Исследование возможностей межспутниковых измерений-

Federal Space Agency
ИАЦ
Исследование возможностей межспутниковых измеренийсвязи в КНС ГЛОНАСС на основе модельного анализа
алгоритмов обработки МСИ для уточнения параметров
движения и синхронизации шкал времени КА ГЛОНАСС
Е.И. Игнатович, Золкин И.А., Щекутьев А.Ф.
ИАЦ КВНО ЦНИИмаш, www.glonass-iac.ru
_______________________________________________________________
Таруса, 2011 г.
Информационно-Аналитический Центр КВНО ЦНИИМаш
11
Назначение математич. модели и цели моделирования
Разработка
программно-математической
модели (ПММ) проведения и обработки
межспутниковых измерений как основы для
анализа и отработки перспективных методов
повышения
точности,
целостности
и
надежности системы ГЛОНАСС с применением МСЛ. Исследование возможностей
комплексирования МСИ псевдодальностей с
астроизмерениями межспутниковых ЛВ
Компьютерная имитационная Модель ПММ
«Synchro-Eph» предназначена для анализа
методов получения МСИ, оценки их
характеристик и отработки алгоритмов
применения МСИ в ЭВО ГНСС ГЛОНАСС.
Перспективные бортовые измерительно-связные
средства на КА Глонасс – БА БАМИ (МСИ псевдодальностей), БА МЛНСС (лазерная система межспутниковых измерений-связи), бортовые астроизмерители (телескопы) для измерения углового
направления Линии Визирования на другой ИСЗ
на фоне звезд
Аппаратура МЛНСС
2
RadioTechnical Onboard Equipment for InterSat
Measurements, Conical Antenna Pattern
General view of a possible conical directional pattern of the antenna
of on-board equipment (BEIM) for inter-satellite measurements in RT-variant
3
2 Variants of Onboard Equipment for
Intersatellite Measurements in persp. GLONASS
Radiotechnical variant BEIM







Navigation signal similar to user signal (phase manipulated PNC)
Digital information transfer and receiving is possible
Work time cyclogram of common interoperability with turning in/off the modes of
emitting/receiving of an intersatellite signal
Each S/C can receive up to 6 signal from other S/C in any moment while its BEIM is in a
receiving mode
Up to 14-16 S/C can receive signal from a given S/C if it is in the mode of intersatellite
signal emitting
Time delay for pseudorange between 2 sat-s has the 1s measurem. error
about 1
ns (30 cm)
Conic diagram of antenna direction.
Quantum-optical (laser) variant (main features)




Precision guidance on attitude in direction to other satellite is necessary and program
tracking of Satellites-targets
The number of laser sensor, required on each S/C, is up to 4-6.
Low power consumption, High frequency of primary light pulses (up to 5 KHz)
Possibility of precise time interval measuring between emitting of a direct and receiving of
a counter (opposite) signals – scheme of time comparison and range determination in
closed accordance with classic Einstein procedure.
4
2 возможных варианта бортовой аппаратуры для межспутниковых
измерений-связи в перспективной КНС ГЛОНАСС
Радиотехнический вариант БАМИ (разработки НИИ КП)







Навигационный сигнал подобен потребительскому сигналу (фазо-манипули-рованному
ПСП), диаграмма направленности широко-коническая
Сигнал БАМИ позволяет осуществлять передачу и прием цифровой информации
Рабочие Циклограммы взаимодействия через МСЛ в рамках всей ОГ предусма-тривают
регулярное переключение БА с режима излучения на режим приема межспутникового
сигнала, режим излучения – ¼ часть полного времени работы
Каждый КА может принимать до 6 сигналов от других КА в каждый момент времени когда
его комплект БАМИ находится в режиме приема.
До14-16 КА могут принимать сигнал от данного КА, когда он находится в режиме излучения
межспутникового сигнала
Первичное измерение – однопутевая псевдодальность.Измерение задержки времени,
отвечающей измерению псевдодальности между 2 спутниками имеет измерительн ошибку
(1s ) на уровне около 1 нс (30 см).
Коническая диаграмма направленности приемника-излучателя, ось конуса – по вертикали
орбитальной СК.
Кванто-оптический (лазерный) вариант межспутниковой БА (МЛНСС)




Необходимо точное наведение по угловому положению ЛВ БА в направлении на другой
(ведомый) спутник и программное сопровождение/автосопровождение ведомых КА (КАцелей) при взаимодействии через МЛНСС
Количество независимых лазерных датчиков (ОЭТ), для размещения на каждом КА , - 2-4.
Низкое энергопотребеление , высокая частота первичных лазерных импульсов (до 5 KHz)
Возможность точного измерения интервалов времени between emitting of a direct and
receiving of a counter (opposite) signals – scheme of time comparison and range determination
in closed accordance with classic Einstein procedure.
