Поэтапное развёртывание навигационной группировки на низкой околоземной орбите в случае отказа навигационного спутника на средней околоземной орбите

Спутники на низкой околоземной орбите (LEO) обладают уникальными преимуществами в навигации в силу высокой интенсивности сигнала и быстрых геометрических изменений. Китайские учёные из Университета космической инженерии (Факультет аэрокосмических наук и технологий, г. Пекин) поставили перед собой задачу решить проблему ухудшения производительности созвездия после потенциального отказа одного или нескольких навигационных спутников на средней околоземной орбите (MEO).

Проектируется развёртывание навигационного созвездия LEO и рассматриваются требования к задачам различных этапов его развёртывания.

Во-первых, навигационное созвездие LEO проектируется с помощью недоминируемого генетического алгоритма сортировки II (NSGA-II). Среднее снижение точности определения местоположения (PDOP) составляет 1,676, что является улучшением по сравнению со средним PDOP, предлагаемым четырьмя традиционными ГНСС (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou и Galileo).

Во-вторых, поэтапное развёртывание созвездия учитывает ухудшение производительности созвездия, вызванное отказом навигационных спутников MEO, а метод «Монте-Карло» используется для анализа случая одновременных отказов трёх спутников.

Результаты показывают, что отказ одного спутника в каждой орбитальной плоскости и соседних спутников с близким фазовым разделением оказывает большое влияние на производительность навигационного созвездия MEO. На этой основе была принята стратегия поэтапного развёртывания для балансировки затрат, риска и производительности. Три фазы развёртывают 66, 156 и 288 спутников соответственно; в качестве резервного созвездия в непредвиденных обстоятельствах, созвездия улучшения навигации и независимого навигационного созвездия развёртывание поэтапных подсозвездий соответствует требованиям миссии.

Навигационная группировка LEO использует метод сегментированной оптимизации. Наклонная группировка и полярная группировка спроектированы для удовлетворения требований к производительности навигации для средних широт и полярных регионов соответственно. Принимая во внимание высоту спутниковой группировки, наклон, навигационную производительность, стоимость и масштабируемость, оптимальная схема построения наклонной группировки — Walker 216/18/1:150/50. Аналогично, оптимальная схема построения полярной группировки — Walker 72/8/1:1176/85. Средний PDOP для наклонной и полярной группировки составляет 2,0 и 1,96 соответственно, что удовлетворяет ограничениям по широте. Средний PDOP спроектированной гибридной навигационной группировки LEO составляет 1,676, что превосходит традиционные навигационные группировки. Производительность и конфигурация гибридной навигационной группировки LEO эффективно соответствуют требованиям к проектированию.

Кроме того, учитывая различные режимы отказа трёх спутников в навигационной группировке MEO и обширную рабочую нагрузку ручного скрининга, для анализа отказов спутников использовался метод «Монте-Карло». Результаты показывают, что в режиме отказа трёх спутников отказ одного спутника в каждой орбитальной плоскости и фаза соседних спутников относительно близки, что существенно влияет на общую производительность группировки. Чтобы определить наиболее влиятельный режим отказа спутника на производительность навигационной группировки MEO, имитация модели отказа одного спутника в каждой орбитальной плоскости может сократить вычислительные затраты и предложить идеи для резервного копирования группировки. Этот подход адаптируется к различным конфигурациям группировки и четырём или более режимам отказа спутников.

Поэтапная стратегия развёртывания учитывает потенциальное ухудшение производительности обслуживания созвездия в результате отказа навигационных спутников MEO. Гибридное навигационное созвездие LEO развёртывается в три этапа, каждый из которых адаптирован к различным требованиям миссии и направлен на постоянное улучшение общей производительности созвездия. На начальном этапе развёртывается 66 спутников для компенсации потери навигационной производительности после отказа спутников MEO. Затем, на втором этапе, развёртывание включает 156 спутников с целевым PDOP 1,456 для улучшения навигационных возможностей в ответ на более высокие потребности. Наконец, на третьем этапе развёртывается в общей сложности 288 спутников. При среднем PDOP 1,676, достигнутом на этом этапе, создаётся независимая система, способная работать автономно, для предоставления комплексных услуг PNT в качестве резервной навигационной системы.

Гибридная навигационная группировка LEO, предложенная в этом исследовании, и стратегия её развёртывания демонстрируют многообещающий потенциал с точки зрения производительности навигации созвездия, экономической эффективности и масштабируемости. Будущие исследования должны изучить дополнительные типы созвездий, с ожиданием, что это исследование предложит ценные идеи и практические приложения для технологии созвездия LEO. В практической инженерии, поскольку качество позиционирования также связано с качеством измерения дальности, оно также требует высококачественной полезной нагрузки измерения дальности на LEO. Спутники LEO развиваются в направлении низкой стоимости и высокой интеграции.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал

По материалам открытых источников