БОРТОВАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИИ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ

Изобретение относится к космической технике, более конкретно - к бортовым системам навигации (БСН) искусственных спутников Земли (ИСЗ) при орбитальном полете с высотой преимущественно до 500-600 км.

БСН обычно решает две взаимосвязанные задачи: во-первых, уточняет по результатам траекторных измерений положение и скорость ИСЗ на некоторый момент времени t_ут - параметры движения центра масс (ПДЦМ) и, во-вторых, используя принятую модель движения и эти параметры как начальные, прогнозирует их на требуемый момент t_пр. Как правило, в модели движения на низких орбитах учитывают силы от гравитационного поля Земли и от аэродинамического воздействия верхней атмосферы, вектор ускорения от действия которой обычно записывают в виде

а_ат=SρV_ат ²v,

где S - баллистический коэффициент (БК) ИСЗ;

ρ - плотность атмосферы;

V_aт - скорость движения спутника относительно атмосферы;

v - единичный вектор скорости V_aт.

Точность прогнозируемых ПДЦМ для рассматриваемых ИСЗ связана, главным образом, с недостаточным знанием БК и плотности атмосферы (из-за случайной составляющей в ее изменении). Задача заключается в том, чтобы на интервале прогнозирования движения спутника использовать по возможности максимально точное значение величины Sρ.

В качестве прототипа выбрана БСН ИСЗ [Методы обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА зондирования Земли: математическое моделирование, компьютерные технологии. / А.Н. Кирилин, Р.Н. Ахметов, А.В. Соллогуб, В.П. Макаров. М.: Машиностроение, 2010], содержащая устройство управления системой, устройство преобразования навигационных сигналов (НС) в навигационные параметры (НП), блок преобразования НП в ПДЦМ спутника и блок прогнозирования ПДЦМ. В этой системе использована статическая модель плотности атмосферы по ГОСТ 4401-81, в которой ρ зависит только от высоты полета спутника. Величину Sρ уточняют в наземном комплексе управления полетом путем коррекции S как коэффициента согласования расчетного движения ИСЗ с действительным на некотором (порядка 16-ти витков полета, предшествующих времени t_yт) интервале его уточнения. Значение уточненного S передают в бортовой комплекс управления. При этом БК на интервале прогнозирования движения полагают постоянным и равным уточненному: S_пр=S_ут.

Недостаток прототипа состоит в том, что из-за отличия используемого на интервале [t_ут, t_пр] значения БК от фактического возможны значительные ошибки прогнозирования ПДЦМ ИСЗ, особенно при больших интервалах.

Задачей изобретения является увеличение точности прогнозирования ПДЦМ ИСЗ.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в известной БСН ИСЗ, содержащей устройство управления системой и соединенные с ним устройство преобразования НС в НП, блок преобразования НП в ПДЦМ спутника, блок прогнозирования ПДЦМ, предусмотрены следующие отличия: в систему введены блок уточнения БК как параметра согласования расчетного и фактического движения спутника, блок накопления текущих значений баллистического коэффициента и блок прогнозирования баллистического коэффициента, причем устройство управления системой соединено с этими блоками.

При этом блок прогнозирования баллистического коэффициента имеет структуру, реализующую

либо адаптивный по параметрам модели алгоритм прогнозирования баллистического коэффициента, основанный, например, на соотношениях эмпирической регрессии [Бронштейн И.Н, Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. - М.: Наука - 1980],

либо адаптивный по структуре и параметрам модели алгоритм прогнозирования баллистического коэффициента, основанный, например, на методе группового учета аргументов [Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. - М.: «Радио и связь» - 1987].

Техническая сущность предложенного устройства (системы навигации) поясняется графическими материалами:

фиг. 1 - структурная схема БСН ИСЗ;

фиг. 2 - временная диаграмма, облегчающая понимание используемых для уточнения БК зависимостей.

Предложенная БСН ИСЗ (см. фиг. 1) содержит устройство 1 управления системой, устройство 2 преобразования НС в НП, блок 3 преобразования НП в ПДЦМ спутника и блок 4 прогнозирования ПДЦМ, при этом устройство 1 соединено с устройством 2 и блоками 3, 4.

