ИЗПОЛЗВАНЕ НА КОНВЕНЦИОНАЛНИ GPS УСТРОЙСТВА
ЗА ПРОСЛЕДЯВАНЕ НА ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКИ
РАКЕТИ
Автори: Калин Крумов – ХТМУ, гр.София; Клуб за Аеро
Космически Технологии „Зодиак”, гр.Кюстендил
Христофор Скандалиев - КАКТ „Зодиак”, гр.Кюстендил
Описано е изследване на възможностите за
полетно проследяване на траекторията и наземно локализиране на вече приземили
се експериментални изследователски ракети посредством конвенционални GPS устройства, които принципно
се използват за управление на автопаркове и проследяване движението и
състоянието на пътно-транспортни средства.
І.Въведение:
Изследователските
ракети /Sounding rockets/
се използват за събиране на данни чрез полети в суборбиталното пространство,
където метеорологичните балони не могат да достигнат – предимно в зоната 40-200
км над морското равнище [1].
От техните полети се
получава своевременна информация за атмосферно замърсяване, природни бедствия, климатични
промени, УВ радиация, и много други данни често свързани с усъвършенстване
системите на самите ракети.
Изследователските
ракети са сериозен инструмент за обучение и научна дейност, даващ уникални възможности за експерименти във
всички области на науката [1].
Един от важните проблеми,
свързани с техните полети, е проследяване траекторията в реално време и последващо локализиране на
приземилите се компоненти.
За целта, в
практиката все повече се налагат бордови
GPS устройства, които
записват, или телеметрично предават данни по време на полет и много точно
определят местоположението на ракетата [2].
По света са разработени
специализирани високоточни системи от подобен тип, но масовото им използване е
ограничено от високата цена и някои специфични рестрикции, свързани с тяхната
употреба [2].
Като алтернативен
начин за тракиране на ракети бе изпитан метод за изполване на стандартни GPS устройства, предназначени
за управление на автопаркове и следене на пътно-транспортни средства, масово
използвани в бита и със значително по-ниска цена.
ІІ.Същност на изследването:
Разгледано е изпитанието
на три вида GPS
устройства за събиране на полетни данни и локализиране на приземили се експериментални
ракети, проведено от Клуб за Аеро Космически Технологии „ЗОДИАК” в гр.Кюстендил.
Дейността на клуба е свързана с
изучаване и охарактеризиране на любителски ракетни системи, които да се използват
за граждански и научно-приложни цели [3].
Разглежданите три
устройства за GPS
проследяване /тракери/ са следните:
Сн1. GPS тракер ATRACK- AT1, произведен в Тайван
Сн2. GPS тракер ATRACK- AT5, произведен в Тайван
Сн3. GPS тракер FM1100, произведен в Литва от фирма Teltonika
Хардуера и
софтуерното осигуряване за изследването са предоставени от фирма „Локатор БГ” ООД,
София [4].
1.Наземни
проби:
Първоначално бе
направено наземно тестване, последователно на трите тракери, чрез стандартен
монтаж в автомобил, както и с велосипед, и ходене пеш, за събиране на данни при
движенето – траектория, скорост и надморска височина.
Локализирането на
движещия се обект в реално време става чрез web базирана система, предлагана от
доставчика на услугите, който ползва телеметрия за събиране на данни и ги
предоставя в заключен вид на акаунта на ползвателя. По този начин достъпът до
информацията е възможен от всяка точка, с достъп до Интернет и по всяко време
на денонощието [4].
2.Полети с парапланери:
След наземните проби
бяха осъществени последващи успешни опити за събиране на полетна информация с
помощта на тракерите, качени на парапланери, като междинен етап, преди същинското изследване в
реални ракетни полети.
Получените данни са
много близки до тези, записани при наземните тестове:
Фиг.3 Траектория на полета на парапланер, записана от GPS тракер Atrack AT-1.
Фиг.4 Изменение на скоростта на летене на парапланер - GPS тракер Atrack AT-1.
Фиг.5 Запис на отчетената надморска височина в
полет на парапланер, направен от GPS тракер Atrack AT-1.
Както може да се види
от графиките, записите от полетите на парапланер дават много добра картина на
измерваните параметри и добра визуализация за траекторията.
При различните полети
бяха експериментирани няколко вида ориентация на GPS антените на тракерите спрямо земната повърхност с цел да се
определи доколко това се отразява върху точността на получените данни.
3.Ракетни полети:
На 05.09.2013г. бе осъществен първият тестов
полет с експериментална ракета “BOLIDE-14”
с монтирани трите вида GPS
тракери на борда, както и специализиран бордови компютър G-Wiz HCX-50 за запис на полетните параметри и управление на
спасителната система [5].
Поставянето на три
различни тракери в ракетата бе умишлено направено, за да се направи сравнение в
показанията им.
Сн.4 Старт на ракетата
BOLIDE-14 с трите GPS тракери на борда.
Предварителните
софтуерни симулации на полета [6] предвиждаха полет с височина в рамките на
1300-1400м над стартовата точка, която е с надморска височина 530м.
Траекторията на
ракетния полет бе проследена посредством системата за GPS тракиране през Интернет на екрана на
преносим компютър, разположен на стартовата позиция. Придвижването на маркерите
за тракерите в реално време съвпадаше с визуалното проследяване на летящата
ракета, снабдена с димен трасер. Приземяването бе в източна посока с отчетена
дистанция от старта до точката на кацане 800м.
Прегледът на
параметрите, предадени от трите GPS
прибори, показа много точно определена траектория на полета, но значително
разминаване в данните за скорост и надморска височина, както помежду им, така и
спрямо тези от бордовия компютър.
Фиг.8 Траектория на
полета от тракер FM-1100.
Фиг.10 Изменение в скоростта на ракетата според FM1100.
Фиг.11 Скорост на ракетата според AT-5.
На 29.09.2013г. бе
осъществен нов полет с експериментална ракета “GRP” и два от тракерите, монтирани в нея
– FM1100 и AT-1. Полетът бе по
балистична траектория и приземяването на ракетата беше нормално. Тя бе намерена
веднага на 1250м. от старта в североизточна посока, благодарение на GPS системата. За разлика от точно показаната траектория, записите
за скорост и надморска височина отново съществено се различаваха от тези на специализирания
бордови компютър на ракетния модел.
Сн.6 Експерименталната ракета “GRP”в момент на излитане.
Фиг.12 Обобщена информация, записана от бордовия компютър на ракетата “GRP”.
Фиг.13 Точки на излитане и приземяване на ракета “GRP” и маркери на тракерите.
Фиг.14 Графика за скоростта на ракета “GRP” от записа
на FM1100.
Фиг.15 Височина, достигната от ракета “GRP”, според
тракер FM1100.
При следващи полетни
тестове с ракети „ОСОГОВО” и „ЗЛАТКА” бяха събрани достатъчно нови данни, които
допълниха наблюденията от представянето на тракерите. Изясниха се повечето
въпроси, свързани с неправилното отчитане на скоростта и надморската височина.
Обобщението на
резултатите е дадено по-долу.
ІІІ. Изводи и заключения:
1. На тестове бяха
подложени три различни модели GPS
тракери, които показаха добра работоспособност и стабилна работа в различни
условия, включително ускорения до 15 пъти надвишаващи земното.
2. За локализиране на
експериментални ракети по време на полет и след приземяване могат да се използват
успешно и трите изпитвани устройства, като точността на отчитане е напълно
задоволителна – между 10 и 20 метра.
3. Данните за скорост
и надморска височина при ракетни полети не са достатъчно достоверни и не винаги
имат практическо приложение. Това е лесно обяснимо, предвид истинското
предназаначение на тракерите.
4. Ориентацията на
самите устройства и техните антени в интериора на ракетите не оказва съществено
влияние за локализирането на обектите, но играе изключително важна роля при
отчитане на надморската височина и скоростта на движение.
5. Изисква се добре
оразмерено и механически стабилно закрепено бордово токозахранване, съобразено
с техническите спецификации на моделите тракери.
6. Габаритните
размери на трите прибори позволяват инсталация и използване в изследователски ракетни модели.
7. Препоръчително е,
при възможност, разполагане на повече от един тракер на борда за даден ракетен
полет с цел да се повиши надеждността на отчитане и издирване.
8. Цената и съответно
риска при повреда и изгубване на тези GPS модели е в пъти по-ниска от тази на специализираните ракетни GPS системи, което обуславя
възможността за широкото им приложение от любители.
VІ. Благодарности:
Ръководството на КАКТ
„Зодиак” благодари на фирма „Локатор БГ” ООД, гр.София за предоставените GPS устройства и техническа
поддръжка, както и на всички свои членове и симпатизанти за оказаното
съдействие при извършването на това изследване.
V. Използвана литература:
[1] Günther S., The
History of Sounding Rockets and Their Contribution to European Space
Research, ESA
Publications Division, HSR-38,
November 2006
[2] Montenbruck O., Markgraf M., Turner P.,
Engler W.,Schmitt G., GPS Tracking of
Sounding Rockets – A Europian Perspective, 1-st ESA Workshop on Satellite
Navigation User Equipment Technologies NAVITEC ‘2001, ESTEC Noordwijk, 10-12
Dec. 2001
[3] Общество на Българските Експериментатори-Ракетомоделисти,
Школа по ракетомоделизъм при ОДК, гр. Кюстендил, Любителска космическа програма „ЗОДИАК”, Кюстендил, 07.11.2011
