Программный имитатор измерительной информации, поступающей с КА ГЛОНАСС и КА GPS Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.2

А.С. Толстиков, О.В. Бояркеева ФГУП «СНИИМ», СГГА, Новосибирск

ПРОГРАММНЫЙ ИМИТАТОР ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ПОСТУПАЮЩЕЙ С КА ГЛОНАСС И КА GPS

A.S. Tolstikov, O.V. Boyarkeeva

Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM)

4 Dimitrova UI., Novosibirsk, 630004, Russian Federation, SSGA, 10 Plahotnogo UI , Novosibirsk, 630108, Russian Federation

THE PROGRAM SIMULATOR OF THE MEASURING INFORMATION, ACTING FROM SV GLONASS AND SV GPS

In work it is a question of problems of formation of efemeridno-temporary maintenance of satellite navigating system GLONASS on a basis unrequestless of measuring technologies.

Research of the characteristics of accuracy of the specified efemeridno-temporary maintenance and of some other problem problems of the metrological plan is offered to be solved on the basis of the program simulator of measuring information ModBis 24 developed in «SSRIM» (Novosibirsk).

В настоящее время наземный комплекс управления (НКУ) ГЛОНАСС переходит на беззапросную технологию формирования эфемеридно-временной информации [1]. Эта технология применяется в космической навигационной системе GPS и будет положена в основу эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) космической навигационной системы GALILEO.

Для реализации беззапросной технологии развертывается сеть беззапросных измерительных станций (БИС). В силу того, что беззапросные технологии формирования ЭВО ГЛОНАСС находятся в стадии внедрения, многие проблемные вопросы нуждаются в отработке. В частности: необходима разработка алгоритмов, методик выполнения измерений, а также оценка точности для решения ряда задач ЭВО. Это, прежде всего:

- Восстановление орбит навигационных КА по данным беззапросных траекторных измерений;

- Идентификация действующих на КА возмущений;

- Компенсация факторов, влияющих на точность траекторных измерений;

- Оценивание параметров вращения Земли по данным беззапросных траекторных измерений;

Уточнение параметров распределения гравитационного потенциала Земли по данным траекторных измерений;

- Синхронизация часов пространственно разнесенных БИС по навигационным сигналам КА ГЛОНАСС;

- Выбор конфигурации расположения БИС;

- Разработка метрологического обеспечения беззапросных измерительных технологий, включающего в себя создание эталонной базы этих технологий, нормирование основных метрологических характеристик применяемых аппаратно-программных комплексов, оптимизацию режимов измерений и разработку процедур планирования сеансов измерений.

Ввиду сложности исследований точностных характеристик ЭВО, основанных на беззапросных измерительных технологиях, и невозможности в общем случае связать аналитическими зависимостями точностные характеристики с факторами, влияющими на точность, предлагается такие исследования проводить методом имитационного моделирования. Поскольку в имитационном эксперименте известны орбитальные параметры, частотно -временные поправки, структура и параметры согласующих моделей, параметры вращения Земли, имеется возможность непосредственного сравнения этих параметров с их оценками, полученными в процессе исследований тех или иных схем формирования ЭВО.

Значительная часть перечисленных выше задач может быть решена с помощью программного имитатора измерительной информации сети БИС, полученной по по КА ГЛОНАСС и КА GPS. Такой имитатор в виде пакета программ с пользовательским интерфейсом под общим названием Modbis 24 разработан в ФГУП «СНИИМ» для ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева» [2].

Функционально программный имитатор ModBis 24 обеспечивает решение следующих задач:

- Расчет движения орбитальной группировки КА ГЛОНАСС с учетом действующих на КА возмущений. В практике ЭВО спутниковых навигационных систем для описания движения КА применяется система оскулирующих элементов [3], представляющих собой комбинации Кеплеровых элементов орбиты. При таком описании удобно приводить действующие на КА возмущения к центру масс КА. В общем случае возмущенное движение КА в оскулирующих элементах описывается нелинейным дифференциальным уравнением вида

б = f(x,s,w,t)\ x(t0) = x0, (1)

где <5-6 -ти мерный вектор оскулирующих элементов орбиты,

f(x,s,w,t)— 6-ти мерная известная гладкая вектор-функция допускающая дифференцирование по х,s,w,t, причем /(0,0,0,г1) = 0,

s — 3-х мерный вектор действующих на КА моделируемых возмущений, представляющий собой комбинации следующих возмущений s;

S - возмущений от неравномерности гравитационного потенциала Земли,

s2 - возмущений от гравитационного воздействия на КА Луны и Солнца,

в3 - возмущений от радиационного воздействия на КА солнечного излучения,

м> — 3-х мерный вектор возмущений случайной природы.