5
Бортовой терминал аппаратуры МЛНСС для установки на борту КА
Глонасс-М, используемый в КЭ 2009-2011 г на двух КА Глонасс
6
Principal Scheme of Time Scales Synchronization for
2 Satellites with help of series (direct and counter) Laser Pulses
Operational time diagram by the unitary laser ranging measurement
Δik
Di(tk)/c
Т0 + k·Т
T0П
Onboard
КАi
clock of a
1-st S/C
τijk
ΔИik
δτИik
δτПik
t
FПik
FЛik
F0ik
Dj(tk)/c
δt
КАj
Onboard
clock of a
2-nd S/C
ΔИjk
δτИjk
δτПjk
t
F0jk
FЛjk
Δjk
FПjk
τjik
Experiment Tests for 2 GLONASS-M in one orbit
plane are carried out in 2009
7
Схема взаимодействия двух КА ГЛОНАСС посредством
встречных противонаправленных сигналов МСИ
Навигационная конфигурация при синхронизации бортовых ШВ двух КА и определении их
взаимной дальности посредством МСИ с помощью встречных лазерных или радио сигналов.
8
Автономные бортовые измерительные системы для
модернизируемой перспективной ГНСС ГЛОНАСС
Типы бортовых межспутниковых измерений
системы ГЛОНАСС



Статус готовности и
перспективности
Комплекты БАМИ устанавливаются в
Измерения взаимных псевдодальностей Dij между КА
настоящее время на всех Глонасс-М
Глонасс с помощью радиотехнической БАМИ. Принцип Экспериментальная БА МЛНСС
установлена на КА 2 и 8, проходит начальизмерений – однопутевые кодовые измерения по ФМные тестовые испытания в ходе летного КЭ.
сигналам, аналогичным по структуре потребительским
Бортовые оптические телескопы-астроизмерители –
в стадии теоретической и экспериментальной
дальномерно-кодированным сигналам. Существенна
разработки (предыстория – проекты систем
возможность оперативного обмена результатами
«Кругозор» и «Строй» - 1990 гг.
измерений через связную межспутниковую линию.
Ожидаемая точность
 одиночных измерений псевдодальностей
Информативны для уточнения эфемерид КА и
(псевдозадержек) БАМИ
синхронизации БШВ
- 1  2 нс
Лазерные измерения с помощью бортовой лазерной
 синхронизации БШВ ГЛОНАСС по
измерениям БАМИ с учетом нестабильности
аппаратуры МЛНСС – нормальные места моментов
БСУ - 1  2 нс
излучения и приема по сериям быстрых коротких
 нормальных мест измерений МЛНСС
встречных лазерных импульсов. Информативны для
- -0.3  0.4 нс
уточнения эфемерид КА и синхронизации БШВ
 синхронизации БШВ ГЛОНАСС по
измерениям МЛНСС
Астроизмерения (в перспективе) взаимных (КА-КА)- 1  2 нс
направлений с привязкой к звездному базису.
 астроизмерений с привязкой к звездному базису
- 1.0  3.0 10-6 радиан ~
Информативны в отношении уточнения эфемерид
~ 30 м  100 м на дальности 30 000 км
(параметров движения) КА. Эффективны в комплексе с
МСИ взаимных дальностей для уточнения эфемерид КА
9
Задачи модельного имитационного анализа, решаемые
комплексом «Synchro-Eph»
Структура комплекса алгоритмов и ПМО «SYNCHRO-EPH» для
отработки вариантов бортовых алгоритмов и имитационного
моделирования процессов ЭВО ГНСС ГЛОНАСС на основе
межспутниковых измерений



1. Моделирующий имитационный комплекс (модельный стенд) предназначен для
моделирования работы бортовых алгоритмов уточнения (БАУ) ЧВП по МСИ и анализа
различных аспектов процесса построения системы ЧВО КА Глонасс с использованием
межспутниковых измерений БАМИ и МЛНСС.
2. Оценка на основе модельного анализа возможности межспутниковой аппаратуры
БАМИ для различных циклограмм и режимов работы БАМИ в комплексе с бортовым
алгоритмом уточнения ЧВП с целью высокоточной синхронизацию БШВ КА
«Глонасс» с погрешностями сведения их к единой групповой ШВ порядка 1-2 нс
3. Анализ на основании демонстрационных расчетов и модельного тестирования
различных режимов функционирования бортовых алгоритмов синхронизации БШВ на
предмет робастности при наличии аномальных ситуаций, оценки
 величины
уходов композитной групповой ШВ системы от служебного времени,
 оперативности процесса формирования «быстрых» поправок по МСИ,
 влияния на процесс синхронизации ШВ погрешностей в штатных опорных эфемеридах и ЧВП,
 реакции метода: на скачки в физических БШВ отдельных КА,
 на разрывы в опорных ЧВП при перезакладке ЭВП,
 на аномально большие (сбойные) погрешности измерений БАМИ на отдельных КА
10
Компьютерный комплекс имитационного моделирования
Synchro-Eph и исследование возможностей синхронизации
БШВ КА ГЛОНАСС на основе МСИ
Посредством ПМО «Synchro-Eph» проводится
моделирование
измерительной информации МСИ БАМИ или МЛНСС - формирование
первичных измерений взаимных псевдодальностей (псевдозадержек
времени распространения сигнала в секундах) между КА Глонасс.
