Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Многоканальная бортовая аппаратура спутниковой навигации для определения параметров движения космических аппаратов

#12 декабрь 2004

М

М.Н. Басюк, д-р техн. наук проф.,

Э.И. Отоладзе НИИ "Научный центр", г. Москва

 

Многоканальная бортовая аппаратура спутниковой навигации для определения параметров движения космических аппаратов

 

Статья посвящена методологическим аспектам разработки и проектирования аппаратуры спутниковой навигации, которая предназначена для высокоточного измерения вектора навигационных параметров космических аппаратов, транспортных кораблей и спускаемых аппаратов на основе приема и обработки сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем "Глонасс" (Россия) и "Навстар" (США). Представлен ряд результатов статистического моделирования и даны практические рекомендации по технической реализации указанной аппаратуры.

 

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Объекты, на которых работает аппаратура спутниковой навигации (АСН), эксплуатируются в условиях:

·        вывода космического аппарата (КА) на рабочую орбиту, последовательного полета через слои тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы;

·        решения ряда специфических задач при нахождении на орбите;

·        выполнения задачи спуска КА в атмосфере и собственно посадки [1].

Учитывая эти особенности, перечислим основные требования, предъявляемые к такой АСН.

1. Необходимы конструктивные меры защиты антенно-фидерных устройств от механических повреждений, поскольку при выводе космических кораблей на рабочую орбиту АСН испытывает большие динамические перегрузки и удары; АСН должна быть также устойчива к повышенной радиации, электромагнитному излучению в условиях широкого изменения диапазона рабочих температур.

2. Обеспечение возможности решения задачи сближения КА.

3. Возможность выполнения высокоточных измерений угловых параметров космического объекта для обеспечения высокоточного расположения осей КА в пространстве, что позволяет использовать солнечные батареи, осуществлять вхождение в связь с помощью узконаправленных антенн систем космической связи и точное маневрирование.

4. Коррекция с помощью АСН траектории полета при выводе КА на заданную орбиту или, в частном случае, стабилизация орбиты полета. В этом случае АСН работает в быстро меняющихся условиях распространения радиоволн (особенно ионосферной и тропосферной рефракции), что может привести к ухудшению точностных показателей вектора измерений навигационных параметров.

5. При необходимости - обеспечение возможности определения параметров движения КА относительно другого изделия или наземной станции, оборудованных аналогичной АСН и связанных с данным КА каналом межбортовой связи (режим относительной навигации).

6. Обеспечение гарантированного срока штатной эксплуатации на космическом объекте порядка 8-10 лет, причем вероятность безотказной работы одного комплекта должна составлять 0,997.

Как видно из перечисленных выше требований, проектирование такой АСН представляет собой весьма сложную задачу, которая подразумевает нетривиаль­ные подходы и технические решения. Подобная задача стоит, например, перед разработчиками совместного российско-американского проекта "Альфа", который должен быть реализован в 1997г.

 

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ. Функциональная схема одного резервируемого модуля трехмодульной АСН, работающая по сигналам навигационных спутников (НС) систем "Глонасс" и "Навстар" и предназначенная для установки и эксплуатации в системах космического базирования, представлена на рис. 1. Заметим, что каждый резервируемый модуль аппаратуры содержит двенадцатиканальный измеритель вектора навигационных параметров, причем АСН сопряжен с бортовым вычислительным комплексом (БВК) через мультиплексный канал обмена, который выполнен в соответствии с ГОСТ 26765.52—87, идентичным американскому стандарту MIL STD 1553В.

Рис. 1. Функциональная схема одного резервируемого модуля двенадцатиканальной АСН

 

Нужно отметить, что все вопросы, связанные с проблемами реконфигурации и переключения резервируемых модулей, обычно выполняются в БВК; здесь хранятся также альманахи космических навигационных систем (КНС) "Глонасс" и "Навстар".

Следует отметить, что в аппаратуре реализована классическая двухэтапная процедура измерения вектора навигационных параметров. В этом случае, как известно, сначала вычисляются векторы радионавигационных параметров (ВРНП), псевдодальности, дельта - разности, соотношение сигнал/шум и т.д., а затем путем преобразования ВРНП в линейную меру и решения навигационной задачи определяются значения собственно вектора навигационных параметров.

Однако указанная АСН имеет ряд принципиальных особенностей.

