Эфемеридное обеспечение ГЛОНАCC

Эфемеридное обеспечение поддерживается комплексом технических и программных средств, выполняющих радиоконтроль орбит спутников с нескольких наземных КС, обработку результатов траекторных измерений и расчет эфемеридной информации (ЭИ), передаваемой далее с помощью загрузочных станций на спутник.
Высокая точность расчета эфемерид обеспечивается соответствующей точностью измерительных средств, внесением поправок на выявленные методические погрешности, применением в процессе расчета эфемерид не только текущих траекторных наблюдений, но и накапливаемых за недельный срок. При этом дальномерные данные, получаемые от станций слежения за спутниками, периодически калибруются, что обеспечивает высокое качество измерений в системе ГЛОНАСС.
1. Особенности формирования эфемеридной информации в ГЛОНАСС
Система ГЛОНАСС создавалась в условиях, когда уровень фундаментальных исследований в области геодезии, геодинамики и геофизики не обеспечивал требуемую точность эфемеридного обеспечения системы, В этих условиях нбыл проведен комплекс работ по обоснованию путей решения этой проблемы через построение согласующих моделей движения спутников, параметры которых определяют в процессе решения самой задачи баллистико-навигационного обеспечения системы.
Исследования показали, что необходимо отказаться от типовых острорезонансных (например, с периодом обращения спутника равным 12 ч, как в СРНС GPS, когда период вращения Земли вокруг своей оси равен двум периодам обращения спутника) орбит спутников, так как в процессе моделирования уравнений траекторного движения спутников это повышает устойчивость их решений и ослабляет корреляции между параметрами отдельных уравнений (моделирующих, например, изменение геопотенциала, координат измерительных средств, радиационного давления). Кроме того, оказалось, что наивысшая точность баллистико-эфемеридного обеспечения системы при решении многомерной навигационной задачи с расширенным вектором состояния обеспечивается при обработке измеренных текущих навигационных параметров на интервале 8 сут. Переход от острорезонансных орбит был осуществлен путем увеличения числа витков спутника (по сравнению с GPS) на интервале 8 сут до 16 … 17. Число спутников в системе брано равным 24 с равномерным распределением по трем орбитальным плоскостям. Все спутники системы фазируются таким образом, что на больших временных интервалах они имеют один след на поверхности Земли. Это обеспечивает высокую баллистическую устойчивость системы и относительно высокую точность и простоту расчетов траекторий. Опыт эксплуатации системы показал, что при обеспечении начального периода обращения спутника с точностью не хуже 0,1 с на протяжении заданного срока активного существования спутника его положение в системе корректировать не нужно.
В настоящее время в системе ГЛОНАСС используется запросная технология эфемеридного обеспечения, когда исходной информацией для расчета эфемерид служат данные измеренных текущих параметров (ИТП) спутников, поступающие в ЦУС от контрольных станций по программам межмашинного обмена через вычислительную сеть. Ежесуточно осуществляется 10 … 12 сеансов передачи информации по каждому спутнику.
1. Типовые операции управления
Процесс эфемеридного обеспечения реализуется в ходе отработки типовых операций управления ПКУ, который предполагает решение следующих задач: предварительная обработка ИТП; расчет начальных условий на начало каждого интервала работы; определения параметров движения; расчет и формирование эфемеридной информации (ЭИ) и альманаха системы; апостериорная оценка точности формирования ЭИ; оперативная и камеральная оценка возможности использования измерений КС и временной информации в интересах эфемеридного обеспечения системы; обработка и прогнозирование параметров вращения Земли (ПВЗ).
Рассмотрим подробнее отдельные операции управления.
Предварительная обработка ИТП. Цикл управления ЦУС начинается с запроса сеансов связи с КС для получения наборов ИТП и предварительной обработки этой информации. При этом выполняются следующие операции: дешифровка и анализ ключевых, технологических, калибровочных и информационных посылок наборов (массива) данных; расчет априорных навигационных функций; преобразование информационных параметров, полученных в результате дешифровки массивов, в значения навигационных параметров; коррекция измерений массивов ИТП с учетом поправок на распространение измерительного сигнала в ионосфере и тропосфере Земли; формирование и запись массивов ИТП и БД.