Первичные МСИ рассчитываются с учетом схемы измерений, помимо
чистого времени распространения сигнала включают разность отклонений
бортовых шкал времени (БШВ) двух КА от ШВС. Указанная разность
имеет основную информативную ценность при использовании МСИ для
синхронизации БЧ Глонасс и уточнения их ЧВП
Задача моделирования первичных МСИ строится с учетом представлений
о поведении часов, опирающихся на бортовые АСЧ (вариация Аллана). При
оценивании ЧВП и мониторинге БШВ КА, решении задач синхронизации
БЧ существенны ошибки измерений, возникающие вследствие задержек
сигнала в бортовых ППУ БАМИ или МЛНСС. В ТЗ на разработку
вариантов алгоритмов обработки МСИ ставится задача разработки и
отладки бортовых программ уточнения (БПУ) ЧВП как по модельной
измерительной информации, так и по реальной информации от КА ОГ
ГЛОНАСС.
11
Общая структура модельного комплекса Synchro-Eph
Комплекс предназначен для модельных компьютерных
испытаний и отладки вариантов реализации бортового
навигационного алгоритма синхронизации бортовых часов
ГЛОНАСС с помощью межспутниковых измерений.
Комплекс состоит из следующих основных частей:

Управляющая программа
 Модуль задания сценария испытаний

Модуль имитации движения КА ОГ ГЛОНАСС
 Модуль имитации формирования штатных ЧВП и Эфемеридных
параметров КА Глонасс, передаваемых в навигационном сигнале
спутников
 Mодуль имитации работы аппаратуры межспутниковых измерений
БАМИ в соответствии с выбранными режимами и циклограммами
 Модуль имитации поведения БШ КА ГЛОНАСС с учетом нестабильности БСЧ и технологии перезакладки ЭВП на борт
 Модуль формирования модельных измерительных ошибок в
измерениях БАМИ
 Модуль имитации работы бортового навигационного алгоритма
синхронизации БШВ на основе измерений МСИ (параллельно для
всех задействованных в МСЛ спутников ОГ ГЛОНАСС) (на выходе –
массив значений расчетных быстрых поправок для всех моментов
их выдачи в пределах текущего кванта моделирования и по каждому
участвующему КА)
 Модуль анализа, отображения и архивирования результатов
модельных испытаний
СТРУКТУРА ГЛАВНОГО МЕНЮ КОМПЛЕКСА SBISL
Пункт меню
Исходные данные
Использовать в ОГ
Все
Только реальные
Инвертировать
Моделировать
Все
Недостающие
Не моделировать
Инвертировать
Типы БГЧ…
Расчет
Начать расчет…
Старт
Стоп
Пауза
Загрузить последние
результаты
Очистить графики
Сохранить
Таблицу с результатами
БШВ-ШВС без МСИ
ЧВП по МСИ
БШВ-ШВС на основе
МСИ
График 1 (верхний)
График 2 (нижний)
Отчет
Создать
Добавить в отчет
График 1
График 2
Удалить из отчета
Последний график
Все графики
Выход
Назначение
Позволяет выбрать, какие КА будут
использоваться для расчета
Использовать все 24 КА
Использовать только те КА, для которых есть
реальные данные
Инвертировать используемые КА
Позволяет выбрать, какие КА будут
моделироваться
Моделировать все КА
Моделировать только те КА, для которых нет
реальных данных
Использовать только реальные данные
Инвертировать моделируемые КА
Позволяет в открывшемся окне задать
параметры для БГЧ для моделирования КА
Запускает процедуру расчета
Начинает вывод данных на экран
Останавливает вывод данных на экран
Приостанавливает вывод данных на экран
Позволяет загрузить данные последнего
удачного расчета
Очищает графики результатов
Позволяет сохранить таблицу с результатами в
виде текстового файла с разделителями
Сохраняет график для всех КА на текущий
момент времени в том виде, в котором он
представлен на экране
Сохраняет график одного КА на сутки в том
виде, в котором он представлен на экране
Позволяет создать отчет
Добавить дополнительно верхний график в
отчет
Добавить дополнительно нижний график в
отчет
Удалить из отчета последний дополнительно
добавленный график
Удалить из отчета все дополнительные графики
Завершить работу с программой
12
Блок-схема программного комплекса Synchro-Eph моделирования:
ЭВП, поведения БШВ КА Глонасс, функционирования бортовых
алгоритмов уточнения ЧВП по МСИ
Управляющая Программная оболочка
(управление, формирование ИД и сценария)
Формирование ИД
Варианты ОГ
(штатная и точная (SP3)
ЭВИ реальных КА)
Тип БГЧ
(дисперсии Аллана)
Ошибки МСИ
(систематические,
случайные)
Состав ОГ ГЛОНАСС
(номера
моделированных и
реальных КА)
Формирование
«мод. штатной» и
«мод. истинной»
ЭВИ (для всех КА
на зад. интервале)
Формирование
межспутниковых
навигационных
параметров (МСИ)
Бортовые
алгоритмы
уточнения
(БАУ) ЧВП
БШВ
Отображение –
архивация
результатов
(графики,
протоколы)
База данных ИД и результатов:
 статические файлы (каталог ID);
 динамические файлы (каталог TMP).
Циклограмма работы БАМИ или МЛНСС задается на уровне
массивов ИД. Для работы модельного БАУ ЧВП необходимы
намоделированные
«штатные»
ЭВИ
и
массивы
намоделированных МСИ
13
Пример моделирования БШВ для разных типов БГЧ
с помощью комплекса Synchro
12
9
6
dt(нс)
3
0
-3
-6
K A-2
K A-3
-9
-12
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
Вре мя (с ек .)
Реализации шума БШВ для двух БСЧ: - цезиевого ГЛОНАСС-М, 2000 г (КА-2) и
рубидиевого ОАО РИРВ .
При моделировании БШВ КА Глонасс помимо квазислучайного процесса, отображающего
нестабильность с заданной вариацией Аллана, вводятся случайный начальный уход БШВ и
сдвиг частоты БГЧ
14
Экранные окна моделирующего комплекса
Управляющая программа комплекса Synchro-Eph содержит окна-вкладки «Исходное» (с главным меню),
«Расчет» (выбор базовых вариантов, ОГ и задание сценария), «Результаты» (вывод информации по завершении
расчетов и управление выводом). По результатам моделирования создается отчет, который можно просмотреть
в отдельном окне и сохранить в архиве.
15
Пример формата вывода модельных результатов работы
алгоритма синхронизации БШВ Глонасс по МСИ БАМИ
Быстрые поправки (синий), формируемые в БВК КА Глонасс по МСИ БАМИ, хорошо
отражают истинное поведение ШВ данного КА (красный). При добавлении «быстрых»
поправок к штатным БШВ приближается к ШВ системы (зеленый), между собой БЧ разных
КА синхронизируются с точностью 1-2 нс (при отсутствии скачков-разрывов в опорной ЭВИ)
16
Блок-схема модельной версии алгоритма синхронизации
БШВ КА ГЛОНАСС на основе МСИ БАМИ
Разработан компьютерный моделирующий комплекс Synchro-Eph для
имитации процессов получения МСИ и их
обработ-ки/использования для целей
синхрони-зации БШВ и уточнения ЭВП КА
Глонасс
С помощью моделирования на комплексе
можно исследовать процессы формирования МСИ, циклограммы работы БАМИ,
точности оценки расхождений ШВ и
взаимных дальностей между КА Глонасс
Комплекс позволяет моделировать и
исследовать характеристики версий
бортовых алгоритмов сведения БШВ к
композитной ШВ с использованием
«быстрых» поправок на основе МСИ и
метода итерационного погруппового
осреднения, оценить точность
синхронизации БШВ при введении
«быстрых» или «получасовых» поправок.
