Область техники

Изобретение относится к методам и средствам траекторных измерений вы- сокодинамичных летательных аппаратов (ВДЛА) и может быть использовано для проведения траекторных измерений с целью определения параметров движения высокодинамичных летательных аппаратов в ходе летных испытаний (отработка бортовых систем управления), тестирования на полигонах перспективных и совре- менных авиационных, ракетных комплексов, а также для траекторных измерений и навигации космических аппаратов на стадиях их вывода, координатно-временного сопровождения и управления движением, стыковки космических аппаратов прак- тически на всех околоземных орбитах на высотах до 36 тыс. км.

Предшествующий уровень техники (способ)

Известен способ определения координат, скорости и других параметров движения объекта по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [1-4]. Этот способ основан на измерении расстояний от спутников, поло- жение которых известно, до приемника сигналов ГНСС (координаты которого не- обходимо получить). Измерение этих расстояний осуществляется путем определе- ния времени распространения навигационных сигналов, полученных от каждого из наблюдаемых спутников (так называемый разностно-дальномерный способ опре- деления местоположения). В результате обработки измеренных расстояний опре- деляются координаты приемника сигналов ГНСС и расхождение его шкалы време- ни со шкалой времени ГНСС. Для решения этой задачи приемник сигналов ГНСС должен принимать сигналы как минимум от четырех спутников. Для повышения точности решения навигационной задачи в измерения вводятся поправки, коррек- тирующие влияние на время распространения сигнала различных факторов (преж- де всего, ионосферы и тропосферы), применяется позиционирование по фазовым измерениям, привлекается информация наземных дифференциальных корректи- рующих станций и их сетей (дифференциальный метод навигации), осуществляет-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) ся совместная обработка данных, зарегистрированных на нескольких частотах, а также совместная обработка информации нескольких ГНСС.

Известны также способы определения координат и скорости путем совмест- ной обработки данных ГНСС и бортовой инерциальной системы, с возможным привлечением данных дальномерной системы VOR/DME [5-7].

Указанные способы, в случае их применения для измерения параметров тра- екторий ВДЛА, имеют следующие недостатки.

1) Использование ГНСС ограничено при нахождении контролируемого объ- екта в зоне разрывного навигационного поля ГНСС (выше ~ 2 3 тыс. км), что име- ет особое значение при необходимости определения координат космических аппа- ратов.

2) Поскольку основная цель траекторных измерений ВДЛА заключается в получении информации о полете контролируемого объекта на земле (для после- дующего детального анализа), а не на борту, то в полете бортовой приемник сигна- лов ГНСС должен передавать результаты измерений и навигационных определений наземному оператору по телеметрическим каналам. Это приводит к необходимости иметь телеметрическую систему даже в том случае, когда осуществляется неуправ- ляемый полет, что, в свою очередь, приводит к заметному удорожанию измери- тельного комплекса.

3) Слабые принимаемые сигналы ГНСС ограничивают возможности быстро- го вхождения бортового приемника в слежение за сигналами - это особенно важно, когда контролируемый объект летит всего несколько десятков секунд. Для высоко- динамичных объектов, скорости которых достигают нескольких километров в се- кунду, возможны потери слежения.

Известен способ определения параметров траектории контролируемого объ- екта, реализованный в системе SATRACK (США) [8-10]. Согласно этому способу, одно- и двухчастотные измерения сигналов ГНСС, зарегистрированные бортовым приемником сигналов ГНСС контролируемого объекта, ретранслируются с борта на наземную или наводную (расположенную на корабле) телеметрическую стан- цию и регистрируются, после чего эти измерения обрабатываются в послесеансном режиме. При обработке используется информация сети дифференциальных коррек- тирующих станций ГНСС, развернутой вблизи планируемой траектории полета

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) объекта, а также накопленные в течение полета телеметрические данные о пара- метрах движения объекта.

Указанный способ имеет следующие недостатки.

1) Система, реализующая его, является достаточно сложной за счет совме- щенности траекторной и телеметрической систем, а также необходимости исполь- зования сложной следящей за объектом антенны.

2) Области применения способа достаточно ограничены - он предназначен для тестирования только межконтинентальных баллистических ракет (морского ба- зирования) с ограниченной дальностью действия до 1,5-2 тыс. км. Для ВДЛА типа оперативно-тактических ракетных комплексов (особенно с пологими траектория- ми) применять данный способ невыгодно и неэффективно. Для космических про- грамм этот способ также имеет существенные ограничения.

Известна разновидность разностно-дальномерного способа определения ме- стоположения, реализованная в системе LOCATA (Австралия, США) [1 1-13], кото- рая предусматривает измерение расстояний от контролируемого объекта, оснащен- ного бортовой приемной аппаратурой, до сети передающих станций с известными координатами, расположенных вблизи запланированной траектории полета. В ре- зультате обработки измеренных расстояний определяются координаты контроли- руемого объекта, а также расхождение шкал времени контролируемого объекта и системы, реализующей этот способ.

Этот способ определения параметров траектории ВДЛА имеет следующие недостатки.

1 ) Измерительная информация, на основе которой выполняется определение параметров движения (координат, составляющих вектора скорости и т.д.) контро- лируемого объекта, получается на борту объекта, а не на земле, поэтому эта ин- формация передается оператору на землю по телеметрическим каналам. В связи с этим телеметрическая система необходима даже в случае неуправляемого полета, что повышает сложность системы, реализующей этот способ.

