04. Контрольно-измерительный комплекс СРНС системы времени, координат и модели Земли

4. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС СРНССИСТЕМЫ ВРЕМЕНИ, КООРДИНАТ И МОДЕЛИ ЗЕМЛИ,ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СРНС4.1 КИК ГЛОНАССПодсистема КИК решает следующие основные задачи:контроль параметров движения НКА, прогнозирование параметроворбит (эфемерид) и передача эфемеридной информации на борт НКА для«закладки» в бортовой компьютер и включения в навигационное сообщение,передаваемое потребителям;шкалыопределение и прогноз для каждого НКА отклонений бортовойвремени,формируемойбортовымэталоном,относительнообщесистемной ШВ, формируемой наземным эталоном, и передача их на бортдля коррекции бортовой ШВ и включения в навигационное сообщение;мониторинг качества радионавигационных сигналов, излучаемыхНКА, с целью выявления возможных неисправностей и отклонений в работебортовой аппаратуры;радиотелеметрическийконтрольидиагностикасостояниябортовой аппаратуры НКА;программноеикомандноеуправлениеполетомНКАифункционированием бортовых систем.Для решения перечисленных и других задач в состав КИКвходятследующие элементы: центр управления системой; центральный синхронизатор; станции слежения; радиотехнические контрольные станции; квантово-оптические контрольные станции; аппаратуру контроля поля.1Рис 4.

1Необходимо отметить, что требования к точности синхронизациивременных шкал и контроля параметров орбиты в СРНС, которые долженобеспечивать КИК, существенно выше, чем в любой другой областикосмонавтики, поскольку погрешности в этих параметрах непосредственноопределяют итоговые погрешности НВО.Так,определениядляСРНС,обеспечивающейодновременнопобеззапросныенесколькимнавигационныеспутникам,требуетсясинхронизация бортовых и системной шкал времени с точностью до единицнс, поскольку рассинхронизации в 10 нс соответствует погрешностьместоопределения порядка 10…15м.

Для решения этой задачи потребовалосьсоздатьбортовыенезависимыестандартычастотыснестабильностью порядка 1х10-13 , наземные стандартыотносительнойчастоты сотносительной нестабильностью порядка 1х10-14 , а также наземные средствасличения шкал с погрешностью 3…5 нс.Погрешности определения и прогноза параметров орбиты не должныпревышать 10…15м., поэтому при расчетах необходимоучитываться такиефакторы, как световое давление на НКА, влияние релятивистских эффектов награвитационное поле Земли, неравномерность вращения Земли и ее полюсов, а2также наличие реактивных сил, связанных с газоотделением материаловпокрытия НКА (в большинстве других приложений считается, что влияниеэтих факторов имеет второй порядок малости).Остановимся более подробно на методах решения задач эфемеридногои частотно-временного обеспечения, которые непосредственно влияют наточность навигационных измерений с помощью сигналов СРНС.Эфемеридное обеспечение включает в себя процедуры определения ипрогнозапараметровдвиженияНКАи"закладку"соответствующейинформации на борт НКА для передачи в составе навигационного сообщения.Частотно-временное обеспечение включает процедуры определения,прогноза и "закладки" на борт НКА частотно-временных поправок бортовойШВ относительно ШВ системыОпределение и прогноз параметров движения НКА осуществляетБаллистический центр системы на основе результатов траекторных измеренийдальности и радиальной скорости НКА, поступающих от сети наземныхрадиотехнических "запросных" контрольно-измерительных станций.

Прирасчетах используются данные не менее трех контрольно-измерительныхстанций, расположенных на территории России (западная, центральная,восточная) в пределах 50°...60° северной широты. При таком расположенииКИС на каждом витке орбиты НКА наблюдается при углах возвышения неменее 5° в течение сеансов длительностью 1...5 ч.Сформированная в баллистическом центре эфемеридная информация"закладывается" на борт НКА через сеть контрольно-измерительных станцийежесуточно. Среднеквадратическая погрешность (СКО) эфемеридных данныхдля наименее благоприятных условий составляют по высоте 5 м, вдоль орбиты20 м, по нормали к плоскости орбиты 10 м. При благоприятных условияхпогрешности по высоте и вдоль орбиты приблизительно в два раза меньше.Подсистема частотно-временного обеспечения содержит:• наземный центральный синхронизатор на основе водородногостандарта частоты с относительным среднеквадратическимотклонениемсреднесуточных значений частоты не хуже 310-14;3• радиотехническую "беззапросную" измерительную станцию;• радиотехническую "запросную" измерительную станцию.Центральный синхронизатор формирует ШВ системы и опорныесигналы для беззапросной измерительной станции.Принцип определения поправок бортовой ШВ состоит в следующем[117].

На беззапросной измерительной станции для i–го НКА производитсяизмерение сдвига по времени iширокополосной ПСП, модулирующейнавигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц, относительно опорногосигнала. На основании этих измерений определяют псевдодальность R̂ i =сiэтого НКА, отличающуюся от истинной дальности Ri на неизвестную, нопостоянную за время определения навигационных параметров величинуR i=сi, где i – сдвиг ШВ i-го НКА относительно ШВ системы.Запросная измерительная станция путем измерения интервала времениiз между излучением запросного сигнала и приемом сигнала, излученногобортовым ответчиком i-го НКА, также определяет дальность до НКАRiз =сiз, погрешность которой не зависит от БШВ.Результатыодновременныхизмеренийбеззапроснойизапроснойизмерительных станций поступают в БЦ, где определяется значение сдвигаБВ i-го НКА относительно ШВ системы: i =( R̂ i - R iз)/с.Опыт эксплуатации СРНС ГЛОНАСС показал, что при собственнойсреднесуточной нестабильности бортовой ШВ порядка 310-13 погрешность(СКО) взаимной синхронизации ШВ любых двух НКА равна 20 нс [117].(Более подробно см.

раздел .6.).4.2 КИК GPSКонтрольно-измерительный комплекс GPS состоит из сети наземныхстанций слежения, расположенных по всему миру. Сеть включает главную(ведущую) станцию, контрольные станции и земные станции ввода данных наНКА (три). Главная станция контроля и управления находится на авиабазеФалкон (Шривер) ВВС США в районе г. Колорадо-Спрингс, штат Колорадо.4Ее основу составляет центр управления с вычислительным комплексомисредства передачи данных на земную станцию связи с НКА [117].Контрольные станции в настоящее время размещены на атолле Диего-Гарсиа(архипелаг Чагос в Индийском океане), на о. Вознесения (в Атлантическомокеане), на Гавайях и атолле Кваджалейн (в Тихом океане); одна контрольнаястанциясовмещена с главной станцией [117].

Тот факт, что станциирасположены сравнительно равномерно по Земному шару вблизи экватора,создает благоприятные условия для наблюдений НКА.Рис. 4.2Эти станции принимают сигналы спутников GPS и осуществляютрин ниальные прецизионные измерения дальности до НКА, по которым наглавной станции осуществляются точные расчеты параметров орбит,ионосферной модели и корректирующих поправок для бортовых часов.

Дляточного определения орбит НКА используется беззапросный метод. Посоответствующим измерениям задержки дальномерных сигналов НКА5осуществляется точное определение параметров орбит и параметров движенияНКА. Через земные станции связи (атолл Диего-Гарсиа, о. Вознесения, атоллКваджалейн) ГС передает на борт каждого НКА эти параметры совместно сданными обработки метеорологической информации, позволяющей уточнитьпараметры модели тропосферы.

Производится также мониторинг состоянияНКА и управление их работой.4.3.Системы времени, координат и модели Земли, используемые вСРНС4.3.1 Единицы времениРассмотрениепринциповпостроенияифункционированияспутниковых навигационных систем невозможно без предварительногоознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мервремени и системами отсчета времени, применяемыми в СРНС.Различают две основные группы единиц отсчета времени: астрономические; неастрономические.Основной астрономической единицей времени являются сутки, т.е.интервал, за который Земля, с точки зрения наблюдателя, неподвижнонаходящегося на поверхности, Земли делает один полный оборот вокруг своейоси относительно некоторой точки отсчета на небесной сфере.

Сутки делятся86400 интервалов, называемых секундами.Характерной особенностьюастрономических суток является зависимость их длительности от выбора точкиотсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.п.).Соответственно различают звездные и солнечные сутки. Длительностьсолнечных суток зависит еще и от времени года, поэтому вводится понятиесредних солнечных суток.

Между звездным и средним солнечным временемсуществует следующее соотношение: 24 часа звездного времени равны 23ч56мин 4,091с среднего времени.Поскольку скорость вращения Земли относительно своей оси неявляется строго постоянной, продолжительность звездных и солнечных суток6также меняется. Поэтому для точных расчетов было введено равномернотекущее эфемеридное время - ЕТ, единицей которого является эфемериднаясекунда, рассчитываемая как 1/86400 доля средней продолжительности суток вопределенный день 1900г. Система отсчета времени, основанная на среднемсолнечном времениМеждународногобыла введена в 1928 г. Ш Генеральной ассамблеейрин номиическоговсемирным UT (Universal Time) илисоюза.Это время называетсяринвичским средним солнечным.Очевидно, что системы отсчета, где в качестве эталона единицывремени принят период вращения Земли, адекватны задачам астрономии, атакже для описания процессов, происходящих на Земле в течение длительныхисторическихпериодов.Применениеэтихсистемдлявысокоточныхизмерений кратковременных процессов сопряжено с целым рядом трудностей.Поэтому после создания атомных стандартов частоты (времени) в научнотехнических измерениях и расчетах перешли к неастрономическому базису мервремени.В 1967 г.

на ХП Генеральной конференции по мерам и весам былапринята единица времени, не зависящая от вращения Земли – атомнаясекунда. Атомная секунда – это интервал времени, в течение которогопроисходит 9192631770колебаний, соответствующих резонансной частотеэнергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основногосостояния атома цезия -133 при отсутствии внешних воздействий.

В настоящеевремя атомная секунда принята за единицу времени в международной системеСИ,вместоранееприменявшейсяэфемериднойформирующий эталонную шкалу времени,секунды.Прибор,получил название атомного(цезиевого) стандарта частоты. Шкала международного атомного времениTAI формируется путем осреднения показаний нескольких атомных эталонов.4.3..2 Системы отсчета (шкалы) времени, используемые в СРНСВ настоящее времянаиболее часто используется система отсчетавремени, получившая названияВсемирного координированного времени(Universal Coordinated Time – UTS) /.