Файл Contron.dat
управ ляющей и
передав аемой с пред
кв ант а информации
Файл Me as .dat первичных
измерений МСИ на текущий
кв ант моделиров ания
Основной Модуль Unit1
Считыв ание управ ляющей информации
(сценарий, состав ОГ МСЛ, шаг в ыдачи, раб
инт ервал и реж им обработ ки измерений)
Блок считыв ания файла Eph_gln.dat и
подгот ов ки шт ат ной эфемеридной и временной
информации на текущий квант с перев одом
эфемерид в А БСК
Файл Eph_gln.dat шт ат ной эфемеридновременной информации по всем КА
ГЛОНА СС на т екущие сут ки
Вспомогат ельный Модуль Unit2
Процедура Velocity расчет а средней скорост и
изменения быст рой поправ ки на основ е
буферного массива ее последних приращений
Процедура Se condHand формирования
вторичных измерений (с использованием
шт ат ной ЭВИ и коррекции за перемещение КА)
Процедура Synchron синхронизации БШВ и
Блок считыв ания первичных измерений и
формиров ания динамического массива
измерений Measurs (с от браковкой полупар)
Блок формирования вторичных измерений (с
использованием шт атной ЭВИ ) и записи их в
массив SecHand
Блок синхронизации БШВ и расчета-уточнения
расчета быст рых поправ ок на основе массива
SecHand вт оричных МСИ
Процедура Integ прот яж ки дв иж ения КА
ГЛОНА СС в А БСК с опорой на массив
эфемерид TEPA текущего 2-часового квант а
Процедура Runge4ABS интегрирования
уравнений движ ения КА в А БСК мет одом
Рунге-Кутт а 4 порядка
быстрых поправок на основе вторичных МСИ
с запись ю их в м ассив Fas tCor
Блок записи результ ат ов по т екущему кванту
и передаваемой информации для
следующего кв анта моделирования
Процедура RigPt прав ых част ей для
инт егриров ания урав нений движ ения КА в
А БСК с учетом С20 и Лун-Солн ускорений
Процедура TimPar расчет а тек шт ат ной
поправки времени БШВ КА ГЛОНА СС на
основе шт ат ных ЧВП т ек 2-часового кванта
моделирования (массив TEPA )
17
Общие принципы построения алгоритмов синхронизации
БШВ КА ГЛОНАСС на основе МСИ
Алгоритмы идентичны на каждом КА Глонасс,
оборудованном БАМИ (МЛНСС), и работают
автономно
Входной информацией для алгоритма служат
«вторичные» измеряемые параметры расхождений «математических» БШВ (ШВ с учетом
опорных штатных ЧВП и быстрых поправок,
передаваемых по МСЛ), рассчитываемые на
основе свежих первичных МСИ псевдозадержек
сигналов БАМИ относительно физических БШВ
КА. Расчет вторичных измеряемых параметров
составляет стадию предварительной
обработки МСИ. При расчете на борту КА
используются штатные опорные ЭВП тех КА, с
которыми он взаимодействует через МСЛ
Алгоритм строится как рекуррентный фильтр
динамического оценивания, на каждом цикле
переуточнение текущей «быстрой» поправки
отталкивается от значения поправки,
полученной на предыдущем шаге. Типовой цикл
переуточнения для БАМИ – 80 сек.
Варианты
расчета
получасовых
поправок к опорным ЧВП по МСИ БАМИ.
Сравнение ШВ на основе «быстрых»
поправок (колебательные кривые) и с
применением
получасовых
поправок
(кусочно-линейные разрывные кривые).
Различия значений быстрых поправок и
оперативных коррекций по получасовым
поправкам могут достигать 3-4 нс по
времени и 510-11 по относительной частоте.
Заметно наличие значительной разрывности в
итоговой
кусочно-линейной
функции
коррекций ЧВП по получасовым поправкам.
18
Графические демонстрационные результаты моделирования работы
алгоритма синхронизации БШВ по схеме «быстрых» поправок на базе
МСИ БАМИ
Сравнение истинных (имитационных) и оценочных (согласно модельному бортовому алгоритму уточнения
быстрых поправок на основе МСИ от БАМИ) отклонений БШВ КА ГЛОНАСС. Наблюдается хорошее
отслеживание алгоритмом (через оценки быстрых поправок по МСИ) поведения бортовых часов КА Глонасс.
19
Исследование вопросов сходимости решений и точности синхронизации БШВ
при формировании композитной космической ШВ методом итерационного
погруппового осреднения показаний бортовых часов на основе МСИ
В процессе функционирования МСЛ БАМИ или МЛНСС
каждый конкретный аппарат ГЛОНАСС (адресант)
«Веерная» схема
взаимодействует и проводит измерения не со всеми взаимодействия КА в МСЛ
остальными КА полного созвездия, а лишь с их частью. В
БАМИ
оптимистических вариантах – с 14-15 адресатами из 23
других КА (БАМИ), 6 (вариант МЛНСС). Cовокупность
недоступных непосредственно через МСЛ аппаратов для
каждого конкретного НКА практически постоянна и мало
меняется во времени.
Целесообразно применять схемы циркуляции МСИ, когда на
каждом аппарате (адресанте) ведется обработка только тех
измерений, которые доступны ему от КА-адресатов,
напрямую взаимодействующих с ним в МСЛ. КА-адресаты
имеют свои наборы межспутниковых корреспондентов,
отличающиеся от набора для КА1. Чтобы в окончательный
результат обработки и уточнения ЧВП вошли сличения
времени с недоступными для КА1 аппаратами, решение
задачи, обновление данных, обмен ЧВП повторяются
итерационно, на каждой итерации проводятся согласованно
по всем НКА в рамках единой операционной циклограммы.
Данную схему обработки и использования МСИ предложено
называть «веерной» схемой.
Теоретически обоснована хорошая сходимость решений в
методе «погруппового осреднения» - сжатие не хуже 0.2
(БАМИ) и 0.5 (МЛНСС) на каждой итерации, за 5-6 итераций
начальный разброс уменьшается ~ в 3х103 – 1.5х104 раз.
