;

31 - преобразование системного t_кнс времени КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS во всемирное UT;

32 - выделение из исходного файла характеристик, принятых КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (№ КА, псевдодальность, псевдофаза, соотношение сигнал/шум, флаг корректности измерений);

33 - синхронизация времени файлов, принятых от КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS и от НКА;

34 - фильтрация файлов по признаку корректности измерений;

35 - сохранение результатов в блоке памяти-архиве;

На фиг. 4 - алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса расчета геометрических условий измерений, где:

36 - ввод исходного файла данных координат НКА и КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

37 - расчет взаимного определения координат НКА и КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

38 - расчет координат точки преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

39 - расчет высоты точки преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (h_b);

40 - расчет преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (a_b);

41 - учет допплеровского эффекта;

42 - сохранение результатов в блоке памяти-архиве;

На фиг. 5 - алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса расчета координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, где:

43 - ввод из архива исходного файла - результата предварительной обработки;

44 - инициализация эфемерид КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

45 - расчет момента времени от эпохи системного времени КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

46 - расчет текущего значения средней аномалии;

47 - расчет долготы восходящего узла орбиты;

48 - решение уравнения Кеплера;

49 - расчет аргумента широты;

50 - расчет радиус-вектора;

51 - расчет наклона орбиты;

52 - расчет координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат на момент проведения измерений;

53 - сохранение результатов в блоке памяти-архиве.

На фиг. 6 - алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей, где:

54 - ввод исходного файла данных координат НКА и КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

55 - расчет флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания НКА - КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS;

56 - разработка и сохранение в БД выходных информационных продуктов для внешних потребителей;

57 - БД информационных продуктов;

58 - уведомление оператора о выполнении заявки.

Осуществление изобретения

Принцип работы заявленной группы изобретений заключается в следующем.

Аппаратно-программный комплекс (АПК) - (см. фиг. 1) состоит из:

аппаратно-программного комплекса планирования и взаимодействия с наземным источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, ЦУП и внешними потребителями, осуществляющего прием от внешних потребителей (3) заявок на проведение измерений и их обработку, планирование выполнения измерений по заданной внешними потребителями области ионосферы, передачу в ЦУП (2) задания на задействование бортовой аппаратуры низкоорбитальных КА для проведения измерений, прием от ЦУП исходного файла данных от бортовых навигационных приемников сигналов КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, установленных на НКА различного назначения, прием данных от наземного источника данных (1) об эфемеридах КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS с последующим сохранением результатов обработки в виде файлов в блоке памяти-архиве (9) и передачи сообщений внешним потребителям;

аппаратно-программного комплекса предварительной обработки данных (5), осуществляющего совместно с данными об эфемеридах КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, принятыми от наземного источника данных (1) аппаратно-программным комплексом планирования (4), предварительную обработку данных спутниковых измерений, принятых от ЦУП аппаратно-программным комплексом планирования (4), с последующим сохранением результатов обработки в виде файлов в блоке памяти-архиве (9);

аппаратно-программного комплекса расчета геометрических условий измерений (6), осуществляющего ввод исходного файла данных координат НКА и КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет взаимного определения координат НКА и КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет координат точки преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (x_b, y_b, z_b), расчет высоты точки преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (h_b), расчет угла преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (a_b), устранение допплеровского эффекта с последующим сохранением результатов обработки в виде файлов в блоке памяти-архиве (9);

аппаратно-программного комплекса расчета координат КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS (7), осуществляющего инициализацию эфемерид КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет момента времени от эпохи системного времени КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет текущего значения средней аномалии; расчет долготы восходящего узла орбиты, решение уравнения Кеплера, расчет аргумента широты, расчет координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат с последующим сохранением результатов обработки в виде файлов в блоке памяти-архиве (9);

аппаратно-программного комплекса диагностики возмущений ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей (8), осуществляющего ввод из блока памяти-архива файла исходных данных по трассе радиопросвечивания НКА - КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания НКА - КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, разработку выходных информационных продуктов для внешних потребителей с последующим сохранением результатов обработки в виде файлов в блоке памяти-архиве (9) и уведомления оператора о выполнении заявки.

Алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса планирования и взаимодействия с внешними потребителями, наземным источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS и ЦУП (см. фиг. 2) заключается в следующем. При поступлении заявки (10) от внешних потребителей (3) в согласованных форматах на планирование и проведение спутниковых измерений заданной области ионосферы после ее обработки и сохранения (14) в базе данных заявок (13) производится расчет предварительного плана проведения измерений и плана задействования бортовой аппаратуры НКА (17). Производится интерактивное планирование измерений (19), для расчета которого используются программа графического моделирования (20) и программа баллистического прогноза (18) на основе данных о характеристиках орбит всех КА, содержащихся в баллистической БД о КА (21) и данных о бортовой аппаратуре НКА, содержащихся в БД о бортовой аппаратуре КА (23). Сформированные результаты расчета интерактивного планирования являются основой для формирования задания (22) на задействование бортовой аппаратуры НКА, сохраняемого в базе данных результатов планирования (24). Задание в форме заявки передается (27) в ЦУП (2). Формируется (25) и передается (28) сообщение внешним потребителям об обработке заявки. При этом результаты графического моделирования проведения измерений (20), результаты сформированных задания на включение бортовой аппаратуры (22) и сообщения внешним потребителям (25) отображаются на дисплее ПЭВМ (26). При поступлении данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS (11) после их обработки (14) они сохраняются в базе данных об эфемеридах (16). При поступлении данных о результатах спутниковых измерений (12) после их распаковки (14) они сохраняются в базе данных измерений (15).

Алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса предварительной обработки спутниковых данных, поступивших от ЦУП, принятых наземным комплексом приема (см. фиг. 3), заключается в том, что последовательно осуществляется: ввод (29) принятого аппаратно-программным комплексом планирования и взаимодействия с внешними потребителями, наземным источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS и ЦУП (4) от ЦУП (2) исходного файла данных от бортовых навигационных приемников сигналов КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, установленных на НКА различного назначения. Из исходного файла выделяются (30) характеристики движения НКА (координаты х, у, z, векторы скорости V_x, V_y, V_z) и системного t_кнс времени. Осуществляется (31) преобразование системного t_кнс времени КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS во всемирное UT. Из исходного файла выделяются (32) характеристики принятых КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS (№ КА, псевдодальность, псевдофаза, соотношение сигнал/шум, флаг корректности измерений). Осуществляется (33) синхронизация времени файлов, принятых от КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS и НКА. Производится (34) фильтрация файлов по признаку корректности измерений и сохранение (35) результатов в блоке памяти-архиве.

Алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса расчета геометрических условий измерений (см. фиг. 4) заключается в том, что последовательно осуществляется ввод (36) исходного файла данных координат НКА и КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет (37) взаимного определения координат НКА и КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет (38) координат точки преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет (39) высоты точки преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (h_b), расчет (40) угла преломления радиолуча КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (a_b), учет (41) допплеровского эффекта, сохранение (42) результатов в блоке памяти-архиве.

Алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса расчета координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS (см. фиг. 5) заключается в том, что последовательно осуществляется ввод (43) из архива исходного файла - результата предварительной обработки, инициализация (44) эфемерид КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет (45) момента времени от эпохи системного времени КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет (46) текущего значения средней аномалии, расчет (47) долготы восходящего узла орбиты, решение (48) уравнения Кеплера, расчет (49) аргумента широты, расчет (50) радиус-вектора, расчет (51) наклона орбиты, расчет (52) координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат и сохранение (53) результатов в блоке памяти-архиве.

Алгоритм функционирования аппаратно-программного комплекса диагностики возмущения ионосферы (см. фиг. 6) заключается в том, что последовательно осуществляется ввод (54) исходного файла данных координат НКА и КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, расчет (55) флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный КА - КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS, разработка и сохранение (56)в БД (57) выходных информационных продуктов для внешних потребителей, уведомление (58) оператора о выполнении заявки. При этом формирование выходной информационной продукции для внешних потребителей заключается в выборе из БД (57) конечных продуктов результатов измерений в соответствие с заявками внешних потребителей по заданным районам, хранящимися в БД (13) заявок, формировании информационных пакетов для внешних потребителей с записью а БД и уведомления оператора о готовности выполнения заявки.

Программное обеспечение (ПО) в составе АПК функционирует в среде ОС Windows.

Повышение оперативности решения задачи обеспечения внешних потребителей данными диагностики ионосферы достигается за счет комплексной автоматизация процессов:

автоматизированного получения от внешних потребителей заявок на проведение измерений, формирования и отправки им сообщения о включении заявки в план работы с уточнением координат зоны измерений по результатам баллистического расчета и анализа возможностей НКА;

автоматизированного расчета границ возможных районов измерений по баллистическим данным взаимного расположения НКА и КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS и характеристикам измерительной аппаратуры;

автоматизированной отправки в ЦУП рассчитанного предварительного задания на включение бортовой аппаратуры НКА;

автоматизированного формирования и отображения на АРМ задач по получению из архива (по готовности) исходных данных, а также их обработке и разработке выходных информационных продуктов для внешних потребителей;

автоматизированных предварительной и тематической обработок данных, принятых от наземного источника данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНСГЛОНАСС/GPS и данных измерений, поступивших от ЦУП;

автоматизированной разработки выходных информационных продуктов для внешних потребителей.

Повышение эффективности обеспечения внешних потребителей результатами спутниковой диагностики ионосферы достигается за счет реализации возможности совмещения в одном АПК взаимосогласованного решения организационно-технических задач по трем направлениям:

оперативное планирование задействования бортовой аппаратуры НКА и наземных средств;

прием и обработка результатов измерений;

обеспечение информационного взаимодействия с ЦУП и внешними потребителями информационной продукции.

Таким образом заявленная группа изобретений решает задачу увеличения размеров зоны наблюдения до квазиглобального, а также повышение оперативности и непрерывности диагностики возмущения ионосферы путем обеспечения возможности комплексной автоматизации процессов приема и обработки сигналов от бортовой аппаратуры низкоорбитальных КА, принимающих сигналы от КА высокоорбитальных КНС ГЛОНАСС/GPS при условии, что радиолиния между названными КА проходит сквозь ионосферу.

Источники информации

1. Афраймович Э.Л. Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.

2. Куницын В.Е., Терещенко Д.Е., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. - ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 336 с.

3. Яковлев О.И., Павельев А.Г., Матюгов С.С. Спутниковый мониторинг Земли: Радиозатменный мониторинг атмосферы и ионосферы. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. - 208 с.

Изобретение относится к космической отрасли, а именно к средствам и способам оперативного мониторинга состояния ионосферы с использованием космических аппаратов (КА), и может использоваться, например, для оперативной диагностики ионосферных возмущений с целью принятия необходимых комплексных мер по повышению безопасности хозяйственной и научной деятельностей, сопряженных с применением наземных, морских, авиационных и космических средств. Достигаемый технический результат изобретения - увеличение размеров зоны наблюдения ионосферы, а также повышение оперативности и непрерывности диагностики ионосферы путем обеспечения возможности комплексной автоматизации процессов приема и обработки сигналов от бортовой приемной аппаратуры низкоорбитальных КА, принимающей сигналы от высокоорбитальных космических навигационных систем (КНС) типа ГЛОНАСС/GPS и других. Аппаратно-программный комплекс, реализующий способ, включает: комплекс планирования и взаимодействия с источником данных об эфемеридах КА высокоорбитальных КНС, центром управления полетом (ЦУП) и потребителями; комплекс предварительной обработки данных; комплекс расчета геометрических условий измерений; комплекс расчета координат КА высокоорбитальной КНС ГЛОНАСС/GPS; комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов; блок памяти (архив). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Аппаратно-программный комплекс для приема и комплексной обработки данных от спутниковых навигационных приемников низкоорбитальных космических аппаратов для диагностики возмущения ионосферы, включает:
аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия наземным источником данных, центром управления полетом и внешними потребителями;
аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных;
аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений;
аппаратно-программный комплекс расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей;
блок памяти-архив;
при этом аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, центром управления полетом и внешними потребителями выполнен с возможностью:
приема от внешних потребителей заявок на проведение измерений, их обработки и сохранения в блоке памяти-архиве;
планирования проведения измерений по заданной внешними потребителями области ионосферы;
передачи в центр управления полетом заявки на задействование бортовой аппаратуры низкоорбитальных космических аппаратов для проведения измерений;
приема от наземного источника данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS и сохранения в блоке памяти-архиве;
приема от центра управления полетом исходного файла данных, принятых от бортовых навигационных приемников сигналов космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, установленных на низкоорбитальных космических аппаратах различного назначения, их обработки и сохранения в блоке памяти-архиве;
передачи внешним потребителям выполненных по их заявкам результатов диагностики возмущений ионосферы;
аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных выполнен с возможностью:
ввода принятого от центра управления полетом исходного файла данных от бортовых навигационных приемников сигналов космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, установленных на низкоорбитальных космических аппаратах различного назначения;
определения из исходного файла характеристик движения низкоорбитальных космических аппаратов: координаты х, у, z, векторы скорости V_x, V_y, V_z и системного t_кнс времени;
преобразования системного t_кнс времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS во всемирное UT;
определения из исходного файла принятых характеристик космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: № космического аппарата, псевдодальность, псевдофаза, соотношение сигнал/шум;
синхронизации времени файлов, принятых от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS и низкоорбитальных космических аппаратов;
фильтрации файлов по признаку корректности измерений;
сохранения результатов в блоке памяти-архиве;
аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений выполнен с возможностью:
ввода исходного файла данных координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета взаимного определения координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета координат точки преломления радиолуча от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: x_b, y_b, z_b;
расчета высоты точки преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: h_b;
расчета угла преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: a_b;
учета допплеровского эффекта;
сохранения результатов в блоке памяти-архиве;
аппаратно-программный комплекс расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS выполнен с возможностью:
ввода исходного файла, принятого от наземного источника данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
инициализации эфемерид космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета момента времени от эпохи системного времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета текущего значения средней аномалии;
расчета долготы восходящего узла орбиты космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
решения уравнения Кеплера;
расчета аргумента широты;
расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат на момент проведения измерений;
аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей выполнен с возможностью:
ввода из блока памяти-архива файла исходных данных по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный космический аппарат - космический аппарат высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный космический аппарат - космический аппарат высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
разработки выходных информационных продуктов для потребителей;
сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

2. Устройство по п. 1, в котором аппаратно-программный комплекс планирования и взаимодействия с наземным источником данных, центром управления полетом и внешними потребителями содержит процессор, выполненный с возможностью:
приема от внешних потребителей заявок на проведение измерений и их сохранение в базе данных заявок;
приема от наземного источника данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальных космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
приема от центра управления полетом данных о результатах спутниковых измерений;
ведения базы данных заявок, измерений, баллистической информации о космическом аппарате, о бортовой аппаратуре космического аппарата, об эфемеридах и результатов планирования;
расчета предварительного плана проведения измерений и задействования бортовой аппаратуры низкоорбитального космического аппарата;
расчета баллистического прогноза;
интерактивного планирования измерений;
графического моделирования;
формирования задания на включение бортовой аппаратуры низкоорбитального космического аппарата;
формирования сообщения внешним потребителям об обработке заявки;
отображения результатов работы на дисплее;
передачи заявки в центр управления полетом;
передачи сообщения внешним потребителям.

3. Устройство по п. 1, в котором аппаратно-программный комплекс предварительной обработки данных содержит процессор, выполненный с возможностью:
ввода поступающего от центра управления полетом исходного файла данных, принятых установленными на низкоорбитальный космический аппарат различного назначения бортовыми навигационными приемниками сигналов от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
выделения из исходного файла характеристик движения космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: координаты х, у, z, векторы скорости V_x, V_y, V_z и системного t_кнс времени;
преобразования системного t_кнс времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS во всемирное UT;
выделения из исходного файла принятых характеристик космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: № космического аппарата, псевдодальность, псевдофаза, соотношение сигнал/шум, флаг корректности измерений;
синхронизации времени файлов, принятых от космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS и от низкоорбитальных космических аппаратов;
фильтрации файлов по признаку корректности измерений;
сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

4. Устройство по п. 1, в котором аппаратно-программный комплекс расчета геометрических условий измерений содержит процессор, выполненный с возможностью:
ввода из блока памяти-архива исходного файла - результата предварительной обработки;
инициализации эфемерид космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета момента времени от эпохи системного времени космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета текущего значения средней аномалии;
расчета долготы восходящего узла орбиты;
решения уравнения Кеплера;
расчета аргумента широты;
расчета радиус-вектора;
расчета наклона орбиты;
расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS в геоцентрической системе координат;
сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

5. Устройство по п. 1, в котором аппаратно-программный комплекс расчета координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS содержит процессор, выполненный с возможностью:
ввода исходного файла данных координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета взаимного определения координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета координат точки преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета высоты точки преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: h_b,
расчета преломления радиолуча космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS: a_b;
учета допплеровского эффекта;
сохранения результатов в блоке памяти-архиве.

6. Устройство по п. 1, в котором аппаратно-программный комплекс диагностики возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум и разработки информационных продуктов для внешних потребителей содержит процессор, выполненный с возможностью:
ввода исходного файла данных координат низкоорбитальных космических аппаратов и космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
расчета флуктуаций отношения сигнал/шум по трассе радиопросвечивания низкоорбитальный космический аппарат - космический аппарат высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
разработки и сохранения в базе данных выходных информационных продуктов для внешних потребителей;
уведомления оператора о выполнении заявки.

7. Способ приема и комплексной обработки данных от спутниковых навигационных приемников низкоорбитальных космических аппаратов для диагностики возмущения ионосферы, заключается в том, что осуществляют:
прием от внешних потребителей заявок на проведение ионосферных измерений;
предварительное планирование задействования: время включения-выключения, запоминание и передача данных бортовой аппаратуры низкоорбитальных космических аппаратов (бортового приемника сигналов от космического аппарата высокоорбитальных космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS) исходя из баллистического построения группировки низкоорбитальных космических аппаратов различного назначения и разработку плана работ для центра управления полетом;
прием от наземного источника, например от навигационного приемника, данных об эфемеридах космического аппарата высокоорбитальных космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
прием от центра управления полетом данных спутниковых измерений бортовой аппаратурой низкоорбитальных космических аппаратов;
комплексную обработку данных измерений, включающую: предварительную обработку данных, расчет геометрических условий, расчет координат космического аппарата высокоорбитальной космической навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, диагностику возмущения ионосферы по соотношению сигнал/шум;
формирование и передачу внешним потребителям сообщений о планировании и выполнении заявок и данных измерений по заранее согласованным расписанию и протоколам информационного обмена.