CC BY
133
УДК 621.396.2 А.С. Толстиков
ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
О.В. Нетесаная
СГГА, Новосибирск
ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗЗАПРОСНЫХ ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПО КА ГЛОНАСС
A.S. Tolstikov, O.V. Netesanaya
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM)
4 Dimitrova UI., Novosibirsk, 630004, Russian Federation, SSGA, 10 Plahotnogo UI, Novosibirsk, 630108, Russian Federation
THE OBJECTIVES OF METROLOGICAL SUPPLIES OF REQUESTLESS SC GLONASS TRAJECTORY MEASUREMENTS
This lecture lightens the objectives of high-precision positioning supplies as specifically as GLONASS technologies.
С открытием СНС ГЛОНАСС для гражданского применения возникли вопросы конкурентной способности системы по отношению к СНС GPS и СНС GALILEO. Эти вопросы сводятся в первую очередь к обеспечению требований точности и надежности позиционирования, целостности системы и ее доступности для широкого круга потребителей. Существенными в этом плане также являются:
- Наличие дифференциальных приложений системы,
- Интегрирование с другими техническими средствами координатновременных и навигационных определений,
- Существование широкого парка многофункциональной аппаратуры пользователей СНС.
Высокие точностные характеристики координатно-временных и навигационных определений на основе СНС ГЛОНАСС требуют создания качественных эфемеридно-баллистического и эфемеридно-временного обеспечений и наличия метрологического обеспечения всех сегментов СНС ГЛОНАСС на этапах проектирования, производства, испытания и эксплуатации функциональных блоков системы.
В соответствии с концептуальными решениями развития ГЛОНАСС [1] основным источником данных для формирования эфемеридно-баллистического и эфемеридно-временного обеспечений являются беззапросные траекторные измерения по КА «ГЛОНАСС», КА «GPS» и KA «GALILEO». Для этих целей создается сеть беззапросных измерительных
станций (БИС). По указанным орбитальным группировкам выполняются измерения геометрических дальностей от навигационных КА до приемных антенн БИС
Р(ий’иАйй) = ^(Хх - хАей)2 + (Уй ~ У Лей)2 + (2Й - 2 Лей)2 • С1)
В (1) -итй=[хй,уй,гй\,итАЁй=[хАЁй,УлЁй^ЛЁй^- векторы текущих координат КА и БИС соответственно.
Измерение указанных дальностей радиотехническими методами сводится к определению длительности интервала времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от КА до БИС. Этот измеренный временной интервал Б (г), выраженный в единицах длины и именуемый в дальнейшем «псевдодальность», связан с геометрической наклонной дальностью р(ий,имй) уравнением измерений
п
Щ) ~ Р(Цс’^АЁй ) + с-Д7’с(0 + Ер*(0, (2)
к=1
где Лгс(0 - уход бортовых часов относительно ттткальт центрального синхронизатора системы;
рк(0,к = 1,... 11 - факторы, влияющие на точность измерений р(ис,иМЙ) на каждой радиотрассе. В частности:
д1(0 = с-АТЛЁЙ(0 - уход часов приемной аппаратуры БИС относительно шкалы центрального синхронизатора системы;
с*2 (0 = (0 - задержка навигационного сигнала в ионосферном слое;
д3 (0 = Л£>о(0 - задержка навигационного сигнала в тропосферном слое; д4 (г) - смещение фазового центра передающей антенны относительно центра масс навигационного спутника;
д5 (г) - смещение фазового центра приемной антенны БИС относительно ее геометрического центра;
д (г) - погрешности от релятивистских эффектов; д1 = N -Л - неоднозначность фазовых измерений;
д (г) - погрешности приведения координат БИС в инерциальную систему координат и погрешности задания эфемерид спутника;
д9 (г) - погрешности приведения измеренных дальностей к моменту
прихода навигационного сигнала на приемную антенну;
д10 (г) - погрешности от многопутности и разрывы в данных кодовых измерений;
(0 = ^(0 - погрешности случайной природы, включающие шумы измерений, неучтенные задержки в измерительных каналах; для ГЛОНАСС -нескомпенсированные межлитерные задержки.
На основе кодовых и фазовых псевдодальномерных измерений Б (г) по оценкам геометрических дальностей р(ис,иАМ) строятся математические модели движения навигационных КА и рассчитывается необходимая
эфемеридно-временная информация. По оценкам уходов бортовых шкал Атс (0 строятся математические модели нестабильности бортовых часов. С применением этих моделей рассчитываются частотно-временные поправки к бортовым часам, составляющие эфемеридно-временное обеспечение системы.
Требуемая точность оценивания р(ис,илм) и лу;.(7) по результатам траекторных измерений обеспечивается за счет применения оптимальных алгоритмов оценивания и путем снижения уровней влияющих факторов рк (г) в уравнении (2).
В частности, для достижения малого уровня дг(0 = с-АтМЙ(0 решается задача синхронизации часов БИС по навигационным сигналам КА ГЛОНАСС [2]. Ионосферные д2(г) и тропосферные д3(г) факторы уменьшаются путем применения рассчитанных компенсирующих поправок. Поправки для компенсации факторов д4 (г) , д5 (г) определяются на этапе калибровки антенно-фидерных устройств передающей и приемной аппаратуры. Имеются различные методики для учета влияния факторов рк^),к = 5,..., 10. В группе факторов дп (г) проблемными остаются погрешности, связанные с
неопределенными задержками навигационного сигнала в измерительных трактах приемной аппаратуры БИС.
