CC BY
44Сравнительный анализ вариантов использования в системе ГЛОНАСС радиотехнической и лазерной аппаратуры межспутниковых измерений
Сакулин А.Н.
к.т.н.
Мальцев Г.Н.
к.т.н., профессор, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Аннотация
Рассмотрены принципы применения в системе ГЛОНАСС бортовой аппаратуры межспутниковых измерений. Приводятся результаты сравнительного анализа радиотехнической и лазерной аппаратуры межспутниковых измерений, рассмотрены их основные преимущества и недостатки. Сделан вывод о том, что для текущего этапа внедрения в системе ГЛОНАСС технологии межспутниковых измерений как в межспутниковых каналах, так и в каналах передачи результатов измерений на Землю, наиболее предпочтительно использование радиотехнической аппаратуры.
Ключевые слова: ГЛОНАСС; радиотехническая аппаратура; лазерная аппаратура; межспутниковые измерения; радионавигационная система.
Введение
В настоящее время космическая радионавигационная система ГЛОНАСС функционирует в штатном составе орбитальной группировки и развивается в рамках Федеральной целевой Программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы». Основным направлением развития системы ГЛОНАСС является улучшение ее потребительских характеристик, определяемых точностью навигационных определений потребителей. В рамках данного направления в системе вводится режим межспутниковых измерений [1,2]. Для этого космические аппараты (КА) «ГЛОНАСС-М» и «ГЛОНАСС-К» оснащаются бортовой аппаратурой межспутниковых измерений (БАМИ). В американской космической радионавигационной системе GPS аналогичный режим, называемый технологией автономной навигации AutoNav, используется с конца 90-х годов.
Основная часть
Аппаратура БАМИ предназначена для проведения взаимных измерений текущих навигационных параметров навигационных КА и обмена результатами измерений между ними по межспутниковым каналам. Кроме того, эти результаты передаются на Землю и используются при решении задач эфемеридного обеспечения системы. Использование БАМИ позволяет повысить точность формируемого системой ГЛОНАСС навигационного поля и навигационных определений потребителей. Это становится возможно благодаря совместной обработке наземных и бортовых измерений и их использованию в интересах повышения точности эфемеридного обеспечения системы. Необходимость повышения точности эфемеридного обеспечения потребителей космических радионавигационных систем II поколения (ГЛОНАСС, GPS) обусловлена быстрым (в течение нескольких часов) увеличением погрешности эфемерид навигационных КА в условиях действия возмущений на их орбитальное движение и ухода характеристик бортовых источников навигационных сигналов.
Увеличение интервала прогноза эфемерид и шкалы времени эквивалентно проведению их коррекции. Если полагать, что без уточнения эфемерид и коррекции бортовых генераторов составляющие погрешности измерения потребителями псевдодальности достигают уровня, соответствующего 24 часам после коррекции, а за счет проведения межспутниковых измерений
www nauka -i-asu ru
i-methods
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
точность прогноза эфемерид и синхронизации излучений поддерживается на уровне, соответствующем 2 часам после коррекции, то результирующая погрешность измерений измерения потребителями псевдодальности уменьшается в 2-3 раза.
В системе ГЛОНАСС с помощью БАМИ предполагается решение следующих задач:
1. Формирование и передача измерительных сигналов для приема их на всех КА системы, находящихся в зоне радиовидимости излучающего КА.
2. Прием измерительных сигналов от всех излучающих КА, находящихся в зоне радиовидимости принимающего КА.
3. Измерение параметров относительного движения излучающего и принимающего КА.
4. Передача и прием измерительной и временной информации всем и от всех КА находящихся в зоне радиовидимости, а также передача всех результатов измерений на наземные пункты приема информации.
5. Передача и прием специальных информационных сообщений всем КА и от всех КА находящихся в зоне радиовидимости.