- Задание сети БИС в геоцентрической системе координат. Сеть БИС в модельных исследованиях на основе имитатора МоёЕ^Б 24 задается в виде совокупности геоцентрических координат и] - х1,у1,г1 . Эти координаты

определяют положение фазового центра приемного антенного модуля /-ой БИС в геодезических системах ПЗ-90 или WGS -84, связанных с вращающейся Землей.

В модельных исследованиях на основе имитатора ModBis 24 в качестве и применялись координаты известных измерительных станций, или, при поиске оптимальной конфигурации сети БИС и при решении задачи оптимального планирования сеансов измерений, эти координаты рассчитывались в соответствии с условиями решаемых задач.

- Расчет геометрических дальностей от КА до БИС. Расчет геометрических дальностей р^и^^и^ между КА и БИС выполняется в соответствии с равенством

р(ит, иI ) = хш <7) - х1 ]2 + [ут <7) - уI ]2 + [{г) - ]2 , (2)

в котором 1 = \,...,Ы - номер БИС, итС1^)= -

текущие координаты КА в принятой геоцентрической системе координат на момент времени, соответствующий приходу навигационного сигнала от КА на антенну I-го БИС, 3 = 1,..., М - номер КА.

Необходимой операцией для расчета геометрических дальностей является приведение с помощью известных формализмов [3] оскулирующих элементов орбиты /-го КА в инерциальную систему координат ИСК 2000 и, далее, в выбранную геоцентрическую систему координат связанную с вращающейся Землей.

- Имитация факторов, влияющих на точность измерений. В реальных условиях приема в БИС навигационных сигналов от КА измерение геометрических дальностей радиотехническими методами сводится к определению длительности интервала времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от КА до БИС. Этот измеренный интервал времени (г), выраженный в единицах длины и именуемый в

дальнейшем «псевдодальностью», связан с геометрической дальностью р(иш,щ) уравнением измерений

12

А/ (0 = р(иш >и1) + Ел« (0 > (3)

к=1

где рк^),к = 1,...,12 - факторы, влияющие на точность измерений р(ис,и ) по каждой радиотрассе выраженные в единицах длины [4].

Данные факторы рк (г) , как и в описании действующих на КА возмущений 8 и w , делятся на моделируемые факторы, представляемые согласующими математическими моделями, и немоделируемые факторы, которые трактуются как реализации тех или иных случайных процессов.

Приемники навигационных сигналов, применяемые в составе БИС, обеспечивают одновременно до шести псевдодальномерных измерений по каждой радиотрассе в следующих режимах:

- Кодовые измерения стандартной точности С1 в диапазоне Ы,

- Кодовые измерения стандартной точности С2 в диапазоне Ь2 для КА ГЛОНАСС-М,

- Кодовые измерения повышенной точности Р1 в диапазоне /. /,

- Кодовые измерения стандартной точности Р2 в диапазоне Ь2,

- Фазовые измерения Ф1 в диапазоне Ы,

- Фазовые измерения Ф2 в диапазоне Ь2.

Каждому режиму измерений в имитаторе ModBis 24 обеспечено индивидуальное задание параметров влияющих факторов рл (г).

Для имитации уходов бортовых часов и уходов часов БИС (факторы рх (г) и р2 (г)) в ModBis 24 применены разработанные авторами процедуры формирования случайного процесса, адекватного этим уходам. Исходными данными для имитации уходов часов в этом случае является ряд дисперсий Аллана, определенных на интервалах времени 1 с, 10 с, 100 с, 10-3 с, 10-4 с, 10-5 с. Эти дисперсии Аллана полностью характеризуют долговременную и кратковременную нестабильности часов, построенных на основе квантовых стандартов частоты. Именно такие часы применяются на бортах КА ГЛОНАСС и в составе БИС.

Задержки навигационного сигнала в ионосферном слое р3 (г) представляются в виде линейной комбинации «функции отображения» (зависящей от угла места, под которых виден КА, и частоты несущей навигационного сигнала) и параметра, значения которого определяются полной электронной концентрацией на трассе.

