Размещено на http://www.allbest.ru/

Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління (ЦНДІ НіУ)

УДК 629.7.05:001.891.3

Спеціальність 20.02.11 - Засоби та методи військової навігації

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ НАВІГАЦІЙНИХ ПАРАМЕТРІВ РУХУ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ НА ОСНОВІ ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЇ РЕНТГЕНІВСЬКИХ ПУЛЬСАРІВ

Подліпаєв Вячеслав Олександрович

Київ-2007 рік

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у військовій частині А 0515

Науковий керівник: кандидат технічних наук, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Присяжний Володимир Ілліч, військова частина А 0515, начальник служби.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Баранов Володимир Леонідович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Пухова НАН України, провідний науковий співробітник Відділення гібридних моделюючих і керуючих систем в енергетиці;

- кандидат технічних наук Ставицький Сергій Дмитрович, Національна академія оборони України, начальник науково-дослідного відділу проблем розвитку космічних технологій військового призначення.

Захист відбудеться "14" вересня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.876.01 при Центральному науково-дослідному інституті навігації і управління за адресою: 04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Центрального науково-дослідного інституту навігації і управління за адресою: 04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20.

Автореферат розісланий "10" серпня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.876.01 кандидат технічних наук В.П. Гарам

Анотації

Подліпаєв В.О. Метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 20.02.11 - засоби та методи військової навігації. Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління, м. Київ, 2007.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів з використанням інформації рентгенівських пульсарів. Проаналізовано існуючі методи визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів, які дозволяють проводити зазначені визначення на борту космічного апарата. Розроблено метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів. Розроблено методику комплексного здійснення навігаційних вимірювань параметрів рентгенівських пульсарів на борту космічного апарата. Розроблено методику обробки навігаційних параметрів і оцінювання на борту космічного апарата координат його місця знаходження. Створено програмне забезпечення для визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів та проведення імітаційних досліджень. Основні результати були застосовані під час підготовки та проведення навігаційних вимірювань, аналізу навігаційних параметрів та розробки перспективних програмно-технічних комплексів обробки навігаційної інформації.

Ключові слова: метод, автономність, космічний апарат, навігація, похибка, навігаційні параметри руху, рентгенівський пульсар.

Подлипаев В.О. Метод определения навигационных параметров движения космических аппаратов на основе использования информации рентгеновских пульсаров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 20.02.11 - средства и методы военной навигации. Центральный научно-исследовательский институт навигации и управления, г. Киев, 2007.

Диссертация посвящена вопросам обоснования метода определения навигационных параметров движения космических аппаратов с использованием информации рентгеновских пульсаров. проанализированы существующие методы определения навигационных параметров движения космических аппаратов, которые позволяют проводить указанные определения на борту космического аппарата. Разработан метод определения навигационных параметров движения космических аппаратов на основе использования информации рентгеновских пульсаров. Разработана методика комплексного проведения навигационных измерений параметров рентгеновских пульсаров на борту космического аппарата. Разработана методика обработки навигационных параметров и оценивание на борту космического аппарата координат его места нахождения. Создано программное обеспечение для определения навигационных параметров движения космических аппаратов и проведения имитационных исследований. Основные результаты нашли применение при подготовке и проведении навигационных измерений, анализа навигационных параметров и разработке перспективных программно-технических комплексов обработки навигационной информации.

Ключевые слова: метод, автономность, космический аппарат, навигация, погрешность, навигационные параметры движения, рентгеновский пульсар.

Podlipaev V.O. method of independent definition of navigating parameters of movement of spacecraft on the basis of use of the information of x-ray pulsars. - the Manuscript.

The dissertation on competion of a scientific degree of cahdidate of engineering science on speciality 20.02.11 - the mode and methods of military navigation. The Central Scientific Research Institute of Navigation and Admin, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to questions of a substantiation of a method of definition of navigating parameters of movement of spacecraft with use of the information of x-ray pulsars. The analysis of existing methods of definition of navigating parameters of movement of spacecraft which allow is lead spends the specified definitions onboard of spacecraft. The method of definition of navigating parameters of movement of spacecraft on the basis of use of the information of x-ray pulsars is developed. The technique of complex carrying out of navigating measurements of parameters of x-ray pulsars onboard of spacecraft is developed. The technique of processing of navigating parameters onboard of spacecraft of coordinates its location is developed. The software for definition of navigating parameters of movement of spacecraft and carrying out of imitating researches is created. The basic results have found application at preparation and carrying out of navigating measurements, the analysis of navigating parameters and development of perspective program technical complexes of processing of the navigating information.

