CC BY
209
ГЕОДЕЗИЯ
УДК 528 : 629.783
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГЛОНАСС ТЕХНОЛОГИЙ
Александр Сергеевич Толстиков
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт метрологии», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр-т Димитрова, 4, доктор технических наук, начальник отдела измерений времени, частоты и определения параметров вращения Земли, e-mail: tolstikov@mail.ksn.ru
Владислав Андреевич Ащеулов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, кандидат технических наук, доцент, проректор по учебной работе, e-mail: aceulov@mail.ru
Константин Михайлович Антонович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры астрономии и гравиметрии СГГА, e-mail: kaf.astronomy@ssga
Юрий Венедиктович Сурнин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры астрономии и гравиметрии СГГА, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
В работе анализируется влияние многолучевости распространения навигационного сигнала и характерных для ГЛОНАСС технологий, неучтенных задержек навигационного сигнала в радиотрактах приемной аппаратуры на точность измерений геометрических дальностей от навигационных спутников до аппаратуры приема навигационных сигналов.
Ключевые слова: спутниковая навигационная система, ГЛОНАСС, беззапросные тра-екторные измерения, многолучевость, межлитерные задержки.
ACCURACY GUARANTEE FOR COORDINATE-TIME DETERMINATIONS USING GLONASS TECHNIQUES
Alexander S. Tolstikov
Federal State Unified Enterprise «Siberian Research Institute of Metrology», 630004, Russia, Novosibirsk, Dimitrova prospect, 4, Ph. D., Head of the department «Determination of Time, Frequency and the Earth rotation parameters», e-mail: tolstikov@mail.ksn.ru
3
Геодезия
Vladislav A. Ashcheulov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plohotnogo St., Ph. D., senior lecturer, vice-rector for education, SSGA, e-mail: aceulov@mail.ru
Konstantin M. Antonovich
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plohotnogo St., Ph. D., Prof., Department of Astronomy and Gravimetry, SSGA, e-mail: kaf.astronomy@ssga
Yury V. Surnin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plohotnogo St., Ph. D., Prof., Department of Astronomy and Gravimetry, SSGA, e-mail: kaf.astronomy@ssga
The paper analyses the effects of navigational signal multipath propagation and unrecorded signal delays in the receiving equipment radio channels, which are typical for GLONASS technologies, on the measurement accuracy as concerns navigation satellite geometrical ranging to the signal receivers.
Key words: satellite navigation system, GLONASS, unrequired path measurements, multipath propagation, inter-character delays.
В настоящее время, в рамках выполнения Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная спутниковая система» происходит модернизация отечественной спутниковой навигационной системы (СНС) ГЛОНАСС. Эта модернизация направлена на повышение точности и надежности координатновременных определений на основе ГЛОНАСС технологий, повышение доступности навигационных сигналов в различных условиях нахождения потребителей и обеспечение конкурентной способности ГЛОНАСС по отношению к GPS и развертываемой системе GALILEO [1].
Улучшение тактико-технических характеристик ГЛОНАСС происходит не только в пользовательском сегменте СНС, но и в сегментах, обеспечивающих функционирование самой навигационной системы.
В спутниковом сегменте ГЛОНАСС произошла замена орбитальной группировки спутников ГЛОНАСС на спутники нового поколения ГЛОНАСС-М. Проходят летные испытания спутники ГЛОНАСС-К. Новые спутники имеют увеличенный ресурс работоспособности, улучшенные тактико-технические характеристики бортовых систем и, что особенно важно, транслируют в двух частотных диапазонах L1 и L2 навигационный сигнал стандартной точности СТ1 и СТ2, доступный для любых потребителей [2].
Это обстоятельство позволяет потребителям полностью компенсировать задержки навигационных сигналов, возникающие в ионосферном слое Земли, и, за счет этого, повысить точность определения координат и параметров движения объектов потребителя.
В сегменте эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО), главной подсистеме космического комплекса ГЛОНАСС, обеспечивающей точность, информативность и достоверность навигационной информации поступающей потребителю, происходит переход на беззапросные технологии траекторных измерений, выполняемых по навигационным спутникам ГЛОНАСС [3].
4
Геодезия
Беззапросные технологии, по сравнению с применяемыми ранее запросными, обладают большей точностью, производительностью и информативностью. Из данных беззапросных траекторных измерений в зоне радиовидимости навигационных спутников ГЛОНАСС может быть одновременно извлечена информация о текущих навигационных параметрах спутников, об уходах бортовых шкал времени, о параметрах вращения Земли, о параметрах тропосферных слоев Земли и ряде других параметров.
Однако применение беззапросных технологий траекторных измерений наталкивается на ряд сложностей, связанных с зависимостью результатов измерений от большого числа влияющих факторов. В этой части проблемными вопросами компенсации влияющих факторов на точность траекторных измерений являются: учет проявлений многолучевости распространения навигационного сигнала и учет задержек навигационного сигнала в радиотрактах приемной аппаратуры на разных литерных частотах. Последнее обстоятельство характерно для системы ГЛОНАСС, где применяется частотное разделение радиоканалов [4].
Реализация технологии беззапросных траекторных измерений для целей ЭВО ГЛОНАСС предполагает развертывание сети беззапросных измерительных станций (БИС), в составе которых имеются прецизионные измерители дальностей от навигационных спутников до БИС и высокостабильные часы, шкалы времени которых должны быть согласованы с системной шкалой времени ГЛОНАСС.
Указанные проблемы, в той или иной степени, проявляются в других сегментах космического комплекса ГЛОНАСС.
В сегменте фундаментального обеспечения ГЛОНАСС, отвечающем за точные знания:
• о параметрах гравитационного поля Земли,
• о текущих параметрах вращения Земли, определяющих ориентацию Земли относительно инерциальной системы координат,
• о точном времени,
- значительный объем исходной информации для решения перечисленных задач получается из данных беззапросных траекторных измерений.
В пользовательском сегменте при решении задач геодезических определений, измерений текущих навигационных параметров объектов потребителя, определений точного времени и частоты пространственно разнесенных часов исходными данными являются результаты беззапросных траекторных измерений по орбитальной группировке навигационных спутников. Если для указанной группы задач проявление многолучевости в результатах траекторных измерений может быть снижено за счет планирования сеансов измерений или применения специальных аппаратных средств [5], то проблема калибровки радиотрактов приемной аппаратуры по задержкам на разных литерных частотах остается актуальной. Разброс в значениях этих задержек может достигать 20 наносекунд, что соответствует появлению нескомпенсированной погрешности в определении дальности до спутника в 6 метров [6].
5
Геодезия
Сегмент метрологического обеспечения отвечает за организацию единства измерений в космическом комплексе ГЛОНАСС. До настоящего времени поверка и калибровка аппаратуры приема навигационных сигналов осуществляется на основе использования геодезических полигонов с метрологически аттестованными реперными пунктами и линейными базисами [7]. При таком подходе испытаниям подвергается вся навигационная система в целом, в которой аппаратура приема навигационных сигналов является конечным звеном.
Чтобы сделать результаты испытаний приемной аппаратуры независимыми от состояния навигационной системы и выбранного состава орбитальной группировки, необходимы эталонные источники навигационных сигналов спутниковых систем. В этом случае, с помощью таких эталонных источников достаточно просто решалась бы задача калибровки радиотрактов приемной аппаратуры по задержкам на разных литерных частотах. Однако до настоящего времени источников навигационных сигналов эталонного уровня не создано.
Функциональные дополнения СНС ГЛОНАСС, обеспечивающие повышение точности и надежности координатно-временных определений, представляются локальными и широкозонными системами дифференциальной коррекции и мониторинга навигационных сигналов. Исходной информацией для формирования дифференциальных поправок являются данные беззапросных траек-торных измерений, для которых проблемными остаются учет межлитерных и междиапазонных задержек навигационных сигналов в радиотрактах приемной аппаратуры и компенсация проявлений многолучевости распространения навигационных сигналов.
Характеризуя в целом состояние дел по обеспечению единства измерений в космическом комплексе ГЛОНАСС и в повышении точности координатновременных определений на основе модернизированных ГЛОНАСС технологий можно отметить следующее.
1. Важную роль в получении информации для задач координатновременных определений в пользовательском сегменте и в сегментах, обеспечивающих функционирование космического комплекса ГЛОНАСС, приобретают беззапросные траекторные измерения.
2. Главной особенностью беззапросных технологий траекторных измерений является большое количество факторов, влияющих на точность измерения геометрических дальностей от передающих антенн навигационных спутников до антенных модулей беззапросной приемной аппаратуры.
3. Для значительной части этих факторов существуют отработанные методики и разработанные в ходе модернизации космического комплекса ГЛОНАСС программно-аппаратные средства, позволяющие компенсировать влияние указанных факторов на точность измерений геометрических дальностей. В группу этих факторов могут быть отнесены ионосферные и тропосферные задержки навигационных сигналов, уходы бортовых и наземных часов относительно системной шкалы времени, релятивистские факторы.
6
Геодезия
4. Однако имеются факторы, связанные с конструктивными особенностями применяемых антенно-фидерных устройств (АФУ), особенностями входных радиотрактов приемной аппаратуры, принципиальными особенностями ГЛОНАСС технологий, оценка влияния которых на точность измерения геометрической дальности представляется проблематичной. Это факторы, порожденные многолучевостью распространения навигационного сигнала и наличием неконтролируемых задержек навигационного сигнала в радиотрактах приемной аппаратуры на разных литерных частотах.