20
Моделирование процесса сходимости итерационных решений
к композитному времени при синхронизации БШВ по методу
«погруппового осреднения» по МСИ БАМИ
Результаты итерационного осреднения БШВ для 21 КА ГЛОНАСС (разброс начальных отклонений БШВ - 20 нс).
3 КА (№1, №9, №17 - по одному из каждой плоскости) не участвуют в МСЛ. Дополнительно исключено по одному
межплоскостному и по одному внутриплоскостному взаимодействию для всех пар плоскостей (всего 6 пар
межспутниковых взаимодействий). Рассинхронизация БШВ КА, использующих итерационное погрупповое
осреднение, после 6 итераций не превосходит 3 нс (при измерительных ошибках однопутевых межспутниковых
псевдодальностей на уровне 2 нс (1s))
21
Анализ влияния различных аномальных ситуаций на
результаты функционирования БАУ БШВ по МСИ
№
Аномальная
ситуация
Предполагаемые
причины
Влияние на результат работы БАУ
быстрых поправок
Возможность
компенсации в
БАУ
Влияние на результат
работы БАУ
получасовых поправок
Возможность
компенсации в БАУ
получасовых поправок
1i
Кратковременный
скачок БШВ i-го КА
Сбой
БСУ
аппаратуры
До 7 минут неадекватные значения
поправок,
далее
адекватный
устойчивый режим
Не возможна
принципиально
Неоходима фильтрация
быстрых поправок на этом
интервале
Невозможна
принципиально
2i
Систематический
скачок БШВ i-го КА
Сбой
аппаратуры
БСУ,
нарушение
тепловых режимов
До 7 минут неадекватные значения
поправок,
далее
адекватный
устойчивый режим
Нет необходимости
в компенсации
Искажает прогнозируемый
линейный полином
Частично возможна
3i
Погрешности при
закладке ЧВП i-го
КА
Сбой в программах
расчета и каналах
передачи,
человеческий фактор
До 7 минут неадекватные значения
поправок, далее устойчивый режим;
сдвиг ГШВ относительно ШВС; имеет
место взаимная синхронизация БШВ
Возможна
Искажает прогнозируемый
полином для i-го КА,
так
как
нарушается
линейность
Возможна
4i
Кратковременный
скачок МСИ i-го КА
по
отдельному
каналу
Сбой
БСУ
аппаратуры
До 7 минут неадекватные значения
поправок,
далее
адекватный
устойчивый режим
Возможна
Необходима фильтрация
быстрых поправок на этом
интервале
Возможна
5i
Систематический
скачок МСИ i-го КА
по отдельному
каналу
Сбой
БСУ
аппаратуры
До 7 минут неадекватные значения
поправок,
далее
неадекватный
устойчивый
режим:
уход
математической шкалы времени i-го
КА, сдвиг ГШВ относительно ШВС
Возможна
Искажает полином для i-го
КА
Возможна
6i
Переоцифровка
БШВ
Запланировано
Не должно влиять, так как на период
этой операции для потребителя должны
устанавливаться на борту признаки «не
пригоден»
Данные КА не
должны
учитываться в
алгоритме
Данные КА не должны
учитываться в алгоритме
Данные КА не должны
учитываться в
алгоритме
7
Превышение
штатного
уровня
погрешностей
опорных эфемерид
Нештатная ситуация
Не влияет на взаимную синхронизацию
БШВ КА. Уход ГШВ от ШВС.
Не возможна
принципиально
Не влияет на взаимную
синхронизацию БШВ КА.
Уход ГШВ от ШВС.
Не возможна
принципиально
Под аномальными ситуациями с точки зрения навигации по МСИ понимаются такие состояния группировки
ГЛОНАСС, измерительных устройств и режимов их функционирования, когда имеет место отклонение от нормы
и нарушение соответствия проектным документам в части опорных частотно-временных и эфемеридных
поправок, ошибок измерений МСИ, аномального поведения физических БШВ, формируемых БСУ, наличия
разрывов при перезакладке опорных ЧВП, проведении коррекции (переоцифровки) БШВ и др.
22
Результаты модельного анализа влияния погрешностей исходной
информации опорных эфемеридных и ЧВ параметров на точность
синхронизации БШВ КА ГЛОНАСС по МСИ
Под композитным космическим временем ГЛОНАСС понимается
среднее групповое время системы по ансамблю бортовых часов
всех 24 КА ОГ. Это время примерно совпадает, с точностью порядка
1-2 нс, с временем на борту каждого КА Глонасс после приложения
к его математической БШВ (с опорными ЧВП) дополнительных
высокоточных «быстрых» поправок, формируемых на каждом КА по
результатам МСИ с дискретностью: один раз за один цикл
измерений БАМИ (80 с) или МЛНСС (5-15 с).
