КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, том 47, № 1, с. 79-84
УДК 629.78
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПО СИГНАЛАМ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ ОРИЕНТИРОВ
© 2009 г. Г. В. Кузьмин, С. В. Стрельников
Центральный институт технической информации, г. Москва Поступила в редакцию 26.12.2006 г.
Разработан метод определения параметров пространственной ориентации космического аппарата по измерениям бортового интерферометра. Метод позволяет определить ориентацию по одномоментным измерениям разности фаз сигналов нескольких радионавигационных ориентиров или значениям разности фаз одного радионавигационного ориентира, измеренных на продолжительном интервале наблюдения.
Эффективность работы системы управления пространственной ориентацией КА во многом определяет качество решения задач орбитального полета. Жесткие требования к точности пространственной ориентации предъявляются к КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основной режим управления угловым положением КА ДЗЗ - режим поддержания орбитальной ориентации, при котором оси связанной системы координат совмещаются с осями орбитальной системы координат. Высокие требования к точности пространственной ориентации и ошибки функционирования системы ориентации диктуют необходимость поиска новых методов определения угловых координат, позволяющих повысить точность ориентации КА в пространстве.
Важным направлением развития систем ориентации является интеграция инерциальных и угломерных систем, что позволяет в значительной мере устранить недостатки, присущие каждой из них в отдельности. Достоинством инерциально-спутниковых систем ориентации с разнесенными антеннами является возможность непрерывного приема навигационных сообщений и уточнения по ним параметров инерциальной ориентации [1, 2]. Лучшие образцы такой аппаратуры позволяют определять пространственную ориентацию с погрешностью, составляющей единицы угловых минут.
В нормативных документах, определяющих порядок применения среднеорбитальных радионавигационных систем (СРНС), для обеспечения надежности навигационных определений рекомендуется использовать навигационную информацию, получаемую от альтернативных навигационных ориентиров или навигационных полей [3]. Так как при внутрисистемном мониторинге
целостности навигационного поля от момента выявления ошибки навигационного сообщения до передачи признака ошибки на борт навигационного КА может пройти несколько часов. Даже в случае штатной работы СРНС включение в состав бортовой аппаратуры КА ДЗЗ нескольких высокоточных систем ориентации, основанных на измерениях параметров ориентации по различным навигационным ориентирам или полям, позволит повысить качество решения задач навигационного обеспечения полетов.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Требование повышения точности и надежности определения пространственной ориентации КА ДЗЗ диктует необходимость разработки бортовой системы, позволяющей уточнить параметры инерциальной ориентации с точностью близкой к точности современных инерциально-спут-никовых систем, но при этом использующей иные - альтернативные источники навигационной информации. В качестве таких - альтернативных источников навигационной информации могут использоваться стационарные наземные радиостанции эфирного телевизионного вещания, расположенные на территории Российской Федерации. Предпосылками к использованию телевизионных сигналов для уточнения параметров инерциальной ориентации КА ДЗЗ являются следующие характеристики сети телевизионного вещания [4]:
- радиостанции эфирного телевидения имеют высокую мощность излучения;
- на территории России создана разветвленная сеть радиостанций, включающая около 350 радиостанций мощностью более 5 кВт, а проекты
4
Схема расположения вектор-баз антенн КА: 0ХУ2 -базовая система координат; 0ХорУор^ор - орбитальная система координат (0Хор расположена по радиус-вектору, проходящему от притягивающего центра к КА; 0Уор - в плоскости орбиты; 0Хо„ дополняет систему координат до правой); 0Хсв7св^св - связанная система координат;
цифрового телевидения предусматривают развертывание 1000 радиостанций такой мощности;
- телевизионные сигналы отличаются высокой стабильностью несущих частот.
В статье телевизионные радиостанции рассматриваются в качестве возможных альтернативных источников радионавигационных сигналов для определения пространственной ориентации КА угломерными методами, в которых параметры углового положения определяются по измерениям бортового интерферометра. В современных исследованиях преимущественно рассматриваются задачи определения углового положения объекта по фазовым измерениям принятого сигнала, излучаемого КА СРНС второго поколения [2, 3]. Основной проблемой, затрудняющей применение спутниковых навигационных сигналов для определения ориентации, является наличие фазовой неоднозначности измерений.
При обработке сигналов телевещания такая проблема не возникает, так как телевизионные радиоволны излучают в диапазоне длин волн от 6 м до десятков сантиметров. Как правило, каждая телевизионная радиостанция транслирует одновременно радиосигналы нескольких телевизионных каналов. Возможность приема сигналов разных каналов создает благоприятные условия для исключения неопределенности фазовых измерений и учета влияния ионосферы на распространение радиоволн. Источник радиосигналов, излучающий одновременно сигналы нескольких несущих частот, в
дальнейшем названы обобщающим термином - "радионавигационный ориентир" (РНО).
