close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

О влиянии нестабильности часов на точность координатно-временных определений в спутниковых навигационных технологиях..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 521.1
О ВЛИЯНИИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСОВ НА ТОЧНОСТЬ
КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ
В СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Александр Сергеевич Толстиков
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск,
пр. Димитрова, 4, начальник ГСВЧ ФГУП «СНИИМ», доктор технических наук, доцент,
тел. (383)210-11-85, e-mail: tolstikov@mail.ksn.ru
Андрей Сергеевич Томилов
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск,
пр. Димитрова, 4, заместитель начальника ГСВЧ ФГУП «СНИИМ», тел. (383)210-11-85,
e-mail: tomber1@yandex.ru
Екатерина Андреевна Ханыкова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирантка кафедры метрологии, стандартизации, сертификации,
e-mail: hanikovak@mail.ru
Анжелика Равильевна Безродных
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, студентка кафедры метрологии, стандартизации, сертификации,
e-mail: jelechka@mail.ru
Эльвира Олеговна Непомнящая
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, студентка кафедры метрологии, стандартизации, сертификации,
e-mail: elviranepo@mail.ru
В работе показана необходимость исследований нестабильности часов, применяемых
при координатно-временных определениях на основе спутниковых навигационных технологий.
Ключевые слова: нестабильность частоты, координатно-временные определения, частотно-временные поправки.
ABOUT THE INSTABILITY CLOCK ON ACCURACY OF COORDINATE
AND TIME DEFINITIONS IN THE SATELLITE NAVIGATION TECHNOLOGY
Alecsandr S. Tolstikov
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova, e-mail:
tolstikov@mail.ksn.ru
Andrey S. Tomilov
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova, e-mail:
tomber1@yandex.ru
Ekaterina A. Hanikova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, graduate department of metrology, standardization and certification, e-mail: hanikovak@mail.ru
Angelika R. Bezrodnikh
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, 630108, student, department of metrology, standardization and certification, e-mail: jelechka@mail.ru
Elvira O. Nepomnyashikh
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, student, department of metrology, standardization and certification, e-mail: elviranepo@mail.ru
The work shows the need for research of instability clock using in coordinate and time definitions on basis of satellite navigation technologies.
Key words: instability frequency, coordinate and time definition, time-frequency correction.
Исходными данными для решения задач координатно-временных определений (КВО), выполняемых на основе применения спутниковых навигационных технологий, являются геометрические дальности от навигационных спутников (НС) до потребителя.
Измерение указанных дальностей радиотехническими методами сводится
к определению длительности интервала времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от НС до потребителя. Этот измеренный временной интервал D (t ) , выраженный в единицах длины и именуемый в дальнейшем
«псевдодальностью»,
связан
с
геометрической
дальностью
 (uС , u П )  ( xС  xП )2  ( yС  yП )2  ( zС  z П ) 2 , ( uT С  [ xС , yС , zС ], uT П  [ xП , yП , zП ] векторы текущих координат НС и потребителя соответственно) уравнением измерений
n
D(t )   (uC , u П )   pk (t ) ,
(1)
k 1
где pk (t ), k  1,...n - факторы, влияющие на точность измерений, в том числе
р1 (t )  c  TC (t ) , р2 (t )  c  TП (t ) - уход бортовых часов относительно
шкалы центрального синхронизатора системы и уход часов приемной аппаратуры;
с – скорость распространения радиосигнала в вакууме;
р3 (t ),..., pn (t ) - факторы, связанные с задержкой навигационного сигнала
в ионосферном и тропосферном слоях, смещением фазового центра антенн, погрешностью от релятивистских эффектов, с неоднозначностью фазовых измерений, с погрешностями определения координат потребителя и задания эфемерид спутника, погрешностями приведения измеренных дальностей к моменту
прихода навигационного сигнала на приемную антенну, погрешности от многопутности и погрешности случайной природы [1].
Важным условием обеспечения точности выполнения таких измерений является согласованность начал отсчета измеренных временных интервалов. Это
сводится к требованию, чтобы на момент проведения измерений дальностей
должны быть известны уходы бортовых часов и часов потребителя относительно часов центрального синхронизатора системы и эти уходы должны быть
скомпенсированы. Такая компенсация решается путем применения частотно
временных поправок (ЧВП).
Процесс расчета ЧВП включает в себя идентификацию (структурную и параметрическую) математических моделей применяемых часов, прогнозирование уходов часов с помощью этих математических моделей и проверку адекватности полученных математических моделей.
В работе [2] приведены результаты анализа погрешностей компенсации
уходов бортовых шкал времени навигационных спутников ГЛОНАСС с помощью бортовых ЧВП. Такой сравнительный анализ проводился в течении суток
по орбитальной группировке НС ГЛОНАСС в условиях применения в качестве
часов потребителя эталона времени, частоты и шкалы времени ВЭТ1-19 с компенсацией ионосферной и тропосферной задержек навигационного сигнала
и учетом релятивистских эффектов. Проведенный анализ показал, что в 30 %
случаев бортовые ЧВП с неудовлетворительной точностью компенсируют фактические уходы бортовых часов.
На рисунках в порядке иллюстрации полученных результатов приведены
оценки текущих положений бортовых шкал НС ГЛОНАСС № 725 и № 715
и соответствующие им бортовые ЧВП (кусочно-линейные функции).
Необходимо отметить, что точность измерений геометрических дальностей
 (u C , u П ) , наряду с показанным выше влиянием на результаты этих измерений
уходов ботовых шкал, существенным образом зависит от нестабильностей часов аппаратуры потребителя. Все это делает актуальным проведение исследований нестабильностей часов, применяемых в спутниковых навигационных
технологиях, и разработку алгоритмов и методик абсолютных координатновременных определений, в минимальной степени зависимых от нестабильностей часов.
Исследования нестабильностей часов сводятся к выбору приемлемых математических моделей для этих нестабильностей и выбору мер и характеристик
нестабильностей, адекватных физическим процессам порождающим уходы часов. Эти математические модели и характеристики нестабильностей необходимы для:
- построения алгоритмов оценивания текущих значений уходов часов по
результатам тех или иных измерений и оптимального выбора параметров указанных алгоритмов,
- расчета прогнозов для уходов часов в виде частотно-временных поправок
к показаниям часов,
- оценивания точности применения тех или иных ЧВП.
В подавляющем большинстве случаев [3,4,5] математическая модель относительного отклонения частоты генератора часов от эталонного значения
f (t )
 (t ) 
представляется в виде суммы  (t )  s(t )  w(t ) долговременной s (t )
f
и кратковременной w(t ) составляющих нестабильности. Долговременная составляющая s (t ) , определенная на интервале времени более одного часа, представляется гладкой функцией допускающей параметрическое разложение.
Кратковременная составляющая w(t ) трактуется как выходной сигнал некоторого формирующего фильтра, на входе которого действует порождающий случайный процесс типа «белый шум». Указанная нестабильность частоты связана
с уходом часов в силу разностного уравнения
T (k  1)  T (k )  
tk 1
tk
 s( )  w( ) d
.
(2)
При решения ряда прикладных задач применяется модель, описывающая
нестабильность часов в пространстве состояний
x(k  1)  A  x(k )  ξ (k ), x(0)  x0
,
(3)
где вектор состояния часов xT (k )  [T (k ), (k ), d (k )] , включающий в себя значения уходов шкалы времени T (k ) , отклонение частоты  ( k ) и дрейф частоты
d ( k ) ;  ( k ) - случайная последовательность с нулевым математическим ожида-
 1 h 0,5h2 


