Eş konumlu uyduların yakınlaşma izlenmesine gerçek zamanlı mesafe ölçümü tabanlı yaklaşım

Year 2024, Volume: 39 Issue: 2, 825 - 834, 30.11.2023

İbrahim Öz

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1181262

Abstract

Uydu işletmecileri birçok uydudan iletilen başta televizyon yayınları olmak üzere her türlü sinyalin tek bir uydu anteni ile alınabilmesi için çok sayıda haberleşme uydusunu eş konumda (aynı boylamda) işletmektedir. Çok sayıda eş konumlu uydunun ±0,1° kontrol penceresi içinde tutulması daha hassas yörünge belirleme ve oldukça karmaşık yörünge dinamiği problemlerinin çözümünü gerektirmektedir. Uyduların uzaydaki anlık pozisyonlarının ölçülerek aralarındaki fiziksel mesafenin hesaplanması benzetim yöntemlerindeki özellikle zamana bağlıbazı hataları azaltacaktır. Bu çalışmada eş konumda işletilen uydular arasındaki mesafenin hesaplanmasında gerçek zamanlı ölçüm (GZÖ) yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemde uyduların anlık yan, yükseliş ve yer istasyonuna mesafe ölçümleri yapılmış ve o anda uzaydaki konumları X, Y, Z olarak hesaplanmıştır. Önerilen yöntem uydu işletmecilerin yaygın olarak kullandığı yörünge dinamiği benzetim (YDS) yazılımı ile karşılaştırılmıştır. Eş konumda işletilen iki uydu, Uydu-A ve Uydu-B için iki yöntem arasındaki ortalama mesafe farkı 0,068 km ve kök ortalama kare hata (KOKH) 0,290 km olarak görülmektedir. Benzer şekilde eş konumda işletilen dört uydu için Uydu-1 ve Uydu-2, Uydu-3, Uydu-4 arasındaki yöntemler arası fark KOKH değerleri sırasıyla 0,257 km, 0,201 km ve 0,219 km’dir. Önerilen GZÖ yöntemi eş konumda işletilen uydular için oldukça başarılı sonuç üretmektedir.
Bu yöntem uyduların uzaydaki konumunu anlık olarak verdiği için birçok hatadan arınmış olup ayrıca itki sistemindeki küçük sızıntılar, küçük meteor çarpmaları gibi etkenlerin neden olabileceği beklenmedik yörünge değişiklikleri de ölçüm içerisindedir. Uydu işletmecileri GZÖ yöntemi ile eş konumlu uydular arası mesafeyi daha gerçekçi ve tahmin edilemeyen yörünge bozulmalarını da içerecek şekilde elde edebilecektir.

Keywords

eş konumlu uydular, yörünge belirleme, konum ölçümü, uydular arası asgari mesafe, yakınlaşma, collocated satellites, orbit determination, position measurement, satellite minimum distance, proximity

Proximity monitoring of collocated satellites based on real time measurement

Abstract

Satellite Operators control numerous satellites at the same orbital location to receive any types of signals, mainly television broadcasting signals emitted from many collocated satellites, via a single ground satellite antenna. Operating numerous collocated satellites within a ±0.10° control window requires more precise orbit determination and an incredibly complex orbital dynamic problem solution. Measurement of satellites' real-time position in space and calculating distances among them is an approach to mitigate various particularly time dependent errors in flight dynamics software. This work proposed a real-time measurement method (RTM) to calculate distances among collocated satellites. The satellite's azimuth, elevation, and range measurements were performed simultaneously, and their X, Y, and Z position in space were calculated at the time of measurement. The proposed method results were compared with satellite operators' commonly used software. The difference between the two methods for the mean distance of collocated two satellites, Uydu-A and Uydu-B is 0.068 km, and for the RMSE values, it is 0.290 km. Similarly, the mean distance difference RMSE values between the two methods are 0.257 km, 0.201 km, and 0.219 km for collocated Uydu-1 and Uydu-2, Uydu-3, and Uydu-4, respectively. The proposed RTM method provides excellent results for collocated satellites.
The proposed RTM method provides excellent results for collocated satellites, showing their positions in space instantaneously with mitigated errors compared to long-time prediction methods commonly used by satellite operators. The measurement covers unexpected orbit changes due to unknown external forces, such as leakage in the propulsion system and micrometeoroids. This enables satellite operators to monitor collocated satellite distances more realistically, together with unexpected orbital deviations

Keywords

collocated satellites, orbit determination, position measurement, satellite minimum distance, proximity

