Основные направления повышения точности частотно-временного обеспечения ГНСС ГЛОНАСС

Богданов П. П.; Дружин В. Е.; Нечаева О. Е.; Тюляков А. Е.; Феоктистов А. Ю.; Шупен К. Г.

ГЛОНАСС/GPS приборы спутниковой навигации. Она позволяет оптимальным образом планировать испытания и служить «арбитром» в конфликтных ситуациях.

References

1. Enge P., Phelts R. E., Mitelman A. M. Detecting Anomalous Signals from GPS Satellites, Stanford University, 5 October 1999.

2. Edgar C., Czopek F., Barker B. A Co-operative Anomaly Resolution on PRN-19. ION GPS-99, pp 2269-2271.

3. Phelts R. E., Akos D., Enge P. Robust Signal Quality Monitoring and Detection of Evil Waveforms. ION GPS-2000, pp 1180-1190.

4. Jakab A. Quality Monitoring of GPS Signals. Department of Geomagnetics Engineering, Reports. University of Calgary, July 2001.

УДК 621.396

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГНСС ГЛОНАСС

П. П. Богданов, В. Е. Дружин, О. Е. Нечаева, А. Е. Тюляков, А. Ю. Феоктистов, К. Г. Шупен

ОАО «Российский институт радионавигации и времени» Россия, 191124, Санкт-Петербург, пл. Растрелли, 2 E-mail: bogdanov_pp@rirt.ru

Работа посвящена вопросам организации частотно-временного обеспечения (ЧВО) глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС. Рассмотрены основные задачи ЧВО ГНСС ГЛОНАСС, приведено краткое описание реализованной в настоящее время в центре управления системой ГЛОНАСС технологии ЧВО, представлены основные результаты анализа функционирования комплекса технических и программных средств ЧВО, достигнутые точностные характеристики ЧВО и основные направления их совершенствования.

Ключевые слова: навигационная спутниковая система, ГЛОНАСС.

PRINCIPAL DIRECTIONS OF THE FURTHER UPDATE OF THE GLONASS TIME-AND-FREQUENCY SUPPORT

P. P. Bogdanov, V. E. Druzhin, O. E. Nechaeva, A. E. Tyulyakov, A. Y. Feoktistov, K. G. Shupen

JSC “Russian Institute of Radionavigation and Time” 2 Rastrelli place, St. Petersburg, 191124, Russia E-mail: bogdanov_pp@rirt.ru

The paper presents the time-and-frequency support (TFS) of Global Navigation Satellite System (GNSS) of GLONASS. The basic functions of GNSS GLONASS TFS are considered, the TFS technology realized nowadays in GLONASS System Control Center is briefly described, the analysis of TFS hardware/software complex operation and its results are introduced, TFS accuracy characteristics and the main ways of their update are presented.

Keywords: global navigation satellite system, GLONASS.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) ГЛОНАСС предназначена для высокоточного координатно-временного и навигационного обеспечения морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.

Для достижения этого в системе реализуется синхронизация бортовых шкал времени (БШВ) всех космических аппаратов (КА) ГНСС относительно шкалы времени системы (ТТТВС) и синхронизации ШВС относительно принятой опорной шкалы времени (ШВ).

Данные задачи решаются в ГНСС ГЛОНАСС отдельным комплексом технических и программных

средств, получившим название системы синхронизации или частотно-временного обеспечения (ЧВО).

Система синхронизации ГНСС ГЛОНАСС совместно со средствами наземного комплекса управления (НКУ) и другими привлекаемыми средствами и комплексами реализует решение следующих основных задач ЧВО:

- формирование и хранение шкалы времени системы (ШВС) ГЛОНАСС;

- определение и прогнозирование расхождений бортовых шкал времени (БШВ) КА относительно ШВС, формирование для закладки на борт КА час-

тотно-временных поправок (ЧВП) или исходных данных (ИД) для их размножения на борту КА;

- определение и прогнозирование расхождения ШВС относительно опорной ШВ, формирование для закладки на борт КА соответствующих поправок или ИД для их размножения на борту КА;

- определение и прогнозирование взаимного расхождения ШВС ГЛОНАСС и системы «Навстар» (GPS), формирование для закладки на борт КА соответствующих поправок или ИД для их размножения на борту КА.

