Программный имитатор беззапросных траекторных измерений в системе метрологического обеспечения ГЛОНАСС

УДК 621.396.2

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

ПРОГРАММНЫЙ ИМИТАТОР БЕЗЗАПРОСНЫХ ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЛОНАСС

В работе речь идет о проблемах формирования эфемеридно-временного обеспечения отечественной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС на основе беззапросных измерительных технологий.

Исследование характеристик точности указанного эфемеридно-временного обеспечения и ряда других проблемных задач метрологического плана предлагается решать на основе программного имитатора измерительной информации ModBis 24, разработанного в ФГУП «СНИИМ» (г. Новосибирск).

A.S. Tolstikov, O.V. Boyarkeeva

Siberian Scientific-Research Institute of Metrology

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

THE PROGRAM SIMULATOR OF UNREQUESTLESS TRAJECTORY MEASUREMENTS IN SYSTEM OF METROLOGICAL MAINTENANCE GLONASS

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

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

Уровень метрологического обеспечения всего комплекса ГЛОНАСС и эфемеридно-временного обеспечения, в частности, недостаточен. Следует отметить, что 27 лет назад был запущен первый отечественный спутник ГЛОНАСС. И только сейчас, спустя много лет, в рамках Федеральной целевой программы «Глобальная Навигационная Система» была поставлена ОКР «Метрология». Это говорит о важности создания, развития и совершенствования метрологического обеспечения системы ГЛОНАСС.

Большое количество геодезических задач решается на основе спутниковых навигационных технологий, одной из главных проблем является обеспечение точности позиционирования [1]. Эти вопросы точности определяются, главным образом, уровнем эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) спутниковой навигационной системы (СНС).

В настоящее время ЭВО СНС «ГЛОНАСС» модернизируется в плане повышения точности КВО по сигналам навигационных спутников системы ГЛОНАСС. Высокие точностные характеристики координатно-временных и навигационных определений на основе СНС ГЛОНАСС требуют создания качественных эфемеридно-баллистического и эфемеридно-временного обеспечений и наличия метрологического обеспечения всех сегментов СНС

ГЛОНАСС. Основным источником данных для модернизации ЭВО и ЭБО являются беззапросные траекторные измерения по КА «ГЛОНАСС», КА «GPS». Для реализации данной технологии с 2008 года в НКУ «ГЛОНАСС» происходит переход ЭВО «ГЛОНАСС» на беззапросные технологии траекторных измерений. В качестве основных исходных данных для ЭВО «ГЛОНАСС» при этом применяются результаты траекторных измерений по орбитальным группировкам навигационных спутников «ГЛОНАСС», выполняемых с сети беззапросных измерительных станций (БИС). В силу того, что беззапросные технологии формирования ЭВО ГЛОНАСС находятся в стадии внедрения, многие проблемные вопросы нуждаются в отработке. В частности: необходима разработка алгоритмов, методик выполнения измерений, а также оценка точности для решения ряда задач ЭВО.

Сложность исследований точностных характеристик ЭВО, основанных на беззапросных измерительных технологиях, не позволяет, в общем случае, связать аналитическими зависимостями точностные характеристики с факторами, влияющими на точность, поэтому мы решили использовать метод имитационного моделирования. Поскольку в имитационном эксперименте известны орбитальные параметры, частотно-временные поправки, структура и параметры согласующих моделей, параметры вращения Земли, имеется возможность непосредственного сравнения этих параметров с их оценками, полученными в процессе исследований тех или иных схем формирования ЭВО.

Рис. 1. Главное окно программного имитатора ModBis 24

Для проведения комплекса таких исследований в [2] были определены принципы создания программного имитатора. Непосредственное создание такого имитатора потребовало детальное исследование влияния факторов на точность координатно-временных определений. Такой имитатор в виде пакета программ с пользовательским интерфейсом под общим названием «ModBis 24» разработан в ФГУП «СНИИМ» для ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева», главное окно которого изображено на рисунке 1. На базе разработанного имитатора

измерительной информации «ModBis 24» может быть решена часть проблем метрологического обеспечения спутниковой навигационной системы (СНС) ГЛОНАСС.

