Навигация космических аппаратов по измерениям от глобальных спутниковых навигационных систем

 
 
 
 
 
  
Управление в технических системах 
 
 

 

 

 

 

 

 

Е.А. Микрин, М.В. Михайлов 

 
 

 

Навигация космических аппаратов  
по измерениям от глобальных спутниковых 
навигационных систем 

 
2-е издание 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УДК 629.7.05 
ББК 39.62 
 
М59 

 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой системного анализа  
и управления МАИ В.В. Малышев; 
академик РАН В.Г. Пешехонов 

Микрин, Е. А.  
М59   
Навигация космических аппаратов по измерениям от глобальных 
спутниковых навигационных систем : учебное пособие / Е. А. Микрин, 
М. В. Михайлов. — 2-е изд. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2018. — 345, [ ] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4896-8  
Рассмотрены вопросы проектирования и разработки сложных многофункциональных систем космической навигации на базе глобальных спутниковых 
навигационных систем для широкого класса низкоорбитальных, высокоорбитальных и высокоэллиптических космических аппаратов, а также круг вопросов, связанных с созданием бортовых средств навигации для автономного 
определения орбиты космического аппарата.  
Для студентов и аспирантов авиа- и ракетостроительных специальностей 
высших технических учебных заведений, научных работников и инженеров, 
занимающихся разработкой, проектированием и испытаниями навигационных 
систем космических аппаратов. 
 

 
 УДК 629.7.05 
 
 ББК 39.62 

 

 

 

 
© Микрин Е.А., Михайлов М.В., 2017 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4896-8 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

3

 

Предисловие 

Первая российская аппаратура спутниковой навигации, побывавшая в 
космосе, — это экспериментальная аппаратура космического назначения 
АСН-2401-2П разработки Российского института радионавигации и времени 
(Санкт-Петербург). Эксперимент был осуществлен в августе–декабре 1998 г. 
на космическом аппарате «Союз ТМ28», который состыковался с орбитальной станцией «Мир». Дальнейшие разработки аппаратуры спутниковой навигации проводились для Международной космической станции, где в отличие 
от большинства других космических аппаратов имелся доступ к аппаратуре, 
возможность замены или возврата на Землю отказавших блоков. На МКС был 
проведен ряд экспериментов с аппаратурой спутниковой навигации, в том 
числе и международных с участием специалистов NASA и ESA, по исследованию влияния различных космических факторов на работу аппаратуры 
спутниковой навигации. Благодаря этим экспериментам в РКК «Энергия» 
накоплен огромный опыт работы по созданию космических навигационных 
систем на базе аппаратуры спутниковой навигации, а также по формированию инфраструктуры для их наземной отработки и испытаний.  
В РКК «Энергия» была разработана и внедрена на космических кораблях 
«Союз МС» и «Прогресс МС», а также на МКС уникальная по своим характеристикам аппаратура АСН-К, обеспечивающая определение орбиты и ориентации космического аппарата, а также его навигацию при сближении с МКС.  
В такой большой корпорации, как РКК «Энергия» работает более 
1000 специалистов по навигации и управлению движением космического аппарата, но все они обучались классической системе навигации и управления 
движением. Специалистов по космической навигации на базе глобальной 
спутниковой навигационной системы всего несколько человек. Поэтому авторы сформулировали основную цель создания данного труда — подготовить 
курс лекций по космической навигации на базе глобальной спутниковой 
навигационной системы, построенный на опыте создания реальных систем 
аппаратуры навигации космического аппарата, позволяющий обеспечить 
подготовку специалистов данного направления для космической отрасли в 
ведущих вузах страны.  
Курс лекций включает в себя рассмотрение широкого круга вопросов, 
связанных с созданием бортовых средств навигации для автономного определения орбиты космического аппарата, и направлен на развитие у студентов 
знаний, умений и навыков, позволяющих самостоятельно решать вопросы 
проектирования и разработки сложных многофункциональных систем космической навигации на базе глобальной спутниковой навигационной системы 
для широкого класса низкоорбитальных, высокоорбитальных и высокоэллиптических космических аппаратов. 

Предисловие 

Издание состоит из 11 глав.  
В главе 1 рассмотрены основные задачи, а также понятия и определения 
космической навигации, различные шкалы и форматы времени, используемые в навигации космических аппаратов по измерениям аппаратуры спутниковой навигации, а также основные системы координат. Показано невозмущенное движение космического аппарата, кеплеровы элементы орбит и другие представления вектора состояния космического аппарата. 
В главе 2 рассмотрено возмущенное движение низкоорбитальных космических аппаратов (на примере МКС) и высокоорбитальных космических 
аппаратов (на примере спутников GPS). Исследованы модели всех составляющих возмущающих ускорений, заметно влияющих на движение космического аппарата, включая возмущения, обусловленные фундаментальными 
параметрами вращения Земли. Предложены упрощенные алгоритмы формирования возмущений для бортового моделирования, многократно повышающие быстродействие при практическом сохранении его точности. 
В главе 3 изложены методы интегрирования уравнений движения космического аппарата и их точность. Предложен метод представления вектора 
состояния космического аппарата в приращениях, для которого быстродействие решения задачи прогноза повышается по сравнению с быстродействием 
классического метода интегрирования Рунге — Кутты четвертого порядка в 
5 раз при той же точности. 
В главах 4–6 рассмотрена идеология построения систем GPS и 
ГЛОНАСС, рекомендуемые официальными документами алгоритмы обработки информации, поступающей от навигационных спутников в аппаратуру 
потребителя, оценена точность и быстродействие этих алгоритмов, предложены методы повышения точности. 
В главе 7 приведены методы динамической фильтрации одномоментных 
измерений координат и скорости аппаратуры спутниковой навигации, обеспечивающей повышение точности формируемой оценки космического аппарата по сравнению с точностью одномоментных навигационных решений. 
В главе 8 проанализирована точность оценки орбиты МКС, формируемой по реальным измерениям АСН-М с использованием рассмотренных алгоритмов динамической фильтрации. 
В главе 9 рассмотрены методы динамической фильтрации «сырых» измерений АСН, обладающие существенными преимуществами по сравнению с 
динамической фильтрацией измерений координат как по точности формируемой оценки орбиты космического аппарата, так и устойчивости относительно различных возмущающих факторов. 
Алгоритмы формирования оценки орбиты в приращениях по «сырым» 
измерениям АСН и измерениям бесплатформенной инерциальной навигационной системы, обладающие существенными преимуществами как по быстродействию, так и по точности формируемой оценки рассмотрены в главе 10. 
Глава 11 посвящена особенностям навигации высокоорбитальных космических аппаратов по измерениям аппаратуры спутниковой навигации. 

 
Предисловие 
7 

Предложены алгоритмы динамической фильтрации измерений, проведен 
анализ точности формируемой оценки орбиты, исследовано влияние на точность различных возмущающих факторов. 
По завершении каждой главы (темы) приведен список контрольных вопросов, результаты ответов на которые учитываются при подведении итогов 
обучения за семестр во время сдачи зачета и экзамена. 
Данный курс авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана, Московском физико-техническом институте (МФТИ) и в аспирантуре РКК «Энергия».  
В заключение следует сказать, что настоящий курс лекций создавался в 
процессе разработки реальных систем навигации МКС и ее модулей, кораблей «Союз» и «Прогресс», «Пилотируемой транспортной системы нового поколения», исследовательских спутников и других объектов, разработанных в 
РКК «Энергия». И самое непосредственное участие в этой работе принимали 
коллеги и ученики авторов: С.Н. Рожков, А.С. Семенов, И.А. Краснопольский, О.Ю. Слепушкин, И.И. Ларьков и другие. Хочется высказать им огромную благодарность за активное участие в подготовке настоящего издания. 
Особую признательность авторы выражают Ю.В. Булгаковой за ее труд по 
оформлению и редактированию издания. 

 

