Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы мониторинга состояния радионавигационных полей спутниковых систем » - 17
1.1. Системные и потребительские характеристики навигационного поля 17
1.1.2. Обобщенный вектор состояния орбитальной группировки 18
1.L3. Энергетические и геометрические характеристики источника сигнала 19
1.1.4- Информационная составляющая навигационного сигнала 20
1.1.5, Модели среды распространения сигналов 20
1.1.6. Условия приема сигнала 21
1.1.7. Технические характеристики приемной аппаратуры 21
1.1.8. Алгоритм решения навигационной задачи 22
1.1.9. Межсистемные согласующие параметры 23
1.2. Оценки качества навигационных услуг 24
1.2 1, Оценка точности решения навигационной задачи 24
1.2.2. Оценка доступности 30
1.2.3. Оценка непрерывности 36
1.2.4. Целостность системы 38
1.3. Модель измерений, точность измерительной информации 39
1.4. Навигационные функции и функции навигационных услуг 52
1.5. Стандартные навигационные услуги 55
1.6. Методы контроля качества параметров радионавигационных полей ГНСС ГЛОНАСС, GPS и GALILEO 58
1.6.1. Контроль качества параметров радионавигационного поля ГНССГЛОНАСС 58
1.6.2. Контроль качества параметров радионавигационного поля THCCGPS 63
1.6.3. Концепция контроля качества параметров радионавигационного поля ГНСС GALILEO 64
1.6.4. Контроль качества параметров радионавигационных полей, выполняемый функциональными дополнениями 68
1,7- Выводы к главе 1 71
Глава 2 Оперативный мониторинг состояния радионавигационных полей ГНСС 72
2Л. Основные задачи оперативного мониторинга состояния РНП
ГНСС 72
2.2. Концепция оперативного мониторинга состояния РНП ГНСС 74
2.3. Методические вопросы практической реализации системы мониторинга состояния РНП ГНСС 81
2.3.1. Стандартные алгоритмы расчета параметров системы ГЛОНАСС 81
2.3.2. Методы оценки точности измерений на стандартном коде на основе апостериорной обработки навигационных данных 82
2.3.3. Методические вопросы построения стабильной шкалы времени с использованием внешнего стандарта частоты 84
2.3.4. Алгоритм вычисления величины покрытия 94
2.3.5. Алгоритм определения доступности навигационного обслуживания 95
2.3.6. Алгоритм определения надежности навигационного обслуживания 97
23,7, Алгоритм определения прогнозируемой точности местоопределений 99
2.4. Мониторинг согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование разных ГНСС 101
2.5. Выводы к главе 2 104
Глава 3 Апостериорный мониторинг состояния радионавигационных полей ГНСС 106
3.1. Основные задачи оперативного мониторинга состояния РНП ГНСС 106
3.2. Методические вопросы проведения апостериорного мониторинга состояния РНП ГНСС 109
3.2.1. Постановка задачи 109
3.2.2. Обработка больших потоков информации при проведении апостериорного анализа параметров РНП 111
3.2.3. Архивация данных 112
3.2.4. Обслуживание базы данных 112
3.3. Моделирование движения навигационных спутников 113
3.3.1. Нецентральность поля тяготения 113
3.3.2. Притяжение Солнца и Луны 117
3.3.3. Аэродинамическое торможение 119
3.3.4. Давление солнечного света 123
3.3.5. Влияние управляющей силы 125
3.4. Некоторые результаты проведения апостериорного мониторинга РНП ГНСС 127
3.4.1. Закладка ошибочных данных 128
3.4.2. Оценка разности системных шкал времени ГНСС 130
3.4.3. Оценка точности штатных эфемерид 131
3-4.4, Оценка точности штатных ЧВП 133
3.4.5. Оценка точности величины SISRE 134
3.6. Выводы к главе 3 135
Глава 4 Прогнозирование основных характеристик ГНСС 136
4.1. Методика прогнозирования априорной оценки точности ГНСС Л 36
4.2. Методика прогнозирования оценки доступности ГНСС 137
4.3. Методика расчета обобщенной доступности 140
4.4. Вычислительная модель для определения вероятностей пребывания спутниковой системы в состояниях с определенным числом отказов 143
4.4.1. Требования к компьютерной модели операционного жизненного цикла ГНСС143
4.4.2. Общее описание вероятностной модели отказов спутников ,144
4.4.3. Описание структуры вычислительной модели 145
4.4.4. Выбор закона распределения для описания среднего времени безотказного функционирования спутника 150
4.5. Выводы к главе 4 153
Выводы по диссертации 154
Литература 156
- Обобщенный вектор состояния орбитальной группировки
- Концепция оперативного мониторинга состояния РНП ГНСС
- Моделирование движения навигационных спутников
- Методика расчета обобщенной доступности
Введение к работе
Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на совершенно новую ступень при решении различного рода задач. При судовождении, управлении полетом самолета, космического аппарата (КА) и других движущихся объектов, геодезии, определении состояния различных объектов требуется знание положения потребителя в пространстве и его скорости.
