Способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции
Владельцы патента RU 2787890:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная орденов Жукова и Ленина Краснознаменная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
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.
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) In, размещенными на позициях с известными координатами xIn, yIn, zIn, где n=1…N - номер ЗС, N≥6;
для каждой n-й ЗС In 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 xK, yK, zK, 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 хн, yH, zh, 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 xIn, yIn, zIn, где n=1…N - номер ЗС, N≥4, измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временной задержки Δtn между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно. Кроме того, для каждой ЗС рассчитывают разницу длин ΔRn траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС на основе измеренных временных задержек Δtn.
Используя рассчитанные длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС, рассчитанные разницы длин ΔRn траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС, известные координаты ПРТС xK, yK, zK, ЗС xIn, yIn, zIn и ИОРС хн, ун, zh, 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 ƒH 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 xK, yK, zK, ИОРС на позиции с известными координатами xH, ун, zH, а также ЗС In, размещенных на земной поверхности на позициях с известными координатами xIn, yIn, zIn, 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 xK, yK, zK, ИОРС Н с известными координатами xH, yH, zH, а также N≥4 выбранных ЗС In, n=1…N (см. фиг. 1) на позициях с известными координатами xIn, yln, zIn, излучающие радиосигналы в направлениях на ОКА и СКА.
Для каждой n-й ЗС возможно ввести обозначения: 
- расстояния между ОКА S1 и n-й ЗС In; 
- расстояния между СКА S2 и n-й ЗС In. 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 Δtn [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 In. 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 Δtn 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 In 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 ƒн 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 ƒн 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 In и ИОРС Н от которой зависит точность определения координат ОКА x1, y1, z1 и СКА x2, y2, z2. Под топологией размещения ЗС In 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.
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 xK, yK, zK, 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 xH, yH, zH, 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 xIn, yIn, zIn, где n=1…N - номер ЗС, N≥4, измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временной задержки Δtn между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно, для каждой ЗС рассчитывают разницу длин ΔRn траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС на основе измеренных временных задержек Δtn, используя рассчитанные длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС, рассчитанные разницы длин ΔRn траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС, известные координаты ПРТС xK, yK, zK, ЗС xIn, yIn, zIn и ИОРС хн, ун, zH, 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 ƒH тестового радиосигнала входит в диапазоны частот линии "вверх" для ОКА и СКА.
