УГЛОМЕСТНО-ВРЕМЕННАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ АВАРИЙНОГО ОБЪЕКТА
ELEVATION-TIME DOPPLER SYSTEM FOR DETECTION OF EMERGENCY OBJECT COORDINATES

Предлагаемая система относится к космической технике и может быть использована на космических аппаратах, находящихся на орбите искусственного спутника Земли, кроме геостационарной, стабилизируемых вращением вдоль вертикальной оси, и наземном пункте управления.
Известны способ и системы, использующие космические аппараты для определения местоположения аварийных объектов (патенты РФ №№ 2.027.195, 2.040.860, 2.059.423, 2.158.003, 2.174.092, 2.177.437, 2.201.601, 2.206.902, 2.240.950; патенты США №№ 4.161.730, 5.860.842; патенты Германии №№ 4.311.473, 4.322.288; Скубко Р.А. и др. Спутник у штурвала. - Л.: Судостроение, 1989. -168 с. и другие).
Из известных способов и систем наиболее близкой к предлагаемой системе является система, реализующая «Угломестно-временной доплеровский способ определения координат аварийного объекта» (патент РФ № 2.174.092, В64G 1/10, 1999), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система позволяет одновременно определить координаты аварийного объекта, сократить время его поиска, увеличить площадь просматриваемой поверхности Земли за счет сканирования приемной диаграммы направленности, увеличить соотношение сигнал/шум в приемной радиолинии за счет использования приемных антенн с узкой диаграммой направленности.
При этом на аварийном объекте размещается передатчик сигналов, обладающий высокой стабильностью частоты. На борту КА размещается измерительное устройство, имеющее в своем составе высокостабильный эталон частоты, частота которого равна частоте аварийного передатчика или отличается от нее на строго фиксированную величину. Сравнение частоты принимаемых колебаний с частотой эталона позволяет установить величину доплеровского смещения частоты и по нему определить радиальную скорость.
Однако потенциальные возможности известной системы используются не в полной мере. Данную систему можно использовать и для управления сбросом информации с космического аппарата на наземный пункт управления и уточнения элементов орбиты космического аппарата.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем управления сбросом информации с КА на наземный пункт управления и уточнения элементов орбиты КА.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемая угломестно-временная доплеровская система определения координат аварийного объекта, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, передатчик аварийного объекта и космический аппарат, ось вращения которого отклонена от местной вертикали, состоящий из корпуса, импульсного инфракрасного датчика горизонта, размещенного на одной оси противоположно приемной антенне, механическая ось которой не совпадает с осью вращения космического аппарата, и бортовой аппаратуры, содержащей последовательно подключенные к приемной антенне приемное устройство, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первый измеритель частоты Доплера, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, устройство сравнения, блокинг-генератор, первую схему И, второй вход которой соединен с вторым выходом приемного устройства, вторую схему И, второй вход которой соединен с вторым выходом блокинг-генератора, первый вентиль, второй вход которого через счетчик импульсов соединен с выходом импульсного инфракрасного датчика горизонта и генератора импульсов, схему коммутации, запоминающее устройство, передатчик, второй вход которого соединен с вторым выходом схемы коммутации, и передающая антенна, при этом к третьему выходу задающего генератора последовательно подключены временное устройство и второй вентиль, второй вход которого соединен с вторым выходом второй схемы И, а выход подключен к входу схемы коммутации, отличается от ближнего аналога тем, что она снабжена наземным пунктом управления, состоящим из последовательно включенных генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, третьего усилителя мощности, третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, усилителя третьей промежуточной частоты, удвоителя фазы, первого узкополосного фильтра, делителя фазы на два, второго узкополосного фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя третьей промежуточной частоты, и вычислительного блока, из последовательно подключенных к выходу второго узкополосного фильтра четвертого смесителя, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора высокой частоты, третьего узкополосного фильтра и второго измерителя частоты Доплера, выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока, бортовая аппаратура космического аппарата снабжена усилителем высокой частоты, вторым гетеродином, вторым смесителем, усилителем второй промежуточной частоты и амплитудным детектором, причем передатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу запоминающего устройства ключа, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, формирователя модулирующего кода, второй вход которого соединен с вторым выходом схемы коммутации, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и второго усилителя мощности, выход которого соединен с передающей антенной, к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты и амплитудный детектор.
