Моделирование работы навигационного приёмника для сверхмалого космического аппарата

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°.

1. Фортескью, П. Разработка систем космических аппаратов / П. Фортескью, Г. Суайнерда, Д. Старка // Москва: Альпина Паблишер, 2017. – 762 с.

2. 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.2010.06.004

3. Kestilä, 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-2-121-2013

4. Scholz, 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.2010.06.040

5. Jochim, 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)00077-5

6. Gill, 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.x

7. Rush, 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)00079-5

8. Перов, А.И. Глонасс. Принципы построения и функционирования / А.И. Перов, В.Н. Харисов // Москва: Издательство «Радиотехника», 2010. – 800 с.

9. Куницин, В.Е. Радиотомография ионосферы / В.Е. Куницин, Е.Д. Терещенко, Е.С. Андреева // М.: Физматлит, 2007. – 336 с.

10. 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.

11. 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.2008.11.017

12. Ali, 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: 10.1109/26.662636

13. Borio, 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.2008.4655359

14. Kovář, 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.2014.02005