RU2801257C1 - Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земной станции и излучающей опорной реперной станции - Google Patents
Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земной станции и излучающей опорной реперной станции Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801257C1 RU2801257C1 RU2023104347A RU2023104347A RU2801257C1 RU 2801257 C1 RU2801257 C1 RU 2801257C1 RU 2023104347 A RU2023104347 A RU 2023104347A RU 2023104347 A RU2023104347 A RU 2023104347A RU 2801257 C1 RU2801257 C1 RU 2801257C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oka
- pprts
- spacecraft
- frequency
- iors
- Prior art date
Links
Abstract
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 Δfk между излученным и принятым тестовым радиосигналом ППРТС после его ретрансляции основным КА, измерение в ППРТС за счет корреляционной обработки радиосигналов значений разности частот ΔfH 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.
Description
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 ΔfH 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 xK, yK, zK, 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 fK, 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 fK 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 fH, 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 xIn, yIn, zIn, 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 xK, yK, zK, координат x2, y2, z2 и ортогональных составляющих вектора скорости СКА в момент времени t0, координат не менее одной ЗС xIn, yIn, zIn 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 fn.
На основе известных координат ППРТС xK, yK, zK, ИОРС xH, yH, zH, ЗС xIn, yIn, zIn 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 xK, yK, zK, ИОРС xH, yH, zH, ЗС xIn, yIn, zIn 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 fn, номиналам частот излучаемого ИОРС тестового радиосигнала fH и его принятой в ППРТС копией послеретрансляции ОКА, рассчитанным расстояниям от ППРТС К, ИОРС Н и n-х ЗС fn до ОКА, рассчитанному значению радиальной скорости ОКА относительно ППРТС.
Значения номиналов излучаемых частот fH и fK 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 xK, yK, zK, ИОРС Н на позиции с известными координатами xH, ун, zH, СКА S2 с известными координатами х2, у2, z2 и ортогональными составляющими вектора скорости в момент времени t0, а также ЗС In размещенных на земной поверхности на позициях с известными координатами xIn,yIn,zIn, 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 I1.
Система определения ортогональных составляющих вектора скорости ОКА в момент времени t0 содержит: ППРТС К с известными координатами xK, yK, zK, ИОРС Н с известными координатами xH, yH, zH, СКА S2 с известными координатами x2, y2, z2 и ортогональными составляющими вектора скорости в момент времени t0, а также N≥1 выбранных ЗС In (см. фиг. 1) на позициях с известными координатами xIn, yIn, zIn, излучающие радиосигналы в направлении ОКА и СКА.
Для каждой 77-й ЗС возможно ввести обозначения: - расстояния между ОКА S1 и n-й ЗС In; - расстояния между СКА S2 и n-й ЗС In; радиальные скорости ОКА S1 в направлении n-ю ЗС In, - радиальные скорости СКА S2 в направлении n-ю ЗС In 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 In.
Кроме того, в настоящем изобретении используют значения номиналов частот и принятого тестового радиосигнала, предварительно излученного ИОРС Н на частоте fH, после его ретрансляции ОКА S1 и СКА S2 соответственно и значение номинала частоты принятого тестового радиосигнала K - предварительно излученного ППРТС К на частоте fK, 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 In 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 xK, yK, zK, координат x2, у2, z2 и ортогональных составляющих вектора скорости СКА S2 в момент времени t0, координат ЗС xIn, yIn, zIn рассчитывают значения радиальных скоростей СКА относительно каждой из n-й ЗС In и ППРТС К соответственно.
На основе известных координат ППРТС xK, yK, zK, координат x2, у2 z2 и ортогональных составляющих вектора скорости СКА S2 в момент времени t0, координат ИОРС Н xH, yH, zH 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 fK 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 In 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 fn.
