Способ построения низкоорбитальной спутниковой сетевой навигационной системы

Способ построения низкоорбитальной спутниковой сетевой навигационной системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к спутниковым навигационным системам и может быть использовано для создания глобального радионавигационного поля для навигации морских, наземных, воздушных, а также низкоорбитальных и высокоорбитальных космических потребителей.

Известны спутниковые навигационные системы (RU 2001109386, B64G 1/00, 2003, RU 2181927, H04B 7/185, 2002, US 51129095 Н04В 1/185, 1992, RU 2118055, Н04В 7/185, 1998).

Известны спутниковые навигационные системы Глонасс и GPS, разработанные в середине восьмидесятых годов двадцатого столетия, и Глонасс - К и Галилео, разрабатываемые в настоящее время. Орбитальная группировка каждой из этих систем состоит из 24-х космических аппаратов (КА), выведенных на орбиты высотой около 20000 км над уровнем поверхности Земли (Ю.А.Степанов. Спутниковая навигация и ее приложение. Москва: Эко-трендз, 2003 с 35-54).

Такая высота орбиты выбиралась в основном из условия удобства сверки частоты бортовых цезиевых стандартов с частотой наземного водородного стандарта частоты, так как КА этих систем проходят над наземным пунктом управления в одно и то же время каждый день, и из условия уменьшения влияния неоднородностей гравитационного поля Земли. Однако построение группировки навигационных КА производилось в условиях отсутствия в системах межспутниковых, охватывающих всю группировку КА ретрансляторных и измерительных радиолиний, и не является оптимальной с точки зрения стоимости формирования группировки КА и поддержания ее количественного состава, поэтому предлагается способ оптимального с точки зрения стоимости построения системы.

Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в создании низкоорбитальной группировки навигационных КА, которая в сочетании с помехоустойчивой сетью ретрансляционных и измерительных радиолиний, связывающей все КА группировки, с навигационной радиолинией, освещающей верхнюю полусферу, позволяет с гораздо меньшими затратами, чем у существующих и разрабатываемых навигационных систем обеспечить более достоверные и высокоточные навигационные определения сухопутных, морских, воздушных и космических низкоорбитальных и высокоорбитальных потребителей.

Для достижения указанного результата предлагается:

Низкоорбитальная сетевая навигационная система, содержащая N космических аппаратов (КА), число которых определяется из выражения

N=mn

m - число КА в одной орбитальной плоскости,

n - число орбитальных плоскостей в системе.

где

[] - целая часть числа,

i - наклонение орбиты КА,

α - угловой радиус видимости КА с поверхности Земли,

R₃ - радиус Земли,

Н - высота орбиты КА,

β - наименьший допустимый угол места видимости КА наземным потребителем, при этом каждый космический аппарат помимо навигационной аппаратуры содержит узел связи, обеспечивающий связь в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн данного космического аппарата с двумя космическими аппаратами в своей орбитальной плоскости и двумя космическими аппаратами из соседних орбитальных плоскостей, при этом по крайней мере один космический аппарат содержит высокоточный синхрогенератор.

Конкретно предлагается следующее:

- создать низкоорбитальную группировку КА при высоте орбит КА от 6000 км до 9000 км.

- обеспечить стабилизацию частоты и времени на КА с помощью защищенных от помех Земли радиолиний.

- возложить на эти линии функции измерения взаимного местоположения КА.

- обеспечить каждый КА антенной для создания радионавигационного поля в верхней по отношению к КА полусфере.

Если стабилизацию бортовой частоты КА осуществлять не от атомных стандартов частоты, а с помощью ретрансляционных и измерительных радиолиний, связывающих все КА, то становится возможной оптимизация высоты орбиты КА по стоимости формирования группировки КА. При этом число КА для каждой высоты орбиты подсчитывается по формуле:

где р - чило КА в одной плоскости орбиты;

m - число орбит

где:

[] - целая часть числа, 1 - наклонение орбиты КА,

α - угловой радиус видимости КА с поверхности Земли,

R₃ - радиус Земли,

Н - высота орбиты КА,

β - наименьший допустимый угол места видимости КА наземным потребителем.

Затраты L на вывод группировки КА на орбиты могут быть оценены при помощи выражения:

где М - масса КА,

- отношение стартовой массы ракеты к массе полезной нагрузки. может быть получен расчетным путем или из многочисленных данных, полученных при выводах полезных нагрузок на орбиты разных высот.

Взяв отношение L, соответствующее высоте 20000 км, к L, соответствующему нужной высоте орбиты, мы получим коэффициент В, характеризующий выигрыш при формировании группировки навигационных КА на требуемой высоте орбит КА по сравнению с затратами на формирование группировки КА, имеющих высоты орбит 20000 км. Значения В, рассчитанные для высот орбит от 20000 до 5000 км, и β_мин=5° приведены на графике (чертеж)

Ряд 1 - β_мин=0°, ряд 2 - β_мин=5°, ряд 3 - β_мин=10°

Ломаный характер графика значений В и максимумы в районах 7000 км и 14000 км определяются сменой числа КА в группировке на этих высотах.

Максимум коэффициента В в диапазоне высот орбит от 5000 до 20000 км приходится на Н=7000 км, и на этой высоте затраты на формирование группировки навигационных КА будут минимальны.

Однако точность прогнозирования орбиты КА на такой малой высоте будет ниже, поэтому ниже будет и точность навигационного определения потребителей системы. Но снабдив КА низкоорбитальной группировки сетью межспутниковых измерителей положений КА, мы не только получим уменьшение затрат на формирование группировки, но и высокую точность знания положения КА, а следовательно, и более высокую точность навигационного определения потребителей. Особенно выигрышным такое решение проблемы будет в случае построения измерительной сети в защищенной от помех с поверхности Земли части миллиметрового диапазона радиоволн.

Одновременно на миллиметровую радиосеть можно возложить и ретрансляцию синхронизации частот навигационных сигналов между КА группировки. Проработки показали, что замена цезиевых стандартов частоты ретрансляторами уменьшит массу каждого КА, что даст дополнительный выигрыш в стоимости его вывода на орбиту.

Таким образом, создав группировку навигационных КА на высоте 7000 км в сочетании с обеспечением этих КА межспутниковыми миллиметрового диапазона радиолиниями ретрансляции синхронизирующих сигналов и измеряющих расстояние между КА группировки, исключив из состава аппаратуры КА цезиевые стандарты частоты, добавив в аппаратуру КА дополнительные навигационные передатчики с антеннами, смотрящими вверх, мы получаем новое качество - повышение точности навигационного определения потребителей системы, дополнительное сплошное радионавигационное поле для навигации высокоорбитальных космических аппаратов при более чем в 2 раза меньших затратах на формирование группировки. Межспутниковые радиолинии должны работать в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн. Это сделает их устойчивыми к помехам с поверхности Земли.

Низкоорбитальная сетевая навигационная система, содержащая космические аппараты (КА), число N которых определяется из выражений

N=mn, ,

где m - число КА в одной орбитальной плоскости;

n - число орбитальных плоскостей в системе;

[] - целая часть числа;

i - наклонение орбиты КА,

α - угловой радиус видимости КА с поверхности Земли;

R₃ - радиус Земли;

Н - высота орбиты КА;

β - наименьший допустимый угол места видимости КА наземным потребителем,

при этом каждый КА помимо навигационной аппаратуры содержит узел связи, обеспечивающий связь данного КА в поглощаемой атмосферой Земли части миллиметрового диапазона волн с двумя КА в своей орбитальной плоскости и двумя КА из соседних орбитальных плоскостей, при этом по крайней мере один КА содержит высокоточный синхрогенератор.