2) При использовании данного способа необходимо планировать и разме- щать передающие наземные пункты на трассе полета контролируемого объекта, что является очень трудоемкой задачей.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Известны способы определения параметров траектории контролируемого объекта, которые предусматривают использование наземного интерферометра, со- стоящего из передающей станции и нескольких пространственно разнесенных при- емных станций. Согласно этим способам, параметры траектории определяются пу- тем совместной обработки измеренных разностей расстояний между контролируе- мым объектом и приемными станциями интерферометра, а также двух (или более) направляющих косинусов относительно баз интерферометра [14-17].

Эти способы определения параметров траектории ВДЛА имеют следующие недостатки. Каждый из них является очень сложным и трудоемким в реализации за счет того, что предусматривает обязательную геодезическую привязку составляю- щих системы, реализующей данный способ, использование сложного метода син- хронизации шкал времени и частоты составляющих системы (приемных и пере- дающего пунктов), а также является трудоемким в части создания системы переда- чи сигналов между разнесенными в пространстве составляющими таких измери- тельных систем. Реализация этих способов требует привлечения большого количе- ства высококвалифицированных специалистов.

Ближайшим по технической сущности к предлагаемому способу выполнения траекторных измерений можно считать способ определения параметров траекто- рии, реализуемый в многопозиционной фазометрической системе «ВЕГА» (СССР) [18], который заключается в следующем. Запросный сигнал, излучаемый передаю- щей станцией, принимается на борту контролируемого объекта, преобразуется (с учетом задержки и доплеровского смещения принятого сигнала) и передается на другой заданной частоте (относительно частоты запросного сигнала) на наземные приемные измерительные пункты (станции) интерферометра. Фазовым методом, путем измерения разностей фаз между излучаемым и принятым сигналами, опре- деляется расстояние до контролируемого объекта. Два направляющих косинуса от- носительно баз интерферометра измеряются путем определения разностей фаз сиг- налов, которые принимаются несколькими парами наземных приемных пунктов, образующих базы интерферометра. Совместная обработка измеренных расстояний и разностей фаз (или направляющих косинусов) позволяет определить координаты контролируемого объекта. Измерения доплеровских сдвигов несущих частот сиг- налов на трассах «наземный передатчик - бортовой приемо-передатчик - наземные

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) приемные пункты» и разностей доплеровских сдвигов на разнесенных пунктах ин- терферометра позволяет определить радиальную скорость и скорости изменения направляющих косинусов движения объекта. В результате совместной обработки координатных (расстояния и направляющие косинусы) и скоростных параметров вычисляются текущие координаты и составляющие вектора скорости контроли- руемого объекта в заданной системе координат (например, в прямоугольной топо- центрической системе координат).

Указанный способ, выбранный в качестве прототипа, имеет следующие не- достатки.

1) Согласно этому способу, обязательным является периодическое проведе- ние комплекса работ по точной геодезической привязке составляющих системы, реализующей данный способ.

2) Способ предусматривает использование сложных и дорогостоящих на- правленных антенн и моноимпульсного пеленгатора [18], что существенно повы- шает стоимость реализации данного способа.

3) В способе используется сложный метод высокоточной частотно- временной синхронизации составляющих (разнесенных в пространстве пунктов) системы, реализующей данный способ, а также трудоемкая в создании подсистема передачи сигналов между составляющими этой системы.

4) Способ требует обязательного использования наземного передатчика и приемо-передатчика сигналов системы, установленного на борту контролируемого объекта, что повышает стоимость реализации данного способа.

5) Способ может использоваться исключительно для траекторных определе- ний и требует привлечения большого количества высококвалифицированных спе- циалистов для его реализации.

Раскрытие изобретения

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа траекторных измерений, а также значительное уменьшение трудоемкости его реализации путем совместного использования принципов функ- ционирования полигонных многопозиционных фазометрических систем (типа ВЕ- ГА) и сигналов и технологий ГНСС.

Поставленная задача решается следующим образом.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) В способе выполнения траекторных измерений (вариант 1), который заклю- чается в том, что бортовая аппаратура контролируемого объекта принимает запро- сный ГНСС-подобный сигнал, излученный наземным передатчиком запросного сигнала, преобразует его с учетом задержки и доплеровского смещения принятого запросного сигнала и передает сформированные когерентные ГНСС-подобные сигналы на трех частотах дециметрового диапазона волн на наземные измеритель- ные пункты фазового интерферометра системы, а измерительные пункты фазового интерферометра, принимая эти сигналы, измеряют суммарные расстояния и сум- марные доплеровские сдвиги частот на трассах «передатчик запросного сигнала - бортовая аппаратура - измерительные пункты», а также разности расстояний «бор- товая аппаратура - измерительные пункты» и скорости их изменения и передают эти данные в центр сбора и обработки информации, где на основе полученной из- мерительной информации определяются параметры траектории контролируемого объекта (его координаты и составляющие вектора скорости, отнесенные к равноди- скретным временным отсчетам заданной шкалы времени), согласно изобретению, определение координат измерительных пунктов, необходимых для измерения па- раметров траектории контролируемого объекта и высокоточная частотно- временная синхронизация шкал времени измерительных пунктов осуществляются по фазовым измерениям сигналов ГНСС, зарегистрированным приемниками сиг- налов ГНСС, которыми оборудованы измерительные пункты, а зарегистрирован- ные измерительным пунктом данные после окончания сеанса измерений передают- ся по выделенным радиоканалам в центр сбора и обработки информации, или пе- реносятся на мобильном носителе информации.

