Определение параметров движения космического аппарата бортовой навигационной системой
по измерениям псевдоскорости и псевдодальности спутниковых навигационных систем
|
|
- |
значение
псевдоскорости, измеренное между КА и k-ым НКА; |
|
- |
время
регистрации сигнала в шкале времени приемника; |
|
- |
смещения
шкалы времени приемника относительно шкалы времени навигационной системы
(идеальной шкалы); |
|
- |
время
излучения сигнала k-го НКА в шкале навигационной системы; |
|
- |
вектор
положения КА в момент регистрации сигнала; |
|
- |
вектор
скорости КА в момент регистрации сигнала; |
|
- |
вектор
положения k-го НКА в момент излучения сигнала, отнесенный к
моменту регистрации; |
|
- |
вектор
скорости k-го НКА в момент излучения сигнала, отнесенный к
моменту регистрации; |
|
- |
уход
частоты задающего генератора приемника, выраженный в размерности скорости; |
|
- |
аппаратурная
ошибка измерения псевдоскорости. |
Обозначим через СКО измерений определяемое
среднеквадратическим отклонением аппаратурной ошибки . Частные производные измеряемой функции по вектору кинематических
параметров и служебным параметрам и вычисляются по
следующим формулам:
; (2.2)
; ;
; ; ;
, где - вектор ускорения
КА, - вектор ускорения k-го НКА;
2.2 Разностное измерение псевдоскорости
Измеряемая функция этого типа измерений представляет собой разность
между измеряемыми функциями исходных измерений псевдоскорости разных аппаратов:
.
(2.3)
В этой измеряемой функции исключена зависимость измеренного значения от
ухода частоты задающего генератора . Частные производные получаются как разности частных
производных соответствующих измеряемых функций. СКО разностного измерения
псевдодальности составляет .
2.3 Приращение измерения псевдоскорости
Измеряемая функция этого типа измерений - это разность между
измеряемыми функциями исходных измерений на моменты времени соседних измерений и :
. (2.4)
Эта измеряемая функция зависит от неизвестного приращения частоты
задающего генератора на интервале времени от до . СКО в этом случае составляет , где - среднее значение изменения
частоты бортового задающего генератора на интервале между измерениями.
Производные измеряемой функции по вектору кинематических параметров на момент и сдвигу шкалы
времени приемника вычисляются по формуле:
, (2.5)
где
|
- |
расширенный
вектор состояния; |
|
- |
матрица
Якоби, содержащая производные компонент расширенного вектора состояния на
момент по компонентам
вектора состояния на момент . |
2.4 Измерение псевдодальности
Измеряемая функция псевдодальности имеет вид:
,
(2.6)
где
|
- |
сдвиг
фазы псевдошумовой последовательности относительно псевдошумовых
последовательностей, излучаемых с борта навигационных спутников на момент
регистрации сигнала; |
|
- |
сдвиг
фазы генерации псевдошумовой последовательности k-ым НКА
(передается в навигационном сообщении); |
|
- |
ионосферная
составляющая ошибки измерения псевдодальности от k-го НКА; |
|
- |
аппаратурная
ошибка измерения псевдодальности. |
Обозначим через СКО измерений определяемое
среднеквадратическим отклонением аппаратурной ошибки , а через - СКО ионосферной
составляющей ошибки измерения псевдодальности от k-го навигационного
спутника, тогда СКО измерения псевдодальности составляет .
При формировании СКО ионосферной составляющей ошибки использовался следующий эмпирический алгоритм, построенный с использованием обработки измерений, полученных двухчастотным приемником, установленным на КА “Champ” [8]. Находилась точка M, принадлежащая отрезку, соединяющему навигационный спутник и КА, и удаленная на минимальное расстояние от центра Земли.
Определялся
коэффициент в зависимости от
удаления точки M от поверхности
Земли. Пусть - расстояние от точки М до
центра Земли, тогда
,
где -экваториальный радиус Земли, а H-максимум электронной концентрации (420км).
Вычислялся коэффициент , равный косинусу угла между направлениями от центра на точку M и Солнце.
