Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общий подход к решению задач координатно-временных определений на основе применения спутниковых навигационных технологий 21
1.1. Задачи координатно-временных определений в сегментах космического комплекса ГЛОНАСС 21
1.2. Общие условия, характерные для решения выделенных задач КВО 24
1.3. Состояние дел в части обеспечения точности решения задач КВО
1.4. Исходная информация для решения задач КВО
1.5. Математические модели процессов, участвующих в формировании псевдодальномер ной информации
1.6. Формализация общего подхода к решению задач координатно-временных определений
1.7. Критерии оптимальности оценивания
1.8. Основные результаты и выводы
ГЛАВА 2. Алгоритмы координатно-временных определений
2.1. Принципы построения алгоритмов КВО
2.2. Построение алгоритмов КВО из условий наблюдаемости динамического объекта
2.3. Рекуррентные алгоритмы КВО
2.4. Источники погрешностей КВО
2.5. Источники погрешностей прогнозирования
2.6. Основные результаты к выводы
ГЛАВА 3. Оценивание текущих навигационных параметров спутников глонасс по данным траекторных измерений 91
3.1. Обсуждение проблемы 91
3.2. Уравнение движения НС 93
3.3. Уравнения траекторных измерений 99
3.4. Описание движения НС с расширенным вектором состояния 108
3.5. Алгоритмы оценивания расширенного вектора состояния 109
3.6. Описание движения орбитальной группировки НС 113
3.7. Прогнозирование параметров движения НС 45
3.8. Прогнозирование ПВЗ по данным международной службы
вращения Земли (IERS) и данным Ростехрегулирования 132
3.9. Основные результаты и выводы 133
ГЛАВА 4. Синхронизация пространственно-разнесенных часов по навигационным сигналам СНС
4.1. Постанпнка и обсуждение яядячи синхронизации
4.2. Принципы построения алгоритмов синхронизации
4.3. Алгоритмы синхронизации.
4.4. Сравнительный анализ алгоритмов синхронизации
4.5. Оптимизация по точности алгоритмов синхронизации
4.6. Основные результаты и выводы
ГЛАВА 5. Формирование шкал групповых хранителей времени и частоты
5.1. Особенности формирования шкал времени групповых хранителей
5.2. Математические модели нестабильности квантовых стандартов частоты и времени
5.3. Алгоритмы идентификации математических моделей часов
5.4. Алгоритм прогнозирования уходов шкал времени
5.5. Алгоритм формирования шкалы группового хранителя времени
5.6. Алгоритм имитации ухода шкал времени часов по заданным характеристикам нестабильности в виде дисперсий Аллана 195
5.7.Формирование групповых шкал времени пространственно-разнесенных часов
5.8. Основные результаты и выводы .
ГЛАВА 6. Разработка средств метрологического обеспечения и методик беззапросных траек-торных измерений, выполняемых для целей эфе-меридно-времешюго обеспечения СНС «ГЛОПАСС»
6.1. Состояние метрологического обеспечения подсистем космического комплекса «ГЛОНАСС»
6.2. Группы метрологических характеристик системы эфемерндно-временного обеспечения СНС «ГЛОНАСС»
6.3. Локальная поверочная схема передачи размеров единиц времени, частоты, фазы и эталонных радионавигационных параметров
6.4. Проблемы оценивания межлитерных и междиапазонных задержек в аппаратуре ГЛОНАСС
6.5. Программный имитатор измерительной информации ModBis 24
6.6. Программный имитатор наземного сегмента НКУ в части формирования ЭВО ModBis 26
6.7. Основные результаты и выводы
ГЛАВА 7. Алгоритмы предварительной обработки беззапросных траекторных измерений
7.1. Подготовка уравнения измерений
7.2. Факторы, влияющие на точность траекторных измерений
7.3. Алгоритмы предварительной обработки
7.4. Основные результаты и выводы
Заключение
- Общие условия, характерные для решения выделенных задач КВО
- Построение алгоритмов КВО из условий наблюдаемости динамического объекта
- Алгоритмы оценивания расширенного вектора состояния
- Сравнительный анализ алгоритмов синхронизации
Введение к работе
Актуальность исследований
Модернизация отечественной навигационной системы ГЛОНАСС в соответствии с федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» осуществляется по ряду направлений.
Важнейшим направлением, определяющим точность и надежность позиционирования объектов потребителя на основе ГЛОНАСС–технологий, является совершенствование эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) ГЛОНАСС. Современное ЭВО ГЛОНАСС создано на основе трудов отечественных ученых: Решетнева М.Ф., Чернявских Г.М., Почукаева В.Н., Жданюка Б.Ф., Эльясберга П.Е., Быханова Е.В., Ревнивых С.Г., Глотова В.Д., Митрикаса В.В., Забокрицкого А.В., Пасынкова В.В. Модернизация ЭВО ГЛОНАСС связана с переходом основного источника информации о состоянии орбитальной группировки навигационных спутников на принципиально новые беззапросные технологии траекторных измерений. Эти беззапросные измерительные технологий, при их высокой производительности, информативности и потенциально высокой точности, характеризуются зависимостью от большого числа факторов, влияющих на точность измерений.
Реализация беззапросных технологий для целей ЭВО ГЛОНАСС (в этом направлении внесли значительный вклад: Бартенев В.А., Гречкосеев А.К., Пасынков В.В., Кокорин В.И., Владимиров В.М.) требует создания сети беззапросных измерительных станций (БИС), оснащенных прецизионными измерителями дальностей и высокостабильными часами, шкалы которых синхронизированы со шкалой Государственного эталона времени и частоты.