Эти проблемы связаны с использованием в СНС ГЛОНАСС частотного разделения каналов приема навигационных сигналов. В силу частотной зависимости аналоговых трактов аппаратуры ГЛОНАСС, на разных литерных частотах возникают отличные друг от друга межлитерные задержки прохождения навигационных сигналов. Вследствие этого, одно и тоже измеряемое расстояние от навигационного КА до приемной антенны БИС может воспроизводиться по разным каналам в виде разных по длительности интервалов времени. Возникающая при этом неопределенность в оценивании геометрической дальности р(ис,иМЙ) может составлять несколько метров, что в конечном счете ограничивает точность координатно-временных определений на основе применения ГЛОНАСС технологий.
Основной путь к достижению высоких точностных характеристик беззапросных траекторных измерений, выполняемых для целей эфемеридно-баллистического и эфемеридно-временного обеспечений, заключается в создании качественного метрологического обеспечения этих измерений. Это метрологическое обеспечение включает в себя:
- Создание эталонных и образцовых средств траекторных измерений,
- Нормирование и оценивание метрологических характеристик каналов формирования результатов координатно-временных и навигационных определений;
- Создание физических имитаторов навигационно-временных полей эталонного уровня;
- Создание программных имитаторов формирования измерительной информации сети БИС и сети лазерных дальномеров, имитаторов движения
орбитальной группировки навигационных спутников, имитаторов наземного комплекса управления (НЕСУ) ГЛОНАСС;
- Создание программных комплексов для оценки метрологических характеристик бортовой аппаратуры; аппаратура из состава НКУ и аппаратуры потребителей СНС, а также для исследования точностных характеристик применяемых алгоритмов оценивания состояний орбитальной группировки, алгоритмов идентификации параметров и алгоритмов прогнозирования;
- Создание средств поверки и разработка методик выполнения измерений, поверки и калибровки средств измерений, применяемых в составе СНС.
Традиционно для поверки и калибровки аппаратуры пользователей СНС применяются методики, предполагающие использование геодезических полигонов с реперными пунктами, определенными в тех или иных системах координат (ПЗ 90, WGS 84, ITRF-2000). По ряду причин такой подход не может быть использован для поверки или калибровки аппаратуры, которая предназначена для измерения длин.
- Указанные реперные пункты воспроизводят не длину радиотрассы, по которой распространяются навигационные радиосигналы, а свои координаты.
- Результаты такой калибровки отражают состояние всей навигационной системы, а не калибруемой аппаратуры. В условиях смены поколений навигационных спутников и недостаточной по составу орбитальной группировке, СНС ГЛОНАСС в настоящее время не может быть использована для поверки и калибровки навигационной аппаратуры.
- При известных в ПЗ-90 координатах реперных пунктов и принятых бортовых эфемеридах геометрические дальности от НС до потребителя могут быть рассчитаны. Однако, эти рассчитанные дальности не могут быть использованы в качестве образцовых или эталонных длин, поскольку общая погрешность воспроизведения таких дальностей будет достаточно больная из-за неточности бортовых эфемерид и большого количества факторов, влияющих на точность измерения псевдодальностей.
Обсуждая проблемы обеспечения точности координатно-временных определений на основе ГЛОНАСС технологий, необходимо отметить следующее.
1. Точность координатно-временных определений на основе ГЛОНАСС технологий существенным образом зависит от качества эфемеридно-баллистическогои эфемеридно-временного обеспечений системы.
2. Для создания качественного эфемеридно-баллистическогои эфемеридно-временного обеспечений системы требуется решать задачи
идентификации математических моделей движения навигационных КА иматематических моделей нестабильностей бортовых часов.
3. Поскольку для формирования эфемеридно-баллистическогои эфемеридно-временного обеспечений системы используются данные беззапросных траекторных измерений, выполняемых с сети БИС, к точности таких измерений предъявляются высокие требования.
4. При выполнении беззапросных траекторных измерений существуют неопределенности, связанные с неучтенными межлитерными задержками навигационных сигналов в частотнозависимых аналоговых трактахприемной аппаратуры. Для калибровки приемной аппаратурыБИС с целью определения указанных межлитерных задержек требуется разработка специализированных компарирующих устройств.
5. Важными факторами, влияющими на качество эфемеридно-баллистического и эфемеридно-временного обеспечений системы, является конфигурация сети беззапросных измерительных станций, выполняющих траекторные измерения по навтгационным КА. Желательные условия для таких измерений - полное покрытие контролируемых орбит навигационных КА. К сожалению распределение сети БИС ограничивается главным образом территорией Российской федерации, что не обеспечивает требуемого покрытия орбит КА ГЛОНАСС.
6. Высокие требования к точности эфемеридно-баллистическогои эфемеридно-временного обеспечений системы предъявляются для «особого периода» длительностью до 15 суток, когда требуется автономное функционирование спутникового сегмента СНС ГЛОНАСС. Для этого случая требуются качественные прогнозы движения орбитальной группировки КА ГЛОНАСС и высокоточные прогнозы изменения параметров вращения Земли.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бартенев, В.А. Состояние и перспективы развития космического комплекса системы ГЛОНАСС/В.А. Бартенев//Фундаментальное и прикладное координатновременное и навигационное обеспечение. (КВНО-2007) Вторая Всероссийская конференция. - СПб.: ИПА РАН. - 2007. - С. 63, 66.
2. Tolstikov, A.S. Comparative Analysis of Synchronization Techniques of Spatial Diversity Clocks Navigation Signals / A.S. Tolstikov, A.K. Grechkoseev, V.I. Kokorin, V.M. Vladimirov // Telsiks2007. Proceedings of Papers. Volume 2 of 2 volumes. //8th International Conference of Telecommunications in Modern Satellite, and Broadcasting Services. Serbia, Nis. 26-28 September, 2007. - P.356-368.
© A.C. Толстиков, О.В. Нетесаная, 2008