Поставленная задача решается также таким образом, что в способе выполне- ния траекторных измерений (вариант 2), который заключается в том, что бортовая аппаратура контролируемого объекта передает когерентные ГНСС-подобные сиг- налы на трех частотах дециметрового диапазона волн, а измерительные пункты фа- зового интерферометра, принимая их, измеряют разности расстояний «бортовая аппаратура - измерительные пункты» и скорости их изменения и передают эти данные в центр сбора и обработки информации, где на основе полученной измери- тельной информации определяются параметры траектории контролируемого объ- екта (его координаты и составляющие вектора скорости, отнесенные к равнодиск-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) ретным временным отсчетам заданной шкалы времени), согласно изобретению, определение координат измерительных пунктов, необходимых для измерения па- раметров траектории контролируемого объекта, и высокоточная частотно- временная синхронизация шкал времени измерительных пунктов осуществляются по фазовым измерениям сигналов ГНСС, зарегистрированными приемниками сиг- налов ГНСС, которыми оборудованы измерительные пункты, а зарегистрирован- ные измерительным пунктом данные после окончания сеанса измерений передают- ся по выделенным радиоканалам в центр сбора и обработки информации, или пе- реносятся на мобильном носителе информации.

Предшествующий уровень техники (устройство)

Известны многопозиционные фазометрические системы Mistram [14] и AZUSA [15] - радиоинтерферометры с дальномерами, состоящие из передающей станции и пяти приемных станций (Mistram) или пяти разнесенных приемных ан- тенн (AZUSA), расположенных на двух линиях, пересекающихся под прямым уг- лом. Известны также другие системы, построенные по такому же принципу [16, 17]. Все эти системы определяют параметры траектории контролируемого объекта путем совместной обработки измеренных с помощью фазового метода разностей расстояний между контролируемым объектом и приемными станциями (или при- емными антеннами), а также двух направляющих косинусов относительно баз ин- терферометра.

Недостатками указанных систем является сложность и связанная с этим большая трудоемкость создания и технического обслуживания системы; стацио- нарность, потребление системой большого количества электроэнергии, наличие сложной системы высокоточной частотно-временной синхронизации.

Ближайшей по технической сущности к предлагаемой многопозиционной фазовой системе траекторных измерений можно считать многопозиционную фазо- метрическую систему «ВЕГА» [18]. Система «ВЕГА» включает в себя бортовую аппаратуру, передающую станцию, 5 наблюдательных измерительных пунктов (им соответствуют 15 приемных антенн), образующих две взаимно перпендикулярные базы интерферометра, моноимпульсный пеленгатор, центр сбора и обработки ин- формации, 11 юстировочных антенн и систему передачи информации и синхрони-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) зации в виде сети кабельных линий связи, соединяющих наземные элементы сис- темы.

Система функционирует следующим образом. Сигнал, излучаемый пере- дающей станцией, принимается на борту контролируемого объекта, сдвигается по частоте и передается обратно на землю. Расстояние до контролируемого объекта определяется путем измерения разности фаз между излучаемым и принятым сигна- лами. Два направляющих косинуса измеряются путем определения разности фаз сигнала, который приходит к двум парам приемных антенн, образующим базы ин- терферометра. Совместная обработка измеренных расстояний и направляющих ко- синусов позволяет определить координаты контролируемого объекта. Путем изме- рения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала, излучаемого наземным пе- редатчиком и передаваемого бортовым приемо-передатчиком, измеряется радиаль- ная скорость контролируемого объекта, а измерения разности доплеровских сдви- гов несущей частоты сигнала, который приходит к двум парам приемных антенн, образующим базы интерферометра, позволяет определить скорости изменения на- правляющих косинусов. В результате совместной обработки этих параметров вы- числяется скорость контролируемого объекта.

Эта система имеет следующие недостатки.

1. Система стационарная, разворачивается один раз на заданном полигоне, передислокация системы невозможна.

2. Конфигурация системы (количество и расположение ее составляющих) жестко фиксирована, в связи с чем невозможно оптимизировать конфигурацию системы с целью получения наиболее точного результата траекторных измерений для каждой отдельной траектории.

3. Во время развертывания системы и периодически во время ее эксплуата- ции требуется проведение комплекса работ по точной геодезической привязке ее составляющих.

4. Каждый измерительный пункт системы представляет собой сложный и дорогостоящий радиотехнический комплекс, составляющие которого размещены в зданиях на территории площадью несколько гектаров.

5. Система потребляет большое количество электроэнергии: для ее работы нужны источники электропитания мощностью десятки кВт.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 6. В системе используются направленные антенны и моноимпульсный пе- ленгатор, что существенно повышает стоимость системы.

7. Дорогостоящая и трудоемкая в создании система передачи сигналов меж- ду составляющими системы представляет собой кабельные линии связи, суммарная длина которых - около нескольких сотен километров.

8. В системе используется сложный способ высокоточной частотно- временной синхронизации.

9. В состав системы обязательно входит наземный передатчик, а на борт контролируемого объекта устанавливается бортовой приемо-передатчик сигналов системы, что повышает стоимость системы.

10. Система может использоваться исключительно для траекторных опреде- лений и требует привлечения большого количества высококвалифицированных специалистов для ее обслуживания и эксплуатации.