В 90-е годы были развернуты глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): в США - это система GPS, а в России - ГЛОНАСС. В настоящее время в Европе планируется развернуть систему GALILEO. В соответствии с основами государственной политики России, США и Евросоюза в отношении систем координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО), глобальные навигационные спутниковые системы и их функциональные дополнения являются ключевым элементом средств КВНО. Системы координатно-временного и навигационного обеспечения относятся к критической инфраструктуре государства, обеспечивающие: национальную безопасность, экономическую независимость и социально-экономическое развитие. Поэтому существует необходимость поддержания характеристик ГНСС на требуемом уровне.
Следует отметить, что услуги ГНСС уже входят в повседневную жизнь и скоро станут такой же неотъемлемой частью существования как телефонная или мобильная связь. И прекращение или приостановка предоставления услуг ГНСС может привести к существенным проблемам и необратимым последствиям в различных областях применений, особенно в областях обороны, применений с повышенными требованиями к безопасности типа авиации, морского и речного флота, железнодорожного транспорта и общетранспортной инфраструктуры. Потребители (в том числе военные) используют и будут использовать услуги различных ГНСС, в том числе эксплуатируемых операторами других государств. Причем не исключен вариант введения в особый период в отдельных районах селективного доступа и ограничений для использования услуг ГНСС для определенных категорий потребителей.
Возросший уровень требований к навигационному обслуживанию и значительное расширение областей использования ГНСС привели к появлению принципиально новых требований к качеству навигационных услуг. В первую очередь, выросли требования к их точности, надежности, доступности и достоверности. В рамках штатных схем управления навигационными системами ГЛОНАСС и GPS, первоначально создававшихся, в первую очередь, для решения оборонных задач, уже невозможно в полном объеме обеспечить выполнение требований всех категорий пользователей. При решении этой проблемы в навигационных системах GPS, ГЛОНАСС и в проектируемой системе GALILEO многократно выросла роль так называемых функциональных дополнений - постоянно действующих служб, выполняющих, в частности, мониторинг качества функционирования ГНСС и передающих пользователям дополнительную информацию, позволяющую последним повысить точность И достоверность решения задачи определения координат.
Главная цель таких служб - это выявить отклонения от штатного функционирования ГНСС и своевременно информировать об этом пользователей. Для пользователей системы GPS такие службы уже организованы и функционируют в некоторых регионах (например, WAAS, EGNOS, MSAS, LAAS, GRAS и т.д.).
На сегодняшний день в России нет систем, способных обеспечить любого потребителя информацией о качестве функционирования космических навигационных систем с необходимой достоверностью, оперативностью и полнотой. Существующие системы функционируют в экспериментальном режиме и являются локальными, основываясь на наблюдениях, проводимых на единственном пункте. Задача системного контроля качества функционирования ГНСС ГЛОНАСС и GPS на территории Российской Федерации не решена.
Одной из важнейших государственных задач является необходимость своевременного получения информации о реальных характеристиках используемых ГНСС. Другой задачей, напрямую связанной с первой, является необходимость поддержания характеристик ГНСС на требуемом уровне. Для решения этих задач необходимо проводить мониторинг состояния радионавигационного поля (РНП) ГНСС. Мониторинг состояния РНП ГНСС предназначен для осуществления контроля параметров глобальных навигационных спутниковых систем на предмет их соответствия заданным тактико-техническим характеристикам (ТТХ) и требованиям потребителей.
Длительные теоретические и прикладные исследования точностных характеристик действующих систем, физики флуктуации орбит навигационных спутников и условий распространения радиосигналов, а также использование достижений современной технологии, позволяют создать новые высоконадежные спутники, достоверно спрогнозировать их орбиту, точно скомпенсировать погрешности аппаратуры и погрешности распространения навигационных сигналов. Все это в целом обеспечит необходимую точность в навигационных системах нового поколения. Однако по-прежнему останется открытым вопрос обнаружения внезапного ухода точностных параметров системы из-за воздействия случайного возмущающего фактора и оповещения об этом конечного потребителя за время порядка 1 сек, К тому же реальные условия распространения сигнала не всегда соответствуют среднестатистическим, на которые рассчитаны пусть высокоточные, но априорные модели ионосферы и тропосферы.
Внутрисистемный мониторинг целостности не отвечает требованиям оперативности, поскольку между моментом возникновения неисправности НКА и моментом установки признака «не здоров» в навигационном сообщении может пройти несколько часов.
Поэтому для любой навигационной системы проблема точного и оперативного мониторинга навигационных параметров останется актуальной.
Полученные результаты последних исследований показали, что наиболее точное определение параметров эфемеридно - временного обеспечения навигационных систем и точная реконструкция текущего состояния среды распространения радиосигналов в виде многомерной пространственно-временной модели с высокой разрешающей способностью возможны при организации измерений на пространственно разнесенных пунктах. При этом оптимальные характеристики достигаются при организации глобальной системы мониторинга.
Таким образом, главная цель служб мониторинга - это выявление ситуаций нештатного функционирования ГНСС и своевременное информирование о них пользователей.
