Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земной станции и излучающей опорной реперной станции Российский патент 2023 года по МПК G01S5/00 B64G3/00 G01C21/24 G01S3/46 G01S13/58 G01S19/03 

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

Известен способ определения ортогональных составляющих вектора скорости КА [1]. Для реализации данного способа последовательно выполняют следующие действия:

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

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

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

с помощью корреляционной обработки измеряют значения частотных сдвигов между радиосигналами, записанными ПРТС и каждой из ПОРС;

рассчитывают разности радиальных скоростей КА относительно ПРТС и каждой из ПОРС;

вычисляют составляющие вектора скорости КА используя указанные разности радиальных скоростей.

К недостатку способа [1] относят относительно-невысокую точность определения ортогональных составляющих вектора скорости КА, обусловленную необходимостью синхронной записи радиосигналов КА с помощью ПРТС и не менее трех ПОРС.

Известен способ определения ортогональных составляющих вектора скорости 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 частотных сдвигов между переданными и принятыми радиосигналами для ППРТС и каждой из ИОРС;

рассчитывают радиальные скорости КА относительно ППРТС и каждой из ИОРС;

передают из каждой ИОРС в ППРТС рассчитанное значение радиальной скорости;

вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости КА используя рассчитанные радиальные скорости.

К недостатку способа [2] относят относительно-невысокую точность определения ортогональных составляющих вектора скорости 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 ортогональных составляющих вектора скорости КА с использованием земных станций (ЗС) и излучающей опорной реперной станции (ИОРС) [3]. Для реализации данного способа последовательно выполняют следующие действия:

измеряют в ПРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значений разности частот Δf_H между излученным и принятым тестовым радиосигналом ИОРС после его ретрансляции основным КА;

измеряют в ПРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значений номиналов частот принятых радиосигналов n-х ЗС после их ретрансляции основным и смежным КА соответственно;

рассчитывают ортогональных составляющих вектора скорости основного КА на основе измеренных частотных сдвигов радиосигналов системы.

Недостатком способа прототипа [3] является относительно-невысокая точность определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА, обусловленная отсутствием возможности выбора нужного количества ЗС с максимальными взаимными удалениями.

Техническим результатом при использовании заявленного способа является повышение точности определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА за счет совместного использования ППРТС, земных станций и ИОРС.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения ортогональных составляющих вектора скорости КА с использованием ЗС и ИОРС по патенту №2788518 [3] включающим: выбор начальных значений параметров орбиты ОКА, координаты которого необходимо определить, выбор смежного космического аппарата (СКА) с известными координатами x₂, у₂, z₂ и ортогональными составляющими вектора скорости имеющего общий участок диапазона частот на линии "вверх" с ОКА и общую зону покрытия с зоной покрытия ОКА, размещение радиотехнической станции (РТС) на позиции с известными координатами x_K, y_K, z_K, выбор ЗС, значения номиналов излучаемых частот которых входят в диапазоны частот на линии "вверх" ОКА и СКА, прием в момент времени t₀ с помощью РТС радиосигналов, переданных ЗС и ретранслированных ОКА и СКА, вычисление координат ОКА х₁, у₁, z₁ в момент времени t₀, вычисление ортогональных составляющих вектора скорости ОКА в момент времени t₀ на основе частотных сдвигов радиосигналов системы, известных координат РСТ, ИОРС и ЗС, предварительно заданных частот сдвига рабочих частот ОКА и СКА , в качестве РТС используют ППРТС.

Выбирают ЗС и размещают ППРТС, ОИРС так, чтобы взаимные расстояния между ними были максимальными, а их координаты одновременно находились в зонах покрытия ОКА и СКА в момент времени t₀.

Излучают в момент времени t₀ тестовый радиосигнал ППРТС со значением номинала частоты f_K, принимают его копию с помощью ППРТС после ретрансляции ОКА. Измеряют в ППРТС за счет корреляционной обработки номинал частоты тестового радиосигнала ППРТС после его ретрансляции ОКА. На основе значений номиналов частот излучаемого f_K и принятого тестового радиосигнала ППРТС в момент времени t₀, заданной частоты сдвига рабочих частот ОКА рассчитывают значение радиальной скорости ОКА относительно ППРТС.

Излучают в момент времени t₀ тестовый радиосигнал ИОРС со значением номинала частоты f_H, принимают его копию с помощью ППРТС после ретрансляции ОКА. Измеряют в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов номинал частоты тестового радиосигнала ИОРС после его ретрансляции ОКА

Для каждой n-й ЗС с известными координатами x_In, y_In, z_In, где n=≥1, измеряют в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значения номиналов частот принятых радиосигналов после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно.

На основе известных координат ППРТС x_K, y_K, z_K, координат x₂, y₂, z₂ и ортогональных составляющих вектора скорости СКА в момент времени t₀, координат не менее одной ЗС x_In, y_In, z_In рассчитывают значения радиальных скоростей СКА относительно n-х ЗС и ППРТС соответственно.

Используя измеренные значения номиналов частот принятых радиосигналов n-х ЗС после их ретрансляции СКА, рассчитанные значения радиальных скоростей СКА, заданную частоту сдвига рабочей частоты СКА вычисляют значения номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС f_n.

На основе известных координат ППРТС x_K, y_K, z_K, ИОРС x_H, y_H, z_H, ЗС x_In, y_In, z_In и вычисленных координат ОКА х₁, у₁, z₁ в момент времени t₀ рассчитывают расстояния от ППРТС, ИОРС и n-х ЗС до ОКА.

Вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости ОКА по известным координатам ППРТС x_K, y_K, z_K, ИОРС x_H, y_H, z_H, ЗС x_In, y_In, z_In и СКА x₂, y₂, z₂, измеренным значениям номиналов частот принятых радиосигналов ЗС после их ретрансляции ОКА, заданной частоте сдвига рабочей частоты ОКА рассчитанным значениям номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС f_n, номиналам частот излучаемого ИОРС тестового радиосигнала f_H и его принятой в ППРТС копией послеретрансляции ОКА, рассчитанным расстояниям от ППРТС К, ИОРС Н и n-х ЗС f_n до ОКА, рассчитанному значению радиальной скорости ОКА относительно ППРТС.

Значения номиналов излучаемых частот f_H и f_K и тестовых радиосигналов входят в диапазоны частот на линии "вверх" для ОКА и СКА.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков, в том числе за счет использования ППРТС К на позиции с известными координатами x_K, y_K, z_K, ИОРС Н на позиции с известными координатами x_H, ун, z_H, СКА S₂ с известными координатами х₂, у₂, z₂ и ортогональными составляющими вектора скорости в момент времени t₀, а также ЗС I_n размещенных на земной поверхности на позициях с известными координатами x_In,y_In,z_In, где n≥2 достигается цель изобретения: повышение точности определения ортогональных составляющих вектора скорости КА.

Заявленные изобретения поясняются чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 - структурная схема системы определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА с использованием ППРТС, ИОРС и одной ЗС;

на фиг. 2 - схема алгоритма расчета ортогональных составляющих вектора скорости ОКА с использованием ППРТС, ИОРС и одной ЗС;

на фиг. 3 - схема выбора ЗС, выбора значения номинала частоты тестового радиосигнала ИОРС с учетом диапазонов частот на 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 ППРТС, ИОРС и одной ЗС.

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 КА. С помощью этих элементов ориентируют антенны ИОРС и ППРСТ на КА. Кроме того элементы Кеплеровой орбиты КА служат для устранения двузначности определения координат КА.