В работе представлены основные результаты анализа существующей технологии ЧВО ГНСС ГЛОНАСС, приведены достигнутые точностные характеристики (TX), рассмотрены основные направления совершенствования ЧВО ГНСС ГЛОНАСС.

1. Существующая технология ЧВО ГНСС ГЛОНАСС. Решение целевых задач ЧВО ГНСС ГЛОНАСС в настоящее время достигается с использованием следующей технологии, представленной на рисунке.

Tехнология предусматривает выполнение четырех основных технологических циклов (ГЦ): формирование ШВС ГЛОНАСС (Щ, ШВС), расчет и формирование ЧВП (T, ЧВП), расчет и формирование поправок к ШВС ГЛОНАСС относительно опорной ШВ (ГЦ TАУС), расчет и формирование поправок к ШВС ГЛОНАСС относительно ШВ системы «Навстар» (ШВ GPS) (T, TGPS).

Формирование ШВС ГЛОНАСС осуществляется в виде непрерывной ШВ на основе ШВ модернизированного центрального синхронизатора ГЛОНАСС (ЦС-М). При этом используются результаты определения расхождения ШВ ЦС-М относительно опорной

ШВ и информация о проведенных операциях управления работой ЦС-М.

Опорной ШВ для ГНСС ГЛОНАСС является национальная координированная шкала времени России UTC(SU), формируемая Государственным эталоном времени и частоты (ГЭВЧ). Расхождение ШВС ГЛОНАСС относительно UTC(SU) не должно превышать 1 мкс.

Для обеспечения требования по поддержанию расхождения БШВ КА относительно шкалы ГЭВЧ в заданных пределах не более 1 мс осуществляется начальная установка БШВ КА после его запуска, а затем контроль БШВ КА и при необходимости проведение операций фазирования, сверки и коррекции БШВ КА с помощью командно-измерительных систем (КИС) или закладочно-измерительных станций (ЗИС).

При коррекции UTC(SU) на плюс или минус 1 с производится соответствующая коррекция ШВ ЦС-М и БШВ всех КА.

Для привязки БШВ КА к ШВС ГЛОНАСС с нано-секундной точностью обеспечиваются:

- определение сеансных значений расхождения БШВ КА относительно ШВ измерительных средств НКУ (ATj) и преобразование полученных результатов к значениям расхождения БШВ КА относительно ШВС ГЛОНАСС (AT^6);

- совместная обработка сеансных значений расхождения БШВ КА относительно ШВС ГЛОНАСС на заданном интервале наблюдения для оценивания параметров ухода БШВ КА и его прогнозирования на заданный интервал времени;

- формирование ЧВП или ИД для размножения ЧВП на борту КА.

Определение расхождения БШВ КА относительно ШВ измерительных средств НКУ осуществляется по синхронным измерениям беззапросной дальности беззапросных измерительно-вычислительных систем (БИВС) и запросной дальности ЗИС (запросно-беззапросная технология) или по измерениям безза-просной дальности БИВС, беззапросных измерительных систем (БИС) и беззапросных измерительных средств из состава квантово-оптических систем (БИС КОС) и расчетным значениям дальности (беззапросная технология).

Преобразование значений расхождения БШВ КА относительно ШВ измерительных средств НКУ к значениям расхождения БШВ КА относительно ШВС ГЛОНАСС осуществляется путем последовательного учета параметров привязки ШВ измерительных средств к ШВ опорного измерительного средства ({a0, a^^), ШВ опорного измерительного средства к ШВ ЦС-М (т0) и ШВ ЦС-М к ШВС ГЛОНАСС ({a0, a1}швс) на моменты сеансов измерений.

Оценивание параметров ухода БШВ КА относительно ШВС ГЛОНАСС осуществляется с использованием алгоритма обработки сеансных результатов определения расхождения ШВ на основе метода наименьших квадратов (МНК).

Расчет и последующая закладка информации о ЧВП на КА выполняются на каждом витке.