При проведении мониторинга состояния радионавигационного поля можно выделить следующие основные задачи;
• мониторинг в реальном времени;
• мониторинг текущего состояния ГНСС (суточный контроль);
• апостериорный мониторинг, позволяющий провести глубокий анализ поведения характеристик ГНСС с выяснением причин отклонений от ТТХ;
• прогноз состояния РНП ГНСС;
• мониторинг согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование разных систем: ГЛОНАСС, GPS, GALILEO. Некоторые постановки задачи построения мониторинга состояния РНП ГНСС обсуждались в работах Бартенева В.А., Дворкина В.В., Почукаева В.Н., Урличича Ю.М., Dach R,, Lobert В., Trautenberg Н., Pielmeier J., Vogler Т., Hugentobler U. и ряда других авторов. В этих работах были исследованы вопросы прогнозирования радионавигационного поля ГНСС. Также частично была решена задача проведения апостериорного мониторинга. Но при проведении апостериорного мониторинга не предоставлялась возможность подробного исследования причин отклонений РНП от заданных требований. Из-за новизны задачи не исследована проблема мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование разных систем: ГЛОНАСС, GPS? GALILEO.
Одной из задач мониторинга состояния радионавигационного поля ГНСС является определение «целостности» навигационной системы. Под «целостностью» понимается способность системы информировать потребителей своих услуг о качестве этих услуг. В более узком смысле, целостностью навигационной системы называется ее способность информировать потребителей об ухудшении точности навигационных определений- При этом считается, что навигационная система в стандартных условиях обеспечивает некий заранее известный уровень точности навигационных определений. В том случае, когда ошибки навигационных определений превышают этот уровень, потребитель должен быть оповещен о следующем:
1) о факте несоответствия ошибок навигационных определений некоему уровню;
2) о текущем уровне ошибок навигационных определений.
Таким образом, контроль качества функционирования навигационных систем, или другими словами, контроль уровня текущих ошибок навигационных определений называется контролем (мониторингом) целостности.
Поэтому систему, контролирующую качество функционирования ГНСС ГЛОНАСС и GPS, можно назвать системой мониторинга целостности систем ГЛОНАСС и GPS.
В русскоязычной технической литературе часто встречается термин «навигационное поле», аналога которому в англоязычной литературе нет. Понятие «навигационное поле» означает некое пространство, в каждой точке которого содержится определенная, меняющаяся во времени информация (электромагнитные колебания с известными характеристиками вместе с закодированными цифровыми данными). Навигационное поле в каждой точке пространства формируется совокупностью сигналов навигационных космических аппаратов (НКА).
Таким образом, наряду с термином «мониторинг целостности навигационных систем» можно встретить термин «мониторинг целостности навигационных полей». Оба термина идентичны по значению. А система, контролирующая качество функционирования ГНСС ГЛОНАСС и GPS может называться как «системой мониторинга ГНСС», так и «системой мониторинга навигационных полей ГНСС».
Необходимо отметить, что решение задачи проведения мониторинга состояния ГНСС является актуальным для большого числа потребителей. В первую очередь необходимо отметить группу потребителей с повышенными требованиями к безопасности: авиация, морской и речной флот» железнодорожный транспорт. Во-вторых, следует отметить операторов ГНСС, предоставляющих навигационную информацию. И, в-третьих, результаты мониторинга используются для оперативного устранения причин отклонений реальных характеристик от ТТХ. Также результаты решения задачи мониторинга могут применяться в процессе мониторинга услуг ГНСС, для применений с повышенными требованиями к безопасности, для подтверждения («валидации») заявленных характеристик ГНСС и при анализе причин сбоев и выработке мероприятий по улучшению характеристик, определении направлений модернизации ГНСС заказчиками систем.
Цель работы. Целью диссертационной работы является формирование концепции построения системы мониторинга радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем, определение структуры системы мониторинга и разработка необходимого методического и алгоритмического обеспечения системы мониторинга. Мониторинг включает в себя мониторинг реального времени, апостериорный мониторинг и прогноз характеристик ГНСС,
Применение разработанной системы мониторинга позволит обеспечить целостность существующих и разрабатываемых навигационных систем,
провести сертификацию услуг и определить характеристики ГНСС, а также выработать рекомендации по восполнению и модернизации ГНСС,
Объекты исследования. Объектами исследования являются: принципы построения системы мониторинга радионавигационных полей ГНСС, определение структуры системы мониторинга, его алгоритмическая и программная реализация-Методы исследования. При разработке и реализации системы мониторинга используются статистические методы обработки данных, методы оптимальной фильтрации и оптимального управления, адаптивные методы обработки информации. При программной реализации математического обеспечения мониторинга используются методы объектно-ориентированного программирования и мультизадачность операционных систем Windows, Linux, системы управления реляционными базами данных, а также средства обеспечения доступа в Интернет.
Научная новизна. Новыми научными результатами в диссертации являются:
1. Концепция мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем.
2. Методическое и математическое обеспечение мониторинга реального времени, включающего функции определения целостности существующих и проектируемых навигационных систем.
3- Методическое и математическое обеспечение апостериорного мониторинга,, позволяющего провести глубокий анализ характеристик ГНСС.
4, Математическое обеспечение прогнозирования состояния радионавигационного поля ГНСС.
