pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-4-331-340pimi-528Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsМоделирование работы навигационного приёмника для сверхмалого космического аппаратаSimulation of Navigation Receiver for Ultra-Small SatelliteСпиридоновА. А.SpiridonovA. A.

Адрес для переписки: А.А. Спиридонов – Белорусский государственный университет, ул. Курчатова, 5, г. Минск 220045, Беларусь      e-mail: sansan@tut.by

Address for correspondence: A.A. Spiridonov – Belarusian State University, Kurchatova str., 5, Minsk 220045, Belarus     e-mail: sansan@tut.by

sansan@tut.byУшаковД. В.UshakovD. V.

Kurchatova str., 5, Minsk 220045, Belarus

СаечниковВ. А.SaechnikovV. A.Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus201912122019104331340Copyright © Спиридонов А.А., Ушаков Д.В., Саечников В.А., 20192019Спиридонов А.А., Ушаков Д.В., Саечников В.А.Spiridonov A.A., Ushakov D.V., Saechnikov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/528

В настоящее время к сверхмалым космическим аппаратам предъявляются жёсткие требования в части точности определения положения спутника на орбите, при этом на спутник накладываются ограничения по массе, габаритам и потребляемой мощности. Целью данной работы являлось моделирование работы навигационного приёмника сверхмалого космического аппарата с ограничениями по энергопотреблению и вычислительным ресурсам.

Рассмотрены условия эксплуатации и определены требования к бортовому навигационному приёмнику сверхмалого космического аппарата. Описана работа на начальной стадии эксплуатации навигационного приёмника, тестирование работоспособности, детектирование ошибок, анализ достоверности решения задачи навигационно-временного определения.

Разработана структура задач проектной баллистики по прогнозированию орбит сверхмалого космического аппарата и навигационных спутников, интервалов радиовидимости для систем ГЛОНАСС и GPS, а также параметров навигационных сигналов.

Для предполагаемой орбиты спутника СubeBel-1 проведено численное моделирование орбитального движения относительно спутников систем GPS и ГЛОНАСС. Рассчитана динамика доплеровского сдвига частоты сигналов спутника GPS в приёмнике без ограничений по относительной скорости движения за одни сутки. Для спутников систем GPS и ГЛОНАСС рассчитаны интервалы радиовидимости и определены оптимальные условия для холодного старта навигационного приёмника с ограничением по относительной скорости (Vотн < 500 м/c) за 1 ч работы как при отдельной, так и при совместной работе по обеим системам.

Для отработки методов верификации экспериментальных данных спутника СubeBel-1 исследована работа навигационного приёмника спутника Nsight по данным принимаемой телеметрии от начала его полёта до момента выхода в стабильный режим работы. Показано, что данные телеметрии навигационного приёмника на этапе тестирования имели существенную ошибку. После программной корректировки навигационный приёмник работал стабильно в течении всей недели наблюдения, ошибка измерений долготы и широты не превышала 0,2°.

Currently, ultra-small satellite aresubjectstostringentrequirementsintermsoftheaccuracyof determining the position of the satellite in orbit, while the satellite is the subject to restrictions on mass, size and power consumption. The aim of this work is to simulate of navigation receiver operation for the ultra-small satellite with restrictions on energy consumption and computational resources.

The operating conditions are considered and the requirements to the onboard navigation receiver for the ultra-small satellite are determined. The navigation receiver operation at the initial stage, performance testing, error detection, analysis of the reliability of the solution of the navigation-time determination problem are described.

The structure of the design ballistics problems for orbit prediction of ultra-small spacecraft and navigation satellites, radio visibility intervals for GLONASS and GPS systems, parameters of navigation signals have been developed.

The motion relative to the satellite systems GPS and GLONASS for a preliminary orbit of СubeBel-1 have been simulated. The Doppler dynamics of the GPS satellite signals in the receiver without restrictions on the relative speed for one day has been calculated. Radio visibility intervals for GPS and GLONASS satellites were calculated and optimal conditions for the cold start of the navigation receiver with a relative speed limit (Vr < 500 m/s) for 1 hour of operation both in separate and in joint operation on both systems were determined.

To test the verification methods of the experimental data of the СubeBel-1 satellite, the operation of the navigation receiver of the Nsight satellite was studied according to the received telemetry from the beginning of its flight until the moment it entered stable operation.It is shown that the telemetry data of the navigation receiver at the testing stage had a significant error. After software correction, the navigation receiver worked steadily throughout the week of observation, the error of longitude and latitude measurements did not exceed 0.2 degrees.

сверхмалый космический аппаратнавигационный приёмникпроектная баллистикаорбитальное движениеинтервалы радиовидимостиultra-small satellitenavigation receiverproject ballisticsorbital motionradio visibility intervalsРабота выполнена в рамках Государственной программы научных исследований Республики Беларусь «Информатика, космос и безопасность» (подпрограмма «Информатика и космические исследования»).The work was performed as part of the implementation of the State program of scientific research of the Republic of Belarus "Informatics, space and security" (Program "Informatics and space research".ReferencesФортескью, П. Разработка систем космических аппаратов / П. Фортескью, Г. Суайнерда, Д. Старка // Москва: Альпина Паблишер, 2017. – 762 с.Fortescue P., Stark J., Swinerd G. Razrabotka sistem kosmicheskikh apparatov [Spacecraft Systems Engineering]. Moscow, Alpina Publisher, 2017, 762 p.Bouwmeester, J. Survey of worldwide picoand nanosatellite missions, distributions and subsystem technology / J. Bouwmeester, J. Guo // Acta Astronautica.– 2010. – Vol. 67. – P. 854–862. DOI: 10.1016/j.actaastro.2010.06.004Bouwmeester J., Guo J. Survey of worldwide picoand nanosatellite missions, distributions and subsystem technology. Acta Astronautica, 2010, vol. 67, pp. 854–862. DOI: 10.1016/j.actaastro.2010.06.004Kestilä, A. Aalto-1 nanosatellite – technical description and mission objectives / A. Kestilä [et al.] // Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems. – 2013. – Vol. 2. – P. 121–130. DOI: 10.5194/gi-2-121-2013Kestilä A., Tikka T., Peitso P., Rantanen J., Näasilä A., Nordling K., Saari H., Vainio R., Janhunen P., Praks J., Hallikainen M. Aalto-1 nanosatellite – technical description and mission objectives. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems, 2013, vol. 2, pp. 121–130. DOI: 10.5194/gi-2-121-2013Scholz, A. Flight results of the COMPASS-1 picosatellite mission / A. Scholz [et al.] // Acta Astronautica. – 2010. – Vol. 67. – P. 1289–1298. DOI: 10.1016/j.actaastro.2010.06.040Scholz A., Ley W., Dachwald B., Miau J.J., Juang J.C. Flight results of the COMPASS-1 picosatellite mission. Acta Astronautica, 2010, vol. 67, pp. 1289–1298. DOI: 10.1016/j.actaastro.2010.06.040Jochim, E.F. GPS Based Onboard and Onground Orbit Operations for Small Satellites / E.F. Jochim [et al.] // Acta Astronautica. – 1996. – Vol. 39, no. 9–12. – P. 917–922. DOI: 10.1016/S0094-5765(97)00077-5Jochim E.F., Gill E., Montenbruck O., Kirschner M. GPS Based Onboard and Onground Orbit Operations for Small Satellites. Acta Astronautica, 1996, vol. 39, no. 9–12, pp. 917–922. DOI: 10.1016/S0094-5765(97)00077-5Gill, E. The BIRD Satellite Mission as a Milestone Towards GPS-based Autonomous Navigation / E. Gill, O. Montenbruck, H. Kayal // Navigation Journal of the Institute of Navigation. – 2001. – Vol. 48, no. 2. – Р. 69– 75. DOI: 10.1002/j.2161-4296.2001.tb00229.xGill E., Montenbruck O., Kayal H. The BIRD Satellite Mission as a Milestone Towards GPS-based Autonomous Navigation. Navigation, 2001, vol. 48, no. 2, pp. 69–75. DOI: 10.1002/j.2161-4296.2001.tb00229.xRush, J. Current issues in the use of the Global Positioning System aboard satellites / J. Rush // Acta Astronautica. – 2000. – Vol. 47, no. 2–9. – P. 377–387. DOI: 10.1016/S0094-5765(00)00079-5Rush J. Current issues in the use of the Global Positioning System aboard satellites. Acta Astronautica, 2000, vol. 47, no. 2–9, pp. 377–387. DOI: 10.1016/S0094-5765(00)00079-5Перов, А.И. Глонасс. Принципы построения и функционирования / А.И. Перов, В.Н. Харисов // Москва: Издательство «Радиотехника», 2010. – 800 с.Perov A.I., Kharisov V.N. Glonass. Printsipy postroeniya i funktsionirovaniya [GLONASS. Principles of construction and operation]. Moscow, Publishing house Radiotehnika, 2010, 800 p.Куницин, В.Е. Радиотомография ионосферы / В.Е. Куницин, Е.Д. Терещенко, Е.С. Андреева // М.: Физматлит, 2007. – 336 с.Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., Andreeva E.S. Radiotomografiya ionosfery [Ionospheric radiotomography]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2007, 336 p.Куницин, В.Е. Спутниковое радиозондирование и радиотомография ионосферы / В.Е. Куницин, Е.Д. Терещенко, Е.С. Андреева, И.А. Нестеров // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180, № 5. – С. 548–553.Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., Andreeva E.S., Nesterov I.A. [Satellite radiosonding and ionospheric radiotomography]. Uspekhi fi nauk [Advances in Physical Sciences], 2010, vol. 180, no. 5, pp. 548–553 (in Russian).Wang, R. Propagation errors analysis of TLE data / R. Wang, J. Liu, Q. Zhang // Advances in Space Research. – 2009. – Vol. 43, no. 7. – P. 1065–1069. DOI: 10.1016/j.asr.2008.11.017Wang R., Liu J., Zhang Q. Propagation errors analysis of TLE data. Advances in Space Research, 2009, vol. 43, no. 7, pp. 1065–1069. DOI: 10.1016/j.asr.2008.11.017Ali, I. Doppler characterization for LEO satellites / I. Ali, N. Al-Dhahir, J.E. Hershey // IEEE Transactions on Comm. – 1998. – Vol. 46, no. 3. – P. 309– 313. DOI: 10.1109/26.662636Ali I., Al-Dhahir N., Hershey J.E. Doppler characterization for LEO satellites. IEEE Transactions on Comm., 1998, vol. 46, no. 3, pp. 309–313. DOI: 10.1109/26.662636Borio, D. Impact of GPS acquisition strategy on decision probabilities / D. Borio, L. Camoriano, L. Presti // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. – 2008. – Vol. 44, no. 3. – P. 996–1011. DOI: 10.1109/TAES.2008.4655359Borio D., Camoriano L., Presti L. Impact of GPS acquisition strategy on decision proba-bilities. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2008, vol. 44, no. 3, pp. 996–1011. DOI: 10.1109/TAES.2008.4655359Kovář, P. Cold Start Strategy of the CubeSat GPS / P. Kovář, S. Jelen // Advances in Electrical and Computer Engineering. – 2014. – Vol. 14, no. 2. – P. 29– 34. DOI: 10.4316/AECE.2014.02005Kovář P., Jelen S. Cold Start Strategy of the CubeSat GPS. Advances in Electrical and Computer Engineering, 2014, vol. 14, no. 2, pp. 29–34. DOI: 10.4316/AECE.2014.02005

The authors declare that there are no conflicts of interest present.