RU2751121C1

RU2751121C1 - Method for determining the shape of amplitude direction pattern of navigation spacecraft antenna system

Info

Publication number: RU2751121C1
Application number: RU2020136313A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Завгородний
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-07-08

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering, particularly, to methods for determining the characteristics of antennas of navigation spacecrafts (NSCs). The technical result is achieved by the fact that the proposed method for determining the shape of the amplitude direction pattern of a navigation spacecraft antenna system consists in measuring the power of the navigation signal with large-aperture antenna systems and the attenuation of the navigation signal along the propagation path at several points, combined processing thereof and compensating for signal attenuation along the path, determining the angle of the spacecraft relative to the large-aperture antennas, transforming the antenna coordinates into a local coordinate system associated with the centre of mass of the spacecraft, constructing curvilinear sections of the direction pattern of the spacecraft antenna system and two-dimensional interpolation thereof.

EFFECT: evaluation of the shape of the amplitude direction pattern of the antenna apparatus of the NSC allowing to consider the components of the measurement error arising under observation by one antenna and variation in the parameters of the signal propagation path.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и в частности к способам определения характеристик антенн навигационных космических аппаратов (НКА).The invention relates to the field of radio engineering and in particular to methods for determining the characteristics of antennas of navigation spacecraft (NSA).

Известны способы измерений амплитудных и фазовых диаграмм направленности (ДН) антенн, в том числе НКА, основанные на измерении поля в дальней зоне (см. напр. ГОСТ 8.463-82), в ближней зоне (см. напр. ГОСТ 8.309-78), на приеме антенной шумовых сигналов радиоастрономических источников (см. напр. Радиотелескопы и радиометры / Н.А. Есепкина, Д.В. Корольков, Ю.Н. Парийский; под ред. Д.В. Королькова. - М.: Наука, 1973. - 416 с.). Эти способы могут быть использованы на этапах конструирования и наземных испытаний НКА (т.е. до запуска на орбиту), однако не применимы для определения параметров его антенны во время летных испытаний и эксплуатации.Known methods for measuring the amplitude and phase radiation patterns (DP) of antennas, including NSA, based on measuring the field in the far zone (see, for example, GOST 8.463-82), in the near zone (see, for example, GOST 8.309-78), on reception of noise signals of radio astronomy sources by the antenna (see, for example.Radio telescopes and radiometers / N.A.Esepkina, D.V.Korolkov, Yu.N. Pariyskiy; edited by D.V.Korolkov. - Moscow: Nauka, 1973 . - 416 p.). These methods can be used at the stages of design and ground testing of a satellite (i.e., before launching into orbit), however, they are not applicable to determine the parameters of its antenna during flight tests and operation.

Описаны способы (напр. в статье Jennifer Е. Donaldson, Joel J.K. Parker, Michael С.Moreau, Dolan E. Highsmith, Philip D. Martzen Characterization of on-orbit GPS transmit antenna patterns for space users // Navigation-US. 2020; 67: p. 411-438) оценки параметров ДН НКА во время эксплуатации методом дальней зоны, приемная измерительная аппаратура при этом располагалась на другом космическом аппарате, выведенном на геостационарную орбиту. К их достоинствам следует отнести принципиально большие возможности по наблюдению боковых лепестков амплитудной ДН НКА по сравнению с наземными способами. Однако период сбора измерительной информации о НКА в силу особенностей расположения орбит может составлять единицы месяцев, что неприемлемо долго с точки зрения задач мониторинга. Также в этом случае сигнал проходит расстояние, более чем в два раза превышающее расстояние между НКА и поверхностью Земли. Это означает экстремально малую мощность сигнала на входе измерительной аппаратуры, что приводит к росту погрешности измерений.Methods are described (for example, in the article Jennifer E. Donaldson, Joel JK Parker, Michael C. Moreau, Dolan E. Highsmith, Philip D. Martzen Characterization of on-orbit GPS transmit antenna patterns for space users // Navigation-US. 2020; 67: p. 411-438) estimating the parameters of the NS satellite during operation by the far-field method, while the receiving measuring equipment was located on another spacecraft, launched into a geostationary orbit. Their advantages include the fundamentally great possibilities for observing the side lobes of the amplitude BP of a satellite in comparison with ground-based methods. However, due to the peculiarities of the orbital arrangement, the period for collecting measuring information about the satellite can be several months, which is unacceptably long from the point of view of monitoring tasks. Also, in this case, the signal travels a distance more than twice the distance between the satellite and the Earth's surface. This means an extremely low signal power at the input of the measuring equipment, which leads to an increase in the measurement error.

Наиболее близкими по технической сущности методами измерений параметров ДН являются изложенный в статье Thoelert S., Meurer М., Erker S. In-Orbit Analysis of Antenna Pattern Anomalies of GNSS Satellites // Navigation. - V. 59 (2012), №2. - P. 135-144, doi.org/10.1002/navi.11, а также в патенте RU 2687512. Оба метода основаны на измерении мощности радионавигационного сигнала при помощи крупноапертурной антенной системы и последующей обработке. Оба способа не лишены недостатков. Во-первых, предлагается использовать измерения одной антенной системы, хотя расположенные в ближней зоне антенны объекты формируют зоны затенения и могут влиять на форму ДН измерительной антенны. Особенно ярко это влияние проявляется на малых углах места, что приводит к возникновению систематических ошибок измерений. Во-вторых, в обоих источниках отсутствуют сведения об учете влияния на результаты измерений мощности параметров трассы распространения сигнала. Их однократного учета на этапе калибровки полного коэффициента усиления измерительной антенны (см. S. Tholert, S. Erker, М. Meurer GNSS Signal Verification with a High Gain Antenna - Calibration Strategies and High Quality Signal Assessment // ION 2009 International Technical Meeting, January 26-28, 2009.) недостаточно, так как за время длительных наблюдений НКА погодные условия изменяются, следовательно, изменяется и ослабление в нижних слоях атмосферы. Следующим недостатком является отсутствие уточнения временных рамок проведения измерений. Наблюдения НКА на интервалах, превышающих интервал повторяемости трасс, не несут в себе новой информации о форме ДН. Однако по причинам старения бортовой аппаратуры НКА и особенностей формирования ДН антенной решеткой на больших интервалах времени параметры и форма ДН изменяются. И, наконец, недостатком предложенного в патенте RU 2687512 метода является его применимость только для измерения параметров ДН НКА, форма которых представляет собой фигуру вращения. Предложенный метод подразумевает компенсацию составляющей систематической погрешности результатов измерений мощности, обусловленную неколлинеарностью эллипсов поляризации передающей и приемной (наземной) антенн. Оценивать эту составляющую погрешности предлагается при прохождении НКА особого участка орбиты, на котором НКА поворачивается на 180° вокруг оси НКА - центр масс Земли (см. например Денисенко О.В., Федотов В.Н., Воронов В.Л., Рыжов B.C., Завгородний А.С., Рябов И.В. Результаты наблюдений за навигационными космическими аппаратами на особых участках орбиты // Измерительная техника. 2018. №2. С. 20-23). Однако поскольку реальные ДН современных НКА имеют сложную форму, отличающуюся от тел вращения и, более того, часто несимметричную, то компенсация систематической погрешности путем регистрации перепада мощности при повороте НКА в ряде случаев может привести к возникновению еще большей погрешности. Случай несимметричной ДН обговаривается в тексте RU 2687512. Однако в отсутствие априорных данных о форме ДН НКА предложение учитывать линейный тренд на практике неприменимо, так как форма реальной зависимости мощности от времени при развороте неизвестна.The closest in technical essence methods for measuring the parameters of the DN are stated in the article Thoelert S., Meurer M., Erker S. In-Orbit Analysis of Antenna Pattern Anomalies of GNSS Satellites // Navigation. - V. 59 (2012), No. 2. - P. 135-144, doi.org/10.1002/navi.11, as well as in patent RU 2687512. Both methods are based on measuring the power of a radio navigation signal using a large-aperture antenna system and subsequent processing. Both methods are not without their drawbacks. Firstly, it is proposed to use measurements of one antenna system, although objects located in the near-field zone of the antenna form shadow zones and can affect the shape of the antenna pattern of the measuring antenna. This effect is especially pronounced at small elevation angles, which leads to systematic measurement errors. Secondly, in both sources there is no information about taking into account the influence of the parameters of the signal propagation path on the results of power measurements. Their single account at the stage of calibration of the full gain of the measuring antenna (see S. Tholert, S. Erker, M. Meurer GNSS Signal Verification with a High Gain Antenna - Calibration Strategies and High Quality Signal Assessment // ION 2009 International Technical Meeting, January 26-28, 2009.) is not enough, since during the long-term observations of the satellite, weather conditions change, therefore, the attenuation in the lower layers of the atmosphere also changes. The next disadvantage is the lack of clarification of the time frame for the measurements. SSC observations at intervals exceeding the path repeatability interval do not carry new information about the pattern of the pattern. However, due to the aging of the on-board equipment of the satellite and the peculiarities of the formation of the antenna array pattern, the parameters and form of the pattern change over long time intervals. And, finally, the disadvantage of the method proposed in patent RU 2687512 is its applicability only for measuring the parameters of the NSC DN, the shape of which is a figure of rotation. The proposed method implies compensation for the component of the systematic error in the results of power measurements due to the noncollinearity of the polarization ellipses of the transmitting and receiving (ground) antennas. It is proposed to estimate this component of the error when the spacecraft passes a special orbit section, in which the spacecraft rotates 180 ° around the axis of the spacecraft - the center of mass of the Earth (see, for example, Denisenko O.V., Fedotov V.N., Voronov V.L., Ryzhov BC , Zavgorodniy A.S., Ryabov I.V. The results of observations of navigation spacecraft in special parts of the orbit // Measuring equipment. 2018. No. 2. P. 20-23). However, since real RPs of modern NSVs have a complex shape that differs from bodies of revolution and, moreover, are often asymmetric, the compensation of the systematic error by registering the power difference during rotation of the NSV in some cases can lead to an even greater error. The case of an asymmetric MD is discussed in the text RU 2687512. However, in the absence of a priori data on the form of the NKA's DN, the proposal to take into account the linear trend is inapplicable in practice, since the form of the real dependence of power on time during the turn is unknown.

