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

На правах рукописи

Толстиков Александр Сергеевич

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

05.11.16. Информационно–измерительные и управляющие системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук.

Новосибирск - 2011

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, профессор,

Алейников Александр Федорович;

- доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Борисов Борис Дмитриевич.

Ведущая организация: - Томский государственный университет систем

управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Защита состоится 31 мая 2011 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

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент

О.Я. Шпилевая

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 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:

1. Общий подход к решению 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 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: