CC BY
116
УДК 621.396
В. С. Чаплинский, В. А. Шаститко, Д. Ю. Афанасьев, М. В. Тюрин
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПО БЕЗЗАПРОСНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ В СИСТЕМЕ РЕТРАНСЛЯЦИИ ИНФОРМАЦИИ
Аннотация. Обоснована структура скоростных навигационных параметров космических аппаратов - абонентов космической системы ретрансляции информации, которые могут быть определены по беззапросным измерениям несущей частоты принимаемых радиосигналов.
Ключевые слова: космическая система ретрансляции, спутник-ретранслятор, космический аппарат, радиолиния, радиальная псевдоскорость.
Abstract. The article substantiates the structure of high-speed navigating parametres of space vehicles - subscribers of space system of information relay, which can be defined by non-inquiry measurements of a bearing frequency of accepted radio signals.
Key words: space system of relay, satellite-retransmitter, spacecraft, radio line, radial pseudo-speed.
Введение
Определение скоростных параметров движения космических кораблей, ракет-носителей, разгонных блоков и др. (далее - космических аппаратов -КА) по измерениям допплеровского смещения частот сигналов в радиолиниях космических систем ретрансляции (КСР) информации в ряде практических случаев [1] обеспечивает решение задачи траекторного контроля космических аппаратов - абонентов КСР с требуемой точностью. В космической системе ретрансляции США режим траекторных измерений КА - абонентов ретрансляционной системы - является штатным [1].
В нашей стране при навигационном контроле полета космического корабля «Буран» использовались траекторные измерения, полученные по ретрансляционным каналам отечественной КСР первого этапа [2]. Наряду с определением скоростных параметров движения КА по допплеровским измерениям, проводимым в запросном режиме, большее практическое применение может получить режим измерения радиальной псевдоскорости при односторонней передаче информации с космического аппарата на наземный пункт через спутник-ретранслятор. Это обусловлено тем, что в запросном режиме с наземного пункта на КА через спутник-ретранслятор (СР) передается запросный сигнал, например, с командно-программной информацией, а с космического аппарата на наземный пункт через СР поступает, например, телеметрическая или целевая информация, причем несущая частота сигнала ответа с КА когерентна частоте принимаемого на КА сигнала запроса.
Компонентами измеряемой разности частот опорного сигнала, формируемого на наземном пункте, и сигнала, принимаемого по ретрансляционной радиолинии, в общем случае являются допплеровское и релятивистское смещения частоты принимаемого сигнала, а также разность действительных значений частот задающих генераторов космического аппарата, спутника-ретранслятора и наземного пункта. Высокая информативность разностночастотных измерений и в этом режиме позволяет при определенных услови-
ях, осуществлять высокоточный траекторный контроль космических аппаратов - абонентов КСР.
В связи с созданием в России КСР второго этапа, проведем интерпретацию беззапросных разностно-частотных измерений в КСР и получим соотношения для определения по этим измерениям скоростных навигационных параметров космических аппаратов - абонентов КСР.
Схема распространения сигнала в космической системе ретрансляции для беззапросного режима работы приведена на рис. 1, упрощенная функциональная схема измерительной системы - на рис. 2. На рис. 1 использованы следующие обозначения: КА - космический аппарат - абонент КСР; СР -спутник-ретранслятор; н1, н2 - наземный пункт приема сигнала, в - радиолиния К^-Р, г - радиолиния Р^н2.
В режиме беззапросных измерений сигнал бортового передатчика КА формируется от своего задающего генератора. Излученный с КА в текущий момент времени tк сигнал с несущей частотой Ю принимается спутником-ретранслятором в момент tp с частотой Юр/к, переизлучается в сторону приемного пункта н2 и принимается на нем в момент с частотой Юд2/р.