Разработанные методы определения пространственной ориентации по навигационному полю СРНС основаны на одномоментных измерениях параметров сигналов, излучаемых двумя и большим числом навигационных НКА, и не позволяют рассчитать параметры ориентации по сигналам одного РНО [2, 3, 5]. Актуальность разработки нового метода определения ориентации обусловлена необходимостью учета того, что в зоне радиовидимости КА может находиться только один наземный РНО.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Примем следующие предположения:
- на КА установлена инерциальная система управления угловым положением, по данным которой осуществляется ориентация осей связанной системы координат;
- в основном режиме полета инерциальная система управления угловым положением КА ориентирует оси связанной системы координат параллельно осям орбитальной системы координат;
- для уточнения параметров инерциальной ориентации на борту установлен интерферометр, позволяющий измерять разность фаз радиосигналов одного или нескольких РНО, находящихся на Земле в зоне радиовидимости КА;
- антенны интерферометра жестко связаны с корпусом КА.
Предположим, что антенны образуют две вектор-базы. Первая вектор-база антенн (1-2) расположена параллельно оси О7Св связанной системы координат, а вторая (3-4) - оси О2св (рисунок). Пространственная ориентация вектор-баз антенн в момент времени ^ в базовой системе отсчета определена векторами 7(к, г) = 7(к, ) = [1х(к, Д 1у(к, )), 1г(к, ))]т, где к = 1, 2 - номер вектор-базы антенн; 1х(к, ]), 1у(к, ]), 1г(к, ]), - направляющие косинусы вектор-базы с номером к относительно базовой системы отсчета. В качестве базовой системы отсчета может рассматриваться, например, гринвичская.
Направляющие косинусы действительного положения осей связанной системы координат КА в пространстве определены равенствами О7св (г) = 7(1, г), ОЪ°(г) = 7(2, г), ОХ°(г) = О7с0в(г) х Оъ1 (г),
где ОХсв (г), О7с°в (г), ОХй, (г) - направляющие косинусы осей связанной системы координат.
Предположим, что на некотором интервале полета Аг бортовым интерферометром измерены
значения разности фаз сигналов N РНО, при этом выполнены следующие условия:
- времена проведения измерений в базовой системе отсчета заданы последовательностью ..., р ..., гм, а положение центра масс КА - векторами Х(р = [х(г), у(г), г(г)]т, гдер = 1(1)М; х(г), у(г), г(р -декартовые координаты центра масс;
- координаты РНО в базовой системе отсчета определены радиус-векторами Яно(г, р) = [гх(г, г), гу(г, г), гг(г, р)]т, где г = 1(1)N - номер радионавигационного ориентира, гх(г, г), гу(г, г), гг(г, г) - его декартовые координаты.
Направляющие косинусы вектора, проходящего от центра масс КА к РНО с номером г в момент времени р, вычисляются по формулам
bx (i,j) =
by (i,j) =
bz( i,j) =
x( tj ) - rx( i, t j ); AR ( i, tj ) '
y( t j) - Гу (i, t j);
AR ( i, tj ) '
z(t j) - rz( i, t j) AR ( i, t, ) '
где
AR(i, tj) = J[x(tj) - rx(i, tj)]2 + [у(tj) - ry(i, tj)]2 + [z(tj) - rz(i, tj)]2.
В момент времени р направляющие косинусы вектор-баз антенн связаны с измеренными значениями разности фаз уравнением
bx(i, j)lx(k, j) + by( i, j)ly(k, j) +
+ (bz(i, j)lz(k, j) = ф(i, j)bo(i, k)),
(1)
где ф(г, р, к) - разность фаз сигнала РНО с номером г, измеренная в момент р времени антеннами вектор-базы к; ¿0(г, к) = ^¿/(2п^к), Хг - длина волны РНО с номером г, йк - расстояние между антеннами вектор-базы к.
Для определения углового положения КА по измерениям разности фаз уравнения (1) могут быть дополнены уравнениями связи между направляющими косинусами одной и двух вектор-баз антенн:
¡1 (к, р) + ¡1 (к,р) + ¡2(к, р) = 1; к = 1, 2; (2)
(3)
lx(1, j)lx(2, j) + ly( 1, j)ly(2, j) +
+ h(1, j)lz(2, j) = cosS12; j = 1, M
где cos - косинус угла между двумя вектор-базами антенн.
Задача определения параметров пространственной ориентации КА по фазовым измерениям ф(г', j, k) заключается в расчете направляющих косинусов двух вектор-баз антенн F(1, t) и Y(2, t) путем решения системы уравнений, включающей уравнения измерений (1) и уравнения связи (2), (3).
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ БОРТОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА
Параметры ориентации КА по сигналам одного РНО могут быть определены при условии, что ошибка ориентации является постоянной на интер-
вале измерения разности фаз РНО. Пусть на интервале полета Аг выполнены следующие условия:
- программная ориентация осей связанной системы координат должна осуществляться по осям орбитальной системы координат;
- действительная ориентация КА выполнена с ошибкой;
- ошибка угла пространственной ориентации связанной системы ко
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.