Вычисляют ортогональные составляющие вектора скорости ОКА по известным координатам ППРТС xK, yK, zK, координатам ЗС xIn, yIn, zIn, координатам ИОРС Н xH, yH, zH, рассчитанным координатам ОКА х1, у1, z1, заданной частоте сдвига рабочей частоты ОКА известным частотам излучаемых тестовых радиосигналов с помощью ИОРС fH и ППРТС fK, измеренными номиналам частот и рассчитанным значениям номиналов частот излучаемых каждой n-й ЗС fn, рассчитанным расстояниям. от ИОРС Н, n-х ЗС In 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 fH и ППРТС fK 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 F1,…, 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…f7.
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 I1, 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 In от которой зависит точность определения координат ОКА х1,у1, z1. 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 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 RHK - Расстояние RHK 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 In, размещенной на позиции с известными координатами и ИОРС размещенную на позиции с известными координатами xH,yH, zH (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 In 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 fH - 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 fK 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 fK - 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 xK, yK, zK; 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 xH, yH, zH, 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 fK; 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.
Claims (3)
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 xK, уK, zK, 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 fK, 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 fK 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 fH, 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 хIn, yIn, zIn, 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 хk, уK, zk, координат х2, y2, z2 и ортогональных составляющих вектора скорости СКА в момент времени t0, координат не менее одной ЗС хIn, yIn, zIn 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 fn, на основе известных координат ППРТС хK, уK, zK, ИОРС хH, уH, zH, ЗС хIn, уIn, zIn 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 хK, уK, zK, ИОРС хH, yH, zH, ЗС хIn, уIn, zIn 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 fn, номиналам частот излучаемого ИОРС тестового радиосигнала fH и его принятой в ППРТС копией после ретрансляции ОКА, рассчитанным расстояниям от ППРТС K, ИОРС Н и n-х ЗС In до ОКА, рассчитанному значению радиальной скорости ОКА относительно ППРТС.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значения номиналов излучаемых частот fH и fK и тестовых радиосигналов входят в диапазоны частот на линии "вверх" для ОКА и СКА.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2801257C1 true RU2801257C1 (ru) | 2023-08-04 |
Family
ID=
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5878034A (en) * | 1996-05-29 | 1999-03-02 | Lockheed Martin Corporation | Spacecraft TDMA communications system with synchronization by spread spectrum overlay channel |
| US5995039A (en) * | 1996-09-20 | 1999-11-30 | The Johns Hopkins University | Method and apparatus for precise noncoherent doppler tracking of a spacecraft |
| EP1361457A1 (en) * | 2002-05-07 | 2003-11-12 | Zelinda Ltd | System and method for performing space vehicle range-rate measurements |
| WO2010010143A3 (en) * | 2008-07-24 | 2010-04-22 | Ses Astra S.A. | Spacecraft position estimating system and method |
| RU2526401C1 (ru) * | 2013-05-07 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Способ радиотехнических доплеровских угломерных измерений космического аппарата и система для осуществления данного способа |
| RU2599984C1 (ru) * | 2015-07-07 | 2016-10-20 | Закрытое акционерное общество "Радиотехнические и Информационные Системы воздушно-космической обороны" (ЗАО "РТИС ВКО") | Разностно-дальномерный способ и наземно-космическая система измерения пространственных координат летательных аппаратов по сигналам радиоизлучения их бортового радиоэлектронного оборудования |
| RU2749456C1 (ru) * | 2020-08-11 | 2021-06-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальный Технологический Центр" | Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу |
| RU2750983C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-07-07 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Способ определения ортогональных составляющих векторов скоростей и способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций |
| RU2788518C1 (ru) * | 2021-12-28 | 2023-01-23 | 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 | Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции |
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5878034A (en) * | 1996-05-29 | 1999-03-02 | Lockheed Martin Corporation | Spacecraft TDMA communications system with synchronization by spread spectrum overlay channel |
