CC BY
53
УДК 521.1
О МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ ОСНОВЫ ГЛОНАСС
Александр Сергеевич Толстиков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Артем Андреевич Карауш
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, научный сотрудник ГСВЧ ФГУП «СНИИМ», тел. (383)210-11-85, e-mail: [email protected]
Екатерина Андреевна Ханыкова
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, научный сотрудник ГСВЧ ФГУП «СНИИМ», тел. (383)210-11-85, e-mail: [email protected]
В статье обсуждаются проблемы и направления развития частотно-временного обеспечения отечественной навигационной системы ГЛОНАСС. Проанализированы характерные особенности работ по обеспечению единства частотно-временных измерений. Авторы выделяют перспективные направления повышения точности координатно-временных определений на основе спутниковых навигационных технологий.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, координатно-временные определения, частотно-временные поправки, параметры нестабильности часов.
ABOUT METROLOGICAL CHARACTERISTICS
OF TIME AND FREQUENCY MEASUUREMENT ON GLONASS
Alecsandr S. Tolstikov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof. of Department Metrology and Optical Production Technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Artem A. Karaush
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova Pr., Scientist, tel. (383)210-11-85, e-mail: [email protected]
Ekaterina A. Hanikova
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova Pr., Scientist, tel. (383)210-11-85, e-mail: [email protected]
This article considers the main problems and directions of development of the time-frequency provide domestic GLONASS global navigation system. We analyzed the characteristics of the work to ensure the unity of time-frequency measurements. As a result, the authors identify promising areas designed to improve the accuracy of coordinate-time definitions.
Key words: GLONASS, coordinate and time definition, time-frequency correction, instability parameters clocks.
Частотно-временное обеспечение ГЛОНАСС
Частотно-временные измерения играют важную роль в спутниковых навигационных технологиях. Все измерения дальностей от навигационных космических аппаратов (КА) до потребителя, которые являются исходными данными для решения навигационных задач, сводятся к измерению интервалов времени прохождения навигационного сигнала. При этом требуется измерить длительность этих временных интервалов с высокой точностью и, что не менее важно, необходимо обеспечить согласованность моментов шкал времени часов, участвующих в измерениях.
Рисунок иллюстрирует возникновение погрешностей измерения длительности интервала времени от момента выхода навигационного сигнала (событие А) до прихода этого сигнала на приемную антенну ресивера (событие В) в шкалах времени Центрального синхронизатора ГНСС (ЦС), бортовой шкалы Т3 и шкалы ресивера Тк.
ЦС
Т
1 л
Т
т
г
Т
-*- с
^ т.
! АТ ^—-
Т
1 Е>
Т
1 и
Т
АТК <-м
г
т
Рис. Шкалы времени бортовых часов навигационного спутника Т5 и часов приемника Т относительно шкалы Центрального синхронизатора
е
Т
Б
В
А
В силу ряда обстоятельств шкалы времени часов спутника и приемника отклоняются от шкалы времени Центрального синхронизатора [1-4]. Показаны уходы шкал АТ и АТД соответственно.
Уходы часов возникают по причине собственной нестабильности частоты, свойственной квантовым стандартам частоты, и влияющих факторов, таких как температура, релятивистские и гравитационные эффекты и др [3, 5].
Компенсация уходов часов АТ8 и АТД осуществляется путем применения поправок, рассчитанных с помощью математических моделей нестабильности часов.
Бортовые часы
Для компенсации уходов бортовых часов A Ts применяются аналитические шкалы времени TSA, построенные на рассчитанных частотно-временных поправках (ЧВП). Расчет ЧВП включает в себя идентификацию математической модели нестабильности часов, прогнозирование с помощью этой модели уходов часов и последующее включение в состав навигационного сообщения.
Для спутников ГЛОНАСС, использующих на борту цезиевый стандарт частоты, расчет ЧВП осуществляется на основе модели полиномиального вида
ATs(t) = a0+al(t-t0).
Закладка временной информации на борт спутника осуществляется 2-3 раза в сутки.
Для часов спутников GPS (рубидиевые стандарты частоты) применяется более сложная модель нестабильности - полином второй степени, с возможностью закладки информации до 6 раз за сутки. Это позволяет обеспечивать меньшую погрешность прогнозирования ег , возникающую из-за уходов бортовых часов спутников.
Для отечественной системы ГЛОНАСС решение проблемы с увеличением частоты закладки бортовой информации затруднено в связи с тем, что число расчетных центров ограничено и расположено только на территории России. В то время как станции GPS распределены по экватору и этих станций больше, чем для ГЛОНАСС.