Применение беззапросных измерительных технологий для целей ЭВО ГЛОНАСС приводит к необходимости решения комплекса задач координатно-временных определений (КВО) на основе привлечения эффективных алгоритмов оценивания текущих навигационных параметров орбитальной группировки спутников, алгоритмов идентификации математических моделей движения спутников и действующих на спутники возмущений, а также алгоритмов прогнозирования этого движения, алгоритмов идентификации влияющих факторов в измерительных каналах и алгоритмов синхронизации пространственно-разнесенных часов БИС и бортовых часов.
Подобные задачи координатно-временных определений возникают в других направлениях модернизации космического комплекса ГЛОНАСС.
В сегменте фундаментального обеспечения ГЛОНАСС важной задачей является развитие методов и средств оценивания параметров вращения Земли по результатам траекторных измерений и методов высокоточного прогнозирования этих параметров для целей ЭВО ГЛОНАСС. Большую актуальность приобрела задача формирования шкал групповых хранителей времени, особенно для случаев, когда эти хранители пространственно разнесены.
В инфраструктуре космического комплекса ГЛОНАСС значительный вес приобретает сегмент метрологического обеспечения системы. В становление метрологического обеспечения ГЛОНАСС существенный вклад внесли Шайко А.И., Донченко С.И., Блинов И.Ю., Денисенко О.В., Гречкосеев А.К., Бартенев В.А., Красовский П.А., Басевич А.Б., Тюляков А.Б. Главным и проблемным вопросом метрологического плана для системы ГЛОНАСС становится обеспечение прослеживаемости измерений; что заключается в установлении связи результатов координатно-временных определений на основе ГЛОНАСС-технологий с единицами эталонных физических величин.
Важными являются: разработка методов и средств передачи размеров единиц основных эталонных физических величин рабочим эталонам космического комплекса ГЛОНАСС; разработка эталонных источников и эталонных приемников навигационных сигналов, эталонных измерительных каналов.
Для выделенных задач КВО наземного сегмента ЭВО ГЛОНАСС и для сегмента фундаментального обеспечения космического комплекса ГЛОНАСС большую важность приобретают исследования точности КВО, разработка методик выполнения измерений, методик поверки и калибровки рабочих эталонов и средств измерений, применяемых в составе наземного комплекса управления ГЛОНАСС.
Анализ современного состояния космического комплекса ГЛОНАСС показывает, что существующий уровень решения перечисленных задач эфемеридно-временного, фундаментального и метрологического обеспечений не отвечает в полной мере тактико-техническим требованиям, определенным в федеральной целевой программе «ГЛОНАСС» и в формируемой концепции федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование ГЛОНАСС» на 2012-2020 годы.
Предложенные в диссертационной работе методы и алгоритмы координатно-временных определений, основанные на применении спутни-ковых навигационных технологий, создают единую методологическую основу для решения ряда выделенных выше задач в сегментах, обеспечивающих функционирование спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и при решении штатных задач позиционирования объектов потребителя. Это позволяет считать тему диссертационных исследований актуальной.
Целями и задачами диссертационных исследований являются:
1. Формализация задач КВО, имеющих место в сегментах эфемеридно-временного, фундаментального и метрологического обеспечений спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, возникающих в связи с применением беззапросных технологий траекторных измерений.
2. Анализ факторов, влияющих на точность беззапросных траекторных измерений; обоснованный выбор математических моделей для влияющих факторов и идентификация параметров этих моделей. Разработка методов и средств имитационного моделирования беззапросных траекторных измерений, выполняемых для целей формирования ЭВО ГЛОНАСС.
3. Разработка эффективных методов и алгоритмов КВО на основе данных беззапросных траекторных измерений обеспечивающих компенсацию влияющих факторов в измерительных каналах.
4. Разработка методов и средств передачи размеров эталонных единиц времени и частоты к рабочим эталонным источникам и эталонным приемникам навигационных сигналов. Разработка методов, алгоритмов и соответствующих программных приложений для синхронизации пространственно-разнесенных высокостабильных часов по сигналам спутниковых навигационных систем.
5. Разработка:
- методики выполнения беззапросных траекторных измерений по сигналам спутниковых навигационных систем,
- методики синхронизации пространственно-разнесенных высокостабильных часов по сигналам спутниковых навигационных систем,
- методики формирования шкалы группового хранителя времени,
- методики высокоточного прогнозирования параметров вращения Земли для целей ЭВО ГЛОНАСС,
- методики калибровки эталонных источников и эталонных приемников навигационных сигналов на основе применения вторичного эталона времени и частоты ВЭТ 1-19.
6. Разработка методов и алгоритмов предварительной обработки результатов траекторных измерений, обеспечивающих фильтрацию шумов измерений и исключение аномальных значений, гладкое восполнение пропущенных данных и идентификацию скачков фазы несущей в результатах фазовых измерений.
Объектом диссертационных исследований являются составляющие инфраструктуры спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, отвечающие за эфемеридно-временное, фундаментальное и метрологическое обеспечения системы.
Предметом диссертационных исследований являются методы и алгоритмы КВО на основе данных беззапросных траекторных измерений по орбитальной группировке навигационных спутников, ориентированные на применение в сегментах, обеспечивающих функционирование спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и в пользовательском сегменте системы.
Методологические и теоретические основы исследований, на которые опирается диссертационная работа, возникли при изучении трудов отечественных и зарубежных ученых и научных школ в областях: построения спутниковых навигационных систем, алгоритмов обработки результатов траекторных измерений, принципов небесной механики, вопросов частотно-временных измерений и задачи синхронизации часов, построения устойчивых алгоритмов оценивания и алгоритмов идентификации.