СКО
ионосферной ошибки измерения
псевдодальности находилось из соотношения:
, где ,.
Частные производные измеряемой функции по вектору кинематических
параметров и служебным параметрам и вычисляются по
следующим формулам:
; ; ; (2.7)
; ; ; ; .
2.5 Разностное измерение псевдодальности
Измеряемая функция этого типа измерений представляет собой разность
между измеряемыми функциями исходных измерений псевдоскорости разных НКА:
.
(2.8)
Измеряемая функция не зависит от сдвига фазы псевдошумовой
последовательности . Частные производные получаются как разности частных
производных псевдодальностей соответствующих навигационных спутников. СКО
ошибки разностного измерения псевдодальности составляет .
2.6 Приращения измерения псевдодальности
Измеряемая функция этого типа измерений — это разность между
измеряемыми функциями исходных измерений на моменты времени соседних измерений и :
.
(2.9)
СКО ошибки в этом случае равно , где - среднее значение
приращения сдвига фазы между измерениями. Производные измеряемой функции по
вектору кинематических параметров на момент и сдвигу шкалы
времени приемника вычисляются по
формуле:
. (2.10)
3. Модель динамической системы
Определение
параметров движения КА основано на использовании измеряемых функций, явно
зависящих от служебных параметров приемника. Поэтому наряду с уточнением
кинематических параметров движения КА необходимо уточнять служебные параметры
приемника. Случайные последовательности, описывающие поведение служебных
параметров во времени, представляются процессами авторегрессии 1-го порядка:
, , , (3.1)
где
|
- |
сдвиг шкалы времени
приемника относительно шкалы времени системы на момент -го измерения; |
|
- |
случайная величина,
описывающая изменение сдвига шкалы времени приемника между -ым и -ым измерениями; |
|
- |
сдвиг фазы псевдошумовой
последовательности относительно псевдошумовых последовательностей, излучаемых
с борта навигационных спутников на момент регистрации сигнала; |
|
- |
случайное изменение сдвига
фазы псевдошумовой последовательности между -ым и -ым измерениями; |
|
- |
уход частоты задающего
генератора на момент -го измерения; |
|
- |
случайное изменение ухода
частоты задающего генератора между -ым и -ым измерениями. |
Математические
ожидания случайных величин , , равны нулю, а СКО – , , соответственно в предположении
равномерности интервалов между измерениями. СКО приращений служебных параметров
между измерениями зависят от типа приемника и определяются в результате
обработки измерений на протяженной мерной базе.
Обозначим
– вектор состояния КА в инерциальной системе координат. Уравнения
движения КА имеют вид:
, (3.2)
где – векторная функция, – универсальная гравитационная постоянная Земли, , – вектор возмущающего ускорения.
Динамическая
система, описывающая движение КА и поведение служебных параметров во времени,
состоит из дифференциальных уравнений движения центра масс КА (3.2) и уравнений
(3.1).
Обозначим
9-мерный фазовый вектор на момент : . Рассмотрим возможности уменьшения размерности фазового вектора, в
зависимости от набора измеряемых функций: ,,,,,.
Если не
использовать измеряемую функцию , зависящую от сдвига фазы псевдошумовой последовательности, то в
модель динамической системы войдут только два первых уравнения (3.1).
Размерность фазового вектора динамической системы будет равна 8.
Аналогично,
если использовать только измеряемые функции ,,,,, то в модель динамической системы войдут первое и третье уравнения
системы (3.1), а размерность фазового вектора будет равна 8, как и в предыдущем
случае.
Если не
использовать измерений псевдоскорости и псевдодальности, а использовать их
приращения или разностные измерения, то в модель динамической системы войдет
только первое уравнение системы (3.1). Размерность фазового вектора будет равна
7.
4. Оценка фазового вектора
4.1 Функционал оценки
Оценка
фазового вектора получается в результате минимизации функционала, содержащего
взвешенные квадраты невязок измеренных и расчетных значений, взвешенные
приращения значений служебных параметров на интервале между измерениями и
квадрат взвешенного отклонения априорно заданного фазового вектора от его
расчетного значения. Пусть имеется измерений,
проведенных в моменты времени . Сформируем вектор измерений , относящийся к моменту времени. Включим в этот вектор исходные измерения псевдодальности и
псевдоскорости, одномоментные разности относительно одного выбранного НКА и
приращения псевдодальности и псевдоскорости на интервале от до для каждого НКА.
