Разработка проекта навигационного космического аппарата на геостационарной орбите
Автор: Звонарь В.Д., Чеботарев В.Е., Ильин М.А.
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Космонавтика
Статья в выпуске: 2 (8), 2014 года.
Бесплатный доступ
Обоснованы требования к космическому аппарату (КА) как к составной части функционального дополнения системы ГЛОНАСС. Проведен анализ возможности применения заимствованных бортовых систем с базового КА «Глонасс-К» и оценен объем их доработок с использованием метода подобия по критерию - минимизация объема доработок составных частей базового КА и его конструктивно-компоновочной схемы. Определен проектно-конструкторский облик КА функционального дополнения системы ГЛОНАСС, проведены расчеты бюджета масс, габаритных размеров, моментно-центровочных характеристик.
Навигационный ка, геостационарная орбита, система глонасс, базовый ка, функциональное дополнение
Короткий адрес: https://sciup.org/14117320
IDR: 14117320
Текст научной статьи Разработка проекта навигационного космического аппарата на геостационарной орбите
-
1. Поддержание системы ГЛОНАСС с гарантированными характеристиками навигационного поля на конкурентоспособном уровне.
-
2. Развитие системы ГЛОНАСС в направлении улучшения ее тактико-технических характеристик с целью обеспечения паритета с зарубежными системами и обеспечения ли-
- Havko-
- ■ ГРАДА
-
3. Обеспечение использования системы ГЛОНАСС как на территории Российской Федерации, так и за рубежом.
дирующих позиций Российской Федерации в области спутниковой навигации.
Модернизация орбитальной группировки (ОГ) системы ГЛОНАСС определяется необходимостью обеспечения на конкурентоспособном уровне характеристик точности, доступности и устойчивости навигации различных потребителей системы ГЛОНАСС и существенным влиянием на эти характеристики состава и структуры ОГ.
Обеспечение наилучшей точности и доступности при сложных условиях навигации (высоком уровне затенения), в том числе компенсации зон ухудшения точности, возможно следующими путями [2; 3; 4]:
-
1) увеличением количества космических аппаратов в штатной орбитальной группировке до 27–30;
-
2) введением функционального дополнения с КА на высоких (геостационарной, геосинхронных, эллиптических) орбитах.
Целью данных исследований является разработка проекта космического аппарата, используемого в функциональном дополнении к системе ГЛОНАСС (КА-ФД).
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи [4; 5]:
-
- обоснование требований к космическому аппарату функционального дополнения (КА-ФД) и выбор базовой космической платформы;
-
- определение объема доработок базовой космической платформы;
-
- определение проектного облика КА-ФД.
Обоснование требований к космическому аппарату функционального дополнения и выбор базовой космической платформы
Спутники системы ГЛОНАСС излучают навигационные сигналы в трех частотных диапазонах (L1, L2 и L3). При этом на спутниках первого поколения применяется частотное разделение навигационных сигналов, а на последующих – частотное и кодовое [3].
Для навигационном КА-ФД предложено использовать кодовое разделение, которое позволяет обеспечить потребителя навигационным сигналом для решения навигационной задачи с более высокими точностными харак- теристиками. На нем также устанавливается бортовое синхронизирующее устройство (БСУ), заимствованное с КА «Глонасс-К», имеющее высокие технические характеристики и летную квалификацию.
Эфемеридно-временное обеспечение навигационного КА функционального дополнения предлагается организовать по схеме, реализованной в системе ГЛОНАСС и использующей межспутниковые измерения дальности.
Проведенный анализ точностных характеристик радионавигационного поля совмещенной системы из 24 КА ГЛОНАСС и ОГ функционального дополнения на различных типах орбит показал, что наибольшее улучшение навигационных характеристик на территории Российской Федерации и Арктики, особенно в условиях ограниченной видимости (в городской и горной местности) и наличия двукратного покрытия территории России и Арктики, могут обеспечить региональные дополнения из четырех-шести КА на геостационарных орбитах с наклонением, отличным от нуля (геосинхронные наклонные круговые орбиты (ГСНО) с периодом, равным звездным суткам) [4].
