11.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТОВ В ПРОСТРАНСТВЕ

Некоторые потребители наряду со знанием координат и составляющих вектора скорости нуждаются в знании ориентации собственных осей в пространстве. Определение ориентации продольной оси движущегося объекта относительно направления на истинный север сводится к измерению истинного курса, продольной оси относительно горизонта — к измерению дифферента или тангажа, поперечной оси относительно горизонта — к измерению крена. Все эти величины необходимы для морского и воздушного судовождения, некоторые — для топогеодезических работ.

При наличии на объекте гироскопической или магнитной системы приборного курсоуказания измерение истинной ориентации продольной оси по данным ССРНС и сравнение этих результатов с данными гирокомпаса или магнитного компаса позволит выявить ошибку системы курсоуказания. Сравнение измеренных с помощью ССРНС курса и вектора скорости позволит вычислить угол сноса объекта в реальных условиях, более точно проложить маршрут движения и проконтролировать его. Трехмерная ориентация в пространстве нужна также КА, ракетным системам, стартовым устройствам ракетных систем.

Для ориентации объекта в пространстве с использованием ССРНС измеряемыми навигационными параметрами являются углы между осями объекта и прямой, соединяющей определенную точку объекта и НИСЗ (рис. 12.1). Координаты спутника и объекта А известны, следовательно, можно определить ориентацию прямой в геоцентрической системе координат, а измеренные углы между осями объекта и направлением позволят найти положение этих осей в системе координат При необходимости можно перейти в иную систему координат.

Известны два радиотехнических метода измерения направлений: радио-пеленгационный и интерферометрический. Радиопеленгация предполагает использование антенной системы с очень узкой, в общем случае веретенообразной, диаграммой направленности, установление слежения по направлению за источником радиосигнала, размещенным на НИСЗ, и измерение углов

Рис. 12.1. (см. скан) Ориентация объекта в пространстве

между осью антенны и осями объекта. Антенна должна представлять собой параболоид или антенную решетку, обеспечивающие диаграмму направленности шириной в единицы градусов, чтобы измерять углы с погрешностями порядка единиц минут.

Антенны с приемлемыми геометрическими размерами (диаметр раскрыва от метра до нескольких десятков сантиметров) могут работать в диапазоне Направленная антенна представляет собой сложную и громоздкую систему, и на многих объектах, особенно КА и такие устройства разместить невозможно. Однако имеется опыт создания и эксплуатации подобных систем (радиосекстанов, работающих по радиоизлучению Солнца) для морских объектов.

Интерферометрический метод определения направления состоит в том, что разнесенные на некоторое расстояние (базу) две ненаправленные или слабо направленные антенны принимают сигнал от одного источника. Измерительное устройство оценивает разность хода сигнала до антенн.

Падающая на антенны волна считается плоской в силу удаленности источника сигнала от антенны, как показано на рис. 12.2, где база, угол прихода волны.

Разность хода

Если .

При длине волны радиосигнала разность фаз, соответствующая разности хода составит

Таким образом, для оценки ориентации базы с погрешностью около необходимо обеспечить погрешность измерения разности фаз около 1°. Все величины находятся в пределах, освоенных современной техникой.

Рис. 12.2. Диаграмма, иллюстрирующая интерферометрический метод определения ориентации базы по сигналам НИСЗ

Рис. 12.3. Диаграмма, иллюстрирующая определение ориентации базы в двумерном пространстве

Разность хода определяет положение базовой линии относительно оси НИСЗ - центр базовой линии, но не в пространстве. Для оценки ориентации базовой линии в двумерном пространстве необходимо измерить разность хода относительно второго На рис. 12.3 показаны величины, определяющие ориентацию базы в двумерном пространстве; соответственно базовая линия с центром если она лежит в плоскости или проекция базовой линии на эту плоскость.

Рассмотрим случай, когда и лежит в плоскости а эта плоскость, в свою очередь, совпадает с плоскостью Обозначения остальных величин ясны из рисунка. Расстояние от С до антенн

Полагая получаем

Разлагая в ряд и оставляя члены ряда не выше второго, имеем

Аналогично Найдем разность

но подставив эти соотношения в (12.1), имеем

где

Углы находятся по известным координатам НИСЗ и центра базы Длина базы считается известной. Разности измеряются:

Здесь число целых длин волн, укладывающихся на трассе НИСЗ - точка фаза колебания, принятого соответствующей антенной от соответствующего НИСЗ. Решая уравнение (12.2), находим значение

Угол характеризует положение базы в двухмерном пространстве. Для определения положения базы в трехмерном пространстве необходимо использовать измерения относительно трех НИСЗ.

Для определения положения трех осей объекта в пространстве достаточно двух неколлинеарных баз и трех НИСЗ. Две неколлинеарные базы могут иметь одну общую антенну, и тогда вместо четырех антенн понадобится три.

При создании интерферометрического устройства важно устранить неоднозначность измерений разности фаз. Для этого можно использовать измерения задержки кодов С/А и измерения разности фаз на двух несущих частотах Может также оказать помощь излучение и измерение разности фаз на дополнительной частоте несущей

Другим направлением разрешения многозначности является применение в пределах основной базы дополнительных промежуточных антенн, образующих укороченные базы, что позволяет в процессе измерений, изменяя размеры баз, учитывать приращение целого числа циклов неоднозначности. Такие антенны можно реализовать на основе антенных решеток, повышающих помехоустойчивость работы в режиме измерения задержки и доплеровского смещения частоты.

Погрешности оценки угловой ориентации объекта обусловливаются неточностью определения направления линии визирования вследствие ошибочного знания места НИСЗ и центров баз, нестабильности фазовых характеристик приемника, изменением положений фазовых центров антенн, влиянием ионосферы, тропосферы и многолучевого распространения.

Каналы измерительной аппаратуры, обеспечивающей работу интерферометров, должны быть идентичными, поэтому наиболее целесообразны мультиплексные каналы измерения. Они должны работать с двумя тремя видимыми спутниками на двух рабочих частотах.

Предполагается, что можно построить аппаратуру измерения углового положения подвижных объектов с погрешностями порядка 1 мрад [192].