В 2011г. ФГУП «СНИИМ» и ФГБОУ ВПО «СГГА» при поддержке ФГБОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и ОАО «Информационные спутниковые системы» им. М.Ф. Решетнева были проведены исследования прецизионного измерителя наклонных дальностей МРК 33, который рассматривается как прототип БИС в системе эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС, в сравнении с высокоточными зарубежными измерителями. Анализировалось влияние проблемных факторов: проявлений многолучевости и наличия неучтенных задержек навигационного сигнала на точность измерений геометрических дальностей от навигационного спутника до антенны БИС.
Для исследования проявлений многолучевости использовалась оригинальная методика обработки навигационных сигналов, основанная на существовании разной чувствительности кодовых и фазовых дальномерных измерений к проявлениям многопутности. Сравнительный анализ проводился на основе разностей кодовых измерений стандартной (СТ) и высокой (Р) точностей с фазовыми измерениями для аппаратуры МРК 33 и образцовой зарубежной аппаратуры. Для расчета указанных разностей в соответствии с равенствами
Y(CT) =
Cl
---2 *(С2-С1) - L\ ^—у *(C2-Ll)
fi-fi
fi-fi
Y{BT) =
P\
---^-r*(P2-P\) - LI----p^-r*{L2-L\)
fl ~ ft
fl ~ ft
использовались результаты кодовых измерений С1 и C2 на частотах f и f2 стандартной точности, кодовых измерений P1 и P2 на частотах f и f2 высокой точности, фазовых измерений L1 и L1 на частотах / и f2, полученные в
одинаковых условиях для разных типов аппаратуры.
Для иллюстрации различных проявлений многолучевости на рис. 1, 2 приведены разности Y(BT) после их центрирования.
Сравнение разностей Y(BT) показывает, что на углах возвышения больше 35° аппаратура МРК 33 с штатной антенной обеспечивает устойчивую работу с малым уровнем шумов измерений. При углах возвышения меньше 35° наблюдаются проявления многолучевости в виде пачек выбросов.
7
Геодезия
Рис. 1. Разность Y(BT), полученная по результатам измерений дальности до спутника ГЛОНАСС 11 с помощью аппаратуры МРК 33
Рис. 2. Разность Y (BT), полученная по результатам измерений дальности до спутника ГЛОНАСС 11 с помощью аппаратуры NetR5 с антенной Trimble Zephyr Geodetic 2
8
Геодезия
Для оценки влияния неучтенных задержек навигационного сигнала в радиотрактах в соответствии с требованиями [7] сравнивались оценки уровней остаточных невязок приращений координат базовых линий в замкнутых фигурах, образованных этими базовыми линиями. Исходными данными для таких определений являются результаты определения геометрических дальностей от спутника до приемника навигационных сигналов.
Сравнивались результаты обработки данных траекторных измерений, полученные с помощью двух комплектов МРК 33, и результаты аналогичных измерений от аппаратуры Trimble Net R5, Leica GRX1200GG, Trimble R7 GNSS, Trimble 4000SS для коротких векторов базовых линий (длиной до 20 м) и для «сверхдлинных» векторов базовых линий (2,5-3 тыс. км).
Абсолютные максимальные значения невязок для измерений с помощью МРК 33 составляют dX = 79 мм, dY = 47 мм, dZ = 61 мм; для зарубежных измерителей невязки в замкнутых фигурах на коротких линиях - на порядок меньше.
Для оценки уровней невязок в замкнутых фигурах на длинных линиях, помимо двух комплектов аппаратуры МРК 33, в эксперимент была включена аппаратура, установленная на пункте SSGA (Trimble Net R5), и 3 пункта с аппаратурой, установленной на пунктах Международной ГНСС службы: Менделеево, Lhasa и Тикси. Эти пункты были выбраны из-за соображений наилучшей геометрии их расположения по отношению к Новосибирску и наличия двухсистемной ГЛОНАСС/GPS-аппаратуры. Уровень невязок в этих измерениях оказался соизмеримым для аппаратуры МРК 33 и зарубежных образцов аппаратуры приема навигационных сигналов.
Заключение
1. Трудности исследования проявлений многолучевости, сложность оценки их доли в общей погрешности измерений геометрических дальностей потребовали привлечения специальных методик выделения указанных факторов из общей группы влияющих факторов и проведения сравнительных экспериментальных исследований аппаратуры МРК 33 относительно высокоточных зарубежных беззапросных измерителей геометрических дальностей. Характеристики МРК 33 сравнивались на площадке СГГА с образцовой аппаратурой Trimble Net R5 и на площадке СНИИМ с аппаратурой Javad Legacy и Javad Triumph.
2. Дополнительно исследовались возможности оценивания межлитерных и междиапазонных задержек в радиотрактах приемной аппаратуры МРК 33.