Отношение частот принятого на н2 и излученного с КА сигнала
может быть представлено через навигационные скоростные параметры в виде
1. Интерпретация беззапросных измерений в КСР
Рис. 1. Схема распространения сигнала в радиолиниях космической системы ретрансляции
где
^в —^в(^р,) —|гк(^р,)| —|гк(^к) — Гр(^р)|;
Ьг — Ьг (Ун2, tр ) — |гр ) — 7^2 (^н2 ^(^к), гр (^р ), гн2 (^н2 ) -
геоцентрические радиус-векторы КА, СР и наземного пункта н2 в моменты времени излучения сигнала с КА ^к, переизлучения его СР Ц и приема на наземном пункте 42;
р (/ ) — Гк ^к) ФкС^к) р (/ ) — Г^на) Фн2(^н2)
Рк ('к) —^ ~~CГ, Кн2(н2) 2с2 ~ "
скорости релятивистского смещения частоты; гк ^к), фк (^к) и Г^^), Фн2 (^н2) - модуль геоцентрической скорости и гравитационный потенциал в районе космического аппарата и приемного пункта н2 в моменты ^ и 42.
Рис. 2. Упрощенная функциональная схема системы измерения радиальной псевдоскорости КА - абонента КСР
Для радиолинии с когерентным преобразованием на спутнике-ретрансляторе несущей частоты сигнала, принимаемого с космического аппарата, разность частот опорного сигнала приемного пункта Юн2 и принимаемого со спутника-ретранслятора Юн2/р, с учетом (1) составит
^®н2 () _ ®н2 — ®н2/р () _ Юн2 — ар Юк (t) Авг (), где ар - коэффициент когерентного преобразования частоты на борту СР.
На некотором временном интервале [г^-, *ни + Тй ], который определяется задающим генератором приемного пункта н2, результат интегрирования разностной частоты принимает вид
гн2і +Тн2
пі ^ тн2 ®н2^и2(1 ^вгі) ^®іАвгіТн2, (2)
гн2і +Тн2
1 И2.1 НА
где Авг.- =----- I Авг (()ё тн2; Аю.- - некоторое значение разности
Тн2 ;
гн2г
Аю(^) = ОрЮк ^) - юн2 на данном мерном интервале.
В первом слагаемом соотношения (2) значение АвП- можно принять равным единице с погрешностью, меньшей 3 • 10-2 мм/с в приземной области
уже при < 10-8. Тогда из соотношения (2) следует, что
®н2
1 _ Дг.. =-3_ +А“''
®н2Тн2 ®н2
С погрешностью не более 1,2 • 10 м/с для приземной области можно записать
А = 1 ок (Ьв +Ьг).' (3)
Лгг = 1 - Лн2------С-----, (3)
7 1 дЬ Л . ск Г2 -гЗ, фк -фн2(гн2) . .
где Ь] = I дтн2, ] =в,г; Лн2 = * 2-------К---2 н2 ; Гк, гн2 и Фк,
тн2 / °Хн2 2с2 С2
%2н
фд2 - некоторые значения модулей геоцентрической скорости и гравитационных потенциалов к и н2 на интервале Т^, вычисляемые, например, на середины мерного интервала.
Из выражения (3) получим соотношение для определения среднего на .-мерном интервале значения скоростного навигационного параметра
4. = (Ьв + Ьг ). - сг., (4)
где (Ьв + Ьг ) = с(1 — Авг. ) — сЛн2; гг = ".
1 ®н2
Величина Авг. выражается из результатов измерений. Скорость релятивистского смещения Лй вычисляется с использованием априорных данных о движении КА и СР, при этом требования к точности априорных дан-
ных невысоки и выполнимы для определения радиальной псевдоскорости с погрешностью порядка 1 мм/с, достаточно знания положения КА с погрешностью 10 км.
Отметим, что среднему значению суммы радиальных скоростей соответствует
г
Ав + А т {_А (грк,гкк ) + А (гн2к/рк J \_Ав ^рн/кн )Аг (гн2н/рн ) Л’
где гн2н, грн, гкн - моменты времени начала мерного интервала; гн?к, г^к, гкк -
моменты времени конца мерного интервала.
