Космический сектор созвездия спутников

Космический сектор спутниковых систем

Технические характеристики спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo

На космических аппаратах спутниковых систем устанавливается аппаратура, необходимая для функционирования спутника, с которого передается информация для выполнения измерений. Для обеспечения возможности одновременных наблюдений не менее 4-х спутников в любой точке земного шара каждое из «созвездий» имеет на круговых орбитах около 24-27 рабочих спутников и несколько запасных ( рис. 4.3 ).

Рис. 4.3. Космический спектр спутниковых «созвездий»: а) ГЛОНАСС; б) Navstar

Количество орбит, период обращения (около 12 час.) и места расположения спутников выбираются так, чтобы они могли обеспечить по возможности равномерное их распределение на небосводе. Высота орбит, лежащих в 3-6 пересекающихся плоскостях, составляет около 20000 км, а наклонение орбит — 55-65°. На каждой из орбит равномерно размещается от 3 до 8 спутников. (В системе Navstar предусматривается размещение 24 спутников в 6 плоскостях, отстоящих друг от друга на 60 градусов, а в системе ГЛОНАСС и Galileo решено ограничиться тремя плоскостями, на которых также должно находиться 24 и 27 спутников соответственно).

Каждый спутник (рис. 4.4) имеет солнечные источники питания и работающие в буферном режиме аккумуляторные батареи.

Рис. 4.4. Навигационный спутник

В «период затмения», когда спутник находится на теневой стороне планеты, используется энергия батареи, поскольку на солнечные панели не падает свет. Кроме того, поддерживается связь между ведущей станцией и удаленными станциями сектора управления и контроля. Внутри корпуса, помимо радиотехнической аппаратуры и инерциальной системы для ориентирования спутника, установлен реактивный двигатель с запасом топлива, предназначенный для корректировки орбитального положения спутника в течение всего срока эксплуатации (5-15 лет). На спутнике также имеется радиоприемное устройство для приема информации, передаваемой с земли сектором управления и контроля.

Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС , GPS и Galileo приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Технические характеристики спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo

Источник

Космический сектор

Особенности построения и функционирования космического сектора неразрывно связаны с общими требованиями, которые предъявляются ко всей спутниковой системе позиционирования. В частности, первоначальное назначение рассматриваемых систем GPS и ГЛОНАСС, которые разрабатывались по заказу министерств обороны США и бывшего Советского Союза, состояло в том, чтобы обеспечить получение навигационной информации о местах нахождения самых разнообразных мобильных объектов военного назначения, расположенных в любых точках земного шара, и, прежде всего, находящихся в открытом море судов военно-морского флота. Однако по мере освоения таких систем сфера их применения постоянно расширялась, охватив при этом самые разнообразные области использования таких систем в геодезии, топографии и аэрофотосъемке. Начатое в 1973 г. проектирование системы GPS привело к запуску в 1975 г. первого входящего в эту систему спутника. При проектировании космического сектора наряду с разработкой аппаратуры, устанавливаемой на спутниках, важное значение имеют расчет орбит и определение количества входящих в «созвездие» спутников. В качестве исходных предпосылок были приняты при этом следующие положения:

1. Накопленный опыт эксплуатации более ранних спутниковых навигационных систем показал, что высота орбиты относительно земной поверхности равная примерно 20 ООО км является наиболее оптимальной. Характерный для такой высоты 12-часовой период обращения спутников вокруг земного шара создает определенные удобства как при обслуживании спутников, так и при их использовании потребителями.

2. Для обеспечения возможности одновременных наблюдений не менее 4-х спутников в любой точке земного шара необходимо, чтобы общее количество входящих в «созвездие* спутников составляло не менее 24.