Раскрытие изобретения

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей многопозиционной фазовой системы траекторных измерений, а так- же значительное уменьшение трудоемкости создания и обслуживания системы пу- тем дополнения каждого измерительного пункта системы приемником сигналов ГНСС геодезического класса точности, блоком накопления информации и пере- дающим блоком, использования ненаправленных приемных антенн и совместного использования принципов построения и функционирования полигонных многопо- зиционных фазометрических систем и сигналов и технологий ГНСС.

Поставленная задача решается следующим образом.

В многопозиционной фазовой системе траекторных измерений (МФСТИ), которая реализует вариант 1 способа выполнения траекторных измерений, в состав которой входят передатчик запросного сигнала, бортовая аппаратура, центр сбора и обработки информации и фазовый интерферометр, состоящий из N (N = 3...12 ) измерительных пунктов, в состав каждого из которых входят приемная антенна и многоканальный приемник сигналов системы, согласно изобретению, каждый из- мерительный пункт системы представляет собой переносной прибор, в состав ко- торого дополнительно входят приемник сигналов ГНСС, блок накопления инфор- мации и передающий блок, а приемные антенны являются ненаправленными, при-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) чем ГНСС-подобный сигнал, излучаемый передатчиком запросного сигнала, при- нимаемого бортовой аппаратурой, преобразуется с учетом задержки и доплеров- ского смещения принятого сигнала в три когерентных ГНСС-подобных сигнала на трех частотах дециметрового диапазона волн, которые передаются на наземные измерительные пункты фазового интерферометра, в каждом из которых эти сигна- лы от контролируемого объекта одновременно с сигналами ГНСС принимает при- емная антенна измерительного пункта, первый выход которой соединен со входом многоканального приемника сигналов системы, а второй выход - со входом при- емника сигналов ГНСС, и выходы многоканального приемника сигналов системы и приемника сигналов ГНСС соединены со входами блока накопления информации, выход которого соединен с входом передающего блока, который во время передачи накопленных данных соединяется по выделенным радиоканалам с центром сбора и обработки информации, или соединяется с мобильным носителем информации.

Поставленная задача решается также тем, что в многопозиционной фазовой системе траекторных измерений, которая реализует вариант 2 способа выполнения траекторных измерений, в состав которой входят бортовая аппаратура, центр сбора и обработки информации и фазовый интерферометр, состоящий из N (N = 4...12 ) измерительных пунктов, в состав каждого из которых входят приемная антенна и многоканальный приемник сигналов системы, согласно изобретению, каждый из- мерительный пункт системы представляет собой переносной прибор, в состав ко- торого дополнительно входят приемник сигналов ГНСС, блок накопления инфор- мации и передающий блок, а приемные антенны являются ненаправленными, при- чем передатчик запросного сигнала объединен с одним из измерительных пунк- тов - они соединены с общим опорным генератором и имеют общую шкалу време- ни, а ГНСС- подобный сигнал, излучаемый бортовой аппаратурой, принимается измерительными пунктами фазового интерферометра, в каждом из которых его од- новременно с сигналами ГНСС принимает приемная антенна, первый выход кото- рой соединен со входом многоканального приемника сигналов системы, а второй выход - со входом приемника сигналов ГНСС, и выходы многоканального прием- ника сигналов системы и приемника сигналов ГНСС соединены со входами блока накопления информации, выход которого соединен с входом передающего блока, который во время передачи накопленных данных соединяется по выделенным ра-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) диоканалам с центром сбора и обработки информации, или соединяется с мобиль- ным носителем информации.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена общая схема предлагаемой системы.

На фиг. 2 изображена архитектура предлагаемой системы (вариант 1).

На фиг. 3 изображена архитектура предлагаемой системы (вариант 2).

На фиг. 4 изображена схема измерительного пункта, являющегося состав- ляющей частью предлагаемой системы.

Варианты осуществления изобретения

Многопозиционная фазовая система траекторных измерений (вариант 1 , см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит в себе передатчик запросного сигнала 1 , бортовую аппа- ратуру 2, центр сбора и обработки информации 5 и фазовый интерферометр 3, со- стоящий из N (N = 3...12 ) измерительных пунктов 4 (см. фиг. 4), в состав каждо- го из которых входят приемная антенна 6, многоканальный приемник сигналов системы 7, приемник сигналов ГНСС 8, блок накопления информации 9 и пере- дающий блок 10, а приемные антенны 6 являются ненаправленными, причем пере- датчик запросного сигнала 1 объединен с одним из измерительных пунктов 4 - они соединены с общим опорным генератором и имеют общую шкалу времени, также соединены с общим опорным генератором и имеют общую шкалу времени много- канальный приемник сигналов системы 7 и приемник сигналов ГНСС 8, входящие в состав каждого измерительного пункта 4, а ГНСС-подобный сигнал, излучаемый передатчиком запросного сигнала 1, принимается бортовой аппаратурой 2, преоб- разуется с учетом задержки и доплеровского смещения принятого сигнала в три когерентных ГНСС-подобных сигнала на трех частотах дециметрового диапазона волн, которые передаются на наземные измерительные пункты 4 фазового интер- ферометра 3, в каждом из которых эти сигналы от контролируемого объекта одно- временно с сигналами ГНСС принимает приемная антенна 6 измерительного пунк- та 4, первый выход которой соединен со входом многоканального приемника сиг- налов системы 7, а второй выход - со входом приемника сигналов ГНСС 8, и выхо- ды многоканального приемника сигналов системы 7 и приемника сигналов ГНСС 8 соединены со входами блока накопления информации 9, выход которого соединен со входом передающего блока 10, который во время передачи накопленных данных

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) соединяется по выделенным радиоканалам с центром сбора и обработки информа- ции 5 или соединяется с мобильным носителем информации.