5. Система мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование различных навигационных систем, в том числе ГЛОНАСС, GPS и проектируемой GALILEO.
Достоверность результатов. Достоверность разработанного методического и математического обеспечения мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых подтверждается использованием в реальных условиях и сравнением некоторых результатов с данными, полученными в центрах: BKG (Federal Bureau for Cartography and Geodesy), CODE (Center of Orbit Determination University of Berne), ESA/ESOC (European Space Operations Center), GFZ (Geoforschungszentrum Potsdam), JPL (Jet Propulsion Laboratory).
Практическая значимость. Решаемая в диссертации задача проведения мониторинга состояния ГНСС отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания и, следовательно, обеспечения национальной безопасности, экономическую независимость и социально-экономическое развитие. Создан и сдан в эксплуатацию программно-аппаратный комплекс мониторинга РНП и оценки эфемеридно-временной информации в Информационно-аналитическом центре ЦУП ЦНИИмаш.
Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в том, что на основе разработанного методического и математического обеспечения появляется возможность:
• проведения мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем;
• определения целостности существующих и проектируемых навигационных систем и их функциональных дополнений;
• обеспечения апостериорного мониторинга, позволяющего провести глубокий анализ характеристик различных ГНСС и их дополнений;
• обеспечения прогнозирования состояния радионавигационного поля ГНСС;
• мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование различных навигационных систем, в том числе ГЛОНАСС, GPS и проектируемой GALILEO.
Концепция оперативного мониторинга реализуется:
в системе СДКМ - российская широкозонная система дифференциальных коррекций и мониторинга (головной разработчик - РНИИ КП)
S в системе GALILEO - подсистема глобального мониторинга (Европейское космическое агентство).
Результаты апостериорного мониторинга использованы при оценке результатов летных испытаний КА «ГЛОНАСС-М» и вошли в заключение ЦНИИмаш и доложены на заседании Госкомиссии в 2005 году. Результаты прогноза состояния использованы в эскизном проекте МГНСС ГЛОНАСС с КА «ГЛОНАСС-К» (головной разработчик - НПО ПМ). Также был получен Сертификат на комплекс программно-аппаратных средств для анализа эфемеридно-временной информации и параметров РНП ГНСС.
Результаты диссертационной работы внедрены и используются при проведении научно-исследовательских работ в ряде ведущих аэрокосмических предприятий России и в высших учебных заведениях: НПО ПМ, РНИИ КП, МАИ, НИИ ПП, ЦНИИмаш, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы и обсуждены на следующих конгрессах, конференциях, чтениях и семинарах: на международных конгрессах по навигации, проводимых Институтом Навигации ION (The Institute of Navigation) в 1997, 1998, 2005 гг., на международных конференциях GNSS в 1997, 2003, 2004 гг., на 3 международном симпозиуме по использованию GPS, проводившимся в Сантьяго в 2002 п, на 53 конгрессе по астронавтике, проводившимся в Хьюстоне в 2002 г., на симпозиуме TGS в 2004 г. (Берн), на 8, 9 и 10 международных конференциях "Системный анализ, управление и навигация", проводившихся в Евпатории в 2003, 2004,2005 гг.
Личный вклад и публикации. Все результаты, приведенные В диссертации, получены лично автором, основные из них опубликованы в 30 работах, в том числе в 26 печатных работах.
На защиту выносятся:
• концепция построения системы мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем;
• структура системы мониторинга реального времени для существующих и перспективных глобальных навигационных спутниковых систем;
• методическое и алгоритмическое обеспечение мониторинга реального времени, обеспечивающее:
о определение параметров, характеризующих целостность ГНСС
о определение точностных характеристик эфемеридно-временного
обеспечения о определение доступности навигационных услуг;
• методическое и алгоритмическое обеспечение апостериорного мониторинга, обеспечивающее:
о определение параметров, характеризующих качество навигационных услуг о уточнение параметров орбит и часов навигационных спутников о построение системной шкалы времени о уточнение параметров вращения Земли о уточнение параметров согласования систем координат о уточнение параметров согласующих параметров шкал времени различных навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO);
• методическое и алгоритмическое обеспечение прогноза состояния глобальных навигационных спутниковых систем, осуществляющее определение:
о оценки эволюции орбитальных группировок о оценки качества навигационных услуг
• структура и методическое обеспечение программно-аппаратного комплекса мониторинга и оценки эфемеридно-временного обеспечения ГНСС, сданного в штатную эксплуатацию в Информационно-аналитический центр ЦУП ЦНИИмаш.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 111 наименований. Общий объем работы составляет 167 страниц, в том числе 28 рисунков и 6 таблиц.
В главе 1 рассматриваются методы мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и проектируемой GALILEO. На основе предложенных методов создано методическое и математическое обеспечение проведения мониторинга состояния радионавигационных полей ГНСС. Определены оценки качества навигационных услуг. Сформулированные оценки качества навигации ГНСС в работе базируются на использовании параметров точности, целостности (непрерывности) и доступности.
