Разработка и исследование алгоритмов оценивания текущих навигационных параметров спутников ГНСС по данным беззапросных траекторных измерений

Карауш, Артем Андреевич

Стр.

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Глава 1. Постановка и обсуждение задачи оценивания текущих
навигационных параметров (ТНП) спутников ГНСС . . . . . 12
1.1 Состояние дел в области оценивания ТНП для нужд ЭВО для
задач контроля навигационных полей ГНСС . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.1 Существующие требования для решения поставленных в
исследовании задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2 ПО для решения задач оценивания ТНП . . . . . . . . . . . 14
1.2 Постановка задачи оценивания ТНП по данным траекторных
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1 Описание возмущённого движения КА в ИСК в
кинематических элементах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 Уравнение беззапросных траекторных измерений. Учёт
влияющих факторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.3 Методы оценивания ТНП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.4 Критерии точности оценивания ТНП . . . . . . . . . . . . . 34
1.3 Пути повышения точности оценивания ТНП . . . . . . . . . . . . . 35
1.4 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Глава 2. Использование кодовых и фазовых псевдодальномерных
измерений для оценивания ТНП . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1 Учёт факторов, влияющих на точность кодовых и фазовых
траекторных измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 Линейные комбинации кодовых и фазовых измерений . . . . . . . 47
2.2.1 Модель кодовых и фазовых измерений . . . . . . . . . . . . 47
2.2.2 Линейные комбинации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Сравнение подходов к оцениванию неоднозначности фазовых
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Описание используемого метода разрешения фазовой
неоднозначности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4 Обнаружение и компенсация потерь фазовых циклов . . . . . . . . 54
2.4.1 Обнаружение потерь фазовых циклов по широкополосной
комбинации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.2 Обнаружение потерь фазовых циклов по узкополосной
комбинации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.3 Сравнительный анализ алгоритмов обнаружения потерь
фазовых циклов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Глава 3. Разработка и исследование эффективных алгоритмов
оценивания ТНП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 Улучшение обусловленности матрицы системы алгебраических
уравнений на основе метода инструментальных переменных . . . . 67
3.2 Выбор численных методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1 Методы численного решения дифференциальных уравнений 71
3.3 Вычисление производных по начальным условиям движения НС . 76
3.3.1 Вычисление элементов переходной матрицы . . . . . . . . . 78
3.3.2 Вычисление элементов матрицы чувствительности . . . . . 79
3.4 Алгоритм оценивания ТНП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Глава 4. Модельные исследования алгоритма оценивания ТНП.
Применение алгоритма для контроля навигационного поля
ГНСС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1 Сравнительный анализ численных методов . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.1 Описание модельного эксперимента. Плоская задача . . . . 84
4.1.2 Аналитическое решение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.3 Численные схемы, оценки точности, параметры. Режимы
моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.4 Сравнительная характеристика численных схем . . . . . . . 86
4.2 Сравнительные характеристики инструментальных переменных . . 91
4.2.1 Модельные исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3 Оценивание погрешностей восстановления ТНП на основе
сравнения полученных оценок с апостериорными эфемеридами . . 93
4.4 Основные результаты и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Список рисунков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Приложение А. Сведения о внедрении результатов диссертационных
исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Приложение Б. Системы координат, применяемые в спутниковых
навигационных технологиях и связь между
системами координат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Б.1 Геоцентрическая земная система координат . . . . . . . . . . . . . . 120
Б.2 Геоцентрическая инерциальная система координат . . . . . . . . . 121
Б.3 Переход от земной к инерциальной системе координат . . . . . . . 122
Б.4 Объектоцентрическая система координат . . . . . . . . . . . . . . . 124