3. Для минимизации влияния геометрии расположения наблюдаемых спутников на точность выполняемых измерений количество орбит и места расположения на них спутников должны обеспечивать по возможности равномерное их распределение в поле обозреваемого небосвода. Исходя из этого, было признано целесообразным использование в системе GPS шести близких к круговым орбит, плоскости которых смещены относительно друг друга на 60 градусов. При этом в каждой соседней орбитальной плоскости положение спутников смещается примерно на 40 градусов. Применительно к системе ГЛОНАСС было выбрано три развернутых на 120 градусов орбитальные плоскости, на которых размещаются по 8 спутников, отстоящих друг от друга на 45 градусов.

Перечисленные выше соображения учитывались как в процессе проектирования космического сектора, так и при вводе его в эксплуатацию. В настоящем подразделе при рассмотрении космического сектора основное внимание уделено краткому описанию используемых спутников, достаточно подробному изложению принципиальных особенностей работы установленной на спутнике передающей аппаратуры, представляющей собой составную часть спутниковой дальномерной системы, а также принципам формирования сигналов используемых в процессе проводимых измерений и последующих вычислений.

Источник

Задачи и методы космической геодезии. Развитие опорной геодезической сети. Определение координат ИСЗ и ракет , страница 6

Движение спутника по эллиптической орбите является неравномерным и зависит от положения спутника на орбите. Если бы спутник двигался по круговой орбите, чтобы было удобно использовать равномерное движение с постоянной угловой скоростью, вводят угловой параметр.

М – средняя аномалия для момента времени t.

Е – эксцентрическая аномалия НС

С учетом уравнения Кеплера можно записать:

§5 Понятие о возмущенном движении ИСЗ.

Основными источниками возмущения орбит НС является:

— несферичность Земли и неравномерность распределения масс (изменяется гравитационное поле);

— притяжение со стороны Луны и Солнца;

— сопротивление среды при движении ИСЗ;

— давление светового излучения Солнца.

Элементы возмущенной орбите НС непостоянны. Их изменение происходит непрерывно. В каждый момент времени, в точке возмущенной траектории соответствует своя Кеплерова орбита, которую называют оскулирующей, а ее элементы – оскулирующими.

Полярные орбиты – отсутствуют возмущения Ω, i.

Экваториальные орбиты – отличаются сравнительно стабильной формой орбиты, но положение ее в орбитальной плоскости и самой плоскости может быть нестабильным.

Наклонные орбиты – i=60˚, отличаются стабильностью аргумента перигея и периода обращения.

При высотах полета НС более 1000 км – эффект атмосферного торможения невелик и им можно пренебречь.

Влияние Луны и Солнца. Влияние Луны в 2 раза больше возмущенного движения Солнца и они вместе превосходят возмущения из-за аномалий силы тяжести Земли.

Для расчета возмущенных пространственных координат, аппаратура потребителя получает от НС периодически обновляемые оскулирующие элементы и поправки к ним.

Раздел 2. Глобальные навигационные спутниковые системы.

Тема 2.1. Основные сведения о спутниковых навигационных системах.

Спутниковые системы включают в себя три составные части:

1. Космический сектор;

2. Сектор управления и контроля;

3. Сектор потребителя.

Космический сектор состоит из созвездия спутников. Чтобы обеспечить одновременное наблюдение 4-х спутников необходимо иметь на орбитах 24 спутника.

Наиболее удобным при обслуживании и использовании является 12-ти часовой период обращения спутника, а это значит, высота полета спутника должна быть 20 тысяч км. При проектировании GPS считали целесообразным 6, близким к круговым, орбит. Между плоскостями орбит 60˚, а спутники в орбите смещены на 40˚.

В системе ГЛОНАСС 3 орбиты, на каждой орбите 8 спутников, отстоящих друг от друга на 45˚.

На каждом спутнике установлена аппаратура радиодальномерного комплекса, передающая радиосигналы, позволяющая определить расстояния, навигационные сообщения о эфемеридах спутников, о поправках к часам и др. информацию.

Расчетный срок работы спутников 7.5 лет, реальный – до 10 лет, масса спутника 1044 кг. В ближайшее время эти спутники будут заменены, срок службы увеличится до 15 лет, дополнительно введена частота L5, что значительно упростит разрешение неоднозначности. Все формируемые на борту спутника несущие и кодовые сигналы, а также бинарные сигналы для передачи навигационного сообщения получают за счет высокостабильных опорных генераторов. Несущие сигналы используются для фазовых измерений расстояний.

Кодовые сигналы позволяют получать расстояния пониженной точности, для распознавания номера спутника, захвата и удержания его в течение всего сеанса наблюдений. Для каждого GPS спутника формируется свой С/А код.

Сектор управления и контроля.

— отслеживать всю информацию.

— обобщение и анализ информации

— предсказывать эфемериды и устанавливать точное время и передавать на спутники.

— выявлять неисправности на спутнике и принимать меры по их устранению.

— осуществлять корректировку орбит спутников посредством дистанционного управления реактивным двигателем.

Сектор управления GPS состоит из одной ведущей станции управления, пяти станций слежения и 3-х загружающих станций.

Источник

1.5. Космический сектор

Особенности построения и функционирования космического сектора неразрывно связаны с общими требованиями, которые предъявляются ко всей спутниковой системе позиционирования. В частности, первоначальное назначение рассматриваемых систем GPS и ГЛОНАСС, которые разрабатывались по заказу министерств обороны США и бывшего Советского Союза [73], состояло в том, чтобы обеспечить получение навигационной информации о местах нахождения самых разнообразных мобильных объектов военного назначения, расположенных в любых точках земного шара, и, прежде всего, находящихся в открытом море судов военно-морского флота. Однако по мере освоения таких систем сфера их применения постоянно расширялась, охватив при этом самые разнообразные области использования таких систем в геодезии, топографии и аэрофотосъемке. Начатое в 1973 г. проектирование системы GPS привело к запуску в 1978 г. первого входящего в эту систему спутника. При проектировании космического сектора наряду с разработкой аппаратуры, устанавливаемой на спутниках, важное значение имеют расчет орбит и определение количества входящих в «созвездие» спутников. В качестве исходных предпосылок были приняты при этом следующие положения:

2. Для обеспечения возможности одновременных наблюдений не менее 4-х спутников в любой точке земного шара необходимо, чтобы общее количество входящих в «созвездие» спутников составляло не менее 24.

Перечисленные выше соображения учитывались как в процессе проектирования космического сектора, так и при вводе его в эксплуатацию. В настоящем подразделе при рассмотрении космического сектора основное внимание уделено краткому описанию используемых спутников, достаточно подробному изложению принципиальных особенностей работы установленной на спутнике передающей аппаратуры, представляющей собой составную часть спутниковой радиодальномерной системы, а также принципам формирования сигналов, используемых в процессе проводимых измерений и последующих вычислений.

1.5.1. Краткие сведения о спутниках, входящих в состав систем позиционирования

Входящие в состав систем позиционирования спутники представляют собой, по существу, платформы, на которых устанавливается вся необходимая аппаратура как для обеспечения работы рассматриваемых систем, так и для нормального функционирования самого спутника как космического объекта с известными координатами, с ко-

торого передается информация, используемая при выполнении тех или иных измерений. Конструкция такого спутника состоит из основного корпуса, внутри которого размещается весь комплекс аппаратуры, и двух достаточно больших по размерам панелей с солнечными источниками питания. Внутри корпуса помимо основной радиотехнической аппаратуры, участвующей в измерительном процессе, имеется реактивный двигатель и достаточное количество топлива к нему с тем, чтобы имелась возможность корректировать орбитальное положение спутника в течение всего запланированного срока службы. Для ориентировки спутника в окружающем пространстве предусмотрена инерциальная система, дополнительно оснащенная сильным магнитным устройством. Бесперебойное электропитание бортовой аппаратуры осуществляется от солнечных источников питания и от работающих в буферном режиме аккумуляторных батарей. В состав вспомогательного оборудования входит также радиоприемное устройство для приема информации, передаваемой с земли сектором управления и контроля.

