Методы и алгоритмы координатно-временных определений на основе применения спутниковых навигационных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Методы и алгоритмы координатно-временных определений на основе применения спутниковых навигационных технологий

05.13.01. Системный анализ, управление и обработка информации

05.11.16. Информационно-измерительные управляющие системы

доктора технических наук.

Толстиков Александр Сергеевич

Новосибирск - 2010

Работа выполнена в Сибирском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте метрологии (ФГУП «СНИИМ»)

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Воскобойников Юрий Евгеньевич.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Абденов Амирза Жакенович;

- доктор технических наук, старший научный сотрудник Борисов Борис Дмитриевич;

- доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Рубан Анатолий Иванович.

Ведущая организация: - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Защита состоится 30 ноября 2010 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.05 в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доцент

О.Я. Шпилевая

беззапросный траекторный спутниковый программный

Общая характеристика работы

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 становится обеспечение прослеживаемости измерений; что заключается в установлении связи результатов координатно-временных определений на основе ГЛОНАСС-технологий с единицами эталонных физических величин.

Также важными являются: разработка методов и средств передачи размеров единиц основных эталонных физических величин к рабочим эталонам космического комплекса ГЛОНАСС; разработка эталонных источников и эталонных приемников навигационных сигналов, эталонных измерительных каналов. Большую важность приобретают исследования точности координатно-временных определений, разработка методик выполнения измерений, методик поверки и калибровки рабочих эталонов и средств измерений, применяемых в составе наземного комплекса управления ГЛОНАСС.

Необходимо отметить, 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 развития ГЛОНАСС в 2012-2020 годы».

Предложенные в диссертационной работе методы и алгоритмы координатно-временных определений, основанные на применении спутниковых 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 координатно-временных определений, 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; выбор математических моделей и идентификация параметров влияющих факторов. Разработка методов и средств имитационного моделирования беззапросных траекторных измерений, выполняемых для формирования ЭВО ГЛОНАСС.

3. Разработка эффективных методов и алгоритмов координатно-временных определений на основе данных беззапросных траекторных измерений и обеспечивающих компенсацию влияющих факторов 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:

- методик выполнения беззапросных траекторных измерений по сигналам спутниковых навигационных систем,

- методик синхронизации пространственно-разнесенных высокостабильных часов по сигналам спутниковых навигационных систем,

- методик 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 координатно-временных определений, ориентированные на применение в сегментах, обеспечивающих функционирование спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и использующие данные беззапросных траекторных измерений по орбитальной группировке навигационных спутников.

Методологическая и теоретическая основы исследований, на которые опирается диссертационная работа, возникли при знакомстве с трудами 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 методологическая основа для решения ряда разнотипных задач координатно-временных определений, 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 и зависящим от ряда влияющих факторов. В соответствии с предложенной методологией, решение указанных задач КВО сводятся к оцениванию вектора состояний некоторого расширенного динамического объекта.

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. Научной новизной обладает предложенные 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. Предложены 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:

1. Методы и алгоритмы решения задач координатно-временных определений по данным беззапросных траекторных измерений путем сведения этих задач к оцениванию вектора состояния расширенного динамического объекта.

2. 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.

3. 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.

4. Метод имитационного моделирования беззапросных траекторных измерений и реализованный на основе этого метода программный имитатор измерительной информации ModBis24 .

5. Алгоритмы и методики предварительной отработки беззапросных траекторных измерений, применяемых при выполнении сеансов 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 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 отработки 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 единицы 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 КА систем 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 КА 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 методиках 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:

- на 1,2,3,4,5 Всесоюзных симпозиумах, «Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии» (г. Новосибирск, 1972г., 1982г., 1985г., 1989г.), 5-ой Всесоюзной конференции «Проблемы метрологического обеспечения 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 научно-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.);

- международных конференциях, конгрессах, симпозиумах, в том числе:

на Международной научно-практической конференции «Сибирский международный авиационно - космический салон» (САКС 2001) (г. Красноярск, 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.), 7-й Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП - 2004) (г. Новосибирск 2004 г.), 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 государственном университете систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, 2008 г.), в Институте лазерной физики СО РАН (г. Новосибирск, 2003 г.).