При этом рассматривается вариант подсистемы из 4 КА, двигающихся вдоль одной наземной трассы, пересекающей экватор в точке 110° в.д (4х1 ГСНО, одиночная схема выведения), который реализует оптимальную навигацию для территории России.
Проанализированы условия эксплуатации КА-ФД, которые по сравнению с условиями на орбитах ГЛОНАСС отличаются суммарной дозой радиации, величиной напряженности магнитного поля Земли и длительностью теневых участков орбиты [2].
Согласно оценкам радиационная стойкость аппаратуры КА на орбитах ГЛОНАСС при сроке функционирования 10 лет эквивалентна стойкости КА на геосинхронной (стационарной) орбите при сроке функционирования 15 лет. Поэтому заимствование аппаратуры у разработанных навигационных КА системы ГЛОНАСС для КА-ФД возможно без повышения её радиационной стойкости.
Увеличение длительностей теневых участков необходимо учитывать при проведении расчета энергобаланса и теплового режима КА-ФД.
Навигационный КА в системе используется как радионавигационная «точка» с известными координатами, излучающая вы-
Разработка проекта навигационного космического аппарата на геостационарной орбите сокостабильный навигационный сигнал, охватывающий весь земной шар и околоземное космическое пространство. Это предъявляет специфические требования к построению спутника в целом и его составных частей [2]:
-
- навигационная антенна должна размещаться таким образом, чтобы её фазовый центр находился на минимальном расстоянии от продольной оси спутника, которая совмещается с центром масс спутника и совпадает с радиус-вектором орбиты;
-
- для БСУ должны быть созданы комфортные условия эксплуатации (термостабилизация с точностью лучше 1 °С) и обеспечиваться экранирование от воздействия магнитных полей;
-
- минимизация действия непрогнозируемых сил негравитационной природы (световое давление, реактивные силы и т.д.).
Поэтому КА-ФД должен быть подобен КА системы ГЛОНАСС, удовлетворяющим всем предъявляемым к навигационным КА требованиям. Наиболее подходящим по выполняемым задачам и типоразмеру (масса, габариты, энергопотребление) для КА-ФД является навигационный КА «Глонасс-К», который предлагается использовать в качестве базового. На основании вышеизложенного определен типовой состав КА-ФД: бортовой информационно-навигационный комплекс (БИНК), бортовое синхронизирующее устройство (БСУ), оптическая ретрорефлекторная антенная система (ОРАС), бортовой комплекс управления, система ориентации и стабилизации, система коррекции, система терморегулирования, система электропитания.
Определение объема доработок базовой космической платформы
Проведем анализ возможности применения заимствованных бортовых систем с базового КА «Глонасс-К» и оценим объем их доработок с использованием метода подобия. При этом необходимо минимизировать объем доработок составных частей базового КА и его конструктивно-компоновочной схемы [5].
Бортовой информационно-навигационный комплекс должен строиться на базе БИНК-К2, у которого исключены приборы, формирующие навигационный сигнал с частотным разделением (с заменой источников питания со 100 В на 27 В с сохранением массогабаритных характеристик блоков). Бортовое синхронизирующее устройство и оптическая ретрорефлекторная антенная система заимствуются с КА «Глонасс-К» без доработок.
Орбиты ГСНО выше орбит системы ГЛОНАСС, поэтому необходимо учитывать увеличение дальности и уменьшение углового размера Земли, что обусловливает соответствующее уменьшение ширины диаграммы направленности навигационной антенны. По результатам расчета бюджета радиолинии определено требуемое усиление навигационной антенны с узкой шириной луча, которая компенсирует увеличение дальности, а также требуемое усиление антенны межспутниковой радиолинии. Исходя из этих требований, определены геометрические и электрические характеристики этих антенн.
По результатам баллистического анализа определены требования к суммарной характеристической скорости, необходимой для приведения КА-ФД в рабочую точку и удержания его в течение всего срока эксплуатации. Выбран объем заправки бака двигательной установки и массы рабочего тела для коррекции орбиты (обеспечение приведения в рабочую точку восходящего узла орбиты за 11 суток, удержание в рабочей точке) и организации разгрузки электромаховиков системы ориентации. В качестве прототипа выбрана двигательная установка КА «Глонасс-К», в которой используется новый бак объемом 30 литров.
