/
Текст
ТРУДЫ ИНСТИТУТА
ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ РАН
Вь пуск 23 2012
ISSN 2224-7440
нт
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ
Издается с 1997 года
ТРУДЫ
ИНСТИТУТА ПРИКЛАДНОЙ
АСТРОНОМИИ РАН
Выпуск 23
/^F4\
Санкт-Петербург
«Наука»
2012
УДК 517.9+530.145; 539.121.7; 539.12; 524.1
ББК 22.30, 22.382
Т77
Труды ИПА РАН. Вып. 23. - СПб.: Наука, 2012. - 444 с.
ISBN 978-5-02-038188-9
Специальный выпуск сборника «Труды Института прикладной астрономии
РАН» содержит материалы 4-й Всероссийской конференции «Фундаментальное
и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение»
(КВНО-2011), проходившей с 10 по 14 октября 2011 г. в Санкт-Петербурге
в Институте прикладной астрономии РАН. Статьи, представленные в
сборнике, охватывают широкий круг вопросов фундаментального и
прикладного координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО), включая
концептуальные проблемы разработки единой системы КВНО России;
теоретические основы, методы, технические средства и системы КВНО;
организационно-правовые вопросы КВНО; международные программы в области
фундаментального координатно-временного обеспечения; методы обработки
и результаты анализа современных высокоточных наблюдений.
Сборник рассчитан на специалистов в области радиоинтерферометрии,
радиоастрономии, геодезии, астрометрии и наук о Земле.
Главный редактор
д-р техн. наук проф. А. В. Ипатов
Заместитель главного редактора
д-р физ.-мат. наук И. С. Гаязов
Ответственный секретарь
канд. физ.-мат. наук Н. В. Шуйгина
Редакционная коллегия:
д-р физ.-мат. наук Ю. В. Батраков, д-р физ.-мат. наук В. С. Губанов,
д-р техн. наук М. Н. Кайдановский, д-р техн. наук Н. Е. Кольцов,
д-р физ.-мат. наук Е. В. Питьева, д-р физ.-мат. наук И. А. Рахимов,
д-р физ.-мат. наук В. А. Шор
ISBN 978-5-02-038188-9 © Институт прикладной астрономии РАН, 2012
Решение
четвертой Всероссийской конференции
«Фундаментальное и прикладное
координатно-временное и навигационное обеспечение»
(КВНО-2011)
13 октября 2011 г. Санкт-Петербург
Конференция состоялась 10-13 октября 2011 г. в Санкт-Петербурге. Она
была организована Российской академией наук, Федеральным космическим
агентством, Министерством обороны Российской Федерации, Федеральным
агентством по техническому регулированию и метрологии, Федеральной
службой государственной регистрации, кадастра и картографии, Министерством
связи и массовых коммуникаций Российской Федерации, Научным советом
РАН по проблеме «Координатно-временное и навигационное обеспечение» при
поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и
Санкт-Петербургского научного центра РАН.
В работе конференции приняли участие 77 ведущих
научно-исследовательских, конструкторских и промышленных организаций, которые
специализируются в области координатно-временного и навигационного
обеспечения (КВНО). На конференции было представлено 104 доклада, выполненных
238 авторами и посвященных широкому кругу научных, технических и
организационных вопросов, связанных с фундаментальными и прикладными
задачами КВНО.
Одновременно конференция имела значение как представительный
научный форум по обсуждению результатов прикладных и фундаментальных
научных исследований, выполненных к 2011 г. в рамках федеральной целевой
программы (ФЦП) «Глобальная навигационная система».
В пленарных докладах были также представлены обоснования
перспективных требований к комплексу средств фундаментального обоснования
глобальной навигационной системы (ГНС) ГЛОНАСС и результаты исследований,
выполнявшихся в интересах развития ГНС ГЛОНАСС на период 2012-2020 гг.
По поручению вице-президента РАН Н. П. Лаверова конференцию открыл
академик С. Н. Багаев. В приветственном слове он подчеркнул важность
создания Единой системы КВНО, особо отметив роль и важность развития
комплекса средств фундаментального обеспечения в достижении безусловной
конкурентоспособности ГЛОНАСС как по отношению к GPS, так и по отношению
к перспективным ГНС других стран.
Центральное пленарное заседание было посвящено обсуждению
текущего и будущего состояния системы ГЛОНАСС как непрерывно развивающейся
основы координатно-временного и навигационного обеспечения России.
3
В головном докладе руководителей ведущих институтов Роскосмоса,
Минобороны России, Росстандарта и РАН, представленном генеральным
конструктором ГЛОНАСС Ю. М. Урличичем, были определены основные
направления развития существующих средств КВНО и, прежде всего, их ключевого
элемента - ГЛОНАСС.
В рамках конференции прошло заседание круглого стола «ФЦП по
поддержанию, развитию и использованию ГЛОНАСС «Задание на 2012-2020 гг.»
с участием ведущих российских специалистов и представителей ведомств
по проблеме фундаментального и прикладного КВНО от Роскосмоса, РАН,
Минобороны России, Росстандарта, Роспрома, Минкомсвязи России.
За круглым столом обсуждалось состояние работ, выполняемых в
рамках действующей ФЦП «Глобальная навигационная система», а также
проблемы и пути совершенствования в интересах пользователей государственной
геоцентрической системы координат (ГГСК). Рабочей группе (ответственный
А. Ю. Данилюк) поручается подготовить предложения по путям достижения
необходимой точности ГГСК.
I. Конференция отмечает, что за истекший период достигнуто следующее:
1) обеспечено конкурентоспособное использование ГЛОНАСС в
интересах обороны и безопасности Российской Федерации, фундаментальных
научных исследований, а также внедрение отечественных навигационных
технологий в различных отраслях экономики и программах международного
сотрудничества;
2) обеспечена навигационная независимость Российской Федерации;
3) ГЛОНАСС достигла следующего уровня развития:
- развёрнута полная орбитальная группировка, состоящая из
навигационных космических аппаратов (КА) нового поколения с 7-летним сроком
активного существования, обеспечена непрерывная навигация, сопоставимая по
основным характеристиками с GPS. Ведутся летные испытания КА «Глонасс-К»
с 10-летним сроком активного существования;
- проведена модернизация наземного комплекса управления (НКУ),
осуществлен переход на новую беззапросную технологию определения
эфемерид и бортовой шкалы времени. НКУ расширен до 10 региональных станций;
- модернизирован радиоинтерферометрический комплекс «Квазар-КВО»,
обеспечивающий определение параметров ориентации Земли исключительно
отечественными средствами, в режиме е-РСДБ за интервал менее 6 ч
выполняется оперативное определение поправок всемирного времени;
- находится на стадии внедрения технология е-РСДБ в НКУ для
оперативного получения поправок всемирного времени;
- завершается работа по совершенствованию государственной
геоцентрической системы координат в редакции 2011 г.;
- развернута система высокоточного определения эфемерид и временных
поправок, обеспечивающая в апостериорном режиме сантиметровый уровень
4
точности решения задач навигации статических, кинематических и
динамических потребителей;
- находится на стадии испытания система дифференциальной коррекции
и мониторинга, включающая существенно расширенную сеть наземных
станций (в том числе станции в Антарктиде) и орбитальный сегмент
распространения широкозонных данных;
- создан опытный образец метрологического цезиевого репера частоты
фонтанного типа с погрешностью воспроизведения частоты не более 5* Ю-16;
- разработаны средства метрологического обеспечения ГНС ГЛОНАСС,
отвечающие нормативным требованиям обеспечения единства измерений
и улучшающие точностные характеристики ГЛОНАСС при частотном
разделении сигналов.
Вместе с тем специалистами обращено внимание на необходимость
создания глобальной сети станций НКУ, развитие функциональных дополнений
ГНС ГЛОНАСС, а также совершенствование структуры управления развитием
ГЛОНАСС и КВНО Российской Федерации в целом.
II. Конференция считает:
1) КВНО на базе российской ГНС ГЛОНАСС является составной частью
особо важной государственной инфраструктуры, обеспечивающей
национальную безопасность и научно-техническое и социально-экономическое развитие
страны. К первоочередным задачам при этом следует отнести:
- поддержание, дальнейшее развитие и использование ГЛОНАСС, а
также других инструментальных средств и информационных ресурсов КВНО
с целью обеспечить независимость и конкурентоспособность России в области
координатно-временной и навигационной деятельности;
- внедрение новейших технологий спутниковой навигации и КВНО во
все сферы социально-экономической и научной деятельности;
2) с целью эффективного решения задач развития ГЛОНАСС, отработки
комплекса средств фундаментального обеспечения и достижения
перспективных требований эфемеридно-временного обеспечения ГНС ГЛОНАСС
необходимо обеспечить следующее:
- доступ на безвозмездной основе к измерительной информации станций
сетей КОС, РСДБ, БИС, созданных в рамках ФЦП «ГЛОНАСС», организаций
Роскосмоса, РАН, Минобороны России, Госстандарта и других
заинтересованных ведомств;
- за счет решения фундаментальных задач геодезии, геодинамики,
геофизики и совместного использования данных различных средств наблюдений,
включая РСДБ, точность по эфемеридам 30 см в оперативном режиме и 6 см -
в апостериорном;
5
- высокоточное определение 3-4 раза в сутки поправок всемирного
времени, модернизировав РСДБ-комплекс «Квазар-КВО» и НКУ ГЛОНАСС
путем развертывания двухэлементных радиоинтерферометров и оснащения
центров корреляционной обработки программными корреляторами;
- создание оптических наземных и бортовых стандартов частоты с
погрешностью порядка 5-10~16-5-10~17. Разработку указанных стандартов
целесообразно провести в два этапа: 1) в 2012-2015 гг. создать наземные оптические
стандарты частоты для последующего оснащения центрального
синхронизатора системы, 2) в 2016-2020 гг. создать бортовые оптические стандарты
частоты;
- совершенствование средств воспроизведения и хранения единиц
времени и частоты, а также создание средств сличения национальной шкалы
UTC(SU), точность сличений 0.3 не;
- создание лазерных дальномеров с субмиллиметровой погрешностью
и радиометров водяного пара с точностью определения тропосферной
задержки радиосигнала 3 мм;
- модернизацию ГГСК с достижением геоцентричности на уровне 1 см;
3) поддержание отечественной системы формирования эфемерид Солнца,
Луны и планет, создаваемой в интересах ГНС ГЛОНАСС, исследований Луны
и задач дальнего космоса, требует создания планетного радиолокатора на базе
РТ-70 в Уссурийске и лазерного лунного дальномера с погрешностью 3 мм,
обеспечивающих получение в России необходимых измерительных данных.
Необходимо введение в вузах страны подготовку специалистов по
направлению «Космическая навигация».
Председатель программного комитета
академик
/ /
Н. П. Лаверов
Заместители председателя программного комитета:
доктор технических наук
кандидат технических наук
доктор технических наук
. Крутиков
. Шилов
М. Урличич
Директор ИЛА РАН
доктор технических наук
1/1
А. В. Ипатов
6
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Система ГЛОНАСС - непрерывно развивающаяся основа
координатно-временного и навигационного обеспечения
России
Ю. М. Урличич1, Г. Г. Ступак1, С. Г. Ревнивых2, А. Ю. Данилюк3,
Н. А. ТестоедовМА. М. Финкельштейн!5
ЮАО «Российские космические системы», г. Москва, Россия
2Информационно-аналитический центр ФГУП ЦНИИмаш, г. Москва, Россия
34 ЦНИИ Минобороны России, г. Юбилейный, Московская обл., Россия
ЮАО «Информационные спутниковые системы»
им. акад. М. Ф. Решетнева», г. Железногорск, Россия
5Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
В статье описаны принципы формирования системы координатно-
временного и навигационного обеспечения (КВНО). Показано, что
спутниковая навигационная система ГЛОНАСС является основой КВНО
России. Рассмотрен состав системы ГЛОНАСС и перспективы ее
развития вплоть до 2020 г. Подчеркнуто, что особое значение на современном
этапе имеет развитие фундаментального сегмента КВНО.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, КВНО, развитие, спутниковая
навигационная система, космический аппарат, федеральная целевая программа.
В соответствии с Основами военно-технической политики Российской
Федерации в период до 2015 г. и дальнейшем, утвержденными Президентом
Российской Федерации 11 марта 2003 г., система координатно-временного
и навигационного обеспечения (КВНО) отнесена к особо важной
государственной инфраструктуре, обеспечивающей национальную безопасность и
экономическое развитие, а ее создание и совершенствование причислено к высшим
приоритетам указанной политики.
Основной и центральной частью системы КВНО России, формирующей
глобальное искусственное навигационное поле посредством излучения
ансамбля специальных радионавигационных сигналов и обеспечивающей
доступ потребителей к этим сигналам для извлечения ими требуемой координат-
© Ю. М. Урличич, Г. Г. Ступак, С. Г. Ревнивых, А. Ю. Данилюк, Н. А. Тестоедов,
А. М. Финкельштейн, 2012
7
Система КВНО
1 1
Сегмент
формирования 1
искусственных
навигационных полей
| Сегмент [
решения |
фундаментальных 1
задач I
i Контрольно-
i регламентирующий
| сегмент
1
Потребительский
сегмент
Сегмент
информационного
взаимодействия
Рис. 1. Состав системы КВНО
но-временной и навигационной информации (рис. 1), является глобальная
навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.
Широкое применение технологий спутниковой навигации в мире и в
оборонных, и в гражданских областях определило роль спутниковых
навигационных систем как основу КВНО и как стратегическое средство обеспечения
национальной безопасности и экономической независимости государства.
Система ГЛОНАСС состоит из пяти основных элементов (рис. 2):
космического комплекса; средств фундаментального обеспечения; комплекса
функциональных дополнений; системы апостериорного высокоточного
определения эфемерид и временных поправок; комплекса аппаратуры потребителей
навигационной и временной информации.