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 ортогональных составляющих вектора скорости КА в начальный момент времени t₀ 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 ППРСТ 1.3 - вектор скорости ОКА 1.4 - угол между направлениями на первую ЗС и вектором 1.5 - угол между направлением на ППРТС и векторами 1.6 - радиальная скорость ОКА в направлении первой ЗС 1.7 - радиальная скорость ОКА в направлении ППРТС 2 - СКА; 2.1 - расстояние между СКА и первой ЗС 2.2 - расстояние между СКА и ПРСТ 2.3 - вектор скорости ОКА ; 2.4 - угол междунаправлениями на первую ЗС и вектором2.5 - уголмежду направлением на ППРТС и векторами2.6 - радиальная скорость СКА в направлении первой ЗС2.7 - радиальная скорость СКА в направлении ППРТС 3 - ППРСТ К; 4 - ИОРС H; 5 - линия горизонта; 6.1 - ЗС h I_1.

Система определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА в момент времени t₀ содержит: ППРТС К с известными координатами x_K, y_K, z_K, ИОРС Н с известными координатами x_H, y_H, z_H, СКА S2 с известными координатами x₂, y₂, z₂ и ортогональными составляющими вектора скорости в момент времени t₀, а также N≥1 выбранных ЗС I_n (см. фиг. 1) на позициях с известными координатами x_In, y_In, z_In, излучающие радиосигналы в направлении ОКА и СКА.

Для каждой 77-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; радиальные скорости ОКА S₁ в направлении n-ю ЗС I_n, - радиальные скорости СКА S₂ в направлении n-ю ЗС I_n и - углы между направлениями на n-ю ЗС и векторами соответственно.

На фиг. 1 помимо ППРТС К и ИОРС Н представлена одна ЗС, как минимально необходимый состав для однозначного одномоментного определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА 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 номиналов частот и - принятых радиосигналов после их ретрансляции ОКА S₁ и СКА S₂ соответственно для каждой из выбранных n-й ЗС I_n.

Кроме того, в настоящем изобретении используют значения номиналов частот и принятого тестового радиосигнала, предварительно излученного ИОРС Н на частоте f_H, после его ретрансляции ОКА S₁ и СКА S₂ соответственно и значение номинала частоты принятого тестового радиосигнала K - предварительно излученного ППРТС К на частоте f_K, после его ретрансляции ОКА S₁.

Для определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА в момент времени t₀ используют значения номиналов частот и принятых радиосигналов после их ретрансляции ОКА S₁ и СКА S₂ соответственно, обусловленные различными радиальными скоростями ОКА и СКА относительно каждой из n-й ЗС I_n и ППРСТ K [6]. Дополнительно используются значения номиналов частот и обусловленные различными радиальными скоростями ОКА и СКА относительно ИОРС Н и ППРСТ K и значение номинала частоты , обусловленное радиальной скоростью ОКА S₁ относительно ППРТС К.

На основе известных координат ППРТС x_K, y_K, z_K, координат x₂, у₂, z₂ и ортогональных составляющих вектора скорости СКА S₂ в момент времени t₀, координат ЗС x_In, y_In, z_In рассчитывают значения радиальных скоростей СКА относительно каждой из n-й ЗС I_n и ППРТС К соответственно.

На основе известных координат ППРТС x_K, y_K, z_K, координат x₂, у₂ z₂ и ортогональных составляющих вектора скорости СКА S₂ в момент времени t₀, координат ИОРС Н x_H, y_H, z_H рассчитывают значение радиальной скорости СКА S2 относительно ИОРС Н.

Координаты ОКА х₁, у₁, z₁ рассчитывают в соответствии с одним из известных способов [1, 2, 5].

На основе значений номиналов частот излучаемого f_K и принятого тестового радиосигнала ППРТС К в момент времени t₀, заданной частоты сдвига рабочих частот ОКА рассчитывают значение радиальной скорости ОКА S₁ относительно ППРТС К.

Используя значения радиальных скоростей СКА S₂ относительно каждой из n-й ЗС I_n и ППРТС К, значения номиналов частот принятых радиосигналов после их ретрансляции СКА S₂, известных ортогональных составляющих вектора скорости СКА заданной частоты сдвига рабочей частоты СКА вычисляют значения номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС f_n.

Вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости ОКА по известным координатам ППРТС x_K, y_K, z_K, координатам ЗС x_In, y_In, z_In, координатам ИОРС Н x_H, y_H, z_H, рассчитанным координатам ОКА х₁, у₁, z₁, заданной частоте сдвига рабочей частоты ОКА известным частотам излучаемых тестовых радиосигналов с помощью ИОРС f_H и ППРТС f_K, измеренными номиналам частот и рассчитанным значениям номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС f_n, рассчитанным расстояниям. от ИОРС Н, n-х ЗС I_n и ППРТС К до ОКА.

Для одномоментного и однозначного определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА необходимо использование ППРТС К, ИОРС и одной ЗС. Дальнейшее увеличение количества ЗС будет приводить к повышению точности определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА.

В качестве примера в приложении А представлен алгоритм определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА с использованием ППРТС, ИОРС и одной ЗС. Выходными результатами представленного алгоритма выступают составляющие вектора скорости ОКА в момент времени t₀.

На фиг. 3 в качестве примера представлена схема выбора ЗС, номиналы частот излучения тестовых радиосигналов ИОРС f_H и ППРТС f_K с учетом диапазонов частот на 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 f по оси ординат - амплитуды А.

Анализ схемы (фиг. 3) показывает, что в диапазон частот на линии "вверх" ОКА входят диапазоны частот ЗС F_1,…, F₁₁, а в диапазон частот на линии "вверх" СКА входят диапазоны частот F₅…F₁₁ ЗС. Таким образом, одновременно в диапазоны частот на линии "вверх" ОКА и СКА , входят диапазоны частот ЗС F₅…F₁₁. На схеме (фиг. 5) введены обозначения указанных ЗС - I₁…I₇, а также значений номиналов их излучаемых частот - f₁…f_7.

На фиг. 4 цифрами обозначены: 1.3 - зона покрытия ОКА Ω₁; 2.3 - зона покрытия ОКА Ω₂; 3 - ППРТС К; 4 - ИОРС H; 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.

На фиг. 4 в качестве примера представлена схема выбора ЗС с учетом зон покрытия ОКА Ω₁ 1.3 и СКА Ω₂ 2.3.

Анализ схемы (фиг. 4) показывает, что в зоне покрытия ОКА Ω₁ 1.3 находятся ППРТС К, ИОРС K и ЗС I_1, I₂, I₄, I₆, а в зоне покрытия СКА Ω₂ 1.4 находятся ППРТС К, ИОРС H и ЗС I₁, I₂, I₃, I₄, I₇. Таким образом, одновременно в зонах покрытия ОКА Ω₁ и СКА Ω₂ находятся ППРТС K, ИОРС H и ЗС I₁, I₂, I₄.

При выборе ЗС учитывают топологию размещения ППРТС K, ИОРС H и всех ЗС I_n от которой зависит точность определения координат ОКА х₁,у₁, z₁. 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 ППРТС K, ИОРС H и всех ЗС, которые должны быть максимальными.

На фиг. 5 цифрами обозначены: 7.1 - расстояние между ППРТС и первой ЗС ; 7.2 - расстояние между ИОРС и первой ЗС ; 7.3 - расстояние между ППРТС и ИОРС R_HK - Расстояние R_HK выбиралось максимальном на этапе размещения ППРТС и ИОРС на соответствующие позиции. Расстояния выбирались максимальными путем выбора ЗС с максимальными удалениями от ППРТС и ИОРС.

Имитационное моделирование на основе программ для ЭВМ [7, 8] заявленных способов показало возможность повышения точности определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА по сравнению со способом прототипом на 10…15%.

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 №2018134855от 01.10.18.

3. Агиевич С.Н., Андросов В.В., Жбанов И.Л., Журавлев Д.А., Калуцкий Р.П., Севидов В.В., Фокин Г.А., Харченко В.Е. Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции. Патент №2788518. МПК G01S5/00 (2022.08). Бюл. №3 от 23.01.23. Заявка №2021139581 от 28.12.21.

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.