Для формирования и последующей закладки на КА информации о расхождении ШВС ГЛОНАСС относительно шкалы ГЭВЧ обеспечиваются:

- определение сеансных значений расхождения ШВ ЦС-М относительно шкалы ГЭВЧ и преобразование полученных результатов к значениям расхождения ШВС ГЛОНАСС относительно шкалы ГЭВЧ (AT^);

- совместная обработка сеансных значений расхождения ШВС на заданном интервале наблюдения для оценивания параметров ухода ШВС ГЛОНАСС и его прогнозирования на заданный интервал времени;

- формирование поправок к ШВС ГЛОНАСС относительно шкалы ГЭВЧ или ИД для их размножения на борту КА.

Определение расхождения ШВ ЦС-М относительно шкалы ГЭВЧ осуществляется по информации из автоматизированного центра управления системой «Цель» (АЦУС), включающей значения расхождения ШВ ЦС-М и эталона министерства обороны (ЭМО) (ATW), полученных на основе обработки одновременных измерений аппаратуры привязки (АП) по сигналам КА ГЛОНАСС и GPS на ЦС-М и в АЦУС, и расхождения шкал времени ЭМО и ГЭВЧ (ATJ.

Расчет и последующая закладка на борт КА информации о поправках к ШВС ГЛОНАСС выполняется раз в сутки.

Для формирования и последующей закладки на КА информации о расхождении системной ШВ GPS относительно ШВС ГЛОНАСС обеспечиваются:

- определение сеансных значений расхождения системной ШВ GPS и ШВС ГЛОНАСС;

- совместная обработка сеансных значений расхождения системной ШВ GPS относительно ШВС ГЛОНАСС на заданном интервале наблюдения для

оценивания параметров расхождения ШВ и его прогнозирования на заданном интервале времени;

- формирование поправок к системной ШВ GPS относительно ШВС ГЛОНАСС или ИД для их размножения на борту КА.

Определение расхождения ШВС ГЛОНАСС и системной ШВ GPS (ATgps) осуществляется также в АЦУС на основе измерений АП по сигналам КА ГЛОНАСС и GPS.

Расчет и последующая закладка поправок к системной ШВ GPS выполняется раз в сутки.

Расчет и формирование всех видов ЧВИ, закладываемой на борт КА, осуществляется с помощью комплекса программ (КП) ЧВО на вычислительных средствах центра управления системой ГЛОНАСС (ЦУС-У) в соответствии с планами закладки специальной информации (СИ).

Сформированные массивы СИ передаются на один из пунктов для закладки на КА с помощью КИС или ЗИС.

Заложенная информация обрабатывается на борту КА и излучается в составе цифровой информации навигационных радиосигналов.

2. Анализ точностных характеристик ЧВО ГНСС ГЛОНАСС. В настоящее время орбитальная группировка (ОГ) КА ГНСС ГЛОНАСС состоит из КА «Глонасс-М», находящихся в штатной эксплуатации, и одного КА «Глонасс-К», проходящего этап летных испытаний.

На борту КА «Глонасс-М» установлены бортовые синхронизирующие устройства (БСУ) на основе трех квантовых стандартов частоты на атомно-лучевой рубке (КСЧ-АЛ^ с суточной нестабильностью не более 110-13, один из которых является рабочим, а два других находятся в «холодном» резерве. Оценка TX всех рабочих стандартов частоты на КА «Глонасс-М» в период их эксплуатации показывает, что для большинства генераторов на интервалах их штатной работы относительная погрешность по частоте находится в пределах ±2 10-12, среднее квадратическое относительное отклонение (СКОО) частоты при времени измерения 1 сутки не превышает (6-8) 10-14, а систематическое изменение частоты (дрейф) не наблюдается или не превышает нескольких единиц на 10-13 за месяц.

На борту КА «Глонасс-К» устанавливаются БСУ на основе двух КСЧ-АЛT и двух квантовых стандартов частоты на рубидиевой газовой ячейке (КСЧ-РГЯ) с суточной нестабильностью также не более 110-13. После включения БСУ одновременно включаются один КСЧ-АЛГ (в качестве рабочего) и один КСЧ-РГЯ, частота которого корректируется относительно частоты КСЧ-АЛХ После установления прогнозируемого дрейфа частоты КСЧ-РГЯ производится отключение КСЧ-АЖ и в качестве рабочего генератора БСУ используется КСЧ-РГЯ. При отказе КСЧ-РГЯ он отключается и производится включение КСЧ-АШ1 и резервного КСЧ-РГЯ, при необходимости алгоритм работы повторяется. При отказе обоих КСЧ-РГЯ БСУ функционирует, используя оставшийся ресурс КСЧ-АЛХ

В составе ЦС-М используется групповой водородный хранитель частоты и времени (ГВХЧВ), включающий четыре водородных стандарта частоты (ВСЧ) с суточной нестабильностью частоты не более 2 • 10-15. Относительное отклонение частоты ЦС-М поддерживается в пределах ±3 • 10-14.

В настоящее время определение расхождения БШВ КА осуществляется только по беззапросной технологии. Погрешность определения расхождения БШВ КА при штатном функционировании беззапрос-ных измерительных средств НКУ находится в пределах (2,3-3,4) нс (ст).

Погрешность определения расхождения ШВС ГЛОНАСС относительно шкалы ГЭВЧ по информации из АЦУС «Цель» не превышает 3,5 нс (ст), погрешность определения расхождения системной ШВ вРЯ и ШВС ГЛОНАСС - 8,0 нс (ст).

При штатном функционировании всех средств ГНСС ГЛОНАСС погрешность расчета и формирования ЧВП находится на уровне (3,0-6,0) нс (ст) в зависимости от точностных характеристик БСУ КА, погрешность расчета и формировании поправок к ШВС ГЛОНАСС - не превышает 15 нс (ст), погрешность расчета и формирования поправок к системной ШВ вРЯ - 10 нс (ст).

В то же время в поправках к ШВС ГЛОНАСС в настоящее время существует систематическая ошибка порядка 200 нс, обусловленная нештатным изменением внутренней задержки сигналов в опорном измерительном средстве после проведения ремонтновосстановительных работ в 2010 г.

3. Основные направления совершенствования ЧВО и пути их реализации. Совершенствование ЧВО ГНСС ГЛОНАСС должно достигаться за счет:

- создания, модернизации и привлечения новых средств и систем, повышения их точностных характеристик;

- совершенствования методик и алгоритмов обработки информации;

- совершенствования технологических циклов расчета и формирования ЧВИ;

- повышения характеристик надежности и отказоустойчивости.

Совершенствование ТХ средств, используемых для ЧВО, должно осуществляться по следующим основным направлениям:

- повышение стабильности частоты бортовых генераторов КА до уровня 1 • 10-14 и лучше;

- повышение стабильности частоты ЦС-М до уровня (0,5-1,0)-10-15;

- повышение точности наземных измерительных средств до уровня, обеспечивающего определение расхождения БШВ КА с погрешностью не более 0,5 нс;

- обеспечение высокоточной калибровки внутренних задержек сигналов измерительных средств НКУ и привлекаемых средств, а также, каналов командно-измерительной системы КА;

- расширение состава измерительных средств НКУ, в том числе вне территории России.

Совершенствование методик и алгоритмов обработки информации предполагается осуществлять по следующим основным направлениям:

- модернизация алгоритмов предварительной обработки информации и определения расхождения БШВ КА, в том числе на основе:

- внедрения кодово-фазовых и разностных технологий;

- использования измерительной информации бортовой аппаратуры межспутниковых измерений (БАМИ);

- использования информации системы высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП);

- совершенствование алгоритмов прогнозирования расхождения БШВ КА;

- совершенствование методик и алгоритмов сведения ШВ объектов системы.

Совершенствование ТЦ расчета и формирования ЧВИ предполагает реализацию следующих направлений:

- согласование ТЦ ЧВО и ТЦ баллистико-эфемеридного обеспечения (БЭО) в части минимизации ошибок прогнозирования эфемеридной информации (ЭИ), используемой при расчете ЧВП;

- увеличение количества закладок ЧВП на борт КА с целью минимизации ошибок прогнозирования ЧВП за счет старения информации;

- привлечение измерительной информации БАМИ и измерительных средств глобальных сетей для обеспечения наблюдаемости всей орбиты КА.

В части повышения характеристик надежности и отказоустойчивости для обеспечения непрерывности ЧВО предполагается реализация следующих основных направлений:

- обеспечение резервирования элементов системы, в том числе:

- ввод резервных ЦС-М;

- внедрение современных аппаратно-программных средств на основе отказоустойчивых технологий;

- устранение скачков ШВ измерительных средств, опорных ШВ на пунктах их размещения;

- повышение оперативности и надежности информационно-логического взаимодействия между элементами системы, системой и другими привлекаемыми средствами.

