Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · RADIO ENGINEERING

Multichannel range measurement of a communications spacecrafts

S.P. Panko1, V.V. Sukhotin1, O.I. Sizykh1, I.Y. Tikhonenko1, A.V. Khnykin1

1 Siberian Federal University, Krasnoiarsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.30 UDC 621.396.969.11 EDN BGLLAJ

Abstract

One of the most important navigation parameters determining the location of a spacecraft in orbit is the range of the spacecraft. Researchers from different countries are engaged in the task of range high-precision measurement of a spacecraft but have not received a detailed consideration of the processes occurring during digital unsynchronized multiple measurement of the duration of time intervals of the same source, and to date, the participation of group sources in assessing the range of a spacecraft has not received due attention from researchers. The article discusses a method for multichannel range measurement of a spacecraft, which allows increasing accuracy by eliminating influencing factors when averaging an ensemble of measurements. The increase is possible if the Earth's ellipticity is taken into account when averaging the ensemble of ranges, since the position of each Earth station is known before the satellite telecommunications system is put into operation, then during the pre-launch preparation of the spacecraft this allows accumulating the calculated correction values in the memory of the ground control complex and averaging the corrected values and periodic drift of the spacecraft. Calculations show, using the phase method of range measurement, that in any positions of the spacecraft, regardless of the instantaneous value of its speed in two adjacent measurement intervals, the variable component of the phase incursion is an approximately linear value. The considered method of averaging the results of group measurements of the range of the spacecraft as part of the satellite telecommunications system, taking into account the necessary correction of individual results, demonstrably ensures an increase in the accuracy of range measurement of the spacecraft proportional to the number of Earth stations in the system.

  • range measurement
  • satellite telecommunication system
  • Spacecraft orbit
  • Earth ellipticity
  • measurement error
Аннотация (на русском)

Многоканальное измерение дальности коммуникационного космического аппарата

Одним из важнейших навигационных параметров, определяющих местоположение космического аппарата (КА) на орбите, является его дальность, что актуально, в первую очередь, для наведения антенных систем Земных станций (ЗС) на КА. Исследователи разных стран занимаются задачей высокоточного измерения дальности КА, однако не получили подробного рассмотрения процессы, происходящие при цифровом несинхронизированном многократном измерении длительности интервалов времени одного и того же источника, а также к настоящему времени должного внимания исследователей не получило участие групповых источников в оценке дальности КА. В статье рассмотрен метод многоканального измерения дальности КА, позволяющий повысить точность за счет исключения влияющих факторов при усреднении ансамбля измерений. Повышение возможно, если при усреднении ансамбля дальностей учитывается эллиптичность Земли, поскольку до ввода в рабочее состояние системы спутниковой телекоммуникации позиция каждой ЗС известна и в процессе предстартовой подготовки КА это позволяет накопить в памяти наземного комплекса управления (НКУ) расчетные значения поправок и подвергнуть усреднению скорректированные значения и периодического дрейфа КА. Используя фазовый метод измерения дальности показано, что в любых позициях спутника независимо от мгновенного значения скорости его движения в двух смежных измерительных интервалах переменная составляющая набега фазы - приблизительно линейная величина. Это обстоятельство позволяет исключить переменную составляющую. Кроме того, важна внутрисистемная синхронизация, которая обеспечивается специальным уникальным дальномерным сигналом, который излучается с определенным тактом с НКУ в сторону КА. Показан учет влияния ослабления сигнала на точность измерения. Приведены структурные схемы и дано описание реализации многоканального метода измерения дальности коммуникационного космического аппарата. Рассмотренный метод усреднения результатов групповых измерений дальности КА в составе системы спутниковой телекоммуникации с учетом необходимой коррекции индивидуальных результатов обеспечивает повышение точности измерения дальности КА пропорционально количеству ЗС в составе системы.

For citation

Panko S.P., Sukhotin V.V., Sizykh O.I., Tikhonenko I.Y., Khnykin A.V. Multichannel range measurement of a communications spacecrafts // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.30

References

  1. Бетанов В.В., Махненко Ю.Ю. Совершенствование однопунктового способа навигации геостационарного спутника // Вестник Московского государственного технического университета им.Н. Э. Баумана. Серия "Машиностроение". - 2009. - № 3. - С. 83-95.
  2. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. Аудио и связь, 1993.
  3. Chang Donald C.D., Yung Kar W., Nunan William J., Cheng David C., Shuman Bruce E. Method and system for determining a position of a communication satellite utilizing two-way ranging. US Patent US6229477B1, 2001.
  4. Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. - Вильямс, 2017.
  5. Doody D. Basics of Space Flight. Bluroof Press, 2011. 312 p.
  6. Panko S.P. et al. Digital range measurement of telecommunication spacecraft // 2020 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). - IEEE, 2020. - С. 1-4.
  7. Панько С.П., Сухотин В.В., Югай В.В., Чумиков В.Ф. Цифровой фазометр. Пат. № 2207579 Российская Федерация, 2003. Бюл. № 18.
  8. Панько С.П., Тихоненко И.Ю., Хныкин А.В. Измерение дальности космического аппарата в системе связи // Системы связи и радионавигации: материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. "Системы связи и радионавигации". Красноярск, 12-14 ноября 2024 г. - Красноярск: АО "НПП "Радиосвязь", 2024. 334 с.
  9. Кучкин И.А., Сухотин В.В., Панько С.П., Адмаев О.В., Ильинский И.В., Садомов Е.Н., Смольников Е.О. Исследование траектории движения искусственного спутника земли для исключения дополнительного набега фазы при определении координат // Фундаментальная информатика. информационные технологии и системы управления: реалии и перспективы. "FIITM-2014": материалы междунар. науч.-практ. конф. Красноярск, 25-27 ноября 2014 г. - Красноярск: СФУ, 2014. С. 216-223.
  10. Панько С.П. Измерение дальности космического аппарата // Космические аппараты и технологии. - 2015. - №. 4 (14). - С. 10-21.
  11. Луферчик А.В., Луферчик П.В., Галеев Р.Г., Богатырев Е.В. Анализ влияния атмосферных возмущений на энергетический потенциал спутникового радиоканала Ka-/Q-диапазонов // Ural Radio Engineering Journal. - 2023. - Т. 7, № 2. - С. 137-152. https://doi.org/10.15826/urej.2023.7.2.003