Transcript 20130605_ACH_E - Институт прикладной математики им. М
Slide 1
Автономная спутниковая навигационная система
Г.К. Боровин, А.Г. Тучин, Д.А. Тучин, В.С. Ярошевский(1)
А.П. Астахов, Р.В. Бакитько, В.П. Польщиков(2)
(1)Институт
(2)
прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва
ОАО «Российские космические системы», Москва
e-mail: [email protected]
тел: (495) 333 80 67
«Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий»
5-7 июня Москва
Slide 2
Реализация бортовой автономной системы навигации
АСН-Е
Создана автономная спутниковая навигационная система
для околоземных космических аппаратов
Позволяет определять орбиту спутника и прогнозировать
параметры его движения
Используются радионавигационные измерения
спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS
АСН-Е создана по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета»
5-7 июня Москва
слайд 2 из 14
Slide 3
Проблемы использования навигационных спутников
ГЛОНАСС/GPS на большом удалении от Земли
• В разрывном навигационном поле ГЛОНАСС/GPS
видимых навигационных спутников меньше 4
количество
• Уровень сигнала ГЛОНАСС/GPS на больших высотах в 10 раз ниже
околоземного, доплеровское смещение частоты принимает значение до
10 км/с в районе перицентра, скорость изменения Доплера составляет
10 м/c^2
• Длительные участки орбиты КА с малым количеством видимых
спутников ГЛОНАСС/GPS
5-7 июня Москва
слайд 3 из 14
Slide 4
Требования к АСН-Е
Цель:
Создание автономной бортовой навигационной системы
определения орбиты КА
Требования:
Точность от 20 до 250 м по положению и от 3 до 3 см/c
по скорости
Предназначение:
Орбита с высотой перицентра 1,5 тыс. км, с высотой
апоцентра 39 тыс. км, наклонение 63,4 и периодом 12
часов
Измерения:
Использование сигналов ГЛОНАСС/GPS,
предназначенных для наземного пользователя
5-7 июня Москва
слайд 4 из 14
Slide 5
Проблемы космического применения
автономной системы навигации
Традиционная
возможность определении орбиты
Используемая
схема
схема
НЕТ
ДА
ДА
НЕТ
ДА
НЕТ
НЕТ
ДА
___________________________________
возможность потери группы измерений
на один момент времени из-за одного
аномального измерения
___________________________________
требование к количеству одновременно
видимых НКА
___________________________________
возможность использования алгоритма
определения орбиты при поиске сигнала
___________________________________
возможность применения схемы для
орбит с большим эксцентриситетом
5-7 июня Москва
ПРОБЛЕМАТИЧНО
ДА
слайд 5 из 14
Slide 6
Работа АСН на РБ «Фрегат»
Выведение КА «Плеяды-1Б»
Полигон ГКЦ, Куру
2012/12/02
До выдачи команды на отделение КА на интервале времени с 2012/12/02
06:08:22 МДВ до 2012/12/02 06:52:54 МДВ было получено от АСН 20
достоверных векторов положения
20
15
10
Околокруговая орбита
681x695 км
5
0
-5
-10
-15
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Остаточные невязки: x, y, z , м
5-7 июня Москва
слайд 6 из 14
Slide 7
Описание алгоритма обработки измерений
навигационных спутников
• Алгоритмы основаны на использовании законов динамики движения КА
непосредственно при обработке первичных измерений фазы несущей частоты
и кодовой псевдодальности по протяженной мерной базе
• Алгоритмы используют классические подходы определения орбиты КА по
данным наземных траекторных измерений. В алгоритмы заложен опыт работы
Баллистического центра ИПМ
• Минимизируемый функционал содержит взвешенные квадраты невязок
измеренных и расчетных значений, взвешенные приращения значений
служебных параметров на интервале между измерениями и квадрат
взвешенного отклонения априорно заданного фазового вектора от его
расчетного значения
Э.Л. Аким, А.П. Астахов, Р.В. Бакитько, В.П. Польщиков, В.А.
Степаньянц, А.Г. Тучин, Д.А. Тучин, В.С. Ярошевский
Автономная
навигационная
система
околоземного
космического аппарата // Изв. РАН. ТмСУ. 2009 №2
5-7 июня Москва
слайд 7 из 14
Slide 8
Модели учета возмущений в
автономной системе навигации
•
Учет влияния атмосферы Земли (ГОСТ Р 25645.166-2004)
•
Учет нецентральности гравитационного поля Земли (ПЗ-90-2)
•
Учет влияния возмущений Луны и Солнца (DE423)
•
Учет воздействия сил солнечной радиации
•
Учет работы двигательной установки КА (бортовые данные КА)
5-7 июня Москва
слайд 8 из 14
Slide 9
Функции элементов аппаратуры АСН-Е
Сигнальный процессор (СП)
• поиск, захват и слежение за сигналом ГЛОНАСС/GPS
• выдача измерений в навигационный процессор
• выдача аналогового импульса секундной метки
Навигационный процессор (НП)
• определение орбиты КА
• определение параметров дрейфа секундной метки
• обмен информацией с центральным бортовым
компьютером (ЦБК)
5-7 июня Москва
слайд 9 из 14
Slide 10
Имитационное оборудование
ЗАО “КБ НАВИС”
ОАО “МКБ “Компас”
Spirent CPT, England
5-7 июня Москва
слайд 10 из 14
Slide 11
Ошибки определения параметров движения
Оскулирующие элементы орбиты на момент начальных условий
Элемент
Значение
Разм.