Также БСН содержит (в отличие от прототипа) блок 5 уточнения БК, блок 6 накопления текущих значений БК и блок 7 прогнозирования БК, причем устройство 1 соединено с блоками 5, 6, 7.

Здесь устройство 1 управления системой включает обычные элементы электронной вычислительной машины: собственно устройство управления, память, процессор, устройства ввода-вывода и программное обеспечение. Устройство 2 содержит датчики и преобразующее устройство. Блоки 3-7 представляют собой области постоянной памяти, информация из которых считывается в оперативную память вычислительной машины.

БСН ИСЗ согласно изобретению работает следующим образом.

Устройство 1 управления системой задает устройству 2 время начала t_н и конца t_к навигационных измерений. Сигналы С от навигационного поля (например, радиосигналы от навигационных спутников) принимаются этим устройством, преобразуются в НП Р (например, радиальную дальность D и скорость изменения радиальной дальности относительно навигационных спутников) и выдаются в устройство 1.

По завершении измерений устройство 1 подключает блок 3 для преобразования НП в ПДЦМ спутника:

где t - время;

R=(X, Y, Z), V=(V_x, V_y, V_z) - вектор положения и вектор скорости центра масс ИСЗ (с компонентами в некоторой системе координат).

Далее подключается блок 5, уточняющий с помощью блока 4 БК (см. фиг. 2):

[(t, R, V)′, (t, R, V)′′, S_p]→S_ут.

Для этого используется, например, зависимость

S_ут=S_p+(S_Δ-S_p)(u′′-u_p)/(u_Δ-u_p),

где S_p - расчетное (уточненное на предыдущем интервале) значение БК;

S_Δ - «возмущенное» значение БК (можно положить равным 1,1·S_p);

u′′ - аргумент широты, соответствующий уточненным ПДЦМ (t, R, V)′′;

u_p - аргумент широты, соответствующий прогнозируемым с S_p ПДЦМ (t, R, V)_p;

u_Δ - аргумент широты, соответствующий прогнозируемым с S_Δ ПДЦМ (t, R, V)_Δ.

С помощью подключенного к устройству 1 блока 6 запоминается уточненное значение БК: S_ут→S_N.

Затем к устройству 1 подключается блок 7, который, используя накопленные S, рассчитывает прогнозируемое значение БК на время t>t_ут:

(S₁, S2, …, S_N≡S_ут)→S_пр.

С этой целью можно применить (в простейшем случае) соотношение эмпирической прямой регрессии

S_пр=S₊+β(S_ут - S_-),

где ;

;

.

С помощью блока 4 полученное значение БК используется для прогнозирования ПДЦМ на заданный момент t_пр:

[(t, R, V)′′, S_пр]→(t, R, V)_пр, которые выдаются в другие системы, например в систему управления движением ИСЗ.

Предложенная БСН ИСЗ обладает следующим техническим преимуществам перед прототипом: система с большей точностью прогнозирует ПДЦМ спутника благодаря возможности использовать более точную модель аэродинамического воздействия на интервале прогнозирования его движения.

Оценочные расчеты с использованием экспериментальных данных одного из ИСЗ, на котором уточнялся БК на интервале 8-ми витков, показали, что предлагаемое техническое решение позволит уменьшить усредненную неточность ΔS_пр = |S_пр - S_N+1| используемого на интервале прогнозирования БК относительно ΔS_ут = |S_ут - S_N+1|, то есть величину |ΔS_пр - ΔS_ут|/ΔS_ут, на ≈ 10%. Примерно на такое же значение улучшится и точность прогнозирования положения спутника вдоль орбиты.

Так, например, для ИСЗ с высотой перигея × апогея 200×300 км и баллистическим коэффициентом 0,025 м³/(кгс·с²) при среднем значении ΔS_ут = 0,0025 м³/(кгс·с²) максимальные ошибки вдоль орбиты на интервале прогнозирования 12 ч (≈ 8 витков) уменьшатся за счет использования S_пр вместо S_ут в среднем на 0,5 км (с 5,2 до 4,7 км). Вероятно, что с уменьшением (до некоторого предела) интервала уточнения БК следует ожидать еще большего повышения точности прогнозирования ПДЦМ спутника.