Автономное определение параметров движения околоземного космического аппарата по измерениям спутниковых навигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат физико-математических наук Тучин, Денис Андреевич

• Тучин, Денис Андреевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тучин, Денис Андреевич

Введение.

Глава 1. Алгоритмы определения служебных параметров приемника по измерениям псевдоскорости и псевдодальности.

1.1. Назначение, состав и общая характеристика систем спутниковой навигации.

1.2. Принципы функционирования.

1.3. Бортовая навигационная система.

1.4. Схема обработки сигналов для космического пользователя.

1.5. Вычисление вектора состояния НКА GPS по эфемеридным данным.

1.6. Измерения псевдоскорости и псевдодальности. Служебные параметры.

1.7. Алгоритм определения служебных параметров приемника.

1.8. Результаты определения служебных параметров приемника.

1.9. Статистическая оценка точности определения вектора состояния.

Глава 2. Статистические модели служебных параметров. Источники ошибок измерений. Статистические модели ошибок измерений.

2.1. Статистические модели поведения служебных параметров.

2.2. Источники ошибок измерений. Эфемеридная ошибка.

2.3. Ионосферная задержка.

2.4. Тропосферная задержка.

2.5. Статистическая модель ошибок измерений псевдодальности.

2.6. Проверка модели.

Глава 3. Моделирование измерений. Ионосферная составляющая измерений на борту КА.

3.1. Моделирование измерений.

3.2. Ионосферная составляющая измерений псевдодальности околоземных космических аппаратов.

3.3. Построение реконструкции ионосферы.

3.4. Определение задержки сигнала НКА-КА в ионосфере.

3.5. Ионосферная ошибка измерений бортового приемника КА Champ.

3.6. Формирование весовых коэффициентов измерений псевдодальности.

Глава 4. Алгоритмы определения.

4.1. Модель измерений. Измерение псевдоскорости.

4.2. Разностное измерение псевдоскорости.

4.3. Приращение измерения псевдоскорости.

4.4. Измерение псевдодальности.

4.5. Разностное измерение псевдодальности.

4.6. Приращения измерения псевдо дальности.

4.7. Модель динамической системы.

4.8. Функционал оценки.

4.9. Алгоритм оценки вектора состояния К А.

4.10. Контроль качества измерений.

4.11. Исследования точности определения параметров движения КА по измерениям псевдоскорости и псевдо дальности. Основные модели.

4.12. Низкая околокруговая орбита.

4.13. Эксцентричная орбита.

4.14. Геостационарная орбита.

4.15. Результаты численного моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автономное определение параметров движения околоземного космического аппарата по измерениям спутниковых навигационных систем»

Работа посвящена разработке методов и алгоритмов автономного определения параметров движения околоземного космического аппарата (КА) по измерениям систем спутниковой навигации.

Навигация является основой для управления КА. В последнее время актуальными стали задачи создания бортовых навигационных систем. Она является основой для управления космическим экспериментом на борту КА, является неотъемлемой частью интерпретации результатов этих экспериментов. Это связано с тем, что при большом положительном опыте обеспечения навигации КА сетью наземных станций траекторных измерений, имеются сложности в применении этой сети. Сеть наземных станций России размещена на ограниченной территории и не может обеспечить проведение измерений в любой точке орбиты. Поддержание, развитие и эксплуатация наземного сегмента управления КА составляют значительную часть стоимости космических проектов. Использование космических систем спутниковой навигации, ориентированных на наземного пользователя открывает широкие возможности построения бортовых систем навигации КА. Это определяет актуальность задачи разработки надежных методов построения бортовых навигационных алгоритмов для широкого класса космических аппаратов, включая низкие околокруговые, эксцентричные и геостационарные. Автономная навигационная система позволяет повысить точность и оперативность по сравнению с наземным сегментом управления и сократить затраты на баллистико-навигационное обеспечение полета КА.

Научная новизна работы состоит в предложенных методах и алгоритмах определения орбиты КА, использующих законы динамики движения непосредственно при обработке первичных измерений псевдоскорости и псевдодальности.

Основная сложность при решении навигационной задачи по первичным измерениям псевдоскорости и псевдодальности состоит в том, что наряду с кинематическими параметрами требуется определять три служебных параметра, характеризующих работу измерителя. В диссертационной работе предложены алгоритмы определения служебных параметров на протяженном по времени интервале измерений.

Алгоритмы, представленные в диссертационной работе не предъявляют высоких требований по количеству одновременно видимых навигационных КА. Представленные алгоритмы обеспечивают устойчивость по отношению к сбойным измерениям. Преимуществом предложенной схемы является возможность применения системы для эксцентричных и геостационарных орбит.

Разработанные алгоритмы положены в основу автономной навигационной системы КА, создаваемой в ИПМ им. М.В. Келдыша совместно с организациями промышленности.

В настоящее время в космосе работают спутниковые навигационные системы GPS, ГЛОНАСС, в перспективе - GALILEO. Эти системы широко и успешно используются в морской навигации, в авиации, в мониторинге автомобильного транспорта, а также в геодезии, строительстве, мониторинге подвижек земной коры. Надежность существующих наземных систем такова, что они применяются в автоматических контурах управления.

Актуальной стала задача применения технологии систем спутниковой навигации в бортовых автономных навигационных системах околоземных КА различного назначения. КА, разрабатываемые в США, Франции, Германии и Европейском космическом агентстве, оснащаются системами автономной навигации, основанными на использовании спутниковых навигационных систем. Традиционные алгоритмы основаны на тех же принципах, что и в приемниках наземного применения, или их модификации. После получения вектора состояния и его ковариационной матрицы происходит их увязка законами динамики полета (сглаживание) и определение параметров орбиты. Таким образом, определение параметров движения КА находится в прямой зависимости от возможности определения вектора состояния по одномоментным измерениям. Это приводит к тому, что даже при наличии качественных измерений псевдоскорости и псевдо дальности от трех навигационных КА становится невозможным определение параметров движения КА. Традиционные схемы алгоритмов в составе автономных навигационных систем ориентированы на КА, которые не удаляются от поверхности Земли более чем на 2000 км, и тем самым не выходят за пределы непрерывного навигационного поля.

Использование средств космической навигации в сложных технических системах, к которым относятся бортовые системы управления КА, требует высокой надежности работы бортовой автономной навигационной системы. Работа бортовой навигационной системы не должна жестко зависеть от количества одновременно видимых навигационных КА, от геометрического расположения навигационных КА, наличия составляющей ионосферной ошибки измерений, кратковременных сбоев в работе и др. Создание автономной бортовой навигационной системы, предназначенной для обеспечения данными бортового комплекса управления, является задачей, имеющей большую практическую значимость.

В диссертационной работе представлены алгоритмы определения параметров движения КА для автономной навигационной системы по радиотехническим измерениям псевдо скорости и псевдодальности систем космической навигации. Алгоритмы предназначены для определения параметров движения КА на пассивных участках его полета для низких околокруговых, эксцентричных и геостационарных орбит.

Основой для созданных алгоритмов стало априорное знание о характере поведения служебных параметров. Поведение каждого служебного параметра во времени представляет собой случайный процесс. Предложенные в работе модели, описывающие эти случайные процессы, и методы определения параметров этой модели, используются в алгоритмах определения параметров движения.

В первой главе разработаны алгоритмы определения служебных параметров по измерениям псевдоскорости и псевдодальности [1]. Получены апостериорные оценки точности определения вектора состояния наземных приемников, что представляет самостоятельный интерес.

Вторая глава посвящена построению статистических моделей ошибок измерений. Статистические модели построены по результатам обработки измерений годовой мерной базы наземного приемника, сконструированного и изготовленного в РНИИ Космического приборостроения и установленного в ИПМ, а также трех различных приемников зарубежного производства [2], [3],

4].

Построение априорных оценок точности и отладка алгоритмов требуют построения системы моделирования работы приемника на борту КА. В одночастотных приемниках, используемых на борту КА, существенный вклад в ошибку измерений псевдодальности вносят ионосферные составляющие. В третьей главе рассмотрены алгоритмы моделирования ионосферной составляющей ошибки и формирования априорного веса измерений псевдодальности с ее учетом [5]. Рассмотрена схема построения комплекса моделирования [6].

В четвертой главе построены алгоритмы определения параметров движения КА [6]. Приведены результаты работы алгоритмов на модельных измерениях. Приведены методы, алгоритмы и результаты априорных оценок точности предложенных алгоритмов [7]. Предложенный алгоритм определения параметров движения КА основан на методе, предложенном в работе [8]. Отличительной особенностью решаемой задачи является то, что наряду с кинематическими параметрами КА уточняются служебные параметры, описывающие состояние приемника. Закон поведения служебных параметров описывается авторегрессией, параметры которой приведены второй главе.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая механика», Тучин, Денис Андреевич

Заключение

В диссертационной работе получены следующие научные результаты.

1. Разработан алгоритм определения параметров движения КА по измерениям псевдодальности и псевдоскорости спутниковой навигационной системы.

2. Разработан алгоритм расчета ионосферной составляющей ошибки измерения псевдодальности по данным сети наземных приемников навигационных сигналов. Предложен алгоритм априорной оценки СКО псевдодальности с учетом ожидаемой ионосферной ошибки.

3. Получены априорные оценки точности определения параметров движения КА для низкой круговой, эксцентричной и геостационарной орбит.

4. Разработан алгоритм моделирования навигационных сообщений и измерений псевдодальности и псевдоскорости на основе предложенных в работе статистических моделей.

5. Разработан алгоритм получения оценки точности определения положения и скорости наземных приемников.

6. Построена статистическая модель ошибок измерений на основе анализа источников ошибок.

7. Разработан алгоритм определения служебных параметров приемника.

8. Построена модель случайных процессов в форме авторегрессии, описывающая поведение служебных параметров во времени. Разработаны методы определения параметров этих моделей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тучин, Денис Андреевич, 2004 год

1. Аким Э.Л., Тучин Д.А. Апостериорная оценка точности определения вектора состояния земного наблюдателя по измерениям дальности и скорости системы космической навигации GPS: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН N 36. М., 2001.

2. Тучин Д.А. Кодовые измерения псевдодальности системы GPS. Модель ошибок и априорная оценка точности определения вектора состояния: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН N 30. М., 2002.

3. Аким Э.Л., Тучин Д.А. Статистическая модель ошибки измерения псевдодальностинавигационной системы GPS // Новые информационные технологии: материалы шестого научно-практического семинара. М.: МГИЭМ, 2003.

4. Аким Э.Л., Тучин Д.А. Ионосферная составляющая измерений псевдо дальности околоземных космических аппаратов: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН N 4. М., 2004.

5. Тучин А.Г., Тучин Д.А. // Отчет ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2004, инв. N5-04-01.

6. Аким Э.Л., Энеев Т.М. Определение параметров движения космического летательного аппарата по данным траекторных измерений // Космические исследования. 1963. Т. 1, N1. Стр. 5-50.

7. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под Г-52 ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998. 400 с.

8. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-трендз, 2000. И. Global Positioning system: Theory and Applications / Edited by B.W.

9. Parkinson, J.J.Spilker// American Institute of Aeronautics and Astronautics. Inc. Washington. 1996. V. 1,2.

10. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич H.B. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. В. С. Шебшаевича. М.: Радио и связь, 1993.

11. Лысенко Л.Н., Панкратов И.А. Основы спутниковой навигации. М.: Военное издательство, 1988.

12. Экстремальная радионавигация / Под ред. Р.И. Полонникова и В.П. Тарасенко. М.: Наука, 1978. 280 с.

13. Беляев М.Ю., Рулев Д.Н., Чернопятов А.Н.,Сазонов В.В., Феккерспергер С., Пеффген В. Определение движения орбитальной станции МИР по данным измерений GPS // Космич. исслед. 1999. N 3. Т. 37.

14. Девятисильный А.С., Крыжко И.Б. Исследование модели навигационных определений с помощью спутников систем типа ГЛОНАСС // Космич. исслед. 1999. N3. Т. 37.

15. Gill Е., Montenbruck О. Flight experience of the BIRD onboard navigation system // 16th International Symposium on Space Flight Dynamics, 3-7 Dec., Pasadena. 2001.

16. Montenbruck О., Gill E. Ionospheric correction for GPS tracking of LEO satellites // The journal of navigation. 2002. N 55. P. 293-304.

17. Berthias J.P, Broca P., Comps A., Gratton S., Laurichesse D., Mercier F. Lessons learned from the use of a GPS receiver in less than optimal conditions // 16th International Symposium on Space Flight Dynamics, 3-7 Dec., Pasadena. 2001.

18. Lozano-Gonzalez J. M., Bejar-Romero J.A., Martinez-Fadrique F. M., Goester J.F., Desmazeaux P. ATV/ISS Navigation strategies with GPS // 16th International Symposium on Space Flight Dynamics, 3-7 Dec., Pasadena. 2001.

19. Moreau M. et al. GPS receiver architecture and expected performance for autonomous GPS navigation in highly eccentric orbits // Proceedings of the 55 th Annual ION Meeting. Cambridge Massachusetts, 28-30 June. 1999.

20. Interface control document. Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces. 2000. IRN-200C-004.

21. Глобальная навигационная спутниковая система. ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: Редакция 5, 2002.

22. Галазин В.Ф., Каплан Б.Л., Лебедев М.Г., Максимов В.Г., Петров Н.В., Сидорова-Бирюкова Т.Л. Система геодезических параметров земли "Параметры Земли 1990 года" (ПЗ-90) / Под ред. В.В. Хвостова. М.: Координационный научно-информационный центр, 1998.

23. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления / Пер. с англ. М: Мир, 1999. 548 с.

24. Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Математическая статистика. М.: Высш. шк., 1992. 304 с.

25. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере / Под ред. В.Э. Фигурнова. М.: ИНФА-М, 1998.

26. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1972.

27. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь, 1969. 155 с.

28. Bilitza G., Koblinsky C., Berckley В., Zia S., Williamson R. Using IRI for the computation of ionospheric corrections for altimiter data analysis // Adv. Space. Res., 1995. Vol. 15/2. P. 113-119.

29. Аким Э.Л., Горохова А.А., Киселева И.П., Степаньянц В.А., Тучин А.Г. Локальная обработка измерений радиосистемы межпланетных космических аппаратов: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. N11. М.: 2002.

30. Тучин А.Г. Определение параметров движения КА по результатам измерений при наличии шума в динамической системе: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН N 2, М., 2004.