Методы и средства междисциплинарного исследования региона Российской Арктики и Северного морского пути на основе перспективных радиолокационных и гравиметрических технологий с использованием ГЛОНАСС и группировок наноспутников

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-67-10007

НазваниеМетоды и средства междисциплинарного исследования региона Российской Арктики и Северного морского пути на основе перспективных радиолокационных и гравиметрических технологий с использованием ГЛОНАСС и группировок наноспутников

Руководитель Фатеев Вячеслав Филиппович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное унитарное предприятие « Всероссийский научно- исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» , Московская обл

Конкурс №82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-407 - Гравитационное поле Земли, вариации скорости вращения Земли, внутренние процессы

Ключевые слова наноспутник; мониторинг ледовой обстановки; высота геоида; скорость приповерхностного ветра; ускорение свободного падения; уклонение отвесной линии; гравитационный потенциал; вторые и третьи градиенты гравитационного потенциала, альтиметрия, ГЛОНАСС

Код ГРНТИ47.49.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Решаемая научная проблема: информационное обеспечение Арктического региона РФ. Актуальность решения этой проблемы вызвана необходимостью расширения объемов добычи нефти и газа, уточнения запасов полезных ископаемых на Арктическом шельфе, а также на расширении и обеспечении безопасности грузоперевозок по Северному морскому пути. Предлагаемое техническое решение основано на использовании на Земле и на борту многоспутниковой группировки нано-КА радионавигационных полей системы ГЛОНАСС и др. Эти системы обладают исключительно высокими метрологическими и системными характеристиками. К настоящему времени информационная система, обеспечивающая решение всех перечисленных выше практических задач, в РФ не создана. Междисциплинарность подхода при решении заявленной научной проблемы основана на разноплановом применении сигналов ГЛОНАСС и кластеров наноспутников в следующих направлениях: - науки о Земле (геофизика, в частности гравитационное поле Земли, а также океанология, в частности волновые процессы в океане и физика морских льдов); - физика и науки о космосе (радиофизика, статистическая радиофизика при приеме и обработке сигналов ГНСС в ионосфере, а также небесная механика, позволяющая учесть влияние ближайших небесных тел на погрешности измерения ускорения свободного падения (УСП) и уклонение отвесной линии (УОЛ); - инженерные науки в части разработки наноспутниковой платформы стандарта Кубсат, предназначенной для установки целевой аппаратуры, позволяющей решать задачи информационного обеспечения Арктического региона РФ (в части безопасности судовождения, прогнозирования ледовой обстановки, изменений климата и разведки полезных ископаемых) на основе использования перспективных низкоорбитальных группировок (кластеров) космических аппаратов нанокласса (наноспутников) и на их основе - радиолокационных и гравиметрических технологий; - математика, информатика и науки о системах (01-217) в части математического моделирования отражающей взволнованной поверхности и отражения радиоволн. Научная новизна результатов проекта состоит в следующем: 1. Впервые в РФ предложена идея наземно-космической гравиметрической колокации на основе группировки нано-КА, когда в одной точке околоземного пространства в один момент времени измеряется весь комплекс параметров ГПЗ: разность гравитационных потенциалов (геопотенциальное число), первый, второй и третий градиенты потенциала, высота геоида, а также уклонение отвесной линии; 2. Впервые предложен метод измерения составляющих первого, второго и третьего градиентов ГПЗ, а также уклонения отвесной линии на борту наноспутников по их относительному движению относительно КА ГЛОНАСС. До настоящего времени такие измерения не проводились; 3. Впервые предложены многотрековые измерения превышений геоида, УОЛ и горизонтальных гравитационных градиентов на поверхности океана с помощью бистатического радиолокатора на сигналах ГНСС по множеству видимых навигационных КА (до 20-30 одновременно); 4. Впервые разработаны методы формирования навигационно-гравиметрических карт УСП, УОЛ и горизонтальных гравитационных градиентов с целью испытания систем автономной навигации по ГПЗ. 5. Впервые предложена серия экспериментов: натурных (по реальному сигналу ГНСС), полунатурных (в безэховой камере) и на математических моделях (с помощью имитаторов сигналов ГНСС). Ни один из современных космических гравиметрических проектов (типа CHAMP, GOCE, GRACE и др.) не обладает возможностями измерений такого широкого комплекса параметров ГПЗ, как в предлагаемом проекте. Кроме того, перечисленные космические проекты, включая и отечественный проект ГЕОИК-2 и проектируемый ГЕОИК-3, обладают очень высокой стоимостью (сотни млн. долларов). В силу низкой стоимости создания наноспутников (на 1-2 порядка ниже стоимости современных спутников) предлагаемый проект имеет стоимость на 1-2 порядка ниже.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Наумов А.В., Смирнов Ф.Р., Фатеев В.Ф. Арктический квантовый нивелир на основе полярных низкоорбитальных наноспутников Альманах современной метрологии, 3 (35), с. 96-105 (год публикации - 2023)

2. Лопатин В.П., Мурзабеков М.М., Бобров Д.С. Метод определения высот геоида с помощью бортовой бистатической системы наноспутника на основе сигналов ГНСС Альманах современной метрологии, № 4 (36), c. 44-57 (год публикации - 2023)

3. Фатеев В.Ф., Донченко С.С., Давлатов Р.А. Determination of the Earth’s Gravitational Field Parameters Based on Inter-satellite Measurements between Cubesate-type Nanosatellites Cборник трудов конференции 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference "Actual Problems of Electronic Instrument Engineering" (APEIE) (год публикации - 2024)

4. Давлатов Р.А., Лопатин В.П., Фатеев В.Ф. Обзор методов и средств спутниковой гравиметрии и постановка задачи исследований возможностей многоспутниковой гравиметрической системы на основе наноспутников Альманах современной метрологии (год публикации - 2024)

5. Фатеев В.Ф., Донченко С.С., Давлатов Р.А. Межспутниковый лазерный гравитационный градиентометр на основе кластера малоразмерных космических аппаратов Известия высших учебных заведений "Геодезия и аэрофотосъемка", T. 67, №3, с. 6-15 (год публикации - 2023)
10.30533/GiA-2023-056

6. Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А. Баллистическая структура многоспутникового низкоорбитального кластера нано-КА для выполнения радиолокационных и гравиметрических измерений Альманах современной метрологии (год публикации - 2024)

7. Лопатин В.П., Мурзабеков М.М., Бобров Д.С. Результаты определения профиля высот геоида и уклонения отвесной линии по сигналам ГНСС, отраженным от водной поверхности Геодезия и картография (год публикации - 2024)

8. Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А. Теоретическое обоснование и исследование методов измерения первого, второго и третьего градиентов гравитационного потенциала в кластере наноспутников по прямым сигналам ГНСС Альманах современной метрологии (год публикации - 2024)

9. Мурзабеков М.М., Фатеев В.Ф., Плешаков Д.И. Результаты астрономического нивелирования на Московской аттракции с использованием астроизмерителя Геодезия и картография (год публикации - 2023)

10. Лопатин В.П., Мурзабеков М.М., Фатеев В.Ф. Методы гравиметрического мониторинга с использованием наноспутников и ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Beidou Материалы 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13–17 ноября 2023 г., с.96 (год публикации - 2023)
10.21046/21DZZconf-2023a

11. Елисов Н.А., Крамлих А.В., Ломака И.А. Синтез номинальных траекторий переориентаций малоразмерного космического аппарата при отказе одного канала управления Мехатроника, автоматизация, управление, T. 24, №11, с. 608-615 (год публикации - 2023)
10.17587/mau.24.608-615

12. Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А. ВЫБОР ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАНОСПУТНИКОВ ФОРМАТА CUBESAT 6U ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАССИВНОЙ ТРЁХОСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ Космическая техника и технологии (год публикации - 2024)

13. Денисенко О.В., Завгородний А.С., Лопатин В.П., Фатеев В.Ф. Орбитальный радиогравиметр на сигналах глобальных навигационных спутниковых систем Альманах современной метрологии, №3(35), с. 48-60 (год публикации - 2023)