В главе 2 решается задача мониторинга состояния РНП ГНСС в реальном времени. Предполагается, что задержка в получении результатов мониторинга не должна превышать 10 с. Целью проведения мониторинга в реальном времени является обеспечение целостности навигационных услуг. Разрабатывается концепция мониторинга состояния РНП ГНСС. При проведении мониторинга в реальном времени определяются следующие параметры целостности РНП ГНСС: предел точности позиционирования; время сигнала тревоги; риск целостности; признак целостности. В качестве контролируемых параметров являются передаваемые потребителям точностные характеристики навигационных сигналов и решения навигационной задачи. Мониторинг состояния РНП ГНСС в реальном времени включает в себя также функции мониторинга штатного эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО). Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить мониторинг состояния радионавигационных параметров глобальных навигационных спутниковых систем в реальном времени. Также рассматривается задача мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование разных ГНСС: ГЛОНАСС, GPS и GALILEO. Основными согласующими параметрами, требующих определения, являются:
алгоритм связи систем координат ITRF, WGS-84 и ПЗ-90; разность системных временных шкал ГЛОНАСС, GPS и GALILEO. Разработано алгоритмическое и программное обеспечения для определения указанных выше согласующих параметров для совместного использования систем ГЛОНАСС, GPS и GALILEO.
В главе 3 решается задача апостериорного мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС и проектируемой системы GALILEO. Решение данной задачи позволяет провести подробный анализ поведения характеристик ГНСС и в случае отклонения их от требуемых значений предоставляется возможность выяснить причину этого отклонения. Разработанное программное обеспечение обеспечивает возможность проведения апостериорного анализа характеристик навигационных систем и эфемеридно-временного обеспечения. По результатам проведения апостериорного анализа РНП ГНСС публикуются в Интернете данные, характеризующие состояния навигационных систем и эфемеридно-временного обеспечения
В главе 4 решается задача прогнозирования основных характеристик глобальных навигационных спутниковых систем. Для реально функционирующих навигационных систем по результатам мониторинга производится апостериорная оценка точности. При прогнозировании характеристик навигационного поля используется априорная оценка точности, которая зависит от геометрического фактора, алгоритма обработки измерений и их точностных характеристик. Рассмотрена задача прогнозирования доступности навигационных определений. Разработана математическая модель прогноза доступности навигации с использованием ГНСС на достаточно протяженный интервал времени.
В разделе выводы по диссертации на основе результатов, полученных в диссертации, были сформулированы основные выводы.
Обобщенный вектор состояния орбитальной группировки
Вектор состояния орбитальной группировки будем обозначать: Мониторинг (в апостериорном режиме) векторов q(i) и р(т) необходим для оценки и прогноза деградации навигационного поля, надежности НКА и связанного с ними ухудшения характеристик навигационных услуг.
Через вектор G(t,t) будем обозначать вектор параметров, описывающих энергетические и геометрические характеристики сигнала, оказывающие влияние на качество навигационных услуг.
Составляющими вектора G(t,x) являются; энергетический потенциал (отношение мощности сигнала Рс к спектральной плотности шумов gra на входе приемника; мощность, излучаемая передатчиком; частоты несущих колебаний псевдослучайных последовательностей; коэффициенты усиления передающей антенны; коэффициенты потери мощности в АФУ (антенн о-фидерном устройстве) передатчика и среде распространения и т. п.
К геометрическим характеристикам относятся положения центра масс КА и фазового центра передающей антенны.
За исключением параметра «отношение: сигнал/шум», остальные параметры не являются предметом мониторинга. Однако они определяют аппаратурную составляющую ошибок измерений, их значения могут использоваться в качестве априорных данных.
Информация (обозначим через вектор D(t)), содержащаяся в навигационном кадре рассчитывается в Центре управления системой. По отношению к этой информации можно рассматривать два вида контроля. Это: контроль соответствия содержания навигационного кадра — данным, рассчитанным в Центре. контроль корректности подготовки навигационных данных в Центре и проверка соответствия режима закладки ее на борт регламенту.
В первом варианте результатом мониторинга являются двухпозиционный признак соответствия принятой информации расчетной. Контроль корректности информации является результатом решения совокупности задач (и собственно является одним из предметов мониторинга).
Среда распространения навигационных сигналов оказывает существенное влияние на точность навигационных определений. Для компенсации ионосферных и тропосферных задержек в навигационной аппаратуре потребителя должно быть предусмотрено ПМО оценки этих задержек с использованием либо заданных моделей, либо специальных методов их компенсации, например, двухчастотный метод компенсации ионосферной задержки или введение дополнительных уточняемых параметров, описывающих тропосферную задержку.
Поэтому, для учета влияния среды распространения при решении тех или иных задач должен использоваться определенный набор параметров моделей тропосферы и ионосферы и алгоритмов их компенсаций. Следует отметить, что оценка вертикальных ионосферных задержек сигнала в узловых точках точечной модели ионосферы производится только в рамках оперативного мониторинга в целях генерации дифференциальных поправок в широкозонных функциональных дополнениях. В общем случае возможность оценки параметров моделей среды распространения по результатам навигационных измерений проблематична. В то же время, полученные в процессе мониторинга оценки ионосферных задержек могут быть использованы для косвенного подтверждения (или коррекции) используемых моделей.