12 октября 2012 г. исполнится 30 лет со дня запуска первого
космического аппарата (КА) системы ГЛОНАСС. За эти годы система прошла различные
стадии в своем развитии. Динамика состава орбитальной группировки
системы ГЛОНАСС представлена на рис. 3. С 2003 г. начаты запуски КА системы
второго поколения «Глонасс-М», которые сегодня и составляют основу
орбитальной группировки системы. В 2008 г. начат массовый выпуск
навигационной аппаратуры потребителей (НАП). 26 февраля 2011 г. в рамках проводи-
Глобальная навигационная
система ГЛОНАСС
Космический
комплекс ГЛОНАСС
J
I
1
Орбитальная
группировка
навигационных
космических аппаратов
|Ракетно- космичес кие
комплексы
Наземный комплекс
управления
Средства
фундаментально!" о
обеспечения
системы ГЛОНАСС
I
1
Комплекс средств
определения и
прогнозирования
I параметров вращения
Земли
Комплекс средств
формирования
UTC(SU)
Комплекс средств
уточнения
фундаментальных
астрономических и
геодезических
параметров
Комплекс
функциональны х
дополнений
системы ГЛОНАСС
I
1
Широказонназ система
дифференциальной
коррекции и
мониторинга (СДКМ)
Комплекс средств
обеспечения
взаимодополняемости
СДКМ с наземными
радиотехническими
средствами
Региональные и
локальные
дифференциальные
системы
Система
апостериорного
высокоточного
определения
эфемерид
и временных
поправок
Комплекс
аппаратуры
потребителей
навигационной
и временной
информации
гражданского
назначения
Рис. 2. Состав системы ГЛОНАСС
8
m
шзшшвшшшшт
1
; Р^ттшй 1
| руководств I
страны о 1
( рз'зоорты&жии 1
[ системы ГЛ0НАСС1
/ч
щ ; .' , ,.. '. , , „ ,,,',. „ , • ,; ,. ...л, „ , _ „ |.
Х-1-..-~~"-~~ :*-: ' ™
„>_......х..ц as
,,r,.. l..„I...Jae
¥
т В 2003 г оду
«Глонасс-М^
:© В 2011 году
«Гломасг-И ■•
запущен пе рвы и
запущен первый
НА
КА
Рис. 3. Состав орбитальной группировки системы ГЛОНАСС
мых летно-конструкторских испытаний успешно осуществлен запуск первого
космического аппарата третьего поколения с улучшенными характеристиками
«Глонасс-К».
Главными побудителями развития системы ГЛОНАСС являются
постоянно возрастающие требования широкого круга специальных и гражданских
потребителей к качеству навигационно-временного обеспечения, а также
необходимость сохранения за Россией лидирующих позиций в области спутниковой
навигации. Кроме того, развитие ГЛОНАСС порождает новые возможности,
трансформирующиеся в новые технологии и услуги, которые в свою очередь
создают у пользователей новые потребности (рис. 4). Такие связи
обусловливают непрерывность и цикличность развития ГЛОНАСС.
Рис. 4. Непрерывное и циклическое развитие системы ГЛОНАСС
Одним из наиболее важных направлений развития системы ГЛОНАСС
является расширение излучаемых ею навигационных сигналов, которое
будет происходить путем добавления сигналов с кодовым разделением в
частотных диапазонах LI, L2, L3. Излучение прежних сигналов с частотным
разделением продолжится наряду с излучением новых сигналов. Первым шагом
в этом направлении является навигационный радиосигнал с кодовым
разделением, который излучается космическим аппаратом «Глонасс-К» в диапазоне ЬЪ.
9
19S2
2003
2011
2013
«Глонасс»
v<
/
ГСАС 3 года
Нестабильность
БСУ-5*1013
Сигналы:
L1SF. L2SR L10F
Всего запущен 81
КА
Реальный САС
4.5 года
аГлонасс4И»
IP
ГСАС 7 лет
Нестабильность
БСУ-1*10"
Сигналы:
КА «Глонасс* +
L20F
Всего запущено
29 КА. еще
планируется
запустить 4 КА
«Глонасс-М»
в 2011 году
«Глонасс -К1»
«Глонасс-К2»
%
% Ф
« ГСАС 10 лет:
• Негерметичный
• Нестабильность
БСУ- 5*10-*4
• Сигналы:
КА «Глонасс-М» +
L30C- тест
• Поиски спасание
• Запущен 1 КА,
26.02.2011 г.
ГСАС 10 лет:
Негерметичный
Нестабильность
БСУ- 1*10-14
Сигналы:
КА «Глонасс-М* +
L10C. L30C. L1SC.
L2SC
Поиск и спасание
Рис. 5. Космические аппараты системы ГЛОНАСС
Этапность обновления орбитальной группировки системы ГЛОНАСС
космическими аппаратами новых поколений и их основные характеристики
представлены на рис. 5.
Основные направления развития системы ГЛОНАСС реализуются с
учетом мировых тенденций создания и развития спутниковых навигационных
систем. К таким тенденциям в настоящее время прежде всего следует отнести
стремление синергетического объединения всех элементов глобальных и
региональных спутниковых систем, их функциональных дополнений, а также
ассистирующих систем с целью гарантированного предоставления
высококачественных навигационных услуг.
Одним из основных элементов ГЛОНАСС, определяющим точность и
надежность навигации, является российская широкозонная система
дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) радионавигационных полей. СДКМ
является функциональным дополнением к спутниковым навигационным
системам ГЛОНАСС и GPS. Зоны обслуживания СДКМ и широкозонных
дифференциальных подсистем Евросоюза EGNOS, а также WAAS (США), MSAS
(Япония), GAGAN (Индия) приведены на рис. 6.
Работы по созданию СДКМ ведутся в Российской Федерации с начала
2000-х гг. К настоящему времени завершены разработки основных элементов
системы: комплекса сбора измерений, включающего в себя станции сбора
измерений на территории Российской Федерации и за рубежом, центра СДКМ
и комплекса доставки информации потребителям.
С 2011 г. начаты работы по развертыванию космического сегмента СДКМ
на базе космических аппаратов на геостационарной орбите из состава системы
«Луч» (рис. 7).
10
•#v
/1
f
Обеспечивают потребителей
- информацией о целостности
навига^юнногополя
- уточнен ном эфемеридно-временнои
информацией
- Корректирующей информацией к
измерениям
- информацией о качестве
функционирования спутниковых
навигацюнных систем ГЛОНАССи GPS
(в перспективен Galileo)
Российская система ^дифференциальной коррекции
мониторинга раджжавюационных полей - новый уровень
навигационного обеспечении! потребителей
Локальные (ведомственные)-150 км
Региональные -1000 км
Широкозонная (СДКМ) - до 5000 км
Рис. 6. Системы функциональных дополнений глобальных навигационных
спутниковых систем
1С з.д.
KA-.JlvM-SA
2012 год
l\v
95 в. д.
КА«Луч~5Б
[декабрь 2011 гоД
1«? В.Д.
КА «Луч-4»
или КА «Яуч-5В»
2013 год
Рис. 7. Зоны покрытия КА космического сегмента СДКМ на базе системы «Луч»
Сеть станций сбора измерений СДКМ в настоящее время включает
в себя 19 станций на территории России и 5 за рубежом (по одной станции
в Республике Казахстан и Украине, 3 станции в Антарктиде). Планируется
дальнейшее расширение сети станций СДКМ как на территории России
(Тюменская область - Ноябрьск, Республика Саха - Якутск), так и за рубежом
(Бразилия, Никарагуа, Индонезия, Австралия и др.).
Современный этап развития системы ГЛОНАСС связан с завершением
в 2011 г. федеральной целевой программы (ФЦП) «Глобальная навигационная
система». В процессе реализации ФЦП достигнут уровень основных
характеристик ГЛОНАСС, сопоставимый с уровнем характеристик зарубежных
аналогов.
11
в направлении улучшения такгико-тсхмических
хораюсриоик с целью обеспечения ее
конкурен госпособнооги и сохранении
лидирующих позиций Российской Федерации в
обпйслт спуншхооой на&ж одни
Использование системы
ГЛОНАСС
Рис. 8. Основные задачи ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы
ГЛОНАСС» на 2012-2020 гг.
Доступность, точность и надежность спутниковой навигации в любой
точке Земли и околоземного пространства существенно увеличили число
потребителей ГЛОНАСС. Открыты новые возможности для решения задач в
области обороны и безопасности, экономики, создания глобальных систем
мониторинга, диспетчеризации и управления практически неограниченным числом
объектов, получения высоких точностей геодезического обеспечения,
контроля смещений сооружений и природных объектов, а также многих других задач.
В рамках разрабатываемой ФЦП «Поддержание, развитие и
использование системы ГЛОНАСС» на 2012-2020 гг. предполагается обеспечить
навигационную независимость и национальную безопасность России, ее
социально-экономическое развитие, укрепление обороноспособности и эффективного
международного сотрудничества посредством широкомасштабного внедрения
ГЛОНАСС-технологий (рис. 8).
В указанный период развития системы ГЛОНАСС расширенного состава
планируются разработка и внедрение новых технологий навигации в условиях
существенных динамических воздействий, значительной помеховой
обстановки, затенений и плохой видимости навигационных КА.
Основные направления развития ГЛОНАСС до 2020 г. включают в себя
обеспечение следующего:
- надежной устойчивой навигации в условиях внешних воздействий;
- навигации в сложных условиях (городской застройки, сильно
пересеченной местности, в закрытых помещениях, под водой, под землей);
- глобального поддержания 100-процентной доступности ГЛОНАСС;
- абсолютной точности в реальном времени (0.3 м);
- расширения функциональных возможностей системы.
Мировое сообщество проявляет устойчивый интерес к развитию
сотрудничества в области использования глобальных навигационных
спутниковых систем (ГНСС) и их функциональных дополнений, интеграции ресурсов
12
Развитие системы
ГЛОНАСС
-/
-/I
На тсррнюрип Российской. ^Ч'ЦСрлции w ^
рубо^о*;
Интеграция ГНСС (совместимость, взаимодополняемость, ...) является одной из
основных цепей международного сотрудничества по спутниковой навигации
Рис. 9. Гармонизация и интеграция глобальных навигационных спутниковых систем
различных систем в целях высокоэффективного навигационного обеспечения
широкого круга потребителей (рис. 9).
Основные направления международного сотрудничества с владельцами
существующих ГНСС связаны с обеспечением совместимости и
взаимодополняемости этих систем.
Для системы ГЛОНАСС наряду с необходимостью развития
теоретических основ КВНО актуальным является совершенствование
инструментальных средств, методов и технологий для решения фундаментальных задач коор-
динатно-временного обеспечения, в том числе построение земной и небесной
систем координат, определение параметров вращения Земли, построение
национальных эфемерид тел Солнечной системы, уточнение гравитационного поля
Земли.
GLONASS - Continuously Developing Basis for Russian PNT
Yu. M. Urlichich, G. G. Stupak, S. G. Revniviyh, A. Yu. Daniliuk,
N. A. Testoedov, 1 A. M. Finkelstein |
The main principles of creating the system of positioning, navigation and timing
(PNT) are described. It is noted that the satellite navigation system GLONASS is the
basis of Russian PNT system. The structure of GLONASS system and prospects of its
developing up to 2020 are investigated. It is specially stressed that progress in PNT
fundamental segment is greatly important for significant efficiency improvements in
state-of-the-art technologies.
13
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Тенденции развития комплекса функциональных
дополнений глобальных навигационных
спутниковых систем
В. В. Дворкин, С. Н. Карутин
ОАО «Российские космические системы», г. Москва, Россия
В статье представлены результаты работ по созданию системы
дифференциальной коррекции и мониторинга глобальных навигационных
спутниковых систем. Представлены результаты экспериментального
исследования точности навигационных определений в различных
режимах работы навигационной аппаратуры потребителя с информацией
системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ). На основе
анализа результатов экспериментов сделаны выводы о тенденциях
развития функциональных дополнений.
Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система,
система дифференциальной коррекции и мониторинга, потребитель,
навигационный космический аппарат, радиосигнал, информация.
Введение
Одной из важнейших задач текущего этапа развития глобальных
навигационных спутниковых систем (ГНСС) является повышение точности
навигационных определений до 0.1-0.6 м (СКО). Многочисленные исследования
направлений развития методов и технических средств ГНСС в целях повышения
точности [1-5] показывают, что решение данной задачи требует следующего:
- развития системы навигационных радиосигналов;
- повышения точности оценки и прогнозирования эфемеридно-времен-
ной информации, а также оперативности ее доставки потребителям;
- совершенствования методов решения навигационной задачи в
навигационной аппаратуре потребителя.
Решение указанных задач обеспечивается сбалансированным развитием
космических комплексов ГНСС и их функциональных дополнений. При этом
программа развития космических комлексов ГНСС наталкивается на
ограничения, связанные с техническими характеристиками платформ навигационных
космических аппаратов (НКА) и длительными сроками их создания. В этих ус-
© В. В. Дворкин, С. Н. Карутин, 2012
14
ловиях функциональные дополнения, среди которых особое место занимают
широкозонные системы [6], обеспечивающие потребителей корректирующей
информацией, являются наиболее эффективным средством повышения
точности навигационного обеспечения. В России на завершающей стадии
находятся работы по созданию системы дифференциальной коррекции и мониторинга
ГНСС - широкозонного функционального дополнения ГЛОНАСС и GPS,
которое обеспечивает повышение точности навигационных определений
плановых координат для стационарных и подвижных потребителей (с вероятностью
0.95) до уровня менее 1 м в реальном времени и 0.05 м при апостериорной
обработке.
Результаты работ по созданию СДКМ
Достижение указанных целей возможно лишь путем объединения
множества различных подсистем, решающих разноплановые задачи - от сбора
измерений для определения параметров движения НКА и параметров их бортовых
шкал времени до формирования и доставки потока корректирующей
информации потребителям по различным каналам, объединенным в составе сложной
системы, которой является СДКМ (рис. 1).
Основными элементами СДКМ являются:
- комплекс сбора измерений, включающий в себя сеть станций сбора
измерений (ССИ) на территории Российской Федерации и за рубежом, а также
систему сбора и передачи данных;
Рис. 1. Архитектура СДКМ:
1 - НКА «Глонасс»; 2 - НКА GPS; 3 - станции сбора измерений; 4 - центр СДКМ;
5 - средства доставки информации по наземным каналам; 6 - земная станция
закладки; 7 - космический аппарат на геостационарной орбите; 8 - навигационные
радиосигналы; 9 - радиосигнал СДКМ; 10 - потребитель
15
- центр СДКМ;
- комплекс доставки информации СДКМ до потребителя по наземным
и космическим каналам.
Сеть ССИ СДКМ проектировалась в целях обеспечения следующего:
- непрерывного глобального одновременного трехкратного измерения
навигационных параметров радиосигналов НКА ГЛОНАСС/GPS для оценки
эфемерид и частотно-временных параметров;
- непрерывного регионального одновременного пятикратного измерения
навигационных параметров радиосигналов НКА ГЛОНАСС/GPS для оценки
значения вертикальной ионосферной задержки навигационных радиосигналов
НКА.
В 2011 г. завершены работы по развертыванию сети ССИ на
территории Российской Федерации, которая является приоритетной зоной
обслуживания СДКМ. Кроме того, три ССИ СДКМ развернуты в южном полушарии
на российских антарктических станциях (Беллинсгаузен, Новолазаревская
и Прогресс), которые позволяют осуществлять отечественными средствами
мониторинг радиосигналов НКА ГЛОНАСС в течение 94 % времени
движения НКА по орбите, против 54 % времени движения при использовании ССИ
СДКМ лишь на территории Российской Федерации.