Научная новизна исследований:
1. Создана единая методологическая основа для решения разнотипных задач КВО, имеющих место в сегментах эфемеридно-временного, фундаментального и метрологического обеспечений спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и в пользовательском сегменте ГЛОНАСС. В качестве исходных данных для решения указанных задач КВО используются результаты беззапросных траекторных измерений, выполняемых по навигационным спутникам ГЛОНАСС и GPS. В соответствии с предложенной методологией, решение указанных задач КВО сводятся к оцениванию вектора состояний некоторого расширенного динамического объекта. Выполнена формализация задач КВО, позволившая получить конструктивные оценки погрешностей оценивания.
2. Разработаны алгоритмы одновременного оценивания по данным беззапросных траекторных измерений: текущих навигационных параметров спутников ГЛОНАСС, параметров радиационного давления на спутники солнечного излучения, параметров нестабильности бортовых часов, параметров вращения Земли и параметров тропосферной задержки навигационного сигнала.
3. Разработана группа алгоритмов синхронизации пространственно-разнесенных часов по сигналам спутниковых навигационных систем, реализующих дифференциальные режимы и режимы прямых измерений. Для сети беззапросных измерительных станций синхронизация сводится к одновременному оцениванию координат антенного модуля станции и параметров нестабильности часов, применяемых в составе станции.
4. Впервые разработан и реализован в виде пакета программных модулей имитатор измерительной информации, поступающей с сети беззапросных измерительных станций по навигационным спутникам ГЛОНАСС и GPS. В программном имитаторе рассчитывается движение орбитальной группировки навигационных спутников, задается сеть беззапросных измерительных станций, рассчитываются геометрические дальности от спутников до станций и имитируются факторы, влияющие на точность траекторных измерений.
5. Разработаны эффективные алгоритмы предварительной обработки беззапросных кодовых и фазовых траекторных измерений, обеспечивающие исключение выбросов из состава результатов измерений, гладкое восполнение пропущенных данных и идентификацию скачков фазовой неоднозначности в фазовых измерениях.
6. Предложены комплексные математические модели долговременной и кратковременной нестабильностей часов, ориентированные на решение задач прогнозирования моментов шкал времени этих часов. Предложены алгоритмы идентификации параметров указанных моделей нестабильности.
7. Разработаны эффективные методы и алгоритмы высокоточного прогнозирования параметров вращения Земли, предназначенные для формирования ЭВО ГЛОНАСС. С помощью этих алгоритмов получены устойчивые результаты прогнозирования параметров вращения Земли, превосходящие по точности известные результаты прогнозирования аналогичных параметров в международной службе IERS.
Практическая значимость результатов диссертационных исследований связана с выполнением ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (ОКР), осуществляемых на основе хозяйственных договоров и контрактов между ФГУП «СНИИМ» и предприятиями:
- Ростехрегулирования РФ в обеспечение Государственной службы времени и частоты и в обеспечение ОКР «Метрология», «Полюс», «Эталон» федеральной целевой программы (ФЦП) «ГЛОНАСС»;
- Российского космического агентства РФ -
предприятия «Информационные спутниковые системы им. М.Ф. Решетнева» в обеспечение ОКР «НКУ», «Навигация», «ЭВО» ФЦП «ГЛОНАСС»,
предприятия «ОАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (ОАО «Российские космические системы»)» в обеспечение ОКР «Метрика-СМ» ФЦП «ГЛОНАСС»,
- Министерства образования и науки РФ–
ФГОУ Сибирский федеральный университет (г. Красноярск) в обеспечение ОКР «Метрология» ФЦП «ГЛОНАСС»,
НПФ «Электрон» (г. Красноярск) в обеспечение ОКР «НКУ» ФЦП «ГЛОНАСС»
и при поддержке отраслевого внебюджетного фонда Ростехрегулирования РФ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Общий подход к решению задач координатно-временных определений по данным беззапросных траекторных измерений путем сведения этих задач к оцениванию вектора состояния расширенного динамического объекта.
-
Алгоритмы оценивания текущих навигационных параметров спутников ГЛОНАСС и действующих на спутники возмущений по данным беззапросных траекторных измерений, оценки точности полученных результатов и разработанные на этой основе методики оценивания текущих навигационных параметров.
-
Алгоритмы синхронизации пространственно-разнесенных часов по сигналам спутниковых навигационных систем и полученные оценки точности синхронизации; рекомендации по выбору параметров алгоритмов и режимов проведения сеансов синхронизации.
-
Метод имитационного моделирования беззапросных траекторных измерений и реализованный на основе этого метода программный имитатор измерительной информации ModBis24 .
5. Алгоритмы и методики предварительной отработки данных беззапросных траекторных измерений в сеансах синхронизации группы пространственно-разнесенных часов по сигналам спутниковых навигационных систем и при оценивании текущих навигационных параметров орбитальной группировки спутников для целей формирования эфемеридно-временной информации.
6. Комплексные математические модели долговременной и кратковременной нестабильностей квантовых часов, примененные:
- при оценивании уходов бортовых часов по данным беззапросных траекторных измерений;
- в алгоритмах синхронизации пространственно-разнесенных часов по навигационным спутниковым сигналам;
- при формировании шкалы группового хранителя времени;
- при построении алгоритмов высокоточного прогнозирования ПВЗ;
- при исследованиях погрешностей частотно-временных определений.
7. Методы и алгоритмы высокоточного прогнозирования параметров вращения Земли, положенные в основу методик и программных приложений для расчета прогнозов всемирного времени UT1 и координат полюса Земли на короткие (до 10 суток) и длительные (до 90 суток) интервалы времени.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена корректным применением методов математического анализа, методов математической теории устойчивости, теории фильтрации, методов теории вероятностей и математической статистики. Полученные теоретические результаты хорошо согласуются с данными обработки натурных траекторных измерений и с результатами модельных исследований.