Список основных сокращений 

АМ 
— антенный модуль 
АП 
— аппаратура потребителя 
АСН 
— аппаратура спутниковой навигации 
БВС 
— бортовая вычислительная система 
БИНС 
— бесплатформенная инерциальная навигационная система 
БП 
— блок питания 
БЦВМ 
— бортовая центральная вычислительная машина 
ВЭО 
— высокоэллиптическая орбита 
ГГСК 
— Гринвичская географическая система координат 
ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система  
ГСК 
— гринвичская (прямоугольная) система координат 
ГСНС 
— Глобальная спутниковая навигационная система 
ГСО 
— геостационарная орбита 
ГЭВЧ 
— Государственный эталон времени и частоты 
ДЗЗ 
— дистанционное зондирование Земли 
ДПО 
— двигатели причаливания и ориентации 
ДС 
— делитель сигнала 
ДУС 
— датчик угловой скорости 
ЕКА 
— Европейское космическое агентство 
ИИО 
— инерциальные исполнительные органы 
ИКД 
— Интерфейсный контрольный документ 
ИП 
— интерфейсная плата 
ИСК 
— инерциальная система координат 
КА 
— космический аппарат 
КД 
— корректирующий двигатель 
КИК 
— командно-измерительный комплекс 
КСВ 
— координаты, скорость, время 
МБМВ 
— Международное бюро мер и весов 
МКС 
— Международная космическая станция 
МПВ 
— модуль приемовычислительный 
МСВЗ 
— Международная служба вращения Земли 
НВМ 
— навигационный вычислительный модуль 
НИП 
— наземный измерительный пункт 
НМ 
— навигационный модуль 
НО 
— низкая орбита  
НПМ 
— навигационный приемный модуль 
НС 
— навигационный спутник 
ОСК 
— орбитальная система координат 
ПВЗ 
— параметры вращения Земли 

 
Список основных сокращений 
9 

ПМ 
— процессорный модуль 
ПО 
— программное обеспечение 
ПП 
— процессорная плата 
ПСП 
— псевдослучайная последовательность 
СБ 
— солнечная батарея 
СВЧ 
— сверхвысокая частота 
СИ 
— система измерений 
СКД 
— сближающий корректирующий двигатель 
ССК 
— связанная (с КА) система координат 
УА 
— устройство антенное 
УСМ 
— усилитель секундной метки 
УУ 
— устройство усилительное 
ЦВМ 
— центральная вычислительная машина 
ЦУП 
— Центр управления полетами 
ШВ 
— шкала времени 
 
CP 
— careers phase (интегральная фаза) 
GDOP 
— Geometric Dilution of Precision (геометрический фактор) 
GPS 
— Global Positioning System 
PR 
— pseudoranges (псевдодальность) 
PVt 
— position, velocity, time 
UT 
— универсальное время 
UTC 
— универсальное международное время 

 

Основные термины и определения 

Акселерометр — устройство, формирующее выходные сигналы, пропорциональные проекциям линейных ускорений КА, обусловленных всеми 
негравитационными силами, на оси чувствительности акселерометра. Акселерометр может быть построен на разных физических принципах и отличаться диапазоном измеряемых линейных ускорений, точностью измерения этих 
ускорений. 
Альманах — набор параметров, по которым могут быть рассчитаны координаты и скорости навигационных спутников на требуемый момент времени с низкой точностью. По альманаху в АСН определяется список видимых 
навигационных спутников. 
Аппаратура потребителя — электронное устройство, принимающее и 
обрабатывающее сигналы от ГСНС, формирующее параметры движения потребителя. 
ВЭО — высокоэллиптическая орбита КА с периодом 12 или 24 ч, наклонением 63°, низким перигеем (1000…2000 км) и высоким апогеем. 
ГЛОНАСС — российская Глобальная навигационная спутниковая система. 
ГСНС — Глобальная спутниковая навигационная система, обеспечивающая возможность с помощью специальных электронных приемных 
устройств определять параметры движения потребителя. 
ГСО — геостационарная орбита КА, близкая к круговой, совпадает с 
плоскостью экватора и имеет период 24 ч. 
ИИО — инерциальные исполнительные органы, осуществляют управление ориентацией КА путем изменения собственного суммарного кинетического момента. ИИО подразделяют на маховики и силовые гироскопы. Маховики меняют собственный кинетический момент благодаря изменению скорости вращения тяжелого ротора без изменения направления осей вращения в 
ССК. Силовые гироскопы имеют постоянную высокую угловую скорость, а 
изменение кинетического момента осуществляется за счет поворота оси ротора. Маховики используются на КА с малыми моментами инерции, силовые 
гироскопы — на КА с большими моментами инерции, например, на орбитальной станции «Мир» и на МКС. 
КСВ — информационное сообщение от АСН, содержащее векторы координат и скорости потребителя с их привязкой к точному времени. 
«Курс» — радионавигационная система, обеспечивающая сближение 
кораблей «Союз» и «Прогресс» с орбитальными станциями (начиная с  
1980-х годов). Система имеет активную часть, которая устанавливается на 
корабль, и пассивную, устанавливаемую на станции. Система является многоантенной и определяет дальность и скорость изменения дальности между