References

• [1] Kisseleff, S., Lagunas, E., Abdu, T. S., Chatzinotas, S., Flexible resource optimization for GEO multibeam satellite communication system, IEEE Transactions on Wireless Communications, 20(12), 7888-7902, 2021.
• [2] https://www.lyngsat.com/Astra-1KR-1L-1M-1N.html, Erişim tarihi Eylül 15, 2022.
• [3] https://www.turksat.com.tr/sites/default/files/2022-05/Turksat-2021-Faaliyet-Raporu.pdf, Erişim tarihi Eylül 20, 2022..
• [4 ] Öz İbrahim, Salınımlı yörünge haberleşme uydularında 2 eksen düzeltmeli kapsama alanı stabilizasyonu, Journal of the Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 38.1, 2023.
• [5] Öz, İ., Yılmaz, Ü. C., Determination of Coverage Oscillation for Inclined Communication Satellite. Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 24.5: 963-973., 2020.
• [6] Li, H,. Geostationary satellites collocation, Berlin, Germany, Springer, 2014.
• [7] Hardacre, S., Control of colocated geostationary satellites, Doctoral dissertation, Cranfield University,. 1996.
• [8] Lee, B., Choi, Kyu-Hong. Collocation of two GEO satellites and one inclined GSO satellite, Aerospace science and technology, 4.7: 507-515., 2000.
• [9] Wauthier, P., Francken, P., & Laroche, H., Co-location of six ASTRA satellites: Assessment after one year of operations. In Space Flight Dynamics, Vol. 403, p. 13, 1997.
• [10] Tu, R., Zhang, R., Fan, L., Han, J., Zhang, P., Wang, X., ... & Lu, X., Real-time monitoring of the dynamic variation of satellite orbital maneuvers based on BDS observations. Measurement, 168, 108331, 2021.
• [11] Öz, İ., . Evaluation of station location for orbit determination of geo satellites at different slots. In 2017 8th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST), pp. 375-379,. IEEE., 2017.
• [12] Curtis, H. Orbital Mechanics for Engineering Students: Revised Reprint. Butterworth Heinemann, 2020.
• [13] Öz,İ., Yılmaz, Ü. C., Güler, Ü., Performance Assessment of a Turn Around Ranging in Communication Satellite Orbit Determination. Sakarya University Journal of Computer and Information Sciences, 4(1), 73-83, 2021.
• [14] Montenbruck O, Gill E, Lutze F. Satellite orbits: models, methods, and applications, Appl Mech Rev, ; 55(2), B27-B28, 2002
• [15] Öz, İ.,GEO satellite orbit determination using spaceborn onboard receiver, Politeknik Dergisi: 1-1. 2022.
• [ 16] Lu, W., Wang, H., Wu, G., Huang, Y., Orbit Determination for All-Electric GEO Satellites Based on Space-Borne GNSS Measurements, Remote Sensing, 14(11), 2627, 2022.
• [17] Design Tradeoffs in Full Electric, Hybrid and Full Chemical Propulsion Communication Satellite
• [ 18] Corey, R. L., Pidgeon D. J., Electric propulsion at space systems/loral, Proc. 31st International Electric Propulsion Conference, paper IEPC-2009-270. 2009.
• [19] Flight Dynamics Operations solution for full-Electric propulsion-based GEO missions
• [20] Li, C., Xu, B., Zhou, W., & Peng, Q., Geostationary Station-Keeping of Electric-Propulsion Satellite Equipped with Robotic Arms, Aerospace, 9(4), 182, 2022.
• [21] Öz, İ., Yılmaz Ü.C., Güler Ü., TDOA based tracking measurement for geo satellites orbit determination: Evaluation for the satellite operators, Eskişehir Technical University Journal of Science and Technology A-Applied Sciences and Engineering, 23.1: 137-148, 2022.
• [22] Lu, W., Wang, H., Wu, G., & Huang, Y., Orbit Determination for All-Electric GEO Satellites Based on Space-Borne GNSS Measurements, Remote Sensing, 14(11), 2627, 2022.
• [23] Li, B., Zhang, Y., Huang, J., & Sang, J., Improved orbit predictions using two-line elements through error pattern mining and transferring. Acta Astronautica, 188, 405-415, 2021.
• [24] Chipade, R. A., Ramanathan, T. V., Extended Kalman filter based statistical orbit determination for geostationary and geosynchronous satellite orbits in BeiDou constellation. Contributions to Geophysics and Geodesy, 51(1), 25-46, 2021