1. Если в АСН отсутствует режим угловых измерений (когда этого не требуется), то СВЧ - приемник реализуется либо с обработкой сигналов двух КНС в широкой полосе частот с высокой частотой дискретизации, либо с отдельной параллельной обработкой спектров сигналов спутниковых радионавигационных систем "Глонасс" и "Навстар" с комплексным преобразованием частоты. Однако с учетом сложной помеховой обстановки, в которой работает антенно-фидерное устройство АСН, предусилитель не должен выходить из строя при длительном воздействии на его вход монохроматического непрерывного сигнала с эквивалентной мощностью 1 дБ Вт. Для выполнения этого достаточно жесткого требования входные цепи СВЧ - приемника должны быть реализованы, например, по схеме, приведенной на рис. 2. Устройство защиты входа в этом случае может быть выполнено на полосковых pin-диодах типа 2А551, выдерживающих входную мощность 1 Вт. При этом уровень проходящей мощности не будет превосходить единиц милливатт, что не выведет из строя вход малошумящего усилителя (МШУ). Потери на устройстве защиты в этом случае не будут превышать 0,6 дБ.

Рис. 2. Структурная схема входных цепей СВЧ - приемника АСН

 

В качестве входного полосового фильтра - преселектора может быть использован каскад из двух фильтров на шпильках или встречных стержнях. Оба типа фильтров имеют почти одинаковые потери (примерно 2 дБ) и коэффициент прямоугольности Кп = 2. Установка двух таких фильтров позволяет реализовать необходимую полосу пропускания 60 МГц (по уровню -3 дБ).

Для реализации МШУ во входном каскаде можно применить малошумящие транзисторы ЗА344 (шумовая температура Тш = 80К) или ЗА346 (Тш = 45К). МШУ за счет шумов второго каскада и неполного согласования первого увеличит Тш первого каскада не более, чем на 10К. Учитывая это, можно реализовать на входе Тш = = 90К или Тш = 55К, что соответствует коэффициенту шума Кш = 1,23 дБ или Кш = 0,8 дБ. В случае использования импортных транзисторов KGF1850 (40К) или ATF 35076 (25К) можно получить Кш = 0,6 дБ и Кш = 0,4 дБ соответственно.

2. В случае необходимости реализации режима угловых измерений (измерения углов крена, тангажа и дифферента) либо использования системы углов Эйлера, т.е. углов собственного вращения, прецессии и нутации космического объекта, ситуация принципиально усложняется как в части реализации СВЧ - приемного тракта, так и организации программно-математического обеспечения. Как показывают результаты упрощенного математического моделирования, погрешность измерения углов при числе физических каналов измерений 8... 12 и при работе на три разнесенные антенны с длиной базы между ними 55...65 см составляет 0,5...2,5'.

Следует, однако, отметить, что в этом режиме измерений предъявляются повышенные требования к идентичности фазовых диаграмм направленности излучателей антенных устройств, линейности фазочастотных характеристик элементов приемно - усилительного тракта, а также к узлам сигнального процессора.

Заметим, что при реализации режима фазовых измерений необходимо также решить проблему устранения неоднозначности фазовых отсчетов несущих частот на ограниченном интервале наблюдения. Для решения этого вопроса используется совокупность фильтров Калмана, каждый из которых соответствует одному из значений целых циклов фазы в области неопределенности вектора-базы. Моделирование показывает, что при длине базовой линии 50...70 см и установке трех неколинеарных антенн для обеспечения точности 0,5...7' при времени усреднения 1 ...5 с требуются пять фильтров Калмана.

3. При организации вычислительного процесса в сигнальном процессоре было установлено, что с учетом высокой маневренности АСН минимальное значение соотношения сигнал/шум, когда возможно устойчивое сопровождение по огибающей, составляет примерно 22...25 дБ Гц при условии предварительного накопления одномиллисекундных выборок комплексного сигнала на интервале 10 мс. Поддержка по скорости систем сопровождения практически не улучшает характеристики пороговых уровней обнаружения и измерения.

Контуры сопровождения обеспечивают устойчивую работу при любых видах динамических воздействий за счет использования соответствующих цифровых фильтров с переменными коэффициентами.

Максимальное значение ошибки определения интервала Доплера равно 0,06 Гц, что соответствует 1,2 см/с, а средняя квадратичная ошибка измерения псевдодальности не превышает следующих значений:

·        при работе по коду пониженной точности: σ = 13...41 не (3,9...12,3м);

·        при работе по коду высокой точности: σ = 1,4 не (примерно 0,4м).

4. При работе в многоканальном режиме путем использования соответствующих алгоритмов обработки информации удается обеспечить непрерывность навигационных определений, в том числе и в области высоких широт. Даже если в течение короткого интервала (примерно 10...50 мин) суммарный геометрический фактор равен 10, удается путем отбраковки сигналов ряда спутников снизить влияние плохой геометрии или селективного доступа и обеспечить точность измерений при разностно-дальномерном методе:

·        по трем координатам - до 100 м;

·        по скорости - 0,05 м/с;

·        по времени — 1 мкс.

 

Литература

1. Потегов В.И., Романов Л.М., Рязанов С.Н. Навигационный комплекс орбитальной ступени многоразовых транспортных космических кораблей Space Shuttle // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 1.С. 93-108.

ПРИКЛАДНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, №2. 1997.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2020 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)