14. Артющев Д.А., Лопатин В.П. Estimation of water objects boundaries using bistatic GNSS receiver 2024 IEEE 3st International Conference Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE) (год публикации - 2025)

15. Наумов А.В., Смирнов Ф.Р., Фатеев В.Ф. Эксперимент по измерению разности гравитационных потенциалов в двух наземных точках с помощью дуплексного спутникового метода Астрономический журнал (год публикации - 2025)

16. Пономарева М.А., Крамлих А.В. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПО ОДНОМОМЕНТНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ Известия высших учебных заведений. Приборостроение (год публикации - 2025)

17. Мурзабеков М.М., Лопатин В.П., Бобров Д.С. Программа создания гравиметрических карт по данным уклонения отвесной линии и ускорения свободного падения Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент), Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024683785 (год публикации - 2024)

18. Ксендзук А.В., Герасимов П.А., Фатеев В.Ф., Лопатин В.П. Экспериментальные исследования системы дистанционного зондирования Земли по сигналам ГНСС Сборник научных статей по материалам Международной межведомственной на-учно-технической конференции «Космические технологии», М.: МИРЭА, 2024, с. 23-29 (год публикации - 2024)

19. Фатеев В.Ф., Лопатин В.П., Давлатов Р.А., Мурзабеков М.М. Система геофизического мониторинга Арктики и Северного морского пути на основе наноспутников, оснащенных навигационной аппаратурой ГЛОНАСС/GPS/Galileo// РЕГИОНАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, №1, 2024, с. 88-90 (год публикации - 2024)

20. Мурзабеков М.М., Лопатин В.П., Бобров Д.С., Попадьев В.В. Метод создания навигационно-гравиметрических карт Геодезия и картография (год публикации - 2024)

21. В.Ф. Фатеев, С.С. Донченко, Р.А. Давлатов Experimental research of an on-board laser acceleration measurements for the gravitational field parameters estimation on cubesate nanosatelite 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), pp. 460-460 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624576

22. Давлатов Р.А. Метод редуцирования результатов измерения градиентов потенциала в кластере наноспутников на поверхность Земли Альманах современной метрологии (год публикации - 2025)

23. Смирнов Ф.Р., Наумов А.В., Фатеев В.Ф. Экспериментальное определение разности ортометрических высот с помощью дуплексного спутникового метода Сб. материалов XV Всероссийской научно-технической конференции Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации (20-22 ноября 2024 г.). , с. 168-170 (год публикации - 2024)

24. Лопатин В.П., Пудловский В.Б., Денисенко О.В. Assessing the influence of temperature on the zero offset of silicon accelerometers 31st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS 2024), с. 137-140 (год публикации - 2024)

25. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А., Лопатин В. П., Фатеев В.Ф. К вопросу об определении диаграммы рассеяния ледяного покрова по данным бистатического дистанционного зондирования в L-диапазоне Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2025)

26. Ксендзук А.В., Фатеев В.Ф. Принципы построения бортовых радиолокационных систем наноспутников, основанных на приеме отраженных сигналов спутниковых навигационных систем Russian Technological Journal, 12(4), с. 70–83 (год публикации - 2024)
10.32362/2500-316X-2024-12-4-70-83

27. Фатеев В.Ф., Смирнов Ф.Р., Наумов А.В. Измерение разности гравитационных потенциалов наземных точек дуплексным спутниковым методом Измерительная техника, 73(10), 2024, с. 34-40 (год публикации - 2024)
10.32446/0368-1025it.2024-10-34-40

28. Фатеев В.Ф., Карауш Е.А., Лопатин В.П., Давлатов Р.А. Numerical experiment to determine the visibility of GNSS spacecraft from a low-orbit geodetic satellite in the problem of measuring the parameters of the earth’s gravity field using GNSS signals 2024 IEEE 3st International Conference Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE) (год публикации - 2025)

29. Мурзабеков М.М., Фатеев В.Ф., Лопатин В.П. Редуцирование аномального магнитного поля Земли методом Фурье Альманах современной метрологии (год публикации - 2024)

30. Давлатов Р.А. , Донченко С.С. Результаты исследования макета одноосного бортового интерферометрического акселерометра Альманах современной метрологии (год публикации - 2025)

31. В.Ф. Фатеев, А.В. Ксендзук, В.П. Лопатин, Д.А. Артющев ОЦЕНКА СТАБИЛЬНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ В ПАССИВНОЙ БИСТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ГНСС-РАДИОЛОКАЦИИ НА БАЗЕ ПРОГРАММНОГО ПРИЕМНИКА ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, 2024. – №. 11 (год публикации - 2024)
10.30898/1684-1719.2024.11.24

32. Лопатин В.П., Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В., Артющев Д.А. Использование бистатической системы радиолокации на сигналах ГНСС (ГЛОНАСС,GPS и др.) Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 11–15 ноября 2024 г., 2024. C. 43 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

33. Титченко Ю.А., Ковалдов Д.А., Караев В.Ю., Лопатин В. П., Фатеев В. Ф. Моделирование доплеровского спектра сигнала, отражённого морским ледяным покровом, в бистатической схеме измерения в L- и Ku- диапазонах Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2025)

34. Аваряскин Д. П., Моряков Н.А. Обеспечение инспекционного движения космических аппаратов в плоскости круговой орбиты с учётом второй зональной гармоники Мехатроника, автоматизация, управление (год публикации - 2025)

35. Фатеев В.Ф., Донченко С.И. Компенсация релятивистского ухода бортовых часов навигационного спутника, движущегося по геосинхронной орбите РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, том 11, выпуск 1 (год публикации - 2024)

