Способ определения погрешностей при траекторных измерениях межпланетных космических аппаратов за счет распространения радиосигналов в ионосфере земли и межпланетной плазме

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано в навигации космического аппарата (КА). Принимают измерительные сигналы с КА и квазара, обеспечивают минимальный сдвиг по времени между измерениями с КА и квазара, выбирают проекцию углового положения квазара, максимально приближенную к положению КА, и с совпадением трасс прохождения сигналов от КА и квазара к измерительной станции, определяют двухчастотным методом смещение частот сигналов, определяют погрешность в измерениях скорости КА, определяют интегральную ионизацию трассы квазар-измерительная станция, вычисляют временную задержку прохождения сигнала, равную погрешности измерения дальности, передают полученные данные в баллистический центр совместно с результатами траекторных измерений КА для расчета траектории КА. Изобретение позволяет измерить погрешность траекторных изменений КА, вызываемых распространением измерительных радиосигналов через ионизированную среду. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области космонавтики, а именно к системам траекторных измерений межпланетных космических аппаратов.

Уровень техники

Известно (см. работу [1]), что на практике при проведении траекторных измерений межпланетных космических аппаратов используют измерение двух параметров движения КА - наклонной дальности до КА R и радиальной составляющей скорости КА относительно измерительной станции , которые последовательно измеряются несколькими территориально разнесенными измерительными станциями (ИС).

В состав погрешностей измерений R и входят погрешности, вызываемые распространением радиоволн в ионосфере Земли и ионизированной межпланетной плазме.

При совершенствовании космической техники аппаратные погрешности измерений R и уменьшаются, и по мере их уменьшения доля погрешностей за счет распространения радиоволн в суммарных погрешностях траекторных измерений увеличивается. Погрешности распространения становятся сравнимыми по величине с аппаратурными погрешностями и даже превышают их.

Учет погрешностей траекторных измерений за счет распространения радиоволн на практике осуществляется расчетным путем. Точность полученных результатов при этом оказывается очень низкой.

Поэтому актуальной задачей является реальное измерение погрешностей за счет распространения радиоволн объективными методами с необходимой точностью.

Прототипом описываемого изобретения является схема измерения и учета погрешностей за счет распространения радиосигналов в ионосфере и межпланетной плазме, используемая в составе дифференциального радиотехнического интерферометра со сверхдлинными базами (РСДБ) [1].
(см. Фиг. 1).

Работа такого РСДБ производится следующим образом:

последовательно принимаются и регистрируются первым, вторым и третьим приемными пунктами (3, 4, 5) сигналы от КА (1) и находящегося от него на минимальном угловом расстоянии на небесной сфере квазара (2) с точно известными координатами.

В результате корреляционной обработки (6) полученной информации вычисляется задержка сигналов от КА (1) и квазара (2), которая служит информационной основой для определения относительного углового положения КА (1) и квазара (2) на небесной сфере. Точные положения используемых при измерениях квазаров даются соответствующими каталогами.

Разница в положении квазара, взятого из каталога и измеренного интерферометром квазара (2), вызвана погрешностями измерений, за счет распространения радиосигналов через ионосферу Земли и межпланетную плазму.

При использовании результатов измерений РСДБ считается, что погрешности измерений положений на небесной сфере квазара (2) и КА (1) равны. Однако при использовании способа, взятого за прототип, определяется интегральная ошибка в угловом положении КА, вызванная прохождением радиосигналов через ионизированную среду, а определение ошибок в радиоканалах не может быть определено.

Раскрытие изобретения

Заявленное изобретение направлено на устранение данных недостатков.

Технический результат изобретения заключается в измерении погрешностей траекторных измерений КА, вызываемых распространением измерительных радиосигналов через ионизированную среду.

Технический результат достигается тем, что способ измерения погрешностей при траекторных измерениях дальних космических аппаратов (КА), возникающих за счет прохождения радиосигнала через ионосферу Земли и межпланетную плазму, заключающийся в том, что в процессе проведения траекторных измерений дальности и радиальной составляющей скорости космического аппарата (КА), отличающийся тем, что кроме измерительных сигналов с КА на частоте f₀₁ принимают сигналы с квазара на частотах f₀₁ и частоте f₀₂, значительно отличающейся от частоты f₀₁, при этом обеспечивают минимальный сдвиг по времени между измерениями с КА и квазара, выбирают угловое положение квазара таким образом, чтобы проекция его положения на небесной сфере была максимально приближена к положению КА во время траекторных измерений, при этом трассы прохождения сигналов от КА и квазара к измерительной станции практически совпадают, определяют двухчастотным методом смещение частоты f _пр.1 относительно частоты f₀₁, равное ∆ f ₁, по измеренным значениям принятых с квазара частот f _пр.1 и f _пр.2, равное погрешности в измерениях скорости КА из-за практического совпадения трасс прохождения сигналов от КА и квазара, кроме того, по величине смещения частоты ∆ f ₁ определяют интегральную ионизацию трассы квазар-измерительная станция, и по ее величине вычисляют временную задержку Δt прохождения сигнала f ₀₁, которая практически равна погрешности измерения дальности где с - скорость света, при траекторных измерениях КА полученные данные передают в баллистический центр совместно с результатами траекторных измерений КА для расчета траектории КА.