В настоящее время перед учёными стоит задача повышения точности и
надёжности координатно-временных определений на основе применения спут-
никовой навигационной системы (СНС) ГЛОНАСС. В связи с этим проводится
работа по модернизации системы во всех её сегментах. В частности, для эффек-
тивного решения поставленной задачи требуется глубокая переработка техноло-
гии эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) системы. Одно из направлений
модернизации ЭВО связано с переходом основного источника информации о
состоянии орбитальной группировки навигационных спутников (НС) на прин-
ципиально новые беззапросные технологии траекторных измерений. Централь-
ной задачей эфемеридно-временного обеспечения, которую необходимо решать
на основе беззапросных технологий, является определение орбит навигацион-
ных спутников, входящих в состав ГЛОНАСС, то есть оценивание их текущих
навигационных параметров.
Проблемами определения орбит спутников занимались отечественные учё-
ные: Е. П. Аксенов, Г. Н. Дубошин, П. Е. Эльясберг, В. В. Малышев, В. В. Митри-
кас, М. Ф. Решетнев, А. К. Гречкосеев, В. А. Бартенев, Б. Ф. Жданюк, Т. В. Бор-
довицина; а также зарубежные учёные: M. Ash, G. Blewitt, R. Dach, S. Schaer,
D. Dong, Y. Bock, T. Herring, R. King, M. Ge, J. Kouba, S. Loyer, F. Mercier,
D. Laurichesse, L. Mervart, O. Montenbruck, E. Gill, T. Springer, G. Beutler, G. Xu
и другие.
Беззапросные технологии траекторных измерений обладают высокой про-
изводительностью, информативностью и потенциально высокой точностью. Од-
нако, применение этих технологий приводит к необходимости решения ряда про-
блемных задач.
В частности, результаты траекторных измерений оказываются зависимы-
ми от большого числа влияющих факторов, которые необходимо моделировать
и прогнозировать. Это обстоятельство приводит к необходимости оценивания
текущих значений этих факторов путём решения систем алгебраических урав-
нений большой размерности, которые в подавляющем числе случаев обладают
плохой обусловленностью.
Для восстановления орбит навигационных спутников требуется тщатель-
ный учёт действующих на спутник возмущений, в том числе от несферичности
гравитационного поля Земли, гравитационных воздействий Луны и Солнца, а
также радиационного давления солнечного излучения. Учёт этих возмущений
требует привлечения адекватных математических моделей.
Важным элементом задачи восстановления орбит навигационных спут-
ников является применение эффективных численных методов интегрирования
уравнений движения спутников, обеспечивающих высокую точность интегри-
рования при наличии особенностей в правой части уравнений движения НС,
порождённых действующими на НС возмущениями.
Решение перечисленных проблемных задач и составляет основное содер-
жание диссертационных исследований.
Преодоление трудностей, порождённых перечисленными проблемными
вопросами, позволило создать в ФГУП «СНИИМ» программно-аппаратный ком-
плекс, обеспечивающий оценивание текущих навигационных параметров спут-
ников ГЛОНАСС и GPS с характеристиками точности, удовлетворяющими тре-
бованиям Федеральной целевой программы “Поддержание, развитие и исполь-
зование системы ГЛОНАСС на 2012–2020 годы”.
Проведённые аналитические исследования позволили выбрать конструк-
тивные параметры алгоритмов, обеспечивающие минимальные уровни погреш-
ностей оценивания и погрешностей прогнозирования текущих навигационных
параметров спутников ГНСС, что позволило применять полученные оценки и
прогнозы в региональной системе дифференциальной коррекции и мониторинга
эфемеридно-временной информации.
Всё это позволяет считать тему диссертационных исследований актуаль-
ной, а полученные результаты полезными для практики применения спутнико-
вых навигационных технологий.
Целью является повышение точности оценивания текущих навигацион-
ных параметров спутников систем ГНСС по данным беззапросных траекторных
измерений в целях контроля навигационного поля ГНСС, а также разработка
алгоритмов и соответствующих им программных приложений и методик оцени-
вания и прогнозирования навигационных параметров спутников.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. На основе результатов диссертационных исследований решена задача
оценивания текущих навигационных параметров спутников ГЛОНАСС
и GPS по данным кодовых и фазовых измерений.

2. Высокая точность оценивания навигационных параметров, удовлетво-
ряющая требованиям Федеральной целевой программы “Поддержание,
развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012–2020 гг.” к точ-
ности формирования эфемеридно-временной информации, достигнута
за счет применения для формирования системы нормальных уравне-
ний, подлежащей решению относительно начальных условий уравне-
ний движения НС, метода инструментальных переменных.

3. По существу разработанные алгоритмы оценивания текущих навига-
ционных параметров НС представляют собой одну из реализаций ор-
битального метода космической геодезии. Наряду с навигационными
параметрами НС одновременно оцениваются:

– параметры нестабильности бортовых часов;
– параметры математических моделей радиационного давления
на НС солнечного излучения;
– координаты беззапросных измерительных станций;
– зенитные влажные составляющие тропосферных задержек на-
вигационного сигнала;
– неоднозначности фазовых измерений по каждой радиотрассе;
– параметры вращения Земли.

4. Повышению точности и достоверности оценок текущих навигационных
параметров НС способствует применение алгоритмов предварительной
обработки результатов фазовых измерений с целью обнаружения и ис-
правления потерь фазовых циклов, а также обнаружения и исключения
выбросов в кодовых и фазовых измерениях.
5. Аналитические исследования точности и устойчивости алгоритмов оце-
нивания строились на основе уравнений динамики алгоритмов, разре-
шённых относительно погрешностей оценивания. Полученные соотно-
шения позволили решать задачу оптимального выбора конструктивных
параметров алгоритмов.

6. Достижению требуемых характеристик точности оценивания способ-
ствует применение для оценивания неоднозначностей фазовых измере-
ний вторых разностей широкополосных и узкополосных комбинаций.

7. Важной составляющей разработанных алгоритмов оценивания являет-
ся применение численной схемы Эверхарта для интегрирования уравне-
ний движения НС и уравнений в вариациях для расчёта производных по
начальным условиям. Это обеспечило минимальный уровень погрешно-
стей интегрирования в моменты возникновения скачков в правой части
уравнений, связанных с прохождением НС теневых участков орбиты.

8. Разработанные алгоритмы, методики оценивания текущих навигацион-
ных параметров КА ГНСС применяются для контроля в мониторин-
говом режиме параметров навигационного поля ГЛОНАСС и GPS, и
предназначены для предоставления результатов контроля пользовате-
лям сети активных базовых ГНСС станций Новосибирской области и
другим региональным пользователям спутниковых навигационных тех-
нологий.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Лидия К.
    4.5 (330 отзывов)
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии ... Читать все
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии и педагогики. Написание диссертаций, ВКР, курсовых и иных видов работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    592 Выполненных работы
    Логик Ф. кандидат наук, доцент
    4.9 (826 отзывов)
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.
    #Кандидатские #Магистерские
    1486 Выполненных работ
    Мария М. УГНТУ 2017, ТФ, преподаватель
    5 (14 отзывов)
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ... Читать все
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ. Большой опыт в написании курсовых, дипломов, диссертаций.
    #Кандидатские #Магистерские
    27 Выполненных работ
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Распознавание воздушных целей в пассивном когерентном локаторе
    📅 2022год
    🏢 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
    Радиолокационный мониторинг судоходства с использованием сигналов подсвета от средств космического базирования
    📅 2022год
    🏢 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
    Матричные имитаторы эхосигналов многоантенных радиолокационных систем
    📅 2021год
    🏢 ФГБОУ ВО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»