Обозначим, как вектор
соответствующих значений измеряемых функций. Минимизируемый функционал имеет
вид:
, (4.1)
где
|
- |
весовые матрицы измеренных векторов ; |
|
- |
априорно заданный вектор
состояния на момент ; |
|
- |
расчетный вектор состояния
на момент ; |
|
- |
ковариационная матрица
априорного вектора состояния на момент ; |
|
- |
априорное значение сдвига
шкалы времени на момент ; |
|
- |
априорное значение сдвига
фазы псевдошумовой последовательности на момент ; |
|
- |
априорное значение сдвига
частоты на момент ; |
|
- |
СКО априорного значения
сдвига шкалы времени; |
|
- |
СКО априорного значения
сдвига фазы псевдошумовой последовательности; |
|
- |
СКО априорного значения
ухода частоты задающего генератора приемника. |
Вычисление
весовых матриц нужно проводить с учетом
ковариационных связей между исходными и разностными измерениями:
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
4.2 Алгоритм оценки вектора состояния КА
Уравнения
(3.1) и (3.2) описывают динамическую систему, в которой шум влияет на поведение
этой системы. Алгоритм оценки фазового вектора для динамических систем такого
типа рассмотрен в [9].
Минимум
функционала (4.1) будем искать методом последовательных приближений. На шаге итерационного
процесса будем искать минимум квадратичной формы следующего вида:
, (4.2)
где
|
- |
расчетное значение вектора
изохронных измеряемых функций на момент , полученное с использованием приближения предыдущего шага:
; |
|
- |
производные вектора по фазовому вектору
на момент , вычисленные с использованием ; |
|
- |
поправки к фазовому вектору
состояния на момент на шаге , ; |
|
- |
оценка вектора состояния на
момент , полученная на шаге ; |
|
- |
оценки величин на шаге ; |
|
- |
матрица, состоящая
из двух диагональных блоков: и диагональной матрицы с
элементами и на главной диагонали. |
Поправки к
фазовому вектору динамической системы связаны между собой
соотношением:
,
(4.3)
где
, .
|
- |
решение уравнения в вариациях: |
|
- |
единичные матрицы и соответственно. |
В алгоритме
определения поправок потребуются
ковариационные матрицы векторов . Обозначим эти ковариационные матрицы как . Ненулевыми элементами каждой такой матрицы являются только
три последних элемента главной диагонали, которые соответственно равны: , и .
Минимум
квадратичной формы (4.2) находится рекуррентным алгоритмом. Опуская индекс
номера итерации , запишем рекуррентные формулы в виде:
,
,
,
…………………………….
,
, (4.4)
где
|
- |
оценка поправок к фазовому
вектору на момент с использованием первых измерений. |
Обозначение
вектора поправок имеет два индекса для того, чтобы различать вектор от вектора , который обозначает оценку поправки на момент по измерениям. Векторы , вычисляются по следующим рекуррентным формулам:
,
…………………………….
,
, , (4.5)
где , - вспомогательные векторы.
Полученные
поправки используются в
алгоритме оценки качества измерений и при переходе к следующему шагу
итерационного процесса.
После каждой
итерации выполняются следующие действия. Уточняется привязка моментов
измерений:
,
где - седьмая
компонента вектора . Уточняется значение ухода частоты задающего генератора и
сдвига фазы на момент . Уточняется вектор состояния КА на момент и тем самым опорная
траектория, которая используется при вычислении производных.
4.3 Контроль качества
измерений
Контроль качества
измерений выполняется до и после
получения поправок фазового вектора динамической системы на каждой итерации.
Измерения, отбракованные до получения поправок, в текущей итерации больше не
используются. Если после получения поправок найдены некачественные измерения,
эти измерения удаляются из выборки и заново вычисляются поправки в рамках
текущей итерации.
