CC BY
97
УДК 521.1
МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НЕСТАБИЛЬНОСТИ БОРТОВЫХ ЧАСОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС
Екатерина Андреевна Ханыкова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирантка кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: hanikovak@mail.ru
Александр Сергеевич Толстиков
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, начальник ГСВЧ, доктор технических наук, тел. (383)210-11-85, e-mail: tolstikov@mail.ksn.ru
Артем Андреевич Карауш
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, научный сотрудник, тел. (383)210-11-85, e-mail: karaush.a@mail.ru
Важной задачей сегмента контроля и мониторинга системы ГЛОНАСС является оценивание текущих параметров нестабильности часов навигационных спутников. В данной работе рассматривается методика оценивания и контроля характеристик нестабильности часов за счёт привлечения фазовых псевдодальномерных измерений. В качестве исходной информации используется траекторные измерения, выполняемые в пунктах Государственной службы времени и частоты (г. Москва, г. Новосибирск, г. Иркутск).
Ключевые слова: ГЛОНАСС, координатно-временные определения, частотно-временные поправки, параметры нестабильности часов.
EVALUATING METHOD OF INSTABILITY CHARACTERISTICS OF ONBOARD CLOCKS GLONASS NAVIGATION SATELLITES
Ekaterina A. Hanikova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Graduate, tel. (383)361-07-45, e-mail: hanikovak@mail.ru
Alecsandr S. Tolstikov
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova Pr., Ph. D., tel. (383)210-11-85, e-mail: tolstikov@mail.ksn.ru
Artem A. Karaush
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova Pr., Scientist, tel. (383)210-11-85, e-mail: karaush.a@mail.ru
An important task of the segment control and monitoring system GLONASS is the estimation of the parameters of the parameters instability clocks of navigation satellites. In this paper the method of estimation and control characteristics of instability clocks by attracting psevdodalnomerny phase measurements. Initial information is used to measure the trajectory of the State Service of Time and Frequency (Moscow, Novosibirsk, Irkutsk).
Key words: GLONASS, coordinate and time definition, time-frequency correction, instability parameters clocks.
В статье рассмотрена методика оценивания параметров нестабильности бортовых часов навигационных спутников системы ГЛОНАСС. Эти параметры в значительной степени определяют качество и достоверность координатно-временных определений на основе спутниковых навигационных технологий. Для оценивания уходов бортовых часов спутниковприменяется программно -аппаратный комплекс метрологического пункта Государственной службы времени и частоты ФГУП «СНИИМ». Высокая точность оценивания достигнута за счет использования в качестве исходной информации в алгоритмах оценивания фазовых псевдодальномерных измерений.
Существенное влияние на точность координатно-временных определений потребителя оказывает явление нестабильностичастоты высокостабильных генераторов, на основе которых построены бортовые часы навигационного спутника. Для компенсации уходов бортовых часов применяются частотно-временные поправки (ЧВП). Процесс расчета ЧВП включает в себя идентификацию математической модели нестабильности часов, прогнозирование с помощью этой модели уходов часов и последующее включение в состав навигационного сообщения.
Для расчета компенсирующих поправок используется следующая математическая модель [1]:
ATc(t) = S(t) + w(t\ATc(t0) = ATco,
где ЛTc(t) - уход бортовых часов спутника на интервале времени [/0,/А] относительно эталонной шкалы времени, S (t ) и w(t ) - характеристики долговременной и кратковременной нестабильностей частоты генератора этих часов [1].
Долговременная составляющая S (t ) представляется в виде степенного полинома, параметрами которого являются смещение шкалы и отклонение частоты бортового генератора на интервале времени [t0, tk ] [1, 2]. Кратковременная нестабильность w(t) представляется как центрированный случайный процесс с ограниченной дисперсией. Расчет ЧВП осуществляется на основе упрощенной модели нестабильности:
¿sTc(t) = aQ+ax(t-tQ).
Вследствие такого упрощения расчета уходов часов, в результатах траек-торных измерений присутствует погрешность, порождаемая неучтенными параметрами нестабильности частоты генератора. Авторами предлагается методика оценивания характеристик нестабильности бортовых часов по данным траекторных измерений и оценивания погрешностей представления бортовых шкал времени с помощью бортовых ЧВП.
Для апостериорного анализа уходов бортовых шкал времени использовались псевдодальномерные кодовые D(t) и фазовые (pit) измерения:
п
ДО = р и,(0,ий(0 + АЗД + АЗД -с + ^Яа(О,
¿=1
п
<р(1) = р + АЗД + АЗД + +
¿=1
где АТ3^), АТп(!) - уход бортовых часов относительно шкалы Центрального синхронизатора системы и уход часов приемной аппаратуры соответственно; с - скорость распространения радиосигнала в вакууме; К - целое неопределённое число длин волн, укладывающихся в измеренном расстоянии; Л - длина волны несущей с литерной частотой, на которой передаётся навигационный сигнал; (0>г = \---п - факторы, влияющие на точность измерений, в том числе задержка навигационного сигнала в ионосферном и тропосферном слоях, смещение фазового центра антенн, погрешность от релятивистских эффектов, неоднозначность фазовых измерений, погрешность определения координат потребителя и задания эфемерид спутника, погрешность приведения измеренных дальностей к моменту прихода навигационного сигнала на приемную антенну, погрешность от многопутности и погрешности случайной природы [2-4].
На основе разработанной методики проводились сеансы расчета оценок уходов бортовых часов навигационных спутников ГЛОНАСС. Исследования проводились на 08.02.2014 по всей орбитальной группировке системы на базе пункта метрологического контроля Государственной службы времени и частоты ФГУП «СНИИМ». Разработанная методика обеспечивает такие измерения благодаря высокоточной синхронизации шкалы приемника Тк ) со шкалой вторичного эталона времени и частоты ВЭТ 1-19.
Текущие отклонения шкал времени рассчитывались с помощью выражения
п
дад + ДЗД -с = {_<№)-р ий(д ]-к-у1-5>*(0- (1)
¿=1
В уравнении (1) значение АТК^) не превышает единиц наносекунд, поскольку АТк(0 представляет собой погрешность согласования шкалы времени ВЭТ 1-19 со шкалой ЦТС^и) государственного эталона.
Высокая точность результатов достигнута со счет использования фазовых псевдодальномерных измерений. Преимуществом таких измерений является их меньшая подверженность шумам в сравнении с кодовыми (рис. 1).
Однако использование фазовых данных в целях решения задач оценивания частотно-временной информации осложняется наличием фазовой неоднозначности К ■ X, а также фазовых скачков. В настоящее время нет универсального алгоритма по разрешению неоднозначности [3].
Авторами методики применяется оригинальная фильтрация данных и способ разрешения неоднозначности, основанный на расчете широкополосной и узкополосной комбинационных частот [3]. В результате обработки удается разрешить фазовую неоднозначность (рис. 2а).
•1.0849 -1-1-'-'-'-'-
0 100 200 300 400 500 600 700
Номер отсчета
Рис. 1. Значение влияющих факторов на фазовые и кодовые измерения
Номер отсчета Номер отсчета
Рис. 2. Фазовая неоднозначность (а), фазовые скачки (б)
На рис. 3 в порядке иллюстрации приведены уходы бортовых часов, оцененных с помощью разработанной методики, и поведение аналитических шкал, воспроизводимых на основе ЧВП в виде кусочно-линейной функции.
Видно, что аналитическая шкала спутника № 123 достаточно хорошо описывает поведение часов. На рис. 3.б наблюдается значительные погрешности в оценивании шкалы часов спутника № 112.
Оценки уходов часов по орбитальной группировке ГЛОНАСС, полученные с помощью разработанного метода, показали хорошую согласованность с данными, публикуемыми Информационно-аналитическим центром ГЛОНАСС [glonass-iac.ru].
Рассчитываемые оценки уходов бортовых часов позволяют передавать потребителям скорректированную частотно-временную информацию и осуществлять контроль параметров навигационного поля ГЛОНАСС [4, 5].
Номер отсчета Номер отсчета
Рис. 3. Уходы бортовых часов и прогнозные значения параметров нестабильности
Результатами применения методики являются оценки уходов бортовых шкал времени орбитальной группировки ГЛОНАСС и статистические характеристики погрешностей представления эти шкал с помощью ЧВП. Особенностью разработанного методики является достижение высокой точности за счет использования государственного вторичного эталона времени, частоты и момента шкалы ВЭТ 1-19. Полученные оценки позволяют осуществлять контроль ЧВП навигационного поля ГЛОНАСС, что является одной из задач метрологического пункта ГСВЧ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. О влиянии нестабильности часов на точность координатно-временных определений спутниковых навигационных технологиях / А. С. Толстиков, А. С. Томилов, А. Р. Безродных, Э. О. Непомнящая // Интерэкспо ГЕС)-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). -Новосибирск: СГТА, 2013. Т. 2. - С. 36-40.
2. Оценивание уходов бортовых часов по данным траекторных измерений / А. С. Толстиков, Е. А. Ханыкова, Н. В. Закорючкина // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10— 20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 229-232.
3. Blewitt G. Carrier Phase Ambiguity Resolution for the Global Positioning System Applied to Geodetic Baselines up to 2000 km // Journal of Geophysical Research. - 1989. - Vol. 96, no. B8. - P. 187-203.
4. Оценивание эфемеридно-временных параметров орбитальной группировки ГЛОНАСС / А. С. Толстиков, Е. А. Ханыкова, А. А. Карауш // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 8-13.
5. О метрологическом обеспечении сети активных базовых ГНСС-станций Новосибирской области / А. С. Толстиков, Е. А. Ханыкова, А. А. Карауш, А. Р. Безродных // Приборы. -2014. - № 9 (171). - С. 34-38.
© Е. А. Ханыкова, А. С. Толстиков, А. А. Карауш, 2015