Внедрение результатов работы :
- в ФГУП «Сибирском государственном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте метрологии» (г. Новосибирск) в алгоритмах и программных приложениях алгоритмов идентификации нестационарных параметров динамических объектов; в методиках, алгоритмах и программных приложениях алгоритмов обработки измерительной информации в аэрофизических экспериментах; в программном имитаторе измерительной информации, поступающей с беззапросных измерительных станций по навигационным спутникам ГЛОНАСС и GPS; в методиках и алгоритмах формирования групповой шкалы эталона единиц времени и частоты ВЭТ 1-19; в методиках, алгоритмах и программных приложениях алгоритмов синхронизации опорных эталонных часов по сигналам спутниковых навигационных систем;
- в ОАО «Информационные спутниковые системы им. М.Ф. Решетнёва» (г. Железногорск) в методиках и алгоритмах выполнения беззапросных измерений текущих навигационных параметров спутников ГЛОНАСС и GPS; в методиках и алгоритмах высокоточного прогнозирования ПВЗ для целей автономного ЭВО; в программном имитаторе измерительной информации сети БИС, сети лазерных дальномеров и сети запросных измерительных станций по спутникам ГЛОНАСС;
- в НИИ «Радиотехника» при КГТУ (г. Красноярск) в методиках, алгоритмах и программных приложениях алгоритмов синхронизации пространственно разнесенных часов по сигналам спутниковых навигационных систем; в алгоритмах предварительной обработки результатов траекторных измерений по навигационным спутникам ГЛОНАСС;
- в ФГОУ ВПО Сибирском федеральном университете (г. Красноярск) в методиках калибровки эталонных источников навигационных сигналов и эталонных приемников навигационных сигналов по межканальным задержкам в радиотрактах этой аппаратуры; в разработанном компараторе метки времени;
- в отделе «Радиотехники и электроники» Красноярского научного центра СО РАН в алгоритмах и программных приложениях алгоритмов предварительной обработки спутниковых измерений; в методике и алгоритмах оценивания параметров ионосферы по результатам спутниковых измерений;
- в ФГУП «ВНИИФТРИ» (п. Менделеево, Московской обл.) в алгоритмах высокоточного прогнозирования ПВЗ;
- в Сибирском филиале ФГУП «ВНИИФТРИ» (г. Иркутск) в алгоритмах синхронизации пространственно-разнесенных высокостабильных часов по сигналам спутниковых навигационных систем, в алгоритмах формирования шкал групповых хранителей времени и частоты;
- в ФГОУ ВПО Сибирской государственной геодезической академии (г. Новосибирск) в учебном процессе при подготовке курсов лекций по дисциплинам «Общая теория измерений» и «Организация и планирование измерительного эксперимента».
Апробация работы. Основное содержание выполненных разработок и исследований докладывалось и обсуждалось на всесоюзных, всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе:
Всесоюзных симпозиумах, «Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии» (г. Новосибирск, 1972г., 1982г., 1985г., 1989г.), 5-ой Всесоюзной конференции «Проблемы метрологического обес-печения систем обработки измерительной информации» (г. Москва, НПО «ВНИИФТРИ», 1984г.), II-й Всесоюзной конференции по методам аэрофизических исследований (г. Новосибирск, 1979г.), IV-й Всесоюзной школы по методам аэрофизических исследований (г. Новосибирск, 1986г.), Сибирской научно-практической конференции «Актуальные проблемы метрологии, Сибметрология- 2001» (г. Новосибирск, 2001 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение современных военных технологий» (г. Москва, 2003г.), Первой, второй и третьей Всероссийских конференциях « Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение (КВО – 2005), (КВНО – 2007), (КВНО – 2009) (г. Санкт-Петербург, ИПА РАН), Всероссийской науч-но-технической конференции «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека» (г. Железногорск, 2007г.), 3-й Всероссийской конференции «Винеровские чтения -2009» (г. Иркутск, 2009г.), Всероссийской астрометрической конференции «Пулково- 2009», (г. Санкт-Петербург, 2009г.);
на международных конференциях, конгрессах, симпозиумах, в том числе:
Международной научно-практической конференции «Сибирский международный авиационно - космический салон» (САКС 2001) (г. Красно-ярск, 2001 г.), 7-м Международном симпозиуме «Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life» (г. Новосибирск, 2002 г.), Международном научном семинаре «Инновационные технологии – 2001» (Красноярск, 2001 г.), 4-й и 5-й Международных сибирских школах «International Siberian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials» «EDM 2003» и « EDM 2004» (п. Эрлагол Алт. Края 2003 г., 2004 г.), Международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП – 2004, АПЭП – 2010) (г. Новосибирск), Международной научно- технической конференции «Информационные системы и технологии» (г. Новосибирск, 2003 г.), 8-й Международной конференции «Telecommunications in Modern Satellite and Broadcasting Services» (Сербия, 2007 г.), Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь 2005», «ГЕО-Сибирь 2006», «ГЕО-Сибирь 2007», «ГЕО-Сибирь 2008», «ГЕО-Сибирь 2009», «ГЕО-Сибирь 2010», (г. Новосибирск), 15-м Международном симпозиуме «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (г. Красноярск, 2008 г.), Международной конференции «IERS Workshop on EOP Combination and Prediction» (г. Варшава, 2009 г.);
а так же на семинарах и совещаниях в ведущих научных центрах России: Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск, 1980 г., 1981 г.), в ФГУП «ВНИИФТРИ» (п. Менделеево, 2001 г., 2002 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.), в ОАО «Информационные спутниковые системы им. М.Ф.Решетнева» (г. Железногорск, 2007 г., 2008 г.), в Томском государст-венном университете систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, 2008 г.), в Институте лазерной физики СО РАН (г. Новосибирск, 2003 г.).