| US5995039A (en) * | 1996-09-20 | 1999-11-30 | The Johns Hopkins University | Method and apparatus for precise noncoherent doppler tracking of a spacecraft |
| EP1361457A1 (en) * | 2002-05-07 | 2003-11-12 | Zelinda Ltd | System and method for performing space vehicle range-rate measurements |
| WO2010010143A3 (en) * | 2008-07-24 | 2010-04-22 | Ses Astra S.A. | Spacecraft position estimating system and method |
| RU2526401C1 (ru) * | 2013-05-07 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Способ радиотехнических доплеровских угломерных измерений космического аппарата и система для осуществления данного способа |
| RU2599984C1 (ru) * | 2015-07-07 | 2016-10-20 | Закрытое акционерное общество "Радиотехнические и Информационные Системы воздушно-космической обороны" (ЗАО "РТИС ВКО") | Разностно-дальномерный способ и наземно-космическая система измерения пространственных координат летательных аппаратов по сигналам радиоизлучения их бортового радиоэлектронного оборудования |
| RU2749456C1 (ru) * | 2020-08-11 | 2021-06-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальный Технологический Центр" | Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу |
| RU2750983C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-07-07 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Способ определения ортогональных составляющих векторов скоростей и способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций |
| RU2788518C1 (ru) * | 2021-12-28 | 2023-01-23 | 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 | Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЦИМБАЛ М.С. Определение скорости космического аппарата в негеостационарных системах персональной спутниковой связи // Журнал "Космические аппараты и технологии". Том 2, N4 (26), 2018 г., с. 198-203. СЕВИДОВ В.В., ЧЕМАРОВ А.О. Определение координат спутников-ретрансляторов в разностно-дальномерной системе геолокации // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. N 3, 2015 г., с. 41-47. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2708883C1 (ru) | Способ определения параметров орбиты искусственного спутника земли с использованием приемо-передающих опорных реперных станций | |
| RU2702098C1 (ru) | Способ определения параметров орбиты искусственного спутника земли с использованием приемных опорных реперных станций | |
| US9075126B2 (en) | Ground location inertial navigation geopositioning system (groundlings) | |
| RU2508558C2 (ru) | Система и способ оценки положения космического аппарата | |
| RU2593274C2 (ru) | Способ и система для определения временных изменений при повторной передаче и распространении сигналов, используемых для измерения расстояний, синхронизирования исполнительных механизмов и выполнения геопривязки | |
| RU2652603C1 (ru) | Способ определения параметров орбиты искусственного спутника земли | |
| US11821997B2 (en) | Techniques for determining geolocations | |
| US20160041267A1 (en) | Orbital Determination (OD) Of Geosynchronous Satellites | |
| KR20150110309A (ko) | 위성 컨스텔레이션을 이용한 간섭 지리위치 지정 시스템 및 방법 | |
| AU2012245010A1 (en) | Process and system to determine temporal changes in retransmission and propagation of signals used to measure distances, syncronize actuators and georeference applications | |
| US3643259A (en) | Navigation satellite system employing time synchronization | |
| RU2801257C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земной станции и излучающей опорной реперной станции | |
| RU2525343C1 (ru) | Способ одновременного определения шести параметров движения космического аппарата при проведении траекторных измерений и система для его реализации | |
| RU2788518C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции | |
| RU2791153C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих векторов скорости двух космических аппаратов с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции | |
| Sweeney et al. | Enabling Mars radio occultation by smallsats | |
| RU2787890C1 (ru) | Способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции | |
| WO2008054482A2 (en) | Solar system positioning system | |
| RU2749878C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих векторов скоростей и способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций | |
| RU2750983C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих векторов скоростей и способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций | |
| RU2750753C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости и способ определения координат космического аппарата с использованием земных станций | |
| RU2750228C1 (ru) | Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости и способ определения координат космического аппарата с использованием земных станций | |
| Park et al. | Evolution of PAU/PARIS End-to-end Performance Simulator (P 2 EPS) towards GNSS reflectometry, radio occulation and Scatterometry simulator (GEROS-SIM) | |
| RU2803662C1 (ru) | Способ определения координат космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции | |
| RU2805667C1 (ru) | Способ определения координат космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции |