ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2009, № 2, с. 139-156
= НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ =
УДК 629-075
АВТОНОМНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОКОЛОЗЕМНОГО
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
© 2009 г. Э. Л. Аким, А. П. Астахов, Р. В. Бакитько, В. П. Польщиков, В. А. Степаньянц,
А. Г. Тучин, Д. А. Тучин, В. С. Ярошевский
Москва, ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, ФГУПРНИИКП
Поступила в редакцию 17.10.08 г.
Описана автономная навигационная система для околоземных космических аппаратов, которая позволяет определять орбиту спутника и прогнозировать параметры его движения. Для этого используются радионавигационные измерения спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. Автономная навигационная система предназначена для работы на околокруговых орбитах, не выходящих за пределы навигационных полей ГЛОНАСС и/или GPS, и на орбитах с большим эксцентриситетом, апоцентр которых удален от поверхности Земли на 50—70 тыс. км. Разработанные методы и алгоритмы определения орбиты основаны на применении законов динамики движения космического аппарата непосредственно при обработке первичных измерений фазы несущей частоты и кодовой псевдодальности по протяженной мерной базе. Приведены алгоритмы определения параметров движения космического аппарата, результаты моделирования и работы макета системы. Показана возможность создания бортовой автономной навигационной системы, превосходящей по точности и надежности наземный измерительный комплекс.
Введение. Навигация является основой управления полетом космических аппаратов (КА) [1], научными экспериментами на борту КА, неотъемлемой частью интерпретации результатов этих экспериментов. В настоящее время для навигационного обеспечения полета КА используется сеть наземных станций траекторных измерений и центров обработки этой информации. Алгоритмы определения и прогнозирования параметров движения КА по наземным траекторным измерениям [2] хорошо отработаны и обеспечивают необходимую надежность и точность для решения задач управления КА. Несмотря на большой положительный опыт обеспечения навигации КА сетью наземных станций, имеются сложности в применении этой сети. Поддержание, развитие и эксплуатация сети наземных станций составляют значительную часть стоимости космических проектов. Ограниченность территории России делает невозможным проведение измерений в любой точке орбиты, что отражается на точности определения параметров движения КА. Как показали оценки [3, 4], автономная навигационная система (АНС) способна повысить примерно на порядок точность определения траектории на всех участках полета.
В настоящее время в космосе работают спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС [5, 6], GPS [7, 8], которые широко и успешно используются в морской навигации, авиации, мониторинге автомобильного транспорта, геодезии, строительстве и т.д. Широкое применение существующих наземных систем показало высокую
надежность их функционирования. К АНС околоземного КА предъявляются более высокие требования по надежности, в силу длительного непрерывного функционирования и сложных условий эксплуатации.
Традиционная схема вычислений основана на совместной обработке измерений от нескольких навигационных спутников геометрическим методом, получении векторов положения и скорости с последующей фильтрацией этих векторов [9]. Таким образом, определение параметров движения объекта находится в прямой зависимости от возможности определения вектора положения и скорости по одномоментным измерениям. В применении этой схемы на борту КА имеются ограничения. Количество видимых навигационных спутников в один момент времени должно быть не менее четырех. В связи с этим исчезает возможность определения орбит КА с большим эксцентриситетом. Кроме того, одно аномальное первичное измерение влечет за собой недопустимую ошибку оценки вектора состояния и потерю измерений на текущий момент времени. Представленные в статье алгоритмы АНС определения орбиты КА не содержат указанных недостатков. Алгоритмы основаны на использовании законов динамики движения КА непосредственно при обработке первичных измерений фазы несущей частоты и кодовой псевдодальности по протяженной мерной базе. На рис. 1 изображено взаимное расположение КА и навигационных КА (НКА) в зависимости от орбиты КА-потребителя: низкой
Рис. 1. Космический потребитель АНC
околокруговой, геостационарной (ГСО) и высокой эксцентричной (ВЭО).
Выполненные расчеты по априорной оценке точности определения параметров движения КА и анализ возможностей описанного в статье метода обработки измерений показали, что точность определения орбиты КА на низкой околокруговой орбите характеризуется предельными ошибками 5 м по положению и 5 мм/с по скорости через 30 мин после получения измерений [4]. Предлагаемые методы и алгоритмы определения орбиты за 20 мин полета КА обеспечивают точности расчета его траектории, которые отечественные наземные измерительные средства достигают лишь за три мерных витка полета [1]. Оценки точности определения параметров движения КА на орбите с большим эксцентриситетом и максимальным удалением от Земли порядка 70 тыс. км показали, что за 1 ч измерений после прохождения перицентра предельные ошибки составляют 6 м по положению и 3 мм/с по скорости. Те же оценки точности при начале мерной базы от апоцентра за 5 ч измерений показали, что ошибки не
превышают 70 м по положению и 20 мм/с по скорости.