36. Мурзабеков М.М., Лопатин В.П., Бобров Д.С. Программа для создания гравиметрических карт Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент), Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2024680738 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В проекте решается задача информационного обеспечения Арктического региона. Предлагаемые технические решения основаны на приеме сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, BaiDou и др. с помощью высокоточных бортовых приемников, расположенных на земле, а также на борту низкоорбитальных наноспутников. Результаты проекта обладают научной новизной: 1) впервые в РФ предложен метод измерения составляющих первого, второго и третьего градиентов ГПЗ, а также уклонения отвесной линии на борту наноспутников по их относительному движению относительно КА ГЛОНАСС; 2) впервые предложены многотрековые измерения превышений геоида, УОЛ и горизонтальных гравитационных градиентов на поверхности океана с помощью бистатического бортового радиолокатора наноспутника, принимающего отраженные сигналы радиоподсвета от множества видимых навигационных КА ГНСС (до 60 одновременно); 3) впервые измерена разность гравитационных потенциалов и ортометрических высот с помощью использования радиотехнической системы «Дуплекс» с ретрансляцией измерительных сигналов через спутник. Известные космические зарубежные проекты (GOCE, GRACE и др.) такие задачи не решают в принципе, а кроме того, они очень дороги. В течение 2024 г. продолжались исследования методов космических измерений ускорения свободного падения (УСП) гравитационного поля Земли и его градиентов с помощью приемников сигналов ГНСС, установленных на борту наноспутников. В результате баллистического моделирования установлено, что решение задачи измерения параметров ГПЗ по сигналам ГНСС с борта наноспутников практически не имеет ограничений по количеству видимых навигационных спутников. Впервые в России проведен оригинальный эксперимент по измерению разности гравитационных потенциалов и ортометрических высот разнесенных квантовых часов с помощью дуплексного радиотехнического метода при распространении измерительных сигналов через геостационарный спутник связи. При этом расстояние между наземными часами составляло 850 м, а разность высот – 21 м. Полученное на основе предложенного метода значение разности высот ΔHорт=21.34±2.8 м соответствует действительной геодезической разности высот 21 м с погрешностью 2.80 м. Предложен усовершенствованный метод формирования навигационно-гравиметрических карт параметров гравитационного поля Земли, необходимых для создания систем автономной навигации по ГПЗ. Основой разработанного метода является учет влияния топографических масс Применение разработанного метода позволило построить карту аномального ГПЗ с высокой детальностью, а также повысить точность построения карты аномалий более чем в 4 раза по сравнению с классическим методом построения карты. Впервые в России проведены высокоточные совместные измерения составляющих уклонения отвесных линий (УОЛ) с погрешностью 0,2″ и ускорения свободного падения (УСП) с погрешностью 10 мкГал на локальном полигоне размером 20х20 км. Измерения выполнялись с помощью высокоточного астроизмерителя УОЛ и высокоточного относительного гравиметра. По результатам этих измерений впервые дополнительно вычислены горизонтальные составляющие УСП с погрешностью порядка 1 мГал и горизонтальные составляющие гравитационного градиента с погрешностью не более 10 Этвеш. С использованием этих данных на основе использования цифровой модели высот SRTM и модели плотностного строения пород TopoDensT построены высокодетальные карты ГПЗ. Впервые сформулированы требования к бортовому микроакселерометру, предназначенному для создания высокоточного спутникового гравитационного градиентометра. Разработан наземный макет одноосного космического лазерного микроакселерометра. Разработан наземный стенд воспроизведения возмущающих ускорений, действующих на наноспутник в орбитальном полете. При этом диапазон воспроизводимых ускорений лежит в диапазоне между 1*10-8 и 1*10-7 м/с2. Кроме того, проведены экспериментальные исследования созданного бортового лазерного микроакселерометра наноспутника. Впервые разработан метод оптимальной обработки радиосигнала в бистатической космической РЛС на сигналах ГНСС ГЛОНАСС/GPS и др. Проведено моделирование пространственного охвата измерений БРЛС по сигналам ГНСС в Арктическом регионе. Разработан аппаратно-программный комплекс регистрации и совместной обработки прямых и отраженных от водной поверхности сигналов, излучаемых различными навигационными спутниками ГНСС. Разработана программно-математическая модель бортовой бистатической пассивной РЛС на базе программируемого приёмника сигналов ГНСС. Впервые разработан метод инверсного синтезирования апертуры в бистатической РЛС на сигналах ГНСС. Разработан аппаратно-программный комплекс (АПК) регистрации и обработки прямых и отраженных от водной поверхности сигналов. Проведены экспериментальные исследования разработанного АПК с размещением приемной аппаратуры на речном мосту. Разработана структура макета пассивной бистатической РЛС на сигналах ГНСС, предназначенный для размещения на борту БПЛА. Создан макет пассивной бистатической РЛС на сигналах ГНСС на базе SDR-LW-X310, проведены испытания макета при измерениях с речного моста над водохранилищем. Создан бортовой макет бистатической РЛС на сигналах ГНСС на базе программного приемника BladeRF, проведена проверка его работоспособности на борту БПЛА DJI Matrice. Предложен метод определения диаграммы рассеяния водной поверхности и морского льда в L-диапазоне по доплеровскому спектру отражённого сигнала ГНСС. Алгоритм использует однозначную связь частоты доплеровского смещения с проекцией скорости передатчика и приёмника на направление излучения и направление приёма отражённого луча. В результате исследования показано, что при широкой диаграмме направленности антенны приемника можно обнаружить ледяной покров по доплеровскому спектру отраженного сигнала. Продолжались исследования особенностей конструкции наноспутников и алгоритмов управления их движением. Разработана комбинированная пассивно-активная система ориентации и стабилизации на базе развитой методологии проектирования углового движения наноспутника формата CubSat с пассивной системой стабилизации. Она использует оригинальный подход к формированию адаптивной системы управления угловым движением с цифровым двойником системы управления движением в контуре обратной связи. Выбрано оптимальное схемотехническое решение по обработке целевой информации в навигационном приёмнике наноспутника при решении задач бистатической радиолокации и гравиметрии по сигналам ГНСС. Выбраны и реализованы технические решения по обеспечению высокоскоростной радиолинии в частотном диапазоне 10-10,5 ГГц для передачи целевой информации с борта наноспутника на наземный приемный пункт связи.

Публикации