Первичные измерения навигационных параметров по открытым
навигационным радиосигналам НКА ГЛОНАСС/GPS в диапазонах LI, L2 и L3/L5
поступают в центр СДКМ с целью формирования корректирующей информации,
которая затем доставляется потребителям космическими средствами на базе
космических аппаратов (КА) многоцелевой космической системы
ретрансляции «Луч» в соответствии с требованиями работы [7] и наземными
средствами по технологии Signal-in-Space through Internet (англ. SiSnet) [8]. 11 декабря
2011 г. на геостационарную орбиту запущен КА «Луч-5А», который должен
обеспечить передачу информации СДКМ из точки 95° в. д. на геостационарной
орбите.
Экспериментальное исследование точности навигационных определений
с использованием информации СДКМ
Для Российской Федерации актуальна разработка широкозонного
функционального дополнения, которое осуществляет в первую очередь передачу
корректирующей информации и данных о целостности для НКА ГЛОНАСС.
На рис. 2 приведены результаты оценки погрешности навигационных
определений с вероятностью 0.95 по сигналам НКА ГЛОНАСС.
Чтобы исследовать качество услуг СДКМ в различных режимах
(ГЛОНАСС и ГЛОНАСС/СДКМ), 16-19 февраля 2011 г. была проведена серия
экспериментов, каждый из которых состоял из двух частей. В ходе первой
части эксперимента для статического потребителя, расположенного на
территории ОАО «Российские космические системы» был осуществлен набор
массивов первичных измерений навигационных параметров (псевдодальностей) для
16
Долгота, град
Рис. 2. Значение погрешности определения плановых координат (с вероятностью
0.95) при использовании корректирующей информации СДКМ, февраль 2011 г.
радиосигналов в диапазоне Ы для видимых НКА ГЛОНАСС, а также массивов
корректирующей информации. Вторая часть эксперимента заключалась в
апостериорной обработке первичных измерений по НКА ГЛОНАСС без
использования корректирующей информации СДКМ и с ее привлечением.
В таблице приведены результаты оценки среднеквадратической
погрешности решения навигационной задачи с помощью НКА «Глонасс» в двух
режимах: ГЛОНАСС и ГЛОНАСС/СДКМ. В ходе вторичной апостериорной
обработки для оценки эффективности применения корректирующей информации
СДКМ использовались такие моменты времени, когда значение
геометрического фактора меньше трех.
Сравнительный анализ результатов использования корректирующей
информации СДКМ показывает, что погрешность навигационных определений
снижается в 4-6 раз.
Необходимо отметить, в сентябре 2010 г. были проведены исследования
возможности использования эфемеридно-временной информации СДКМ для
Среднеквадратические погрешности определения координат потребителя при
использовании НКА «Глонасс» и корректирующей информации СДКМ
Режим
ГЛОНАСС
ГЛОНАСС/СДКМ
Погрешность
определения
плановых
координат, м
2.9 м
0.5 м
Погрешность
определения
высоты, м
3.4 м
0.79 м
Погрешность
определения
трехмерных
координат, м
4.3 м
0.93 м
17
решения задач высокоточного определения местоположения потребителей,
которые подтвердили возможность уменьшения погрешности навигационных
определений до уровня менее 0.1 м [4] при обработке массивов первичных
измерений навигационных параметров в интервалах времени более 30 мин.
Как уже было указано выше, второй важной функцией СДКМ является
мониторинг целостности навигационного обеспечения и доставка потребителям
сигналов тревоги. Поэтому при оценке характеристик услуг СДКМ проведено
сравнение расчетных значений уровней защиты и априорно заданных уровней
тревоги для плановых координат и высоты, которые показывают, что
предельная погрешность определения плановых координат и высоты при
использовании информации СДКМ обеспечивает целостные навигационные определения
с вероятностью 0.994 и 0.996 соответственно.
Заключение
Повышение точности навигационного обеспечения потребителей в
Российской Федерации является одной из важнейших задач современного этапа
развития функциональных дополнений систем ГЛОНАСС и GPS. Использование
корректирующей информации СДКМ позволяет уменьшить погрешность
навигационных определений в 4-6 раз до уровня менее 0.93 м в реальном
времени, уменьшить погрешность навигационных определений до уровня менее
0.1 м при обработке массивов первичных измерений навигационных
параметров в интервалах времени более 30 мин, а также обеспечить целостность
навигационных определений при определении плановых координат и высоты
с вероятностью 0.994 и 0.996 соответственно. Полученные результаты
позволяют рассматривать СДКМ как основу для развития высокоточного комплекса
функционального дополнения системы ГЛОНАСС в ближайшей перспективе.
Литература
1. Лаверов Н. П., Шилов А. Е., Крутиков В. Н. и др. Взгляд на коорди-
натно-временное и навигационное обеспечение России 2012-2020 гг. // Труды
ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 11-19.
2. Урличич Ю. М, Финкельштейн А. М. и др. Архитектура
перспективной системы координатно-временного и навигационного обеспечения России
// Труцы ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 20-32.
3. Рой Ю. А., Шаргородский В. Д. и др. Лазерные
информационно-измерительные средства для системы ГЛОНАСС // Аэрокосмический курьер. - 2010.
-№2.-С. 32-35.
4. Косенко В. Е., Звонарь В. Д., Шилов А. Е. Развитие космического
комплекса системы ГЛОНАСС как основы КВНО Российской Федерации // Труды
ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 33-^0.
18
5. Дворкин В. В., Карутин С. Н. Возможность построения системы
высокоточного определения местоположения потребителей глобальных
навигационных спутниковых систем // Измерительная техника. - 2011. - № 5. - С. 30-34.
6. Walter T.t Enge Rt Blanch J. Future Augmented // GPS World. - 2010. -
Vol. 21.-P. 36-41.
7. Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning/Wide
Area Augmentation System Airborne Equipment // RTCA. - Washington, D.C,
2006. - P. 289.
8. Ankit Raj Mathur, Felix Toran-Marti, Dr. Javier Ventura-Traveset. SiSnet
user interface // 2006. - Rev. 3.1. - P. 69.
19
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Состояние разработки системы
высокоточного определения эфемерид
и временных поправок ГЛОНАСС
В. Ф. Брагинец1, А. Н. Жуков1, Е. В. Титов1,
А. А. Федотов2, В. Д. Шаргородский2
Ч ЦНИИ Минобороны России, г. Юбилейный, Московская обл., Россия
2ОАО «НПК «СПП», г. Москва, Россия
Представлены современное состояние разработки системы
высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП)
ГЛОНАСС и достигнутые результаты в области обеспечения
точности решения задач потребителями в оперативном и апостериорном
режимах. Приведены принципы функционирования основных элементов
СВОЭВП.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, точность, система, определение
эфемерид и временных поправок, оперативный режим, неоперативный режим,
навигационные задачи, потребитель, наземный комплекс управления.
Введение
Направлениями улучшения качества навигационных услуг,
предоставляемых глобальной навигационной системой (ГНС) ГЛОНАСС, помимо
качественного и количественного улучшения составов орбитального и наземного
сегментов ГЛОНАСС являются:
- повышение точности математических моделей движения
навигационных космических аппаратов (НЬСА) и интерпретации измерений, используемых
при расчете эфемеридно-временной информации;
- повышение точности геодезического обеспечения средств наземного
комплекса управления (НКУ);
- повышение точности навигационных определений потребителей
ГЛОНАСС за счет передачи в составе навигационного сообщения и
использования при решении навигационной задачи сведений о точности
эфемеридно-временной информации каждого навигационного кадра (фактора точности
специальной информации);
© В. Ф. Брагинец, А. Н. Жуков, Е. В. Титов, А. А. Федотов, В. Д. Шаргородский, 2012
20
- повышение оперативности и надежности вхождения в связь, а также
точности решения специальных навигационных задач спецпотребителями
ГЛОНАСС за счет использования ассистирующих данных, передаваемых по
наземным каналам связи;
- повышение точности навигационных определений спецпотребителей
ГЛОНАСС за счет учета при решении навигационной задачи в
навигационной аппаратуре с частотным разделением сигналов калибровочных поправок,
уменьшающих влияние погрешностей за счет частотного разделения
навигационных сигналов ГЛОНАСС (так называемой литерной зависимости) и
собственных инструментальных погрешностей приемника потребителя.
Для решения указанных выше задач, а также обеспечения прецизионной
навигации в апостериорном режиме в рамках мероприятий федеральной
целевой программы «Глобальная навигационная система» [1] в 2011 г.
завершено создание еще одного элемента навигационной системы ГЛОНАСС -
системы высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП)
ГЛОНАСС. В конце 2011 г. успешно завершены государственные
испытания, и в настоящее время идет подготовка к вводу системы в эксплуатацию
в Главном испытательном космическом центре (ГИКЦ) войск
воздушно-космической обороны - ВКО (г. Краснознаменск, Московская обл.).
Решаемые задачи, основные характеристики и состав СВОЭВП
СВОЭВП ГЛОНАСС предназначена для обеспечения прецизионных
точностных характеристик при решении потребителями навигационно-времен-
ных задач:
- в оперативном режиме - за счет использования рассчитанных СВОЭВП
данных в центре управления системой (ЦУС) ГЛОНАСС при формировании
бортовых навигационных сообщений ГЛОНАСС, а также непосредственно в
навигационной аппаратуре потребителей при решении задач местоопределения;
- в неоперативном режиме - за счет предоставления специальным и
коммерческим потребителям прецизионных апостериорных эфемеридно-вре-
менных поправок к информации, передаваемой космического аппарата (КА)
ГЛОНАСС, а также дополнительных апостериорных данных, повышающих
точность решения навигационных и фундаментальных задач.
Высокая точность расчета данных для решения задач в неоперативном
режиме достигается за счет обработки измерительной информации от глобальной
и отечественной сетей беззапросных и квантово-оптических измерительных
средств, измерительных средств НКУ ГЛОНАСС, средств
радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), использования апостериорных
данных о параметрах вращения Земли (ПВЗ), геогелиофизических, геодезических
и технологических данных, а также применения специальных моделей и
методов обработки информации. В состав апостериорных выходных данных входят:
- прецизионные эфемериды навигационных КА ГЛОНАСС и GPS;
- прецизионные поправки к бортовым шкалам времени ГЛОНАСС и GPS;
21
- уточненные ПВЗ;
- параметры моделей тропо- и ионосферы;
- координаты измерительных средств;
- параметры связи геоцентрических систем координат;
- параметры движения объектов, оснащенных аппаратурой спутниковой
навигации (по исходным данным потребителей);
- информационные бюллетени о точностных и функциональных
характеристиках систем ГЛОНАСС и GPS.
Высокая точность расчета данных для использования в оперативном
режиме достигается за счет накопления и обработки на длительных интервалах
измерительной информации, оперативной и апостериорной навигационной
информации ГЛОНАСС, уточненных геодезических данных, а также
информации, поступающей от аппаратуры спецпотребителей, и формирования с
заданной оперативностью в виде согласованных форматов вспомогательных
данных для использования в оперативном эфемеридно-временном обеспечении
ГЛОНАСС и непосредственно в навигационной аппаратуре спецпотребителей.
В состав оперативных выходных данных входят:
- параметры моделей радиационного давления для каждого НКА;
- исходные геодезические данные измерительных средств НКУ (включая
координаты и скорости движения пунктов);
- точностные характеристики измерений средств НКУ;
- оценки суточной нестабильности бортовых синхронизирующих
устройств ГЛОНАСС;
- калибровочные поправки для измерительных средств НКУ;
- ассистирующая информация для повышения оперативности и
надежности вхождения в связь спецпотребителей ГЛОНАСС, а также для
обеспечения решаемых ими специфических навигационных задач в реальном масштабе
времени;
- калибровочные поправки для навигационной аппаратуры потребителей
ГЛОНАСС при частотном разделении сигналов для повышения точности
навигационных определений в реальном масштабе времени.
Точностные характеристики основных выходных данных СВОЭВП
приведены в табл. 1.
Решение указанных задач в СВОЭВП обеспечивают следующие элементы:
- центр сбора, обработки информации и управления (технические
средства ГИКЦ);
- стенд калибровки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС (технические
средства ГИКЦ);
- пункт расчета вспомогательной информации и обеспечения
ассистирующей технологии ГЛОНАСС для спецпотребителей (технические средства
ГИКЦ);
- измерительные средства СВОЭВП (тдельные командно-измерительные
комплексы войск ВКО);
22
Таблица 1. Точностные характеристики основных выходных данных СВОЭВП
Параметр
Эквивалентная погрешность дальности по уровню вероятности Р = 0.95
за счет ошибок космического сегмента на любом суточном интервале
при использовании апостериорной эфемеридно-временной информации
(ЭВИ), м
Погрешность по уровню вероятности Р = 0.95 расчета параметров связи
ГГСК с СК других навигационных систем:
- параметров относительной привязки к центру масс Земли, м
- параметров взаимной ориентации, "
Погрешность (СКО) определения ПВЗ:
- координат полюса, "
- длительности суток, мс
Погрешность по уровню вероятности Р = 0095 определения координат
беззапросных измерительных средств, м
Операционная задержка выдачи в ЦУС ГЛОНАСС исходных данных для
оперативного эфемеридно-временное обеспечение (ЭВО), ч
Погрешность по уровню вероятности Р = 0.95 расчета калибровочных
поправок для навигационной аппаратуры ГЛОНАСС, м
Значение
0.33
0.05
0.001
0.0004
0.07
0.02
1
0.2
- пункт метрологического контроля (развернут на технических
средствах ОАО «НПК «СПП», 4 ЦНИИ Минобороны России, ГНМЦ Минобороны
России);
- пункт, сбора, анализа и предварительной обработки информации от
отечественных гражданских и зарубежных источников информации и
представления результатов гражданским организациям, объектам и частным
потребителям (развернут на технических средствах ЦНИИмаш).
Аккредитованным потребителям выдача информации СВОЭВП
осуществляется через прикладной потребительский центр и систему
информационного обеспечения потребителей Минобороны России. При этом состав и
структура представляемой информации СВОЭВП конкретизируются с учетом
специфических потребностей аккредитованного потребителя. Взаимодействие
с неаккредитованными потребителями осуществляется через сайт http://www.
glonass-svoevp.ru.