В системе GPS с момента запуска первого спутника эти спутники подвергались неоднократной модификации. К настоящему времени осуществлены три основные модификации спутников. Они объединены в группы, получившие условные названия Блок-1, Блок-II и БлокII R. За период с 1978 г. по 1985 г. с базы ВВС «Ванденберг» (Калифорния, США) было запущено 11 спутников, входящих в Блок-I, масса которых на орбите составляла 525 кг [73]. Вывод на орбиту осуществлен ракетой-носителем Atlas F. При этом были использованы орбитальные плоскости с углом наклона к плоскости экватора в 63 градуса. Высота орбит относительно земной поверхности около 20 200 км. Период обращения спутников вокруг Земли — 11 ч 57 мин 58,3 с.

В феврале 1989 г. с помощью системы McDonnell Douglas Delta 2 был выведен на орбиту первый спутник, относящийся к группировке Блок-II. Основные отличительные особенности этого блока следующие:

— наклон орбитальной плоскости выбран равным 55 градусов (вместо 63 градусов для Блока-1);

— расчетный срок активного существования спутника — 5 лет (при этом масса спутника на орбите возросла до 844 кг);

— введена дополнительная защита кодированных посылок от несанкционированных пользователей (в частности, дополнительной кодировке подвергнут Р-код).

За период с 1989 г. по 1997 г. на орбиты было выведено 28 спутников, входящих в Блок-II.

С 1998 г. на орбиту стали выводиться спутники, входящие в БлокII R. Планируется ввести в эксплуатацию 25 спутников этой группы.

Отличительная особенность космических аппаратов, входящих в данную группу, состоит в следующем:

— расчетный срок активного существования повышен до 7,5 лет (при этом предполагается, что реальный срок может составить 10 лет);

— масса спутника на орбите увеличена до 1044 кг;

— спутники могут передавать пользователям качественную информацию без контакта с сектором управления и контроля в течение 14 суток.

На спутниках Блока-II R размещаются средства межспутниковой связи, позволяющие за счет обмена данными и измерения расстояний между спутниками производить автономное уточнение параметров орбит спутников и автономную синхронизацию установленных на спутниках часов.

В спутниках Блок-II F, которые в ближайшей перспективе должны заменить спутники Блок-II R, планируется увеличить срок службы до 14-15 лет, усовершенствовать структуру передаваемых со спутников сигналов и улучшить координатно-временное обеспечение космических аппаратов. При этом предполагается ввести в состав передаваемых сигналов дополнительную частоту L5, равную 1176,45 МГц, что существенно облегчит процесс разрешения неоднозначностей, характерных для фазовых измерений. Снижение систематических ошибок при навигационных определениях за счет повышения точности эфемеридного и временного обеспечения позволит гражданским пользователям повысить точность абсолютных координатных определений до 5 м [73].

Развертывание и совершенствование космического сектора, относящегося к системе ГЛОНАСС, также осуществлялись поэтапно.

Первый спутник системы ГЛОНАСС с условным названием Космос 1413 был запущен 12 октября 1982 г. К концу 1998 г было запущено 74 спутника, большинство из которых к настоящему времени выведено из эксплуатации [17]. На 10 февраля 2000 г. в обращении осталось 8 спутников.

По проектным данным «созвездие» спутников ГЛОНАСС также должно включать в себя 24 спутника, размещаемых в трех орбитальных плоскостях, наклон которых по отношению к плоскости экватора выбран равным 64,8 градуса. Номинальная высота круговой орбиты над земной поверхностью составляет 19 100 км, а период обращения спутника вокруг Земли — 11 ч 15 мин 44 с. Общая масса спутника равна 1415 кг. Расчетный срок службы — 3,5 года.

Модернизацию спутников системы ГЛОНАСС предполагается выполнить после 2000 г. При этом планируется повысить стабильность частоты опорных генераторов, установленных на спутнике, повысить точность определения эфемерид и их прогноз, а также увеличить срок

Источник