Вектор параметров, описывающих условия приема сигналов навигационных спутников будем обозначать как c(t,i,p). К таким параметрам относятся: ограничивающий угол места ут; конкретная диаграмма затенения видимой небесной сферы в точке пользователя с координатами р; параметры, описывающие характеристики окружающей поверхности, влияющие на эффект многолучевости; электромагнитные помехи в районе приема сигнала (случайные или намеренные). 1X7. Технические характеристики приемной аппаратуры
Вектор параметров, описывающих технические и энергетические характеристики приемной аппаратуры, влияющих на точность обработки принимаемых сигналов будем обозначать через Gr(t,T), г - индекс, указывающий на тип приемника. К числу составляющих вектора Gr(t,t) могут относиться: количество каналов приемника; коэффициент усиления приемной антенны; коэффициенты потерь; температура собственных шумов; и др. 1.1.8. Алгоритм решения навигационной задачи Для условного обозначения алгоритма решения навигационной задачи будем использовать вектор Аг, где г определяет тип приемника. Алгоритм на основе одномоментных измерений. Решение навигационной задачи определения фазового вектора потребителя X на основе спутниковых измерений, проведенных в одну временную эпоху, с использованием метода наименьших квадратов (МНК) имеет следующий вид: здесь X" - априорный фазовый вектор потребителя; W — весовая матрица измерений; Н - матрица частных производных (матрица измерений); X - апостериорный фазовый вектор потребителя. Заметим, что навигационный алгоритм на основе одномоментных измерений (1.3) не требует знания модели движения потребителя. В навигационной литературе матрица Н называется геометрической, поскольку она характеризует взаимное геометрическое расположение спутников и потребителя. Иногда данная матрица обозначается как G. Алгоритм на основе измерений нарастающего объема. Применение фильтра Калмана позволяет найти оценку вектора потребителя в задаче спутниковой навигации с учетом всех проведенных ранее измерений. Данный способ требует знания модели движения объекта. Пусть она
Концепция оперативного мониторинга состояния РНП ГНСС
Основными потребителями данных мониторинга реального времени являются потребители с повышенными требованиями к безопасности «жизни», а именно: авиация, флот, железная дорога.
Целью проведения мониторинга в реальном времени является обеспечение целостности навигационных услуг. При проведении мониторинга в реальном времени определяются следующие параметры целостности РНП ГЫСС: предел точности позиционирования; время сигнала тревоги; риск целостности; признак целостности.
В качестве контролируемых параметров при проведении мониторинга в реальном времени являются передаваемые потребителям точностные характеристики навигационных сигналов и решения навигационной задачи, В настоящее время, к сожалению, до сих пор не определены возможности доведения этой информации до потребителя. Поэтому проектирование прикладного математического обеспечения (ПМО) должно вестись с учетом самых жестких требований по времени тревоги. Ыадо отметить, что вопрос своевременной доставки измерений выходит за рамки ПМО мониторинга, и относится в первую очередь к доступным каналам связи подсистемы сбора измерений. Несмотря на существующие точности ГНСС, система мониторинга должна проектироваться с учетом возрастающих потребностей пользователей по точности. В реальной ситуации отбраковка части измерений может привести к потере точности местоопределения, особенно при недостатке измерений (из-за малости группировки, из-за ограничений по углу места). Функциональные требования мониторинга целостности реального времени включают: Возможность совместной обработки измерений от сети станций. При этом алгоритмы обработки должны учитывать разные времена получения измерений. Возможность работы как по транслируемым, так и по наиболее свежим эфемеридам и частотно-временным поправкам (ЧВП) космических аппаратов ГНСС. Это может служить обратной связью для определения необходимости перезакладки бортовой информации. Корректный учет возможных мешающих параметров (мультипуть, ионосфера, тропосфера). Возможность определения и прогнозирования шкалы времени ГНСС для обработки сокращенной группировки. Реализацию различных методов определения корректности информации для надежного определения целостности (по невязкам измерений, по получаемым координатам и поправке ко времени, с использованием алгоритмов RAIM). Возможность расчета дифференциальных коррекций для заданного набора обрабатываемых станций,
Общие требования к ПМО мониторинга реального времени следующие: Полная автоматизация всех операций. Работа в сетевом режиме для обеспечения взаимодействия с подсистемой сбора и хранения данных. Высокая степень надежности. Возможность управления мониторингом целостности без прекращения процесса (задание допустимых порогов, включение станций и т.д.) Возможность установки ПМО на независимом компьютере для обеспечения регионального мониторинга в автоматическом режиме. Это означает, что такое ПМО должно частично выполнять функции подсистемы сбора и хранения данных.