Принципы функционирования
подсистемы геодезического обеспечения СВОЭВП
Для решения прикладных и фундаментальных геодезических задач в
центре сбора, обработки информации и управления СВОЭВП развернута
отдельная подсистема геодезического обеспечения (ПСГО). В первую очередь ПСГО
23
предназначена для обеспечения непрерывного мониторинга и поддержания
точностных характеристик исходных геодезических данных антенных систем
измерительных средств НКУ ГЛОНАСС с учетом движения тектонических
плит в местах размещения измерительных средств. Решение указанной задачи
достигается за счет:
- сбора и обработки измерительной информации от собственных
измерительных средств СВОЭВП, размещаемых на измерительных пунктах НКУ
ГЛОНАСС, и беззапросных измерительных средств глобальной
международной сети;
- обработки информации для длительных интервалов наблюдения и
расчета исходных геодезических данных (координат и скоростей движения)
антенных систем НКУ ГЛОНАСС с учетом движения тектонических плит
в местах размещения измерительных средств.
Определение исходных геодезических данных производится в режиме
постобработки с использованием высокоточных апостериорных эфемерид
ГЛОНАСС. Погрешность по уровню вероятности Р = 0.95 определения
координат беззапросных измерительных средств НКУ составляет 0.02 м.
Принципы функционирования
стенда калибровки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС
По результатам проведенных исследований выявлено существенное
изменение значений систематической погрешности в диапазоне литерных частот
от -7 до 6 даже у измерительных средств НКУ ГЛОНАСС. Было
установлено, что одним из основных источников погрешностей частотно-временного
обеспечения навигационных систем, контроля их навигационного поля, а
также решения навигационных задач потребителями являются погрешности,
обусловленные погрешностью калибровок навигационной аппаратуры. Наличие
погрешностей объясняется не только проблемами с эталонным оборудованием
для проведения калибровок бортовой аппаратуры НКА и навигационной
аппаратуры потребителя (НАП), но и объективной невозможностью
воспроизведения условий, в которых проводилась калибровка производителем.
Погрешности определения положения потребителя зависят от
погрешностей калибровок НАП, по измерениям которой рассчитывались
частотно-временные поправки (ЧВП) НКА (опорное беззапросное измерительное средство
- ОБИС), а также от погрешностей калибровок НАЛ. При этом
существенными являются лишь погрешности, обусловленные относительными
погрешностями калибровок навигационной аппаратуры в зависимости от НКА (литера).
Следовательно, если бы потребитель и ОБИС имели бы идентичную по
систематическим погрешностям аппаратуру, то поправки, обусловленные
погрешностью калибровок ОБИС и внесенные в ЧВП НКА, были бы
компенсированы идентичной погрешностью калибровок потребителя.
Для минимизации влияния калибровочной погрешности навигационной
аппаратуры потребителя ГЛОНАСС на точность навигации в «полевых» усло-
24
виях эксплуатации был создан стенд калибровки навигационной аппаратуры
потребителя (СКНА) ГЛОНАСС в составе СВОЭВП. Основные задачи,
решаемые СКНА:
- обработка измерительной информации навигационной аппаратуры
ГЛОНАСС с частотным разделением сигналов Ы, L2;
- расчет калибровочных поправок навигационной аппаратуры ГЛОНАСС,
оценка точностных характеристик НАЛ;
- формирование результатов калибровки в согласованном формате
для выдачи спецпотребителям и разработчикам навигационной аппаратуры
ГЛОНАСС;
- ведение банка калибровочных данных по типам навигационной
аппаратуры ГЛОНАСС.
В настоящее время в СВОЭВП реализована многоступенчатая схема
калибровки НАП, опорным измерительным средством в которой будет
навигационный приемник, непрерывно калибруемый с использованием имитатора
навигационного сигнала GSS8000. Его точностные характеристики которого
поддерживаются с использованием двухканального осциллографа,
неизменность метрологических характеристик которого контролируются с помощью
эталона единицы импульсного напряжения.
Обобщенные принципы функционирования СКНА заключаются в следующем.
1. С использованием имитатора навигационных сигналов ГЛОНАСС
постоянно калибруется опорный навигационного приемник. Производится
накопление суточных Rinex-файлов с измерения текущих навигационных
параметров (кодовыми и фазовыми измерениями) опорного навигационного
приемника и калибровочных поправок к нему для навигационных сигналов
ГЛОНАСС.
2. По измерительной информации опорного приемника и калибруемой
навигационной аппаратуры (в интервале 2-3 месяцев для штатных КА
орбитальной группировки и начиная с 4-й недели - для вновь введенных в систему КА)
с использованием прецизионных эфемеридно-временных данных СВОЭВП
рассчитываются калибровочные поправки, которые представляются
спецпотребителям и разработчикам навигационной аппаратуры. На длительном
интервале (годичном) оценивается стабильность систематической погрешности
НАП.
3. Значения временных задержек, нормированные для НАП по
результатам испытаний в целях утверждения типа, периодически контролируются с
использованием СКНА ГЛОНАСС. Результаты периодической калибровки
заносятся в свидетельство о поверке на НАП (при удовлетворительных результатах
поверки), а также в формуляр (паспорт) НАП.
4. Калибровочные данные для на вигационной аппаратуры формируются
в соответствии с интерфейсным контрольным документом [2] и
распространяются с использованием технических средств и каналов связи Министерства
обороны России.
25
В зависимости от типа навигационной аппаратуры, фирмы-изготовителя
и серии прибора потребителю передаются калибровочные поправки из банка
данных СКНА. Кроме того, потребителю могут быть выданы калибровочные
поправки и для дифференциальной станции, сигналы которой он использует.
В результате создания СКНА в составе СВОЭВП получены следующие
результаты:
- реализована возможность проведения одновременной калибровки
любого числа комплектов навигационной аппаратуры, территориально удаленной
от СКНА на произвольное расстояние, без изменения ее штатного
функционирования.
- точность навигации потребителя ГЛОНАСС при использовании
калибровочных данных может быть повышена в 3-15 раз (табл. 2);
- использование калибровочной информации в навигационной
аппаратуре с высокостабильными характеристиками задержек в измерительных
каналах позволяет достичь точности навигации в абсолютном режиме на уровне
20-30 см (СКП).
Таблица 2. Погрешность навигации потребителей ГЛОНАСС
при использовании калибровочных поправок
Место дислокации
навигационной аппаратуры
(принадлежность - полукомплект)
Улан-Удэ (НКУ-1)
Улан-Удэ (НКУ-2)
Якутск (НКУ-1)
Якутск (НКУ-2)
Щелково (НКУ-1)
Щелково (НКУ-2)
Комсомольск-на-Амуре (НКУ -1)
Комсомольск-на-Амуре (НКУ - 2)
Щелково (БИС КОС)
Комсомольск-на-Амуре (БИС КОС)
Wettzell, Germany (IGS)
Onsala Sweden (IGS)
Погрешность навигации (СКП), м
без учета
калибровочных данных
7.714
6.659
4.761
7.749
7.802
7.910
7.558
7.846
9.756
8.050
3.418
4.629
с учетом
калибровочных данных
0.627
0.637
0.632
0.856
2.371
2.696
1.014
1.809
0.602
0.622
0.300
0.255
Принципы функционирования пункта обеспечения
ассистирующей технологии ГЛОНАСС
Под ассистирующей технологией понимается обеспечение такого режима
функционирования навигационного оборудования потребителя, при котором
часть необходимой для выполнения расчетов и определения местоположения
информации (альманах, эфемеридная и частотно-временная информация,
приблизительная оценка доплеровского сдвига и др.) передается ему не по штат-
26
ным навигационным каналам со спутника, а по дополнительным
информационно-связным каналам.
Различают два основных варианта реализации и применения
ассистирующей технологии, различающихся технологиями загрузки и обновлениям
данных в навигационном оборудовании - это оперативный и неоперативный (или
автономный) режимы.
В оперативном режиме системой, реализующей ассистирующую
технологию, обеспечивается передача потребителю данных с высокой частотой
обновления (актуализации). Высокая частота актуализации данных позволяет
достичь высоких требований к точности и оперативности решения целевых
задач потребителем. Дополнительно достигается повышение чувствительности
навигационного оборудования при приеме навигационных сигналов и
увеличение времени его автономной работы. Вместе с тем подобный режим является
затратным, возможность его реализации ограничена областью обслуживания
ассистирующий системы. Кроме того, для специализированного потребителя
режим ограничивает возможность скрытого функционирования.
В неоперативном режиме данные передаются потребителю с низкой
частотой обновления. Как правило, указанный режим предполагает передачу
вместо оперативной эфемеридно-временной информации данных альманаха,
обладающих пониженной точностью расчета параметров движения спутников,
и как следствие, существенно снижающих точность и оперативность решения
целевых задач потребителя. Вместе с тем указанный режим обеспечивает
возможность скрытого функционирования потребителя.
Как в оперативном, так и в неоперативном режиме при реализации
ассистирующей технологии обеспечивается возможность получения
навигационных решений в виде геодезических параметров потребителя в центре
обработки. Обработка получаемой информации направлена на получение уточненных
координат потребителя, предназначенных для информирования потребителя
и для решения задач диспетчеризации.
В целях обеспечения реализации ассистирующей технологии ГЛОНАСС
для спецпотребителей в СВОЭВП был создан пункт обеспечения реализации
ассистирующей технологии (ПОАТ) спецпотребителей ГЛОНАСС.
Исходными данными для реализации ассистирующей технологии являются:
- прецизионная эфемеридно-временная информация ГЛОНАСС;
- уточненные СВОЭВП параметры адаптивной модели ионосферы;
- данные, необходимые для определения точных координат потребителя
(карты высот, измерительная и навигационная информация от навигационной
аппаратуры спецпотребителей).
Результирующей информацией ПОАТ являются:
- высокоточный эфемеридный альманах системы ГЛОНАСС для
обеспечения режима скрытного функционирования специальных потребителей на
основе долгосрочного прогноза параметров движения КА «Глонасс» с требуемой
точностью;
27
- высокоточные данные оперативной части навигационного сообщения
(навигационные кадры);
- параметры адаптивной модели ионосферы для повышения точности
навигации спецпотребителей, оснащенных одночастотной навигационной
аппаратурой ГЛОНАСС;
- широкозонная корректирующая информация в формате Satellite-Baste
Augmentation System (SBAS);
- фактическое значение высоты спецпотребителя на основе
использования прецизионных карт высот требуемого разрешения для обеспечения
требований к точности местоопределения;
- результаты расчета положения спецпотребителей на основе обработки
измерительной информации от навигационной аппаратуры спецпотребителей.
Анализ результатов экспериментальной отработки технологии расчета
действительного значения высоты потребителя показал следующее:
- различия рассчитанных значений действительной высоты и эталонного
значения, полученного на этапе экспериментальной отработки с помощью
высотомера, для выбранной пары навигационных приемников составляют менее
3 м;
- для повышения точности расчета действительного значения высоты
потребителя следует осуществить переход к данным, рассчитываемым с
меньшим шагом, например, 1". В настоящее время подобные массивы данных
отсутствуют;
- для эффективного применения моделей Shuttle Radar Topography
Mission (SRTM) должен быть организован действенный контроль над
изменяемой частью применяемых моделей.
Анализ результатов экспериментальной отработки расчета параметров
ионосферы в ПОАТ показал, что его применение позволяет компенсировать до
70 % погрешности, вносимой при неучете данного фактора. При этом
остаточная неучтенная погрешность в навигационных измерениях после применения
рассчитанных параметров не превышает 1 м при частоте сигнала примерно
1.6 ГГц.
В конечном счете созданные в СВОЭВП аппаратно-программные
средства обеспечения ассистирующей технологии ГЛОНАСС позволяют:
- обеспечить вероятность получения решения специальным
потребителем ГЛОНАСС на уровне не менее 95 %;
- обеспечить повышение точности определения координат
спецпотребителей на 25-30 %;
- обеспечить задержку при получении первого решения не более 20 с;
- обеспечить темп выдачи решений специальным потребителем в
движении 2 с.
28
Обобщенные результаты создания СВОЭВП
Принятые технические, организационные и методические решения при
создании СВОЭВП позволили достичь следующих результатов (по группам задач).
1. Повысить точность абсолютных навигационных определений
потребителей на 10-20 % за счет организации на постоянной основе выдачи
и использования в центре управления системой ГЛОНАСС уточненных
параметров моделей, уточненных исходных геодезических данных средств НКУ
и исходных данных для расчета фактора точности навигационных сообщений.
2. Организовать на постоянной основе информирование руководства
Минобороны и Роскосмоса о состоянии системы ГЛОНАСС и о результатах
сопоставления характеристик навигационных систем ГЛОНАСС и GPS
посредством ежедневных, еженедельных, ежемесячных и ежеквартальных
информационных бюллетеней.
3. При достигнутой в СВОЭВП точности расчета прецизионной эфеме-
ридно-временной информации ГЛОНАСС и GPS (на уровне 0.6 м по значению
эквивалентной погрешности дальности) потенциальная прогрешность
решения навигационных задач для наземного и орбитального потребителя в
неоперативном режиме при использовании прецизионной эфемеридно-временной
информации и вспомогательных данных СВОЭВП составит:
- в режиме относительного расчета координат наземного потребителя
в зависимости от удаленности от дифференциальной станции на территории
РФ - не более 1-3 см,
- в абсолютном режиме расчет геоцентрических координат на
территории РФ не более 10 см;
- расчет параметров движения орбитального потребителя с
операционной задержкой не более 2 ч - не более 1-3 м,
- расчет параметров движения орбитального потребителя с
операционной задержкой не более двух недель - не более 0.06-0.2 м.
4. Точность решения навигационных задач специальными потребителями
ГЛОНАСС в оперативном режиме при использовании вспомогательных
данных СВОЭВП (калибровочных поправок и ассистирующих данных для
навигационной аппаратуры ГЛОНАСС) будет повышена на 10-15 %.
Литература
1. Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система».
-М.,2006.
2. Система высокоточного определения эфемерид и временных поправок.
Интерфейсный контрольный документ. Редакция 3.0. - М., 2011.
29
The State-of-art of High-precision System of Determination
of GLONASS Ephemerides and Time Corrections
V. F. Braginets, E. V. Titov, A. N. Zhukov, A. A. Fedotov,
V. D. Shargorodsky
State-of-art of the systems of high-precision determination of GLONASS
ephemerides and time corrections are presented. The system is developed in order to
ensure the accuracy of solving the problems of consumers' efficiency and a posteriory
modes. The principles of operation of the basic elements of high-precision
determination of ephemerides and time corrections are given.
30
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Комплекс средств метрологического обеспечения
ГЛОНАСС
О. В. Денисенко1, И. С. Сильвестров1, В. Н. Федотов2
^ГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, Московская обл., Россия
2ФБУ «ГНМЦ Минобороны России», г. Мытищи, Москвоская обл., Россия
В статье обсуждены основные средства метрологического
обеспечения ГЛОНАСС. Рассмотрены задачи, выполненные в 2007-2011 гг.
