Результаты наблюдений космических аппаратов ГНСС ГЛОНАСС с асимметрией амплитудной диаграммы направленности антенно-фидерного устройства

А. С. Завгородний

ФГУП «ВНИИФТРИ», пос. Менделеево, Моск. обл., Россия

Одним из направлений мониторинга радионавигационных сигналов ГНСС является регулярная оперативная оценка энергетических характеристик сигналов в приземном слое, прежде всего — мощности излучаемых навигационными космическими аппаратами (НКА) сигналов. Согласно интерфейсным контрольным документам [1, 2] мощность радионавигационного сигнала при его приеме на линейно-поляризованную антенну с коэффициентом усиления 3 дБ должна находиться в пределах от –161 до –155 дБ исх. 1 Вт для сигналов с частотным разделением, и от –158.5 до –155 дБ исх. 1 Вт — для сигналов с кодовым. Это сравнительно небольшие уровни мощности, которые не доступны для регистрации, и тем более для измерения при помощи применяемых в радионавигационном диапазоне приборов: ваттметров и анализаторов сигналов.

Для мониторинга радионавигационных сигналов в ФГУП «ВНИИФТРИ» создан специализированный измерительный комплекс [3], основой которого являются крупноапертурные зеркальные антенные системы (диаметр основного рефлектора составляет 12 м). Применение таких антенн позволяет решить несколько задач: во-первых, большой коэффициент усиления антенной системы (не менее 80 дБ в диапазоне частот L, из которых около 40 дБ приходится на коэффициент усиления антенной системы) позволяет усилить принимаемый сигнал до уровней, существенно превышающих чувствительность метрологически обеспеченной радиоизмерительной аппаратуры, во-вторых, узкая диаграмма направленности антенны (ширина основного лепестка приблизительно 1°) позволяет выделить из эфира сигналы только одного НКА, и наконец, пространственная селекция сигналов одного КА означает уменьшение уровней сигналов с других направлений, в т. ч. помех приземных источников. В 2020 г. комплекс был дооснащён радиометрами водяного пара, что позволило сократить погрешность измерений мощности за счет оценки переменчивого ослабления сигналов в нижних слоях атмосферы. В результате эксплуатации комплекса в ФГУП «ВНИИФТРИ» с 2016 г. была собрана база данных с результатами измерений мощности сигналов НКА в приземном слое.

Метод наблюдения НКА подразумевает слежение за аппаратом с момента его попадания в зону видимости антенной системы до выхода из неё (т. е. «от горизонта — до горизонта»). Такой способ мониторинга позволяет собрать наибольшее количество информации о состоянии антенно-фидерного устройства КА. В большинстве случаев зависимости мощностей сигналов от угла места выглядят как симметричные кривые относительно точки наибольшего возвышения. Если точка наибольшего возвышения трассы не превосходит 20–25°, то зависимости напоминают собой параболы с ветвями вниз, если точка максимального возвышения трассы близка к зениту, то у зависимости появляется характерный локальный минимум в области больших углов возвышения. Однако на общем фоне выделялись случаи, когда зависимости мощностей радионавигационных сигналов от угла места не являлись симметричными фигурами. Этот эффект также был обнаружен при наблюдении НКА на так называемых особых участках орбиты [4], т. е. когда аппарат совершает поворот вокруг оси «центр масс НКА — центр масс Земли». При этом потребитель принимает сигнал, уровень мощности которого модулирован амплитудной диаграммой направленности (ДН) антенно-фидерного устройства (АФУ) НКА. Если амплитудной ДН представляет собой осесимметричную фигуру, поворот аппарата не скажется на уровне мощности, в противном случае неравномерность зависимости принимаемой мощности от времени будет соответствовать перепадам в уровне ДН по направлению к потребителю. Более того, при искажении формы амплитудной ДН один и тот же НКА может соответствовать требованиям ИКД с точки зрения одного потребителя (к которому обращен локальный максимум ДН) и не соответствовать им с точки зрения другого (на которого направлен локальный минимум). Разрешить это противоречие можно путём восстановления формы амплитудной ДН АФУ КА.

В ФГУП «ВНИИФТРИ» был разработан способ оценки параметров амплитудных ДН АФУ НКА [5]. По результатам наземных наблюдений были оценены форма и основные параметры ДН аппаратов в диапазонах частот L1, L2, L3. На этапах разработки метода НКА выбирались так, чтобы ДН их АФУ была заведомо симметричной в диапазоне частот L3, что упрощало расчет и позволяло устранить неточности в решении задачи двухмерной аппроксимации. В 2023 г. был проведен эксперимент по оценке параметров формы амплитудной ДН АФУ НКА из состава орбитальной группировки ГНСС ГЛОНАСС, угломерные зависимости мощности которого не являлись симметричными. В результате измеренная величина неравномерности по ДН составила около 2 дБ в диапазоне частот L1.

Доклад призван заострить внимание на проблеме асимметрии амплитудных ДН АФУ КА. Одни и те же навигационные аппараты в зависимости от ракурса относительно потребителя могут излучать сигналы существенно разного уровня мощности. По этим причинам при выборе группировки НКА для решения навигационной задачи следует оценивать не только углы возвышения аппаратов над горизонтом и их взаимное расположение, но и состояние их АФУ.

Литература

1) Интерфейсный контрольный документ. Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 (редакция 5.1). URL: https://russianspacesystems.ru/wp-content/uploads/2016/08/ICD_GLONASS_rus_v5.1.pdf (дата обращения 06.08.2023).

2) Интерфейсный контрольный документ. Общее описание системы с кодовым разделением сигналов (редакция 1.0). URL: https://russianspacesystems.ru/wp-content/uploads/2016/08/IKD.-Obshh.-opis.-Red.-1.0-2016.pdf (дата обращения 06.08.2023).

3) Завгородний А. С., Рябов И. В., Воронов В. Л. Метрологический комплекс оценки энергетических характеристик сигналов навигационных космических аппаратов ГНСС «ГЛОНАСС» //Альманах современной метрологии. 2016. № 7. С. 124–138.

4) Денисенко О. В., Федотов В. Н, Воронов В. Л. и др. Результаты наблюдений навигационных космических аппаратов ГНС ГЛОНАСС на особых участках орбиты // Вестник метролога. 2017. № 4 С. 15–18.

5) Завгородний А. С., Воронов В. Л., Рябов И. В., Цигенгагель Н. Р. Измерение параметров амплитудной диаграммы направленности антенной системы навигационного космического аппарата с помощью наземного измерительного комплекса // Измерительная техника. 2018. № 11. С. 22–26.