Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Московский государственный технический
университет имени Н.Э. Баумана»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Методы прецизионных измерений в спутниковой
навигации
1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ И ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
1.3. Погрешности эфемеридно-временного обеспечения.
1
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
• Шкала времени – временная «координатная» система, cвязанная с
конкретными часами.
• Шкала времени системы (ШВС) – шкала времени, связанная с часами
радионавигационной системы.
• Шкала времени потребителя (ШВП) – шкала времени, связанная с
часами потребителя.
• Бортовая шкала времени (БШВ) – шкала времени, связанная с часами
бортового синхронизирующего устройства (БСУ) конкретного НКА.
• Шкала времени навигационного сигнала (ШВ{НС}) – шкала времени,
связанная с ПСП дальномерного кода сигнала {НС} в фазовом центре
антенны, излучающей этот сигнал.
2
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
UT1 - Среднее время по Гринвичу (англ. Greenwich Mean Time, GMT), или
гринвичское время — среднее солнечное время меридиана, проходящего через
прежнее место расположения Гринвичской королевской обсерватории около
Лондона [1].
UTC - Всеми́ рное координи́ рованное вре́мя (англ. Coordinated Universal Time,
фр. Temps Universel Coordonné; UTC) — стандарт, по которому общество регулирует
часы и время. Отличается на целое количество секунд от атомного времени и на
дробное количество секунд от всемирного времени UT1.
TAI - Международное атомное время (TAI, фр. Temps Atomique Internatonal) —
время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания,
излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического
состояния в другое. Решением XIII Генеральной конференции мер и весов в 1967
году единица TAI — 1 атомная секунда — приравнена продолжительности 9 192
631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя
сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
3
Международные шкалы времени
4
Время в ГЛОНАСС
5
Время в GPS
6
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
Погрешности TБШВ обусловлены уходами
бортового эталона, а также конечной точностью
процедур сверки бортовой ШВ с системной. Как
следствие, возникает смещение фаз излучаемых
дальномерных кодов и меток времени, что
приводит к погрешностям измерения РНП и в итоге – к снижению точности НВО.
Функциональная зависимость ЭПД потребителя от рассогласования между
фактическим отсчетом БШВ и прогнозным значением БШВ, рассчитанным
потребителем с помощью соответствующей математической модели,
транслируемой ему в составе НС.
Например, при расхождении реальных показаний БШВ и прогноза на 10 нс,
ошибка измерения псевдодальности составит порядка 3 м для всех потребителей.
7
Сравнение погрешности определения времени для ГЛОНАСС и GPS
ГЛОНАСС
GPS
Ошибки определения времени за счет погрешности космического сегмента не
учитывают погрешности распространения в среде и погрешности НАП. Они
фактически определяют потенциальную точность потребителей, оснащенных
двухчастотной НАП без учета внутренних задержек НАП.
8
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
В тех случаях, когда уход БШВ относительно СШВ превышает допустимые
значения, проводится её коррекция либо путём фазирования (совмещения
временных интервалов БШВ и СШВ) на физическом уровне, либо путём
изменения цифрового кода БШВ на целое число единиц времени. Коррекция
БШВ ГЛОНАСС производится таким образом, чтобы её сдвиг относительно
системной ШВ не превосходил 10 нс, т. е. примерно соответствовал суточной
нестабильности БШВ, которая для НКА «Глонасс-М» составляет 1*10 –13.
Однако проведение таких непосредственных коррекций возможно
только эпизодически, в моменты нахождения НКА в зоне видимости
наземных средств наблюдения. В то же время максимальное отклонение БШВ
относительно СШВ уже через 2 ч после коррекции составляет примерно 10 нс,
а через сутки после коррекции достигает примерно 25 нс для цезиевых и 110
нс для рубидиевых эталонов.
9
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
Поэтому наряду с непосредственной используется алгоритмическая
коррекция, основанная на прогнозировании систематической составляющей
ухода БШВ. Возможность такой коррекции также базируется на результатах
многолетних наблюдений, которые показывают, что на интервалах времени
порядка суток систематическая составляющая ухода БШВ изменяется по закону,
близкому к линейному.
С учётом сказанного, для данного НКА на каждом витке рассчитываются
частотно-временные поправки, которые дважды в сутки закладываются в
бортовой компьютер НКА, а затем включаются в НС и передаются потребителю.
Поправки представляют собой два параметра линейной модели смещения БШВ
относительно СШВ. Эта модель заложена в программном обеспечении АП, что
позволяет учитывать принятые поправки при НВО. Для НКА «Глонасс-М» с
цезиевым эталоном частоты при такой коррекции погрешность прогноза ухода
БШВ на 12 ч составляет в среднем 7,2 нс (ЭПД = 2,1 м). Для НКА GPS всех
модификаций погрешность частотно-временного обеспечения составляет 4,4 нс
(ЭПД = 1,2 м).
10
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
Существует ещё одна составляющая погрешности времени ––
фазовый сдвиг (групповая задержка) навигационного сигнала в
аппаратуре при его распространении от бортового эталона до
передающей антенны НКА. Систематическая составляющая этой
задержки учитывается при расчете параметров коррекции БШВ,
передаваемых потребителю в составе НИ. Случайная составляющая
групповой задержки, не превышающая 3 нс (ЭПД = 1,0 м), входит в
дальномерную погрешность.
11
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
Погрешности R обусловлены неточностью расчёта параметров орбит НКА в НКУ и
непрогнозируемыми
отклонениями
реальной
орбиты
НКА
относительно
экстраполированной. Эфемеридная погрешность R имеет три компоненты: продольную l
(по касательной к траектории), радиальную r (по направлению к центру Земли) и
нормальную n (перпендикулярную плоскости орбиты). Соответствующая эфемеридной
погрешности составляющая ЭПД Э представляет собой проекцию вектора {l; r; n} на
линию, соединяющую потребителя и НКА.
Разность апостериорной
и
штатной
ЭВИ
рассчитывается
по
финальным данным ИАЦ
КВНО
и
данным,
принятым
глобальной
сетью БИС в составе
навигационных
сообщений
открытых
навигационных
сигналов.
12
Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
Дисперсия эфемеридной погрешности может быть рассчитана по формуле:
где kr, ktg –– коэффициенты, учитывающие взаимное положение НКА и потребителя.
Значения этих коэффициентов несколько различаются, однако в целом
имеющиеся данные позволяют сделать следующие выводы:
продольная и поперечная составляющие, имеющие соответственно СКО = 1,03 м
и 1,57 м для НКА ГЛОНАСС и 0,95 м и 0,97 м для НКА GPS, входят в ЭПД с
коэффициентом ktg ≤ 0,14;
радиальная составляющая, у которой СКО = 0,96 м для НКА ГЛОНАСС и 0,42 м для
НКА GPS, практически полностью входит в дальномерную погрешность с
коэффициентом kr ≈ 0,98.
С учётом приведённых оценок, эфемеридная составляющая ЭПД имеет СКО
порядка 0,7.. .1,2 м.
13
Спасибо за внимание
14