С точки зрения решаемых задач БАМИ является совмещенной системой с измерительным и информационным каналами. Работа БАМИ осуществляется в автоматизированном режиме. Циклограмма работы БАМИ должна обеспечивать периодическое вхождение в связь с несколькими (до 6) КА и одновременную работу с ними. В настоящее время разработаны и проходят летные испытания два варианта аппаратуры БАМИ с радиотехническими и лазерными межспутниковыми линиями связи [3,4]. При этом в радиотехнической БАМИ используются сложные сигналы на основе сверхдлинных псевдослучайных последовательностей (ПСП) и приемно-передающая антенна, формирующая диаграмму направленности специальной «зонтикообразной» формы, что позволяет одновременно работать с 6 навигационными КА с временным и частотно-кодовым разделением каналов. Лазерная БАМИ разрабатывается в одноканальном и четырехканальном вариантах, при этом одноканальная система и каждый канал четырехканальной системы одновременно могут работать узким лазерным пучком только с одним навигационным КА.
Радиотехническая БАМИ работает в дециметровом диапазоне 2,2 ГГц (длина волны 13,6 см). Реализуется жесткая циклограмма работы и обеспечивается одновременная работа БАМИ с 6 КА. Лазерная БАМИ работает в ближнем ИК-диапазоне 0,83 мкм. Четырехканальная лазерная БАМИ, по сути. представляет собой конструктивно объединенные одноканальных БАМИ, работающие независимо друг от друга. Жесткая циклограмма работы отсутствует, для перехода от работы с одним КА к работе с другим КА необходимо перенацеливание лазерного пучка и соответствующее командно-программное обеспечение.
Сравнительный анализ вариантов использования в системе ГЛОНАСС радиотехнической и лазерной БАМИ позволяет выделить следующие их достоинства и недостатки.
Основным достоинством радиотехнической БАМИ является возможность реализации полностью автоматического режима работы по заданной циклограмме с требуемой периодичностью проведения измерений. Благодаря использованию специальной антенны с «зонтикообразной» диаграммой направленности и частотно-кодового разделения каналов необходимость наведения и перенацеливания антенны для одновременной работы с несколькими навигационными КА отсутствует. Кроме того, реализуется измерение двух навигационных параметров - псевдоскорости и псевдодальности. Псевдоскорость измеряется хорошо отработанным в космических системах беззапросным доплеровским методом, а для измерения псевдодальности обоснована структура сигнального пакета, излучаемого БАМИ в прерывистом режиме работы - циклы по 20 сек. (5 сек. - передача, 15 сек. -прием), повторяющиеся в течение 15 мин., далее перерыв 45 мин. При необходимости режим работы может быть изменён на более равномерный, например, 5 мин. - работа, 10 мин. - перерыв.
Основным достоинством лазерной БАМИ является высокая точность измерения дальности между КА, однако она является единственным измеряемым навигационным параметром. Другое достоинство лазерной БАМИ по сравнению с радиотехнической - высокая помехозащищенность - является естественным результатом высокой пространственной скрытности лазерных каналов. Однако высокая направленность лазерных пучков приводят и к отрицательным последствиям - увеличению вероятности срыва связи и необходимости использования в составе лазерной БАМИ сложных систем наведения и слежения. В результате основными недостатками лазерной БАМИ как в одноканальном,
и
3-2014
так и в четырехканальном исполнении являются необходимость наведения узких лазерных пучков и слежения ими за навигационными КА и необходимость перенацеливания лазерных пучков с одного навигационного КА на другой.
На окончательный выбор варианта использования радиотехнической или лазерной БАМИ может также оказать существенное влияние технология передачи результатов измерений с навигационных КА на наземные пункты приема информации. В перспективной структуре наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС в качестве таких пунктов приема информации при работе с радиотехнической БАМИ предполагается использовать наземные радиотехнические станции контроля и управления, а при работе с лазерной БАМИ - лазерные наземные информационно-связные пункты. В последнем случае предполагается передавать на Землю результаты бортовых лазерных измерений по лазерным линиям связи. При этом проявляется достоинство лазерных систем, связанное с их высокой пропускной способностью, однако лазерные каналы «КА-Земля» подвержены влиянию атмосферных искажений оптических сигналов и облачности, поэтому даже при использовании лазерной БАМИ целесообразно передавать на Землю результаты измерений по радиоканалам передачи на наземной пункты приема информации аппаратуры межспутниковых измерений.
