СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ДВУХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ И ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ОПОРНОЙ РЕПЕРНОЙ СТАНЦИИ
METHOD FOR DETERMINING THE COORDINATES OF TWO SPACE VEHICLES USING EARTH STATIONS AND A RADIANT REFERENCE STATION

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);
0
принимают и записывают радиосигналы КА совместно с метками времени с помощью ПРТС и указанных ПОРС в момент времени t;
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);
0
в момент времени t 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;
0
n
In
In
In
принимают в момент времени t с помощью НРТС радиосигналы, переданные выбранными земными станциями (ЗС) I, размещенными на позициях с известными координатами x, y, z, где n=1…N - номер ЗС, N≥6;
n
для каждой n-й ЗС I 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.
K
K
K
0
1
1
1
2
2
2
0
н
H
h
0
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 x, y, z, 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 t с помощью ПРТС радиосигналов, переданных земными станциями и ретранслированных ОКА и СКА, вычисление на основе временных задержек радиосигналов системы координат ОКА х, у, z и СКА х, у, z в момент времени t, дополнительно устанавливают на земной поверхности ИОРС на позиции с известными координатами х, y, z, принадлежащими одновременно зонам покрытия ОКА и СКА в момент времени t.
0
Излучают в момент времени t 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 .
In
In
In
n
n
n
Для каждой ЗС с известными координатами x, y, z, где n=1…N - номер ЗС, N≥4, измеряют в ПРТС с использованием корреляционной обработки радиосигналов значения временной задержки Δt между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно. Кроме того, для каждой ЗС рассчитывают разницу длин ΔR траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС на основе измеренных временных задержек Δt.
n
K
K
K
In
In
In
н
н
h
1
1
1
2
2
2
Используя рассчитанные длины траектории ИОРС - ОКА - ПРТС и ИОРС - СКА - ПРТС, рассчитанные разницы длин ΔR траекторий n-я ЗС - ОКА - ПРТС и n-я ЗС - СКА - ПРТС, известные координаты ПРТС x, y, z, ЗС x, y, z и ИОРС х, у, z, вычисляют координаты ОКА x, y, z и СКА х, y, z.
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.
H
Значение номинала излучаемой частоты ƒ тестового радиосигнала входит в диапазоны частот линии "вверх" для ОКА и СКА.
K
K
K
H
н
H
n
In
In
In
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков, за счет использования ПРТС на позиции с известными координатами x, y, z, ИОРС на позиции с известными координатами x, у, z, а также ЗС I, размещенных на земной поверхности на позициях с известными координатами x, y, z, 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:
1
1
1
0
каноническими параметрами КА, включающими координаты КА х, у, z и ортогональные составляющие вектора его скорости  в начальный момент времени t,
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.
1
2
3
4
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 I 6.2 - вторая ЗС I; 6.3 - третья ЗС I; 6.4 - четвертая ЗС I.
1
1
1
2
2
2
0
K
K
K
H
H
H
n
In
ln
In
Система определения координат ОКА x, y, z и СКА х, у, z в момент времени t содержит: ПРТС K с известными координатами x, y, z, ИОРС Н с известными координатами x, y, z, а также N≥4 выбранных ЗС I, n=1…N (см. фиг. 1) на позициях с известными координатами x, y, z, излучающие радиосигналы в направлениях на ОКА и СКА.
1
n
2
n
1
2
Для каждой n-й ЗС возможно ввести обозначения:  - расстояния между ОКА S и n-й ЗС I;  - расстояния между СКА S и n-й ЗС I. Для ИОРС возможно ввести обозначения:  - расстояния между ОКА S и ИОРС H;  - расстояния между СКА S и ИОРС H.
1
1
1
2
2
2
На фиг. 1 помимо ИОРС H представлено четыре ЗС, как минимально необходимое количество ЗС для однозначного одномоментного определения координат ОКА x, y, z и СКА х, у, z по предлагаемому способу.
1
2
n
1
2
1
2
n
Основополагающей предпосылкой настоящего изобретения является наличие помимо ОКА S, через который организуется канал связи между земными станциями, СКА S, 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 Δt [6] между радиосигналами принятыми от ОКА S и СКА S, принятых радиосигналов после их ретрансляции ОКА S и СКА S соответственно для каждой из выбранных ЗС I. Кроме того, в настоящем изобретении используют значения временных задержек  и  между излученным и принятым тестовым радиосигналом ИОРС после его ретрансляции ОКА и СКА соответственно.