Результаты испытаний и эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС показывают, что при штатном функционировании всех средств ТХ ЧВО в основном соответствуют этапу 2 тактико-технических требований (ТТТ) к ГНСС ГЛОНАСС.

Достижение ТХ ЧВО 3-го этапа ТТТ к ГНСС ГЛОНАСС связано с повышением точностных и эксплуатационных характеристик всех средств системы, расширением сети измерительных средств НКУ, совершенствованием методик и алгоритмов обработки измерительной информации, определения и прогнозирования расхождения БШВ КА, совершенствования ТЦУ расчета и формирования ЧВИ, а также, с привлечением для ЧВО информации СВОЭВП и использованием межспутниковых измерений.

УДК 621.391

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАВИГАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БУДУЩИХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИГНАЛОВ ГНСС

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

А. В. Вейцель

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

Россия, 125993, Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4 E-mail: A.Veitsel@mail.ru

Анализируется текущее состояние спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO (европейская система), COMPASS (китайская система) и перспективы их развития для различных приложений позиционирования. Рассматривается особенности построения навигационной мультисистемной аппаратуры. Анализируются возможности использования новых сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и их влияние на построения навигационной аппаратуры и точностные характеристики позиционирования. Рассматриваются различные методы высокоточного позиционирования и методы слежения за сигналами в сложных условиях. Приводятся достигаемые точности позиционирования в различных режимах навигационной аппаратуры. Рассматриваются свойства навигациооных сигналов и их влияние на ошибку многолучевости. Приводятся примеры широкополосных сигналов, которые позволяют существенно уменьшить ошибку многолучевости.

Ключевые слова: одиночный приемник, глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), GPS, ГЛОНАСС, фазовые приращения, относительная точность, сельское хозяйство.

UPDATE OF NAVIGATION RECEIVERS CHARACTERISTICS WITH THE USE OF THE FUTURE LONG-RANGE GNSS SIGNALS

A. V. Veytsel

Moscow Aviation Institute (national research university)

4 Volokolamskoe highway, Moscow, GSP-3, A-80, 125993, Russia E-mail: A.Veitsel@mail.ru

Current state of GNSS, such as GPS, GLONASS, GALILEO (European system), COMPASS (Chinese system) and prospects in the development of various positioning applications designed for these systems are analyzed. Design of multisystem nagivation receivers are analyzed. Capabilities of new signals of global navigation satellite systems and effects on designing navigation devices and accuracy parameters of positioning are considred as well. Different methods of precision positioning and tracking algorithms in different conditions is presented. Results of using different signals received from GNSS systems along with attainable positioning accuracies for various navigation modes are given. Topcon’s new generation of navigation receivers designed with the help of ASIC Vanguard” with 226 universal navigation channels are presented. Characteristics and different operational modes of this precise positioning equipment are described. The characteristics of navigation signals and multipath errors are analyzed. The wide band navigation signals with minimal multipath error are presented.

Keywords: isolated receiver, global navigation satellite system (GNSS), GPS, GLONASS, phase increment, relative precision, agriculture.

1. Сигналы спутниковых навигационных систем. Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предназначены для определения местоположения пользователя, имеющего специальный навигационный приемник. Навигационные приемники нашли широкое применение в таких областях как геодезия, геология, картография, сельское хозяйство, строительство, мореплавание, авиация, системы управления различной техникой и т. д. Разные приложения накладывают свои требования по точности, обеспечиваемой навигационными приемниками.

В настоящее время в ГНСС применяются два основных типа позиционирования - абсолютное и относительное (дифференциальное) позиционирование. Под абсолютным позиционированием понимается определение местоположения одного навигационного приемника, установленного в точке с координатами, которые необходимо определить. При этом используются только собственные кодовые измерения навигационного приемника. Дифференциальное позиционирование производится с использованием как минимум двух навигационных приемников, где один из них является базовой станцией и располагается

PRINCIPAL DIRECTIONS OF THE FURTHER UPDATE OF THE GLONASS TIME-AND-FREQUENCY SUPPORT

Текст научной работы на тему «Основные направления повышения точности частотно-временного обеспечения ГНСС ГЛОНАСС»