Мониторинг состояния РНП ГНСС в реальном времени включает в себя следующие методы и алгоритмы обеспечения целостности навигационного поля, основывающихся на вычислении определенных параметров-индикаторов: Контроль точностных характеристик самого излучаемого навигационного сигнала каждого космического аппарата SISRE (signal in space range error) - зависит от KA и от расположения потребителя (возможно - для наихудшего его расположения)
У Контроль точности решения навигационной задачи, определяемой ошибками только за счет космического сегмента в контролируемой области (для наихудшей точки) ? SISA (signal in space accuracy) - точность за счет только космического сегмента, предоставляемая потребителю самим оператором ГНСС ? SISMA (signal in space monitoring accuracy) - точность за счет космического сегмента, рассчитываемая оператором системы внешнего (по отношению к базовой ГНСС) мониторинга Контроль точности решения навигационной задачи с учетом использования предоставляемых дифференциальных коррекций UDRE (user differential range error) - точность за счет космического сегмента + UIVE (user vertical ionosphere measurement error component) ошибка за счет использования ионосферных поправок Контроль точности решения навигационной задачи самим потребителем алгоритм RAM (receiver autonomous integrity monitoring). Требования целостности оказывают существенное влияние на архитектуру средств, их обеспечивающих, и влияют на стоимость системы. Мониторинг состояния РНП ГНСС в реальном времени включает в себя функции мониторинга штатного эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО). Разработанное программное обеспечение позволяет решить следующие задачи: Определение параметров согласования системы координат ПЗ-90 и ITRF Определение параметров согласования системы координат WGS-84 и ITRP Оценка разности системных шкал времени ГЛОНАСС и GPS Оценка точности штатных эфемерид ? с учетом текущих параметров согласования ? с учетом средних параметров согласования ? без учета параметров согласования систем координат
Моделирование движения навигационных спутников
Притяжение Солнца (j = \) и Луны (/ = 2). При анализе возмущенного движения спутника с учетом гравитационных полей массивных тел солнечной системы последние можно рассматривать как материальные точки вследствие большого их удаления как от спутника, так и от основного притягивающего тела - Земли. При этом проекции возмущающего ускорения можно выразить через частные производные по координатам , у и z от возмущающей функции Rj7 которая имеет вид
Для определения координат Солнца и Луны можно использовать таблицы Астрономического ежегодника или аппроксимирующие полиномы.
Для вычисления составляющих ускорения от пертурбационной функции в орбитальной системе координат используем соотношения (3.6), в которых частные производные гравитационного потенциала Земли следует заменить частными производными по сферическим координатам от возмущающей функции, вычисленными по формулам: Притяжение Луны и Солнца становится существенным на расстоянии более 15-10 км от Земли и вызывает как периодические, так и вековые возмущения наклонения плоскости орбиты и долготы восходящего узла. Существенным является начальное положение орбиты спутника относительно Луны и Солнца,
Аэродинамическое торможение 0 = 3). Сила аэродинамического сопротивления направлена противоположно вектору орбитальной скорости спутника. Ее необходимо учитывать при прогнозировании движения по орбите, высота которой менее 1000 км. Вектор возмущающего ускорения определяется как где cD - коэффициент, зависящий от формы спутника и условий обтекания; s -площадь миделева сечения спутника, к которой отнесен коэффициент cD; т -масса спутника; v - скорость орбитального движения; р — плотность атмосферы; V - единичный вектор воздушной скорости: где V0 - вектор орбитальной скорости; 7а - вектор скорости движения атмосферы за счет ее вращения вместе с Землей- Проекции вектора воздушной скорости на оси орбитальной системы координат равны: определение угла p показано на рис. 3.2.
Если считать, что все слои атмосферы увлекаются Землей и вращаются с угловой скоростью UJ, то вектор Va будет направлен вдоль параллели. Величина этого вектора равна: Составляющие этого вектора по осям орбитальной системы координат равны
Следовательно, вращение атмосферы приводит к уменьшению составляющей воздушной скорости вдоль оси Х0 на постоянную величину и не меняет характера возмущений элементов орбиты, полученных без учета вращения атмосферы. Изменяется лишь величина возмущений элементов орбиты на несколько процентов по сравнению с возмущениями от невращающейся атмосферы.
Возмущения, вызываемые составляющей F , приводят к уменьшению большой полуоси и эксцентриситета. При этом высота апогея уменьшается быстрее, чем высота перигея. Это объясняется тем, что основное торможение происходит в перигее, так как здесь скорость максимальна, а высота -минимальна. Уменьшение кинетической энергии в перигее преобразуется в соответствующее уменьшение потенциальной энергии в апогее, что выражается в уменьшении высоты. В апогее поле тяготения слабее, чем в перигее. Поэтому, даже если бы уменьшение кинетической энергии в перигее и в апогее было бы одинаковым, высота апогея уменьшалась бы быстрее. Это обстоятельство дополнительно способствует более быстрому уменьшению высоты в апогее.
В результате эллиптическая орбита как бы стремится к круговой- При уменьшении большой полуоси уменьшается и период обращения. Изменение драконического периода за один оборот можно найти как:
Методика расчета обобщенной доступности
В каждой точке (R) пространства на заданном временном интервале Т равном периоду повторяемости системы полная доступность выполнения заданного условия рассчитывается по формуле: ps- вероятность нахождения системы в s-ом состоянии (с отказами определенных спутников), As— доступность в s-ом состоянии.