1
1
1
2
2
2
n
1
1
1
2
2
2
Заявленный способ определения координат ОКА x, y, z и СКА х, у, z 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 Δt между принятыми радиосигналами после их ретрансляции ОКА и СКА соответственно; расчет координат ОКА x, у, z и СКА х, у, z 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.
n
1
1
1
2
2
2
0
В качестве примера в приложении А представлен алгоритм определения координат ОКА и СКА с использованием четырех ЗС I и ИОРС Н. Выходными результатами представленного алгоритма выступают координаты ОКА x, y, z и СКА х, у, z в момент времени t.
н
1
12
На фиг. 3 в качестве примера представлена схема выбора ЗС, а также номинала частоты излучения тестового радиосигнала ИОРС ƒ с учетом диапазонов частот линии "вверх" ОКА  и СКА , а также диапазонов частот ЗС F…F, расположенных в районах зон покрытия ОКА  и СКА . По оси абсцисс на фиг. 5 отложены частоты ƒ, по оси ординат - амплитуды А.
1
11
3
12
3
11
1
9
1
7
Анализ схемы (фиг. 3) показывает, что в диапазон частот линии "вверх" ОКА  входят диапазоны частот ЗС F…F, а в диапазон частот линии "вверх" СКА  входят диапазоны частот F…F ЗС. Таким образом, одновременно в диапазоны частот линии "вверх" ОКА  и СКА, входят диапазоны частот ЗС F…F. На схеме (фиг. 5) введены обозначения указанных ЗС - I…I, а также значений номиналов их излучаемых частот - ƒ…ƒ.
н
11
В качестве номинала частоты излучения тестового радиосигнала ИОРС ƒ выбрана средняя частота диапазона F, поскольку, в диапазоны частот линии "вверх" для ОКА и СКА.
1
2
На фиг. 4 в качестве примера представлена схема выбора ЗС с учетом зон покрытия ОКА Ω и СКА Ω.
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
На фиг. 4 цифрами обозначены: 1.3 - зона покрытия ОКА Ω; 2.3 - зона покрытия ОКА Ω; 4 - ИОРС Н; 6.1 - первая ЗС I; 6.2 - вторая ЗС I; 6.3 - третья ЗС I; 6.4 - четвертая ЗС I; 6.5 - пятая ЗС I; 6.6 - шестая ЗС I; 6.7 - седьмая ЗС I, 6.8 - восьмая ЗС I; 6.9 - девятая ЗС I; 6.10 - десятая ЗС I; 6.11 - одиннадцатая ЗС I; 6.12 - двенадцатая ЗС I.
1
1
2
3
4
5
6
2
1
2
3
4
5
7
1
2
1
2
3
4
5
Анализ схемы (фиг. 4) показывает, что в зоне покрытия ОКА Ω находятся ЗС I, I, I, I, I, I и ИОРС H, а в зоне покрытия СКА Ω находятся ЗС I, I, I, I, I, I и ИОРС Н. Таким образом, одновременно в зонах покрытия ОКА Ω и СКА Ω находятся ЗС I, I, I, I, I и ИОРС Н.
n
1
1
1
2
2
2
n
При выборе ЗС учитывают топологию размещения всех ЗС I и ИОРС Н от которой зависит точность определения координат ОКА x, y, z и СКА x, y, z. Под топологией размещения ЗС I 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.
1
2
3
4
1
1
1
2
2
2
На фиг. 5 в качестве примера представлена схемы топологии размещения четырех ЗС I, I, I, I и ИОРС Н для определения координат ОКА х, у, z и СКА х, у, z. 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.
1
2
1
2
На фиг. 5 цифрами обозначены: 4 - ИОРС Н; 5 - линия горизонта; 6.1 - первая ЗС I, 6.2 - вторая ЗС I; 6.3 - третья ЗС I, 6.4 - четвертая ЗС I; 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 .
1
1
1
2
2
2
Имитационное моделирование на основе программ для ЭВМ [7, 8] заявленных способов показало возможность повышения точности определения координат ОКА х, у, z и СКА х, у, z 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.