СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ДВУХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ И ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ОПОРНОЙ РЕПЕРНОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01S5/00 

Изобретение относится к области космонавтики, а именно к технике выполнения траекторных измерений и определения параметров орбиты космического аппарата (КА), и могут быть использованы на наземных и бортовых комплексах управления полетом КА для точного определения текущих параметров движения КА.

Известен способ определения координат КА [1]. Для реализации данного способа последовательно выполняют следующие действия:

размещают на позициях с известными координатами приемную радиотехническую станцию (ПРТС) и не менее трех приемных опорных реперных станций (ПОРС);

принимают и записывают радиосигналы КА совместно с метками времени с помощью ПРТС и указанных ПОРС в момент времени t₀;

передают из каждой ПОРС в ПРТС записанные радиосигналы КА совместно с метками времени;

с помощью корреляционной обработки измеряют значения взаимных временных задержек между радиосигналами, записанными ПРТС и каждой из ПОРС;

вычисляют координаты КА используя указанные разности дальностей.

К недостатку способа [1] относят относительно-невысокую точность определения координат КА, обусловленную необходимостью синхронной записи радиосигналов КА с помощью НРТС и не менее трех ПОРС.

Известен способ определения координат КА [2]. Для реализации данного способа последовательно выполняют следующие действия:

размещают на позициях с известными координатами приемопередающую радиотехническую станцию (ППРТС) и не мене двух излучающих опорных реперных станций (ИОРС);

в момент времени t₀ синхронно излучают тестовые радиосигналы с помощью ППРТС и указанных ИОРС;

принимают и записывают тестовые радиосигналы после их ретрансляции КА с помощью ППРТС и указанных ИОРС;

с помощью корреляционной обработки измеряют значения взаимных временных задержек между переданными и принятыми радиосигналами для ППРТС и каждой из ИОРС;

рассчитывают дальности от КА до ППРТС и каждой из ИОРС;

передают из каждой ИОРС в ППРТС рассчитанное значение дальности;

вычисляют координаты КА используя рассчитанные дальности.

К недостатку способа [2] относят относительно-невысокую точность определения координат КА, обусловленную необходимостью синхронной излучения и записи тестовых радиосигналов КА с помощью ППРТС и не менее двух ИОРС.

Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по технической сущности является способ определения координат двух КА [3]. Для реализации данного способа последовательно выполняют следующие действия:

размещают ПРТС K на позиции с известными координатами,

выбирают основной космический аппарат (ОКА) и смежный космический аппарат (СКА) с неизвестными координатами;

принимают в момент времени t₀ с помощью НРТС радиосигналы, переданные выбранными земными станциями (ЗС) I_n, размещенными на позициях с известными координатами x_In, y_In, z_In, где n=1…N - номер ЗС, N≥6;

для каждой n-й ЗС I_n измеряют в НРТС значения временных задержек между принятыми радиосигналами после их ретрансляции от ОКА и СКА соответственно,

на основе временных задержек радиосигналов системы вычисляют координаты ОКА и СКА.

Недостатком способа прототипа [3] является относительно невысокая точность определения координат двух КА, обусловленная отсутствием возможности выбора нужного количества ЗС с требуемой топологией (максимальными взаимными удалениями).

Техническим результатом при использовании заявленного способа является повышение точности определения координат ОКА и СКА за счет совместного использования земных станций и ИОРС.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения координат ОКА и СКА (по патенту №2749878) включающим: размещение ПРТС на позиции с известными координатами x_K, y_K, z_K, выбор начальных значений параметров орбит ОКА и СКА, имеющих общий участок диапазона частот линии "вверх" и пересекающиеся зоны покрытия, выбор земных станций, значения номиналов излучаемых частот которых входят в диапазоны частот линии "вверх" ОКА и СКА и каждая из ЗС находится одновременно в зонах покрытия ОКА и СКА, прием в момент времени t₀ с помощью ПРТС радиосигналов, переданных земными станциями и ретранслированных ОКА и СКА, вычисление на основе временных задержек радиосигналов системы координат ОКА х₁, у₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ в момент времени t₀, дополнительно устанавливают на земной поверхности ИОРС на позиции с известными координатами х_н, y_H, z_h, принадлежащими одновременно зонам покрытия ОКА и СКА в момент времени t₀.

