Способ определения формы амплитудной диаграммы направленности антенной системы навигационного космического аппарата
METHOD FOR DETERMINING THE SHAPE OF AMPLITUDE DIRECTION PATTERN OF NAVIGATION SPACECRAFT ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к области радиотехники и в частности к способам определения характеристик антенн навигационных космических аппаратов (НКА).
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.
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.
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.
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.
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.
Способ осуществляется следующим образом:
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.
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).
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.
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).
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.