УДК 629.78

, ,

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ

ГЕОСТАЦИОНАРНОГО КА ПО ДАННЫМ АСН

Разработан способ использования данных автономной системы навигации для оперативного определения углового положения космического аппарата относительно центра масс.

Ключевые слова: космический аппарат, автономная система навигации

Введение. Стремительное развитие и внедрение в состав как наземных, так и бортовых систем управления КА современных высокопроизводительных средств вычислительной техники и программного обеспечения порождает потребность в увеличении эффективности их использования в интересах целевого применения космических систем (КС) [1-3].

Сейчас в отечественной и зарубежной практике построения бортового оборудования КА широкое применение находят автономные системы навигации (АСН), использующие сигналы глобальных космических навигационных систем (ГКНС) «Глонасс», GPS, Галилео и др. При этом преимущество имеют системы, позволяющие осуществлять прием сигналов нескольких ГКНС для повышения надежности их функционирования [3].

Применение АСН в качестве бортового оборудования КА позволяет:

    обеспечить бортовую аппаратуру высокостабильной сеткой частот и времени; определить параметры движения центра масс КА в реальном масштабе времени; осуществить оперативный контроль за процессом проведения маневров на орбите; сократить количество и время проведения траекторных измерений наземными средствами, ограничив их проведение только на этапах испытаний и при возникновении нештатных ситуаций [1].

Цель статьи. Разработка способа использования данных АСН для оперативного определения углового положения КА относительно центра масс (ориентации КА).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Изложение основного материала. Автономные системы навигации (АСН), устанавливаемые на борту КА, используют сигналы в основном от глобальных космических навигационных систем GPS и «Глонасс». Выходной информацией, формируемой АСН, являются [3]:

    текущие координаты (в Гринвичской системе координат) xi, yi, zi, составляющие вектора скорости Vx, Vy, Vz, текущее значение времени ti (UTC).

Сравнительные характеристики систем GPS и «Глонасс» приведены в таблице 1.

КА, находящиеся на геостационарной орбите в большинстве случаев используются для организации спутниковой связи и телевещания. Одним из параметров, характеризующих такие КА, является зона облучения или зона покрытия спутникового сигнала.

Для организации таких зон используются узконаправленные бортовые антенные системы, обслуживающие определенную территорию поверхности Земли. КА может иметь несколько лучей, направленных в разные зоны обслуживания.

Карта покрытия (footprint) представляет собой проекцию диаграммы направленности бортовой антенной системы транспондера на географическую карту Земли [4-7].

На рис.1 в качестве примера приведена карта покрытия спутника Astra 1G (31.5° в. д.) [6].

Учитывая то обстоятельство, что геостационарная орбита является общечеловеческим достоянием, количество КА на ГЕО, точки стояния, частотные диапазоны и карты покрытия строго регламентируются международными организациями. Для исключения возможности создания помех соседним спутникам существуют защитные полигоны.

Таким образом, контроль параметров ориентации геостационарного КА должен проводиться постоянно, всеми имеющимися средствами и возможностями.

Существующие на настоящий момент методы определения ориентации можно разделить на два класса: методы с использованием моделей движения относительно центра масс (ЦМ) (интегральные методы) и методы их не использующие (локальные) [4, 5].

Таблица 1

Основные характеристики ГКНС GPS и «Глонасс»


№ п/п

Характеристики

ГЛОНАСС

GPS

1.

Число спутников в системе

24

21 + 5 в резерве

2.

Число орбитальных плоскостей

3

6

3.

Наклонение орбиты

64,8°

55°

4.

Высота орбиты

19100 км

20145 км

5.

Период обращения

11ч 15м

12ч

6.

Метод представления эфемеридных данных

9 параметров движения

Кеплеровские элементы

7.

Геодезическая система координат

ПЗ-90

WGS – 84

8.

Метод разделения сигналов спутника

частотный        

Кодовый

9.

Диапазон частот L1

1602, 5625 – 1615,5± 0,5 МГц

1575,42 ± 1 МГц

10.

Диапазон частот L2

1246, 4375 – 1256 МГц

1227,6 МГц

11.

Селективный доступ

отсутствует

имеется

12.

Получение обсервованных координат

непрерывно        

непрерывно        

В основу интегральных методов положена идея использования математической модели движения относительно ЦМ для объединения полученных измерений на достаточном для обработки мерном интервале времени.

В основу локальных методов одномоментного определения ориентации положен метод согласования измерений двух и более векторов в двух системах координат.

В данной работе предложен способ использования характеристик диаграмм направленности антенных систем ретрансляторов геостационарных КА.

Они, как правило, направлены в определенные области земной поверхности и характеризуются узкой диаграммой направленности для формирования рабочей зоны.

Например, для параболической антенны бортового ретранслятора диаметром 1,3 м ширина ДН на частоте 12 ГГц составит около 1,33 град., на частотах работы ГКНС (1,5 ГГц) – 10,6 град.

При этом определение ориентации происходит по анализу пространственного положения спутника ГКНС относительно геостационарного КА и времени приема от него навигационного сигнала (момента входа в зону видимости) на узконаправленные антенные системы ретрансляторов

По текущим данным АСН и пространственными (координатними) данными КА бортовым вычислительным комплексом производится расчет углов направления на спутник ГКНС. Если угол места при этом равен половине ширины диаграммы направленности антенны АСН, ориентация соответствует расчетной.

В противном случае формируется сигнал о нарушении ориентации и проводится коррекция углового положения КА.

Алгоритм работы вычислительного комплекса по уточнению параметров ориентации КА приведен на рис.2.

Рис. 1. Карта покрытия спутника Astra 1G (31.5° в. д.)

Пусть координаты геостационарного КА будут x0, y0, z0. Тогда расстояние между ним и спутником ГКНС будут:

Далее производится пересчет координат геостационарного КА в орбитальной системе координат (ОСК), которая вводится следующим образом: начало системы координат совпадает с центром масс КА, ось ОХ направлена по радиус-вектору спутника (проведенному с центра Земли), ось OY параллельна трансверсальной составляющей скорости, ось OZ дополняет систему до правой.

Для определения составных частей в ОСК необходимо последовательно выполнить повороты на углы (долгота восходящего узла), І (наклонение орбиты) и (аргумент широты спутника). Для дальнейших расчетов составляющие скоростей в ОСК не используются. Координатные составляющие вектора в ОСК определяются следующим образом [4,5]:

,

где М – матрица перехода, которая определяется, как:

Рис. 2. Алгоритм работы по уточнению параметров ориентации КА

Далее проводится расчет параметров наведения антенны ретранслятора на навигационный КА.

Азимут отсчитывается в плоскости YOZ орбитальной системы координат от положительного направления оси OY и изменяется от 0 до 360 градусов:

.

Угол места рассчитывается от плоскости YOZ (положительным считается отсчет угла в сторону положительного направления оси ОХ):

При наведении антенны ретранслятора на навигационный КА угол из за разницы высот орбиты всегда будет отрицательным.

Выводы. Предложенный в работе способ оперативного определения ориентации КА с использованием информации АСН позволяет контролировать параметры движения КА вокруг центра масс и может быть использован в составе бортового оборудования перспективных отечественных КА на стационарной орбите.

ЛИТЕРАТУРА


Космические радиотехнические комплексы / Под общ. редакцией – М.: МО СССР, 1986 – 626 с. , Любинский управления космическими полетами – М.: Машиностроение,1983 – 224 с. , , Яковченко спутниковой навигации КА «Січ-1М» и «Микроспутник. // Космічна наука і технологія.-2001.-Т.7, №4. – С.114-116. Є.,  Сіхарулідзе механіки космічного польоту  –  М.: Наука, 1990. Ломако и анализ движения по экспериментальным данным  – М.: МО СССР,1983 – 264 с. Интернет-ресурс http://www. /main. php? lng=ru&rzd=tvkanal&pag=tp&sp=75#b751 Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации: Сборник статей и докладов. - СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2001. - 235 с.

, ,

СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ОРІЄНТАЦІЇ ГЕОСТАЦІОНАРНОГО

КА ЗА ДАНИМИ АСН

Розроблений спосіб використання даних автономної системи навігації для оперативного визначення кутового положення космічного апарату щодо центру мас.

Ключові слова: космічний апарат, автономна система навігації