Публикации и личный вклад автора: Результаты диссертационных исследований опубликованы в 96 печатных работах, их них 12 - в изданиях, рекомендованных 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 исследований, 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 314 страницах машинописного текста, состоящего из основного раздела на 288 страницах и трех приложений на 26 страницах, в которых содержатся материалы, поясняющие основной раздел, а также сведения о внедрении результатов диссертационных исследований, содержащих 7 актов о внедрении. Диссертация иллюстрируется рисунками и таблицами. Список использованной литературы включает 198 наименований.

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации. Сформулированы общие задачи и цели диссертационных исследований, определены основные научные результаты, их новизна, теоретическая и практическая значимость.

В первой главе описывается предложенный общий подход к решению задач координатно-временных определений (КВО), использующих в качестве исходных данных результаты беззапросных траекторных измерений.

Рассматриваются главным образом задачи КВО, обеспечивающие функционирование спутниковой навигационной системы (СНС) ГЛОНАСС. Это задачи: оценивания текущих навигационных параметров навигационных спутников (НС) по данным траекторных измерений , выполняемых с сети беззапросных измерительных станций (БИС); оценивания уходов бортовых часов НС, оценивания параметров вращения Земли, синхронизации часов сети БИС и уточнения координат антенных моделей этих станций.

Перечисленные задачи являются составной частью формирования эфемеридно-временного обеспечения спутниковой навигационной системы. Последнее требует построения математических моделей и вычисления на этой основе в виде прогнозов: эфемерид спутников, параметров вращения Земли (ПВЗ), частотно-временных поправок для бортовых часов, параметров нестабильности часов БИС.

Формализация общего подхода к решению рассматриваемых задач КВО представляется следующим образом.

Движение НС описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений

, (1)

где - мерный вектор текущих навигационных параметров спутника, - мерная известная гладкая вектор-функция; - мерный вектор действующих на объект моделируемых возмущений; - мерный вектор возмущений случайной природы.

Уравнение беззапросных траекторных измерений в общем виде представляется равенством

, (2)

в котором - -мерный вектор данных траекторных измерений, - известная гладкая вектор-функция, - мерный вектор моделируемых влияющих факторов, - мерный вектор погрешностей измерений случайной природы.

Основным информативным параметром траекторных измерений является геометрическая дальность от НС до приемной антенны БИС

. (3)

Здесь и - векторы текущих координат НС и координат БИС соответственно.

Принципиальным моментом для предложенного подхода к КВО является применение опорной траектории и анализ относительного движения НС

вдоль этой опорной траектории. Для спутниковых навигационных технологий такая опорная траектория строится на основе эфемеридной информации, транслируемой с борта НС. Это позволяет применять линеаризованные уравнения для описания относительного движения НС

(4)

и линеаризованные уравнения беззапросных траекторных измерений

(5)

где и - некоторые опорные представления возмущений и влияющих факторов.

Действующие на НС моделируемые возмущения и моделируемые факторы влияющие на точность измерений группируются по следующим признакам.

Первую группа объединяет возмущения (от гравитационного воздействия на НС Луны и Солнца, от нецентральности гравитационного поля Земли) и факторы (задержки навигационного сигнала в ионосферном слое, погрешности от релятивистских эффектов, смещения фазовых центров приемной и передающей антенн), которые представляются математическими моделями с определенными параметрами. Это позволяет рассчитать компенсирующие поправки для возмущений и факторов первой группы и ввести эти поправки в уравнение движения (1) и уравнение измерений (2).

Вторая группа включает возмущения (от радиационного давления на НС солнечного излучения) и факторы (уходы бортовых часов и часов БИС, задержки навигационного сигнала в ионосферном и тропосферном слоях, изменения ПВЗ), которые могут быть представлены согласующими математическими моделями с неопределенными параметрами. Далее основное внимание уделяется именно этому случаю.

Основная идея предлагаемого общего подхода к решению задач КВО в условиях параметрической неопределенности для действующих на НС возмущений и влияющих факторов заключается в дополнении линеаризованного уравнения движения НС (4) согласующими математическими моделями возмущений и факторов второй группы и в оценивании вектора состояния расширенного объекта

(6)

на основе данных траекторных измерений с помощью тех или иных алгоритмов оценивания. В уравнении (6) приняты обозначения

- матрицы согласующих математических моделей для возмущений и факторов , представленных в классе обыкновенных диффе-ренциальных уравнений, - порождающие случайные процессы.