Влияние погрешностей исходной опорной ЭВИ на синхронизацию
БШВ по МСИ БАМИ исследовалось на основе модельной версии
бортового алгоритма обработки МСИ \ уточнения опорных ЧВП
(расчет «быстрых» поправок, сводящих текущие ШВ к средней
композитной ШВ).
С
помощью
моделирования
проанализировано
влияние
погрешностей опорной ЭВИ на уходы и отклонения (тренды)
формируемого на основе МСИ композитного среднего бортового
времени всей ОГ от наземного служебного времени ШВС системы
ГЛОНАСС.
23
Результаты модельного анализа процесса синхронизации БШВ
с применением «получасовых» поправок по МСИ
Скачок в БШВ КА,
связанный с
перезакладкой
опорных ЧВП
Получасовые поправки (синий) и погрешность восстановления на их
основе ШВС для реального КА №19. Исходная БШВ - красный,
исправленная БШВ - зеленый.
24
Схема алгоритма для противодействия влиянию разрывовскачков в опорных ЧВП на границе стыка получасовых
интервалов при расчете быстрых поправок по МСИ
Вспомогательная
функция поправки для
плавного входа на
участок свежих ЧВП
Опорные ЧВП по
старому решению
перед операцией
перезакладки ЭВИ
Функция поправки t согласно штатным опорным ЧВП
Участок
~ 320 c
Физическая БШВ КА (отклонение от равномерной ШВС)
согласно штатным опорным ЧВП
Быстрая поправка по МСИ, исправляющая ошибку опорных ЧВП, выдается потребителю
Функция, сглаживающая разрыв штатных ЧВП перед моментом склейки интервалов
Вспомогательная поправка по МСИ на основе сглаживающей кривой
Для парирования эксцессов на участке стыка устаревшего и свежего решения при
перезакладке ЧВП и обеспечения плавного перехода «быстрой» поправки на участок
свежих ЧВП вводится вспомогательная сглаживающая кривая (опорных ЧВП) и
временно дополнительно рассчитывается вспомогательная функция поправки
25
Результаты модельного анализа процесса синхронизации БШВ
с применением «быстрых» поправок по МСИ БАМИ
Отклонения от ШВС математических БШВ 24 КА Глонасс,
скорректированных посредством
«быстрых» поправок по МСИ
График изменения на суточном интервале отклонений от ШВС мат. ШВ КА, формируемых на основе
ЧВП и быстрых поправок по МСИ БАМИ для ОГ из 24 КА Глонасс. Частный вариант моделирования
с погрешностями опорных эфемерид КА на сутках на уровне 10 м (s). Разрывы в опорных ЧВП
отсутствуют. Черным цветом показаны погрешности синхронизации 24 КА между собой (не
превосходят 1 нс). Уход композитной ШВ (среднее зеленой полосы) от ШВС достигает 8 нс при
размахе полусуточных колебаний порядка 6 нс. Общий линейный тренд за сутки составил +4 нс
26
Выводы и рекомендации
1. Погрешности в опорных эфемеридах (параметрах движения КА) в пределах десятков
метров вдоль орбиты и по боковым компонентам и до 1…2 м по радиус-вектору ,
используемых при расчете «быстрых» поправок и синхронизации БШВ по МСИ БАМИ,
практически не сказываются на точности взаимной синхронизации БШВ КА по МСИ .
2. Линейные уходы и тренды физических шкал времени КА мало влияют на точность
взаимной синхронизации БШВ КА с использованием быстрых поправок по МСИ. Эта
точность определяется величиной измерительных ошибок МСИ и вариацией Аллана БСЧ КА
Глонасс. При СКО межспутниковых измерений на уровне 1 нс СКО отклонений БШВ КА от
среднего практически удерживается на уровне 1-2 нс на протяжении всего участка работы
МСЛ БАМИ. Перерыв в работе МСЛ и прекращение формирования быстрых поправок
(замораживание их по последним уточненным значениям) влечет ухудшение точности
взаимной синхронизации, в соответствии с характеристиками нестабильности бортовых
физических шкал времени и возможными резкими скачками в опорной ЭВИ на границах
стыковки получасовых интервалов.
3. Тренды и неравномерность хода формируемого композитного времени: погрешности
опорных эфемерид могут приводить к тренду и оказывают прямое влияние на его величину и
характер, примерно на том же уровне, какой имеют вызываемые ими отклонения в прогнозе
параметров движения КА ГЛОНАСС. Погрешности, приводящие к отклонениям КА по
положению 10 м за сутки, могут приводить к тренду композитного времени относительно
ШВС до 30 нс за сутки (при сохранении хорошей взаимной синхронизации БШВ). Данный
вывод существенен для ЭВО в режиме АФ.