Многопозиционная фазовая система траекторных измерений (вариант 2, см. фиг. 2) содержит в себе бортовую аппаратуру 2, центр сбора и обработки информа- ции 5 и фазовый интерферометр 3, состоящий из N (N = 4.. Л2 ) измерительных пунктов 4 (см. фиг. 4), в состав каждого из которых входят приемная антенна 6, приемник сигналов системы 7, приемник сигналов ГНСС 8, блок накопления ин- формации 9 и передающий блок 10, а приемные антенны 6 являются ненаправлен- ными, причем многоканальный приемник сигналов системы 7 и приемник сигналов ГНСС 8, входящие в состав каждого измерительного пункта 4, соединены с общим опорным генератором и имеют общую шкалу времени, а ГНСС-подобные сигналы, излучаемые бортовой аппаратурой 2, принимаются измерительными пунктами 4 фазового интерферометра 3, в каждом из которых их одновременно с сигналами ГНСС принимает приемная антенна 6, первый выход которой соединен со входом многоканального приемника сигналов системы 7, а второй выход - со входом при- емника сигналов ГНСС 8, и выходы многоканального приемника сигналов системы 7 и приемника сигналов ГНСС 8 соединены со входами блока накопления инфор- мации 9, выход которого соединен со входом передающего блока 10, который во время передачи накопленных данных соединяется по выделенным радиоканалам с центром сбора и обработки информации 5 или соединяется с мобильным носите- лем информации.

Многопозиционная фазовая система траекторных измерений работает сле- дующим образом, реализуя способ выполнения траекторных измерений.

Сеанс траекторных измерений, согласно заявленным способам, охватывает период от момента старта до момента окончания полета контролируемого объекта, оснащенного бортовой аппаратурой 2.

В рамках планирования сеанса траекторных измерений выполняются сле- дующие действия:

1. На основе информации о форме конкретной планируемой траектории по- лета (дальность и максимальная высота полета) контролируемого объекта опреде- ляется оптимальная для данной траектории конфигурация системы - минимальное количество измерительных пунктов 4, необходимое для определения параметров

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) траектории с нужной точностью, и места расположения этих измерительных пунк- тов 4. Измерительные пункты 4 должны образовывать фазовый интерферометр 3 с примерно перпендикулярными базами и, если есть необходимость, дополнитель- ные, меньшие по размерам измерительные базы для более надежного раскрытия фазовой неоднозначности. Максимальные базы фазового интерферометра 3 между разнесенными измерительными пунктами 4 зависят от формы планируемой траек- тории полета контролируемого объекта и могут составлять от— 1— 50 км (при опре- делении параметров траекторий приземных ВДЛА) до ~100-1000 км (при опреде- лении параметров траекторий космических аппаратов в ближнем и дальнем космо- се).

Одновременно с этим принимается решение о том, есть ли необходимость использования передатчика запросного сигнала 1, то есть делается выбор между вариантом 1 и вариантом 2 построения системы. Система может быть построена по варианту 2 (без использования передатчика запросного сигнала 1), если размеры базовых линий фазового интерферометра 3 системы сравнимы с расстояниями до контролируемого объекта.

Для определения оптимальной конфигурации системы используется специа- лизированное программное обеспечение априорной оценки точности траекторных измерений.

2. Контролируемый объект, для которого планируется проведение сеанса измерений, оснащается бортовой аппаратурой 2, которая имеет разный состав в за- висимости от выбранного варианта построения системы. Если система строится по варианту 1 , то в состав бортовой аппаратуры 2 входит приемник, блок обработки запросного сигнала системы, модулятор и передатчик ГНСС-подобных когерент- ных сигналов на трех частотах (в выбранных полосах дециметрового L-диапазона), излучаемых в направлении наземных приемных пунктов (с учетом задержки и доп- плеровского смещения на трассе «наземный передатчик— бортовая аппаратура»). Если же выбран вариант 2 построения системы, то бортовая аппаратура 2 содержит формирователь и передатчик ГНСС-подобных когерентных сигналов на трех час- тотах (в выбранных полосах L-диапазона). Стоимость бортовой аппаратуры по ва- рианту 2 построения системы существенно меньше, чем стоимость бортовой аппа- ратуры по варианту 1.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Перед проведением сеанса траекторных измерений измерительные пункты 4 и передатчик запросного сигнала 1 (в случае его наличия) устанавливаются в за- планированных местах на земной поверхности или на поверхности воды на не- больших плавательных средствах (катерах) или на буях. Элементы системы долж- ны быть расположены в запланированных местах на местности с точностью до не- скольких десятков метров. Для накопления ГНСС-измерений в количестве, доста- точном для определения координат измерительных пунктов 4 с точностью, необхо- димой для эффективной работы системы, а также уточнения модели тропосферных задержек, элементы системы нужно разместить на местности и запустить их функ- ционирование не позднее, чем за 1 час до начала полета контролируемого объекта, а выключить и убрать их - не ранее, чем через 1 час после его окончания. Таким образом, общий интервал ГНСС-наблюдений должен начинаться как минимум за час до начала сеанса траекторных измерений и заканчиваться через час после его окончания. Это обеспечит достижение сантиметровой точности определения коор- динат (текущих координат) приемных пунктов системы траекторных измерений.

Сеанс траекторных измерений, согласно заявленному способу, проходит следующим образом.