Технический результат заключается в создании способа оценки формы амплитудной ДН антенного устройства НКА, позволяющего учесть составляющие погрешности измерений, возникающие при наблюдениях одной антенной и вариациях параметров трассы распространения сигнала.The technical result consists in creating a method for assessing the shape of the amplitude RP of the antenna device of the NSA, which makes it possible to take into account the components of the measurement error arising from observations of one antenna and variations in the parameters of the signal propagation path.

Технический результат достигается путем сбора результатов измерений мощности сигналов НКА при помощи сети крупноапертурных антенных систем на протяжении интервала повторяемости трассы прохождения НКА по небосводу, нормировки результатов измерений мощности, компенсации систематической составляющей погрешности измерений за счет изменяющегося во время наблюдения расстояния НКА - измерительная антенна, компенсации ослабления принимаемого навигационного сигнала на трассе распространения путем использования результатов измерений радиометрической аппаратуры, определении положения НКА относительно измерительной антенны, построения криволинейных сечений пространственной ДН и восстановления (двухмерной интерполяции) ее формы.The technical result is achieved by collecting the results of measurements of the signal power of the satellite using a network of large-aperture antenna systems throughout the repetition interval of the route of the satellite's passage through the sky, normalizing the results of power measurements, compensating for the systematic component of the measurement error due to the distance changing during observation of the satellite - measuring antenna, compensation of attenuation of the received navigation signal along the propagation path by using the results of measurements of radiometric equipment, determining the position of the satellite relative to the measuring antenna, constructing curvilinear sections of the spatial pattern and reconstructing (two-dimensional interpolation) of its shape.

Способ осуществляется следующим образом:The method is carried out as follows:

На начальном этапе выполняются наблюдения выбранного для восстановления формы ДН НКА. Сеансы наблюдений заключаются в сопровождении аппарата каждой антенной системой из состава комплекса во время его прохождения в зоне видимости, «от горизонта до горизонта», и непрерывном измерении мощности навигационных сигналов НКА. Наблюдения длятся на протяжении одного интервала повторяемости трасс прохождения НКА (приблизительно 8 суток для ГНСС ГЛОНАСС, см. Интерфейсный контрольный документ ГНСС ГЛОНАСС, http://russianspacesystems.ru/bussines/navigation/glonass/interfeysnyy-kontrolnyy-dokument/). Антенные системы функционируют независимо друг от друга, время сеансов наблюдений НКА рассчитывается отдельно для каждой антенны от момента вхождения НКА в ее зону видимости до момента выхода из нее. В результате последующей обработки сечения диаграммы направленности НКА, полученные в результате наблюдений с нескольких разнесенных пунктов, дополняют друг друга.At the initial stage, observations of the NSA selected to restore the shape of the DN are carried out. Observation sessions consist in the accompaniment of the apparatus by each antenna system from the complex during its passage in the visibility zone, "from horizon to horizon", and continuous measurement of the power of the navigation signals of the satellite. Observations last for one repeat interval of the NSV routes (approximately 8 days for GLONASS GNSS, see the GLONASS GNSS Interface Control Document, http://russianspacesystems.ru/bussines/navigation/glonass/interfeysnyy-kontrolnyy-dokument/). Antenna systems operate independently of each other, the time of NSV observation sessions is calculated separately for each antenna from the moment the NSA enters its visibility zone until the moment it leaves it. As a result of the subsequent processing, the cross-sections of the directional pattern of the satellite, obtained as a result of observations from several spaced points, complement each other.