Геометрические схемы расположения КА и аварийного объекта представлены на фиг.1 и 2. Структурные схемы бортовой аппаратуры КА и наземного пункта управления представлены на фиг.3. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов по частоте, изображена на фиг.4.
Временные диаграммы, поясняющие работу системы, показаны на фиг.6. Зависимость доплеровской частоты от времени изображена на фиг.5.
Аппаратура, размещенная на борту космического аппарата, ось вращения которого отклонена от местной вертикали, содержит корпус 1, инфракрасный датчик 2 горизонта, размещенный на одной оси противоположно приемной антенне 3, механическая ось которой не совпадает с осью вращения космического аппарата, и последовательно подключенные к приемной антенне 3 приемное устройство 5, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 19, измеритель 6 частоты Доплера, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора 19, заторможенный блокинг-генератор 7, схема И 8, второй вход которой соединен с вторым выходом приемного устройства 5, схема И 9, второй вход которой соединен с выходом блокинг-генератора 7, первый вентиль 10, второй вход которого через счетчик 13 импульсов соединен с выходом датчика 2 горизонта и генератора 12 импульсов, схема 14 коммутации, магнитное запоминающее устройство 15, ключ 33, формирователь 34 модулирующего кода, второй вход которого соединен с вторым выходом схемы 14 коммутации, фазовый манипулятор 35, второй вход которого соединен с выходом усилителя 31 второй промежуточной частоты, второй усилитель 36 мощности и передающая антенна 17, к третьему выходу задающего генератора 19 последовательно подключены временное устройство 18 и второй вентиль 11, второй вход которого соединен со вторым выходом схемы И 9, а выход подключен к второму входу схемы 14 коммутации, к выходу приемной антенны 3 последовательно подключены усилитель 28 высокой частоты, второй смеситель 30, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 29, усилитель 31 второй промежуточной частоты и амплитудный детектор 32, выход которого соединен с вторым входом ключа 33. Ключ 33, формирователь 34 модулирующего кода, фазовый манипулятор 35 и второй усилитель 36 мощности образуют передатчик 16.
Аппаратура, размещенная на наземном пункте управления, содержит последовательно включенные генератор 21 высокой частоты, первый смеситель 23, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 22, усилитель 24 первой промежуточной частоты, первый усилитель 25 мощности, дуплексер 26, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 27, третий усилитель 37 мощности, третий смеситель 39, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 38, усилитель 40 третьей промежуточной частоты, удвоитель 41 фазы, первый узкополосный фильтр 42, делитель 43 фазы на два, второй узкополосный фильтр 44, фазовый детектор 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 40 третьей промежуточной частоты, и вычислительный блок 49, последовательно подключенные к выходу второго узкополосного фильтра 44 четвертый смеситель 46, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора 21 высокой частоты, третий узкополосный фильтр 47 и второй измеритель 48 частоты Доплера, выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока 49.
Предлагаемая система работает следующим образом.
Поступательное движение КА, ось вращения которого отклонена от местной вертикали, обеспечивает перемещение линии сканирования диаграммы направленности приемной антенны 3 и последовательный просмотр полосы на поверхности Земли вдоль орбиты КА. Частота вращения КА выбирается из условия просмотра поверхности Земли без пропуска. Выбирается такая приемная антенна, чтобы ось диаграммы направленности совпадала с механической осью антенны. Для устранения неоднозначности механическая ось приемной антенны 3 КА сдвигается относительно оси вращения на угол β, равный ширине диаграммы направленности приемной антенны 3.
