Введение к работе
Актуальность темы.
Под координатно-временным и навигационным обеспечением (КВНО) понимаются область знаний, сфера деятельности, технические средства и технологии, связанные с решением задач пространственно-временной идентификации объектов и процессов. В более узком смысле КВНО представляет собой процесс получения потребителями всех необходимых им данных о пространственно-временных состояниях и отношениях объектов и процессов, используемых или учитываемых ими при решении задач или достижении целей, определенных в пространстве и времени.
Используемые совместно с геоинформационными системами и средствами связи системы КВНО привносят новое качество в развитие практически всех отраслей экономики (транспорт, кадастровые и геодезические работы, разведка месторождений, прокладка трубопроводов и сетей электропередач, проведение сельскохозяйственных работ, системы связи и энергоснабжения, контроль динамики сооружений, фундаментальные геодинамические и геофизические исследования).
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) в настоящее время являются основой современного КВНО и поэтому вопросы оценки качества функционирования, повышения эффективности использования, развития существующих и улучшения результативности проектирования перспективных ГНСС приобретают особое значение.
В спутниковой навигации до сих пор отсутствует утвержденная методика оценки эффективности ГНСС. При оценке эффективности ГНСС используются две осредненные по всей пространственно-временной области величины - точность и доступность. Эти осредненные характеристики не позволяют оценить все особенности поведения различных характеристик ГНСС, в частности, локальные ухудшения точности решения навигационной задачи из-за резкого ухудшения геометрического фактора для систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo.
В диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматриваются глобальные навигационные спутниковые системы.
Эффективность функционирования ГНСС определяется качеством их радионавигационных полей и полей потребительских характеристик.
Радионавигационное поле (РНП) и поле потребительских характеристик (ППХ) ГНСС являются предметом исследования диссертационной работы.
РНП - это совокупность генерируемых навигационными спутниками (НС) орбитальной группировки (ОГ) ГНСС радионавигационных сигналов в обслуживаемом системой пространстве, в любой точке которого потребитель с использованием навигационного приемника может определить свой вектор состояния (координаты положения и скорости, поправки к времени и частоте генератора потребителя) относительно принятой системы координат с требуемым уровнем доступности и точности.
Потребительские характеристики КВНО - это характеристики качества решения задачи КВНО в навигационной аппаратуре потребителя (НАП). Очевидно, что эти характеристики зависят не только от создаваемого НС ГНСС РНП, но и от типа НАП, условий распространения и приема сигналов, алгоритмов их обработки.
ППХ - это совокупность значений параметров, описывающих качество решения навигационной задачи на выходе помещенной в каждую конкретную точку пространства НАП оговоренного типа, с заданными условиями распространения и приема сигнала, с оговоренной диаграммой маскирующего угла места.
Характеристики РНП зависят только от параметров ОГ (состава, структуры ОГ, элементов орбит НС, и др.) ГНСС. Потребительские характеристики описывают сложную систему «ГНСС, условия распространения и приема сигналов, НАП различных оговоренных типов» и формируют поле, зависящее от гораздо большего количества неоднородных, не всегда определенных параметров.
Различные характеристики РНП и ППХ используются в качестве критериев оценки эффективности ГНСС при проведении сравнительного анализа различных ГНСС, выборе вариантов их модернизации, проектировании новых, а также при проектировании и создании НАП и потребительских целевых систем.
Целью данной диссертационной работы является разработка методики оценки эффективности ГНСС, применение которой в научно-исследовательских и проектных работах позволяет учитывать более широкий спектр свойств и особенностей РНП и ППХ ГНСС.
Предлагаемая методика развивает традиционные подходы к оценке эффективности сложных технических систем, изложенные в работах Е.И.Игнатовича, Э.Квейда, М.Н.Красилыцикова, В. В. Кур шина, А.А.Лебедева, В.В.Малышева, Г.В.Можаева, В.Н.Почукаева, С.Г.Ревнивых, А.И.Сердюкова, В.С.Шебшаевича, Дж.Г.Уолкера и других авторов.
Реализация предлагаемой методики основана на использовании среды программирования KOMMOD, разработанной в Информационно-аналитическом центре координатно-временного и навигационного обеспечения ФГУП ЦНИИмаш.
В качестве аналогов разработанному и описываемому в работе программному комплексу можно назвать универсальный комплекс имитационного моделирования спутниковых систем «СатСтат» (НИЧ МТУ СИ) и иностранные разработки: «Satellite Toolkit», «Navigation Toolkit» и «Orbit Determination Toolkit» (Analytical Graphics, Inc), «FreeFlyer» (A.I. Solutions) и др. Однако эти комплексы в процессе оценки эффективности не всегда в полной мере позволяют учесть отдельные специфические особенности ГНСС.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
Предложена общая схема решения задачи оценки эффективности ГНСС - методика оценки эффективности ГНСС.