27
Выводы и рекомендации
4. Как правило, погрешности в опорных эфемеридах КА носят периодический
характер с некоторым вековым ходом. В связи с этим имеют место выраженные
периодические колебания отклонений средней бортовой ШВ (построенной по МСИ)
от ШВС, причем их период равен периоду обращения КА ГЛОНАСС. При более
умеренных погрешностях в опорных эфемеридах ГЛОНАСС на уровне,
соответствующем требованиям СП на перспективную ГНСС ГЛОНАСС, суточный
тренд композитного времени от ШВС под действием таких погрешностей не
превышает 10 нс. Есть ожидание, что применение автономных бортовых
астроизмерителей позволит устранить такой тренд композитного времени.
5. Линейные тренды физических ШВ и погрешности линейного характера в опорных
ЧВП также оказывают влияние на суточные тренды формируемого по МСИ
среднего бортового времени (близкого к скорректированному бортовому времени
каждого КА). В данном случае указанный суточный тренд является практически
осреднением всех линейных трендов, имеющих место в опорных ЧВП по всем КА.
6. Моделирование с использованием только реальной ЭВИ показывает, что
предлагаемый бортовой алгоритм обеспечивает точность синхронизации 1…2 нс,
однако уход композитной шкалы от системного времени в течение суток может
составлять до 20 нс, если не проводить сверок со служебным наземным временем.
По всей вероятности, это вызвано особенностями расчета ЧВП, поведением
физических БШВ КА, основанных на реальных стандартах частоты (АСЧ) БСУ, и
погрешностями закладываемых опорных эфемерид.
28
Заключение
Разработаны алгоритмы и сформирована программно-математическая модель (ПММ)
уточнения параметров ЧВП по МСИ БАМИ для использования в бортовом комплексе КА
ГЛОНАСС-М, ГЛОНАСС-К. Проведена отладка комплексов программ по обработке МСИ и
выпущено техническое описание структуры, составных модулей и вычислительных процедур
указанных алгоритмов для вариантов МСЛ на основе БАМИ и МЛНСС.
В плане обеспечения робастности алгоритмов, использующих МСИ, существенно доработана
версия бортового алгоритма «SYNCHRON», предназначенного для обработки на борту КА
результатов МСИ в варианте БАМИ. Версия бортового алгоритма «Synchronika2»
модифицирована с целью учета и противодействия эффектам возможного наличия больших
скачков (разрывов) в штатных опорных ЧВП Глонасс (до 50-100 нс) в точках склейки
получасовых интервалов.
Разработан алгоритм TimCor расчета оперативных (получасовых) коррекций штатных
опорных ЧВП по измерениям МСИ, позволяющий оперативно уточнять и формировать ЧВП
в навигационных кадрах на ближайшие полчаса в той форме, которая используется в сигнале
ГЛОНАСС согласно ИКД.
Доработаны алгоритмы предварительной обработки межспутниковых измерений
(формирование вторичных измерений расхождений БШВ по паре близких по времени
противонаправленных межспутниковых измерений, алгоритмы отбраковки аномальных
измерений, сглаживания эффектов резких скачков в штатных опорных ЧВП, возникающих
при перезакладке опорных ЧВП по свежим решениям)
Разработан имитационный комплекс «Synchro-Eph» и программно-математическая модель
функционирования МСЛ ГЛОНАСС-БАМИ, Глонасс-МЛНСС с целью отработки и
исследования на их основе разработанных бортовых алгоритмов и оценки их ТТХ.
Выпущено руководство оператора (системного программиста) по работе с комплексом.
29
Заключение
На разработанном компьютерном моделирующем комплексе «Synchro-Eph»
отработано и протестировано ПМО вариантов бортовых алгоритмов ЧВО
ГЛОНАСС на базе МСИ с целью анализа ТТХ алгоритмов. По результатам
модельных испытаний подтверждена пригодность данных алгоритмов для целей
синхронизации бортовых часов и повышения точности ЧВО КА ГЛОНАСС.
Провдены демонстрационные расчеты в разных версиях исходных допущений и
моделей ошибок (измерительных и поведения БШВ КА Глонасс), с графическим
представлением результатов и их архивацией в компьютерной базе данных.
Работы в рамках данного исследования направлены на развитие и
совершенствование КНС ГЛОНАСС. Автономные МСИ будут способствовать
повышению точности, целостности и надежности эфемеридно-временного
обеспечения ГЛОНАСС, повышению качества навигационных услуг для
потребителей ГЛОНАСС. При доведении орбитальной группировки КА Глонасс до
полной развертывание МСЛ позволит выйти в глобальном масштабе на
субметровые уровни точности позиционирования и обеспечения потребителей
высокоточным временем на уровне единиц наносекунд.
Проведенные разработки и исследования будут способствовать повышению
конкурентоспособности отечественной спутниковой навигационной системы
ГЛОНАСС в сравнении с другими ГНСС.
30