КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 5, с. 376-386
УДК 521.31
НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАУЧНОЙ МИССИИ
"РАДИОАСТРОН"
© 2014 г. М. В. Захваткин1, Ю. Н. Пономарев2, В. А. Степаньянц1, А. Г. Тучин1, Г. С. Заславский1
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва 2Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва
zakhvatkin@kiam1.rssi.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Разработан метод определения параметров орбиты обеспечивающий уточнение наряду с элементами орбиты ряда дополнительных параметров, характеризующих величину светового давления и возмущающих ускорений, возникающих при разгрузке маховиков. Описывается параметризованная модель возмущающего воздействия давления солнечной радиации на движение КА, учитывающая форму, отражающие свойства поверхности и ориентацию аппарата. Приводятся результаты определения орбиты путем совместной обработки радиотехнических измерений дальности и радиальной скорости, лазерных измерений дальности, использующихся как инструмент калибровки радиотехнических измерений, оптических измерений прямого восхождения и склонения, данных телеметрической информации о включении реактивных двигателей КА при разгрузке двигателей-маховиков.
Б01: 10.7868/80023420614050136
ТРЕБОВАНИЕ К ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ КА
Астрономические наблюдения с помощью
1
космического радиотелескопа (КРТ) и наземных радиотелескопов (НРТ) в составе радиоинтерферометра позволяют изучать радиоисточники с существенно большим угловым разрешением по сравнению с наземными РСДБ [1, 2]. Необходимая информация об угловом положении деталей изучаемого радиоисточника заключена в величине геометрической задержки т прихода волнового фронта на антенны интерферометра.
На рис. 1 изображены два радиотелескопа в составе интерферометра, один из которых находится на Земле, а второй на орбите ИСЗ. Оба радиотелескопа одновременно наблюдают один и тот же радиоисточник. Вектор Ь = г2 - г1 называется вектором базы.
Задержку т получают с помощью корреляционного анализа сигналов с двух телескопов. Принятый космическим радиотелескопом сигнал с помощью МШУ усиливается, затем с помощью соответствующего фильтра выделяется и его спектр когерентно переносится на промежуточную частоту (ПЧ) (496—528) МГц. Далее, опуская детали, спектр сигнала ПЧ переносится в видео-
1 Технические характеристики КРТ и последние новости по
состоянию проекта находятся на сайте http://www.asc.rs-si.ru/radioastron/index.html.
область (0—Д/,). Затем производится ограничение сигнала по нулевому уровню (клиппирование), временная дискретизация с шагом Atk = 1/(2Д/к) и преобразование в поток цифровых данных, который в режиме непосредственной передачи (НП) передается на станцию слежения (СС). Для миссии "РадиоАстрон" ширина полосы регистрации /к = 32 МГц.
В идеальном случае при дискретизации сигнала с шагом и при однобитовом квантовании радиосигнала на выходах двух радиотелескопов появились бы два идентичных битовых потока, сдвинутых на величину задержки т прихода фронта сигнала на эти телескопы. Так как относительное положение, скорость и ускорение КРТ и НРТ изменяются во времени, то на телескопах изменяются фазовые и частотные сдвиги, которые при корреляционной обработке необходимо компенсировать. Другими словами, для вычисления взаимной корреляционной функции потоки данных с КРТ и НРТ нужно привести в соответствие по времени и по частоте. Несоответствие по времени или задержка происходит из-за неодновременности прихода волнового фронта на антенны телескопов, а несоответствие по частоте возникает из-за допплеровского сдвига частот при относительной скорости движения антенн вдоль направления на радиоисточник.
Примем, что плоский волновой фронт монохроматического сигнала в момент t1 достигает
сначала НРТ и затем в момент 12 = t1 + т приходит на КРТ. Тогда
Направление на источник
ст = c(t2 - /1) = -b • s = -(Г2 - ii) • s,
(1)
где с — скорость света.
Для корреляционной обработки данных на-земно-космического интерферометра необходимо с высокой точностью знать на каждый момент времени базу интерферометра b, которая определяется как положением наземного радиотелескопа, так и положением КРТ. Для корреляционной обработки данных наблюдений слабых радиоисточников требуется когерентное накопление сигнала на интервале в десятки или даже сотни секунд. Это требует знания с высокой точностью не только скорости, но и ускорения КРТ. Допустимая ошибка по положению определяется техническими параметрами коррелятора (число каналов) и интервалом дискретизации сигнала на борту, а допустимые ошибки по скорости и ускорению определяются моментом рассинхрониза-ции. Если, например, при относительной радиальной скорости телескопов V = 3 км/с тактовая частота битового потока fk получит допплеров-
ское приращение 5/ = /kV « 640, то на длине вы-
с
борки f/5f = 105 тактов происходит сбой на 1 такт и, соответственно, возникнет потеря корреляции или рассинхронизация. Поэтому битовые потоки необходимо привести к одной тактовой частоте.