Число возможных состояний s созвездия равно 2N, где N - общее число спутников в созвездии. В алгоритме расчета полной доступности реализованы следующие принципы, обеспечивающие приемлемое время счета: 1. Замена интегральной характеристики доступности осреднением по дискретным моментам времени, которые следуют равномерно с постоянным шагом по времени в пределах интервала повторяемости навигационных характеристик для системы: Здесь Ds(t) - величина одномоментной доступности (на момент t) навигационного условия в данной точке, равная 1 или 0 в зависимости от выполнения/невыполнения условия. Шаг моделирования по времени dt слегка влияет на точность результатов и определяет общее время счета; эмпирически установлено, что приемлемым является диапазон dt от 1 до 10 мин. 2. Однотипность навигационных спутников в одной орбитальной плоскости, выражающаяся в том, что вероятности различных комбинаций инвариантны относительно перестановок номеров спутников в одной плоскости. Это означает, что при расчетах достаточно знать вероятности аккумулирующих событий вида pjjk". где i, j, k — количество нефункционирующих спутников в 1, 2, 3-ей плоскостях. Соответственно, в формуле для доступности отдельные события могут быть сгруппированы с вынесением вероятности за скобку и замены ее на pjjk/J . Здесь J - количество равноценных комбинаций внутри аккумулированного события, сумма доступностеа по которым, деленная на J, может интерпретироваться как средняя доступность по аккумулированному событию. 3. Независимость плоскостей по всем процессам жизнесуществования и функционирования спутников, выражающаяся в том, что на каждый текущий МОМеНТ Времени Pijk - Pi Pj pk, где pj - вероятность того, что в данной плоскости отказали ровно і спутников. Зачастую (но не всегда) можно предполагать также однотипность плоскостей (если они состоят из одинаковых спутников, их количество в каждой плоскости одинаково и применяемые стратегии резервирования индифферентны к номеру плоскости). В этом случае pfj-k_„ = pjik.„= рщ„ Отметим, что указанное свойство нарушается, например, уже в случае применения стратегий выведения по расписанию по той причине, что сроки планового запуска резервных аппаратов с Земли для разных плоскостей должны быть разнесены по времени, В результате, одномоментные вероятности аналогичных событий будут различны для различных плоскостей. Разнотипность плоскостей, разумеется, существенно усложняет моделирование и повышает затраты времени на расчет, 4. Если доступность Ds(tm) для конкретного состояния s (набора нефункционирующих спутников) равна 05 то автоматически Ds (tm) = 0 для всех состояний s , если s включает в себя состояние s (т.е. подмножество отказавших спутников состояния s целиком входит в подмножество отказавших спутников состояния s). Использование данного обстоятельства позволяет существенно сократить число перебираемых при расчете комбинаций. 5. Просмотр в каждой точке на поверхности Земли только видимых из данной точки в данный момент спутников и аналитический учет вклада в доступность оставшихся невидимых спутников, что резко сокращает количество перебираемых вариантов, 6. Контроль «глубины» просмотра состояний s: (l-E=i,Lpi) є, где є - заданная методическая погрешность («10" - 10"), В данном разделе обсуждается вопрос построения вычислительной модели для определения вероятностей пребывания ГНСС в состояниях с определенным числом отказов спутников. Сформулируем требования к компьютерной модели операционного жизненного цикла ГНСС: 1. Модель должна быть применимой и эффективной на всем временном интервале существования ГНСС 2. Модель должна отражать эффект старения системы. Это означает, что вероятность недоступности одного или нескольких спутников в начальный период существования системы не должна совпадать с таковой в период времени, относящийся к концу существования спутников- Этот фактор деградации качества должен оказывать влияние на глобальные технические характеристики системы. 3. В рамках Модели подлежат учету следующие аспекты: Случайные отказы (базируясь на данных о надежности спутника) -долговременные (невосстановимые) и кратковременные (восстановимые) Стратегия формирования и использования резервных спутников, используемых для восполнения утерянных (холодное резервирование, горячее резервирование, запуск на орбиту по требованию/ по расписанию и т.д.) Операции маневров для коррекции орбиты, необходимые для удержания орбитальных параметров спутника в заданных границах (окна стояния) Неиспользование спутника по назначению в период его замены запасным и осуществлении перефазировки (изменении углового положения спутника вдоль орбиты) тратегия восполнения (восстановления, реставрации) спутникового созвездия, основанная на данных о надежности одного спутника.
Вероятностная компьютерная модель SLaF на основе Марковской цепи и уравнений теории систем массового обслуживания разработана для исследований операционного цикла жизнесуществования (функционирования) орбитального спутникового созвездия (с учетом отказов, восстановлений, надежности отдельных аппаратов, вероятностей невосстановимой потери спутника, возможной деградации структуры созвездия, старения аппаратов в процессе эксплуатации на орбите, стратегий пополнения запасными спутниками и т.д.).
На выходе модельного комплекса SlaF получаются значения вероятностей РО, Р1-Р7 нахождения всей совокупности спутников созвездия в частных состояниях отказов на произвольные моменты времени, принадлежащие интервалу плановой эксплуатации системы. Эти значения совершенно необходимы для правильного расчета доступности навигационных характеристик системы, поскольку терминологическое определение понятия доступности (общей доступности) по своей сути является математическим ожиданием, т.е. предполагает операцию осреднения с учетом вероятностей нахождения системы в сбойных состояниях (когда часть навигационных спутников отказали).