В случае построения системы по варианту 1 (см. фиг. 1 и фиг. 2) сигналы на трех разнесенных несущих частотах в дециметровом диапазоне волн, излучаемых передатчиком запросного сигнала 1 , принимаются бортовой аппаратурой 2 и ретранслируются наземным измерительным пунктам 4 фазового интерферометра 3, которые измеряют суммарные расстояния и допплеровские смещения частот на трассах «передатчик запросного сигнала 1 - бортовая аппаратура 2 - измеритель- ный пункт 4», а также разности расстояний и скорости их изменения.

В случае построения системы по варианту 2 (см. фиг. 3) сигналы на трех разнесенных несущих частотах в дециметровом диапазоне волн, излучаемые бор- товой аппаратурой 2 без запроса от наземного передатчика, принимаются измери- тельными пунктами 4 фазового интерферометра 3, которые измеряют разности расстояний «бортовая аппаратура 2 - измерительный пункт 4» и скорости их изме- нения.

Темп циклов измерений и выдачи результатов траекторных определений оп- ределяется динамикой контролируемого объекта и находится в диапазоне 1^-10 Гц.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Настройка аппаратуры системы предусматривает возможность изменения темпа измерений.

Одновременно с сигналами, излучаемыми бортовой аппаратурой 2 системы, измерительные пункты 4 выполняют и регистрируют измерения параметров сигна- лов ГНСС (как кодовые, так и фазовые наблюдения) на двух частотах. Эти измере- ния служат для реализации точного координатно-временного обеспечения системы и уточнения моделей тропосферных задержек.

Зарегистрированные измерения сигналов системы, а также измерения сигна- лов ГНСС накапливаются в блоках накопления информации 9, входящих в состав измерительных пунктов 4. По окончании сеанса траекторных измерений и прекра- щении функционирования приемников сигналов ГНСС (не ранее, чем через 1 час после завершения полета контролируемого объекта) данные, накопленные в блоках накопления информации 9, передаются через передающий блок 10 каждого изме- рительного пункта 4 в центр сбора и обработки информации 5. Передача данных может осуществляться с помощью выделенных радиоканалов, или же данные мо- гут переноситься на мобильном носителе информации персоналом, обслуживаю- щим систему.

В центре сбора и обработки информации 5 на основе накопленных измери- тельными пунктами 4 измерений сигналов ГНСС, с привлечением дополнительной информации (точных эфемерид спутников ГНСС, при наличии - данных о среде распространения сигналов, измерительной информации ближайших перманентных референцных станций ГНСС и т.п.), выполняется высокоточная координатная при- вязка фазовых центров приемных антенн 6 и прецизионная синхронизация шкал времени измерительных пунктов 4. В случае, когда измерительные пункты 4 рас- положены на земной поверхности, координаты фазовых центров приемных антенн 6 определяются с геодезической точностью. В случае, когда измерительные пункты 4 подвижны - расположены на плавательных средствах или на буях на поверхности воды, координаты фазовых центров приемных антенн 6 оцениваются совместно с параметрами движения контролируемого объекта с точностью, которую позволяет получить режим ГНСС-позиционирования RTK (Real Time Kinematic).

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Если измерительные пункты 4 установлены стационарно и их координаты точно определены заранее, то определение их координат для каждого сеанса траек- торных измерений можно не выполнять, а использовать известные координаты.

На основе накопленных измерений сигналов системы и полученной инфор- мации о координатах фазовых центров приемных антенн 6 и расхождений шкал времени измерительных пунктов 4 определяются параметры траектории контроли- руемого объекта (его координаты и составляющие вектора скорости, отнесенные к равнодискретным временным отсчетам заданной шкалы времени).

Система предназначена для выполнения траекторных определений парамет- ров движения нескольких объектов одновременно. В системе применяется кодовое разделение сигналов, принятых от различных контролируемых объектов, что по- зволяет осуществлять различение (идентификацию) и раздельную оценку парамет- ров сигналов и экономить частотные ресурсы.

Периодически (не менее 2-4-х раз в год) осуществляется калибровка и мет- рологическая аттестация (апостериорная оценка точности наблюдений и траектор- ных определений системы). Апостериорная оценка точности системы выполняется путем сравнения текущих параметров траектории контролируемого объекта (в дан- ном случае, беспилотного летательного аппарата, например, квадрокоптера), полу- ченных системой, и эталонных параметров траектории контролируемого объекта, точность которых в несколько раз выше точности системы. В качестве эталона тра- екторных определений принимается реализованный и апробированный ведущими мировыми производителями дифференциальный режим кинематических коорди- натных определений по фазовым ГНСС-наблюдениям серийно производимого приемника сигналов ГНСС геодезического класса, который обеспечивает позицио- нирование с сантиметровой точностью.

При создании и вводе в эксплуатацию системы, а также периодически во время ее эксплуатации (не менее 2-4-х раз в год) осуществляется калибровка аппа- ратуры системы. В ходе калибровки определяются или уточняются инструмен- тальные задержки в измерительных трактах аппаратуры системы, то есть система- тические погрешности наблюдений (сменные константы - кодовые и фазовые за- держки сигналов ГНСС и сигналов контролируемых объектов, смещения фазовых центров антенн и т.д.), которые используются в сеансе определений параметров

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) движения. При проведении калибровки аппаратуры системы используются такие же эталонные траекторные определения, как и при проведении апостериорной оценки точности системы.