В исходном состоянии до попадания сигнала с передатчика 20 аварийного объекта в диаграмму направленности приемной антенны 3 на выходе приемного устройства 5 сигнал отсутствует. На выходе схемы И 8 - нуль. Схема совпадения И 9 закрыта, на ее выходах также нуль. Импульсный инфракрасный датчик 2 горизонта в момент пересечения трассы КА вырабатывает импульс, который обнуляет счетчик 13 импульсов. С выхода генератора 12 импульсов импульсы поступают на счетчик 13. Вентили 10, 11 закрыты.
При появлении сигнала с передатчика 20 аварийного объекта в полосе земной поверхности, просматриваемой диаграммой направленности приемной антенны 3, появляется сигнал на выходе приемного устройства 5. На выходе схемы И 8 - единица.
При достижении значения частоты Доплера на выходе измерителя 6, равного нулю, открывается устройство 4 сравнения и запускается заторможенный блокинг-генератор 7, на выходах схем И 9 появляется единица. Вентили 10, 11 открываются. В этом случае механическая ось приемной антенны 3 находится в точке траверза. В этот момент измеряется значение угла α между осью датчика 2 горизонта и положением механической оси приемной антенны 3. Измерения привязываются к бортовому временному устройств 18 и записываются в магнитное запоминающее устройство 15 через схему 14 коммутации в виде количества импульсов, находящихся в счетчике 13.
1
2
Координата подспутниковой точки в момент измерений вычисляется. Измерения проводятся не менее двух раз. По координатам двух подспутниковых точек и двум измеренным углам α и α между механической осью приемной антенны 3 КА и осью датчика 2 горизонта определяется местоположение аварийного объекта.
При срабатывании импульсного датчика 2 горизонта система возвращается в исходное состояние.
При появлении КА в зоне приема на наземном пункте управления включается генератор 21 высокой частоты, который формирует высокочастотное колебание (фиг.6, а)
с
с
с
с
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания.
Это колебание поступает на первый вход первого смесителя 23, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 22
На выходе смесителя 23 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 24 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
где
1
K - коэффициент передачи смесителя;
пр1
с
г1
1
ω=ω+ω=ω - первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
с
г1
φ=φ+φ,
1
пр1
которое после усиления в усилителе 25 мощности через дуплексер 26 поступает в приемопередающую антенну 27, излучается в эфир на частоте ω=ω, улавливается приемной антенной 3 КА и через усилитель 28 высокой частоты поступает на первый вход второго смесителя 30, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 29
На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 31 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.6, б)
где
пр2
пр1
г2
2
ω=ω-ω=ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр2
пр1
г2
φ=φ-φ,
пр2
1
2
которое поступает на вход амплитудного детектора 32 и на первый вход фазового манипулятора 35. Амплитудный детектор 32 выделяет огибающую напряжения U(t), которая поступает на управляющий вход ключа 33 и открывает его. В исходном состоянии ключ 33 всегда закрыт. При этом информация о значении углов α, α и времени измерения, записанная в магнитное запоминающее устройство 15, через открытый ключ 33 поступает на вход формирователя 34, где формируется модулирующий код M(t) (фиг.6, в).
Этот код подается на второй вход фазового манипулятора 35, на выходе которого образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.6, г)
k
k
э
э
э
где φ(t)={0,π}- манипулированная составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.6, в), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,...,N);
э
с
с
э
2
пр2
д
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сложный сигнал длительностью Т (Т=Nτ). Данный сигнал усиливается по мощности в усилителе 36 мощности и излучается передающей антенной 17 в эфир на частоте ω=ω±Ω, улавливается приемопередающей антенной 27 и через дуплексер 26 и усилитель 37 мощности поступает на первый вход третьего смесителя 39
д
где Ω - доплеровское смещение частоты;
знак «плюс» соответствует сближению приемника и передатчика, «минус» - удаление, т.е. знак определяет направление вектора радиальной скорости.