При исследованиях точности оценивания вектора состояния необходимо учитывать то обстоятельство, что в уравнении измерений (5) в явном виде не содержатся возмущения . Для установления такой связи приходится вводить в (5) линеаризованное представление в виде равенства

.

При этом в уравнении (5) вектор погрешностей измерений дополняется неизмеримым вектором . Для уменьшения влияния этого вектора на точность траекторных измерений требуется, при выборе опорной траектории , максимально учитывать с помощью компен-сирующих поправок и согласующих математических моделей все возмущения, действующие на спутник.

Проведенный анализ специфики рассматриваемых задач КВО позволил выделить:

- классы математических моделей для описания объектов исследования,

- классы согласующих математических моделей для описания действующих на

объект возмущений и для описания факторов, влияющих на точность измерений,

- набор специфичных факторов, влияющих на точность траекторных измерений.

Во второй главе рассматривается применение двух групп алгоритмов оценивания вектора состояния расширенного динамического объекта (6) при решении задач КВО по данным беззапросных траекторных измерений.

Первую группу образуют алгоритмы оценивания вектора состояния динамического объекта, синтезированные из условий его наблюдаемости. Применение линеаризованного описания (4) позволило свести задачу оценивания вектора состояния расширенного объекта (6) к решению системы линейных алгебраических уравнений

(8) относительно вектора начальных условий и последующему восстановлению оценки вектора состояния путем численного интегрирования уравнения расширенного объекта (6) с начальными условиями .

В (8) матрица содержит фундаментальные матрицы расширенного объекта (6) и матрицы частных производных, присутствующих в уравнениях (5), (7). Неизмеримый вектор порожден погрешностями измерений и немоделируемыми возмущениями объекта .

Проведенный анализ составляющих погрешностей оценивания начальных условий позволил установить правила подбора согласующих математических моделей для возмущений и влияющих факторов , рекомендации к подбору состава оцениваемых параметров и выбору условий проведения траекторных измерений, при выполнении которых матрица в уравнении (8) становится невырожденной, а уровень погрешностей оценивания вектора состояния минимальным.

Вторую группу алгоритмов решения задач КВО путем оценивания вектора состояния расширенного объекта образуют рекуррентные алгоритмы фильтрации калмановского типа. Эти алгоритмы применяются на этапах предварительной обработки результатов траекторных измерений и при финальном оценивании вектора навигационных параметров спутника для выбора стартовой точки, от которой рассчитывается прогноз движения спутника.

В работе применяется стандартная рекуррентная процедура калмановского типа [8]. Оригинальность применения этой процедуры при обработке траекторных измерений заключается в том, что временной ряд результатов измерений обрабатывается в прямом и обратном направлении. В качестве результата фильтрации принимаются средние арифметические результатов каждой прогонки, зафиксированные для одних и тех же моментов времени. При такой обработке снимаются фазовые искажения, вносимые фильтром.

Для применяемых рекуррентных процедур принципиально важным вопросом является обеспечение их ассимптотической устойчивости. В этом случае оценки сходятся к вектору состояния расширенного объекта . Исследования устойчивости и точности оценивания в условиях, специфичных для рассматриваемых задач КВО, проводятся на основе уравнения динамики

(9)

записанного относительно текущей погрешности оценивания .

Процедура (9) будет асимптотически устойчивой, если выполняются условия для спектрального радиуса матрицы

.

, ,

собственные значения матрицы , , - матрицы дискретного описания движения расширенного объекта, - матрица коэффициентов усиления фильтра,

.

Исследования точности оценивания вектора сводится к анализу вынужденной составляющей решения уравнения (9). В качестве источников погрешностей оценивания рассматривается шумовая составляющая погрешностей измерений и немоделируемые возмущения объекта .

Для двух групп алгоритмов КВО проведен анализ источников погрешностей. Рассматривались составляющие общей погрешности оценивания вектора состояния порожденные

- погрешностями траекторных измерений ,

- погрешностями от немоделируемых возмущений в уравнении движения ,

- погрешностями от неточного вычисления частных производных, образующих элементы матрицы в алгоритмах первой группы и образующих матрицы и в алгоритмах второй группы.

При расчете прогнозов движения спутника в качестве источников погрешностей прогнозирования рассматривались:

- погрешности задания модели движения спутника (1),

- немоделируемые возмущения , действующие на спутник,

- погрешности задания стартовой точки прогноза,

- погрешности численных методов интегрирования уравнений движения (1).

На основе представленных во 2-ой главе алгоритмов решения задач КВО и формализмов, описывающих погрешности оценивания и погрешности прогнозирования состояний разработаны

- методики оценивания текущих навигационных параметров НС по данным беззапросных траекторных измерений,

- методики оценивания параметров вращения Земли (координаты полюса и неравномерность вращения Земли ) по данным беззапросных траекторных измерений,

- методики прогнозирования движения НС,

- методики прогнозирования параметра по данным Ростехрегулирования и данным IERS.

В третьей главе на основе предложенного общего подхода решается задача одновременного оценивания вектора текущих навигационных параметров спутника, параметров модели радиационного давления солнечного излучения на НС, параметров нестабильности бортовых часов, параметров вращения Земли и параметров согласующей математической модели тропосферной задержки. В качестве исходных данных для решения этой задачи используются результаты траекторных измерений, выполняемых с сети БИС.

Расширенный динамический объект, адекватный этой задаче КВО, включает в себя:

- модель движения спутника в оскулирующих элементах (6 компонент),

- модель радиационного давления на спутник солнечного излучения в виде системы алгебраических уравнений с двумя неизвестными параметрами,

- комплексную математическую модель нестабильности бортовых часов с тремя неизвестными параметрами,

- трендовую модель изменений координат полюса , и всемирного времени ,

- модель тропосферной задержки с одним неизвестным параметром для каждой радиотрассы. В рамках указанной задачи КВО отрабатывалась методика оценивания текущих навигационных параметров спутника ГЛОНАСС и расчета стартовой точки прогноза траектории для целей формирования его эфемерид.

Исследования алгоритмов оценивания текущих навигационных параметров спутника и отладка методики оценивания проводилась с помощью разработанного имитатора измерительной информации ModBis24. Для этого рассчитывалась эталонная орбита спутника ГЛОНАСС с действующими на спутник возмущениями на интервале 5 суток. Задавалась сеть беззапросных измерительных станций до 20 БИС. В зонах радиовидимости станций в соответствии с (3) рассчитывались геометрические дальности от станций до спутников. Имитировались факторы, влияющие на точность измерений и шумы приемной аппаратуры.

Шумовая составляющая погрешности кодовых измерений изменялась от 2.5 м. (СКО) до 0.5 м. (в зенитном прохождении спутника) и 5 см. для фазовых измерений, что соответствует реальным шумам измерений приемной аппаратурой Javad Legacy по спутникам ГЛОНАСС.

Оценивание текущих навигационных параметров спутника производилось в три этапа. На первом этапе на основе применения алгоритмов первой группы оценивались начальные условия линеаризованного уравнения (4) и параметры математических моделей радиационного давления , уходов часов , изменений ПВЗ и тропосферных задержек . На втором этапе оценивались действующие на спутник возмущения и факторы, влияющие на точность измерений: - уходы бортовых часов , изменения параметров вращения Земли , тропосферные задержки навигационного сигнала . На третьем этапе производится финальное оценивание текущих навигационных параметров спутника посредством интегрирования линеаризованного уравнения движения спутника (4) с учетом действующих на спутник возмущений .

Для расчета стартовой точки прогноза применяются алгоритмы оценивания второго типа, причем обработка результатов траекторных измерений проводится в прямом и обратном времени. По данным проведенного имитационного моделирования алгоритма, погрешности вычисления стартовой точки прогноза относительно заданной эталонной орбиты на интервале времени длительностью 5 суток не превышали 10 см. (СКО).

Для целей формирования эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС разработаны алгоритмы, пакет программных приложений PVZ и методика высокоточного прогнозирования параметров вращения Земли. Вычисленные прогнозы всемирного времени по согласованным регламентам с 2007 года высылаются в Главный метрологический центр Государственной службы времени и частоты, в ОАО «ИСС им. М.Ф.Решетнева, в 4 ЦНИИ МО, в ГАО Пулково.

В соответствии с этой методикой для прогнозирования всемирного времени последовательно решаются задачи:

- идентификации по данным IERS и Ростехрегулирования РФ комплексной математической модели процессов изменения всемирного времени ,

- расчета стартовой точки прогнозов ,

- вычисления краткосрочных (до 15 суток) и долгосрочных (до 90 суток) прогнозных значений .

Применяемая комплексная математическая изменения включает в себя:

- модель, описывающую влияние на Землю гравитационного воздействия Луны и Солнца (для расчета используется стандартная модель IERS),

- модель, учитывающая долгопериодические колебания в процессах (применяется оригинальная методика оценивания параметров гармонических составляющих этой модели [2,45]),

- модель, учитывающая короткопериодические составляющие,

- модель в виде уравнений авторегрессии, представляющая собой ограничения на гладкость процессов .

Рис.1. Погрешности прогнозирования всемирного времени на основе алгоритмов SNIIM и алгоритмов USNO.

На рисунке 1 приведены сравнительные характеристики точности прогнозов всемирного времени , полученных в USNO и аналогичных прог-нозов SNIIM в 2009 году [ ]. В качестве таких характеристик принимались СКП максимальных значений погрешностей прогнозирования. Сравнение результатов прогнозирования показывает эффективность прогнозов SNIIM.

Четвертая глава посвящена алгоритмам и методикам синхронизации пространственно-разнесенных часов по сигналам спутниковых навигационных систем. Эти алгоритмы и методики предназначены для синхронизации часов БИС, выполняющих траекторные измерения для целей формирования ЭВО ГЛОНАСС, и для сличений эталонов времени и частоты, участвующих в фундаментальном обеспечении ГЛОНАСС.

Полная задача синхронизации пространственно-разнесенных часов вклю-чает оценивание параметров нестабильности часов и координат антенного модуля аппаратуры приема навигационных сигналов . Исходными данными для синхронизации являются результаты беззапросных траекторных измерений.

Построение алгоритмов синхронизации базируется на применении комплексной математической модели нестабильности часов в виде дифференциального уравнения

, (11)

связывающего уход часов БИС от номинального момента шкалы времени с характеристиками долговременной и кратковременной нестабильностей частоты генератора часов.

Следуя [25], долговременная составляющая представляется на интервале времени [] линейной комбинацией базисных функций и неизвестных, подлежащих оцениванию коэффициентов . Кратковременная составляющая трактуется как выходной сигнал формирующего фильтра, на входе которого действует порождающий случайный процесс типа «белый шум» с ограниченной дисперсией .

В случае если базисными функциями являются функции времени в степенях , то коэффициенты представляют собой средние значения на интервале относительного отклонения частоты генератора часов от номинала и дрейфа частоты соответственно.

На основе общего подхода к решению задач КВО синтезированы 12 алгоритмов синхронизации, реализующих прямой АСi, i=1,...,6 и диффе-ренциальный ДАСi, i=1,...,6 методы оценивания расширенного вектора состояния БИС. Применение тех или иных алгоритмов определяется

- составом вектора состояния БИС ,

- составом и конфигурацией привлекаемого созвездия спутников,

- выбранным способом компенсации влияющих факторов в результатах траекторных измерений.

Задача синхронизации сводится к решению системы алгебраических уравнений вида (8), сформированной на интервале времени . Если не требуется оценивания параметров нестабильности генератора часов и , задача синхронизации решается одномоментно.

Рис.2. Отображение эксперимента по синхронизации пространственно-разнесенных часов в пунктах А и В.

С помощью алгоритмов ДАС3 производились сличения эталонов времени ВЭТ 1-19 (г. Новосибирск-пункт А) и ВЭТ 1-5 (г. Иркутск-пункт В) по данным траекторных измерений, выполняемых приемной аппаратурой Javad Legacy на основе Р1, Р2 кодов. Погрешностью сличений не превышала 1-1.5 нс. (СКО).

В модельных исследованиях на основе имитатора ModBis24 алгоритмов синхронизации ДАС5 для метрологических пунктов А и В по данным псевдодальномерных измерений с применением точных Р1 и Р2 кодов обеспечивалась погрешность синхронизации в пределах 0.1 нс. Условия действия факторов выбирались соответствующим реальной обстановке.

На основе применения предложенного алгоритма ДАС1 решена задача оценивания частот генератора часов по результатам фазовых измерений. Относительная погрешность оценивания расхождений частот на 4-х часовом интервале времени прохождения спутника в зоне одновременной радиовидимости пунктов А и В не превышала .