В связи с тем, что в состав измерительных пунктов системы входят прием- ники сигналов ГНСС 8 геодезического класса точности, измерительные пункты 4 (в случае их расположения на земной поверхности и определения их координат с геодезической точностью), они могут использоваться как сеть базовых станций ГНСС и обеспечивать широкий круг потребителей дифференциальными коррек- циями для измерений сигналов ГНСС.

Таким образом, способ выполнения траекторных измерений и многопозици- онная фазовая система траекторных измерений основаны на сочетании принципов построения и функционирования многопозиционных фазометрических систем и современных ГНСС-технологий точного позиционирования, благодаря чему, как показали исследования, они позволяют достичь более высокой по сравнению с ана- логами точности определений параметров траекторий летательных и космических аппаратов на любых высотах в диапазоне до 36 тыс. км при минимальной трудоем- кости разработки системы, ее реализации и эксплуатации.

Результаты априорной оценки точности (АОТ) определения параметров движения космических аппаратов и других высокодинамичных объектов с помо- щью многопозиционной фазовой системы траекторных измерений приведены ни- же.

С использованием разработанных модели погрешностей наблюдений МФСТИ были получены оценки ожидаемой точности определения параметров движения (координат и составляющих вектора скорости) космических аппаратов (КА) и других высокодинамичных летательных аппаратов (ВДЛА) для различных вариантов построения и функционирования системы.

Модель погрешностей наблюдений учитывала вклады следующих источни- ков погрешностей измерений (петлевых дальностей, кодовых и фазовых разностей дальностей, а также их скоростей изменений):

- шумов и погрешностей из-за многолучевого распространения сигналов;

- остаточных (после коррекций) погрешностей тропосферных и ионосфер- ных задержек сигналов;

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) - остаточных погрешностей оценивания расхождений шкал времени разне- сенных в пространстве приемных пунктов системы;

-погрешностей калибровки инструментальных задержек сигналов в назем- ной и бортовой аппаратуре системы;

- погрешностей координатной привязки средних фазовых центров наземных приемных антенн; погрешностей фазовых вариаций наземных приемных антенн и бортовой антенны;

- погрешностей, обусловленных геодинамическими эффектами, вращением Земли, релятивистскими и геогравитационными эффектами, wind-up-эффектами и др·;

- методических погрешностей.

Априорная оценка точности определения параметров движения КА была проведена для низких, средних и высоких орбит. При этом использовались различ- ные конфигурации МФСТИ с максимальными базовыми расстояниями до ~ 800 км.

Ниже представлены итоговые обобщенные результаты АОТ траекторных определений КА и приземных высокодинамичных ЛА.

Оценочные значения среднеквадратических погрешностей (СКП) определе- ния параметров движения КА находятся в пределах:

- от нескольких сантиметров до -20^30 см по координатам и от нескольких миллиметров в секунду до ~2 3 см/с по составляющим вектора скорости - для низ- коорбитальных КА на высотах до ~ 1000 км;

- от -0,25^0,6 м (в плане) до ~0,· 4+1, 2 м (по высоте) по координатам и от -2+4 см/с (в плане) до ~3,6-И 8 см/с (по высоте) по составляющим вектора скоро- сти - для среднеорбитальных и геостационарных/геосинхронных КА (на высотах -9+36 тыс. км).

Оценочные значения СКП определения параметров движения приземных (до высот -150 200 км) высокодинамичных ЛА находятся в пределах -0,05+0,40 м по координатам и ~0,5-И,6 см/с по составляющим вектора скорости.

Было выполнено также моделирование работы МФСТИ с использованием реальных суточных наблюдений за 10 января 2013 г. измерительных пунктов сис- темы, совмещенных с перманентными GPS-станциями Украины (GPS - Global Position System). В качестве измерительных пунктов были выбраны GPS-станции

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) GLSV, KHAR, KTVL, DNRS, IZUM, MEKL, NIZH, POLV, SHAB, UMAN и ZPRS. Максимальные базовые линии при этом составляли—800 км. Один из спутников рабочего созвездия GPS был выбран в качестве контролируемого объекта (КО) с неизвестными параметрами движения, его координаты и составляющие вектора скорости оценивались по наблюдениям МФСТИ.

Апостериорная оценка точности показала возможность достижения следую- щей точности траекторных определений КА (спутников GPS в качестве контроли- руемых объектов):

- для первого (дальномерно-интерферометрическ ого, запросного) варианта реализации МФСТИ значения СКП определения координат КО (точечные оценки с темпом 1 Гц) находились в пределах от ~0,16 м (плановые координаты) до -0,45 м (высота); значения СКП составляющих вектора скорости КО (оценка точности этих параметров была выполнена только для первого варианта МФСТИ) находились в пределах ~0,7— 1 ,0 см/с;

- для второго (интерферометрического, беззапросного) варианта реализации МФСТИ значения СКП определения координат КО находились в пределах от ~21 м (плановые координаты) до ~25-50 м (высота).

При этом в ходе экспериментов были определены расхождения шкал време- ни разнесенных измерительных пунктов МФСТИ с точностью (СКП) ~0,01 нс, а СКП определения разностей расстояний на всех измерительных базах интерферо- метра МФСТИ составляли ~0, 7-1,0 см. Это позволило успешно разрешить фазовые неоднозначности на всех измерительных базах и оценить текущие координаты КА с указанной выше точностью.

Сравнительный анализ результатов априорной и апостериорной оценки точ- ности МФСТИ в рамках данного эксперимента показал, что эти результаты доста- точно близки, что также подтвердило правильность концепции построения и функ- ционирования МФСТИ, её работоспособность.