h  - переходная матрица,
нием и ограниченной дисперсией; A   0 1
0 0
1 

h  tr 1  tr 1 шаг дискретизации.
В области частот, спектральная плотность мощности процесса, характеризующего нестабильность часов, представляется степенным полиномом
2
H ( )    i   i [2,4].
i 2
Такое представление позволяет увидеть, что при 
стремящемся к нулю, Н() принимает бесконечно большие значения. Это не
позволяет использовать в качестве меры нестабильности часов дисперсию случайного процесса Т(k).
Справиться с проблемой оценки нестабильности часов позволяют структурные функции [3], частным случаем которых является дисперсия Аллана [4].
Именно эти характеристики нестабильности часов должны быть применены
при решении задач КВО на основе процедур калмановского типа.
В заключении необходимо отметить следующее.
1. При решении задач абсолютных КВО существенная часть погрешностей
КВО связана с нестабильностью применяемых часов.
2. Один из путей снижения влияния этих нестабильностей на результаты
КВО видится в включении параметров нестабильностей часов, представленных
математическими моделями (2) и (3), в состав расширенного вектора состояния
совместно с подлежащими оцениванию координатами потребителя.
3. В качестве алгоритмов КВО с расширенным вектором состояния наиболее
приемлемыми представляются рекуррентные процедуры калмановского типа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Закорючкина Н. В., Толстиков А.С., Ханыкова Е. А. Оценивание уходов бортовых
часов по данным траекторных измерений / Интерэкспо ГЕО-Сибирь. VIII Междунар. науч.
конгресса, 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. "Специализированное
приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии": сб. материалов
в 2 т. Т. 2. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 229 - 232.
2. Толстиков А.С., Степанов В.А., Воскобойников Ю.Е., Гочаков А.В..Ханыкова Е.А.,
Карауш А.В. Контроль бортовых шкал времени навигационных спутников ГЛОНАСС в метрологических пунктах ГСВЧ // Навигационные спутниковые системы, их роль и значение
в жизни современного человека : тез. докл. 2-й Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 30летию запуска на орбиту первого навигац. космич. аппарата «Глонасс» (10 – 14 октября 2012
г., Железногорск) /под общ. ред. Н. А. Тестоедова ; ОАО «Информационные спутниковые
системы» ; Сиб. гос. аэрокосмич. Ун-т. – Красноярск, 2012. – С. 245 – 247.
3. Линдси У.С, Цзе Чжа-Мин. Теория нестабильности генераторов, основанная на
структурных функциях/ ТИИЭР, Т. 64, №12. - 1976. - C. 5-21.
4. Толстиков А.С., Тиссен В.М.. Математические модели нестабильности КСЧ В.М //
Материалы Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП – 2004». Новосибирск. НГТУ. – 2004. Т.3. – С.263-269.
5. Riley. W.J.. Handbook of Frequency Stability Analysis/ Hamilton Technical Services
Beaufort, SC 29907 USA. - 2007. - pp. 148.
© А.С. Толстиков, А.С. Томилов, Е.А. Ханыкова,
А.Р. Безродных, Э.О. Непомнящая, 2013
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа