Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование комплексного подхода к выбору способа навигации геостационарного спутника 26
1.1. Особенности управления полетом геостационарного спутника 26
1.1.1. Баллистические характеристики геостационарной орбиты 26
1.1.2. Технические средства обеспечения управления полетом 33
1.1.3. Навигационно-баллистическое обеспечение управления полетом . 36
1.2. Основные показатели качества навигации 41
1.3. Определение концепции технологии навигации геостационарного спутника и этапов ее разработки 45
Выводы к первой главе 50
Глава 2. Анализ структурных составляющих технологии навигации геостационарного спутника 52
2.1. Измерение текущих навигационных параметров 52
2.1 Л. Физические принципы получения измеряемых параметров для навигации геостационарного спутника 52
2.1.2. Источники погрешностей и способы уменьшения их влияния 62
2.1.3. Сравнительная оценка информативности измеряемых параметров 74
2.2. Современные и перспективные измерительные средства для навигации геостационарного спутника 76
2.2.1. Траекторные каналы КИС 77
2.2.2. Целевые каналы КИС 82
2.2.3. Лазерные спутниковые дальномеры 87
2.2.4. Фазовые пеленгаторы 90
2.2.5. Астрооптические средства наземного базирования 92
2.2.6. Бортовые датчики систем ориентации и стабилизации 94
2.2.7. Астрооптические средства орбитального базирования 96
2.2.8. Аппаратура потребителя космических навигационных систем 98
2.2.9. Аппаратура измерений в межспутниковых радиолиниях 101
2.3. Реализация методов определения параметров орбиты 103
2.3.1. Общие принципы определения параметров орбиты КА 103
2.3.2. Особенности определения параметров орбиты СИСЗ 111
Выводы ко второй главе 117
Глава 3. Разработка методического аппарата для оценки показателей качества навигации 119
3.1. Анализ методов оценки показателей качества навигации для обеспечения управления полетом геостационарного спутника 119
3.2. Методика обоснования требований к показателям точности навигации космических систем с геостационарными спутниками 125
3.3. Методика оценки качества работы измерительных средств 129
3.4. Методика расчета априорных и апостериорных характеристик точности навигации геостационарного спутника 139
Выводы к третьей главе 151
Глава 4. Анализ эффективности современных и перспективных технологий навигации геостационарного спутника . 153
4.1 Основные принципы и исходные данные для проведения анализа 153
4.2. Многопунктовые технологии навигации 156
4.2.1. Использование нескольких КИС для навигации 156
4.2.2. Использование сети удаленных пассивных станций 165
4.3. Однопунктовые технологии навигации 170
4.4. Квазиоднопунктовые технологии навигации 174
4.4.1 Привлечение фазового пеленгатора 174
4.4.2. Привлечение данных от наземных астрооптических средств 176
4.4.3. Использование датчиков системы ориентации и стабилизации 183
4.5. Технологии, основанные на использовании межспутниковых измерительных средств 186
4.5.1 Использование аппаратуры потребителя космических навигационных систем 186
( 4.5.2. Использование аппаратуры межспутниковой радиолинии 192
4.5.3. Использование астрооптических средств орбитального базирования 195
4.6. Технологии, предназначенные для выполнения автономной навигации геостационарного спутника 199
Выводы к четвертой главе 206
Глава 5. Практические аспекты совершенствования применяемых технологий навигации геостационарного спутника 209
5.1. Современные регуляризирующие процедуры обработки измерений 209
5.1.1. Использование метода главных компонент 209
5.1.2. Привлечение априорной информации об ошибках уточняемых параметров 212
5.1.3. Применение метода кросс-проверки для выбора параметров регуляризации 215
5.2. Исключение некачественных результатов измерений 219
5.3. Совершенствование технологий навигации при использовании динамических рекуррентных процедур обработки 224
5.3.1. Общие положения метода рекуррентной динамической фильтрации для навигации КА 224
5.3.2. Особенности применения метода рекуррентной динамической фильтрации для навигации геостационарного спутника 228
і 5.4 Совместная обработка результатов ИТНП различного вида 233
Выводы к пятой главе 236
Глава 6. Совершенствование однопунктовых технологий навигации геостационарного спутника 237
6.1. Общие положения и особенности применения однопунктовых техно логий навигации
6.2. Разработка экономически эффективной однопунктовой технологии навигации геостационарного спутника для особых случаев его дислокации 241
6.3. Разработка экономически эффективной однопунктовой технологии навигации геостационарного спутника без использования угловых измерений 246
6.3.1. Обоснование подхода к совершенствованию однопунктовой технологии навигации 246
6.3.2. Составные части однопунктовой технологии навигации геостационарного спутника без использования угловых измерений 250
6.3.2.1. Уменьшение погрешностей модели измерений 250
6.3.2.2. Совершенствование модели движения і спутника 254
6.3.2.3. Регуляризация процедуры обработки результатов измерений 258
6.4. Анализ особенностей практической реализации однопунктовых техно
логий навигации 262
6.4.1. Применение однопунктовой технологии для навигации спутника БОНУМ-1 264
6.4.2. Результаты применения однопунктовой технологии для навигации спутника КУПОН 269
6.4.3. Экспериментальная проверка применения однопунктовых технологий для навигации спутников типаЭКСПРЕСС-АМ 274
6.4.4. Результаты применения однопунктовой технологии для навигации спутника KAZSAT-1 Выводы к шестой главе
Глава 7. Разработка экономически эффективных технологий навигации для обеспечения коллокации геостационарных спутников, управляемых из различных центров 294
7.1. Анализ проблемы обеспечения безопасного управления полетом геостационарных спутников, удерживаемых в общей точке стояния 294
7.1.1. Применение специальных схем управления движением 296
7.1.2. Мониторинг возникновения опасных сближений 298
7.1.3. Управление для предотвращения опасного сближения 300
7.1.4. Навигационные аспекты решения проблемы коллокации 300
7.2. Экономически эффективные технологии навигации для обеспечения коллокации спутников, управляемых из различных центров 302
7.2.1. Технология навигации на основе применения разностных измерений бортовых НАП 302
7.2.2. Технология навигации на основе использования разностных фазо-метрических измерений 305
7.2.3. Технология навигации на основе применения совместных дальномерных измерений 308
7.3. Совершенствование процедуры мониторинга опасных сближений спутников в окрестности общей точки стояния 309
7.4. Рекомендации по организации взаимодействия центров управления полетом спутников при их коллокации 320
Выводы к седьмой главе 324
Глава 8. Обоснование направлений дальнейшего совершенствования технологий навигации отечественных геостационарных спутников 326
8.1. Особенности условий реализации технологий навигации отечественных геостационарных спутников 326
8.2. Анализ применения технологий навигации для перспективных отечественных космических систем с геостационарными спутниками 332
Выводы к восьмой главе 339
Заключение 342
Список использованной литературы
- Технические средства обеспечения управления полетом
- Источники погрешностей и способы уменьшения их влияния
- Методика обоснования требований к показателям точности навигации космических систем с геостационарными спутниками
- Использование сети удаленных пассивных станций
Введение к работе
Среди многочисленных революционных преобразований в различных сферах жизни человека и общества, вызываемых практическими результатами освоения космического пространства, немалое значение принадлежит применению геостационарных спутников (стационарных искусственных спутников Земли - СИСЗ). Основными достоинствами использования выводимых на геостационарную орбиту (ГСО) спутников являются [1-11]:
существенное упрощение аппаратуры земных станций связи со спутником, благодаря отсутствию необходимости использовать в антеннах сложные следящие системы, переходить в процессе сеанса со спутника на спутник и пр.;
возможность постоянного обслуживания с помощью единственного спутника до 42% земной поверхности за счет сравнительно большой высоты орбиты;
обеспечение высокого качества радиосвязи вследствие постоянства уровней сигналов на входах приемников и уменьшения влияния эффекта Доплера;
способность организации непрерывного контакта со спутником для контроля состояния его бортовых систем, управления полетом с помощью ограниченного состава наземных средств.