Пятая глава посвящена алгоритмам формирования шкал групповых хранителей времени и частоты. Объединением хранителей в группы достигается высокая точность и надежность автономного хранения и воспроизведения групповых шкал времени и частоты на интервалах большой продолжительности. Это обеспечивается за счет текущего оценивания параметров нестабильности индивидуальных хранителей по результатам измерений разностей моментов шкал времени и разностей частот внутри группы и компенсацией вариаций групповой шкалы, связанных с возможными изменениями параметров нестабильности индивидуальных хранителей.

Изменения моментов шкал времени и частот хранителей, образующих группу, представляются математическими моделями нестабильностей

, (11)

. (12)

Внутри группы хранителей выполняются измерения разностей моментов шкал и разностей частот относительно шкалы и частоты опорного хранителя, обладающего наилучшими характеристиками в группе. В качестве начальных условий для формирования групповой шкалы принимаются оценка момента шкалы и оценка частоты опорного хранителя для момента времени , полученные на основе сличений опорного хранителя с эталоном времени и частоты.

Алгоритм формирования шкалы времени группового хранителя включает в себя расчет прогнозов частот хранителей группы

по вычисленным оценкам частот и расчет усредненной по ансамблю хранителей оценки частоты опорного хранителя

(13)

Полученные оценки частот и оценки шкал времени , вычисленные в соответствии с равенствами , используются для расчетов прогнозов шкал времени

На основе этих прогнозов и результатов шкальных измерений рассчитывается усредненная по ансамблю хранителей оценка шкалы опорного хранителя

, (14)

которая и является групповой шкалой времени.

Процедуры, подобные приведенным, используются в практике формирования шкал ведущих эталонов времени и частоты. Однако, в работах, посвященным этим эталонам, практически отсутствуют исследования точности формирования шкал и не учитывается кратковременная составляющая нестабильности часов.

Проведенный анализ погрешностей формирования групповой шкалы показал, что составляющие погрешностей оценивания начальных значений момента шкалы и частоты в общей погрешности формирования групповой шкалы со временем не изменяются. По этой причине возникает необходимость в периодическом переопределении этих оценок на основе сличений опорного хранителя с эталонами времени и частоты.

Для уменьшения смещенностей оценок шкалы и частоты следует задавать номинальные моменты шкал времени и номинальные частоты хранителей из условий

, .

Для уменьшения разбросов оценок следует выбирать интервал времени между измерениями большим, чем эффективные длительности ИПХ фильтров, формирующих кратковременную нестабильность частот хранителей.

В пятой главе проведен сравнительный анализ известных типов математических моделей нестабильности квантовых стандартов частоты, позволивший провести обоснованный выбор комплексных математических моделей вида (11). Эти модели наилучшим образом пригодны для прогнозирования уходов часов и для исследования точности хранения и воспроизведения шкал времени. Предложены алгоритмы параметрической идентификации долговременной и кратковременной нестабильностей часов.

На рисунке 3, в качестве иллюстрации, показано изменение частоты водородного стандарта ВС5 типа Ч1-70 из группы эталона ВЭТ 1-19. Наличие корреляционной связи, характеризующей кратковременную нестабильность частоты , требует привлечения процедур фильтрации на этапе предварительной обработки результатов частотных измерений .



Рис.3. Характер изменения частоты водородного стандарта ВС5 и корреля-ционная функция, характеризующая кратковременную нестабильность частоты этого стандарта.

Предложена численная процедура имитации уходов часов. В качестве исходных данных для этой процедуры задавался набор среднеквадратических двухвыборочных отклонений (СКДО), определенных на стандартных интервалах времени. Обработка сформированной таким образом псевдослучайной последовательности с помощью анализатора Алана показала достаточную близость полученных оценок СКДО соответствующим заданным значениям. Погрешности не превышали 0.3 % для реализаций длительностью 86400 с.

Шестая глава посвящена разработке средств метрологического обеспечения беззапросных траекторных измерений и анализу погрешностей формирования эфемеридно-временной информации СНС ГЛОНАСС,

Для обеспечения прослеживаемости беззапросных траекторных измерений, выполняемых с сети БИС для целей ЭВО ГЛОНАСС, предложена локальная поверочная схема. Эта схема устанавливает порядок передачи размеров единиц времени и частоты от эталона ВЭТ 1-19 к эталонным источникам (ЭИНС - МРК 40) и эталонным приемникам (ЭПНС - МРК-33) навигационных сигналов и рабочим средствам измерений.