Сопоставление сигналов и вычисление задержки проводится на момент времени t1 прихода волнового фронта на антенну НРТ Положение КРТ на момент t2 можно получить путем разложения в ряд по степеням т
Г2(/2) = i2(ti) + I-2(ti)T + ГД)!2 + ... (2)
В результате корреляционной обработки определяется групповая задержка тг и частота интерференции fnt, связанные с фазой интерференционного отклика ф соотношениями
тг = Аф/flfoo, /ш = dф/dt, (3)
где ю0 = 2/ — циклическая частота наблюдаемого на КРТ сигнала. Групповая задержка т r = т + Ах включает как геометрическую задержку сигнала т, так и дополнительную задержку Дт сигнала, которая зависит от других факторов: гравитационная задержка, задержка в ионосфере, тропосфере, аппаратуре и несинхронность часов на пунктах регистрации (СС и НРТ). Дополнительную задержку Дт тоже необходимо компенсировать.
Система навигационного обеспечения предоставляет данные для вычисления текущих значений геометрической задержки т и частоты интерференции fnt, поэтому при определении требова-
КРТ
Станция - ... слежения jr\ Г2 \
■1
НРТ
L
Рис. 1. Схема работы наземно-космического интерферометра.
ний к навигационному обеспечению необходимо рассмотреть только геометрическую часть т задержки тг и частоту интерференции /ш.
Разложим величину фазы интерференционного отклика по степеням I
V W 2 ф(0 = ю0 — t + ю0— t + ... с 2с
(4)
Из этой формулы видно, что набег фазы зависит не только от скорости, но и от ускорения относительного движения телескопов. Должно выполняться соотношение (< Аф, где Аф — набег (точность удержания) фазы ~0.1 рад. Это определяет максимальное время когерентного накопления сигнала.
Интервал неопределенности ±Ат величины т определяет количество необходимых переборов при вычислении корреляционной функции
r(t) =
J 2(t + t)dt
(5)
двух битовых потоков и %2(0- Это определяет количество параллельных каналов коррелятора. Сюда же добавляется и ошибка временной синхронизации (привязки) двух потоков. При достаточном числе параллельных каналов цифрового коррелятора можно определить максимум крос-скорреляционной функции и соответствующее значение задержки т с точностью длительности одного такта, т.е. 1//к. После нахождения максимального значения кросскорреляционной функции определяются уточненные значения тг и /ш,
которые можно использовать для уточнения или контроля прогноза положения и скорости КРТ.
Битовый поток, сформированный КРТ, передается на СС, где он привязывается к локальному времени UTC. Но монохроматический сигнал 15 ГГц, промодулированный этим битовым потоком, тоже сопровождается изменениями фазы от задержек в ионосфере, тропосфере, аппаратуре, а так же из-за доплеровского и гравитационного сдвигов частоты. Для аккуратной привязки данных КРТ все эти эффекты необходимо учитывать и компенсировать.
Как видно из формул (1—5) при корреляционной обработке необходимо компенсировать разность фаз, ее первую и вторую производные, которые зависят, прежде всего, от ошибок определения координат, скорости и ускорения КА. Это и предъявляет основные требования к точности определения параметров движения КА: по положению — Ar = ±600 м; по скорости — Av = ±2 см/с; по ускорению — Aw = ±10-8 м/с2.
ПРОБЛЕМЫ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИССИИ
Методика определения параметров орбит по данным траекторных измерений разработана еще в начала 60-х годов прошлого века и используется до настоящего времени, с определенными доработками, учитывающими возможности современных технических средств наблюдения и вычислительной техники, а также своевременного получения необходимых сервисных данных: данных систем глобальной космической навигации GPS и ГЛОНАСС, параметров вращения Земли, состояние ионосферы и тропосферы и др.
Космический аппарат Спектр-Р являющийся ключевым элементом миссии, обладает рядом особенностей, которые не могут быть проигнорированы при расчете его движения. В первую очередь к таким особенностям следует отнести работу системы ориентации и стабилизации, вызывающую возмущение движения центра масс КА. Рассматриваемый КА построен на базе модуля "Навигатор", разработанного НПО С.А. Лавочкина в качестве основы для космических обсерваторий. Система ориентации и стабилизации, являющаяся частью модуля, реализована с использованием маховичных электромеханических исполнительных органов (ЭМИО), управление которыми позволяет компенсировать внешние возмущающие моменты и менять ориентацию КА в пространстве. В ходе полета скорость маховиков ЭМИО может достигать таких величин, что дальнейшее управление ориентацией КА становится неэффективным или невозможным, вследствие этого возникает необходимость разгрузки системы — значительного сокращения угловой скоро-
сти маховиков и уменьшения кинетического момента КА при помощи реактивных двигателей стабилизации (ДС). Расположение ДС относительно корпуса КА не позволяет реализовывать разгрузки маховиков без возмущения движения центра масс. Величина приращения скорости КА в результате разгрузки в среднем составляет 3—7 мм/с, а сами
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.