Публикации и личный вклад автора: по теме диссертации лично и в соавторстве опубликовано 96 печатных работ, их них 12 – в изданиях, рекомен-дованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований; а также в статьях и материалах международных и всероссийских конференций, симпозиумов и конгрессов.
Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором или при его непосредственном участии. В совместных публикациях автора его вклад состоит в постановке и проведении теоретических и прикладных иссле-дований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 324 страницах машинописного текста, состоящего из основного раздела на 288 страницах и трех приложений на 36 страницах, в которых содержатся материалы, поясняющие основной раздел, а также сведения о внедрении результатов диссертационных исследований, содержащие 7 актов о внедрении. Диссертация иллюстрируется рисунками и таблицами. Список использованной литературы включает 198 наименований.
Общие условия, характерные для решения выделенных задач КВО
С развертыванием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS в околоземном пространстве создаются поля навигационных сигналов. В зоне действия этих полей решается ряд задач координатно-временных определений (КВО) для различных сегментов спутниковой навигационной системы (СНС) ГЛОНАСС.
В сегменте потребителя СНС ГЛОНАСС с помощью аппаратуры приема навигационных сигналов решаются задачи определения текущих координат иГп(0 [ п([)уУп10 П(г)], параметров движения йп(г),йп(г) объектов, находящихся в зоне действия навигационных полей, а также воспроизводится текущий момент шкалы времени Тп((), согласованный с системной шкалой ЗД [1-4].
При этом координаты объекта и„(/) определяются в Гринвической системе координат (0,Xr.YrtZr), а моменты шкалы времени Tu(t) определяются в системе Государственного эталона времени и частоты [5,6]. Системы координат, применяемые в спутниковых навигационных технологиях, описаны в Приложении 1. В сегментах обеспечивающих функционирование СНС ГЛОНАСС существует необходимость в решении целого комплекса задач КВО. В частности, в наземном сегменте эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) ГЛОНАСС необходимо решать задачу прогнозирования параметров движения навигационных спутников (НС) на различные периоды времени 17,8]. Для этих целей, на основе данных траекторных измерений выполняемых с сети беззапросных измерительных станций, оцениваются текущие навигационные параметры НС. При описании движения НС в ннерциальной системе координат (QtXjf,Yff,Zff} (см. Приложение 1), в качестве навигационных параметров применяются кинематические элементы Ос(1) — 1хс(0 Ус(0 с(0] По восстановленным на интервале времени [ о 1 параметрам движения спутника u (t), iic(t) и восстановленным возмущениям Ц (г), действующим на спутник, строится математическая модель движения спутника в классе обыкновенных дифференциальных уравнений. Далее на основе этой модели рассчитываются прогнозы движения спутника йс(/),йс(/) на заданный интервал времени [tk,tp] [9]. Важными задачами наземного-сегмента ЭВО ГЛОНАСС также являются [2,3,6,10-12]: - восстановление уходов шкал времени бортовых часов 7 (0 относительно эталонной шкалы T$(t), идентификация параметров нестабильности этих часов и расчет прогнозов для уходов бортовых часов 7 (0 на заданный интервал прогнозирования [tk lp]; оценивание изменений параметров вращения Земли (ПВЗ) X(f) = (x/l(t),yp(t\dUTl([)y) устанавливающих связь между Гринвической {0,Xp,Yr,Zp) и инерциальной (0,A"#,fy,Z#) системами координат, а также прогнозирование этих изменении на интервал времени [t&Jp] Исходными данными для решения перечисленных задач КВО наземного сегмента ЭВО, как и для решения задач КВО потребителя, являются результаты измерений наклонных дальностей р{ис,\кц) от спутника до антенного модуля аппаратуры приема навигационных сигналов. Модернизация отечественной СНС связана с происходящим в настоящее время переводом основного источника навигационной информации для формирования ЭВО ГЛОНАСС на беззапросные технологии траекторных измерений [8,13,14]. Реализация беззапросных технологий траекторных измерений требует создания сети беззапросных измерительных станций (БИС) оснащенных прецизионными измерителями наклонных дальностей p(uc»utf) и высокостабильными часам [13]. Задачи КВО для сети БИС включают в себя: - оценивание уходов, часов.БИС 7}д(/),і = 1,...,яі, (я- число БИС в сети) относительно эталонной шкалы времени T$(t) по навигационным сигналам; - уточнение координат антенных модулей БИС иЛ. В большинстве случаев результаты траекторных измерений сети БИС требуют предварительной обработки с целью компенсации факторов, влияющих на точность измерений, фильтрации пгумов, исключения- выбросов из состава полученных данных, гладкого восполнения пропущенных данных [15-18]. Подобные задачи координатно-временных определений решаются в спутниковом сегменте ЭВО ГЛОНАСС на основе применения аппаратуры БАМИ (бортовой аппаратуры межеггутниковых измерений), БИНС (бортового источника навигационных сигналов) и БСУ (бортового синхронизирующего устройства) [11,19,20]. Эти задачи в диссертации не рассматриваются, но для их решения также может быть применен предлагаемый общий подход к решению задач КВО. В сегменте фундаментального обеспечения космического комплекса ГЛОНАСС основными задачами КВО являются [6,10,11-21]: - обеспечение космического комплекса ГЛОНАСС высокоточной шкалой координированного времени 7 (0 и сигналами эталонных частот на основе государственного группового пространственно-разнесенного эталона времени и частоты, - обеспечение ЭВО ГЛОНАСС параметрами вращения Земли Ц/) и высокоточными прогнозами этих параметров X(t). Точность этих прогнозов должна быть достаточной для периодов автономного функционирования спутникового сегмента ГЛОНАСС в особый период (до 15 суток), когда может быть разорвана связь спутникового сегмента с наземным комплексом управления системы. С появлением проблемы конкурентной способности СНС ГЛОНАСС значительный1 вес приобретает метрологическое обеспечение космического комплекса ГЛОНАСС для каждого сегмента космического комплекса [10,11,19,21-23]. Главное содержание метрологического обеспечения включает в себя: - создание эталонной базы для физических величин, участвующих в формировании измерительной, эфемеридно-временной и другой информации при реализации ГЛОНАСС - технологии [7,10,20]; - обеспечение проел ежив а емости измерении, что заключается в устаноатении связи результатов координатно-временных определений на основе ГЛОНАЄС-технологий с единицами эталонных физических величин [10.24]; - разработка методов и алгоритмов оценивания метрологических характеристик координатно-временных определений и оценок точности воспроизведения параметров навигационных полей [15,26-28]; - создание физических и программных средств воспроизведения параметров навигационных полей [29-33]; - разработка методик выполнения координатно-временных определений, методик поверки и калибровки применяемых средств измерений [34-39]. В диссертации проблемы метрологического обеспечения рассматриваются для наземного сегмента эфемеридно-временного обеспечения СНС ГЛОНАСС, сегмента фундаментального обеспечения СНС и сегмента потребителя.