Keywords: a method, autonomy, spacecraft, navigation, an error, navigating parameters of movement, a x-ray pulsar.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Світовий науково-технічний потенціал дозволяє людству з кожним роком нарощувати темпи освоєння космосу. Усе більше країн прагне використати космічній простір для власного розвитку. Україна в цьому питанні - активний учасник. Напрямки розвитку української космічної галузі викладені в Загальнодержавній (Національній) космічній програмі України.

Сьогодні на навколоземній орбіті перебуває більш 950 різноманітних діючих космічних апаратів (КА) країн світу. Це супутники зв'язку, дистанційного зондування Землі, навігаційні, метеорологічні, топогеодезичні, наукові, експериментальні і, звичайно, військові.

Стрімке зростання високих технологій у технічній сфері і сфері інформатизації обумовлено збільшенням числа різних завдань, покладених на космічні апарати, а саме головне - підвищенням вимог до їхнього виконання: оперативність, надійність, точність тощо.

Від знання точного місця знаходження (МЗ) супутників зв'язку (супутників-ретрансляторів) залежить якість виконання супутником цільового завдання. А з розвитком перспективних лазерних ліній зв'язку між космічними апаратами і супутниками-ретрансляторами значно підвищуються вимоги до точного місця розташування й орієнтації супутника в космічному просторі. Розроблення подібних технологій ведеться на космічних системах Франції.

Зі збільшенням розрізнювальної здатності бортової апаратури зйомки земної поверхні підвищилися вимоги до точності орієнтації космічного апарата і визначення параметрів його руху у зоні роботи КА спостереження, включаючи момент зйомки.

Сучасні навігаційні системи повинні забезпечувати надійність виконання цільових завдань КА в умовах радіоелектронної боротьби, відсутності радіовидимості наземних траєкторно-вимірювальних комплексів та інших несприятливих умовах (обмеження доступу, виключення глобальних навігаційних систем або загрублення точності тощо).

З освоєнням далекого космосу ставляться вимоги до ефективного визначення параметрів руху космічного апарата без використання наземної інфраструктури.

Множина різноманітних завдань, покладених на супутники, обумовлюються відповідними вимогами до їх функціонування.

Аналіз більшості завдань і умов їх виконання дає підстави зробити однозначний висновок - сучасні космічні апарати повинні мати досить надійну і високоточну систему управління. Виходячи із цього, основною узагальнюючою вимогою для виконання всіх завдань є надійне і точне визначення поточних навігаційних параметрів руху космічного апарата. Виконання даної вимоги зводиться до вирішення характерних, так званих навігаційних завдань, я тому є актуальною.

Аналіз відомої у світі й Україні літератури показав, що існує багато теоретичних і практичних рішень визначених завдань. Над цими питаннями працювали і працюють такі відомі закордонні та вітчизняні вчені: В.С. Шебшаєвич, П.П. Дмитрієв, В.В. Порфир'єв, Л.Ф. Порфир'єв, М.М.Іванов, А.А. Дмитрієвський, Л.М. Лисенко, Б.Б. Самотокін, Ю.О. Соловйов, Гофманн-Велленгоф, Г. Лихтенггер, Д. Коллінз, Л.С. Беляєвський, С.В. Козелков, О.А. Машков, Г.Л. Баранов та інші.

Але питання щодо вирішення навігаційних завдань на борту КА, тобто використання автономної системи навігації й орієнтації КА, у сучасних умовах розроблено недостатньо.

Виходом з ситуації, що склалася, є використання для навігації КА навколо Землі так званих природних навігаційних систем та визначення навігаційних параметрів руху КА на борту з використанням інформації рентгенівських пульсарів (РП).

Використання РП із застосуванням спеціального методу визначення навігаційних параметрів руху КА дозволить значно підвищити цільову ефективність КА.