Предложенные способ и варианты реализации МФСТИ, как показали иссле- дования, позволят достичь более высокой по сравнению с аналогами точности оп- ределения параметров траекторий летательных и космических аппаратов на любых высотах в диапазоне до 36 тыс. км при минимальной стоимости разработки систе- мы, ее реализации и эксплуатации.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Шебшаевич В. С., П.П. Дмитриев и др. Сетевые спутниковые радионавига- ционные системы - М: Радио и связь, 1993. - 408 с.

2. Способ определения координат местоположения, составляющих вектора скорости, дальности и траекторных измерений навигирующимся объектом по на- вигационным радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигаци- онных систем. - Патент Российской Федерации на изобретение N° RU 2 152 048 Cl, опубликован 27.06.2000.

3. Современные зарубежные (США, ЕС) ГНСС-приемники (Monarch-M (General Dynamics), Sentinel М-Code Receiver (General Dynamics), LION Navigator 1000 Series (Airbus Defence & Space)) для траекторных определений (текущих ко- ординат и составляющих вектора скорости космических аппаратов) на низких (LEO), средних (МЕО) и высоких (GEO) орбитах (выборка наилучших моделей 2014-2017 гг.) [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://gdmissionsvstems.com/space/space-electronics/gps-rec eivers ,

https://gdmissionsvstems.com/space/space-electronics/gps- receivers/m-code-receiver. https://gdmissionsvstems.com/space/space-electronics/gps-rec eivers/sentinel.

https://spaceequipment.airbusdefenceandspace.com/avionics /gnss-receivers/lion-gnss- navigator/

4. Ревнивых С. Г. ГЛОНАСС для космических применений // «Вестник ГЛО- НАСС». - 3(19) - 2014. [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://vestnik- glonass.ru/stati/glonass-dlva-kosmicheskikh-primeneniv/: Ashurkov V., Volkov А., Testoyedov N., Tyulin A., SERGEY Seredin S., Karutin S., Mitrikas V., Skakun I., Tiuliakov A., Fedorov D. On Board Resurs-P LEO Satellite GLONASS for Precise Navigation in Space // Inside GNSS, September/October 2015, P. 54-59.

5. Aircraft navigation using the Global Positioning System, inertial reference sys- tem and distance measurements. - US Patent, Pub. No. : US 2010/01066416 Al, Pub. Date: Apr. 29, 2010.

6. Способ инерциально-спутниковой навигации летательных аппаратов. - Па- тент Российской Федерации на изобретение N° RU 536 768 Cl, опубликован 27.12.2014, бюл. о Зб.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 7. Комплексный способ навигации летательных аппаратов. - Патент Россий- ской Федерации на изобретение N» RU 2 558 699 С1, опубликован 10.08.2015, бюл. т 22.

8. Thompson, Т., «Performance of the STARACK/Global Positioning System Tri- dent I Missile Tracking System» in Proc. IEEE Position Location and Navigation Symp., Atlantic City, NJ, pp.445-449 (1980).

9. Thompson, T., «STARACK-Review and Update», Johns Hopkins APL Technical Digest, 4(2), 1 18-126 (1983).

10. Thompson T., Levy L.J., Westerfield E.E. The SATRACK System: Develop- ment and Applications // Johns Hopkins APL TECHNICAL DIGEST, Volume 19, Num- ber 4 (1998), pp.436-447.

11. Bames J., Rizos C, Wang J., Nunan T., Reid C. (2002). The development of a GPS/Pseudolite positioning system for vehicle tracking at ВНР Steel, Port Kembla Steelworks. 15 th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Insti- tute of Navigation ION GPS 2002, Portland, Oregon, 24-27 September, 1779-1789.

12. Bames J., Rizos C., Wang J., Small D., Voigt G., Gambale N. (2003). Locata: A new positioning technology for high precision indoor and outdoor positioning. 16th Int. Tech. Meeting of the Satellite Division of the U.S. Inst of Navigation, Portland, Oregon, 9-12 September.

13. Craig Desiree L. LOCATA Corporation. USAF’s New Reference System. Truth on the Range // Inside GNSS, Ns 3, May/June 2012, pp. 37-48.

14. R.A. Heartz and T.H. Jones. Mistram and rendezvous. Astronautics, vol. 7, July 1962, 47-50.

15. AZUSA. A Precision, Operational, Automatic Tracking System [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://maps.thefullwiki.org/AZUSA , http://www.chemeurope.com/en/encyclopedia AZUSA.html

https ://en. wiki2. org/wiki/AZUS A .

16. Способ одновременного определения шести параметров движения косми- ческого аппарата при проведении траекторных измерений и система для его реали- зации. - Патент Российской Федерации на изобретение JVs RU 2 525 343 Cl, опуб- ликован 10.08.2014, бюл. N 22.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 17. Способ одновременного определения шести параметров движения при проведении траекторных измерений одной станцией слежения и система для его реализации. - Патент Российской Федерации на изобретение Ns RU 2 555 247 Cl, опубликован 10.07.2015, бюл. JV° 19.

18. Литус Ю.П., Малафеев Е.Е., Михайлов Ю.В. Высокоточная многопара- метрическая система внешнетраекторных измерений параметров движения лета- тельных аппаратов «ВЕГА» // Прикладная радиоэлектроника. - 2006. Том 5. JV° 4 - С. 448-453.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)