Излучают в момент времени t₀ тестовый радиосигнал с помощью ИОРС. Принимают реализации тестового радиосигнала с помощью ПРТС после его ретрансляции ОКА и СКА.

Измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временных задержек и между переданным тестовым радиосигналом и его принятыми реализациями после ретрансляции ОКА и СКА. Рассчитывают длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС используя значение измеренных временных задержек и .

Для каждой ЗС с известными координатами x_In, y_In, z_In, где n=1…N - номер ЗС, N≥4, измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временной задержки Δt_n между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно. Кроме того, для каждой ЗС рассчитывают разницу длин ΔR_n траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС на основе измеренных временных задержек Δt_n.

Используя рассчитанные длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС, рассчитанные разницы длин ΔR_n траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС, известные координаты ПРТС x_K, y_K, z_K, ЗС x_In, y_In, z_In и ИОРС х_н, у_н, z_h, вычисляют координаты ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА х₂, y₂, z₂.

Выбирают земные станции и устанавливают ИОРС так, чтобы взаимные расстояния между n-й и m-й ЗС, где m=1…N, m≠n и расстояния между n-й ЗС и ИОРС были максимальными.

Значение номинала излучаемой частоты ƒ_H тестового радиосигнала входит в диапазоны частот линии "вверх" для ОКА и СКА.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков, за счет использования ПРТС на позиции с известными координатами x_K, y_K, z_K, ИОРС на позиции с известными координатами x_H, у_н, z_H, а также ЗС I_n, размещенных на земной поверхности на позициях с известными координатами x_In, y_In, z_In, где n=1…N - номер ЗС, N≥4 достигается цель изобретения: повышение точности определения координат двух КА - ОКА и СКА.

Заявленные изобретения поясняются чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 - структурная схема системы определения координат двух КА - ОКА и СКА с использованием четырех ЗС и ИОРС;

на фиг. 2 - схема алгоритма расчета координат ОКА и СКА с использованием четырех ЗС и ИОРС;

на фиг. 3 - схема выбора ЗС, выбора значения номинала частоты тестового радиосигнала ИОРС с учетом диапазонов частот линии "вверх" ОКА и СКА, а также номиналов излучаемых частот ЗС;

на фиг. 4 - схема выбора ЗС и выбора района установки ИОРС с учетом зон покрытия ОКА и СКА;

на фиг. 5 - пример схемы топологии размещения четырех ЗС и ИОРС.

Теория полета КА, или, как ее еще называют, астродинамика, небесная механика, космическая баллистика, основана на законах И. Кеплера и законе всемирного тяготения И. Ньютона.

В первом приближении движение КА представляется как невозмущенное - такое движение, которое происходило бы только под влиянием силы притяжения Земли по закону Ньютона, т.е. точно соответствует задаче двух тел (Земля - КА) в небесной механике. Это движение называется движением по Кеплеровой орбите, так как подчиняется трем законам Кеплера [4].

Достоинством Кеплеровой орбиты является простота вычисления координат и вектора скорости КА в прогнозируемый момент времени. Это предопределило широкое использование элементов Кеплеровой орбиты. В настоящем изобретении элементы Кеплеровой орбиты КА выступают в качестве априорных данных об ОКА и СКА. С помощью этих элементов ориентируют приемные антенны НРСТ на ОКА и СКА. Кроме того элементы Кеплеровой орбиты КА служат для устранения двузначности определения координат ОКА и СКА.

Недостатком Кеплеровой орбиты является относительно низкая точность определения координат и вектора скорости КА, которая недостаточна для выполнения ряда прикладных задач, например, для корректировки движения КА.

Более точно движение КА описывается с помощью возмущенной орбиты [4, 5], которая задается:

каноническими параметрами КА, включающими координаты КА х₁, у₁, z₁ и ортогональные составляющие вектора его скорости в начальный момент времени t₀,

факторами, приводящими к отклонениям КА от идеальной (Кеплеровой) орбиты и называемыми возмущающими факторами.

Например, для геостационарного КА достаточно учитывать только три фактора, приводящих к отклонениям КА от идеальной (Кеплеровой) орбиты - влияние Солнца, Луны и нецентральности гравитационного поля Земли.

При прогнозе координат КА размещенных на других (не геостационарных) орбитах дополнительно учитывают ряд факторов, приводящих к отклонениям КА от идеальной (Кеплеровой) орбиты. В качестве таких факторов, например, для КА на низких орбитах выступают: влияние сопротивления атмосферы Земли, светового давления, притяжения планет и др.

Таким образом, определение координат ОКА и СКА в начальный момент времени to с высокой точностью является важной задачей, которая решена в заявленном техническом решении.

На фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - ОКА; 1.1 - расстояние между ОКА и первой ЗС ; 1.2 - расстояние между ОКА и ПРСТ ; 2 - СКА; 2.1 - расстояние между СКА и первой ЗС ; 2.2 - расстояние между СКА и ПРСТ ; 3 - ПРСТ K;4 - ИОРС H; 5 - линия горизонта; 6.1 - первая ЗС I₁ 6.2 - вторая ЗС I₂; 6.3 - третья ЗС I₃; 6.4 - четвертая ЗС I₄.

Система определения координат ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ в момент времени t₀ содержит: ПРТС K с известными координатами x_K, y_K, z_K, ИОРС Н с известными координатами x_H, y_H, z_H, а также N≥4 выбранных ЗС I_n, n=1…N (см. фиг. 1) на позициях с известными координатами x_In, y_ln, z_In, излучающие радиосигналы в направлениях на ОКА и СКА.

Для каждой n-й ЗС возможно ввести обозначения: - расстояния между ОКА S₁ и n-й ЗС I_n; - расстояния между СКА S₂ и n-й ЗС I_n. Для ИОРС возможно ввести обозначения: - расстояния между ОКА S₁ и ИОРС H; - расстояния между СКА S₂ и ИОРС H.

На фиг. 1 помимо ИОРС H представлено четыре ЗС, как минимально необходимое количество ЗС для однозначного одномоментного определения координат ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ по предлагаемому способу.

Основополагающей предпосылкой настоящего изобретения является наличие помимо ОКА S₁, через который организуется канал связи между земными станциями, СКА S₂, который способен ретранслировать те же самые радиоизлучения что и ОКА, но с большим ослаблением и другой частотой переноса. Таким образом, возможно получение за счет корреляционной обработки радиосигналов значения временных задержек Δt_n [6] между радиосигналами принятыми от ОКА S₁ и СКА S₂, принятых радиосигналов после их ретрансляции ОКА S₁ и СКА S₂ соответственно для каждой из выбранных ЗС I_n. Кроме того, в настоящем изобретении используют значения временных задержек и между излученным и принятым тестовым радиосигналом ИОРС после его ретрансляции ОКА и СКА соответственно.

Заявленный способ определения координат ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ включает: измерение в приемной радиотехнической станции (ПРТС) за счет корреляционной обработки радиосигналов значения временных задержек и между переданным тестовым радиосигналом и его принятыми реализациями после ретрансляции ОКА и СКА; измерение в ПРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов для каждой n-й ЗС значений временных задержек Δt_n между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно; расчет координат ОКА x₁, у₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ на основе указанных временных задержек радиосигналов системы.

Для одномоментного и однозначного определения координат ОКА и СКА по заявляемому способу необходимо использование четырех ЗС и ИОРС. Дальнейшее увеличение количества ЗС будет приводить к повышению точности определения координат ОКА и СКА без изменения сущности заявляемого способа.

В качестве примера в приложении А представлен алгоритм определения координат ОКА и СКА с использованием четырех ЗС I_n и ИОРС Н. Выходными результатами представленного алгоритма выступают координаты ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ в момент времени t₀.

На фиг. 3 в качестве примера представлена схема выбора ЗС, а также номинала частоты излучения тестового радиосигнала ИОРС ƒ_н с учетом диапазонов частот линии "вверх" ОКА и СКА , а также диапазонов частот ЗС F₁…F₁₂, расположенных в районах зон покрытия ОКА и СКА . По оси абсцисс на фиг. 5 отложены частоты ƒ, по оси ординат - амплитуды А.

Анализ схемы (фиг. 3) показывает, что в диапазон частот линии "вверх" ОКА входят диапазоны частот ЗС F₁…F₁₁, а в диапазон частот линии "вверх" СКА входят диапазоны частот F₃…F₁₂ ЗС. Таким образом, одновременно в диапазоны частот линии "вверх" ОКА и СКА, входят диапазоны частот ЗС F₃…F₁₁. На схеме (фиг. 5) введены обозначения указанных ЗС - I₁…I₉, а также значений номиналов их излучаемых частот - ƒ₁…ƒ₇.

В качестве номинала частоты излучения тестового радиосигнала ИОРС ƒ_н выбрана средняя частота диапазона F₁₁, поскольку, в диапазоны частот линии "вверх" для ОКА и СКА.

На фиг. 4 в качестве примера представлена схема выбора ЗС с учетом зон покрытия ОКА Ω₁ и СКА Ω₂.

На фиг. 4 цифрами обозначены: 1.3 - зона покрытия ОКА Ω₁; 2.3 - зона покрытия ОКА Ω₂; 4 - ИОРС Н; 6.1 - первая ЗС I₁; 6.2 - вторая ЗС I₂; 6.3 - третья ЗС I₃; 6.4 - четвертая ЗС I₄; 6.5 - пятая ЗС I₅; 6.6 - шестая ЗС I₆; 6.7 - седьмая ЗС I₇, 6.8 - восьмая ЗС I₈; 6.9 - девятая ЗС I₉; 6.10 - десятая ЗС I₁₀; 6.11 - одиннадцатая ЗС I₁₁; 6.12 - двенадцатая ЗС I₁₂.

Анализ схемы (фиг. 4) показывает, что в зоне покрытия ОКА Ω₁ находятся ЗС I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, I₆ и ИОРС H, а в зоне покрытия СКА Ω₂ находятся ЗС I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, I₇ и ИОРС Н. Таким образом, одновременно в зонах покрытия ОКА Ω₁ и СКА Ω₂ находятся ЗС I₁, I₂, I₃, I₄, I₅ и ИОРС Н.

При выборе ЗС учитывают топологию размещения всех ЗС I_n и ИОРС Н от которой зависит точность определения координат ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА x₂, y₂, z₂. Под топологией размещения ЗС I_n и ИОРС понимают их взаимное расположение на поверхности Земли. При этом в качестве важных показателей при выборе ЗС выступают взаимные расстояния между n-й и m-й ЗС, где m=1…N, m≠n и расстояния между n-й ЗС и ИОРС, которые должны быть максимальными.

На фиг. 5 в качестве примера представлена схемы топологии размещения четырех ЗС I₁, I₂, I₃, I₄ и ИОРС Н для определения координат ОКА х₁, у₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂. Указанные ЗС выбирались исходя из сопоставления позиционных районов ЗС и ИОРС отображенных на фиг. 3 и фиг. 4, так, что бы взаимные расстояния и были максимальными.

На фиг. 5 цифрами обозначены: 4 - ИОРС Н; 5 - линия горизонта; 6.1 - первая ЗС I₁, 6.2 - вторая ЗС I₂; 6.3 - третья ЗС I₁, 6.4 - четвертая ЗС I₂; 7.1 - расстояние между ИОРС и первой ЗС ; 7.2 - расстояние между ИОРС и второй ЗС ; 7.3 - расстояние между ИОРС и третьей ЗС ; 7.4 - расстояние между ИОРС и четвертой ЗС ; 7.5 - расстояние между первой и второй ЗС ; 7.6 - расстояние между второй и третьей ЗС ; 7.7 - расстояние между первой и четвертой ЗС .

Имитационное моделирование на основе программ для ЭВМ [7, 8] заявленных способов показало возможность повышения точности определения координат ОКА х₁, у₁, z₁ и СКА х₂, у₂, z₂ по сравнению со способом прототипом на 10…15% (в зависимости от топологии сравниваемых систем).

Источники информации

1. Агиевич С.Н., Беспалов В.Л., Дедовская Э.Г., Матюхин А.С., Подъячев П.А., Севидов В.В. Способ определения параметров орбиты искусственного спутника Земли с использованием приемных опорных реперных станций. Патент №2702098 МПК G01S 5/00 (2006.01). Бюл. №28 от 04.10.19. Заявка №2018127491 от 25.07.18.

2. Агиевич С.Н., Ватутин В.М., Матюхин А.С., Модин М.И., Севидов В.В. Способ определения параметров орбиты искусственного спутника Земли с использованием приемо-передающих опорных реперных станций. Патент №2708883. МПК G01S 5/00 (2006.01). Бюл. №35 от 12.12.19. Заявка №2018134855 от 01.10.18.

3. Севидов В.В. Способ определения ортогональных составляющих векторов скоростей и способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций. Патент на изобретение №2749878, опубл. 18.06.2021. Бюл. №17.

4. Машбиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи, - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Горячая линия - Телеком, 2009. - 236 с.

5. Волков Р.В., Малышев С.Р., Симонов А.Н., Севидов В.В. Определение канонических параметров спутников-ретрансляторов по радиосигналам опорных реперных станций // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2016. Вып. 655. С. 88-92.

6. Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Модель измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора при определении местоположения земной станции // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Том 10. №9. С. 14-18.

7. Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Модель движения искусственного спутника Земли // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. 2016. №2. С. 112.

8. Севидов В.В. Определение координат и параметров движения источника радиоизлучения на основе разностно-временных и разностно-доплеровских измерений // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. 2015. №11. С. 2.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для определения координат космического аппарата (КА) на наземных и бортовых комплексах управления полетом КА. Технический результат состоит в повышении точности определения координат основного космического аппарата (ОКА) и смежного космического аппарата (СКА). Для этого в приемной радиотехнической станции (ПРТС) измеряют значения временных задержек между переданным тестовым радиосигналом и его принятыми реализациями после ретрансляции ОКА и СКА; в ПРТС измеряют временные задержки между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно; рассчитывают координаты ОКА и СКА на основе указанных временных задержек радиосигналов системы. Выбор земных станций (ЗС) и установку излучающей опорной реперной станции (ИОРС) осуществляют так, чтобы взаимные расстояния между ЗС, а также расстояния между ЗС и ИОРС были максимальными. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций (ЗС) и излучающей опорной реперной станции (ИОРС), заключающийся в том, что размещают приемную радиотехническую станцию (ПРТС) на позиции с известными координатами x_K, y_K, z_K, выбирают начальные значения параметров орбит основного космического аппарата (ОКА) и смежного космического аппарата (СКА), имеющих общий участок диапазона частот линии "вверх" и пересекающиеся зоны покрытия, выбирают земные станции, значения номиналов излучаемых частот которых входят в диапазоны частот линии "вверх" ОКА и СКА, и каждая из ЗС находится одновременно в зонах покрытия ОКА и СКА, принимают в момент времени t₀ с помощью ПРТС радиосигналы, переданные земными станциями и ретранслированные ОКА и СКА, на основе временных задержек радиосигналов системы, а также известных координат ПРТС и ЗС вычисляют координаты ОКА x₁, у₁ и z₁ и координаты СКА х₂, у₂, z₂ в момент времени t₀, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают на земной поверхности ИОРС на позиции с известными координатами x_H, y_H, z_H, принадлежащими одновременно зонам покрытия ОКА и СКА в момент времени t₀, излучают в момент времени t₀ тестовый радиосигнал с помощью ИОРС, принимают реализации тестового радиосигнала с помощью ПРТС после его ретрансляции ОКА и СКА, измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временных задержек и между переданным тестовым радиосигналом и его принятыми реализациями после ретрансляции ОКА и СКА, рассчитывают длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС, используя значение измеренных временных задержек и , для каждой ЗС с известными координатами x_In, y_In, z_In, где n=1…N - номер ЗС, N≥4, измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временной задержки Δt_n между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно, для каждой ЗС рассчитывают разницу длин ΔR_n траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС на основе измеренных временных задержек Δt_n, используя рассчитанные длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС, рассчитанные разницы длин ΔR_n траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС, известные координаты ПРТС x_K, y_K, z_K, ЗС x_In, y_In, z_In и ИОРС х_н, у_н, z_H, вычисляют координаты ОКА x₁, y₁, z₁ и СКА х₂, y₂, z₂.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают земные станции и устанавливают ИОРС так, чтобы взаимные расстояния между n-й и m-й ЗС, где m=1…N, m≠n, и расстояния между n-й ЗС и ИОРС были максимальными.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение номинала излучаемой частоты ƒ_H тестового радиосигнала входит в диапазоны частот линии "вверх" для ОКА и СКА.