Вследствие таких ограничений и упрощения математической модели уходов часов спутников ГЛОНАСС, в результатах измерений присутствует погрешность, порождаемая неучтенными параметрами нестабильности частоты генератора.
Частота бортовых часов, помимо характерных для квантовых стандартов факторов, зависит от факторов релятивистского и гравитационного происхождения [6]:
Необходимость оценки этих эффектов в ГНСС при обработке результатов измерений обусловлена сопоставимостью погрешностей релятивистского и гравитационного происхождения с точностными характеристиками ЭВО.
По характеру проявления гравитационного влияния на частоту бортовых часов следует отнести к составляющей долговременной нестабильности. Указанная составляющая представляет собой смещение частоты часов, компенсируется как пропорциональное смещение частоты для всех стандартов частоты спутников ГНСС и оценивается величиной порядка 38 мкс в сутки.
Исследование факторов релятивистского типа является перспективным направлением. Погрешности релятивистской природы станут более значительными для будущих поколений спутников ГНСС, которые могут быть оснащены лучшими стандартами частоты и будут вероятно требовать большей точности полиномиального представления часов.
Наземные часы
Наземные часы в составе приемника навигационных сигналов, реализуются на основе кварцевых стандартов частоты. Также для приема навигационных сигналов развернута сеть беззапросных измерительных станций, оснащенные высокостабильными стандартами частоты. Метрологические характеристики таких часов обладают меньшей стабильностью, чем эталоны времени и частоты, и обеспечивается созданием специальных условий в месте их установки (стабилизация температурно-влажностных режимов, исключение вибраций и влияния магнитных полей), а также возможностью синхронизации с часами Центрального синхронизатора системы.
Для получения высокоточных координатно-временных определений важным условием является синхронизация часов со шкалой ЦС, а для некоторых задач - синтонизация часов. В тех случаях, когда потребитель с приемной аппаратурой устанавливается на высокодинамичном объекте или испытывает изменения уровня гравитационного потенциала [6], частота применяемого стандарта изменится.
В настоящее время возможности аппаратурного совершенствования спутниковых технологий исчерпаны. Дальнейшее совершенствование в области частотно-временных измерений ГНСС видится в создании более эффективного алгоритмического обеспечения.
Одни из путей повышения точности КВО видится в следующих направлениях:
- Применения технологии Precise Point Position (PPP) с привлечением высокоточной эфемеридно-временной информацией. Подобная технология обеспечивает высокую эффективность при решении координатно-временных задач.
- Использование в качестве исходной информации не только кодовых псевдодальномерных измерений, но и фазовых измерений, обладающих меньшим уровнем случайных погрешностей измерений. Привлечение данных фазовых измерений осложнено наличием фазовой неоднозначности в результатах измерений. Разрешение неоднозначности представляется сложной алгоритмической задачей.
- Использование ионосферносвободной комбинации, позволяющей минимизировать погрешность влияния ионосферы. Однако для расчета указанной комбинации требуется результаты навигационных измерений на двух частота L1 и L2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Толстиков А.С. Методы и алгоритмы координатно-временных определений на основе применения спутниковых навигационных технологий: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Толстиков Александр Сергеевич. - Новосибирск, НГТУ, 2011. - 318 с.
2. О влиянии нестабильности часов на точность координатно-временных определений спутниковых навигационных технологиях / Е. А. Ханыкова, А. С. Толстиков, А. С. Томилов, А. Р. Безродных, Э. О. Непомнящая // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 36-40.
3. Толстиков А. С., Ханыкова Е. А., Закорючкина Н. В. Оценивание уходов бортовых часов по данным траекторных измерений // 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.
4. Толстиков А. С., Ханыкова Е. А., Карауш А. А. Оценивание эфемеридно-временных параметров орбитальной группировки ГЛОНАСС // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 8-13.
5. Ханыкова Е. А., Тиссен В. М. Исследование нестабильностей атомных часов методами имитационного моделирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 110-114.
6. Ashby N. Relativity in the Global Positioning System / N. Ashby // American Institute of Physics. - 5. - 2002. - pp. 41-47.
7. Ashby N. Relativity in the Global Positioning System // Living Rev. Relativity. - V. 6. -2003. - pp. 1-45 http://www.livingreviews.org/Articles/Volume6/2003-1ashby/.
© А. С. Толстиков, А. А. Карауш, Е. А. Ханыкова, 2016