Построение алгоритмов КВО из условий наблюдаемости динамического объекта
Выделенные задачи КВО сводятся к решению типовых задач системного анализа. Это следующие задачи.
Псвдодальномерные траекторные измерения по навигационным спутникам ГЛОНАСС и GPS. Предварительная обработка результатов траекторных измерений, которая заключается в фильтрации помех, исключении аномальных значений из состава данных, гладкое восполнение пропущенных данных и идентификации скачков фазовой неоднозначности. Обоснованный выбор математических моделей объекта исследований, источников действующих на объект возмущений, факторов влияющих на точность траекторных измерений и оценивание параметров этих математических моделей Дах,Да5 и Да по данным траекторных измерений. Расчет оценок действующих на объект возмущений Д( ), расчет поправок к влияющим факторам Др(0 на основе идентифицированных моделей и применение этих оценок для учета действующих на объект возмущений и поправок к результатам измерений для компенсации влияющих факторов. Финальное оценивание вектора состояния объекта исследований по результатам псевдодальномерньгх измерений, в которых учтены действующие на объект возмущения и применены компенсирующие поправки. Расчет прогнозов КВО на основе применения полученных математических моделей объекта исследований. Комплекс перечисленных действий для решения задач КВО должен выполняться в соответствии с разработанными для этих задач соответствующими методиками, согласно [71-73], - документами, устанавливающими.порядок выполнения действий: для получения результатов траекторных измерений, результатов оценивания. и результатов прогнозирования-с гарантированной точностью. Важными элементами- таких методик являются оценки точности КВО и рекомендации по выбору конструктивных параметров применяемых алгоритмов КВО. Этим вопросам уделяется основное внимание в диссертации- при решении конкретных задач КВО. Разработка указанных методик является основным содержанием НИР и ОКР, выполняемых для заказчиков (ОАО «ИСС им. М.Ф.Решетнева», НИИ «Радиотехника» при КГТУ (г. Красноярск), ФГОУ ВПО СФУ (г. Красноярск), ФГУП «ВНИИФТРИ» (п. Менделееве Московской области, ОАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (ОАО «Российские космігческие системы)». ЗАО «ЭКА») в рамках федеральной целевоіі программы «ГЛОНАСС». При решении задач КВО путем оценивания вектора состояния Х(/) расширенного-динамического объекта (1.22) используется два подхода. Первый подход предполагает оценивание вектора Х(г)- из условий наблюдаемости динамического объекта (1.22) [26,74,75] и реализуется в два этапа. На первом этапе оценивается вектор начальных условий Х0 системы дифференциальных уравнений (1.22), описывающих движение расширенного объекта. Для оценивания Х0 используются измерения значений Az(f), накопленные на мерном интервале времени [f0,tk]. Оценка Х0, содержащая. также оценки неопределенных параметров Дах,Да5 и Дар, вычисляется путем решения системы алгебраических равнений на основе обобщенного метода наименьших квалратов [15,76]. На втором этапе численными методами решается на интервале времени [fo,&] система дифференциальных уравнений (1.22), описывающих движение объекта исследований, а также поведение согласующих математических моделей для возмущений s(/) и влияющих факторов p(f) . Для расчета на втором этапе оценки вектора состояний Х(/) в качестве начальных условий применяются вычисленные на первом этапе оценки Х0. Второй подход предполагает текущее оценивание на мерном интервале времени f[/0,fj. вектора состояний Х(/) в темпе поступления измерительной информации Az(0- В этом случае для оценивания Х(/) применяются алгоритмы оптимальной фильтрации рекуррентного типа [77-79]. Мерой близости полученных оценок Х(/) и действительных значений состояний Х(/) является норма вектора погрешностей оценивания Е(/) = Х(/) - Х(г) - Е(г)[, определенная на интервале времени [/Q, ]- ДЛЯ квадрата нормы Е(/) используется представление Е(г) = Er(f)-R 1 Е(/), где Ключевым вопросом применения тех или иных процедур оценивания является определение условий, при которых решение Х(г) существует и является единственным. Это позволяет определить принципиальную разрешимость задачи оцени вания. Если оценивание строится на основе условий наблюдаемости расширенного динамического объекта (1.22) (первый подход), то требование существования и единственности решения задачи оценивания, сводится к требованию невырожденности системы алгебраических уравнений, решаемых относительно оцениваемого вектора начальных условий Х0. Для контроля невырожденности применяются известные меры обусловленности матрицы. решаемой системы алгебраических уравнений [89].
При текущем оценивании расширенного вектора состояния (второй подход) указанное требование сводится к обеспечению устойчивости применяемых алгоритмов оценивания.
Поскольку источники погрешности оценивания и факторы, влияющие на точность измерений, имеют характер случайных процессов, то к оценкам Х0, Х(г) применяются общепринятые в математической статистике [79-81] требования несмещенности, эффективности и состоятельности. Указанные характеристики определяются при исследованиях точности оценивания в последующих главах диссертации.
Применяемые алгоритмы оценивания обеспечивают малость нормы погрешностей оценивания Е(/) в смысле минимума применяемых критериев оценивания. В качестве таких критериев обычно рассматриваются некоторые функционалы от погрешностей оценивания Е(/).
Алгоритмы оценивания расширенного вектора состояния
В качестве финальной оценки рассматривалось решение линеаризованного дифференциального уравнения (3.4) Дї](/), в котором учтены действующие на
НС возмущения s.((/) и в качестве начальных условии пршмененьг оценки А%, полученные на этапе предварительного оценивания (см. п.п. 3.5.1).
Для финального оценивания траектории ATJ2(/) с иелью нахождения стартовой точки ДІ С А)» предназначенной для расчета прогнозов движения НС на интервал времени [/ ,/ 1 и формирования на этой основе эфемерид НС, применялись рекуррентные алгоритмы вида (2.22). При использовании рекуррентных алгоритмов (2.22) возникали фазовые сдвиги траектории ДтігСО относительно эталонной траектории Д 1э(0 полученной с помощью программного имитатора MotlBis 24. Для уменьшения погрешности оценивания, связанной с этим фазовым сдвигом» применялись дополнительные вычислительные процедуры обработки результатов траекторных измерений в прямом и обратном времени. Подобный подход использовался в [134] для фильтрации шумов в результатах измерений. Процедура построения фильтра для предварительной обработки результатов траекторных измерений в прямом и инверсном времени и результаты модельных исследований такого фильтра приведены в 7-ой главе диссертации. В качестве финальной оценки Ац2(і) при обработке в прямом и инверсном времени применялись средние арифметические смежных значении прямого и обратного хода, отнесенные к среднем) для этих оценок времени: В проведенных для указанных процедур исследованиях точности оценивания фазовые искажения в оценках AifeC ) практически снимались, уровень. амплитудных искажений оставался неизменным, но. почти вдвое увеличивался уровень оставшейся случайной составляющей погрешности. Несколько хуже, в основном по уровню амплитудных искажений , получались результаты фильтрации в случае, когда в инверсном времени обрабатывалась реализация Дч2(0» полученная обработкой результатов траекторных измерений в прямом (растущем) времени. 3;5.3. Точность оценивания Для получения характеристик точности оценивания начальных условий Діір и параметров Да, а, Д). и pwl на этапе предварительного оценивания (см. п,п. 3.5.1) применялись соотношения (2.11), (2.19) с учетом обозначений (2.4). Модельные исследования алгоритмов оценивания расширенного вектора состояния X = [Дт)о,Да ,Д . ,а ,Да), синтезированных из условий наблюдаемости расширенного динамического объекта описывающегося уравнениями (3.4) и (3.21), при условиях восстановления орбиты КА ГЛОНАСС-М № 711 по результатам траекторных измерений из пункта БИС(НМ) показали приемлемую точность оценивания для ATio,Aa,a,/7Wf-(погрешности в пределах ІСҐ - 10"6). В этом случае АХ исключались из обработки. Погрешности оцеїшвания ДХ составили 0.1. Лучшие результаты получены при использовании для оценивания расширенного вектора состояния одного КА по данным сети пространственно-распределенных БИС. В качестве меры точности финального оценивания текущих навигационных параметров применяется модуль вектора отклонения восстановленной траектории движения КА х(/), представленной в кинематических элементах, от эталонной орбиты хэ( ). полученной с помощью программного имитатора ModBis На-мерном интервале [iQ,tk] длительностью. 30 часов наблюдается накопление погрешностей оценивания. Характеристики точности.оценок Х[(/)-полученных из условий наблюдаемости объекта и оценок х2(г) - полученных с помощью рекуррентных алгоритмов (2.28) в рассматриваемой модельной задаче имеют вид Максимальные значения погрешностей приходятся на конец мерного интервала. В целом полученные результаты модельных исследований показали принципиальную работоспособность алгоритмов оценивания текущих навигационных параметров, а полученные оценки точности (3.24) позволяют считать эти алгоритмы пригодными для формирования эфемеридно временного обеспечения НС по данным беззапросных траекторных измерений.. 3.6. Описание движения орбитальной группировки ПС При выполнении траекшрных измерений по навигационным НС ГЛОНАСС и НС GPS двухчастотной аппаратурой приема навигационных сигналов, по каждой радиотрассе производится до пяти измерений. Для этих измерений справедливы уравнения вида (3.7).
Введение в состав орбитальной группировки спутников второго поколения ГЛОНАСС-М дополняет число измерений до шести за счет применения на частоте L2 кодового сигнала стандартной точности. Для спутников следующих поколений ГЛОНЛСС-К и ГЛОНАСС-КМ число одновременно выполняемых измерений может быть увеличено как минимум до восьми за счет использования третьей несущей частоты L3 для передачи навигационной информации. Создание такой избыточности навигационной информации направлено на уменьшение неопределенности результатов траекторных измерений для различных групп пользователей.