Таким чином, виникає актуальне наукове завдання дослідження - розроблення методу визначення навігаційних параметрів руху КА на основі використання інформації рентгенівських пульсарів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу балістико-навігаційного забезпечення на борту космічного апарата. Результати дослідження узгоджуються з основними напрямками Загальнодержавної (Національної) космічної програми України 2003-2007 років. Дисертаційна робота спрямована на забезпечення інтересів космічної галузі України (як військових, так і цивільних) та виконана в рамках наукових досліджень Центру космічної розвідки при ЖВІРЕ у науково-дослідних роботах "СПЕКТР" та "ДІАЛОГ", Науково-дослідного центру ЖВІРЕ у науково-дослідній роботі "ЕВКАЛІПТ-1", Об'єднаного науково-дослідного інституту Збройних Сил у науково-дослідних роботах "ПЕРЕХОПЛЕННЯ" та "СИГНАТУРА", військової частини А 2659 у науково-дослідній роботі "ДНІСТР".

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є забезпечення автономності та зменшення похибок визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів шляхом використання інформації рентгенівських пульсарів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі поставлені та вирішені такі наукові завдання:

1. Аналіз сучасного стану балістико-навігаційного забезпечення КА та обґрунтування використання РП для автономного визначення навігаційних параметрів руху КА.

2. Розробка методики комплексного здійснення навігаційних вимірювань параметрів РП на борту КА.

3. Розробка методики обробки навігаційних параметрів та оцінювання на борту КА координат його місця знаходження.

4. Розробка методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів і програмно-алгоритмічна реалізація цього методу на базі його моделі та алгоритмів формування основних баз даних (точні каталожні характеристики РП, масиви навігаційних параметрів КА).

5. Експериментальні дослідження шляхом імітаційного моделювання й оцінка області ефективного застосування методу визначення навігаційних параметрів руху КА на основі використання інформації РП.

Об'єкт дослідження: процес балістико-навігаційного забезпечення автономного управління космічним апаратом на навколоземних орбітах.

Предмет дослідження: метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використанням інформації рентгенівських пульсарів.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених завдань були використані такі основні методи: системних досліджень навігації й управління рухом КА, математичного моделювання, теорії ймовірності, статистичного аналізу та обробки інформації з використанням комп'ютерної техніки та сучасного програмного забезпечення. також застосовувались методи імітаційно-статистичного моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційні роботі здобувачем особисто було отримані такі наукові результати:

1. Вперше запропоновано методику комплексного здійснення автономних навігаційних вимірювань параметрів РП на борту космічного апарата, яка відрізняється від інших використанням бортової комплексної навігаційної системи (БКНС), підсистеми якої мають чітко визначені функції для отримання надлишкових даних координат МЗ КА.

2. Набула подальшого розвитку методика обробки навігаційних параметрів і оцінювання на борту КА координат його місця знаходження. Особливість цієї методики полягає у формуванні груп навігаційних параметрів, визначених за результатами вимірювань параметрів РП, побудові форматів похибок МЗ КА та визначанні загального формату похибок на основі ймовірнісно-геометричного підходу. Застосування цієї методики дозволило значно зменшити похибки визначення навігаційних параметрів руху КА.

3. Набув подальшого розвитку метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів, який відрізняється від відомих фізичних методів кутової орієнтації на джерело - рентгенівський пульсар знанням їх каталожних точних характеристик, а також запропонованими методиками здійснення навігаційних вимірювань та обробки й оцінювання похибок координат МЗ КА, що у комплексі надало змогу забезпечити автономність та зменшити похибки визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів.

Достовірність результатів дисертаційної роботи підтверджується: коректністю постановки задач дослідження, використанням математичних методів, відповідністю положенням теорії механіки та навігаційно-балістичного забезпечення КА, результатами експериментальних досліджень та відповідністю результатів моделювання теоретичним положенням, на яких ґрунтується розв'язання задач дослідження.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Реалізація комплексного методу визначення координат космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів забезпечує автономність визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів. Розроблений метод підвищує надійність бортової системи навігації космічних апаратів особливо в умовах кризових ситуацій та при відмовах інших систем навігації. У сприятливий період запропоновані засоби достатньо ефективно можуть бути використані як резервні системи для зниження похибок визначення навігаційних параметрів супутників або підвищення надійності їх управління та навігації.

2. Проведення вимірювань за методикою комплексного здійснення навігаційних вимірювань параметрів РП дозволяє отримати доцільну надлишкову навігаційну інформацію, використовуючи лише до 10 РП.