История освоения ГСО началась с успешного вывода на нее в 1964 г. американского спутника SYNCOM-3 [4]. Первый отечественный СИСЗ связи РАДУГА был создан КБ прикладной механики в г. Железногорск Красноярского края (ныне - ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева) и запущен 22 декабря 1975г. [12]. Рост числа выводимых на ГСО спутников не прекращается до настоящего времени (несмотря на постоянный поиск достойных альтернатив [2]). Согласно принятым международным соглашениям [13-14] количество точек стояния СИСЗ и количество радиочастотных каналов, которые они могут использовать, относится к ограниченным ресурсам и является общечеловеческой собственностью. Обеспечение условий геостационарности предполагает непрерывное управление движением центра масс спутника, состоящее в периодическом проведении корректирующих маневров с помощью бортовой двигательной установки. Эффективность такого управления во многом зависит от качества контроля параметров его орбиты, определяемого обобщающим термином навигация СИСЗ. Процесс навигации опирается на проведение специальными. средствами измерений текущих навигационных параметров (ИТНП) спутника, их статистическую обработку, прогнозирование движения. Способы навигации СИСЗ могут отличаться составом привлекаемых измерительных средств, видов ИТНП, применяемым методом обработки. Выбор того или иного способа определяется необходимостью удовлетворения требований к показателям качества навигационно-баллистического обеспечения (НБО), среди которых наиболее значимыми для СИСЗ являются точность, надежность- Как» правило, приходится учитывать и затраты на реализацию характеризующие экономическую.эффективность проведения навигации. Решению разнообразных проблем НБО управления полетом СИСЗ посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей, значительная часть из которых приведена в Списке использованной литературы к данной диссертационной работе.
В основополагающих монографиях Лидова М.Л., Вашковьяка М.А., Сочилиной А.С., Киладзе Р.И., Tapley В., Moutenbruck О. и др. исследованы особенности- и рациональные способы описания влияния различных сил на эволюцию орбиты СИСЗ, моделирование его движения при решении навигационных задач.
Работы Чернявского Г.М., Лебедева А.А., Красилыцикова М.И., Малышева В:В., Галкина Р.Д., Назарова А.Е., Батилова В.Н., Eckstein М., Anzel F., Bassner H. и др. касались реализации оптимальных схем управления движением СИСЗ при его приведении на рабочую долготу, удержании в окрестности заданной точки стояния на ГСО, переводе в другую точку стояния, уводе на орбиту хранения и пр.
Исследования Бартенева В.А., Улыбышева Ю.П., Малышева В.А., Булынина Ю.Л., Gill Е., Poena J. и др. позволили определить основные методологические положения проектирования НБО управления полетом КА на ГСО, разработать теорию и математический аппарат для формализации процесса такого проектирования.
В работах Почукаева В.Н., Янчика А.Г., Ступака Г.Г., Севастьянова Н.Н., Поля В.Г., Soop М., , Rosengren М., Luthcke S., Gill Е., Wolf R., Marshall J., Sincarsin G. и др. рассмотрены проблемы и особенности определения орбиты СИСЗ, информативность разных типов привлекаемых к обработке результатов ИТНП.
Статьи и работы Бетанова В.В., Мешкова М.Н., Чаплинского B.C., Kawase S., Kuhl С, Degnan J., Sabol C, Douglas Т. и др. затрагивают проблемы обеспечения необходимого состава и точности измерительных систем (дальномерных, угломерных при использовании КИС либо фазовых пеленгаторов, ретрансляционных и пр.), применяемых для навигации СИСЗ.
Проблемы автономной навигации СИСЗ при использовании данных от бортовой НАЛ систем GPS/ГЛОНАСС, аппаратуры межспутниковых радиолиний, датчиков системы ориентации и стабилизации спутника подробно исследованы в трудах Аверина СВ., Соловьева Г.М., Елкина В.М., Ислентьева Е.В., Гречкосеева А.К., Altmayer С, Leibold A., Vonbun F., Ananda М. и др.
Способы навигации СИСЗ отражены в нескольких десятках выданных патентов [120,133-137].
Следует, однако, заметить, что в перечисленных работах и исследованиях затрагиваются, как правило, лишь отдельные аспекты проблемы обеспечения требуемых показателей качества навигации СИСЗ, не учитывается взаимосвязь характеристик привлекаемых измерительных средств, измеряемых параметров, методов их статистической обработки. Достаточно заметить, что до настоящего времени разработчик не имеет полноценного методического аппарата для формулирования требований к показателям навигации конкретного СИСЗ исходя из задач и особенностей его целевого применения.