Полуось
26552.6
км
Долгота восходящего узла
128.4
град
Наклонение
63.4
град
Аргумент широты
-89.9
град
Средняя аномалия
-7.3
град
Истинная аномалия
-52.2
град
Эксцентриситет
0.703
Время до прохождения перицентра
871.1
сек
Время до прохождения апоцентра
22400.9
сек
Период
12.0
час
Высота перицентра
1487.2
км
Высота апоцентра
38861.6
км
Ошибки в перицентре:
20 м и 0.02 м/с
Ошибки в апоцентре:
250 м и 0.03 м/с
5-7 июня Москва
слайд 11 из 14
Slide 12
Возможности АСН-Е
•
Поиск и прием сигнала на удалении до 70 тыс. км от Земли без априорных
данных о движении навигационных спутников и орбите КА (“холодный старт”)
•
Решение задач баллистики и управления на борту КА
•
Точность и время первого определения после включения зависит от удаленности
от поверхности Земли. На высотах до 3000 км время “холодного старта”
составляет 10 минут, точность определения составляет 10 м по положению и 1
мм/c по скорости
•
Учет в расчетах параметров работы двигательной установки
•
Выдача импульса секундной метки
•
АСН имеет массу 2.5 кг (полукомплект)
•
Реализованная аппаратура рассчитана на установку в открытом космосе
•
Срок службы АСН – 10 лет
•
Возможность перепрограммирования на орбите
•
Интерфейс мультиплексного канала обмена
•
Подключение до 3-х принимающих антенн
5-7 июня Москва
слайд 12 из 14
Slide 13
Работа АСН-Е на стенде КПА
5-7 июня Москва
слайд 13 из 14
Slide 14
Спасибо за внимание
5-7 июня Москва
слайд 14 из 14
Автономная спутниковая навигационная система
Г.К. Боровин, А.Г. Тучин, Д.А. Тучин, В.С. Ярошевский(1)
А.П. Астахов, Р.В. Бакитько, В.П. Польщиков(2)
(1)Институт
(2)
прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва
ОАО «Российские космические системы», Москва
e-mail: [email protected]
тел: (495) 333 80 67
«Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий»
5-7 июня Москва
Slide 2
Реализация бортовой автономной системы навигации
АСН-Е
Создана автономная спутниковая навигационная система
для околоземных космических аппаратов
Позволяет определять орбиту спутника и прогнозировать
параметры его движения
Используются радионавигационные измерения
спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS
АСН-Е создана по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета»
5-7 июня Москва
слайд 2 из 14
Slide 3
Проблемы использования навигационных спутников
ГЛОНАСС/GPS на большом удалении от Земли
• В разрывном навигационном поле ГЛОНАСС/GPS
видимых навигационных спутников меньше 4
количество
• Уровень сигнала ГЛОНАСС/GPS на больших высотах в 10 раз ниже
околоземного, доплеровское смещение частоты принимает значение до
10 км/с в районе перицентра, скорость изменения Доплера составляет
10 м/c^2
• Длительные участки орбиты КА с малым количеством видимых
спутников ГЛОНАСС/GPS
5-7 июня Москва
слайд 3 из 14
Slide 4
Требования к АСН-Е
Цель:
Создание автономной бортовой навигационной системы
определения орбиты КА
Требования:
Точность от 20 до 250 м по положению и от 3 до 3 см/c
по скорости
Предназначение:
Орбита с высотой перицентра 1,5 тыс. км, с высотой
апоцентра 39 тыс. км, наклонение 63,4 и периодом 12
часов
Измерения:
Использование сигналов ГЛОНАСС/GPS,
предназначенных для наземного пользователя
5-7 июня Москва
слайд 4 из 14
Slide 5
Проблемы космического применения
автономной системы навигации
Традиционная
возможность определении орбиты
Используемая
схема
схема
НЕТ
ДА
ДА
НЕТ
ДА
НЕТ
НЕТ
ДА
___________________________________
возможность потери группы измерений
на один момент времени из-за одного
аномального измерения
___________________________________
требование к количеству одновременно
видимых НКА
___________________________________
возможность использования алгоритма
определения орбиты при поиске сигнала
___________________________________
возможность применения схемы для
орбит с большим эксцентриситетом
5-7 июня Москва
ПРОБЛЕМАТИЧНО
ДА