3. Методика обробки навігаційних параметрів і оцінювання на борту КА координат його місця знаходження з використанням ймовірнісно-геометричного підходу дозволяє в 2-3 рази зменшити похибки визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів, а головне, за умов спрощеного математичного апарату сприяє підвищенню швидкодії та надійності навігаційного забезпечення на борту космічного апарата.

4. Розроблений метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів та результати його програмно-алгоритмічної реалізації використовуються при побудові програмно-апаратних комплексів балістико-навігаційного забезпечення польотів КА. Результати дисертаційних досліджень впроваджені у розробці перспективних програмно-технічних комплексів обробки навігаційної інформації, а також у наукові дослідження та навчальний процес.

Реалізація результатів досліджень. Основні результати досліджень, які проводились у рамках дисертаційної роботи, реалізовані в Національному центрі управління та випробувань космічних засобів Національного космічного агентства України, Національній академії оборони України, Харківському університеті Повітряних Сил, Центрі прийому та обробки спеціальної інформації, військовій частині А 0515, Державному підприємстві "Дніпрокосмос" Національного космічного агентства, що підтверджується одержаними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати дисертаційної роботи, були отримані здобувачем особисто. Автором особисто та у співавторстві було опубліковано 5 наукових статей, у спільних роботах автору належить: проаналізовані можливості реалізації алгоритму обробки навігаційної інформації на борту космічного апарата та випробування методу геометричного порівняння форматів похибок визначення визначених параметрів [4]; обґрунтовано важливість автономного визначення навігаційних параметрів руху при виконанні цільових завдань космічним апаратом [5].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на 6-й міжнародній науково-практичній конференції "Людина і космос" на базі Національного центру аерокосмічної освіти молоді України, м. Дніпропетровськ, 2004 рік; 6-й міжнародній науково-технічній конференції "Практична космонавтика і високі технології" на базі Житомирського державного технічного університету, м. Житомир, 2007 рік; 2-й, 3-й наукових конференціях молодих вчених Харківського військового університету, м. Харків, 2003 рік; 2-й науково-технічній конференції Харківського інституту ВПС ім. І. Кожедуба, м. Харків, 2003 рік; науковому семінарі "Розробка та удосконалення космічних інформаційних систем" на базі кафедри "Застосування космічних систем" ХВУ, м. Харків, 2003 рік; 14-й військово-науковій конференції Житомирського інституту радіоелектроніки ім. С.П. Корольова, м. Житомир, 2004 рік; 2-й науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил, м. Харків, 2006 рік.

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковані у 5 наукових статтях у виданнях, які акредитовані ВАК України та мають дозвіл на публікації матеріалів дисертаційних робіт по технічних науках; у тезисах докладів на 8 міжнародних науково-технічних, науково-практичних, військово-наукових конференціях і семінарах, звітних матеріалах 5 науково-дослідних робіт.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг становить 144 сторінки, з них ілюстрацій 9, перелік умовних позначень на 2 сторінках, список використаних джерел з 86 найменувань на 8 сторінках і 6 додатків на 6 сторінках.

Основний зміст роботи

Вступ до дисертації містить обґрунтування актуальності теми досліджень, формулювання мети та завдань дисертаційної роботи, визначення об'єкта та предмета досліджень, методологічну основу досліджень, опис основних наукових результатів, їхньої новизни та практичної цінності, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, а також відомості про публікації, апробацію та структуру роботи.

У першому розділі проведено аналіз відомої літератури та світових тенденцій у розвитку автономних систем навігації космічних апаратів. Досліджено існуючи напрацювання та розвиток наукової думки для вирішення завдання, що поставлено у рамках дисертаційної роботи. Надано обґрунтування значимості автономності, зменшення похибок та підвищення надійності балістико-навігаційного забезпечення під час виконання цільових завдань космічними апаратами.

Нині до КА ставляться високі вимоги щодо виконання завдань за призначенням, що прямо залежить від балістико-навігаційного забезпечення управління космічним апаратом.

Для підвищення цільової ефективності КА необхідно вимірювати його навігаційні параметри безпосередньо перед використанням спеціальної бортової апаратури і за результатами вимірювань визначати просторово-часові виправлення.

У зв'язку із цим визначення поточних навігаційних параметрів необхідно проводити безпосередньо на борту КА, тобто вирішувати завдання його автономної навігації й орієнтації.

Під автономністю в дисертаційній роботі розуміється здійснення на борту КА таких навігаційних вимірювань, що забезпечують визначення навігаційних параметрів його руху без допомоги наземних радіотехнічних засобів.