3. Проведен сравнительный анализ точностых характеристик МРК 33 и аналогичных характеристик зарубежных беззапросных измерителей Trimble NetR5; Javad Legacy и Javad Triumph по различным методикам:
- по методике оценивания влияния многолучевости прохождения навигационного сигнала;
- по остаточным невязкам в замкнутых фигурах на длинных (до 2 000 км) и коротких (до 5 м) линиях.
9
Геодезия
4. Проведенный сравнительный анализ результатов измерений текущих навигационных параметров по методике оценивания проявлений многолучевости показал:
- результаты обработки измерений МРК 33 со штатной антенной и измерений МРК 33 с антенной Topcon CR3 на радиовидимых фрагментах орбиты при углах места от 35 до 125° идентичны; при меньших углах места в результатах обработки данных с МРК 33, укомплектованной штатной антенной, наблюдается разброс данных и отклонения (до 0,5 м) трендовой составляющей процесса, ассиметричны относительно ее среднего уровня;
- при сравнении результатов обработки измерений МРК 33 со штатной антенной и измерений Trimble NetR5 с антенной Trimble Zephyr Geodetic 2 в данных Trimble NetR5 наблюдается ровная на всем прохождении спутников шумовая дорожка и отсутствует проявление многолучевости;
- при анализе результатов обработки МРК 33 в сложных условиях приема навигационных сигналов на площадке СНИИМ наблюдались разрывы в данных и пачки выбросов; сравниваемые измерители Javad Legacy и Javad Triumph в этих же условиях показывали устойчивую работу.
5. Влияние неучтенных межлитерных задержек оценивалось при испытаниях МРК 33 по величине остаточных невязок в замкнутых фигурах на длинных и коротких линиях. Экспериментально установлено, что результаты оценивания, выраженные в СКП для аппаратуры МРК 33 на коротких линиях (до 5 м), на порядок хуже, чем аналогичные результаты для аппаратуры Trimble NetR5, Trimble R7, Trimble 4000 GNSS; на длинных линиях (до 2 000 км).
6. Проведенный сравнительный анализ аппаратуры приводит к выводам, что улучшение характеристик точности и надежности аппаратуры МРК 33 может быть достигнуто путем:
- улучшения качества АФУ с целью подавления эффекта многолучевости;
- улучшения свойств приемного тракта за счет применения сложных корреляторов, снижающих эффекты влияния многолучевости [8];
- применения алгоритмов предварительной обработки результатов беззапросных траекторных измерений, обеспечивающих исключение пачек выбросов и восполнение пропущенных данных измерений [9].
7. Применение аналитических поправок для компенсации эффекта многолучевости не представляется целесообразным, поскольку строгой повторяемости формы выделяемой трендовой составляющей в результатах обработки не обнаружено. Это говорит о ситуационной природе наблюдаемых проявлений многолучевости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Урличич Ю.М., Ступак Г.Г., Дворкин В.В. Состояние, перспективы развития и применения системы ГЛОНАСС: материалы Всероссийской научно-технической конференции «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека» (10-14 октября 2007 г., г. Железногорск) / под общ. ред. Н.А. Тестоедова; Сибирский государственный аэрокосмический университет. - Красноярск, 2007. - С. 14-18.
10
Геодезия
2. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ (Редакция 5.1). - М.: КНИЦ, 2008. - 28 с.
3. Бартенев В.А., Гречкосеев А.К., Кокорин В.И., Гребенников А.В. Создание сети беззапросных измерительных систем для эфемеридно-временного обеспечения системы ГЛОНАСС: материалы Всероссийской научно-технической конференции «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека» (10-14 октября 2007 г., г. Железногорск) / под общ. ред. Н.А. Тестоедова; Сибирский государственный аэрокосмический университет. - Красноярск, 2007. - С. 156-158.
4. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Попова, В.А. Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с.
5. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. - Т 1. - М.: Картогеоцентр, 2005. - 334 с.
6. Федоров В.Н. Оценка погрешностей беззапросных средств измерений ГЛОНАСС // Измерительная техника. - 2009. - № 1. - С. 25-28.
7. ГОСТ Р 53606-2009. Глобальная навигационная система. Методы и технологии выполнения геодезических и землеустроительных работ. Метрологическое обеспечение. Основные положения. -М.: Стандартинформ, 2010.
8. Поваляев Е., Хуторной С. Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 3. Борьба с многолучевостью // Инженерная микроэлектроника. - 2002. - № 2. - С. 23-30.
9. Жданюк Б.Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений. - М.: Сов. радио, 1978. - 384 с.
Получено 27.03.2012
© А.С. Толстиков, В.А. Ащеулов, К.М. Антонович, Ю.В. Сурнин, 2012
11