в рамках федеральной целевой программы «ГЛОНАСС», и наиболее
перспективные задачи, которые должны быть решены в 2012-2020 гг.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, метрологическое обеспечение,
комплекс средств, федеральная целевая программа.
Введение
Функционирование ГЛОНАСС построено на использовании различных
средств измерений, входящих во все составные комплексы системы:
космический, функциональных дополнений, высокоточного апостериорного эфеме-
ридно-временного обеспечения потребителей, средств фундаментального
обеспечения, а также в навигационную аппаратуру потребителей. В соответствии
с требованиями к системе ее основной функцией является координатно-вре-
менное и навигационное обеспечение потребителей Минобороны России,
специальных государственных потребителей и потребителей в
социально-экономической и научной сфере. В соответствии с Федеральным законом № 102-ФЗ
от 26 июня 2008 г. «Об обеспечении единства измерений» средства
измерений, применяющиеся в области обороны и безопасности государства,
попадают в сферу государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Таким образом, средства измерений, применяемые в рамках ГЛОНАСС,
попадают в сферу государственного обеспечения единства измерений и,
следовательно, должны быть метрологически обеспечены (проходить испытания для
утверждения типа и поверку).
О О. В. Денисенко, И. С. Сильвестров, В. Н. Федотов, 2012
31
В связи с этим ГЛОНАСС должна включать в свой состав средства
метрологического обеспечения всех перечисленных выше составных комплексов
и навигационной аппаратуры потребителей.
При этом в состав системы метрологического обеспечения ГЛОНАСС
входят технические средства трех основных видов:
- государственные первичные эталоны (входят в состав системы
функционально);
- средства передачи единиц величин от первичных эталонов к средствам
непосредственного метрологического обеспечения рабочих средств
измерений;
- средства метрологического обеспечения рабочих средств измерений.
В ходе выполнения федеральной целевой программы «Глобальная
навигационная система» на 2002-2011 гг. по заказу Росстандарта был создан ряд
комплексов метрологического обеспечения, предназначенных для
определения и контроля характеристик средств измерений, применяемых в ГЛОНАСС.
Основные комплексы метрологического обеспечения ГЛОНАСС
Создание и развитие первых двух составных частей системы
метрологического обеспечения ГЛОНАСС осуществлялось и осуществляется в
основном институтами Росстандарта, а также организациями Минобороны России
и Роскосмоса, которым в соответствии с Постановлением Правительства
Российской Федерации от 30 апреля 2008 г. № 323 «Об утверждении Положения
о полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию,
развитию и использованию глобальной навигационной спутниковой системы
ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны и безопасности государства,
социально-экономического развития Российской Федерации и расширения
международного сотрудничества, а также в научных целях» поручено создание,
поддержание и развитие системы метрологического обеспечения системы
ГЛОНАСС и функциональных дополнений.
Третью составную часть системы метрологического обеспечения
ГЛОНАСС должны создавать ведомства или организации, занимающиеся
разработкой, изготовлением и/или осуществляющие непосредственную
эксплуатацию средств измерений, используемых в ГЛОНАСС или использующих
систему ГЛОНАСС. К таким ведомствам относятся: Госстандарт, Минобороны
России и Роскосмос и др.
Комплекс средств метрологического обеспечения средств измерений
характеристик антенно-фидерных устройств бортовых и наземных
технических средств ГЛОНАСС. В ходе выполнения работ были достигнуты
следующие характеристики комплекса: погрешность (СКО) измерения
абсолютной частотной задержки навигационных сигналов на частотах диапазонов
Ы, L2, ЬЪ составляет не более 0.1 не. На рис.1 представлена безэховая камера
ФГУП «ВНИИФТРИ».
32
Рис. 1. Безэховая камера, используемая для измерения абсолютной частотной
задержки навигационных сигналов
Комплекс средств метрологического обеспечения средств измерений
характеристик радиотехнических трактов. В ходе выполнения работы
были достигнуты следующие характеристики комплекса: погрешность (СКО)
формирования псевдодальности по кодам навигационных сигналов - не более
0.01-0.05 м; погрешность (СКО) формирования псевдодальности по фазе
несущей частоты - не более 0.001 м; погрешность (СКО) определения задержек
сопряжения - не более 0.05 не.
Комплекс средств метрологического обеспечения системы
синхронизации ГЛОНАСС. В ходе работ достигнуты следующие характеристики
комплекса: погрешность определения расхождения шкал времени пространственно
удаленных объектов - не более ±2 не; погрешность определения
нестабильности частоты бортовых синхронизирующих устройств (БСУ) навигационных
космических аппаратов ГЛОНАСС в процессе штатной эксплуатации - не
более 110~14; погрешность определения относительной погрешности по частоте
БСУ навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС в процессе штатной
эксплуатации - не более 51013.
Комплекс средств метрологического обеспечения средств измерений
метрологических характеристик и испытаний навигационной
аппаратуры потребителей. В ходе выполнения работы достигнуты следующие
характеристики комплекса: погрешность средств определения точностных
характеристик спутниковой геодезической аппаратуры (СГА) - не более
0.005 м в диапазоне длин 0.5-10 км, в диапазоне длин 20-30 км - менее 0.02 м.
Погрешность средств определения точностных характеристик навигационной
аппаратуры потребителей, интегрированной с инерциальными датчиками,
составляет при воспроизведении горизонтальных и вертикальных перемещений
менее 0.01 м, при воспроизведении угловых перемещений - менее Г.
33
Комплекс аппаратно-программных средств, обеспечивающих
передачу единиц величин к координатно-временным средствам измерений
бортовой аппаратуры и наземного комплекса управления космического
комплекса ГЛОНАСС и контроль их метрологических характеристик.
В ходе выполнения работы достигнуты следующие характеристики комплекса:
погрешность (СКО) формирования псевдодальности по кодам навигационных
сигналов - не более 0.01-0.05 м; погрешность (СКО) формирования
псевдодальности по фазе несущей частоты - не более 0.001 м; погрешность (СКО)
измерения и временного сдвига кодов навигационных сигналов - не более 10 пс.
Государственный специальный эталон длины в диапазоне
измерений 24 м-4000 км и комплексы аппаратно-программных средств
опорных базисных пунктов и базисов в Московской области и Иркутске.
Неисключенная систематическая погрешность воспроизведения единицы
длины эталонным комплексом длины до 60 м составляет 9.5 + 0.5 х L мкм
(рис. 2); СКО результата измерения эталонного комплекса длины до 60 м
составляет 9.5 мкм; погрешность передачи единицы длины лазерному эталону
сравнения в диапазоне 24-3000 м составляет на верхней границе диапазона
0.9 мм; погрешность передачи единицы длины эталоном сравнения в диапазоне
1-4000 км составляет 20 мм на верхней границе диапазона.
Следует отметить, что разработанные в рамках работ Госстандарта
комплексы относятся к средствам высшего звена метрологического
обеспечения ГЛОНАСС. В рамках планируемой федеральной целевой программы
«Поддержание, развитие и использование ГЛОНАСС» на 2012-2020 гг.
планируются работы по развитию вышеуказанных комплексов по следующим
основным направлениям:
- разработка высокоточных средств сличений национальной шкалы
времени UTC(SU) со шкалой времени ГЛОНАСС и другими лабораториями времени
для достижения погрешности сличения не более ±1.5 не;
Рис. 2. Государственный специальный эталон длины в диапазоне 24-60 м
34
- создание стационарных и мобильных комплексов метрологического
обеспечения ГЛОНАСС в части измерений новых сигналов, кодов и средств
измерений;
- создание стационарного комплекса метрологического обеспечения
средств измерения координат и развитие комплекса метрологического
обеспечения средств измерения длины для уменьшения имеющихся погрешностей;
- разработка абсолютного баллистического гравиметра нового поколения
с инструментальной погрешностью не более 2 мкГал;
- создание специального эталонного комплекса для метрологического
обеспечения бортовых и наземных оптических средств в части динамических
характеристик излучения, спектральных характеристик излучения,
пространственно-энергетических параметров, позиционной стабильности пучка.
Выводы
Приведенные выше работы совместно с работами других министерств
и ведомств позволят решить основную задачу, поставленную перед ГЛОНАСС
на период до 2020 г. и включающую в себя следующее: массовое внедрение
отечественных навигационных технологий, гарантированное
предоставление потребителям всех категорий навигационных услуг с учетом
непрерывно возрастающих требований к ним в интересах национальной безопасности
и социально-экономического развития Российской Федерации, укрепления её
лидирующих позиций в области глобальной спутниковой навигации за счет
поддержания и развития ГЛОНАСС, улучшения её характеристик, расширения
функциональных возможностей, условий и сфер использования,
сбалансированного развития составных частей системы.
The Complex of Means for the Metrological Support of
GLONASS
O. V. Denisenko, I. S. Silvestrov, V. N. Fedotov
The main means for the metrological support of GLONASS are discussed in this
paper. The problems solved in the frame of the Federal State Program GLONASS
(2007-2020 years) and long-term outlook for 2012-2020 years are considered.
35
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Государственная служба времени, частоты и определения
параметров вращения Земли
как основа фундаментального сегмента ГЛОНАСС
И. Ю. Блинов
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, Московская обл., Россия
В статье обсуждаются главные задачи ГСВЧ, а также основные
технические средства фундаментального сегмента ГЛОНАСС (цезиевый
фонтан, групповой эталон, комплекс формирования шкалы времени,
модернизированный РСДБ-комплекс «Квазар-КВО»). Рассмотрены задачи,
выполненные в 2007-2011 гг. в рамках федеральной целевой программы
«ГЛОНАСС».
Ключевые слова: параметры вращения Земли, ГЛОНАСС, ГСВЧ,
координата, шкала времени.
Введение
В настоящее время в рамках работ ФЦП «ГЛОНАСС» проводится
модернизация эталонной базы Государственной службы времени, частоты и
определения параметров вращения Земли (ГСВЧ), которая составляет основу
фундаментального сегмента ГЛОНАСС. В состав ГЛОНАСС функционально входят
следующие средства фундаментального обеспечения ГНСС ГЛОНАСС:
- комплекс средств определения и прогнозирования параметров
вращения Земли (ПВЗ);
- комплекс средств формирования UTC (SU);
- комплекс средств уточнения фундаментальных астрономо-геодезиче-
ских параметров.
Таким образом, комплекс средств фундаментального обеспечения
предназначен для согласования национальной шкалы времени UTC (SU), на
основании которой строится системная шкала ГЛОНАСС, со шкалой всемирного
координированного времени UTC; согласования координат объектов на
поверхности Земли с координатами в международной земной системе координат
>И. Ю.Блинов, 2012
36
и определения ПВЗ координат полюса и всемирного времени для эфемеридно-
временного обеспечения системы.
Исходя из поставленных задач, данный комплекс включает в себя
несколько подсистем:
1) комплекс средств формирования UTC (SU), в состав которого входят:
- Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и
национальной шкалы времени UTC (SU);
- вторичные и рабочие эталоны Госстандарта, Минобороны России
и других министерств и ведомств;
- средства сличения шкал времени (средства сличения UTC и UTC
(SU), шкалы времени центрального синхронизатора ГЛОНАСС с UTC (SU)
(UTC(MO));
2) комплекс средств определения и прогнозирования ПВЗ, в составе
которого:
- средства измерений, обеспечивающие получение первичной
измерительной информации на объектах Госстандарта, Минобороны России, Роскосмоса,
РАН (квантово-оптические системы, ГНСС, радиоинтерферометры со
сверхдлинными базами - РСДБ, - гравиметры, радиометры водяного пара и др.);
- центры корреляционной обработки;
- аппаратно-программные средства передачи данных;
- центры обработки и анализа данных Минобороны России, Роскосмоса
и РАН, а также центр сводной обработки и определния ПВЗ ГМЦ ГСВЧ,
обеспечивающий формирование официальных данных о ПВЗ;
3) комплекс средств уточнения фундаментальных астрономо-геодезиче-
ских параметров, в составе которого аппаратно-программные средства (АПС)
уточнения следующего:
- небесной и земной систем координат;
- эфемерид тел Солнечной системы, орбит геодезических и
навигационных искусственных спутников Земли;
- гравитационного поля Земли;
- параметров атмосферы.
В настоящей работе рассмотрены основные направления деятельности
ГСВЧ, а также проанализированы технические средства повышения
характеристик средств фундаментального обеспечения ГЛОНАСС, созданные в
результате выполненных работ по ФЦП «ГЛОНАСС» за 2007-2011 гг.
Основные цели и направления деятельности ГСВЧ
В ходе выполнения ФЦП «Глобальная навигационная система» на 2007-
2011 гг. основное внимание в работах Госстандарта было обращено на
развитие комплексов формирования UTC (SU) и определения и прогнозирования
ПВЗ. Принимая во внимание критический характер зависимости комплекса
фундаментального обеспечения ГЛОНАСС от временных и частотных
измерений, в работе всех его перечисленных компонент важную роль играет ГСВЧ.
37
Главной целью ГСВЧ является обеспечение потребностей страны в
узаконенной информации о точном времени, эталонных частотах и ПВЗ. Это
достигается путём согласованной работы участников ГСВЧ:
научно-исследовательских организаций, министерств и ведомств - в области
установления, поддержания и передачи потребителям национальной шкалы времени
Российской Федерации, эталонных частот и ПВЗ; обеспечения единства и
достоверности указанных величин; метрологического контроля и
мониторинга эталонных сигналов частоты и времени; согласования размеров единиц
и шкал времени, частоты и ПВЗ с данными Международного бюро мер и
весов и Международной службы вращения Земли.
Научное, методическое и оперативное обеспечение работы ГСВЧ
осуществляет его главный метрологический центр (ГМЦ), функции которого
возложены на структурное подразделение ФГУП «ВНИИФТРИ» - НИО-7.
Характеристики национальной шкалы времени UTC (SU), значения времени,
эталонных частот и ПВЗ находятся в необходимом согласии с
международными, которые выдает Международное бюро мер и весов (в части времени и
частоты) и Международная служба вращения Земли (в части определения ПВЗ).
Выходные данные ГМЦ ГСВЧ представляют собой официальную
информацию о значении времени, эталонных частотах и ПВЗ, являющуюся
обязательной для применения в Российской Федерации.
Основные технические средства фундаментального обеспечения ГЛОНАСС
Рассмотрим основные технические средства повышения характеристик
средств фундаментального обеспечения ГЛОНАСС, созданные в результате
выполненных работ.