Разработан компаратор метки времени (КМВ), обеспечивающий измерение задержек навигационных и синхронизирующих сигналов в радиотрактах ЭИНС и ЭПНС на базе эталона ВЭТ1-19. Измерения указанных задержек на всех литерных частотах ГЛОНАСС с помощью КМВ сводится к прямым измерениям интервалов времени между эталонными сигналами ВЭТ1-19 и маркерными импульсами КМВ, совмещенными с характерными точками навигационных сигналов. В качестве таких характерных точек применены начала псевдослучайных последовательностей (ПСП) для С1, Р1, и Р2 кодов, выделяемых КМВ из комплексного сигнала ЭИНС.

На первом этапе компарирования производится локализация характерной точки навигационного сигнала на определенном подынтервале времени. Длительность этого подынтервапла определяется эффективной длительностью корреляционной функции при совпадении ПСП эталонного источника навигационного сигнала и опорной ПСП компаратора.

На втором этапе компарирования производится формирование маркерного импульса КМВ, совмещенного по переднему фронту с началом ПСП ЭИНС. Погрешность измерения внутриканальных задержек ЭИНС составляет 25 пс. для измерителя интервалов времени типа SR-620.

На основе применения КМВ и эталона времени и частоты ВЭТ 1-19 разработана методика определения межлитерных и межканальных задержек навигационного сигнала в радиотрактах ЭИНС и ЭПНС.

В качестве средства метрологического обеспечения ЭВО ГЛОНАСС разра-ботан программный имитатор измерительной информации ModBis 24. Он позволяет произвести исследования метрологических характеристик беззапросных траекторных измерений. ModBis 24 обеспечивает:

- расчет движения орбитальной группировки навигационных спутников в условиях действующих на спутники возмущений,

- задание сети беззапросных измерительных станций,

- расчет геометрических дальностей от спутников до станций,

- имитацию факторов, влияющих на точность траекторных измерений.

Применение имитатора ModBis 24 позволило провести отработку технологии и разработать методики беззапросных траекторных измерений. Полученные с помощью имитатора ModBis 24 эталонные орбиты навигационных спутников и соответствующие этим орбитам данные траекторных измерений позволили провести исследования метрологических характеристик алгоритмов восстановления параметров движения навигационных спутников и алгоритмов синхронизации пространственно разнесенных часов.

Программные приложения этих алгоритмов составляют основу имитатора наземного сегмента НКУ в части ЭВО ГЛОНАСС ModBis 26. Этот программный имитатор находится в стадии разработки и включает в себя дополнительно пакеты программ, реализующие:

- алгоритмы прогнозирования параметров движения орбитальной группировки навигационных спутников и алгоритмы прогнозирования действующих на спутники возмущений.

- алгоритмы идентификации параметров нестабильностей бортовых и наземных часов и алгоритмы прогнозирования уходов этих часов,

- алгоритмы прогнозирования параметров вращения Земли.

В седьмой главе представлены алгоритмы предварительной обработки данных траекторных измерений, обеспечивающие:

- фильтрацию шумов измерений ,

- исключение из состава данных измерений аномальных значении (выбросов),

- гладкое восполнение пропущенных данных траекторных измерений и

- идентификацию скачков фазовой неоднозначности в результатах фазовых измерений и компенсацию этих скачков.

Предварительной обработке подвергаются разности данных траекторных измерений и опорной траектории , рассчитанной на основе бортовой эфемеридной информации. Эти разности характеризуют относительное движение спутника вдоль опорной орбиты . В относительных разностях траекторных измерений на фоне шумов ограниченного уровня легче обнаруживаются аномальные значения.

Разрывы в данных, возникающие в случаях потери синхронизации приемной аппаратуры и спутника, в относительных разностях воспринимаются как пачки выбросов

Для сглаживания данных и исключения отдельных выбросов и коротких пачек выбросов применяется рекуррентные процедуры калмановского типа [7]. При обнаружении выброса (в этом случае контролируемая величина невязки превышает заданное допустимое значение) рекуррентная процедура переводится из режима фильтрации шумов

Рис.5. Исключение пачки выбросов адаптивной процедурой фильтрации

в режим экстраполяции и обнаруженное аномальное значение заменяется экстраполированным значением, вычисленным на основе применяемой в процедуре математической модели искомого решения . Эта модель выбирается таким образом, чтобы в режиме фильтрации амплитудные искажения оценки были минимальными

...