Другой пласт проблем связан с тем, что целый ряд подходов, методов, алгоритмов, применяемых при навигационном обеспечении современных космических аппаратов, в том числе и геостационарных, в настоящее время очевидно устарел. Во многом это связано и объясняется временем их разработки, соответствующим началу компьютерной эры, когда основным требованием к методу навигации было его быстродействие с учетом возможностей соответствующих ЭВМ. Достигнутый к настоящему времени уровень развития вычислительной техники позволяет по-иному взглянуть на возможности более полного извлечения содержащейся в измерениях информации с помощью специальных процедур обработки. Подобные процедуры многомерного статистического анализа данных разрабатываются и находят все более широкое применение в различных областях науки и техники, связанных с обработкой результатов наблюдений, физических экспериментов и пр.
Значительно повысился за последние 10-12 лет уровень точности, который позволяют обеспечивать современные измерительные средства. Так, предельные погрешности измерения дальности от КИС до СИСЗ за счет уменьшения аппаратурных погрешностей, применения способов компенсации влияния различных факторов могут составлять несколько дециметров. Для лазерных дальномеров эти погрешности не превышают 1 см. Точность измерения направления на СИСЗ относительно оптического телескопа составляет единицы угловых секунд, направляющих косинусов фазового пеленгатора - 10"5 рад.
Очевидно, перечисленные факторы позволяют существенно повышать те или иные характеристики качества навигации СИСЗ. В частности, может ставиться задача применения способа навигации, который обеспечивает необходимые для штатного функционирования СИСЗ точность и надежность с возможно меньшими эксплуатационными затратами. Практика управления полетом СИСЗ различного назначения убедительно показывает, что для большинства их применений, особенно коммерческих, подобный подход является наиболее целесообразным.
Одним из самых экономичных считается однопунктовый способ навигации, именно поэтому получивший широкое применение при управлении полетом зарубежных и ряда отечественных СИСЗ. Привлечение единственной наземной станции (как правило, входящей в контур управления командно-измерительной системы (КИС)), выполняющей по назначенным схемам и с определенной точностью измерения дальности и углового положения спутника, а также применение специального метода их обработки позволяют обеспечивать надежное удержание спутника в регламентируемой области относительно номинальной точки стояния по долготе и широте. Но необходимость проведения угловых измерений предъявляет достаточно жесткие требования к характеристикам антенного устройства, методам обработки измерений, существенно усложняя их и увеличивая стоимость процесса навигации. Затраты на навигацию возрастают также при реализации особого геометрического положения спутника относительно станции, когда для компенсации резкого снижения точности нужно привлекать дополнительные измерительные средства. Актуальной является задача совершенствования однопунктового способа для возможности отказа от использования угловых измерений, обеспечения необходимого уровня точности навигации вне зависимости от точки стояния спутника.
Возрастание уровня требований к точности определения положения СИСЗ при его применении, например, в системах навигационного, геодезического обеспечения вынуждает привлекать дополнительные типы измерительных средств (лазерные дальномеры, фазовые пеленгаторы, оптические телескопы, в перспективе - аппаратуру автономной спутниковой навигации, межспутниковых радиолиний и пр.). Необходимым условием реализации соответствующих способов навигации, практически не учитываемым при проектировании и внедрении таких средств, является обеспечение минимального возрастания эксплуатационных затрат без снижения эффективности выполнения целевой задачи. Ограниченность свободного ресурса геостационарной орбиты порождает необходимость размещения нескольких спутников в окрестности общей точки стояния — их коллокации. Если такие спутники управляются из различных центров, то основным в решении проблемы обеспечения их безопасного функционирования оказывается именно навигационный аспект. И также крайне важным является минимизация возрастания дополнительных затрат на навигацию при обеспечении как достаточного уровня точности и надежности навигации каждого из спутников, так и безопасности управления. Перечисленные примеры свидетельствуют о том, что выбор или разработка приемлемого способа навигации СИСЗ, позволяющего обеспечивать условия для решения целевой задачи при возможной минимизации необходимых затрат, является актуальной проблемой. Ее решение существенно осложняется противоречивостью и сложным взаимовлиянием наиболее важных показателей качества навигации СИСЗ — точности, надежности, экономической эффективности, несовершенством применяемых методов обоснования требований к этим показателям, их достоверной оценки, методов обработки измерений и пр. Анализ способов учета подобных факторов приводит к необходимости применения комплексного подхода. Он предполагает использование достоверных методов обоснования требований и оценивания показателей качества навигации, тщательный учет тесной взаимосвязи характеристик типов измерительных средств, видов измеряемых ими параметров и методов их статистической обработки для навигации СИСЗ. Подобный комплексный подход может быть объединен концепцией «технология навигации геостационарного спутника».
Цель диссертационной работы На основе развития комплексного подхода к выбору способа навигации геостационарного спутника разработать научно обоснованные экономичные технологии навигации, применение которых позволяет снижать эксплуатационные расходы при выполнении требований к точности и надежности.
В соответствии с целью работы проводились исследования по следующим направлениям:
- поиск путей комплексного учета требований к показателям качества навигации СИСЗ для обеспечения возможности сокращения эксплуатационных расходов при сохранении требуемых уровней точности и надежности навигации.
- разработка технологий навигации СИСЗ, обеспечивающих выполнение ими целевых задач при снижении уровня эксплуатационных расходов на ИБО.
- экспериментальное исследование предложенных технологий навигации СИСЗ и разработка рекомендаций по их практическому применению.
- обоснование направлений дальнейшего совершенствования технологий навигации отечественных СИСЗ .
Объектом исследований является система навигационно-баллистического обеспечения управления полетом геостационарных спутников.
Предметом исследований являются технологии навигации геостационарных спутников.
При проведении исследований и обоснований используются методы теории вероятностей и математической статистики, теории решения некорректных задач, методы многомерного статистического анализа, математического моделирования, теории оценивания, вычислительной математики и программирования.
В структурном отношении работа состоит из Введения, 8 разделов и Заключения.
В первой главе проводится обоснование комплексного подхода к выбору или разработке способа навигации СИСЗ. Для этого рассматриваются принципы организации НБО управления его полетом, которые вытекают из особенностей орбиты, требований к показателям качества навигации для управления движением центра масс СИСЗ различного назначения, возможностей привлекаемых технических средств.
Анализируются возможности применения комплексного подхода, предполагающего использование достоверных методов обоснования требований и оценивания показателей качества навигации, тщательный учет тесной взаимосвязи характеристик типов измерительных средств, видов измеряемых ими параметров и методов их статистической обработки для навигации СИСЗ. Предложено объединять перечисленные компоненты рассматриваемого комплексного подхода в единой концепции «технология навигации геостационарного спутника».
В рамках этой концепции обоснование способа контроля параметров орбиты СИСЗ понимается как оптимизационный процесс выбора из имеющегося множества типов измерительных средств и видов измеряемых параметров некоторого подмножества, удовлетворяющего заданным требованиям с учетом особенностей программы полета конкретного спутника. Показано, что наиболее целесообразный оптимизационный критерий состоит в обеспечении экономической эффективности навигации при достаточности требуемой точности и надежности.
Во второй главе выполняется анализ структурных составляющих технологии навигации СИСЗ для их сравнительной характеристики: видов измеряемых параметров; типов измерительных средств; методов обработки результатов ИТНП.
Рассмотрение физических принципов, лежащих в основе получения наклонной дальности, углового положения спутника относительно наземного измерительного средства, радиальной скорости, источников погрешностей этих измеряемых параметров и способов компенсации их влияния, оценка информативности по отношению к различным уточняемым параметрам используется для обоснования характеристик измерительных средств, а также для выбора технологии навигации СИСЗ.
Выполняется последовательный анализ характеристик основных типов измерительных средств, которые применяются либо могут применяться для навигации СИСЗ: измерительных и целевых каналов КИС, фазовых пеленгаторов, бортовых датчиков систем ориентации и стабилизации, лазерных спутниковых дальномеров, астрооптических средств наземного и орбитального базирования, аппаратуры потребителя космических навигационных систем, аппаратуры получения межспутниковых измерений. Подобный анализ, включающий и оценку возможных затрат при подготовке и эксплуатации указанных средств, также является составной частью выбора технологии навигации.
Рассмотрены общие принципы определения параметров орбиты произвольного КА по данным обработки результатов ИТНП, соответствующие решению общей математической задачи оценки состояния описываемой дифференциальными уравнениями системы по наблюдениям, относящейся к классу обратных краевых задач. Такие задачи являются неустойчивыми (некорректными) в смысле допустимости ситуаций, когда даже малые возмущения в исходных данных вызывают значительные изменения в результатах их решения. Подобные ситуации весьма вероятны при навигации СИСЗ, например, ввиду крайне низкой динамики их движения по отношению к наземным измерителям. Показано, что особенности определения орбиты СИСЗ связаны с необходимостью регуляризации процедуры обработки ИТНП, выбором системы элементов для описания его орбитального движения, состава уточняемых параметров, учетом относительной значимости различных видов измеряемых параметров, исключением некачественных результатов ИТНП, применением рекуррентных методов обработки. Предложены предпочтительные процедуры для учета перечисленных особенностей при обосновании технологии навигации СИСЗ.
В третьей главе проводится анализ известных и излагается сущность разработанных методик для определения требований и оценки показателей качества навигации. Требования к точности навигации выражаются в виде допустимых ошибок определения долготы и широты спутника на интервале управления. Разработанная методика определения этих значений, предполагает учет специфичных для каждого спутника особенностей применяемой схемы управления движением, оценку влияния различных возмущений, включая отклонения от номинальных значений тяг двигательных установок при проведении коррекций, эволюции тех или иных параметров орбиты спутника между маневрами, некомпенсируемой с помощью маневров части смещения спутника.
Формулируется задача оценки точности навигации в контексте решаемой проблемы. Рассматриваются известные методы априорной и апостериорной оценки точности навигации СИСЗ. Обосновываются преимущества адаптивных непараметрических методов оценивания, опирающихся на вероятностный подход, но извлекающих информацию о законах распределения из самой обрабатываемой выборки навигационных определений. Один из них, основанный на построении эмпирической функции распределения вероятностей на множестве псевдовыборок, генерируемых с помощью бутстреп-процедуры, лежит в основе разработанной методики оценки точности навигации СИСЗ. Показано, что методика может использоваться на этапах проектирования, штатной эксплуатации, послеполетного анализа результатов НБО.
Рассматриваются методы оценки характеристик различных измерительных средств, привлекаемых для проведения ИТНП СИСЗ. Анализируются применяемые способы их юстировки, показатели качества работы измерительных средств. Описывается разработанная методика, которая отличается возможностью получения оценок показателей, специфических для навигации именно СИСЗ. Отмечается возможность применения методики в достаточно типичных ситуациях, когда измерения эталонных средств имеют высокую (и известную) точность, однако параметры соответствующей эталонной орбиты не позволяют получить достоверную оценку точности измерения проверяемого средства.
Результаты применения разработанных методик для получения оценок точности, надежности, экономической эффективности существующих и перспективных технологий навигации СИСЗ излагаются в четвертой главе диссертационной работы.
Исследуется зависимость точности навигации, достигаемой при реализации многопунктовых технологий с использованием КИС, от геометрического положения КИС как друг относительно друга, так и относительно обслуживаемого ими СИСЗ, от структуры мерного интервала, уровня погрешностей измерений, наличия возмущений, вызываемых ошибками учета силы тяги двигательной установки на участках проведения маневров или разгрузок. Отмечается, что хотя обеспечиваемые точность и надежность навигации могут быть достаточно высокими, но и экономические затраты на реализацию подобных технологий обычно крайне велики.
Проводится анализ характеристик многопунктовых технологий навигации с использованием сети разнесенных пассивных станций, который показывает, что в общем случае они уступают по точности и надежности многопунктовым технологиям с использованием КИС, но требуют существенно меньших затрат на реализацию.
Рассматриваются особенности применяемых однопунктовых технологий для навигации СИСЗ. Показывается, что эти технологии являются обычно наиболее удобными и экономичными. Однако, несмотря на всю привлекательность, возможность их применения с точки зрения достижения требуемого уровня точности и надежности навигации требует обеспечения определенных условий: заданных точности измерения дальности и углов, межсеансового разброса постоянной систематической погрешности углов, плана проведения измерений.
Среди получивших распространение на практике подходов к повышению точности и надежности навигации СИСЗ по сравнению с получаемыми при использовании однопунктовых технологий при допустимом возрастании уровня экономических затрат рассматривается привлечение к измерениям основной КИС дополнительных измерений от высокоточных угломерных систем - фазовых пеленгаторов, наземных астрооптических средств, а также бортовых датчиков системы ориентации и стабилизации. Проводится анализ характеристик подобных квазиоднопунктовых технологий. Рассмотренные возможности реализации этих технологий позволяют определить структуру мерного интервала, составы уточняемых параметров.
Анализируются технологии использования межспутниковых измерительных средств - аппаратуры потребителя космических навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, аппаратуры проведения ИТНП по межспутниковым радиолиниям, специальных астрооптических средств орбитального базирования. Описываются разработанные способы повышения точности и надежности навигации СИСЗ за счет использования межспутниковых измерительных средств.
Рассмотрены технологии для выполнения автономной навигации СИСЗ. Приводятся результаты оценки и надежности навигации при использовании этих технологий для перспективных систем. В пятой главе излагаются практических аспекты совершенствования существующих технологий навигации: особенности применения регуляризующих процедур для обработки измерений, реализации способов исключения некачественных результатов, применения динамических рекуррентных процедур, выбора весовых коэффициентов.
Среди регуляризующих процедур выбраны как наиболее целесообразные способ привлечения априорной информации об ошибках уточняемых параметров либо применение метода главных компонент, показавшие свою практическую эффективность при НБО управления полетом СИСЗ. Для выбора настроечных параметров в этих процедурах рассмотрено использование метода кросс-проверки, достоинством которого является устойчивость к наличию значительных неопределенностей в используемых моделях и в исходной информации.
Описывается разработанный полуэмпирический метод исключения некачественных результатов измерений, применение которого позволяет повышать надежность навигации СИСЗ. Его преимущества состоят в возможности учета ошибок в исходных параметрах орбиты спутника и в описании модели движения, результатов исключения некачественных измерений на предыдущих итерациях, в использовании ограничений на конечные значения допустимых отклонений.
Рассматриваются особенности применения рекуррентных процедур обработки измерений, позволяющих повышать точность навигации в условиях высокого уровня неопределенностей относительно параметров действующих сил и возмущений: выбор состава уточняемых параметров, способы назначения исходной матрицы ошибок вектора состояния, расчет матрицы шума, исключение некачественных результатов СИСЗ, возможности повышения точности навигации за счет применения итерационной обработки.
Шестая глава посвящена изложению особенностей разработанных экономичных однопунктовых технологий навигации. Формулируются основные теоретические предпосылки возможности применения однопунктовой технологии для навигации СИСЗ с точностью, обеспечивающей условия его надежного удержания в заданном угловом диапазоне по долготе и широте.
Рассматриваются особые варианты навигации, когда отличие в долготах станции и точки стояния спутника не превышает 3°-4° и ошибка определения долготы спутника может возрастать в несколько раз. Описана предложенная модификация однопунктовой технологии, предусматривающая ограничение области изменения постоянной составляющей систематической погрешности измерения угла азимута при ее уточнении за счет привлечении априорной информации в виде ковариационной матрицы ошибок уточняемых параметров, выборе значения коэффициента при матрице с помощью метода кросс-проверки
Анализируются недостатки и ограничения однопунктовой технологии, связанные с необходимостью выполнения ряда дополнительных требований как к используемым техническим средствам, так и к соответствующим методам обработки измерительной информации, заметно снижающим экономичность этой технологии. Ставится задача получения требуемых показателей точности и надежности навигации при использовании только дальностей от одного пункта. Описывается разработанная общая схема исследованного подхода к навигации СИСЗ по измерениям дальности от одной станции, основанная на повышении точности применяемой модели измерений и модели движения спутника, регуляризации процедуры обработки результатов ИТНП за счет раздельного уточнения внутриплоскостных и внеплоскостных параметров орбиты, применения методов многомерного статистического анализа для наиболее полного извлечения содержащейся в измерениях информации.
Технические средства обеспечения управления полетом
Геостационарные спутники, как свидетельствует само название, это искусственные спутники Земли, которые остаются практически неподвижными относительно ее поверхности в процессе своего орбитального движения. Математическое условие обеспечения указанной неподвижности - равенство векторов угловых скоростей вращения спутника по околоземной орбите и Земли вокруг собственной оси. Для модели фигуры Земли в виде шара с концентрическим распределением плотности, равномерно вращающегося с периодом, равным звездным суткам ( 23 часа 56 мин. 4 сек), и при учете влияния на движение спутника только силы земного притяжения необходимые условия выполнения указанного равенства состоят в следующем: сидерический период обращения спутника вокруг Земли по такой орбите должен совпадать со звездными сутками, а направление полета - с направлением вращения Земли вокруг собственной оси; требуемая орбита обязана быть круговой (ее эксцентриситет равен нулю); эта орбита должна быть экваториальной (наклонение плоскости орбиты к плоскости земного экватора равно нулю).
Перечисленным условиям удовлетворяет множество круговых экваториальных орбит с радиусом 42164.2 км, отличающихся друг от друга лишь долготой точки стояния спутника, т.е. его угловым расстоянием относительно гринвичского меридиана (хотя обычно говорят об одной единственной геостационарной орбите (ГСО), подразумевая, что положение самого спутника на этой орбите к ее параметрам не относится). Это множество образует так называемый "Геостационарный Пояс" (или "Пояс Кларка" [1]).
В общем случае программа полета СИСЗ включает следующие этапы: - выведение на околостационарную орбиту; - приведение в заданную точку стояния на ГСО; - проведение летных испытаний и инициализация циклов удержания; - удержание в заданной точке стояния в заданном угловом диапазоне по широте и долготе; - перевод в другую точку стояния на ГСО; - увод с ГСО на орбиту хранения («кладбище СИСЗ»).
Обеспечение полной неподвижности СИСЗ относительно земной поверхности является недостижимым математическим идеалом. Это связано с практической невозможностью реализации перечисленных условий стационарности. Кроме того, реальная фигура Земли далека от идеального шара с концентрическим распределением плотности, а на движение спутника помимо центральной силы земного притяжения оказывают возмущающее влияние силы притяжения Солнца, Луны, световое давление и пр. Это приводит к неизбежному смещению (дрейфу) спутника относительно земной поверхности [2,13-20].
В табл. 1.1 приведены данные о величинах ускорений от действия основной и возмущающих сил, а также о величинах максимального смещения СИСЗ в результате действия этих возмущений в течение интервалов в 5 и 30 суток [23].
Для; большинства практических применений СИСЗ достаточен учет влияния следующих возмущений [2,16,184j25]: - составляющих, силы; гравитационного притяжения Земли, обусловленных наличием полярного сжатия и аномалий геопотенциала: (главным образом, экваториального сжатия) и представляемых; обычно в виде ряда; по сферическим функциям с удержанием гармоник- до 4-8-го порядка [10,24,25]; т гравитационного притяжения Солнцаи Луны как точечных масс; -прямого светового давления.
Кроме того; необходимо учитывать влияние силы тяги двигательной установки на участках ее включения для проведения маневров.
Вїобщем случае орбитальное движение СИСЗ. (как и движение любого другого КА) может быть описано системой г обыкновенных; дифференциальных уравнений 2-го порядка и размерности 3:
Вектора r(f) и V(t) совместно образуют вектор параметров движения спутника на момент времени L
Непосредственное аналитическое решение этой системы в квадратурах возможно лишь при целом ряде упрощающих предположений [26]. Обычный подход состоит в применении метода численного интегрирования системы (1.1) для получения параметров движения СИСЗ в любой заданный момент времени. Качественное же описание влияния указанных возмущающих сил на элементы исходной геостационарной орбиты в ее плоскости и вне этой плоскости можно выполнить, разделив результирующее ускорение на внутриплоскостную и внеплоскостную компоненты, соответственно.
Величина и направление действия внутриплоскостной компоненты возмущающего ускорения (определяемой, главным образом, неравномерностью гравитационного притяжения Земли в экваториальной плоскости) зависят от долготы спутника. В первом приближении эта зависимость может быть представлена синусоидой с четырьмя нулями, следующими примерно через 90 [2,16,18].
Источники погрешностей и способы уменьшения их влияния
Представляемая методика, являющаяся необходимым компонентом развиваемого в настоящей работе комплексного подхода к выбору либо разработке технологии навигации СИСЗ, предназначена для обоснования требований к показателям точности навигации. Методика основана на известном подходе, при котором производится установление факторов, оказывающих влияние на процесс удержания в окрестности заданной точки стояния конкретного СИСЗ, определяются взаимосвязи этих факторов, выполняется исследование степени влияния каждого из них. Конечной целью анализа является установление допустимых значений ошибок определения долготы и широты спутника, позволяющих обеспечивать его удержание в заданной области относительно номинальной точки стояния [18,19,97].
Ввиду значительного разнообразия систем управления СИСЗ, наличия или отсутствия влияния тех или иных возмущений, особенностей их воздействия на спутники той или иной конструкции и пр. предложить универсальный способ проведения необходимого анализа практически невозможно. Однако, несмотря на отличия в конкретных деталях, существуют некоторые общие принципы анализа. Рассмотрим эти принципы на конкретном, но типичном примере, соответствующем установлению допустимых значений ошибок определения долготы и широты спутника, для удержания которого по обеим угловым координатам применяется двигательная установка большой тяги при компенсации изменения параметров среднего движения [18,97].
На рис. 3.1 изображена типовая кривая изменения во времени «истинной» долготы СИСЗ в циклах его удержания в области АЯ относительно номинальной точки стояния Я . Показаны также составляющие полной области удержания по долготе. Под «истинной» понимается значение долготы, рассчитанное при наиболее полном учете возмущений, а под средней - без учета возмущений, которые не корректируются в результате проведения маневров удержания по долготе и эксцентриситету. Область изменения средней долготы за время между маневрами обозначена А. Максимальное отличие изохронных значений "истинной" и средней долгот в цикле удержания Доопределяет часть смещения по долготе, которая может не устраняться в результате проведения маневра. Области Ас1я и Asx обусловлены максимальными (по уровню "3 сигма") значениями погрешности определения долготы на интервале обработки измерений и дополнительной погрешности прогнозирования долготы соответственно.
На рис. 3.2 изображена типовая кривая изменения во времени «истинной» широты СИСЗ в циклах его удержания в области Аср относительно нулевой (точно геостационарной) широты. Показаны также составляющие полной области удержания по широте. Под «истинной» понимается значение широты, рассчитанное при наиболее полном учете возмущений, а под средней -без учета возмущений, которые не корректируются в результате проведения маневров удержания по широте. Область изменения средней широты за время между маневрами обозначена А%. Отличие максимальных амплитуд "истинной" и средней широты в цикле удержания А/ определяет ту часть смещения по широте, которая не устраняется после маневра, если он проводится с учетом только среднего отклонения. Области Ad9 и Asp представляют собой максимальные (по уровню "3 сигма") значения погрешности определения широты на интервале обработки измерений и дополнительной погрешности прогнозирования широты соответственно.
Требуемая точность навигации выражается в виде допустимых ошибок определения долготы и широты спутника на интервале управления (Ad Ad ).
Эти значения рассчитываются как оставшаяся часть размера области удержания спутника соответственно по долготе и широте (АЛ, Аф) после вычитания из нее специфичных для каждого спутника (см. рис. 3.1, 3.2): - области свободного дрейфа между маневрами {А1,А% ); -некомпенсируемой с помощью маневров части смещения спутника (Ag, А/"); -предельных значений ошибок моделирования движения, исполнения маневров, возмущений от немоделируемых ускорений ( As , ASp ).
Тогда допустимые значения ошибок определения долготы и широты спутника определяются из соотношений Adz= - -Ag-Asx; (3.4) Ad - f-Af-Asp. (3.5)
Отметим, что подобный анализ может проводиться и для решения в некотором смысле обратной задачи - установления возможности удержания СИСЗ в заданном угловом диапазоне по данным о влиянии указанных выше факторов, а также по заданным ошибкам навигации. Пример решения такой задачи содержится в [19], где, в отличие от изложенной методики, результаты априорной оценки точности навигации спутников серии ЭКСПРЕСС-А2 и ЭКСПРЕСС-АЗ с привлечением измерений дальности от КИС и угловых измерений от бортовых астродатчиков задавались в качестве исходных данных: - ошибки определения текущей широты подспутниковой точки Ady - 0.9 мин.; - ошибки определения текущей долготы подспутниковой точки Adx - 0.3 мин.;
Проведенный при указанных исходных данных анализ позволил обосновать возможность удержания этих спутников в области ±3 угл.мин. (т.е. ±0.05) по долготе и широте при использовании рассматриваемых типов измерительных средств, видов измеряемых параметров, методов их обработки.
В общем случае каждое измерение данного средства отягощено разнообразными погрешностями, физическая природа которых была рассмотрена в п. 2.1. Важной задачей на этапе подготовки измерительного средства к эксплуатации, а в некоторых случаях, и в процессе его штатной работы является определение статистических характеристик этих погрешностей. Знание их достоверных значений необходимо: для оценки качества результатов проведения ИТНП данным измерительным средством и проверки соответствия характеристик измерений требованиям технического задания; для возможного принятия мер по снижению уровня погрешностей измерений; для более корректного назначения весовых коэффициентов при совместной обработке измерений различной точности и/или вида; для повышения достоверности обоснования требований и оценки точности навигации при обосновании выбора технологии навигации.
На рис. 3.3 условно представлен цикл измерения некоторого навигационного параметра h(t), состоящий из т сеансов. Зависимость от времени истинного значения измеряемого параметра обозначена hucm(t), а результат /-ого измерения параметра h в у- ом сеансе - h.. При этом время ttj соответствует моменту проведения измерения hj (моменту привязки результата).
Методика обоснования требований к показателям точности навигации космических систем с геостационарными спутниками
Достоинство метода юстировки наземных станций КИС с использованием сигналов НКА систем GPS/ГЛОНАСС состоит в высокой точности знания их эфемерид. Однако антенны КИС, предназначенных для управления СИСЗ, часто делают с ограниченным сектором обзора (5-10), что усложняет планирование сеансов юстировки по динамичным спутникам ГЛОНАСС. Кроме того, такая КИС обязана быть совместимой с бортовым оборудованием НКА, чтобы иметь возможность проводить циклы ИТНП.
Примером использования орбитального метода с помощью радиосигналов от другого СИСЗ является юстировка угломерных каналов КИС, предназначавшейся для управления полетом спутника БОНУМ-1 [98]. С целью повышения степени объективности результатов юстировки в качестве орбитального эталона был выбран СИСЗ ГАЛС-12, располагавшийся в окрестности точки стояния 36.6в.д. (т.е. достаточно близко к точке стояния запускаемого спутника БОНУМ-1) и использовавший тот же диапазон частот. Для получения высокоточной эталонной орбиты спутника ГАЛС-12 дополнительно была проведена серия его астрооптических наблюдений с телескопа пика Терскол (см. п. 2.2.5). СКО погрешностей расчета углов линии визирования на спутник в пределах интервалов выполнения оптических наблюдений составляли при этом не более 0.02 - 0.05 угл. мин., что позволяло принимать их в качестве эталонных. В результате проведения 4-х контрольных циклов были произведены коррекция начальной привязки отсчетных направлений антенны и оценка точности угловых измерений.
Как уже было указано, необходимым условием применения орбитального метода юстировки является обеспечение требуемой точности расчета эталонных значений измеряемых параметров. Однако нередко выполнение этого условия является проблематичным (обычно это касается юстировки дальномерного канала измерительного средства). Согласно описываемой методике для подобных ситуаций предусмотрено применение вспомогательных приемов, позволяющих тем или иным образом проконтролировать величины интересующих погрешностей. Например, достаточно типичной является ситуация, когда измерения эталонных средств имеют высокую (и известную) точность, однако параметры соответствующей эталонной орбиты не позволяют получить достоверную оценку точности измерения юстируемого средства. В этом случае используется метод совместной обработки результатов ИТНП эталонных и юстируемого средств. Если оценки качества измерений от всех средств относительно полученной орбиты окажутся близкими, то это с большой долей вероятности свидетельствует о выполнении предъявляемых к юстируемому измерительному средству требований по характеристикам точности ИТНП.
Подобный подход применялся для юстировки дальномерного канала КИС, предназначенной для управления полетом СИСЗ БОНУМ-1. На одном и том же интервале длительностью 2 суток проводились измерения дальности, азимута и угла места двумя станциями - юстируемой КИС п. Сколково и эталонной КИС Hatenbeenstroek в Южной Африке (соответствующая длина измерительной базы составляла порядка 10 тысяч километров). Навигация выполнялась по ИТНП обеих КИС с одновременным уточнением постоянных составляющих систематических погрешностей угловых измерений эталонной и юстируемой КИС, а также постоянной составляющей погрешности измерения дальности КИС п. Сколково. Точность оценки значений систематической погрешности измерений дальности составляла 3-4 м, углов 0.05 угл.мин (по уровню СКО). Очевидно, такой подход является разновидностью орбитального метода юстировки измерительного средства.
Получение априорных оценок точности навигации СИСЗ основывается на применении комплекса математических моделей, позволяющих имитировать динамику относительного движения СИСЗ и измерительной системы, процесс проведения ИТНП различными видами таких систем, статистическую обработку результатов ИТНП и получения уточненных значений параметров орбит, которые используются для расчета показателей точности навигации. Составными частями модели априорной оценки точности являются: - модель измерений; - методы учета ошибок измерений и ошибок модели измерений; - методы статистической обработки измерений; - методы учета ошибок начальных параметров и априорных данных; - модель движения СИСЗ; - методы учета погрешностей модели движения; - метод расчета характеристик точности навигации СИСЗ.
Входные данные для априорной оценки включают: - сведения о привлекаемых измерительных средствах (их размещении, составе, видах и точностых характеристиках соответствующих измерений); - баллистическую схему полета; - сведения о конструктивных характеристиках СИСЗ, необходимые для выбора модели движения; - множество возможных вариантов навигации для формирования гипотез о составе учитываемых факторов и их характеристиках.