Метрологический цезиевый репер «Фонтан» (МЦП «Фонтан»). Репер
(рис. 1) использует технологии лазерного охлаждения атомов и предназначен
для повышения точности независимого воспроизведения размера единицы
времени Государственным первичным эталоном времени и частоты России, и на
Рис. 1. Репер частоты фонтанного типа
38
этой основе - для повышения точности воспроизведения размера
единицы времени вторичными эталонами Ростехрегулирования, Минобороны
России и других ведомств в целях согласования национальной шкалы
времени UTC(SU), на основании которой строится системная шкала ГЛОНАСС, со
шкалой всемирного координированного времени UTC.
По результатам приемочных испытаний, проведенных межведомственной
комиссией, для МЦП «Фонтан» было получено значение неисключённой
систематической погрешности воспроизведения размера единиц времени и
частоты не более 51016.
Групповой эталон Государственной службы времени и частоты
и определения параметров вращения Земли (ГЭ ГСВЧ). Шкала времени
ГЭ ГСВЧ предназначена для повышения стабильности и надежности
шкалы времени государственного первичного эталона единиц времени и частоты
UTC (SU) и системной шкалы времени ГЛОНАСС.
По результатам приемочных испытаний, проведенных межведомственной
комиссией, для ГЭ ГСВЧ было получено среднее квадратическое
относительное случайное двухвыборочное отклонение частоты группового эталона в
интервале 10-30 сут не более (8...10)10~16.
Аппаратно-программный комплекс формирования шкалы времени,
приближенной с заданной точностью к UTC (SU), и передачи
формируемой шкалы времени в наземный комплекс управления ГЛОНАСС в
реальном масштабе времени - АПК ФШВ UTC (SU). Комплекс (рис. 2)
предназначен для того, чтобы передавать на вторичные эталоны единиц времени
и частоты шкалу времени, приближенную с заданной точностью к
национальной шкале координированного времени UTC (SU), в реальном масштабе
времени с погрешностью не более 2 не.
Рис. 2. Аппаратно-программный комплекс формирования шкалы времени
39
По результатам приемочных испытаний, проведенных
межведомственной комиссией, для комплекса было получено СКО результатов сличений шкал
времени, формируемых аппаратно-программными средствами, размещенными
в ГМЦ ГСВЧ и на вторичном эталоне единиц времени и частоты, из состава
АПК ФШВ UTC(SU), не превышающее 2 не.
Модернизированный РСДБ-комплекс «Квазар-КВО». Целью
создания комплекса являлось обеспечение независимости Российской Федерации от
данных Международных служб при определении ПВЗ, повышение точности,
надежности и оперативности обеспечения данными о ПВЗ гражданских и
военных потребителей, в том числе повышение точности определения ПВЗ в
систематическом отношении и обеспечение повышения точности Государственной
геоцентрической системы координат.
В рамках модернизации комплекса реализована технология, позволяющая
оперативно определять поправки всемирного времени, разработан и введен
в эксплуатацию коррелятор АРК, позволяющий обрабатывать одновременно
данные от шести РСДБ-станций. Начаты регулярные и оперативные
определения всемирного времени в режиме е-РСДБ независимо от международных
служб со случайной погрешностью менее 60 мке и систематической
погрешностью менее 30 мкс. Налажены регулярные определения координат полюса
отечественными средствами (РСДБ и спутниковыми) со случайной
погрешностью не более 1 мс дуги.
Выводы
Вышеуказанные комплексы вместе со средствами, созданными по заказу
других министерств и ведомств, позволили в полном объеме выполнить
требования, предъявлявшиеся к комплексу средств фундаментального обеспечения
ГЛОНАСС в рамках ФЦП «Глобальная навигационная система» на 2007-2011 гг.
The State Service for Time, Frequency and Determination
the Rotation Parameters of the Earth as the Ground of the
GLONASS Fundamental Segment
I. Yu. Blinov
The principal goals of the State Service for time, frequency and
determination of the rotation parameters of Earth as well as the main technical means for the
GLONASS fundamental segment (cesium fountain, group standard for time and
frequency, formation complex of time scale, modified VLBI-complex «Kvazar-KVO»)
are discussed in this paper. The problems solved in the frame of the Federal State
Program GLONASS (2007-2011 years) are considered.
40
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Направления развития фундаментального обеспечения
в интересах системы ГЛОНАСС
А. Ю. Данилюк, В. В. Пасынков, А. Н. Жуков
4 ЦНИИ Минобороны России, г. Юбилейный, Москвская обл., Россия
Проведён анализ вклада основных составляющих в погрешность
навигационных определений потребителей системы ГЛОНАСС, на
основе которого предложены направления развитиия фундаментального
обеспечения в интересах совершенствования системы. Представлен
состав комплексов средств фундаментального обеспечения и предъявлены
требования к основным показателям для обеспечения безусловного
достижения перспективных требований к системе ГЛОНАСС. Приведён
перечень мероприятий в интересах развития комплексов средств
фундаментального обеспечения.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, развитие, требования, погрешность,
комплекс средств.
В процессе модернизации глобальной навигационной системы (ГНС)
ГЛОНАСС и замены космического аппарата (КА) «Глонасс» на КА «Глонасс-М»,
а в перспективе на КА нового поколения предъявлены более высокие
требования к точности решения задач потребителем. Это связано с бурным ростом
развития навигационных услуг как во всём мире, так и в Российской Федерации,
что и определило необходимость повышения точностных характеристик
глобальных навигационных спутниковых систем. При этом реально
действующим конкурентом отечественной навигационной системы является
американская система GPS, достижение абсолютного паритета с которой стало одной из
приоритетных задач развития системы ГЛОНАСС.
В России развитие отечественной навигационной системы производится
в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «ГЛОНАСС» [1], в
результате выполнения которой достигнуты приемлемые точностные
характеристики навигационных определений. Дальнейшее повышение точности и,
следовательно, обеспечение конкурентоспособности системы ГЛОНАСС возможно за
О А. Ю. Данилюк, В. В. Пасынков, А. Н. Жуков, 2012
41
счёт снижения уровня вклада отдельных составляющих, основными из
которых являются:
- погрешности потребительского сегмента (погрешности измерений
навигационного приёмника, включая погрешности калибровки, погрешности
используемой картографической основы и др.);
- погрешности за счёт среды распространения сигналов, в которую
входят погрешности распространения в ионосфере, тропосфере, погрешность за
счёт переотражения сигнала и др.;
- погрешности за счёт космического сегмента, в которую входят
погрешности излучаемой с борта навигационных КА эфемеридной (ЭИ) и
частотно-временной информации (ЧВИ), погрешности фундаментального сегмента
и бортовой аппаратуры.
Текущая погрешность навигационных определений (НО) потребителя
составляет около 30 м. При этом разработанная в 2011 г. концепция ФЦП
поддержания и развития ГЛОНАСС на 2012-2020 гг. [2] выдвигает довольно жёсткие
требования по повышению точности навигационных определений более чем
на порядок: 1.5 м к 2015 г. и 0.3 м к 2020 г. Для реализации указанных
перспективных требований необходимо обеспечить достижение погрешностей по
указанным выше составляющим, значения которые приведены в таблице.
Представленные требования заставляют пересмотреть вклад отдельных
составляющих в общую погрешность навигации и обратить внимание на вклад
составляющих, которые относятся к фундаментальному обеспечению, а именно:
- Государственной геоцентрической системе координат (ГГСК);
- параметрам ориентации Земли (координаты полюса, всемирное время,
параметры прецессии и нутации);
Составляющие погрешности навигационных определений потребителей
Составляющие
погрешности НО
Аппаратурная
погрешность потребителя, м
Среда распространения
сигналов, м
Космический сегмент, м:
- погрешность ЭИ
- погрешность ЧВИ
- погрешность
бортовой аппаратуры
- погрешность
фундаментального сегмента
Показатели
Текущие
20.0
20.0
5.0
1.3
4.5
1.0
0.7
Требования
на 2011 г.
-
-
2.8
0.8
3.0
0.35
Требования
на 2015 г.
0.6
0.5
0.8
0.4
0.7
0.1
0.1
Требования
на 2020 г.
0.2
0.15
0.15
0.1
0.1
0.03
0.03
42
- эфемеридам Солнца, Луны и планет Солнечной системы;
- гравитационному полю Земли;
- воспроизведению и хранению единиц времени и частоты;
- поддержанию отечественной реализации всемирного
координированного времени UTC(SU) и др.
В концепции ФЦП [2] уделено серьёзное внимание развитию комплекса
средств фундаментального обеспечения системы ГЛОНАСС и предусмотрены
работы в интересах улучшения характеристик системы:
- совместное построение земной и небесной систем координат и
определение параметров вращения Земли (ПВЗ);
- построение национальных эфемерид тел Солнечной системы;
- уточнение гравитационного поля Земли;
- разработка моделей ионосферы, тропосферы и астрономо-геодинами-
ческих параметров с улучшенными характеристиками;
- развитие средств и методов формирования национальной шкалы
координированного времени UTC (SU) и средств ее сличения;
- разработка стандартов времени и частоты, базирующаяся на новых
физических принципах.
К основным средствам фудаментального обеспечения следует отнести:
1) комплекс средств определения и прогнозирования ПВЗ, решающий
следующие основные задачи:
- определение и прогнозирование всемирного времени, координат
полюса, параметров прецессии и нутации;
- определение параметров согласования отечественной и
международной систем координат;
2) комплекс средств формирования национальной шкалы времени
UTC (SU), предназначенный для разработки следующих высокоточных
нормативов:
- наземных эталонов времени и частоты;
- бортовых стандартов времени и частоты;
- методов сличения и передачи шкал времени;
3) комплекс средств уточнения фундаментальных астрономо-геодезиче-
ских параметров, решающий следующие основные задачи:
- уточнение эфемерид Солнца, Луны и планет, а также государственной
геоцентрической СК;
- высокоточное геодезическое обеспечение средств;
- разработку высокоточных цифровых карт.
Обобщённый состав комплекса средств определения ПВЗ представлен на
рис. 1.
Указанный состав средств определения и прогнозирования ПВЗ должен
обеспечить выполнение следующих требований (2015-2020 гг.):
- в части всемирного времени - 0.07-0.02 мс;
- в части координат полюса - 0.006-0.003 м;
43
Центр
определения ПВЗ
Минобороны
Центр свободной
обработки
и поределения
ПВЗ ГМЦ
ГСВЧ
Центр
определения ПВЗ
РАН
Центр
определения
ПВЗ
Коррелятор
нового
поколения
Средства
определения
ПВЗ
РСДБ
нового
поколения
Радиометр
водяного пара
Квазар-КВО
ИСНКУиНСК
Международные
и отечественные
лазерные сети
Международные
и отечественные
беззапросные сетд
Узлы колокации
Рис. 1. Обобщённый состав комплекса средств определения
и прогнозирования параметров вращения Земли
Бортовые
эталоны
времени
и частоты
Наземные
эталоны
времени
и частоты
Государственный
эталон времени
и частоты
(ГСВЧ)
Средтства
сличения
передачи
шкал времени
Военный груповой
эталон времени
и частоты
ВЭ-31
(ГНМЦ)
ВЭ-33
(АЦУС)
Центральный
синхронизатор
ГНС ГЛОНАСС
(ГНМЦ)
Рис. 2. Обобщённый состав комплекса средств формирования
национальной шкалы времени UTC (SU)
- в части углов прецессии и нутации - 0.01-0.003 м.
Обобщённый состав комплекса средств формирования национальной
шкалы времени UTC(SU) представлен на рис. 2.
Указанный состав средств формирования национальной шкалы времени
UTC(SU) должен обеспечить выполнение следующих требований (2015-2020 гг.):
- в части нестабильности наземных эталонов времени и частоты -
51016-21016;
- в части нестабильности бортовых эталонов времени и частоты -
11014-51014;
- в части точности сличения и передачи шкал времени - 0.3 не.
44
Комплекс средств
уточнения ГГСК
Средства
планетной
локации
Альтиметр
Комплекс средств поддержания и расчета 1
эфемерид тел Солнечной системы
Гравиметр
Субмиллиметровый лазер
Система планетной локации
Средства
локации
Луны
Рис. 3. Обобщённый состав комплекса средств уточнения фундаментальных
астрономо-геодезических параметров
Обобщённый состав комплекса средств уточнения фундаментальных
астрономо-геодезических параметров представлен на рис. 3.
Указанный состав средств уточнения фундаментальных
астрономо-геодезических параметров должен обеспечить выполнение следующих требований:
- в части погрешности относительной привязки постоянно действующих
пунктов фундаментальной астрономо-геодезической сети - 0.01-0.005 м;
- в части погрешности привязки ГГСК к центру масс земли и разворотов
относительно Международной земной системы координат - 0.06-0.01 м;
- в части погрешности определения высот квазигеоида - 0.1-0.05 м;
- в части относительной погрешности определения эфемерид тел
Солнечной системы - 1011.
В интересах достижения требуемой точности навигационных
определений разработан перечень мероприятий, каждое из которых должно
обеспечить достижение требуемых характеристик по соответствующим показателям.
Основными результатами выполнения разработанных мероприятий должны
стать:
- модернизация РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» в части развертывания
высокоточных радиоинтерферометров, оснащения пунктов колокации
лазерными дальномерами миллиметровой точности и радиометрами водяного пара;
- создание многостанционных программных корреляторов с
повышенной точностью определения групповой задержки;
- развёртывание двухэлементного радиоинтерферометра в составе
наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС;
- совершенствование средств воспроизведения и хранения единиц
времени и частоты, модернизация комплексов хранения шкалы UTC (SU);
- разработка перевозимых квантовых часов нового поколения для
обеспечения сличений национальной шкалы координированного времени UTC (SU)
со шкалой времени системы ГЛОНАСС.
Использование развёрнутых прецизионных измерительных средств
проведения наблюдений, к которым в первую очередь относятся РСДБ и кванто-
45
во-оптические средства (КОС), и создание на их базе узлов колокации
позволят выйти на качественно новый уровень решения прикладных и
фундаментальных задач. К таким актуальным задачам относятся:
- уточнение небесной (ICRS) и земной (ITRS) систем координат;
- определение параметров ориентации земной системы координат
относительно небесной;
- уточнение параметров связи между Государственной геоцентрической
и международной системами координат (ГГСК - ITRF);
- построение национальной шкалы координированного времени UTC (SU)
и поддержание её в заданных пределах относительно шкалы всемирного
времени UTC;
- определение параметров гравитационного поля Земли;
- получение и поддержание координат внегалактических источников CRF;
- получение и поддержание координат наземных станций TRF, взаимная
привязка станций северного и южного полушарий;
- контроль периодической части приливов и нутации.
Решение этих актуальных задач позволит более чем на порядок снизить
вклад фундаментального обеспечения в общую погрешность навигационных
определений и достигнуть основных целевых показателей системы ГЛОНАСС
за счёт использования разработанных прецизионных моделей.