Для представления тропосферной задержки навигационного сигнала р4 (г) в имитаторе ModBis 24 применяется математическая модель Х. Хопфилд [3]. Для этой модели в качестве исходных данных используются значения метеопараметров стандартной атмосферы в месте проведения измерений.

Факторы р5 (г) , р6 (г) , р9 (г) , р10 (г) в имитационных экспериментах задаются в виде функций времени, значения которых рассчитываются с учетом конструктивных параметров КА, параметров приемных антенных модулей, значений погрешностей задания эфемерид КА ГЛОНАСС, параметров траекторий КА в зонах радиовидимости БИС.

В группу факторов р12 (г) входят межлитерные и межчастотные задержки навигационного сигнала в бортовых источниках навигационного сигнала (БИНС) и в измерительных каналах БИС. Эти задержки связанны с специфичным для технологии ГЛОНАСС частотным разделением каналов. Разработка методик калибровки применяемой аппаратуры по этим задержкам и исследования влияний указанных задержек, на точность прецизионных координатно-временных определений являются для настоящего времени одной из актуальных задач метрологии.

Модельные исследования процесса синхронизации пространственно разнесенных часов. С помощью программного имитатора ModBis 24 исследовались алгоритмы решения задач, обеспечивающих функционирование сети БИС. Это, в частности, задачи синхронизации пространственно разнесенных часов (часов БИС) по навигационным сигналам КА [5].

Исследовались разработанные в ФГУП «СНИИМ» дифференциальные алгоритмы синхронизации по сигналам одного КА. Для этих задач был выбран КА № 7. На рисунке показана проекция траектории КА № 7, проходящая между пунктами синхронизации в г. Новосибирск и г. Иркутск.

Для одномоментной синхронизации по кодовым измерениям Р1 определены условия проведения сеанса синхронизации, при которых погрешность оценивания расхождения моментов шкал времени синхронизируемых часов не превышает 1 нс в условиях действия всех влияющих факторов р^ (г).

На основе фазовых псевдодальномерных измерений решалась задача оценивания разности частот генераторов синхронизируемых часов. С помощью дифференциальных алгоритмов синхронизации за один проход КА № 7 в зоне радиовидимости пунктов синхронизации получены оценки разности частот генераторов с относительной погрешностью не превышающей 0.9-10 15 . В эксперименте уровни кратковременной нестабильности синхронизируемых часов в СКДО(т),т <10с. выбирались 0.2 метра, СКО шумов измерений в единицах длины - 1 метр.

Программный имитатор измерительной информации сети беззапросных измерительных станций ModBis 24 представляет собой важный фрагмент метрологического обеспечения беззапросных траекторных измерений по КА ГЛОНАСС И КА GPS и эффективный инструмент для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС. С помощью программного имитатора ModBis 24 появляется возможность проводить сравнительный анализ алгоритмов оценивания орбит навигационных КА, алгоритмов синхронизации пространственно разнесенных часов, определять рациональный состав измерений и осуществлять обоснованный выбор согласующих математических моделей для расчета компенсирующих поправок к факторам, влияющим на точность беззапросных измерений.

Также программный имитатор ModBis 24 может быть использован в учебном процессе при подготовке студентов и аспирантов по специальностям «Космическая геодезия» и «Небесная механика».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Создание сети беззапросных измерительных систем для эфемеридно-временного обеспечения системы «ГЛОНАСС»/В.А. Бартенев, А.К. Гречкосеев, В.И. Кокорин, А.Н. Гребенников // Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40- летию запуска на орбиту навигационного КА «Космос-192» и 25-летию запуска первого КА «ГЛОНАСС». Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека, 10-14 окт. 2007, г. Железногорск/Сиб.ГОС. аэрокосмический университет. - Красноярск, 2007. - С. 156-159.

2. Владимиров, В.М. Имитатор измерительной информации для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС/В.М. Владимиров, А.К. Гречкосеев, А.С. Толстиков// Измерительная техника. - 2004. - № 8. - С. 12-14.

3. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т1./К.М. Антонович.-М.: Картогеоцентр, 2005. - 334 с.

4. Нетесаная, О.В. Исследование метрологических характеристик программного имитатора «MODBIS24»/О.В.Нетесаная//Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых Сибирской государственной геодезической академии. Вып. 5/ под общ. ред. Т А. Широковой. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 34-37.

5. 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// Х Telsiks 2007. 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. - Р. 356-368.

© А.С. Толстиков, О.В. Бояркеева, 2009