Заключение
Сравнительный анализ вариантов использования радиотехнической и лазерной БАМИ показал, что на текущем этапе внедрения в системе ГЛОНАСС технологии межспутниковых измерений наиболее предпочтительно использование радиотехнической БАМИ. Необходимость в высокоскоростной передаче информации, характерной для большинства применений лазерных линий связи, в процессе работы БАМИ не возникает, а периодическое перенацеливание узких лазерных пучков с одного КА на другой усложняет технологические циклы управления навигационными КА системы ГЛОНАСС и может нарушать стабилизацию КА на орбите, что для навигационных КА крайне нежелательно. Межспутниковые лазерные линии связи могут быть использованы в системе ГЛОНАСС при проведении отдельных космических экспериментов, когда первостепенное значение будет иметь достижение прецизионных точностей при проведении взаимных измерений текущих навигационных параметров КА и эталонировании измерительных каналов радиотехнических систем.
Литература
1. Романов Л.М., Судаков В.Ф., Шинков В.Д. и др. Космические навигационные системы. Под ред. Романова Л.М. МО РФ. 1994. 632 с.
2. Бакитько Р.В., Болденков Е.Н., Булавский Н.Т. и др. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Под ред. Перова А.И., Харисова В.Н.. М: Радиотехника. 2010. 800 с.
3. Ступак Г., Дворкин В., Карутин С. ГЛОНАСС вчера, сегодня и завтра // Сети. 2008. № 6. С. 32-38.
4. Чубакин А.А., Рой Ю.А., Корнишев О.М., Падун П.П. Использование бортовых лазерных измерительно-связных средств для повышения точности и оперативности эфемеридно-временного обеспечения спутников системы ГЛОНАСС // Информационно-измерительные системы. 2007. №7. С. 25-30.
Для цитирования:
Сакулин А.Н., Мальцев Г.Н., Сравнительный анализ вариантов использования в системе ГЛОНАСС радиотехнической и лазерной аппаратуры межспутниковых измерений // i-methods. 2014. Т. 6. № 3. С. 10-13.
www nauka -i-asu ru
12
i-methods
APMAUMOHHAX M PAKETHO KOCMMECKAX TEXHMKA
Comparative analysis of use cases in the system GLONASS radio and laser equipment for inter-satellite measurements
Sakulin, A.N.
Ph.D.
Maltsev G.N.
Ph.D., professor, Military space Academy named after A. F. Mozhaisky
Abstract
Principles of applying in GLONASS onboard equipment for inter-satellite measurements. The results of comparative analysis of electronic and laser equipment for inter-satellite measurements and discusses their main advantages and disadvantages. It is concluded that for the current phase of implementation of the GLONASS technologies for inter-satellite measurements in the inter-satellite channel and the transmission channel measurements on the Earth, it is most preferable use of electronic equipment.
Keywords: GLONASS; radio engineering equipment; laser equipment; intersatellite measurements; radio navigation system.
References
1. Romanov L. M., Sudakov, V. F., V. D. Shank, etc. a Space navigation system. Edited by Romanova M. L. MO. 1994. 632 p.
2. Bakit'ko, R. V.; Boldenkov, E. N., Bulavsky N. T. etc GLONASS. The principles of construction and operation. Edited by Perov A. I., Kharisov V. N.. M: Radio engineering. 2010. 800 p.
3. G. Stupak, V. Dvorkin, S. Karotin GLONASS yesterday, today and tomorrow // the Network. 2008. No. 6. Pp. 32-38.
4. Chubykin A. A., Roy, Y. A., Kornyshev O. M., Padun P. P. Use of airborne laser measuring and communication facilities to improve the accuracy and efficiency of the ephemeris-time support satellites of the GLONASS system // Information-measuring systems. 2007. No. 7. Pp. 25-30.
For citation:
Sakulin, A.N. Maltsev G.N. Comparative analysis of use cases in the system GLONASS radio and laser equipment for inter-satellite measurements // i-methods. 2014. T. 6. No. 3. Pp. 10-13.
i-methods
13
3-2014
