DORIS (навигационная система)

Антенна DORIS и приемник, установленные на борту космического аппарата OSTM/Jason-2

DORIS (фр. Détermination d'Orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite, сокр. DORIS) — французская гражданская система точного (сантиметрового) определения орбиты и позиционирования. Функционирование основано на принципе эффекта Доплера. Включает систему стационарных наземных передатчиков — радиомаяков, приёмники расположены на спутниках. После определения точного положения спутника система может установить точные координаты и высоту радиомаяка на поверхности Земли. Первоначально предназначалась для решения задач геодезии и геофизики.

Общие сведения

Передающая антенна наземной станции DORIS, расположенной в Дионисе (Греция)

Система DORIS была разработана и оптимизирована CNES, IGN (Institut Géographique National) и GRGS (Groupe de Recherches en Géodésie Spatiale) для высокоточного определения орбиты и определения местоположения маяков. DORIS был первоначально разработан в рамках миссии океанографической альтиметрии TOPEX / POSEIDON. DORIS эксплуатируется с 1990 года, когда на борту космического аппарата SPOT-2 была запущена первая технологическая демонстрационная система (прототип полезной нагрузки). DORIS представляет собой систему микроволнового слежения, радиосистему восходящей линии связи, основанную на принципе Доплера, для которой требуется спутник — хост (для пакета космического сегмента) и глобальная сеть наземных станций слежения. Основная цель — предоставить точные измерения для услуг POD (Precise Orbit Determination — точное определение орбит) и приложений геодезии. Концепция системы основана на точных измерениях доплеровских сдвигов на радиочастотном сигнале, передаваемом наземными станциями и получаемых на борту орбитальных спутников, несущих приемники DORIS, когда они находятся в видимости станции. Количество спутников — носителей DORIS не ограничено. Результаты измерений, предоставляемые приемниками DORIS, могут использоваться в следующих приложениях:

• поддержка POD для альтиметрии и других миссий;
• контроль орбиты (на борту или на Земле);
• позиционирование наземного маяка;
• геофизическое моделирование (земное гравитационное поле, атмосфера, ионосфера, мониторинг движения полюсов Земли и т. д.);
• контроль целостности системы DORIS.

В основе системы DORIS заложено точное измерение доплеровского сдвига радиочастоты сигналов, передаваемых наземными маяками и принимаемых на борту космического аппарата. Измерения производятся на двух частотах: 2,03625 ГГц — для измерения доплеровского сдвига и 401,25 МГц — для коррекции задержки распространения сигнала в ионосфере. Частота 401,25 МГц также используется для отметок времени измерений и передачи вспомогательных данных. Выбор системы передачи только на спутник позволяет полностью автоматизировать операции маяков и линии связи по централизованной доставке данных в центр обработки.

Доплеровский сдвиг частоты измеряется на борту спутника каждые 10 секунд. Полученная радиальная скорость (ее точность примерно равна 0,4 мм/с) используется на Земле в комбинации с динамической моделью траектории спутника для точного определения орбиты с ошибкой по высоте не более 5 см. Эти данные становятся доступными через 1,5 месяца из-за запаздывания внешних данных, например, таких, как солнечное излучение.

Обзор спутниковых миссий с пакетом DORIS

Миссия	Дата запуска	Представленные услуги
SPOT-2 (CNES)	22 января 1990 г.	Введение приемника 1-го поколения (18 кг), двухчастотная система в 1 канале
TOPEX / Poseidon	10 августа 1992 г.
SPOT-3 (CNES)	26 сентября 1993 г.
SPOT-4 (CNES)	24 марта 1998 г.	Внедрение экспериментального пакета программного обеспечения DIODE, обеспечивающего возможности обработки в режиме реального времени для навигации по S/C
Envisat (CNES)	1 марта 2002 г.	— запуск приемника второго поколения (11 кг), двухчастотная система в 2-х каналах; — улучшена версия DIODE с гравитационной моделью Земли и притяжения солнца/луны.
Jason-1 (NASA/CNES)	07 декабря 2001 г.	Введение миниатюрного приемника 2-го поколения (5,6 кг), двухчастотной системы в 2-х каналах
SPOT-5 (CNES)	04 мая 2002 г.	Миниатюрный приемник второго поколения
CryoSat (ESA)	08 октября 2005 г. Ошибка запуска S/C	— DIODE добавил еще одну особенность: инерционные J2000 бортовые данные о местоположении и скорости, которые будут использоваться AOCS; — введение нового процессора: Sparc ERS 32
Jason-2 (NASA/CNES, NOAA, EUMETSAT)	20 июня 2008 г.	— ресиверы DGxx: 8 каналов на основе директив DIODE для получения сигналов маяков; — DIODE добавила функцию: «Геодезические бюллетени», дающие высоту над опорным геоидом Jason-2, AltiKa и т. д.
CryoSat-2 (ESA)	8 апреля 2010 г.	— определение орбиты в реальном времени для определения космического аппарата и управления орбитой (бортовой); — предоставление точного временного задания на основе TAI (Международное атомное время); Кроме того, используется точный опорный сигнал 10 МГц (бортовой); — предоставление наземного POD (определение точной орбиты) и ионосферного моделирования
HY-2 (Haiyang-2), (CNSA)	15 августа 2011 г.
Pléiades (CNES) два космических аппарата	17 декабря 2011 г. 2013 г.	— HR1: Определение орбиты выполняется приемником DORIS; — HR2: определение орбиты выполняется приемником DORIS
SARAL (ISRO / CNES) с AltiKa	25 февраля 2013 г.
Sentinel-3A (GMES), ESA	2 февраля 2016 г.
Jason-3 (Eumetsat, NOAA, CNES)	17 января 2016 г.

Обзор характеристик определения орбиты системы DORIS

Параметр	1-е поколение	2-е поколение	2-е поколение (малогабаритных аппаратов)
Миссии	SPOT-2, −3, TOPEX/Poseidon, SPOT-4	Envisat	Jason-1, Spot-5
Точность орбиты	≤3 см по радиусу	см по радиусу	≤3 см по радиусу
Определение орбиты в реальном времени	Ось на 5 м / 3 оси (SPOT 4)	Ось на 1 м / 3 оси	30 см по радиусу, другие на 1 м
Точность времени	3 мкс	3 мкс	3 мкс

Инструментарий DORIS

Бортовой инструмент DORIS состоит из

• дополнительного приемника с двумя приемными цепями;
• сверхстабильного кварцевого генератора (Ultra Stable Oscillator — USO) с изменением частоты не более чем $10^{-13}$, идентичного генераторам, используемым в наземном сегменте DORIS;
• всенаправленной двухчастотной антенны;
• прибора блока контроля (совмещенного с MWR).

Наземный сегмент состоит из

• центра SSALTO multimission control centre, управляемого CLS по поручению CNES;
• установок маяков и центра управления от IGN, координирующего глобальную сеть маяков для определения орбит (ODB). Сеть состоит из 60 станций слежения, размещенных по всему земному шару в 30 странах (в России: Красноярск, урочище Бадары (Тункинского района, республики Бурятия), Южно-Сахалинск, Парамушир);
• точных определений орбит, выполняемых в CNES, и вычислений гравитационного поля Земли по данным DORIS с GRGS; масштаб времени и опорной частоты для всей системы обеспечивается главным маяком, связанным с главными часами; контрольный центр системы DORIS выполняет контроль инструментов по данным телеметрии и оперативному определению орбит.

Характеристики прибора DORIS DGxx

1	2
Высокоточные доплеровские измерения и бортовая навигация	— обеспечивает элементарные измерения скорости с точностью не хуже 0,3 мм/с; — обеспечивает информацию PVT в реальном времени в системах отсчета ITRF и J2000 с сантиметровой точностью в зависимости от характеристик орбиты и космического аппарата; — способность предоставлять геодезические данные для отслеживания альтиметра
Возможность отслеживания маяков	До 7 маяков одновременно (7 двухчастотных каналов)
Автономность работы	— режим рутинной высокоточной навигации; — предсказание маневра
Источник питания	22-37 В постоянного тока, 23 Вт; 30 Вт при прогреве, менее 2 часов
Интерфейс телеметрии / телеуправления	— MIL-STD-1553 / пакетный протокол терминала CCSDS; — максимальная скорость $<4$ кбит/с; — два двухуровневых состояния на цепочку (питание и состояние программного обеспечения)
CPU/программное обеспечение	— радиационно-стойкая конструкция с возможностью обнаружения отказов процессора и отказов памяти SPARC ERC32 с восстановлением; — двукратное «горячее» резервирование всего программного обеспечения в двух избыточных банках EEPROM; могут быть полностью загружены без прерывания функционирования;
Масса, мощность, размер	16 кг, 24 Вт, 390 мм х 370 мм х 165 мм. Для резервированной конфигурации DGxx (нового поколения), включая два USO, которые теперь помещены внутри приемника

Эффективность позиционирования луча DORIS

Продолжительность сбора данных	Точность (1 спутник)	Точность (2 спутника)
1 час	1 м	50 см
1 день	20 см	15 см
5 дней	10 см	7 см
26 дней	3 см	1-2 см

Литература

• P.FERRAGE, A.AURIOL, C. TOURAIN, C. JAYLES, F. BOLDO. Doris system developments and future missions Слайды: Развитие системы DORIS и будущие миссии (англ.)
• Лебедев С. А. Спутниковая альтиметрия в науках о Земле / Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 3. С. 33-49.
• Деев М. Г. Уровень как индикатор изменений состояния Мирового океана / География. № 6. 2010 г.
• Лебедев С. А. Интегрированная база данных спутниковой альтиметрии (Слайды)

Ссылки

• International DORIS Service Официальный сайт (англ.)
• AVISO: Satellite altimetry data Справочный портал по спутниковой альтиметрии (англ.)
• Официальный сайт национального центра космических исследований Франции (CNES) (англ.)
•  Satellite with ARgos and ALtika (SARAL) — Indo-French Scientific Ventureсек.