На следующем этапе проводится нормировка и коррекция результатов измерений сигнала с учетом изменяющегося расстояния между НКА и измерительным комплексом, а также с учетом ослабления в атмосфере. Координаты НКА в геоцентрической системе координат за интересующий период наблюдений известны (Электронный ресурс URL: ftp://ftp.glonass-iac.ru/MCC/PRODUCTS/) или могут быть получены расчетным способом. Определить ослабление параметры трассы распространения позволяет специализированная аппаратура - радиометры водяного пара. Радиометры сопровождают НКА одновременно с антенной системой и оперативно оценивают ослабление радиосигнала в атмосфере на частотах 20,7 и 31,4 ГГц, затем эти данные пересчитываются в навигационный диапазон через математический аппарат модели распространения радиоволн в атмосфере (так называемая «модель Либе», см. H.J. Liebe МРМ - An atmospheric millimeter-wave propagation model // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 1989, V. 10, No. 6, P. 631-650).At the next stage, the normalization and correction of the signal measurement results is carried out taking into account the changing distance between the satellite and the measuring complex, as well as taking into account the attenuation in the atmosphere. The coordinates of the satellite in the geocentric coordinate system for the period of interest are known (Electronic resource URL: ftp://ftp.glonass-iac.ru/MCC/PRODUCTS/) or can be obtained by calculation. The attenuation parameters of the propagation path can be determined using specialized equipment - water vapor radiometers. Radiometers accompany the satellite simultaneously with the antenna system and quickly assess the attenuation of the radio signal in the atmosphere at frequencies of 20.7 and 31.4 GHz, then these data are converted into the navigation range through the mathematical apparatus of the model of radio wave propagation in the atmosphere (the so-called "Liebe model", see. HJ Liebe MPM - An atmospheric millimeter-wave propagation model // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 1989, V. 10, No. 6, P. 631-650).

Положение НКА (ракурс) относительно каждой измерительной антенны описывается правой тройкой ортов локальной системы координат, связанной с центром масс НКА. Угловая ориентация ортов может быть однозначно определена по координатам центров масс Солнца, Земли и самого НКА (см. напр. О. Montenbruck, R. Schmid, F. Mercier, P. Steigenberger, C. Noll, R. Fatkulin, S. Kogure, A.S. Ganeshan GNSS satellite geometry and attitude models // Advances in Spaces Research. - V. 56 (2015), №6. - P. 1015-1029). Затем известными методами выполняется преобразование координат каждой из антенн из геоцентрической системы координат в локальную систему координат, связанную с центром масс НКА. После этого результаты измерений мощности несколькими антеннами выстраиваются в виде криволинейных сечений амплитудной диаграммы направленности. Получившийся «остов» из опорных точек амплитудной ДН НКА интерполируется линейным методом.The position of the satellite (view) relative to each measuring antenna is described by the right-hand triplet of unit vectors of the local coordinate system associated with the center of mass of the satellite. The angular orientation of the unit vectors can be unambiguously determined by the coordinates of the centers of mass of the Sun, Earth and the NSA itself (see, for example, O. Montenbruck, R. Schmid, F. Mercier, P. Steigenberger, C. Noll, R. Fatkulin, S. Kogure, AS Ganeshan GNSS satellite geometry and attitude models // Advances in Spaces Research. - V. 56 (2015), No. 6. - P. 1015-1029). Then, using known methods, the coordinates of each of the antennas are converted from the geocentric coordinate system to the local coordinate system associated with the center of mass of the satellite. After that, the results of power measurements by several antennas are lined up in the form of curvilinear sections of the amplitude radiation pattern. The resulting "skeleton" from the reference points of the amplitude pattern of the NSA is interpolated by a linear method.

На Фиг. 1 Ниже приведены результаты работ по оценке параметров амплитудной диаграммы направленности НКА ГНСС ГЛОНАСС криволинейные сечения амплитудной ДН НКА в диапазоне частот L3 (а), форма амплитудной ДН НКА в диапазоне частот L3 (б).FIG. 1 Below are the results of work on the assessment of the parameters of the amplitude pattern of the NSA GNSS GLONASS curvilinear sections of the amplitude BP of the NSA in the frequency range L3 (a), the shape of the amplitude BP of the NSA in the frequency range L3 (b).

Предложенный способ позволяет оценить форму амплитудной ДН НКА по результатам наземных измерений мощности навигационных сигналов, полученных при помощи нескольких антенных систем, а также по результатам измерений параметров трассы распространения радиосигнала.The proposed method makes it possible to estimate the shape of the NSA amplitude pattern based on the results of ground measurements of the power of navigation signals obtained using several antenna systems, as well as from the results of measurements of the parameters of the radio signal propagation path.

Claims

The method for determining the shape of the amplitude radiation pattern of the antenna system of a navigation spacecraft consists in measuring the power of the navigation signal with large-aperture antenna systems and attenuation of the navigation signal along the propagation path at several points, their joint processing and compensation for signal attenuation along the path, determining the perspective of the spacecraft relative to large-aperture antennas, transforming coordinates of antennas into the local coordinate system associated with the center of mass of the spacecraft, construction of curvilinear sections of the directional diagram of the antenna system of the spacecraft and their two-dimensional interpolation.