Использование сети удаленных пассивных станций
Многопунктовые технологии предусматривают использование нескольких измерительных средств, установленных на территориально разнесенных по земной поверхности пунктах. Если такими измерительными средствами являются КИС, то в качестве измеряемого параметра обычно выступают высокоточные запросные дальности. Ограничения на удаленность пунктов в этом случае связаны лишь с условиями геометрической видимости СИСЗ и КИС, поэтому измерительная база может достигать нескольких тысяч километров. Указанные обстоятельства обеспечивают возможность достижения высокой точности навигации СИСЗ, с заведомым запасом удовлетворяющей требованиям большинства практических приложений. Поэтому данный метод часто используется для построения эталонной орбиты при проведении юстировки измерительных средств (см. п. 3.2.2).
Получение результатов ИТНП от нескольких независимых измерителей обеспечивает также высокую надежность многопунктового метода. В то же время, дополнительное привлечение сложных и дорогостоящих КИС, аппаратуры связи разнесенных пунктов, сопряжения каналов и пр. требует существенных экономических затрат. По этой причине для большинства коммерческих приложений применение многопунктового метода с использованием нескольких КИС является непозволительной роскошью.
Точность навигации СИСЗ при использовании измерений дальности от нескольких КИС определяется влиянием следующих основных факторов: - геометрического положения КИС как друг относительно друга, так и относительно обслуживаемого ими СИСЗ; - структуры цикла (плана проведения) ИТНП (продолжительности интервала, количества сеансов, темпа поступления); - уровня погрешностей измерений дальности; наличия возмущений, вызываемых ошибками учета силы тяги двигательной установки на участках проведения коррекций.
Для демонстрации влияния этих факторов, существующих закономерностей, определяющих особенности применения многопунктовой технологии, рассмотрим обобщенные результаты априорной оценки точности навигации СИСЗ с долготой точки стояния /1 56в.д. по измерениям дальности от нескольких КИС, расположенных на пунктах в районе гг. Москва, Санкт-Петербург, Улан-Удэ, Енисейск и Комсомольск-на-Амуре. Обработка результатов ИТНП выполнялась с использованием классического метода наименьших квадратов (см. п. 2.3.1).
В табл. 4.1 приведены результаты оценки предельных ошибок навигации СИСЗ. При получении оценок полагалось:
- неизменный уровень погрешностей измерений дальности во всех вариантах, соответствующий штатным погрешностям КИС типа «Каштан»: 1м по СКО случайной погрешности и 5 м по систематической погрешности в каждом сеансе;
-продолжительность мерного интервала составляет 1 сутки, продолжительность каждого сеанса 10... 15 мин, шаг измерений в сеансе -10 с, интервалы между сеансами — 6 часов (т. е. 5 равномерно распределенных сеанса на суточном интервале - типовая структура цикла ИТНП для отечественных СИСЗ);
- участки проведения коррекций орбиты либо отсутствуют полностью, либо моделируются как двукратные включения двигателя каждые сутки в узлах орбиты (признак наличия или отсутствия коррекции в табл. 4.1);
- с помощью группы КИС, расположенных в районе гг. Москва, Санкт-Петербург и Улан-Удэ моделируется удержание спутника в «средней» точке стояния (ее долгота находится между долготами установки КИС), а с помощью КИС, расположенных в Улан-Удэ, Енисейске и Комсомольске 8 на-Амуре - в «крайней» точке стояния (ее долгота находится по одну сторону от долгот установки всех КИС).
Анализ результатов табл. 4.1 позволяет сделать следующие важные для практических применений выводы.
1. Точность определения и прогноза текущей долготы СИСЗ (параметр 51) зависит, главным образом, от протяженности долготной измерительной базы.
2. Точность определения текущей широты СИСЗ (параметры 8п либо Si) зависит примерно в одинаковой степени от протяженностеи широтной и долготной баз. При наличии у пары КИС достаточно протяженной долготной базы возможно достижение высокой точности определения широты даже при отсутствии протяженной широтной базы. Поэтому необходимым условием получения высокой точности навигации СИСЗ при той или иной схеме размещения КИС следует считать наличие протяженной долготной базы.
3. Для пар КИС с примерно одинаковыми долготными базами минимум ошибок достигается при совмещении долготы средней точки базы с долготой точки стояния СИСЗ. Для близких к оптимальным вариантам размещения пар КИС становится целесообразным и обеспечение протяженной широтной базы.
4. Наиболее значительное ухудшение точности навигации СИСЗ при его размещении в «крайней» точке стояния по сравнению с размещением в «средней» точке происходит в элементах, определяющих ориентацию плоскости орбиты в пространстве.
5. Сравнение трехпунктовых и двухпунктовых вариантов навигации СИСЗ показывает, что при сохранении протяженности долготной базы (переход к составам КИС «Москва - Улан-Удэ» либо «Улан-Удэ - Комсомольск») точность навигации снижается незначительно (хотя при этом, конечно, снижается надежность). При существенном сокращении долготной базы (переход к составам КИС «Москва - Петербург» либо «Улан-Удэ -Енисейск»), очевидным является заметное возрастание ошибок элементов, определяющих ориентацию плоскости орбиты в пространстве.
6. Наличие участков проведения маневров заметным образом увеличивает ошибки навигации СИСЗ как по широте, так и по долготе (особенно для вариантов неблагоприятного расположения баз). Однако включение параметров маневров в состав уточняемых параметров позволяет практически полностью компенсировать это увеличение ошибок навигации.
В табл. 4.2 представлены результаты априорной оценки точности навигации СИСЗ при различном количестве групп сеансов измерений дальности, проведенных в течение одних суток. Для получения этих оценок использовался состав из трех КИС, по отношению к которым точка удержания СИСЗ с Д 56в.д. являлась «средней», а также указанные выше ошибки модели движения и модели измерений.
Анализ данных табл. 4.2 показывает, что увеличивать количество сеансов в многопунктовой схеме имеет смысл лишь до 5 ... 6 (т.е. достаточно проводить эти сеансы с интервалом примерно в 6 часов). Дальнейшее увеличение количества сеансов КИС не приводит к заметному повышению точности навигации СИСЗ ни по какому из контролируемых параметров.
