CC BY
146
Свиридов А.С., Колганов А.А.
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики", Москва, Россия
МУЛЬТИСИСТЕМНЫЙ ДВУХДИАПАЗОННЫЙ БОРТОВОЙ ПРИЁМНИК СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Введение
Одночастотный бортовой радиоприемник сигналов спутниковых систем определения координат обычно входит в состав бортовой аппаратуры системы управления отечественных малых космических аппаратов (МКА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Однако, анализируя параметры радиосигналов, принимаемых от глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS можно решать геофизические задачи по мониторингу космической погоды, ионосферы и магнитных бурь, сейсмоорбитальных эффектов, гравитационного потенциала, зондированию характеристик тропосферы и уточнению моделей плотности атмосферы.
Указанные геофизические задачи, отлично решаются благодаря многочастотным навигационным приёмникам, установленным на группировке МКА на низких круговых орбитах. Использование нескольких частот и антенн, повышает точность пространственного ориентирования МКА, определения его вектора скорости движения и синхронизации шкалы времени.
Сдерживающим фактором в решении указанных выше геофизических задач является практически полное отсутствие отечественных образцов мультисистемных, многочастотных и многоантенных бортовых навигационных радиоприемников сигналов спутниковых систем определения координат.
Характеристики прототипов
Радиоприёмники спутниковых систем определения координат, применяемые в качестве навигационного оборудования в бортовой системе управления МКА, всё чаще используются в качестве бортового научного оборудования.
Отечественный приёмник «Измеритель ПЭС» - ГИД-12Т предназначен установки на борт МКА и решения задач зондирования ионосферы. В частности, бортовая аппаратура ГИД-12Т обеспечивает высокоточные измерения высотного распределения электронной концентрации с целью изучения глобального распределения высотной структуры ионосферы и диагностики активных воздействий на ионосферную плазму, антропогенных эффектов в ионосфере и эффектов, связанных с естественными процессами в земной атмосфере, в том числе над сейсмоактивными регионами.
Аппаратура ASN2401P на основе 18-канального спутникового навигационного приёмника ASN-22, использовалась на станции «Мир» для навигации по сигналам ГНСС ГЛОНАСС/GPS.
Экспериментальный образец бортового многочастотного навигационного приёмника «ТАВ-11» для МКА, может использоваться как в бортовой системе для управления МКА, так и в качестве бортового научного оборудования.
Рассмотренные прототипы радиоприёмников спутниковых систем определения координат способны работать при космических скоростях и решать установленный перечень навигационных и научных задач.
Отчетливо прослеживается тенденция в разработке бортовых навигационных приёмников сигналов ГНСС - переход к мультисистемности ГЛОНАСС/GPS/Galileo, многочастотности и многоантенности.
Характеристики лётного приёмника
К современному бортовому мультисистемному и многочастотному радиоприёмнику спутниковых навигационных систем предъявляются следующие основные требования:
- наличие преемственности и унификация;
- интегрируемость в систему бортового оборудования и управления;
- работа по сигналам спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС, GPS и в перспективе Galileo как раздельно, так и в совмещенных режимах;
- обеспечивать автоматическое распределение каналов приёма радиосигналов навигационных спутников (НС) в совмещённом режиме каналов как с приоритетом СРНС ГЛОНАСС, так и с приоритетом СРНС GPS или в перспективе Galileo;
- число каналов приёма радиоприёмника сигналов НС СРНС должно быть не менее 48 при работе по СРНС ГЛОНАСС, GPS и в перспективе Galileo и не менее 24 каналов при работе по СРНС ГЛОНАСС, GPS;
- частота обновления навигационных параметров должна быть не менее 10 Гц;
- обеспечивать автономный контроль достоверности навигационных измерений и исключение недостоверных измерений.
Для решения задач зондирования ионосферы, а также определения пространственного местоположения, вектора скорости космического аппарата был разработан и апробирован бортовой приёмовычислитель «БПВСП», рисунок 1. Отличительной особенностью «БПВСП» является его универсальность и возможность замены аналогового радиоприёмного тракта.
Рисунок 1 - Бортовой приёмовычислитель «БПВСП»
Основные технические характеристики бортового приемовычислителя «БПВСП» представлены в таблице
1.
Технические характеристики приемовычислителя «БПВСП» Таблица 1
Параметр Значение
Входное напряжение, В от 5,0 до 15,0
Потребляемая мощность электропитания, Вт не более 4,0
Интерфейсы RS-232, RS-422, CAN 2.0B
Рабочие радионавигационные системы ГЛОНАСС L1, L2 CT GPS L1 C/A Galileo (в перспективе)
Количество независимых приемоизмерительных каналов 48
Автономный контроль достоверности навигационных измерений и исключение недостоверных измерений (RAIM) автоматически
Количество независимых антенных входов 2
Рабочая температура, 0C от -40 до +85
В основе аналогового тракта бортового приемовычислителя «БПВСП» лежит сменный модуль мультисистемного двухдиапазонного навигационного приёмника «ПРМСП», рисунок 2.
Рисунок 2 - Модуль навигационного приёмника «ПРМСП»
Модуль «ПРМСП» представляет собой функционально-законченный аналоговый тракт, предназначенный для сопряжения с платой бортового приёмовычислителя «БПВСП» и работы в составе бортовой навигационной аппаратуре КА и/или МКА. Аналоговый тракт осуществляет прием сигналов СРНС ГЛОНАСС в частотном диапазоне L1, L2 стандартной точности (СТ); СРНС GPS в частотном диапазоне L1 стандартной точности (C/A) от двух антенн, усиление, фильтрацию и перенос сигнала в область нулевых частот с разделением на квадратуры I и Q с отсечением постоянной составляющей.
Основные технические характеристики модуля аналогового тракта навигационного приёмника «ПРМСП» представлены в таблице 2.
Технические характеристики модуля «ПРМСП» Таблица 2
Параметр мин. ном. макс. Единица
Входное напряжение 4,75 5,00 5,25 В
Ток потребления со тН о 0,21 А
Входная частота ГЛОНАСС L1 СТ ГЛОНАСС L2 СТ GPS L1 C/A 1598 1242 1575,42 1606 1249 МГц
Мощность входного сигнала -161 -111 дБ
КСВ по входу 1,1 1,3 1,5
Коэффициент шума (с учетом антенны) 1,3
Пороговая чувствительность в полосе 1 кГц при T=24 oc (с учетом антенны) -172,6 дБ
Рабочая температура -40 + 85 0C
Модуль аналогового тракта навигационного приёмника, это логическое продолжение улучшения технических характеристик, предшествующих, хорошо себя зарекомендованных разработок, многоканальных навигационных приёмников для бортовых систем навигации и управления движением.
Благодаря накопленному опыту в решении сложных технических задач был разработан модуль аналогового тракта радиоприёмника сигналов спутниковых навигационных систем. Технические характеристики в несколько раз превосходят значения предшествующих вариантов. По своим техническим и эксплуатационным характеристикам аналоговый модуль «ПРМСП» и приемовычислитель «БПВСП» являются самыми перспективным для построения на их основе навигационных приёмников различной конфигурации, точности, сложности и назначения.
По цене, устойчивости дестабилизирующим факторам, действующим на МКА, унификации и преемственности у разработанного лётного мультисистемного и многочастотного радиоприёмника спутниковых навигационных систем нет конкурентов.
Заключение
Разработанный для бортовой системы управления МКА навигационный приемник радиосигналов ГНСС ГЛОНАСС/GPS в перспективе Galileo, благодаря своим тактико-техническим характеристикам, мультисистемности и многочастотности, может использоваться в составе научной аппаратуры КА ДЗЗ для реше-
ния различных геофизических задач: мониторинг ионосферы и магнитных бурь, космической погоды,
гравитационного потенциала, сейсмоорбитальных эффектов, характеристик тропосферы, обнаружение ряда ионосферных эффектов над эпицентрами сейсмической активности для прогноза землетрясений, определение полного электронного содержания в ионосфере
ЛИТЕРАТУРА
1. Увайсов С. У., Сегень А., Кофанов Ю. Н., Пятницкая Г. Применение компьютерного измеритель-
ного тепловизора КРИТ_Т и математического моделирования для обеспечения надежности и качества радиоэлектронных средств. М. : МИЭМ, 1997.
2. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Манохин А. И. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества радиоэлектронных средств. М. : МГИЭМ, 1998.
3. Увайсов С. У. Обнаружение слабого сигнала на фоне помехи в случае распределения Рэлея // Измерительная техника. 2006. № 4. С. 55-58.
4. Тумковский С. Р., Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Виброакустический контроль бортовой космической аппаратуры // Мир измерений. 2007. № 12. С. 4-7.
5. Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Показатели контролепригодности радиоэлектронной аппаратуры // Мир измерений. 2008. № 3. С. 47-51.
6. Увайсов С.У. Высокоточный транзисторный датчик температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Датчики и системы - М.: 2010. № 11. С. 19 - 22.
7. Увайсов С.У. Современные полупроводниковые интегральные датчики температуры / Громов
B. С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // ИЗМЕРЕНИЯ. КОНТРОЛЬ. АВТОМАТИЗАЦИЯ - М.: 2010. № 12.
C. 59 - 68.
8. Объект интеллектуальной собственности: Устройство для измерения температуры. Патент
РФ на полезную модель №100827 от 27 декабря 2010 г. Шестимеров С. М., Громов В.С., Увайсов С.У.
9. Увайсов С. У., Иванов И. А. Информационная модель процесса проектирования контролепригодных радиоэлектронных средств // Информационные технологии. 2011. № 12. С. 41-45.
10. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Комплексирование физического и математического моделирования при автоматизации проектирования бортовых электронных средств. М. : Энерго-
атомиздат, 2011.
11. Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Бушмелев П. Е., Плюснин И. Моделирование оптимальных параметров устройств дистанционного зондирования // Измерительная техника. 2011. № 3. С. 39-42.
12. Увайсов С. У., Иванов И. А. Обеспечение контролепригодности радиоэлектронных средств в рамках CALS-технологий // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 1. С. 43-46.
13. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Формирование наборов тестовых сигналов для контроля качества электронных средств космических аппаратов // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 11. С. 84-88.
14. Увайсов С.У. Транзисторный термопреобразователь для повышения качества контроля температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Качество. Инновации. Образование. - М.: 2010. № 11. С. 63-69.
15. Увайсов С. У., Аминев Д. А. Алгоритм распределения пропускной способности систем регистрации сигналов от многих датчиков // Датчики и системы. 2012. № 5(156) . С. 26-29.
16. Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю., Увайсов С. У. Динамика оптимизационного процесса при идентификации параметров электронных средств // Динамика сложных систем. 2012. № 3. С. 80-84.
17. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Методика обеспечения диагностируемости электронных средств космических аппаратов по ранговому критерию на ранних этапах проектирования // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 1. С. 60-62.
18. Увайсов С. У., Юрков Н. Методика обеспечения тепловой контролепригодности радиотехнических устройств на этапе проектирования // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки (Российская Федерация). 2012. № 7. С. 16-22.
19. Увайсов С. У., Аминев Д. А. Оптимизация RAID массива для достижения максимальной производительности систем регистрации данных // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 12. С. 93-96.
20. Увайсов С. У., Журавлева Ю., Палий С. П. Повышение качества прогнозирования доходности финансовых инструментов на основе многофакторных моделей // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 11. С. 43-49.
21. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Программный комплекс моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании источников вторичного электропитания для сложных бортовых систем // Динамика сложных систем. 2012. № 3. С. 80-84.
22. Увайсов С. У. Текстурованные подложки из сплавов никеля с тугоплавкими металлами (W,Mo,Re) для сверхпроводящих кабелей второго поколения // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2012. № 2(22). С. 126-137.
23. Uvaysov S. U., Ivanov I.. A method of ensuring controllability of electronics based on diagnostic modeling of heterogeneous physical processes // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 24. P. 196-201.
24. Аминев Д. А., Козырев А. А., Кудрявцев Д. Ю., Увайсов С. У. Алгоритм определения наличия аварийного электрического разряда в сетях электропитания // Датчики и системы. 2013. № 2. С. 4951.
25. Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Кривицкая М. Выбор критериев оптимальности при разработке рабочего учебного плана // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 1. С. 68-71.
26. Увайсов С. У., Аминев Д. А., Лисицын И. Ю. Защита бортовой спутниковой навигационной системы от кратковременного пропадания электропитания и электромагнитных помех // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3(46). С. 45-49.
27. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н. Методика выявления скрытых дефектов интегральных схем и аппаратуры // Надежность и контроль качества. Ежемесячное приложение к журналу "Стандарты и качество" . 2013. № 11. С. 19-31.
28. Увайсов С. У., Иванов И. А., Гольдберг О. Д., Иванов О. А. Обеспечение качества характеристик источников бесперебойного питания в условиях помех, вызванных нелинейной нагрузкой // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3. С. 55-64.
29. Увайсов С. У., Журавлева Ю., Палий С. П. Повышение качества прогнозирования доходности финансовых инструментов на основе фрактального анализа // Качество. Инновации. Образование. 2013.
Т. 97. № 6. С. 61-64.
30.
и каче
Увайсов С. У., Бушмелева К. И. Система мониторинга газотранспортных объектов // Надежность ство сложных систем. 2013. № 1. С. 84-87.