Литература
1. Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». -
М., 2006.
2. Концепция Федеральной целевой программы «Поддержание, развитие
и использование системы ГЛОНАСС» на 2012-2020 годы. - М, 2011.
Progress in the System of GLONASS Fundamental Support
A. Yu. Danilyk, V. V. Pasynkov, A. N. Zhukov
Contribution of the main sources of errors to the navigation system GLONASS
are analyzed. Based on them the directions of improving the system of
fundamental support are proposed. Complexes of fundamental security requirements for the
system are presented. A list of activities for developing the systems of fundamental
support is given.
46
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Определение параметров связи
Государственной геоцентрической системы координат
и Международной земной системы координат
И. С. Гаязов, В. В. Суворкин
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Параметры связи государственной геоцентрической системы
координат и Международной земной системы координат ITRF
определены с применением двух различных подходов: 1) с
использованием координат пунктов IGS на территории России в двух системах;
2) из сравнения бортовых эфемерид ГЛОНАСС с точными
эфемеридами, получаемыми в центрах анализа IGS. Проведен сравнительный
анализ результатов.
Ключевые слова: система координат, параметры связи, ГЛОНАСС,
бортовые эфемериды, пункты ГНСС.
Введение
Государственная геоцентрическая система координат (ГГСК) была
введена постановлением правительства РФ № 568 от 28 июля 2000 г. для
геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач
в виде системы параметров ПЗ-90 («Параметры Земли 1990 года»). В
настоящее время ГГСК определяется уточненной версией ПЗ-90, имеющей
обозначение ПЗ-90.02 [1]. Система закреплена пунктами космической геодезической
сети (КГС) и распространена на пункты сети Международной ГНСС-службы
(IGS), расположенные на территории России [2]. По определению система
соответствует предписанной ей области применения (геодезическое обеспечение
космических полетов и решение навигационных задач) и используется в
основном для поддержки ГЛОНАСС.
В соответствии с интерфейсным контрольным документом ГЛОНАСС [3]
бортовые эфемериды представляются в системе ПЗ-90.02. Это означает, что
координаты станций наземного контроля и управления (НКУ), по
наблюдениям которых вычисляются орбиты ГЛОНАСС, должны быть заданы в системе
ПЗ-90.02. Если в технологическом цикле определения орбит, прогноза и
вычисления бортовых эфемерид используются координаты в другой системе, то
© И. С. Гаязов, В. В. Суворкин, 2012
47
бортовые эфемериды должны быть преобразованы к ПЗ-90.02 с
использованием параметров связи между системами.
Таким образом, в практической реализации ГГСК участвуют несколько
сетей пунктов, точность взаимного согласования которых подробно не
исследована. Все это говорит о том, что реализация ГГСК на уровне современных
требований точности и ее согласование с международной земной системой
координат (ITRF) все еще остаются весьма актуальными. Запутанность
процедуры реализации системы и способов ее поддержки значительно усложняют
задачи по оценке ее стабильности и точности, а также по определению параметров
связи с системой ITRF. В этой ситуации определение параметров связи должно
основываться на использовании всей доступной информации.
В настоящее время можно использовать три источника данных для
определения параметров связи ГГСК к ITRF. Первым из них является Национальный
стандарт по системам координат (ГОСТ Р 51794-2008), в котором параметры
перехода от ГГСК к ITRF заданы таким образом, что ненулевыми являются
только параметры переноса начала координат, имеющие следующие значения:
Тх = 0.36 м; Ту = -0.08 м; Tz = -0.18 м. Второй источник - это координаты
пунктов IGS, на которые была распротранена система ПЗ-90.02. В качестве
третьего источника можно использовать бортовые эфемериды ГЛОНАСС. В работе
изложены особенности определения искомых параметров связи с
использованием последних двух источников данных и проведено сравнение полученных
по ним результатов между собой, а также с национальным стандартом. Для
определения параметров Гельмерта, включающих параметры переноса начала
координат 7^ Ту, Г2, параметры взаимной ориентации систем R» Ry, Rz и
поправку масштаба D, применяется стандартная методика, основанная на решении
избыточной системы уравнений для разностей координат одноименных
пунктов, заданных в двух системах.
Использование координат пунктов IGS
Система ПЗ-90.02 была распространена на следующие 14 пунктов сети
IGS на территории России: ARTU, BILI, ZWEN, ZECK, IRKT, KSTU, MAG0,
MDVO, NRIL, PETP, SVTL, TIXI, YSSK, YAKZ. Для этих пунктов в системе
приняты скорости изменения координат, обусловленные движением
тектонических плит в соответствии с геофизической моделью Nuvel-1 A.
Параметры связи ГГСК-ITRF определялись для двух эпох (2002.0 -
эпоха ПЗ-90.02 и 2012.0) с использованием координат перечисленных 14 пунктов
в обеих системах. При этом координаты предварительно приводились к
указанным эпохам с учетом соответствующих скоростей. Использовались две
последние версии международной земной системы: ITRF2005 (координаты отнесены
к эпохе 2000.0) и ITRF2008 (эпоха 2005.0).
Если определять только параметры переноса начала (фиксируя нулевые
значения углов поворота и масштабного коэффициента), то для Тх, Ту, Tz полу-
48
Таблица 1. Параметры переноса Тх, Ту, Tz на эпохи 2002.0 и 2012.0
Система
ITRF2005
ITRF2008
Эпоха
2002.0
2012.0
2002.0
2012.0
Г,, см
35.5 ±1.9
35.3 ± 2.0
35.1 ±2.1
35.0 ±2.2
Ту, см
-7.4 ±1.5
-7.6 ±1.5
-7.4 ±1.6
-7.1 ±1.6
Tz, см
-18.2 ±1.2
-21.5 ±1.3
-18.7 ±1.4
-21.3 ±1.5
Таблица 2. Параметры связи rrCK-ITRF2005 и скорости изменения
Эпоха
2002.0
2012.0
Годичные
изменения
Г* см
37.00
1.11
38.95
1.55
0.20
Ту, см
-10.98
2.40
-9.11
3.36
0.19
Г* см
-16.04
1.38
-20.00
1.93
-0.40
Rx,
мс дуги
1.487
0.907
0.729
1.270
-0.076
Ry,
мс дуги
0.462
0.363
1.050
0.508
0.059
мс дуги
-0.261
0.336
-0.909
0.471
-0.065
D
0.105- Ю-8
0.160-Ю-8
0.130-10 8
0.224-Ю-8
0.025-Ю-9
СКО,
см
1.5
2.2
Таблица 3. Параметры связи rrCK-ITRF2008 и скорости изменения
Эпоха
2002.0
2012.0
Годичные
изменения
Тх, см
37.35
1.19
37.18
1.73
-0.02
Ту, см
-13.13
2.57
-10.25
3.76
0.29
Tz, см
-16.26
1.48
-20.16
2.15
-0.39
RXf
мс дуги
2.220
0.972
1.212
1.418
-0.101
Ry,
мс дуги
0.684
0.389
0.674
0.568
-0.001
Rz,
мс дуги
-0.406
0.360
-0.357
0.526
0.005
D
-0.079-Ю-9
0.172-Ю-8
-0.361-10"9
0.250-Ю-8
-0.028-10"9
СКО,
см
1.7
2.4
чим значения (табл. 1), весьма близкие к декларированным в Национальном
стандарте смещениям начала системы относительно ITRF.
В табл. 2 и 3 даны значения всех параметров связи для тех же эпох и
систем. При этом значительная корреляция с коэффициентом, превышающим
0.95, имеет место только между параметрами Ту и Rx. Средние квадратические
значения невязок после трансформации систем с использованием полученных
параметров связи даны в последних столбцах таблиц. Определены также
годичные скорости изменения параметров (см. последнюю строку табл. 2 и 3).
Из табл. 2 и 3 видно, что параметры связи ГГСК-ITRF для указанного
подмножества станций определяются достаточно хорошо. Точность определения
параметров связи ГГСК-ITRF находится на уровне 5 см, а изменения
параметров, обусловленные различиями в скоростях изменения координат станций
в двух системах, составляют менее 5 мм/год.
49
Если система ГГСК определялась бы таким набором пунктов, параметры
связи можно было бы прогнозировать с достаточной точностью на
интервалах до 10 лет. Однако указанные пункты не являются определяющими для
ГГСК. Кроме того, наблюдения этих пунктов не используются для
определения не только бортовых эфемерид, но также и точных эфемерид ГЛОНАСС,
поскольку на этих станциях (за редким исключением) нет совмещенных
GPS/ГЛОНАСС-приемников.
Использование бортовых эфемерид ГЛОНАСС
При втором подходе параметры связи ГГСК-ITRF определялись с
использованием бортовых эфемерид спутников ГЛОНАСС и их точных орбит по
данным IGS, представленных в системе ITRF в виде известных 8РЗ-файлов.
Ошибки бортовых эфемерид зависят от большого числа факторов и
находятся в пределах 2-5 м. При этом фактор неопределенности системы координат,
в которой заданы координаты станций НКУ, в бюджете ошибок бортовых
эфемерид не является главным. Поэтому трудно ожидать получения параметров
связи по ним с большой точностью. В то же время достоинством этого
подхода является глобальное распределение большого объема данных. Кроме
того, осреднение ежесуточных данных на достаточно большом интервале дает
представление о долговременной устойчивости искомых параметров. Данные
о бортовых эфемеридах спутников ГЛОНАСС доступны на ftp-сервере
информационно-аналитического центра ГЛОНАСС: glonass-ianc.rsa.ru. Бортовые
эфемериды в формате RINEX (GLONASS navigation message) содержат
координаты спутников в ГГСК (ПЗ-90.02) с интервалом 30 мин по шкале UTC (SU).
Орбиты IGS являются результатом объединения решений нескольких
центров анализа и имеют точность около 5 см. Суточные файлы в формате SP3
дают координаты спутников в системе ITRF с интервалом 15 мин по шкале
времени GPS и доступны на ftp-сервере IGS: igscb.jpl.nasa.gov.
Прямое сравнение данных невозможно из-за различия шкал времени
UTC (SU) и GPS. Поэтому координаты спутников из 8РЗ-файлов с
использованием специальных утилит интерполировались на моменты, указанные в файлах
бортовых эфемерид, с учетом разности шкал UTC (SU) и GPS (15 с).
Необходимо учитывать, что в 8РЗ-файлах даются координаты центра масс спутника,
а в бортовых эфемеридах - координаты излучающей антенны.
Суточный набор данных содержит 900-1100 положений и позволяет
вывести 2700-3300 уравнений для определения семи параметров. Средние ква-
дратические значения остаточных разностей при использовании полученных
параметров связи находятся в пределах 1.3-2.0 м. Формальные ошибки
определения параметров связи остаются стабильными на большом интервале (на
уровне 5-7 см), а корреляционные связи между параметрами практически
отсутствуют (максимальный коэффициент корреляции не превышает 0.05).
На рис. 1-7 представлены ряды полученных параметров связи на
интервале 1 января 2010 г.-ЗО сентября 2011 г. (DOY - порядковый номер дня в году).
50
S
о
ЗС 60 90
I ' I ' I ' I ' I ' I
120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY 2010
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
120 150 180 21С 240 27С 300 ЗЗС 360
DOY 2011
Рис. 1. Параметр Тх
"Т^Т"
30 60 90
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY2010
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I Ч ' I
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY2011
Рис. 2. Параметр Ту
о
30 80 90 120
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
I50 180 210 240 270 300 330 360
DOY2010
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY2011
Рис. 3. Параметр Tz
51
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
DOY2010
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
30 60 SO 120 150 180 210 240 270 300 330 360
DO Y 2011
Рис. 4. Параметр Rx
i ' i ' i ' i ■ i ' i ■ i ' i • i ■ i ' i ■ i
30 60 90 120 150 180 21С 240 270 30C 330 360
DOY 2010
I ' I ' I
30 80 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY 2011
Рис. 5. Параметр Ry
!l
i 4
s
K\
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY 2010
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
DOY 2011
Рис. 6. Параметр Rz
52
J) 8.0E-9
D 8.0E-9
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
3C 6C 9C 120 150 180 210 240 270 300 330 360
DOY 2010
I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I
120 150 180 210 24C 27C 30C ЗЗС 36С
DOY2011
Рис. 7. Поправка масштаба/)
Осредненные поквартально в 2010 г. значения параметров связи ГГСК-ITRF
приведены в табл. 4.
Заметим, что полученные этим способом смещения центра ГГСК по
отношению к ITRF не согласуются со значениями, которые декларированы в
разделе об используемой системе коордршат национального стандарта [1], а также
с определяемыми по координатам пунктов IGS. Компоненты Тх и Ту
существенно меньше декларированных значений, а компонента Tz имеет как постоянный
сдвиг, так и долгопериодические вариации с амплитудой более 20 см. Кроме
того, имеется значительный долготный разворот, достигающий 15 мс дуги.
Определенная часть последнего может быть вызвана использованием
различающихся шкал всемирного времени при вычислении точных орбит и
бортовых эфемерид. Различия между срочными и окончательными данными
всемирного времени могут достигать 200-300 мкс, что в угловой мере составит
3.0-4.5 мс дуги. Оставшаяся часть разворота может быть вызвана тем, что
эффект несовпадения центров ITRF и ГГСК в технологических циклах
вычисления бортовых эфемерид может трансформироваться в долготный разворот из-
за ограниченного долготного разнесения пунктов НКУ.
Таблица 4. Средниеквартальные значения параметров связи ГГСК-ITRF
Эпоха
MJD
55241
55331
55421
55514
Тх, см
0.12
±0.92
0.17
±0.85
-0.39
±0.85
-0.19
±0.78
Ту, см
-2.39
±0.83
-1.37
±0.79
-0.15
±0.83
-0.93
±0.80
Т2, см
-10.55
±1.43
-29.47
±1.34
-34.75
±1.66
-10.25
±1.04
R*
мс дуги
0.42
±0.17
0.13
±0.14
0.27
±0.14
0.58
±0.14
Ry,
мсдуги
-0.45
±0.17
0.21
±0.19
-0.03
±0.17
-0.07
±0.18
R:,
мс дуги
16.71
±0.56
15.88
±0.64
13.76
±0.70
15.06
±0.49
D
-3.50 • Ю-9
±0.11 • 10"9
-2.53 • 10"9
±0.10 • 10"9
-2.57 • 10"9
±0.13 • 10"»
-2.00 • 10-"
±0.10 • 10"»
53
Литература
1. ГОСТ Р 51794-2008. Национальный стандарт Российской Федерации.
Глобальные навигационные спутниковые системы. Системы координат.
Методы преобразований координат определяемых точек.