В задачах формирования эфемеридно-временного обеспечения СНС представляется целесообразным обрабатывать данные траекторных измерений не по отдельным НС, а по всей орбитальной группировке, или знані гтельному ее сегменту. В этом случае в блоке уравнений измерений вида (3.7) общими для орбитальной группировки оказываются прогнозы ПВЗ Д . и параметры зенитных тропосферных задержек pwi.
Преимущество совместной обработки траекторных измерений по орбитальной группировке заключается в уменьшении размерности решаемой задачи по сравнению со случаем, когда состояние каждого из орбитальной группировки КА оценивается отдельно. Для описания движения орбитальной группировки навигационных КА, или сегмента этой группировки из т НС в рассмотрение вводится обобщенный вектор состояния орбитальной группировки
Сравнительный анализ алгоритмов синхронизации
Официальным поставщиком прогнозов ПВЗ в России является Государственная служба времени, частоты и определения-параметров вращения Земли, подведомственная агентству Ростехрегулирования (г. Москва). В международной службе вращения Земли - 1ERS (г. Париж), вычисления прогнозов ПВЗ производятся ежедневно. Эти прогнозы доступны в Интернете на сайтах IERS и других организации [55]. Однако фактические точности прогнозов Ростехрегулирования и IERS оказываются недостаточными для решения задач ЭВО ГЛОНАСС [6].
В практике прогнозирования движения механических систем наиболее точные и устойчивые результаты обычно получают на основе использования физико-математических моделей, опирающихся на условия баланса сил и моментов, действующих на изучаемую систему. Для вращающейся Земли, из-за сложности самой системы и большого количества влияющих на процесс вращения факторов, такие модели для целей прогноза ПВЗ к настоящему времени пока не удается использовать в полной мере [136].
Для прогнозов ПВЗ традиционно применяются эмпирические модели в виде параметрических семейств известных функций или операторов, представляющие собой ннтерполяшш результатов измерений [137]. В качестве исходных данных, для построения эмпирических математических моделей ПВЗ, используются временные ряды наблюдений ПВЗ, предоставляемые IERS и Агентством Ростехрегулирования. Задача идентификации таких моделей сводится к оцениванию параметров этих моделей теми или иными методами математической статистики.
Использование эмпирических моделей для целей прогнозирования ПВЗ всегда было проблематичным из-за возможных разладок принятой математической модели за пределами интервала интерполяции. Это происходит из-за перераспределения случайным образом весов многочисленных факторов, влияющих на процесс вращения Земли.
Чтобы адаптировать применяемые эмпирические модели к таким разладкам; приходится наращивать интервал интерполяции до десятков лет и привлекать множество критериев адекватности принятых математических моделей. В этом случае сложное вращения Земли представляется суммой большого числа гармоник с периодами от 13 суток до 30 лет. Часто применяемые критерии трудно формализуются, что не позволяет полностью автоматизировать процесс расчета прогнозов ГТВЗ и требует участия в прогнозировании специалиста-аналитика.
В ФГУП СНИИМ под руководством автора и при его непосредственном участии разработана методика расчета прогнозов ПВЗ [139]. Прогнозируются характеристики неравномерности вращения Земли DUTI и положение координат полюса Земли Хр, Ур. Методика содержігг соответствующие программные приложения в виде пакета PVZ (См. Приложение 2). Глубина рассчитываемых прогнозов от 1 дня до 1 года.
На первом этапе производится предварительная подготовка исходных данных. Из временных рядов измерений ПВЗ исключаются приливные составляющие движения Земли, связанные с гравитационным воздействием Луны и Солнца. Эта составляющие принято считать детерминированными. Расчег поправок для DUT1 и координаты полюса Хр, Ур за приливные гармоники производится по методике, принятой в 1ERS [55,140].
На втором этапе решается собственно задача параметрической идентификации принятых математических моделей изменения ПВЗ. В качестве таких моделей принимаются линейные комбинации гармонических функций разной амплитуды, с различными периодами следования и фазами. Вначале, из временных рядов подлежащих идентификации выделяются долгопериодические составляющие в движении Земли с периодами колебаний 10-30 лет на интервалах обучающей выборки до 100 лет. Уточнению подлежат амплитуды долгопериодических составляющих, для чего используется метод наименьших квадратов (МНК).
Далее производится определение короткопериодических составляющих в движении Земли. Подбор периодов короткопериодических составляющих в колебаниях Земли осуществляется по оригинальному алгоритму суммирования полупериодов искомых гармонических компонент. Суммирование значений анализируемых временных рядов производится- с противоположными знаками на четных и нечетных отрезках, соответствующих искомым полупериодам гармоник. Вариациями длин полупериодов достигаются максимальные значения критерия адекватности короткопериодической компоненты.
После достижения максимума критерия адекватности найденная гармоническая компонента исключается из анализируемого временного ряда и в полученном остатке продолжается поиск соседних гармонических компонент. Поиск короткопериодических составляющих продолжается до достижения минимального уровня остатка временного ряда с исключенными короткопериодическими компонентам и. Амплитуды подобранной комбинации гармонических составляющих оценивается на основе МНК. На третьем этапе рассчитываются прогнозы ПВЗ. Здесь последовательно выполняются три операции.
Первая операция - расчет прогноза ПВЗ в виде суммы гармонических компонент. Для прогнозирования гладких составляющих процессов ПВЗ, присутствующих в остатках от интерполяции данных измерений гармоническими моделями, применяется разработанная в ФГУП СНИИМ модель типа авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего. Коэффициенты модели авторегрессии рассчитываются в соответствии с методикой изложенной в [119].