Приложение А

Алгоритм определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА с использованием ППРТС, ИОРС и одной ЗС

Для определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА возможно использовать ППРТС К, СКА S₂ с известными координатами х₂, у₂, z₂ и ортогональными составляющими вектора скорости в момент времени t₀, не менее одной выбранной ЗС I_n, размещенной на позиции с известными координатами и ИОРС размещенную на позиции с известными координатами x_H,y_H, z_H (см. фиг. 1.)

В качестве примера в настоящем приложении представлен вариант с одной ЗС (n=1) и ИОРС как минимально необходимого состава для однозначного одномоментного определения вектора скорости ОКА

Предполагают, что координаты ОКА х₁, у₁, z₁ - рассчитаны в соответствии с одним из известных способов [1, 2, 5].

С помощью корреляционной обработки радиосигналов в ППРТС К измеряют значения номиналов частот принятых радиосигналов n-х ЗС I_n после их ретрансляции ОКА и СКА, значения номиналов частот принятых радиосигналов ИОРС Н после их ретрансляции ОКА и СКА, значение номинала частоты принятого радиосигнала ППРТС К после его ретрансляции ОКА.

Для номиналов частот справедливы аналитические выражения:

где f₁ - значения номиналов частот излучаемых ЗС I₁; - доплеровские сдвиги частот на входе ОКА и СКА соответственно за счет их сближения (удаления) с (от) n-й ЗС - заданные частоты сдвига рабочих частот ОКА и СКА соответственно; и - доплеровские сдвиги частот на выходе ОКА и СКА соответственно за счет их сближения (удаления) с (от) ППРТС К.

Для номинала частоты принятого тестового радиосигналы ИОРС справедливо аналитическое выражение:

где f_H - значение номинала частоты тестового радиосигнала излучаемого ИОРС; - доплеровский сдвиг частоты на входе ОКА за счет его сближения (удаления) с (от) ИОРС Н - доплеровский сдвиг частоты на выходе ОКА соответственно за счет его сближения (удаления) с (от) ПРТС К.

С помощью передающей аппаратуры ППРТС К в момент времени t₀ излучают тестовый радиосигнал с номинальной частотой f_K в направлении основного КА S₁. Принимают тестовый радиосигнал с помощью приемной аппаратуры ППРТС К после его ретрансляции основным КА S₁ и измеряют его частоту

Для номинала частоты принятого тестового радиосигналы ППРТС справедливо аналитическое выражение:

где f_K - значение номинала частоты тестового радиосигнала излучаемого ППРТС К; - доплеровские сдвиги частот на входе и выходе основного КА за счет его сближения (удаления) с (от) ППРТС К.

Предполагают, что нестабильности генераторов частот ОКА и СКА известны и компенсируются. Влияние других эффектов на изменение частоты, например, гравитационный и релятивистский эффекты в рамках рассматриваемой задачи, пренебрежимо мало и поэтому не учитывают.

Для расчета ортогональных составляющих вектора скорости ОКА с использованием ППРТС одной ЗС и ИОРС разработан алгоритм, схема которого представлена на фиг. 2.

На этапе 1 производят ввод исходных данных, в качестве которых выступают: момент времени измерения to; координаты ППРТС x_K, y_K, z_K; координаты ОКА x₁, у₁ и z₁; координаты х₂, у₂, z₂ и ортогональные составляющие вектора скорости СКА S₂ в момент времени t₀; координаты ЗС координаты ИОРС x_H, y_H, z_H, значения частот сдвига рабочих частот и ОКА и СКА соответственно; значения номиналов частот принятого радиосигнала ЗС I₁ после его ретрансляции ОКА и СКА соответственно; значение номинальной частотой тестового радиосигнала f_K; значение номинальной частотой тестового радиосигнала принятого аппаратурой ППРТС К после его ретрансляции основным КА S₁.

На этапе 2 рассчитывают значения радиальных скоростей СКА S₂ относительно ЗС I₁ и ППРТС К соответственно и значение радиальной скорости ОКА S₁ относительно ППРТС К.

Для значений радиальных скоростей СКА S₂ возможно записать формулы:

Согласно теореме о скалярном произведении векторов [6] справедливы равенства:

Модуль вектора скорости СКА равен:

а расстояния от ППРТС и ЗС и до СКА рассчитывают, как

Уравнения (А.5) и (А.6) с учетом (А.7)…(А.11) преобразуют к виду:

Доплеровские сдвиги частот для тестового радиосигнала на входе и на выходе основного КА S₁ за счет его сближения (удаления) с (от) ППРТС К возможно представить в виде:

Для расчета радиальной скорости основного КА относительно ППРТС К уравнение (А.4) с учетом (А.12) и (А.13) преобразуют к виду:

На этапе 3 рассчитывают значение номинала частоты f₁ излучаемого ЗС I₁.

Доплеровские сдвиги частот на входе и на выходе СКА S₂ за счет его сближения (удаления) с (от) ЗС I₁ и ПРТС К возможно представить в виде:

Для расчета значения номинала частоты излучаемой ЗС f₁ выражения (А.2) с учетом уравнений (А.15) и (А.16) преобразуют к виду:

На этапе 4 рассчитывают расстояния от ППРТС К, ИОРС Н и ЗС I₁ до ОКА S₁ по формулам:

На этапе 5 вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости ОКА

Доплеровские сдвиги частот на входе и на выходе ОКА S₁ за счет его сближения (удаления) с (от) ЗС I₁ и ППРТС К возможно представить в виде:

Доплеровские сдвиги частот на входе и на выходе ОКА S₁ за счет его сближения (удаления) с (от) ИОРС Н и ППРТС К возможно представить в виде:

Для значений радиальных скоростей ОКА S₁ возможно записать формулы:

Согласно теореме о скалярном произведении векторов [6]:

Модуль вектора скорости ОКА равен:

Уравнения (А.24)…(А.26) с учетом (А.27)…(А.30) преобразуют к виду:

1

Выражения (A.I), (А.3) и (А.4), с учетом уравнений (А.17)…(А.33), преобразуют в систему линейных уравнений:

где коэффициенты при переменных и свободные члены равны:

Систему из трех линейных уравнений с тремя неизвестными (А.34) решают одним из известных методов, например, методом Крамера. Результатом решения системы уравнений (А.34) выступают ортогональные составляющие вектора скорости ОКА

На этапе 6 осуществляют вывод результатов, в качестве которых выступают ортогональные составляющие вектора скорости ОКА в момент времени t₀.

В общем случае, когда количество ЗС N>1, алгоритм определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА остается прежним, с той лишь разницей, что система уравнений (А.34) будет содержать более трех уравнений. Тогда такую систему уравнений решают, например, методом наименьших квадратов.

Изобретение относится к области космонавтики, а именно к технике выполнения траекторных измерений и определения параметров орбиты космического аппарата (КА), и предназначено для использования на наземных и бортовых комплексах управления полетом КА для точного определения текущих параметров движения КА. Техническим результатом является повышение точности определения ортогональных составляющих вектора скорости КА. В заявленном способе осуществляют передачу и прием тестовых радиосигналов приемно-передающей радиотехнической станцией (ППРТС), выбор земных станций (ЗС) и размещение ППРТС, излучающей опорной реперной станции (ИОРС) так, чтобы взаимные расстояния между ними были максимальными, а их координаты одновременно находились бы в зонах покрытия основного КА и смежного КА в момент времени t₀. Способ определения вектора скорости основного КА включает: измерение в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значения разности частот Δf_k между излученным и принятым тестовым радиосигналом ППРТС после его ретрансляции основным КА, измерение в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значений разности частот Δf_H между излученным и принятым тестовым радиосигналом ИОРС после его ретрансляции основным КА, измерение в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значений номиналов частот принятых радиосигналов n-х ЗС после их ретрансляции основным и смежным КА соответственно, и расчет ортогональных составляющих вектора скорости основного КА на основе измеренных частотных сдвигов радиосигналов системы. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

1. Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земных станций (ЗС) и излучающей опорной реперной станции (ИОРС), заключающийся в том, что выбирают начальные значения параметров орбиты основного космического аппарата (ОКА), координаты которого необходимо определить, выбирают смежный космический аппарат (СКА) с известными координатами х₂, у₂, z₂ и ортогональными составляющими вектора скорости имеющий общий участок диапазона частот на линии "вверх" с ОКА и общую зону покрытия с зоной покрытия ОКА, размещают радиотехническую станцию (РТС) на позиции с известными координатами x_K, у_K, z_K, выбирают земные станции (ЗС), значения номиналов излучаемых частот которых входят в диапазоны частот на линии "вверх" ОКА и СКА, принимают в момент времени t₀ с помощью РТС радиосигналы, переданные ЗС и ретранслированные ОКА и СКА, вычисляют координаты ОКА х₁, y₁, z₁ в момент времени t₀, на основе частотных сдвигов радиосигналов системы, известных координат РСТ, ИОРС и ЗС, предварительно заданных частот сдвига рабочих частот ОКА вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости ОКА в момент времени t₀,

отличающийся тем, что в качестве РТС используют приемно-передающую радиотехническую станцию (ППРТС), выбирают ЗС и размещают ППРТС, ИОРС так, чтобы взаимные расстояния между ними были максимальными, а их координаты одновременно находились в зонах покрытия ОКА и СКА в момент времени t₀, излучают в момент времени t₀ тестовый радиосигнал ППРТС со значением номинала частоты f_K, принимают его копию с помощью ППРТС после ретрансляции ОКА, измеряют в ППРТС за счет корреляционной обработки номинал частоты тестового радиосигнала ППРТС после его ретрансляции ОКА, на основе значений номиналов частот излучаемого f_K и принятого тестового радиосигнала ППРТС в момент времени t₀, заданной частоты сдвига рабочих частот ОКА рассчитывают значение радиальной скорости ОКА относительно ППРТС, излучают в момент времени t₀ тестовый радиосигнал ИОРС со значением номинала частоты f_H, принимают его копию с помощью ППРТС после ретрансляции ОКА, измеряют в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов номинал частоты тестового радиосигнала ИОРС после его ретрансляции ОКА , для каждой n-й ЗС с известными координатами х_In, y_In, z_In, где n=≥1, измеряют в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значения номиналов частот принятых радиосигналов после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно, на основе известных координат ППРТС х_k, у_K, z_k, координат х₂, y₂, z₂ и ортогональных составляющих вектора скорости СКА в момент времени t₀, координат не менее одной ЗС х_In, y_In, z_In рассчитывают значения радиальных скоростей СКА относительно n-х ЗС и ППРТС соответственно, используя измеренные значения номиналов частот принятых радиосигналов n-х ЗС после их ретрансляции СКА, рассчитанные значения радиальных скоростей СКА, заданную частоту сдвига рабочей частоты СКА вычисляют значения номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС f_n, на основе известных координат ППРТС х_K, у_K, z_K, ИОРС х_H, у_H, z_H, ЗС х_In, у_In, z_In и вычисленных координат ОКА х₁, у₁, z₁ в момент времени t₀ рассчитывают расстояния от ППРТС, ИОРС и n-х ЗС до ОКА, вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости ОКА по известным координатам ППРТС х_K, у_K, z_K, ИОРС х_H, y_H, z_H, ЗС х_In, у_In, z_In и СКА х₂, у₂, z₂, измеренным значениям номиналов частот принятых радиосигналов ЗС после их ретрансляции ОКА, заданной частоте сдвига рабочей частоты ОКА рассчитанным значениям номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС f_n, номиналам частот излучаемого ИОРС тестового радиосигнала f_H и его принятой в ППРТС копией после ретрансляции ОКА, рассчитанным расстояниям от ППРТС K, ИОРС Н и n-х ЗС I_n до ОКА, рассчитанному значению радиальной скорости ОКА относительно ППРТС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значения номиналов излучаемых частот f_H и f_K и тестовых радиосигналов входят в диапазоны частот на линии "вверх" для ОКА и СКА.