Задачи по управлению, контролю и баллистическому обеспечению КА-ФД решаются подобным образом, как в системе ГЛОНАСС (не требует доработки средств НКУ), что позволило заимствовать бортовой комплекс управления с КА «Глонасс-К».
Схему ориентации КА «Глонасс-К» можно применить на КА-ФД, однако необходимо учитывать особенности ее реализации. Применение электромагнитного устройства для разгрузки управляемых двигателей маховиков (УДМ) на ГСНО неэффективно из-за слабого магнитного поля Земли на этих орбитах. Проведенные расчеты позволили определить периодичность разгрузки УДМ (один раз в 9 месяцев), необходимые затраты рабочего тела двигательной установки (1 кг) и величину кинетического момента УДМ (50 Нмс).
По результатам расчета энергобаланса и теплового анализа КА подтверждена возможность применения системы электропитания КА «Глонасс-К» с сохранением характе-
Havko-
■ ГРАДА
X

Рис. 1. Общий вид КА в рабочем положении
ристик солнечной батареи и аккумуляторов, а также подтверждена достаточность площадей радиационных поверхностей и мощностей электрообогревателей системы терморегулирования [6].
Определение проектного облика
КА-ФД
На основании оценок объема доработок бортовых систем проведены расчеты бюджета масс (табл. 1).
Полученная масса КА-ФД позволяет использовать РН «Союз-2» с РБ «Фрегат» для одиночной схемы выведения на орбиту функционирования.
Конструкторский облик КА-ФД в сравнении с базовым КА изменился (с минимальными доработками) в связи с необходимостью размещения доработанной навигационной антенны, нового бака двигательной установки. При этом обеспечено непопадание элементов
Таблица 1
Лимитная сводка масс КА
По результатам проведенных исследований разработан проект навигационного КА-ФД с характеристиками, представленными в табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики КА-ФД
Параметр |
Значение |
Назначение |
|
Срок активного существования |
Более 10 лет |
Орбита функционирования |
Круговая, наклонная, высотой 35 786 км, суточный период обращения |
Масса КА-ФД |
950 кг |
Энергопотребление КА-ФД |
1 434 Вт |
Средства выведения |
РН «Союз-2» с РБ «Фрегат» |
Длительность приведения КА-ФД в рабочую точку |
11 суток |
Разработка проекта навигационного космического аппарата на геостационарной орбите
Заключая статью, можно сделать следу- 2. ющие выводы.
-
1. Разработанный КА-ФД может без каких-либо ограничений функционировать на круговых наклонных орбитах с суточным 3. периодом.
-
2. Примененные при разработке проекта КА-ФД решения могут быть использованы при 4. создании КА функционального дополнения для системы ГЛОНАСС.
-
3. При проведении исследований:
-
- использован метод подобия при расчете характеристик КА-ФД на базе КА 5. «Глонасс-К»;
-
- сохранены интерфейсы КА-ФД с НКУ системы ГЛОНАСС и средствами выведения РН «Союз-2» с РБ «Фрегат»;
-
- минимизирован объем доработок состав- 6. ных частей базового КА и его конструктивно-компоновочной схемы.
Список литературы Разработка проекта навигационного космического аппарата на геостационарной орбите
- Федеральная целевая программа «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы» / Федеральное космическое агентство, 2012. 255 с.
- Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения: учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с., [24] с.
- ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
- Исследование и подготовка предложений по созданию региональной навигационной спутниковой системы: отчет о НИР «Развитие ИСС-Э2» / В. Д. Звонарь, Р. Ф. Фаткулин, В. Е. Чеботарев [и др.]. Железногорск: ОАО ИСС, 2013. 85 с.
- Звонарь В. Д., Фаткулин Р. Ф., Ильин М. А., Тимофеев С. В. Навигационный космический аппарат на гео- стационарной орбите // Интеллект и наука: труды XIII Междунар. молодежной науч. конф. «Интеллект и наука». Железногорск, 2013. С. 19-20.
- Тимофеев С. В., Ильин М. А., Чеботарев В. Е., Звонарь В. Д., Фаткулин Р. Ф. Выбор характеристик электрообогревателей космического аппарата при наличии ограничений // Исследования наукограда. 2012. № 2 (2). С. 20-22.