Предложенные навигационные алгоритмы используют статистическую модель [11, 12] ошибок измерений и трех служебных параметров, характеризующих работу измерительной аппаратуры. Служебные параметры включают смещение шкалы времени измерителя относительно шкалы времени навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, уход частоты задающего генератора и сдвиг фазы генерации кодовой псевдошумовой последовательности. Описаны модели измерений и динамической системы, функционал оценки искомого фазового вектора и алгоритм контроля качества измерений. Сформулированы основные принципы построения АНС, реализованной в макете, представлена структура программного комплекса. Приведены результаты моделирования работы алгоритмов на макете бортовой АНС по игровой информации.
1. Функционирование и построение АНС. В ИПМ РАН совместно с РНИИ КП разработана схема построения и функционирования бортовой АНС, в которой используется алгоритм, приме-
няющий законы динамики полета КА на этапе обработки первичных измерений. АНС ежесекундно выдает потребителю вектор положения и скорости КА, оцифровку и импульс секундной метки, соответствующей всемирной шкале времени UTC(SU). Время начала выдачи АНС достоверной информации потребителю зависит от участка орбиты на котором происходит включение АНС. Для КА на низких околокруговых орбитах и на участке перицентра для орбиты с большим эксцентриситетом это время составляет примерно 1 мин, а для участка апоцентра — через 1 ч после начала приема сигналов с навигационных спутников. АНС не требует от потребителя задания внешней информации об орбите КА и текущем времени.
Измерительная часть АНС принимает навигационные сообщения ГЛОНАСС и GPS, измеряет псевдодальность и набег фазы несущей частоты, которые привязываются к собственной шкале времени аппаратуры. Совокупность измерений и навигационных сообщений передается в систему определения параметров движения. Оцениваемым вектором является 9-мерный фазовый вектор, содержащий кинематические параметры движения КА, временной сдвиг времени регистрации измерений относительно шкалы времени навигационной системы, сдвиг фазы псевдошумовой последовательности относительно псевдошумовых последовательностей, излучаемых с борта НКА, и уход частоты задающего генератора относительно номинального значения. После получения оценки вектора состояния и определения временного сдвига между шкалами производится коррекция временной шкалы АНС.
В состав АНС входят два устройства (рис. 2): сигнальный (СП) (элемент 1) и навигационный процессоры (НП) (элемент 2), которые аппарат-но развязаны и могут общаться по стандартному каналу RS-232 (элемент 5) со скоростью обмена до 115 200 бит/с.
Функцией СП является первичная обработка радиотехнического сигнала, включающая поиск и слежение за сигналами навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS с выдачей в НП кодовых измерений псевдодальности, набега фазы несущей частоты и принятой информационной последовательности. СП находится под управлением НП в части получения доплеровских целеуказаний для поиска сигналов НКА. В НП происходит решение навигационной задачи и определение орбиты КА.
В АНС имеются три антенны A1, A2 и A3 (элемент 3). Некоммутируемая широконаправленная антенна A1 и коммутируемая A2 позволяют принимать сигналы навигационных спутников на расстоянии до 40 тыс. км. Для приема сигналов на больших расстояниях используется коммутируемая узконаправленная антенна A3, предназна-
1 ч|
121110-
АНС А1 А3
А
\
СП
ГК142А-ТС
КФ1187ХК1
TMS320C5416
2
3 3
2 CN
S- ГЛ
ей ей
НП
/
2
TMS320C33
|МКО,
ЦБК
|МКО[
Рис. 2. Структурная схема АНС
ченная для работы на орбитах с большим эксцентриситетом в условиях разрывного навигационного поля на апогейных участках полета КА.
В СП присутствует 24-канальный коррелятор КФ118ХК1 (элемент 11), созданный РНИИ КП, позволяющий работать с навигационными сигналами ГЛОНАСС пониженной точности и сигналами GPS C/A-кода (Coars Acquisition Code). Для проведения вычислений СП имеет в своем составе процессор TMS320C5416 (элемент 10). СП снабжен ультрапрецизионным низкопрофильным кварцевым генератором частоты ГК142А-ТС (элемент 12) с долговременной стабильностью до ±1 х 10-10 с/сут.
Программное обеспечение СП может обновляться по радиолинии с Земли. Для этого СП выдает импульс прерывания (элемент 4) с частотой 1 Гц. Импульс прерывания соответствует выдаваемой АНС метке времени (элемент 9), которая корректируется в СП после решения навигационной задачи в НП и соответствует шкале всемирного времени UTC(SU) [5].
НП направляет в центральный бортовой компьютер (ЦБК) (элемент 8) с частотой 1 Гц текущий вектор положения и скорости КА в системе координат ПЗ-90 [13] или WGS-84, "привязанный" к времени выдаваемой секундной
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.