На второй вход третьего смесителя 39 подается напряжение третьего гетеродина 38
На выходе смесителя 39 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 40 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты (фиг.6, д)
где
пр3
г3
пр2
с
ω=ω-ω=ω - третья промежуточная (разностная) частота;
пр3
г3
пр2
с
φ=φ-φ=φ
пр3
Это напряжение представляет собой сложный ФМн-сигнал на третьей промежуточной частоте ω и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 45 и на вход удвоителя 41 фазы.
На выходе удвоителя 41 фазы образуется гармоническое напряжение (фиг.6, е)
где
2
K - коэффициент передачи перемножителя (в качестве удвоителя 41
пр3
фазы используется перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение u(t)),
k
в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, так как 2φ(t)={0,2π}.
c
э
c
э
2
с
2
с
с
2
Ширина спектра Δf сложного ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок (Δf=1/τ). Тогда как ширина спектра Δf его второй гармоники определяется длительностью сигнала Т (Δf=1/Т). Следовательно, при умножении фазы на два широкополосного ФМн-сигнала его спектр сворачивается в N раз (Δf/Δf=N).
3
Гармоническое напряжение u(t) выделяется узкополосным фильтром 42 и поступает на вход делителя 43 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.6, ж)
Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 44 и поступает на первый вход четвертого смесителя 46 и на второй (опорный) вход фазового детектора 45. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение (фиг.6, з)
где
3
К - коэффициент передачи фазового детектора,
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.6, в). Это напряжение поступает на первый вход вычислительного блока 49.
c
На второй вход смесителя 46 подается высокочастотное колебание u(t) с второго выхода генератора 21. На выходе смесителя 46 образуется низкочастотное напряжение
где
которое пропорционально доплеровскому смещению частоты, выделяется узкополосным фильтром 47 и подается на вход измерителя 48 частоты Доплера. Измеряемое значение частоты Доплера поступает на второй вход вычислительного блока 49.
1
2
В вычислительном блоке 49 по координатам двух подспутниковых точек и двух измеренных углов α и α однозначно определяется местоположение аварийного объекта.
В вычислительном блоке 49 рассчитываются также элементы орбиты КА. Доплеровская частота определяется на основании соотношения
где
с
λ - рабочая длина волны;
r - текущее расстояние между КА и наземным пунктом управления.
Если вести отсчет времени от момента прохода КА точки траверза, то текущее расстояние равно (фиг.5)
0
где r - кратчайшее расстояние между КА и наземным пунктом управления;
V - скорость движения КА по орбите.
Подстановка (2) в (1) дает
0
с
Зависимость доплеровской частоты от времени, рассчитанная по формулу (3) при условии, что V=7,9 км/с, r=500 км и λ=3 м, приведена на фиг.5(а, б)
Как видно, эта зависимость представляет собой монотонно убывающую функцию времени, причем при неограниченном возрастании абсолютного значения t обе ветви этой кривой стремятся к одинаковому, но разному по знаку пределу.
На линейном участке вблизи точки перегиба  и тогда (фиг.5)
Дифференцируя (4) по времени, можно найти выражение для производной от доплеровской частоты
с
д
Из последнего выражения следует, что зная скорость V и длину волны λ, а также измерив производную F', можно найти кратчайшее расстояние
Указанные вычисления осуществляются в вычислительном блоке 49. Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает управление сбросом информации с космического аппарата на наземный пункт управления и уточнение элементов орбиты космического аппарата. При этом используется запросный метод измерения радиальной скорости КА, особенностью которого является необходимость развязки запросного и ответного сигналов, которая достигается разносом их по частоте.
Поскольку при запросном методе измерения радиальной скорости опорные колебания смесителей приемника и сигнал передатчика формируются общим генератором 21 высокой частоты, то на точности измерения существенно сказывается лишь уход частоты этого генератора за время распространения сигнала до КА и обратно. Высокая кратковременная стабильность частоты генератора 21 обеспечивается проще, чем высокая долговременная стабильность эталонных генераторов в беззапросных системах. Поэтому в запросных системах такая же точность измерения, как и в беззапросных, может быть получена при использовании более простых (кварцевых) генераторов. Тем самым функциональные возможности системы расширены.