Моменты гн2н и гн2к заданы, а все другие определяются итерационно. Формула (4) иллюстрирует то объективное положение, что из-за неопределенности относительной разности действительных значений частот генераторов космического аппарата и наземного пункта по результатам измерений может быть получен составной псевдоскоростной параметр. Значения коэффициентов аппроксимации функции г (г) на интервале наблюдения должны включаться при орбитальных определениях в состав уточняемых параметров.
2. Радиолиния с гетеродинированием принимаемого сигнала
Для ретрансляционной радиолинии «космический аппарат - спутник-ретранслятор - наземный пункт» с формированием несущей частоты сигнала на СР путем гетеродинирования принимаемого с КА сигнала составной навигационный параметр, определяемый по результатам измерений, имеет более сложную по сравнению с (4) структуру. Для вывода соотношений связи результатов измерений и определяемых навигационных параметров обозначим действительные значения частот задающих генераторов КА, СР и наземного пункта соответственно юок, юор, юон. Тогда с борта КА излучается
сигнал с несущей частотой
®к (г) = ак®ок (г), а несущая частота ретранслированного СР сигнала равна
®р (г) = арак®ок (г)Ав (г) + Ьр®ор(г).
Здесь ак и Ьр - коэффициенты преобразования частот задающих
генераторов на КА и на СР при формировании несущих сигналов; ар -
коэффициент преобразования частоты принятого на СР сигнала КА. Частота опорного сигнала наземного приемного пункта равна
®н2 = °н ®он,
где ан - коэффициент преобразования частоты задающего генератора наземного пункта при формировании опорного сигнала.
Условия формирования несущих частот сигналов КА, СР и опорного сигнала наземного пункта н2 при Ав = 1,Аг = 1 (т.е. без учета динамики относительного перемещения КА, СР и н2) и при равенстве ДЗЧ задающих генераторов юок = юор = юон = юо имеют вид
®р2 =а р ак ®ок +Ьр®ор; ан ®он =ар ак ®ок +Ьр ®ор,
откуда следует соотношение коэффициентов преобразования частот задающих генераторов
ан =ар ак . (5)
Реально действительные значения частот задающих генераторов не строго равны между собой вследствие различия в воспроизводимости частот и нестабильности частоты. Положим
Юок (г) = Юон +Люок (г), Юор (г) = Юон +Люор (г),
где Люок (г) = ®ок (г) — ®он, ЛЮор (г) = ®ор (г) — ®он.
С учетом введенных обозначений разность частот опорного и принимаемого с СР сигналов в данном режиме можно определить как
Люн2 (г) = ан Юон — ар ак Юок (г) Авг (г) + Ьр Юор (г) Аг (г) =
= ан + ар ак Авг (г) — Ьр Аг (г) У(г),
Юон
где q(г) = ар ак Л(Оок (г) Авг (г) - вр ЛЮор (г) Аг (г).
Разделим относящееся к некоторому і-му мерному интервалу значение q(t) на действительные значения частот наземного приемного пункта Юон.
В выражении для —— qi (г) величины Авп- и Ап- можно принять равными
Юон
единице (с погрешностью в скоростном параметре не более 3 • 10-2 мм/с). Результат интегрирования разностной частоты на і-м мерном интервале равен
гн2і +Тн2 / 1
пі = ^ Люн2(г)^тн2 = ®онТн2 I ан + аракАвгг — вр Агг "
н2і
где д. - некоторое значение функции д(^, принадлежащее .'-мерному интервалу, которое можно, используя (3) и (5), представить в виде
п. =®онТн2аракЛи2 —вр — |ар ак С Ьв +ан Ьг -^ (6)
Тогда, сгруппировав определяемые навигационные параметры, аппаратурные постоянные и поправки, вычисляемые по априорным данным о движении КА, из (6) получим для .-мерного интервала
4.- = еЫ, -е(Р^ +в2(7)
где ^вг. = (Ьв. + в1Ьг/ ) — е^1;
N =-1±—; У, = А^Л-р2 ^;
а р ак ®онтн2 ®он ® он
а вр
в1 =—~; в2 =-; в1 = 1 + в2;
арак арак
Люок.- и Люор.- - некоторые значения Люок (^) и Аюор(^) на .-мерном
интервале; знак ~ над символом величины обозначает, что она вычисляется по априорным данным.