При контроле
качества измерений на предварительном этапе (до получения поправок) вычисляется
приведенное СКО:
, (4.6)
где
,
,
.
Измерение
используется в дальнейшей обработке только в том случае, если приведенное СКО
меньше заданного порогового значения.
Если приведенное
СКО больше заданного порога, происходит поиск аномальных компонент измеренного
вектора. Для этого абсолютная величина каждой компоненты вектора невязок
сравнивается с квадратным корнем из соответствующего диагонального элемента
ковариационной матрицы. В результате определяются некачественные компоненты
вектора измерений. Если после исключения этих компонент приведенное СКО
становится меньше порогового значения, измененный вектор измерений используется
в дальнейшей обработке.
Контроль качества
измерений после получения поправок также проводится с использованием
приведенного СКО, которое вычисляется по следующей формуле:
, (4.7)
где
Здесь вычисляется по
рекуррентным формулам (4.5). Поиск аномальных измерений происходит по такому же
алгоритму, как и на предварительном этапе.
5.
Результаты
численного моделирования
Для проведения
численных экспериментов создана система моделирования измерительной информации
для КА различных орбит (низкой околукруговой, эксцентричной и геостационарной)
с учетом диаграммы направленности антенн. Схема моделирования работы системы
показана на рис. 10.
Рис. 10. Общая схема моделирования
Исходными данными для моделирования являются:
-
заданные начальные условия и соответствующая априорная ковариационная
матрица;
-
банк данных эфемерид НКА;
-
банк данных служебных параметров;
-
банк данных параметров ионосферы;
-
параметры, определяющие шумовые и систематические составляющие ошибок.
Банк
данных эфемерид навигационных КА может содержать как накопленные реальные
данные, так и результаты моделирования работы навигационной системы.
Банк
данных служебных параметров содержит временные ряды служебных параметров (ухода
частоты задающего генератора, сдвига фазы и временной поправки), полученные в
результате исследований измерений наземного приемника такой же модели, что и
бортового приемника.
Банк
данных параметров ионосферы содержит параметры ионосферы, восстановленные по
измерениям наземной сети GPS-станций, оборудованных двухчастотным приемником.
Основными
блоками схемы моделирования являются: блок моделирования сигналов навигационных
спутников и модель системы. Система передает в блок моделирования целеуказания.
Блок моделирования сигналов навигационных спутников обеспечивает имитацию
выхода приемника с учетом целеуказаний, поступающих от модели системы.
Моделирование
начинается с задания исходных (априорных) данных о движении КА в виде
номинального вектора состояния и соответствующей ему ковариационной матрицы. По
заданному номинальному вектору состояния формируются фактические начальные
условия (НУ), которые могут отличаться от номинальных НУ. Сформированные НУ
используются при моделировании измерений, а также при расчете векторов
состояния, используемых для сравнения с оценками, получаемыми системой. В
этих расчетах для моделирования
движения КА используется эталонный расчет. Система использует свой расчет,
адаптированный к возможностям бортовой машины.
Оценки
векторов состояния, получаемые системой, сравниваются с векторами состояния на
соответствующие моменты времени, получаемыми эталонным расчетом. В результате
получаются статистические характеристики ошибок.
Функциональная
структура блока “Моделирование сигналов навигационных спутников и работы
приемника” показана на рис. 11.
Рис. 11. Функциональная структура моделирования сигналов навигационных КА
Приведем
результаты численного моделирования. Для проведения вычислительного
эксперимента подготовлены измерения на получасовом интервале для КА на
околукруговой орбите с минимальной высотой 650 км, максимальной высотой 668 км,
периодом 97 мин 46 с, и наклонением 57°. Для построения
опорной орбиты использован вектор состояния в j2000 на 1 июля 2002 г 12:00:00
(время Московское):
|
- |
6797654.70622 |
[м]; |
|
- |
1821426.08896 |
[м]; |
|
- |
0.0 |
[м]; |
|
- |
-1060.87991014 |
[м/с]; |
|
- |
3959.25772539 |
[м/с]; |
|
- |
6311.79132818 |
[м/с]; |
Ошибка знания
опорной орбиты составляла 5 минут вдоль движения КА. Минимум функционала
находится за 3 итерации. В таблице 1 приведены точности в системе RNB
определения параметров движения этого КА после каждой итерации в случае
8-мерного фазового вектора по измерениям псевдоскорости и разностным измерениям
псевдоскорости.
Таблица 1. Точность определения параметров
движения КА по измерениям псевдоскорости и разностным измерениям псевдоскорости
итерация |
Ошибка
положения в направлении R, м |
Ошибка
положения в направлении N, м |
Ошибка
положения в направлении B, м |
Ошибка
скорости в направлении R, м/с |
Ошибка
скорости в направлении N, м/с |
Ошибка
скорости в направлении B, м/с |
0 |
1008041.9 |
160742.2 |
354146.1 |
-111.25250 |
111.09921 |
-89.53201 |
1 |
-14740.8 |
-26420.0 |
-37404.2 |
293.87170 |
-26.37174 |
-57.84644 |
2 |
-1314.8 |
2547.6 |
1676.2 |
-1.50813 |
0.04723 |
-0.11772 |
В таблице 2
приведены точности определения параметров движения этого КА в случае 9-мерного
фазового вектора по измерениям псевдоскорости, псевдодальности и разностным
измерениям псевдоскорости, псевдодальности в системе RNB.
Таблица 2. Точность определения параметров движения КА по измерениям псевдоскорости, псевдодальности и разностным измерениям псевдоскорости, псевдодальности
итерация |
Ошибка
положения в направлении R, м |
Ошибка
положения в направлении N, м |
Ошибка
положения в направлении B, м |
Ошибка
скорости в направлении R, м/с |
Ошибка
скорости в направлении N, м/с |
Ошибка
скорости в направлении B, м/с |
0 |
1.8 |
3.3 |
0.6 |
0.00722 |
0.00091 |
0.00470 |
1 |
0.1 |
1.6 |
0.3 |
-0.00218 |
0.00045 |
0.00377 |
2 |
-0.1 |
1.6 |
0.4 |
-0.00572 |
0.00030 |
0.00364 |
Точность
определения служебных параметров на конечном шаге итерации 9-мерного фазового вектора
составляет [с] по времени
регистрации сигнала, 14 [м] по фазе генерации псевдошумовой последовательности
и [м/с] по уходу
частоты задающего генератора.
1.
Априорная
оценка точности определения параметров движения космического аппарата бортовой
автономной навигационной системой «Орбита» по измерениям спутниковой
навигационной системы GPS. Отчет Института прикладной математики им. М.В.
Келдыша РАН, инв. № 5-04-01,
2004.
2. Global Positioning system: Theory and Applications / Edited by Parkinson B.W., Spilker J.J. // American Institute of Aeronautics and Astronautics. Inc. Washington, 1996, V. 1,2.
3.
Interface control document. Navstar GPS Space
Segment/Navigation User Interfaces. IRN-200C-004, 2000.
4.
Глобальная
навигационная спутниковая система. ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ,
Редакция 5, Москва, 2002.
5. Akim E.L., Tuchin D.A. GPS errors statistical analysis for ground receiver measurement // The Proc. of the 17th International Symposium on Space Flight Dynamics, Moscow, Russia, 2003.
6.
Аким Э.Л.,
Тучин Д.А. Апостериорная оценка точности определения вектора состояния земного
наблюдателя по измерениям дальности и скорости системы космической навигации
GPS. Препринт № 36. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2001.
7.
Тучин Д.А.
Кодовые измерения псевдодальности системы GPS. Модель ошибок и априорная оценка
точности определения вектора положения. Препринт № 30. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша
РАН, 2002.
8.
Аким Э.Л.,
Тучин Д.А. Ионосферная составляющая измерений псевдодальности околоземных
космических аппаратов. Препринт № 4. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2004.
9.
Тучин А.Г.
Определение параметров движения КА по результатам измерений при наличии шума в
динамической системе. Препринт № 2. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2004.