слайд 5 из 14
Slide 6
Работа АСН на РБ «Фрегат»
Выведение КА «Плеяды-1Б»
Полигон ГКЦ, Куру
2012/12/02
До выдачи команды на отделение КА на интервале времени с 2012/12/02
06:08:22 МДВ до 2012/12/02 06:52:54 МДВ было получено от АСН 20
достоверных векторов положения
20
15
10
Околокруговая орбита
681x695 км
5
0
-5
-10
-15
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Остаточные невязки: x, y, z , м
5-7 июня Москва
слайд 6 из 14
Slide 7
Описание алгоритма обработки измерений
навигационных спутников
• Алгоритмы основаны на использовании законов динамики движения КА
непосредственно при обработке первичных измерений фазы несущей частоты
и кодовой псевдодальности по протяженной мерной базе
• Алгоритмы используют классические подходы определения орбиты КА по
данным наземных траекторных измерений. В алгоритмы заложен опыт работы
Баллистического центра ИПМ
• Минимизируемый функционал содержит взвешенные квадраты невязок
измеренных и расчетных значений, взвешенные приращения значений
служебных параметров на интервале между измерениями и квадрат
взвешенного отклонения априорно заданного фазового вектора от его
расчетного значения
Э.Л. Аким, А.П. Астахов, Р.В. Бакитько, В.П. Польщиков, В.А.
Степаньянц, А.Г. Тучин, Д.А. Тучин, В.С. Ярошевский
Автономная
навигационная
система
околоземного
космического аппарата // Изв. РАН. ТмСУ. 2009 №2
5-7 июня Москва
слайд 7 из 14
Slide 8
Модели учета возмущений в
автономной системе навигации
•
Учет влияния атмосферы Земли (ГОСТ Р 25645.166-2004)
•
Учет нецентральности гравитационного поля Земли (ПЗ-90-2)
•
Учет влияния возмущений Луны и Солнца (DE423)
•
Учет воздействия сил солнечной радиации
•
Учет работы двигательной установки КА (бортовые данные КА)
5-7 июня Москва
слайд 8 из 14
Slide 9
Функции элементов аппаратуры АСН-Е
Сигнальный процессор (СП)
• поиск, захват и слежение за сигналом ГЛОНАСС/GPS
• выдача измерений в навигационный процессор
• выдача аналогового импульса секундной метки
Навигационный процессор (НП)
• определение орбиты КА
• определение параметров дрейфа секундной метки
• обмен информацией с центральным бортовым
компьютером (ЦБК)
5-7 июня Москва
слайд 9 из 14
Slide 10
Имитационное оборудование
ЗАО “КБ НАВИС”
ОАО “МКБ “Компас”
Spirent CPT, England
5-7 июня Москва
слайд 10 из 14
Slide 11
Ошибки определения параметров движения
Оскулирующие элементы орбиты на момент начальных условий
Элемент
Значение
Разм.
Полуось
26552.6
км
Долгота восходящего узла
128.4
град
Наклонение
63.4
град
Аргумент широты
-89.9
град
Средняя аномалия
-7.3
град
Истинная аномалия
-52.2
град
Эксцентриситет
0.703
Время до прохождения перицентра
871.1
сек
Время до прохождения апоцентра
22400.9
сек
Период
12.0
час
Высота перицентра
1487.2
км
Высота апоцентра
38861.6
км
Ошибки в перицентре:
20 м и 0.02 м/с
Ошибки в апоцентре:
250 м и 0.03 м/с
5-7 июня Москва
слайд 11 из 14
Slide 12
Возможности АСН-Е
•
Поиск и прием сигнала на удалении до 70 тыс. км от Земли без априорных
данных о движении навигационных спутников и орбите КА (“холодный старт”)
•
Решение задач баллистики и управления на борту КА
•
Точность и время первого определения после включения зависит от удаленности
от поверхности Земли. На высотах до 3000 км время “холодного старта”
составляет 10 минут, точность определения составляет 10 м по положению и 1
мм/c по скорости
•
Учет в расчетах параметров работы двигательной установки
•
Выдача импульса секундной метки
•
АСН имеет массу 2.5 кг (полукомплект)
•
Реализованная аппаратура рассчитана на установку в открытом космосе
•
Срок службы АСН – 10 лет
•
Возможность перепрограммирования на орбите
•
Интерфейс мультиплексного канала обмена
•
Подключение до 3-х принимающих антенн
5-7 июня Москва
слайд 12 из 14
Slide 13
Работа АСН-Е на стенде КПА
5-7 июня Москва
слайд 13 из 14
Slide 14
Спасибо за внимание
5-7 июня Москва
слайд 14 из 14