Расчетное значение навигационного параметра, сопоставляемое (7) при орбитальных определениях, образуется также с использованием величины Р1
определяются итерационно; ук - коэффициенты аппроксимации на интервале наблюдения функции
Коэффициенты ук включаются в состав уточняемых по результатам измерений наряду с орбитальными величин.
Приведенный вид и структура скоростного навигационного параметра позволяют (при известных аппаратурных постоянных) определять суммарную радиальную псевдоскорость космического аппарата по результатам измерений несущей частоты радиосигнала, принимаемого в космической системе ретрансляции информации.
В ретрансляционной радиолинии с когерентным преобразованием на спутнике-ретрансляторе принимаемой с КА несущей сигнала в навигационный параметр входит простая сумма средних значений радиальных скоростей КА относительно СР и СР относительно наземного приемного пункта н2. Для ретрансляционной радиолинии с гетеродинированием при формировании несущей сигнала на СР навигационный параметр аппаратурно зависим. Данная зависимость определяется соотношением частот в радиолиниях КА ^ СР и
При определении параметров орбиты КА с использованием измерений радиальной псевдоскорости относительные значения разности номиналов частот задающих генераторов КА, СР и приемного пункта включаются в состав уточняемых величин. Для уровня погрешности скоростных измерений порядка (3...0,3) см/с изменение частоты генераторов сигналов, используемых в ретрансляционной радиолинии, не должно превышать 10 10...10 11 за время сеанса измерений.
1. Чаплинский, В. С. Приложение релятивистской теории к задачам траектор-ных измерений космических аппаратов / В. С. Чаплинский // Космические исследования. - 1985. - Т. XXIII. - № 1.
2. Основы построения и эксплуатации космических систем связи и вещания / под общ. ред. В. А. Меньшикова. - М. : ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, 2005. - 600 с.
к=1
где (^н2н).. и (н2к).. = (^н2н).. + Тн2 заданы, а все другие моменты времени
У(г) = 71 +72(гн2і - гн21) + ... + 7от(гн2і -гн21)т 1
Заключение
Список литературы
Чаплинский Владимир Степанович
доктор технических наук, професор, главный научный сотрудник, Научно-исследовательский институт космических систем имени А. А. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Юбилейный Московской обл.)
E-mail: сЬу£2006@таЛ.т
Шаститко Василий Александрович аспирант, Научно-исследовательский институт космических систем имени А. А. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Юбилейный Московской обл.)
E-mail: [email protected]
Афанасьев Дмитрий Юрьевич
аспирант, Научно-исследовательский институт космических систем имени А. А. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Юбилейный Московской обл.)
E-mail: [email protected]
Chaplinsky Vladimir Stepanovich Doctor of engineering sciences, professor,
Senior staff scientist, Research Institute
of Space Systems named after A. A. Maksimov - branch of “State Space Research and Production Center named after M. V. Khrunichev”
(Yubileyny, Moscow region)
Shastitko Vasily Alexandrovich Postgraduate student, Research Institute of Space Systems named after A. A. Maksimov - branch of “State Space Research and Production Center named after M. V. Khrunichev”
(Yubileyny, Moscow region)
Afanasyev Dmitry Yuryevich
Postgraduate student, Research Institute of Space Systems named after
A. A. Maksimov - branch of “State Space Research and Production Center named after M.V. Khrunichev”
(Yubileyny, Moscow region)
Тюрин Михаил Владимирович Tyurin Mikhail Vladimirovich
главный конструктор направления, Chief line designer, Research Institute
Научно-исследовательский институт of Physical Measurements (Penza)
физических измерений (г. Пенза)
E-mail: [email protected]
УДК 621.396 Чаплинский, В. С.
Определение скоростных параметров космических аппаратов по беззапросным измерениям в системе ретрансляции информации /
В. С. Чаплинский, В. А. Шаститко, Д. Ю. Афанасьев, М. В. Тюрин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 133-140.