Время решения задачи предварительной обработки информации для первого сеанса составляет 1,5 мин.
Расчет начальных условий. Для расчета начальных условий спутника на начало мерного интервала осуществляется считывание из БД исходных начальных условий, настройка математической модели движения спутника, расчет параметров движения спутника на заданное время численным методом интегрирования и запись полученных кинематических параметров движения в БД. В типовой операции управления интервал прогнозирования составляет около двух витков.
Определение параметров движения. После подготовки начальных условий, проведения измерений и решения задачи определения параметров движения спутника на 8-ми суточном интервале производится уточнение расширенных начальных условий, включающих кинематические параметры движения, коэффициенты модели движения и измерений. В задаче определения параметров движения реализован итерационный метод Ньютона, при этом число итераций равно 3 … 4.
Формирование эфемерид. Полученные в ходе предыдущей операции начальные условия используют для расчета эфемеридной информации (кинематические параметры движения спутника и составляющие действующего на него возмущающего ускорения), которая записывается в базу выходных данных. Из нее формируется служебная информация в заданном виде (форме) и передается на КС для закладки на борт спутника. Высокая точность расчета траектории движения спутника достигается в основном за счет разработки адекватной модели движения спутников, описываемой системой дифференциальных уравнений и учитывающей следующую совокупность сил: притяжение Земли (с учетом аномалий), Луны и Солнца; воздействие лунно-солнечных приливных вариаций геопотенциала, давление солнечного излучения. Основным фактором, определяющим характер движения спутника, является геопотенциал, возмущающая часть которого задаст общую эволюцию орбиты. Действие остальных возмущающих факторов примерно в 1000 раз меньше воздействия геопотенциала.
Задача определения начальных условий движения спутника, а также расширенного вектора состояния, решается на основе математической обработки измерений, полученных на восьми суточном интервале наблюдений методом наименьших квадратов, который в настоящее время является основным методом статистического оценивания траектории движения спутника.
Формирование альманаха. Расчет альманаха системы ГЛОНАСС осуществляется на заданном интервале с шагом 1 сут. Информация альманаха системы предназначена, в частности, для выбора потребителем созвездия спутников, по которым определяется местоположение. Результаты расчетов записываются в базу выходных данных. Из них формируется служебная информация и передается на КС для закладки на борт спутника.
Оценка точности эфемерид. В процессе проведения типовых операций управления производится неоперативное оценивание точностных характеристик эфемерид, ежесуточно уточняемых для каждого спутника. С учетом уточненных на данных технологических сутках опорных эфемерид рассчитывают эталонные (осредненные на интервале измерения) кинематические параметры движения и вычисляют максимальные отклонения оцениваемых опорных эфемерид, прогнозируемые на 30 ч, относительно эталонных. Вектор максимальных отклонений записывается в БД и используется при вычислении выборочных оценок точности эфемеридного обеспечения за определенный интервал времени для отдельных спутников или всей системы в целом.
Оценка возможности применения КС. Контроль возможности использования КС в интересах эфемеридного обеспечения осуществляется в два этапа. На первом этапе оперативно (ежедневно) после окончания выполнения типовых операций управления оценивается качество работы КС как по составу всей орбитальной группировки, так и в течение десяти суточного интервала предыстории.
На втором этапе – неоперативно (ежемесячно) в конце каждого месяца. На этом этапе более углубленно оценивается качество работы КС, так как оцениваемый интервал берется равным не менее 1 мес, и принимается решение о дальнейшем использовании данной КС в ПКУ ГЛОНАСС.
Определение параметров вращения Земли. Для обеспечения ГЛОНАСС параметрами вращения Земли в системе организовано оперативное определение координат полюса Земли, эксцесса длительности суток по данным измерений КС на основе совместного уточнения ПВЗ и вектора состояния системы. Специально разработанные методики позволяют определить и всемирное время в процессе эфемеридного обеспечения системы. Точность получаемых результатов оценивается для координат полюса на уровне 15 … 20 см, для длительности земных суток – 0,5 мс и для всемирного времени – 1 мс. Регулярное определение ПВЗ по данным наблюдений НС в режиме оперативной службы осуществляется наземным комплексом ГЛОНАСС с 1984 г.