На фиг. 1 представлена структурная схема дифференциального радиоинтерферометра со сверхдлинной базой, где:

1. Космический аппарат (КА);

2. Квазар;

3. Первый приемный пункт;

4. Второй приемный пункт;

5. Третий приемный пункт;

6. Корреляционная обработка;

7. Расчет траектории.

На фиг. 2 представлена структурная схема осуществления способа определения погрешностей при траекторных измерениях межпланетных космических аппаратов за счет распространения радиосигналов в ионосфере Земли и межпланетной плазме, где:

8. Ионизированное пространство;

9. Измерительная станция (ИС);

10. Расчет траектории КА.

Осуществление изобретения

В заявляемом способе измерения погрешностей траекторных измерений дальних КА также используются космические источники излучения (квазары) (2), расположенные на небесной сфере вблизи КА (1), но в отличие от прототипа измерение погрешностей за счет прохождения радиосигналов через ионизированную среду осуществляется не путем определения ошибки в угловом положении квазара, а путем измерения двух изменений частот, излучаемых квазаром, при приеме их наземной ИС (9).

Соотношения частот в заявленном способе определяются двумя выражениями:

, (1)

,

где ƒ₀₁ и ƒ₀₂ - частоты сигналов, излучаемых квазаром:

При этом одна частота ƒ₀₁ совпадает с частотой, на которой проводятся траекторные измерения КА, а другая частота ƒ₀₂ выбирается со значительным отличием от ƒ₀₁.

Для обеспечения когерентности частот принимаемых с квазара сигналов гетеродины приемников ИС (9) должны быть когерентны.

∆ƒ₁ и ∆ƒ₂ - изменения значений излучаемых частот за счет прохождения сигналов через ионизированные области космического пространства:

ƒ_пр.1 и ƒ_пр.2 - значения частот сигналов, принимаемых наземными ИС;

- соотношение частот, излучаемых квазаром;

- соотношение величины изменения частот, за счет прохождения сигналов через ионизированное пространство.

Уравнение (2) может быть преобразовано:

, (3)

Решив уравнения (1 ) и (3) относительно ∆ƒ₁, получим величину изменения частоты ƒ₀₁ через значения принятых частот ƒ_пр.1 и ƒ_пр.2

, (4)

при значении m>2÷3, единицей в знаменателе можно пренебречь. Тогда

, (5)

Описанная методика определения сдвига частот излучаемых квазаром сигналов рассмотрена в работе [2].

Ввиду малого значения угла α (см. Фиг. 2) линии прохождения сигналов КА (1) (L₁) и квазара (2) (L₂) проходят через ионизированную плазму (8) на близком расстоянии, и можно считать, что значение интегральной электронной концентрации ионосферы и межпланетной плазмы вдоль линий L₁ и L₂ близки.

Поэтому измеренное вдоль линии L₂ значение сдвига частоты сигнала ƒ₀₁ будет иметь то же значение, что и при прохождении сигнала вдоль линии L_1, т.е. измеренное значение ∆ƒ₁ будет являться значением погрешности при измерении радиальной скорости КА (1).

Для определения погрешности измерения дальности КА (1) необходимо решить обратную задачу (см. [2]), то есть по измеренному значению сдвига частоты ∆ƒ₁ определить интегральную электронную концентрацию ионосферы I вдоль линии L₂, а по ней определить запаздывание радиосигнала ∆t по линии L_2, которое фактически будет являться погрешностью измерения дальности до КА вдоль линии L₁, ∆t·C=∆R.

Такие измерения погрешностей за счет распространения радиосигналов в ионизированном пространстве (8) с использованием квазаров (2) необходимо проводить в каждом сеансе траекторных измерений КА (1), а результаты передавать в баллистический центр для учета этих погрешностей при расчете траектории КА (10).

Список литературы

1. Радиотехнические комплексы для управления дальними космическими аппаратами, и для научных исследований под ред. Е.П. Молотова М: ФИЗМАТЛИТ, 2007, 232 с.

2. Яковлев О.И. Космическая радиофизика М. Изд. РФФИ, 1998, 432 с.

Способ измерения погрешностей при траекторных измерениях дальних космических аппаратов (КА), возникающих за счет прохождения радиосигнала через ионосферу Земли и межпланетную плазму, заключающийся в том, что в процессе проведения траекторных измерений дальности и радиальной составляющей скорости космического аппарата (КА), отличающийся тем, что кроме измерительных сигналов с КА на частоте f₀₁ принимают сигналы с квазара на частотах f₀₁ и частоте f₀₂, значительно отличающейся от частоты f₀₁, при этом обеспечивают минимальный сдвиг по времени между измерениями с КА и квазара, выбирают угловое положение квазара таким образом, чтобы проекция его положения на небесной сфере была максимально приближена к положению КА во время траекторных измерений, при этом трассы прохождения сигналов от КА и квазара к измерительной станции практически совпадают, определяют двухчастотным методом смещение частоты f _пр.1 относительно частоты f₀₁, равное ∆ f₁, по измеренным значениям принятых с квазара частот f _пр.1 и f _пр.2, равное погрешности в измерениях скорости КА из-за практического совпадения трасс прохождения сигналов от КА и квазара, кроме того, по величине смещения частоты ∆ f ₁ определяют интегральную ионизацию трассы квазар-измерительная станция, и по ее величине вычисляют временную задержку Δt прохождения сигнала f ₀₁, которая практически равна погрешности измерения дальности где с - скорость света, при траекторных измерениях КА полученные данные передают в баллистический центр совместно с результатами траекторных измерений КА для расчета траектории КА.