Функционально программный имитатор МоёЫБ 24 обеспечивает решение следующих задач.

- Расчет движения орбитальной группировки КА ГЛОНАСС (до 25 КА) с учетом действующих на КА возмущений,

- Задание сети БИС в геоцентрической системе координат ПЗ-90 (или \VGS-84),

- Задание параметров вращения Земли,

- Расчет геометрических дальностей от каждого КА до каждой БИС,

- Имитацию факторов, влияющих на точность измерений,

- Оценивание характеристик погрешностей модельных исследований.

Эти функциональные возможности имитатора МоёЫБ 24 позволяют исследовать влияние совокупности факторов на точность координатновременных определений.

Измерение геометрических дальностей р(ис,ип) радиотехническими методами сводится к определению длительности интервала времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от КА с текущими координатами ис до БИС с координатами ип. Основу всех координатновременных определений составляют измеренные геометрические дальности от КА до БИС. Для каждой радиотрассы этот измеренный интервал времени В(), выраженный в единицах длины и именуемый в дальнейшем «псевдодальностью», связан с геометрической дальностью р(ис,ип) уравнением измерений

12

Д0 = р

к=1

где = 1, - Д2_ факт0рЬ^ влияющие на точность измерений р

по каждой радиотрассе выраженные в единицах длины.

В тех задачах КВО, где основным информативным параметром является дальность р(ис,ип), мешающие факторы р.(I) должны компенсироваться поправками соответствующими /?'(/)• Для расчета р](1) применяются те или

иные математические модели.

После введения компенсирующих поправок в левую и правую части (1),

уравнение измерений примет вид

12

Щ) + 0 = р

¿=1

где = Рг(0-р'ХО погрешности компенсации влияющих факторов

образуют обобщенную шумовую составляющую погрешности измерений.

^«=£¿/>,

1=\

Если из результатов траекторных измерений извлекается информация о других процессах (уходы бортовой шкалы АТс^), параметры ионосферы, параметры тропосферы), геометрическая дальность р{ис,ип) вводится в разряд влияющих факторов и подлежит компенсации рассчитанной поправкой

р (ис,ип).

Влияние факторов р. (1) на результаты КВО может быть снижено не только путем применения компенсирующих поправок р'(1) в уравнении измерений (1),

но и за счет использования разностей результатов траекторных измерений.

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

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

Для представления тропосферной задержки навигационного сигнала р (г) в имитаторе «ModBis 24» применяется математическая модель Х. Хопфилд [1]. Для этой модели в качестве исходных данных используются значения метеопараметров стандартной атмосферы в месте проведения измерений.

Факторы рь (г), р6 (г), р9 (г), р10 (г) в имитационных экспериментах

задаются в виде функций времени, значения которых рассчитываются с учетом конструктивных параметров КА, параметров приемных антенных модулей, значений погрешностей задания эфемерид КА ГЛОНАСС, параметров траекторий КА в зонах радиовидимости БИС.

В группу факторов р12 ( г) входят межлитерные и межчастотные задержки

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

Таким образом, программный имитатор измерительной информации позволяет решать следующие задачи:

1. Задавать эталонные орбиты для отладки алгоритмов восстановления орбит.

2. Оценивать влияние различных факторов на точность псевдодальномерных измерений и на точность КВО (для потребителя).

3. Рассчитывать поправки на влияющие факторы.

4. Планировать сеансы измерений при восстановлении орбит.

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

Разработанный программный имитатор измерительной информации станет важным фрагментом системы метрологического обеспечения СНС ГЛОНАСС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т 1.-М.: Картогеоцентр, 2005.- 334с.

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

© А.С. Толстиков, О.В. Бояркеева, 2010