Разработка и исследование алгоритмов оценивания параметров нестабильности бортовых часов навигационных спутников ГЛОНАСС по данным траекторных измерений
Стр.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Глава 1. Постановка и обсуждение задачи оценивания параметров
нестабильности бортовых часов навигационных спутников . 11
1.1 О влиянии уходов шкал времени часов на точность решения
координатно-временных задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Математические модели нестабильности часов на основе
квантовых стандартов частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Описание нестабильности частоты часов . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Наземные часы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.3 Бортовые часы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Меры нестабильности часов: долговременная и кратковременная
составляющие нестабильности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 Исходная информация для оценивания параметров
нестабильности бортовых часов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.1 Уравнения кодовых и фазовых измерений . . . . . . . . . . 23
1.4.2 Оценивание шкал времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.3 Оценивание частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Основные задачи спутниковых навигационных технологий,
приводящие к оцениванию параметров нестабильности часов . . . 29
1.6 Пути повышения точности и достоверности результатов
контроля бортовых шкал. Развитие орбитального метода . . . . . . 30
1.7 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Глава 2. Идентификация нестабильности часов и прогнозирование
уходов бортовых часов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1 Параметрическая идентификация долговременной
нестабильности в классе полиномов. Оценка характеристик
релятивистских эффектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Параметрическая идентификация кратковременной
нестабильности в классе уравнений авторегрессии . . . . . . . . . 38
2.3 Прогнозирование уходов бортовых часов на основе
математических моделей нестабильности частоты . . . . . . . . . . 39
2.4 Оценка точности прогнозных значений уходов бортовых часов . . 41
2.5 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Глава 3. Разработка алгоритмов статистического оценивания
параметров нестабильности бортовых часов по данным
беззапросных траекторных измерений . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1 Предварительная обработка данных траекторных измерений . . . . 46
3.1.1 Погрешности, порожденные внешними факторами . . . . . 46
3.1.2 Методы предварительной обработки траекторных
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Анализ влияния многолучевости на качество траекторных
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Построение адекватной математической модели нестабильности
частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Разработка алгоритма прогнозирования уходов бортовых часов
на основе полученной математической модели на определённом
интервале времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Алгоритм построения групповой шкалы времени часов . . . . . . . 55
3.6 Исследование точности оценивания и выбор конструктивных
параметров алгоритма из условия достижения минимальных
погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.7 Планирование и организация измерительных экспериментов . . . . 61
3.8 Основные выводы и заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Глава 4. Экспериментальные исследования алгоритмов оценивания
параметров нестабильности часов по данным траекторных
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1 Анализ проявления многолучевости распространения
радиосигналов (сравнение антенных модулей) . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Оценивание погрешностей представления бортовой шкалы
времени с помощью ЧВП в условиях применения эталона
времени и частоты ВЭТ 1-19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3 Алгоритмы сравнения частот пространственно-разнесенных
стандартов частоты по данным беззапросных фазовых измерений . 73
4.4 Анализ проявления влияния гравитационных эффектов на
частоту стандарта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 Перспективы использования разработанных методов и
алгоритмов оценивания параметров нестабильности часов в
региональной системе дифференциальной коррекции и
мониторинга навигационного поля ГЛОНАСС/GPS
Новосибирской области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.6 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Список сокращений и условных обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Приложение А. Меры нестабильности частоты квантовых стандартов 94
Приложение Б. Влияние релятивистских эффектов на частоту
бортовых часов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Приложение В. Акты внедрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Актуальность диссертационной работы. Возрастающие требования к
качеству ГНСС-услуг, к увеличению точности координатно-временных опреде-
лений потребителя, выполняемых на основе применения спутниковых навигаци-
онных технологий, приводит к необходимости совершенствования эфемеридно-
временного обеспечения ГНСС. Одно из направлений модернизации отечествен-
ной системы ГЛОНАСС связано с переходом комплекса эфемеридно-временного
обеспечения системы на беззапросные технологии траекторных измерений ра-
диотехническими методами по орбитальной группировке навигационных спут-
ников. Эти технологии обладают большей производительностью и информатив-
ностью, по сравнению с запросными технологиями, однако их применение за-
труднено большим количеством внешних факторов влияющих на результаты из-
мерения дальностей от навигационных спутников (НС) до потребителя.
Среди этих факторов ключевыми являются уходы шкал времени бортовых
часов НС относительно системной шкалы времени. В целях компенсации уходов
бортовых шкал времени в пунктах наземного комплекса управления системы
ГЛОНАСС рассчитываются прогнозные значения таких уходов, представляемые
в виде частотно-временных поправок (ЧВП). Поправки закладываются на борт
каждого НС орбитальной группировки и в последствие передаются потребителю
в составе навигационного сообщения.
Построение прогнозных положений бортовых шкал времени относительно
Центрального синхронизатора системы осуществляется на основе математиче-
ских моделей, описывающих характер нестабильности частоты бортовых высо-
костабильных генераторов. Задача описания и последующего оценивания неста-
бильности частоты генераторов имеют существенное значение для измеритель-
ных систем, имеющих в своем составе высокостабильные источники сигналов
времени и частоты. Начиная с 60-х гг. проблеме математической интерпретации
нестабильности частоты квантовых стандартов посвящено большое число ис-
следовательских работ Д. Аллана, В. Рэйли, Ж. Рютмана, У.С. Линдси, Дж. А.
Барнса.
Значительный вклад в решение задачи оценивания и прогнозирования ухо-
дов бортовых часов относительно шкалы Центрального синхронизатора в целях
эфемеридно-временного обеспечения системы ГЛОНАСС внесли М.Ф. Решет-
нев, Б.Ф. Жданюк, А.С. Толстиков, А.К. Гречкосеев, В.М. Владимиров, А. Н.
Жуков, Б. Д. Борисов, Б. В. Шебшаевич, С. Б. Пушкин, М. Б. Кауфман.
Несмотря на достигнутые результаты в изучении характера нестабильно-
сти часов, построенных на основе квантовых стандартов частоты, остается мно-
го проблемных задач в этой области, требующих своего решения. Необходимо
выбирать математические модели нестабильности часов, работающих на бортах
НС и находящихся под воздействием факторов гравитационной и релятивист-
ской природы; решать задачи оценивания параметров этих математических мо-
делей нестабильности частоты на основе использования результатов беззапрос-
ных кодовых и фазовых псевдодальномерных радиотехнических измерений; ис-
следовать аналитическими и экспериментальными методами метрологические
характеристики применяемых алгоритмов оценивания; разработать алгоритм и
методики компенсации уходов бортовых шкал времени на основе применения
адекватных математических моделей нестабильности часов; изучить возможно-
сти применения уточненных математических моделей нестабильности кванто-
вых стандартов частоты для традиционных задач частотно-временных опреде-
лений на основе использования спутниковых навигационных технологий.
Решение перечисленных проблемных задач составляет основное содержа-
ние диссертационных исследований автора, что делает тему диссертации акту-
альной.
Целью диссертационных исследований является повышение точности
оценивания параметров нестабильности бортовых часов навигационных спут-
ников ГЛОНАСС по результатам беззапросных кодовых и фазовых траектор-
ных измерений для повышения достоверности результатов контроля качества
частотно-временных параметров навигационного поля ГЛОНАСС и для высоко-
точного прогнозирования уходов бортовых шкал времени, что в конечном счете
обеспечит повышение эффективности решения координатно-временных опреде-
лений ГНСС.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
1. Провести анализ факторов, порождающих нестабильность частоты бор-
товых часов навигационных спутников ГНСС, построенных на основе
квантовых стандартов частоты.
2. Сделать выбор адекватных математических моделей нестабильности
квантовых стандартов частоты, применяемых в качестве часов на бор-
тах навигационных спутников ГНСС.
3. Разработать и исследовать метрологические характеристики алгорит-
мов идентификации параметров нестабильности бортовых часов по
данным беззапросных траекторных кодовых и фазовых измерений.
4. Разработать и исследовать метрологические характеристики алгорит-
мов прогнозирования уходов бортовых шкал времени.
Научная новизна:
1. Предложены уточненные математические модели нестабильности кван-
товых стандартов частоты, применяемых на бортах навигационных
спутников ГНСС в качестве часов, для которых учтена зависимость
частоты указанных стандартов от эффектов гравитационной и реляти-
вистской природы.
2. Впервые разработаны алгоритмы параметрической идентификации бор-
товых часов с помощью уточненных математических моделей неста-
бильности и проведены исследования метрологических характеристик
этих алгоритмов. Особенностью применения этих алгоритмов является
использование в качестве исходных данных для оценивания параметров
результатов псевдодальномерных кодовых и фазовых радиотехнических
измерений, выполняемых в условиях применения эталона единиц вре-
мени и частоты ВЭТ 1-19.
Теоретическая значимость. Разработанные уточненные математические
модели нестабильности, алгоритмы оценивания, методики выполнения измере-
ний и программные приложения этих методик позволили:
— провести исследования погрешностей представления положений бор-
товых шкал времени навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS с помощью
бортовых частотно-временных поправок;
— решать задачи сравнения шкал времени и частот пространственно-раз-
несенных высокостабильных часов по данным беззапросных кодовых и фазовых
траекторных измерений, выполняемых радиотехническими устройствами;
— рассчитать в режиме Ultra-rapid уточненные частотно-временные по-
правки к бортовым шкалам времени радиовидимой орбитальной группиров-
ки спутников ГНСС для системы метрологического обеспечения сети базовых
ГНСС станций Новосибирской области.
Практическая значимость результатов диссертационных исследований
заключается в следующем.
1. Разработанные алгоритмы оценивания параметров нестабильности ча-
стоты бортовых часов используются в штатной работе метрологическо-
го пункта Государственной службы времени и частоты (ГСВЧ) ФГУП
«СНИИМ» и при выполнении составных частей ОКР «Шкалы» и ОКР
«Совмещение» в рамках федеральной целевой программы «Поддержа-
ние, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг.».
Причем использование фазовых псевдодальномерных измерений в ка-
честве исходных данных позволило повысить точность и достовер-
ность результатов сравнения шкал времени пространственно-разнесен-
ных эталонов времени и частоты ГСВЧ и результатов контроля навига-
ционного поля ГЛОНАСС.
2. Полученные оценки погрешностей представления бортовых шкал вре-
мени с помощью частотно-временных поправок и уточненные частотно-
временные поправки в режиме Ultra-rapid представляются для пользо-
вателей сетей базовых ГНСС-станций Новосибирской области, что в
конечном счете способствует повышению точности решения задач ко-
ординатно-временных определений этими потребителями.
Mетодология и методы исследования. При решении проставленных за-
дач использовались: методы математического анализа, методы математического
и имитационного моделирования, теории вероятности и математической стати-
стики, фрагменты специальной теории относительности, теории сигналов, мето-
ды линейной алгебры, теории оптимального оценивания параметров сигнала.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Применение уточненных математических моделей нестабильности бор-
товых часов навигационных спутников ГНСС, учитывающие помимо
собственных составляющих долговременной и кратковременной неста-
бильностей влияние на параметры этих моделей нестабильности эффек-
тов гравитационной и релятивистской природы, обеспечивает уменьше-
ние погрешностей оценивания уходов бортовых шкал времени до 0,1
нс.
2. Использование алгоритмов оценивания параметров математических мо-
делей нестабильностей частоты бортовых и наземных часов, построен-
ных на основе квантовых стандартов частоты, по данным беззапрос-
ных кодовых и фазовых траекторных измерений в условиях примене-
ния эталона единиц времени и частоты ВЭТ 1-19 с привлечением ме-
тодики точного позиционирования Precise Point Positioning позволяет
уменьшить погрешность оцениваниям моментов шкал времени до уров-
ня ≈ 1 нс.
3. Разработанные методики оценивания параметров математических мо-
делей нестабильности часов, методики прогнозирования уходов шкал
времени бортовых часов НС в режиме Ultra-rapid обеспечивают опера-
тивный расчет корректирующих поправок для применяемых высокоста-
бильных часов и, в конечном счете, повышают точность решения задач
координатно-временных определений потребителя.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами
теоретических исследований, данными модельных исследований и натурных из-
мерений. Результаты согласуются с основными теоретическими положениями и
находятся в соответствии с результатами, представляемыми центрами обработки
ГНСС измерений (ИАЦ ГЛОНАСС, СДКМ, IGS).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Системы связи и радио-
навигации» (ОАО «НПП „Радиосвязь“», СФУ, г. Красноярск, 2014, 2015,
2016 гг.), Международном научном семинаре «Relativistic Geodesy: Foundations
and Applications» (Germany, Bad Honnef, 2016 г.), Международном симпозиу-
ме «Метрология времени и пространства» (ФГУП «ВНИИФТРИ», г. Санкт-
Петербург, 2016 г.), Всероссийской конференции «Фундаментальное и приклад-
ное координатно-временное и навигационное обеспечение» (г. Санкт-Петербург,
2013 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные про-
блемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, СФУ, 2014 г.), Международном во-
енно-техническом форуме «АРМИЯ-2016» (г. Москва, 2016 г.), Международ-
ной научно-технической конференции «Навигационные спутниковые системы,
их роль и значение в жизни современного человека» (г. Железногорск, ОАО
«ИСС им. Решетнева», 2012 г.), Международной научно-технической конферен-
ции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск,
ФГУП «СНИИМ», 2012, 2014, 2016 гг.), Всероссийской конференции «Винеров-
ские Чтения» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2013, 2014, 2015 гг.), Международном научном
конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, ФГБОУ ВПО «СГГА»,
2012, 2013, 2014, ФГБОУ ВО «СГУГиТ», 2015, 2016 гг.).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 26
печатных изданиях, 6 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК,
17 — в тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх
глав, заключения и трех приложений. Полный объём диссертации составляет
104 страницы, включая 18 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит
77 наименований.
В диссертационной работе получены следующие основные результаты.
1. Решена задача оценивания с требуемой точностью параметров неста-
бильности бортовых часов навигационных спутников ГНСС по данным
беззапросных кодовых и фазовых траекторных псевдодальномерных из-
мерений с погрешностью не превышающей 1 нс.
2. Высокая точность и достоверность результатов оценивания обеспечена:
— применением при траекторных измерениях в качестве опорных сиг-
налов Государственного вторичного эталона единиц времени, частоты
и шкалы времени ВЭТ 1-19 метрологического пункта ГСВЧ в ФГУП
«СНИИМ» (г. Новосибирск);
— использованием в качестве исходных данных для оценивания резуль-
татов траекторных измерений по навигационным спутникам ГНСС, вы-
полняемых в метрологических пунктах ГСВЧ (п. Менделеево, г. Но-
восибирск, г. Иркутск, г. Хабаровск), оснащенных эталонами единиц
времени, частоты и шкалы времени;
— использованием оригинальных алгоритмов оценивания текущих мо-
ментов шкал времени и частот генераторов бортовых часов с примене-
нием расширенных математических моделей нестабильности бортовых
стандартов частоты.
3. По результатам оценивания текущих моментов шкал времени борто-
вых часов навигационных спутников ГНСС проведены исследования
погрешностей представления этих бортовых шкал времени с помощью
бортовых частотно-временных параметров (ЧВП), транслируемых по-
требителю в составе навигационного радиосигнала. Исследования по-
казали недостаточную (в 30 % случаев) точность представления борто-
вых шкал ГЛОНАСС с помощью ЧВП и наличие таких погрешностей
для бортовых шкал GPS.
4. Реализован расчет поправок к моментам бортовых шкал времени в
режиме Ultra-rapid, что потребовало введение в состав математиче-
ских моделей нестабильности частоты бортовых стандартов составляю-
щих, учитывающих изменения частоты стандарта вследствие изменения
уровня гравитационного потенциала при движении спутника по орбите.
5. Апостериорные оценки погрешностей представления бортовых шкал
времени с помощью бортовых ЧВП и Ultra-rapid поправки передаются
для пользователей сети базовых ГНСС-станций Новосибирской области
и других региональных пользователей.
6. Адекватность математических моделей нестабильности, учитывающих
изменения гравитационного потенциала для квантовых стандартов ча-
стоты, проверялась в эксперименте, проводимом совместно ФГУП
«СНИИМ» и ФГБОУ ВО «СГУГиТ» (г. Новосибирск) в республике
Алтай. Результаты эксперимента хорошо согласуются с полученными
теоретическими положениями и с результатами гравиметрических из-
мерений.
Список сокращений и условных обозначений
БАМИ бортовая аппаратура межспутниковых измерений
БИС беззапросная измерительная станция
ВЭТ 1-19 Государственный вторичный эталон времени, частоты и момента
шкалы времени
ГЛОНАСС отечественная глобальная навигационная спутниковая система
ГНСС глобальная навигационная спутниковая система
ГСВЧ Государственная служба времени и частоты
КВО координатно-временное обеспечение
КВНО координатно-временные и навигационные определения
КСЧ квантовый стандарт частоты
МНК метод наименьших квадратов
НКУ наземный комплекс управления
НС навигационный спутник
ОМНК обобщенный метод наименьших квадратов
СДКМ система дифференциальной коррекции и мониторинга
СК система координат
СКО среднеквадратическое отклонение
СВОЭВП система высокоточного определения эфемеридно-временных па-
раметров
ФК фильтр Калмана
ЦС Центральный синхронизатор
ЧВИ частотно-временная информация
ЧВП частотно-временные поправки
ЭВИ эфемеридно-временная информация
ЭВО эфемеридно-временное обеспечение
AIUB Astronomisches Institut – Universitat Bern — Астрономический ин-
ститут университета Берна
Galileo европейская система ГНСС
GMF Global Mapping Funсtion
GPS Global Positioning System (USA) — глобальная навигационная си-
стема
ESOC European Space Operations Centre — Европейский космический
центр
IERS International Earth Rotation and Reference Systems Service — Меж-
дународная служба вращения Земли (МСВЗ)
IGS International GNSS Service — Международная служба ГНСС
ITRF The International Terrestrial Reference Frame — Международная
земная система координат
MEDLL Multipath Elimanation Delay Lock Loop
MET Multipath Elimanation Technology
PPP Precise Point Positioning -метод точного позиционирования
PPS Pulse Per Second — секундный импульс
UTC Coordinated Universal Time — Всемирное координированное вре-
мя
UTC(SU) шкала универсального координированного времени государ-
ственного первичного эталона Российской федерации
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (20 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.9 (37 отзывов)
4.8 (1033 отзыва)
4.5 (80 отзывов)
0 (13 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