Таким чином, на борту необхідно мати як можна більше точний, надійний та достатньо простий метод визначення навігаційних параметрів руху космічного апарата.

Проаналізовано відомі методи вирішення навігаційного завдання, які можливо використати на борту космічного апарата.

За результатами аналізу розглянутих методів запропоновано та обґрунтовано метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів, в якому, як джерела навігаційної інформації використовуються рентгенівські пульсари з високостабільними сигналами їх випромінювання.

Сформульовано загальне та визначено часткові наукові завдання з розробці зазначеного методу.

У другому розділі викладено теоретичні основи вирішення поставленого завдання та розробки методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів, які основані на проведенні кутових вимірювань.

На борту можлива реалізація різних способів вимірювань, їх кількості та комбінації.

Вимірювання кута між лінією візування найближчого небесного об'єкта та лінією візування зірки, у вершині якого знаходиться КА, дає одну конічну поверхню положення, у вершині якої є небесний об'єкт. Другу конічну поверхню будуємо після вимірювання кута між лінією візування того ж самого найближчого небесного об'єкта та лінією візування другої зірки. При перетинанні побудованих поверхонь отримуємо дві лінії перетинання (лінії положення), на одній з яких буде знаходитися КА. Для повного складу вимірювань здійснимо вимірювання видимого кутового діаметра найближчого небесного тіла.

Достатньо велика кількість рентгенівських пульсарів, які можливо використати як астроорієнтири для вимірювань, та безпосереднє використання декілька способів здійснення вимірювань, дає можливість розглядати таку астронавігаційну систему як комплексну навігаційну систему. Виходячи з поняття комплексної навігаційної системи КА, астронавігаційну систему можна уявити як комплекс бортових підсистем, які можна вважати самостійними навігаційними системами. У нашому випадку до складу підсистеми входить алгоритмічне забезпечення здійснення вимірювань повного складу навігаційних параметрів та визначення груп РП, які розташовані геометрично максимально ефективно.

Таким чином, запропоновано бортову комплексну навігаційну систему.

З достатньої кількості РП обираємо ті, які б відповідали вимогам для використання їх як астроорієнтири.

Першим кроком до вибору астроорієнтирів є розрахунок навігаційних параметрів КА за допомогою спрощеної моделі його руху, яка реалізована на борту КА. Як модель можна вибрати Кеплеровську модель руху КА, яка не потребує значних розрахунків, але здатна визначити приблизне МЗ КА. У результаті таких розрахунків ми знатимемо, які вимірювання і по яким РП можливо здійснити з даного МЗ КА (рис. 1).

Склад навігаційних вимірювань може бути різноманітним і включати вимірювання:

кутових висот двох РП над горизонтом планети і кутового діаметру тієї самої планети;

кутових висот двох РП над горизонтом планети і висоти орбіти КА;

кутових висот трьох РП над горизонтом планети;

кутових висот двох РП над горизонтом однієї планети та кутової висоти одного РП над горизонтом іншої планети тощо;

Однією з обов'язкових умов є те, що всі виміри повинні бути проведені за єдиною часовою прив'язкою.

Для перелічених вище способів реалізовано такий алгоритм визначення координат: визначення кутових висот над поверхнею навігаційної планети двох зірок і кутового діаметра цієї планети.

Визначимо:

і_з1{і_з11, і_з12, і_з12,}, і_з2{і_з21, і_з22, і_з22,} - напрямні косинуси одиничних векторів, які направлені з КА на першу і другу зірки;

h_з1, h_з2 - кутові висоти цих зірок над горизонтом планети;

r{x, y, z}={x₁, x₂, x₃} - радіус-вектор КА;

d_П - кутовий діаметр планети;

R_П.екв - екваторіальний радіус планети.

Для визначення координат КА вирішимо таку систему рівнянь:

(1)

Вирішення цієї системи зводиться до вирішення квадратного рівняння

(2)

де

через Д_ln позначений визначник, що складений з l-го та n-го стовпця матриці М:

(3)

де

(4)

Значення sign Д_tk у формулі (2) залежить від нумерації зірок. Тому формула (2) дає два рішення. Щоб вибрати одне рішення, фіксуємо нумерацію зірок. Переходимо від першої зірки до другої за годинниковою стрілкою (рис. 1) та отримуємо у формулі (2) істинне рішення.

Розташування вимірюваних зірок впливає на точність визначення навігаційних параметрів. Для забезпечення мінімуму похибок оптимальним положенням так званих опорних зірок буде таке, коли одна зірка знаходиться в площині орбіти КА, а друга в її полюсі.

До кожної підсистеми входить алгоритм здійснення вимірювання повного складу навігаційних вимірів за визначеною групою РП.

Якщо на борту КА реалізовано такі алгоритми вимірювання:

вимірювання кутові висоти двох зірок над горизонтом планети і кутовий діаметр тієї самої планети;

вимірювання кутові висоти двох зірок над горизонтом планети і висота КА над тією самою планетою;

тоді ми вже маємо дві підсистеми. А у разі здійснення за допомогою кожного алгоритму вимірювань за різними групами РП, отримуємо розширену систему алгебраїчних рівнянь, кількість яких де s - кількість задіяних алгоритмів вимірювання; g - кількість використаних груп РП. навігаційний космічний пульсар місцезнаходження

Така побудова бортової комплексної навігаційної системи має такі важливі переваги:

здійснення навігаційних вимірювань параметрів РП на борту КА, що забезпечує автономність визначення навігаційних параметрів руху КА;

зменшення похибок координат МЗ КА, завдяки оптимізації обробки надлишкової інформації підсистем;

підвищення надійності навігаційного забезпечення руху КА за рахунок резерву БКНС;

поліпшення використання навігаційного простору.

БКНС дає змогу отримувати надлишкову навігаційну інформацію та групувати її у групи за відповідними підсистемами, якщо одночасно проводити вимірювання різними способами, використовуючи різні групи РП.

Таким чином, метод визначення навігаційних параметрів зводиться до обробки й оцінювання отриманої навігаційної інформації за більш ефективною методикою.

У розділі проведено аналіз методів оцінювання параметрів руху КА, за результатами якого запропоновано реалізувати на борту КА методику обробки й оцінювання на основі імовірнісно-геометричного підходу до порівняння геометричних форматів похибок МЗ КА.

Оцінимо МЗ КА у просторі по комплексу навігаційної системи, яка забезпечує стандартизовані фігури похибок (формат похибок) у вигляді опуклих тіл: еліпсоїда, кулі, паралелепіпеда, куба та інші), розміри яких визначаються заданою ймовірністю оцінки місця знаходження КА. Кожен формат похибок являє собою геометричну фігуру, конфігурація якої визначається перетинами m-мірного тіла, що відображає заданий закон розподілу щільності ймовірностей похибок навігаційного визначення у цьому просторі. Для одержання найвищої точності попарно порівняємо формати в єдиній системі відліку: найменший результуючий з черговим. Послідовно повторюючи цю процедуру у міру одержання інформації від інших джерел, скомбінуємо формати та обробимо їх. Шляхом накладання і взаємного проектування форматів похибок досягається мінімізація загального формату, утвореного перетинанням порівнюваних опуклих множин. Координати МЗ КА будуть відповідати центру ваги загального формату похибок, для якого визначається максимально правдоподібна оцінка.

У практичних задачах навігації важливо оцінити ймовірність правильного вибору, елементарного формату з припустимими розмірами, у межах якого розташовується КА. При цьому доцільно використовувати геометричний підхід до обчислення ймовірностей подій.

Якщо площу формату елементарної ячейки, що характеризує точність і роздільну здатність підсистем при визначенні МЗ КА, позначити через і виразити через площі більшого (і-го) , меншого ((і+1)-го) форматів, то ймовірності перебування КА в межах кожного з них будуть відповідно дорівнювати (при рівноймовірному влучанні МЗ КА в будь-яку і-у ячейку), тобто

(5)

Визначимо координати вершин формату похибок через координати місця розташування (центра) і кут орієнтації .

Таким чином можна визначити координати усіх вершин формату похибок МЗ КА:

(6)

де - відповідно номер формату похибок і його вершини.

Далі по відомих вершинах і-го формату похибок визначимо рівняння сторін і-го формату.

Відповідно визначаємо рівняння сторін і-го формату

(7)

де належить до менших сторін і-го формату (a_i), а - до більших (b_i).

Вирішуючи ці рівняння для пар форматів, тобто для і-го і (і+1)-го, одержуємо чотири групи рівнянь, тобто 16 точок перетинання сторін і-го і (і+1)-го форматів виду ; де і - сторони і-го і (і+1)-го форматів відповідно:

(8)

(9)

(10)

(11)

-а координата відповідає перетинанню -ї сторони і-го прямокутника і -ї сторони (і+1)-го прямокутника. Значення коефіцієнтів визначимо формулами:

 (12)

Визначимо масиви точок перетину сторін і-го і (і+1)-го форматів (прямокутників), з яких вибирають точки, що належать завданим інтервалам відповідних сторін прямокутників (точки R і S). Потім визначемо вершини і-го формату похибок, що належать (і+1)-му формату (точка Q), і координати вершин ; загального багатокутника похибок, де - кількість вершин загального багатокутника.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений експериментальним дослідженням комплексного здійснення навігаційних вимірювань, обробки навігаційних параметрів і оцінки координат МЗ КА. У цьому розділі описано створену модель та визначено методику проведення досліджень за допомогою цієї моделі.

У рамках дисертаційної роботи дослідження обумовлювалися проведенням імітаційно-статистичного моделювання процесу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів.

Виходячи з цього, методика проведення моделювання ґрунтувалась на проведенні досліджень таких питань:

здатність методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів визначати зазначені параметри;

підтвердження результатами поліпшення показників процесу балістико-навігаційного забезпечення космічних апаратів з використанням запропонованого методу.

За результатами імітаційних досліджень практично підтверджено зниження похибок визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів.

Аналіз отриманих результатів показав, що зі збільшенням кількості підсистем зменшуються похибки визначення навігаційних параметрів руху КА.

Висновки

У даній дисертаційній роботі відповідно до поставленої мети за результатами теоретичних та експериментальних досліджень вирішено актуальне наукове завдання розробки методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів, яке має суттєве значення для забезпечення автономності та зменшення похибок визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів. Результати дослідження даної дисертаційної роботи використані при вирішенні завдань балістико-навігаційного забезпечення космічних апаратів, а також при розроблені та створенні перспективних програмно-технічних комплексів обробки навігаційної інформації.

У ході виконання роботи на проведення дисертаційних досліджень одержано такі наукові та практичні результати:

1. Розроблено метод визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів. Можливість реалізації цього методу була науково обґрунтована та практично доведено ефективність його застосування. Застосування цього методу забезпечило автономність та зменшення похибок визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів.

2. Розроблено методику здійснення навігаційних вимірювань на борту космічного апарата, навігаційних параметрів рентгенівських пульсарів. У цій методиці запропоновано новий підхід до розгляду однорідної астронавігаційної системи як комплексної бортової навігаційної системи, в якій підсистемами є алгоритмічна реалізація способу вимірювання навігаційних параметрів та визначення розташування груп рентгенівських пульсарів. У результаті отримано надійність за рахунок достатньої надлишковості навігаційної інформації.

3. Розроблено методику обробки й оцінювання навігаційної інформації на борту космічного апарата. В рамках цієї методики запропоновано проводити обробку навігаційної інформації шляхом формування груп навігаційних параметрів і побудови форматів похибок навігаційних параметрів космічного апарата та оцінку навігаційних параметрів космічного апарата шляхом порівняння цих форматів похибок на основі ймовірнісно-геометричного підходу. Застосування цієї методики дозволило у 2-3 рази зменшити похибки визначення навігаційних параметрів космічного апарата.

4. Розроблено програмне забезпечення на мові програмування Delphi, яке застосовано для випробування ймовірнісно-статистичної моделі визначення навігаційних параметрів руху космічного апарата з використанням інформації рентгенівських пульсарів. Це програмне забезпечення дозволило провести значний обсяг наукових досліджень, результати яких підтвердили доцільність розробки методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів та свідчать про те, що використання цього методу забезпечує автономність, швидкість та надійність визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів.

5. Проведені експериментальні дослідження, які показали, що область ефективного застосування включає КА на навколоземних орбітах та міжпланетних трасах. Методику комплексного вимірювання навігаційних параметрів рекомендується застосовувати у звичайних астронавігаційних системах, при цьому. Під час обробки й оцінки отриманої навігаційної інформації також може бути застосована розроблена в дисертаційній роботі методика.

6. Основні результати дисертаційної роботи реалізовані у науко-дослідних організаціях Національного космічного агентства України і Міністерства оборони України, які займаються теоретичним розвитком питань балістико-навігаційного забезпечення польоту космічних апаратів, та цивільних і військових установах.

7. Перспективні напрями подальших досліджень пов'язані з технічною реалізацією бортової апаратури КА згідно з розробленим методом визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів з використанням інформації рентгенівських пульсарів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Подліпаєв В.О. Визначення параметрів руху супутників з використанням рентгенівського випромінювання астрономічних об'єктів // Системи озброєння і військова техніка. - Харків: ХУ ПС, 2007. - № 2. - С. 114-117.

2. Подліпаєв В.О. Методики підвищення точності визначення місцезнаходження КА з використанням імовірнісно-геометричного підходу до порівняння геометричних форматів похибок місцезнаходження космічного апарата // Збірник наукових праць "Системи обробки інформації". - Харків: ХУ ПС, 2007. - Вип. 6. - С. 28-35.

3. Подліпаєв В.О. Експериментальні дослідження методу визначення навігаційних параметрів руху космічних апаратів на основі використання інформації рентгенівських пульсарів // Системи управління, навігації та зв'язку. - К.: Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління, 2007. - Вип. 3. - С. 13 - 18.

4. Присяжний В.І., Подліпаєв В.О., Худов В.Г. Структура системи сумісного пошуку та виявлення об'єктів у бортових системах оптико-електронного спостереження // Збірник наукових праць ХУ ПС - Харків: ХУ ПС, 2005. - Вип. 6 (6). - С. 36-38.

5. Присяжний В.І., Подліпаєв В.О., Худов В.Г., Андронов В.В. Особливості пошуку реперних об'єктів на видових зображеннях з використанням апріорної інформації // Збірник наукових праць "Системи обробки інформації". - Харків: ХУ ПС, 2005. - Вип. 8 (48). - С. 120-123.

6. Подліпаєв В.О., Кулагін К.К. Алгоритм розрахунку цілевказівок для управління фазованої антенної грати супутникового навігаційного приймача // Матеріали 6-ї міжнародної науково-практичної конференції "Людина і космос". - Дніпропетровськ, 2004. - С. 17-18.

7. Голкін Д.В., Худов Г.В., Подліпаєв В.О. Перспективи застосування космічних систем для забезпечення бойових дій Повітряних Сил Збройних Сил України // Матеріали 6-ї міжнародної науково-технічної конференції "Практична космонавтика і високі технології". - Житомир, 2007. - С. 42-43.

8. Солонець О.І., Маковейчук О.Н., Подліпаєв В.О., Озерян А.П. Методи захисту видових зображень від маскуючих завад // Матеріали 2-ї наукової конференції ХУ ПС. - Харків, 2006. - С. 96.

9. Кулагін К.К., Подліпаєв В.О. Напрямки удосконалення супутникової навігаційної апаратури військового призначення // Матеріали 14-ї науково-технічної конференції ЖВІРЕ. - Житомир, 2004. - С. 24-25.

10. Кулагін К.К., Терещенко І.В., Подліпаєв В.О. Актуальні напрямки удосконалення програмно-апаратного комплексу управління контрольно-корегуючими станціями Служби навігаційного забезпечення Збройних Сил України // Сб. докладів наукового семінару "Розробка та удосконалення космічних інформаційних систем" кафедри "Застосування космічних систем" ХВУ. - Харків, 2003. - С. 12-13.

11. Кулагін К.К., Терещенко І.В., Подліпаєв В.О., Одинцов С.А. Програмно-алгоритмічний комплекс АРМ офіцера Служби навігаційного забезпечення Збройних Сил України та актуальні напрямки його удосконалення // Матеріали 2-ї науково-технічної конференції Харківського інституту ВПС. - Харків, 2003. - С. 19-20.

12. Кулагін К.К., Подліпаєв В.О. Програмно-алгоритмічний комплекс АРМ офіцера Служби навігаційного забезпечення // Тези доповідей 3-ї науково-технічної конференції ХВУ. Ч. 1. - Харків, 2003. - С. 19-20.

13. Кулагін К.К., Дяченко Д.В., Подліпаєв В.О. Передумови інтеграції засобів автоматизованого комплексу управління КА України в міжнародну мережу станцій стеження глобальної супутникової навігаційної системи // Тези доповідей 2-ї наукової конференції молодих вчених ХВУ. Ч. 1. - Харків, 2003. - С. 50.

Размещено на Allbest.ru

...