Разработана структура системы описания характеристик РНП и ППХ ГНСС.
Разработаны математические модели и алгоритмы расчета характеристик РНП и ППХ ГНСС.
Создан программный комплекс, реализующий предлагаемую методику.
Проведены исследования свойств и особенностей РНП и ППХ системы ГЛОНАСС.
Проведен сравнительный анализ РНП и ППХ существующих ГНСС (ГЛОНАСС, GPS) и создаваемых (Galileo), по результатам которого сформированы предложения по корректировке ОГ ГЛОНАСС.
Сформированы предложения по организации мониторинга РНП и ППХ ГНСС.
Проведено проектирование элементов многофункциональных перспективных систем в интересах КВНО освоения Луны и дальнего космоса.
Методами решения задач являются методы системного анализа, динамики полета, теории управления, статистической динамики, нелинейного программирования, математического и имитационного моделирования систем.
На защиту выносятся:
1. Методика оценки эффективности ГНСС, включающая
структуру системы описания характеристик РНП и ППХ ГНСС;
математические модели и алгоритмы расчета характеристик РНП и ППХ
ГНСС.
Программный комплекс, базирующийся на использовании вычислительной среды KOMMOD, реализующий расчет характеристик РНП и ППХ ГНСС в соответствии с разработанной методикой оценки эффективности ГНСС.
Результаты исследований свойств и особенностей РНП и ППХ системы ГЛОНАСС.
Предложения по корректировке ОГ ГЛОНАСС.
Предложения по организации мониторинга РНП и ППХ ГНСС ГЛОНАСС.
Результаты исследований, касающихся проектирования перспективных ГНСС, создаваемых в интересах КВНО освоения Луны и дальнего космоса:
области устойчивости орбитальных структур в окрестности Луны, устойчивости точек либрации системы Земля-Луна;
варианты ОГ для Лунной системы;
анализ навигационных характеристик выбранных ОГ.
Новизна результатов исследования заключается в том, что:
Создана методика оценки эффективности ГНСС, описывающая РНП и ППХ ГНСС как сложные функции, определенные на четырехмерной пространственно-временной области.
Исследованы и предложены варианты использования свойств и особенностей РНП и ППХ системы ГЛОНАСС.
Проведен сравнительный анализ РНП и ППХ существующих ГНСС (ГЛОНАСС, GPS) и создаваемых (Galileo), по результатам проведенного сравнительного анализа разработаны предложения по корректировке ОГ ГЛОНАСС.
Разработаны предложения по организации мониторинга РНП и ППХ ГНСС.
Проведены исследования устойчивости орбитальных структур в окрестности Луны, устойчивости точек либрации системы Земля-Луна; проработаны варианты ОГ для Лунной многофункциональной перспективной системы, проведен анализ навигационных характеристик выбранных ОГ.
Практическая значимость результатов исследования заключается в повышении качества оценки эффективности ГНСС. Полученные результаты работы позволяют проводить более полный и детализированный анализ существующих систем, выдавать рекомендации по их совершенствованию и проводить более качественные исследования перспективных систем, например, для лунной навигации.
Результаты исследования использованы для проведения сравнительного анализа РНП и ППХ различных ГНСС и разработке предложений по корректировке ОГ ГНСС ГЛОНАСС во ФГУП ЦНИИмаш, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, обоснованием полученных результатов
математическими расчетами и результатами проведенного сравнительного анализа радионавигационных полей различных ГНСС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 6-ой Конференции молодых специалистов авиационных, металлургических и ракетно-космических организаций «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Королев, 2007 г.), 13-ой Международной научной конференции «Системный анализ, управление и навигация» (Евпатория, 2008 г.), 5th International Workshop On Constellations And Formation Flying (Крым, 2008 г.), Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» (Железногорск, 2008 г.), 14-ой Международной научной конференции «Системный анализ, управление и навигация» (Евпатория, 2009 г.), Global Lunar Conference (Пекин, 2010 г.), Научных чтениях, посвященных Ю.А. Мозжорину (Королев, 2010 г.), а также на 4-ой Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение» (Санкт- Петербург, 2011 г.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях [1-4] журналов, входящих в рекомендованный ВАКом Минобрнауки России перечень изданий, научно-технических отчетах по научно-исследовательским работам и системным проектам [5-9] и в сборниках тезисов докладов на научно-технических конференциях [10-18].
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99 наименований. Текст работы изложен на 155 машинописных страницах, включает 45 рисунков и 7 таблиц.