2. Базлов Ю. А., Максимов В. Г. и др. Технология расчета точных
эфемерид навигационных космических аппаратов и координат пунктов космической
геодезической сети // Труды ИПА РАН. - СПб., 2005. - Вып. 13. - С. 380-385.
3. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.
Интерфейсный контрольный документ. Редакция 5.1. - М, 2007.
Determination of Transformation Parametrs
Between GGSK and ITRF
I. S. Gayazov, V. V. Suvorkin
The state geocentric reference frame (GGSK) has been introduced into practice
in 2000 for using in space navigation including GLONASS operational tasks.
Transformation parameters between GGSK and international terrestrial reference
frame (ITRF) were determined with application of two various approaches. The first
one is to use coordinates in two systems of IGS network stations in Russian Federation.
The second approach is based on comparing onboard GLONASS ephemeris with its
precise ephemeris produced by IGS analysis centers. The comparative analysis of
results was performed.
54
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Определение параметров вращения Земли
из наблюдений на РСДБ-сети «Квазар-КВО»
[А, М. Финкельштейн!, А. В. Ипатов, И. С. Гаязов,
Е. А. Скурихина, С. Л. Курдубов, И. Ф. Суркис, С. Г. Смоленцев,
А. И. Сальников, Л. В. Федотов, Д. В. Иванов, И. А. Рахимов,
А. А. Дьяков, Р. Ю. Сергеев
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Регулярные наблюдения для определения параметров вращения
Земли (ПВЗ) проводятся на РСДБ-комплексе «Квазар-КВО» с 2006 г.
в рамках двух отечественных программ: Ru-E - суточные программы
на сети из трех станций для определения всех типов ПВЗ и Ru-U-одно-
часовые наблюдения на базе «Зеленчукская-Бадары» для оперативного
определения всемирного времени. Точность определения ПВЗ по
данным за 2011 г. составляет 1 мс дуги для координат полюса, 0.46 мс дуги
- для координат небесного полюса, 31 \is- для всемирного времени по
суточным сессиям Ru-E, 56 jxs — для всемирного времени по программе
Ru-U. Оперативность составляет 2-3 ч для срочных сессий и 2-3 сут для
сессий Ru-E.
Ключевые слова: РСДБ, координатно-временное обеспечение,
ПВЗ, Квазар-КВО, оперативность.
РСДБ-комплекс «Квазар-КВО» предназначен для решения
широкого круга задач фундаментального координатно-временного обеспечения.
РСДБ-комплекс «Квазар-КВО» состоит из Центра корреляционной
обработки (ЦКО), Центра обработки и анализа данных (ЦОАД) РАН и трех
обсерваторий: «Светлое» (Ленинградская обл.), «Зеленчукская» (Северный Кавказ),
«Бадары» (республика Бурятия), - образующих 3-элементную постоянно
действующую РСДБ-сеть с базами 2015 х 4282 х 4405 км.
Все обсерватории сети «Квазар-КВО» оборудованы 32-метровыми
радиотелескопами (PT-32) и техническими системами для обеспечения РСДБ-
наблюдений. Сеансы РСДБ-наблюдений проводятся в S- и Х-диапазонах
с использованием системы регистрации Mark 5B. Системы
преобразования сигналов (СПС) в обсерваториях различаются некоторыми деталями:
© А. М. Финкелыптейн, А. В. Ипатов, И. С. Гаязов, Е. А. Скурихина, С. Л. Курдубов,
И. Ф. Суркис, С. Г. Смоленцев, А. И. Сальников, Л. В. Федотов, Д. В. Иванов, И. А. Рахимов,
А. А. Дьяков, Р. Ю. Сергеев, 2012
55
«Светлое» имеет СПС Mark IV, «Зеленчукская» имеет DAS VLBA4, в
обсерватории «Бадары» используется СПС-Р1000, разработанный в ИПА РАН. В мае
2011 г. в сеансе IVS-R4482 было проведено тестирование новой цифровой
системы преобразования сигналов Р1002М [2, 3], которая с ноября 2011 г. будет
установлена во всех обсерваториях комплекса «Квазар-КВО».
С августа 2006 г. проводятся регулярные определения параметров
вращения Земли средствами радиоинтерферометрической сети «Квазар-КВО» в
рамках двух национальных программ:
- программы Ru-E: суточные сессии трех обсерваторий сети для
определения всех пяти ПВЗ;
- программы Ru-U: сессии на базе «Зеленчукская-Бадары» (или
«Светлое-Бадары») для оперативного определения всемирного времени.
Для первых наблюдений на комплексе «Квазар-КВО» с 2006 г. по январь
2009 г. использовалась система регистрации S2. Наблюдения проводились раз
в две недели и обрабатывались на корреляторе ИПА РАН, 8-часовые сессии по
программе Ru-U проводились в экспериментальном режиме с
использованием двух или трех обсерваторий. С февраля 2009 г. для наблюдений по
отечественным программам используется система регистрации Mark 5В,
проводится дальнейшая экспериментальная отработка сессий Ru-U длительностью от
4 до 2 ч, наблюдения обрабатываются на новом двухстанционном
корреляторе АРК-2. В апреле 2009 г. был проведен успешный эксперимент по передаче
данных наблюдений часовых сессий в режиме е-РСДБ, с сентября 2009 г.
наблюдения по программе Ru-U длительностью 1 ч проходят в режиме е-РСДБ.
С начала 2010 г. наблюдения выполняются на регулярной основе раз в неделю
и обрабатываются в ЦКО на 6-станционном корреляторе АРК-6 [4].
В настоящее время наблюдения проводятся еженедельно по пятницам
с 22 ч по всемирному времени. Сначала выполняются наблюдения по программе
Ru-U в режиме е-РСДБ, затем следует суточная сессия по программе Ru-E.
Для вторичной обработки отечественных РСДБ-наблюдений в ЦОАД РАН
используется программный пакет QUASAR. Координаты и скорости станций,
используемых при анализе даных, были оценены путем глобального
уравнивания с помощью пакета QUASAR [1]. Координаты источников
фиксируются международной системой коодринат ICRF2. В качестве опорного ряда ПВЗ
используется ряд Международной службы вращения Земли и систем отсчета
IERS 08 С04 (или ряд срочной службы Морской обсерватории США) с
прогнозом, выполненным в ИПА РАН.
Поскольку наблюдения проводятся в опреративном режиме, данные
о численной картирующей функции, используемой в рутинном анализе и
вычисляемой Центром анализа РСДБ-даных Венского технического
университета, еще недоступны, поэтому используется аналитическая катрирующая
функция Ниела. Также недоступны и данные об атмосферной нагрузке,
вычисляемые в Годдардовском центре космических полетов, поэтому для расчета
атмосферной нагрузки в срочном режиме обработки используется регрессионная
56
модель. В процессе оценивания используется стандартная параметризация,
используемая при анализе данных в Центре анализа ИПА РАН за исключением
того, что при обработке отечественных сессий наблюдений не оцениваются
тропосферные градиенты.
Данные наблюдений программы Ru-U передаются в ЦКО РАН в
режиме квазиреального времени с использованием протокола «Tsunami» с
промежуточной буферизацией данных после корреляционной обработки, которая,
как правило, занимает не более 1 ч. Затем результаты обработки в формате
NGS появляются на сервере ИПА РАН, после чего происходит их дальнейшая
обработка в автоматическом режиме с помощью пакета QUASAR. Файл с
результатами определения всемирного времени доступен на сайте ИПА РАН:
ftp://quasar.ipa.nw.ru/pub/EOS/IAA/veopi-ru.dat.
Данные наблюдений по программе Ru-E доставляются в ЦКО РАН в
течение 1-2 дней, результаты обработки в виде файлов формата NGS доступны
на сайте ИПА через 2-3 сут после наблюдений, после вторичной обработки
этих данных обновляется файл ПВЗ, который доступен на сайте ИПА РАН [5].
Точность определения ПВЗ оценивается, как это принято, путем
сравнения полученных значений с рядом Международной службы вращения Земли
и систем отсчета IERS 08C04. По данным за 2011 г. точность определения ПВЗ
(СКО разностей с рядом IERS 08 С04 после вычитания тренда) по
наблюдениям сети «Квазар-КВО» по программе Ru-E по 38 сессиям составляет 1 мс дуги
для координат полюса, 37 мкс - для всемирного времени, 0.45 мс дуги - для
координат небесного полюса. Погрешность определения всемирного времени
по 57 сессиям по программе Ru-U, проведенным в режиме е-РСДБ, составляет
56 мкс. Результаты сравнения ПВЗ, полученных по программам Ru-E и Ru-U
с рядом IERS 08C04, представлены на рис. 1-7. На рис. 1-5 показаны разности
для ПВЗ, полученных по суточным сессиям РСДБ-наблюдений Ru-E; на рис.
6 и 7 представлены данные для поправок ко всемирному времени,
полученные из сессий по программе Ru-U, на рис. 7 - данные по одночасовым сессиям
с передачей данных в режиме е-РСДБ.
Таким образом, точность и оперативность определения ПВЗ из
РСДБ-наблюдений по отечественным программам наблюдений соответствует
требованиям федеральной целевой программы «ГЛОНАСС».
мс дуги
„
^
6
4
2
0
-?
-4
-6
I
_ ■
■
-fe
!•# ■....*
- f :: •»
ш.
i
1 -
S2 "
к *
■ -
а
,
1 1
1 МагкбЬ
•
■ ■ -
i
■
1 .
1
II- • РФ
* :*
i
i
-
i$f^~
■ _
-
1
2007 2008
2009 2010 2011 2012
Рис. 1. Х-координата полюса: разности с рядом IERS после удаления тренда, мс дуги
57
s
о
6
4
2
0
-2
-4
-6
'I
»
'i
II' 1
a
*
S2 Iе МегкбЬ
:i:..i<J:4:
si i i И -
1 г ■ Ч-* •
* *
i i
• : —
•*
i i
2007 2008 2009 2010 2011 2012
Рис. 2. У-координата полюса: разности с рядом IERS после удаления тренда, мс дуги
н
D
<
300
200
100
0
-100
-200
-300
1 1
S2
"" а
• •
ГШ::>...:ВГ .,..Ь
*
L ■ -. -.. |«
Г Р
i i ■■
а
Wilt
—1 1 1 1
Mark5b
т
1 1 1 1
2007 2008 2009 2010 2011
2012
Рис. 3. Всемирное время AUT1: разности с рядом IERS после удаления тренда, мкс
2
*4
6
4
2
0
-2
-4
-6
I i —1 1
S2 • МагкбЬ
"Н ; —! т а _, ...
-,i"!*-|« *...*г«- ..д..|д,л1:„р...»
■.«••^ i.m П'гш
а
l l I I
г—1 т
*!&*%§*•#*-
' '
2007 2008 2009 2010
2011 2012
Рис. 4. Х-координата небесного полюса: разности с рядом IERS после удаления
тренда, мс дуги
58
о
2
6
4
2
О
-2
-4
-6
1
-
1
1 1 1
S2 " Mark5b
L-«_....!
A Is" i
uUM-..*
i i i
i i |
-^
Ц№р^тШ]
i i
2007 2008 2009 2010 2011
2012
Рис. 5. У-координата небесного полюса с: разности с рядом IERS после уцаления
тренда, мс дуги
400
200
8
~ о
н
о
< -200
-400 Ь
п г
. S2
МагкбЬ
.1*
• ■
2007 2008 2009 2010 2011 2012
Рис. 6. Всемирное время AUT1: разности с рядом IERS после уцаления тренда, мкс
300
200
| юо
~ о
н
D -100
<
-200
-300 I-
I I I
........ .#.«......^... ^Л^Д*^Га!^...Г-д.^..^ .TJ ....
* » • • * • Н
_ i
i i
! —1
1 1 1
2010
2011
2012
Рис. 7. Всемирное время AUT1: разности с рядом IERS после уцаления тренда, мкс
59
Литература
1. Курдубов С. Л., Губанов В. С. Глобальное уравнивание РСДБ-
наблюдений // См. наст. сб. - С/ 245-247.
2. Финкелыитейн А, М, Ипатов А, В, и др. Геодинамические наблюдения
на РСДБ-сети «Квазар-КВО» в 2009-2011 годах // Письма в Астрон. журн. -
2012. - Т. 38, № 6. - С. 446-451.
3. Гренков С. А, Носов Е. В., Федотов Л. В. Цифровая радиоинтерферо-
метрическая система преобразования сигналов // Приборы и техника
эксперимента. - М: Наука, 2010. - № 5. - С. 60-66.
4. Суркис И. Ф., Зимовский В. Ф. и др. Аппаратно-программное
обеспечение коррелятора АРК // Фундаментальное и прикладное координатно-времен-
ное и навигационное обеспечение (КВНО-2009). Третья Всерос. конф. - СПб.:
ИПА РАН, 2009. - С. 223-230.
5. URL: ftp//quasar.ipa.nw.ru/pub/EOS/IAA/veops-ru.dat.
ЕОР Determination from VLBI-Network «QUASAR»
Observations
A. Finkelstein, A. Ipatov, I. Gayazov, E. Skurikhina, S. Kurdubov,
I. Surkis, S. Smolentsev, A. Salnikov, L. Fedotov, D. Ivanov, I. Rahimov,
A. Dyakov, R. Sergeev
Regular observations for determinations of Earth orientation parameters have
been performed by the Russian VLBI network "Quasar" since August 2006. The
observations are carried out weekly in the framework of two national programs: 24-hour
sessions for determination of all EOP from observations on the "Quasar" network
(Ru-E program) and 1-hour sessions for UT1 determination at "Zelenchukskaya" -
"Badary" baseline (Ru-U program) using e-VLBI data transfer. EOP accuracy for
2011 observations from Ru-E sessions is about 1 mas for polar coordinates, 37 for
dUTl, and 0.46 mas for Celestial Pole coordinates. Accuracy of dUTl from Ru-U
sessions is about 56 |is. The results are available in 2-3 hours after the beginning of
Ru-U sessions and in 2-3 days after Ru-E sessions.
60
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Высокоточная односторонняя лазерная дальнометрия:
состояние и перспективы применения в ГЛОНАСС
М. А. Садовников, А. А. Федотов, В. Д. Шаргородский
ОАО «НПК «Системы прецизионного приборостроения», г. Москва, Россия
Рассмотрены особенности технологии высокоточной
односторонней лазерной дальнометрии, возможность ее использования в задачах
частотно-временного обеспечения ГЛОНАСС и в задачах калибровки
и верификации измерений, выполняемых запросными и беззапросными
радиотехническими измерительными системами и навигационными
(геодезическими) приемниками.
Представлена экспериментальная лазерная система,
предназначенная для высокоточных измерений расхождения бортовых и наземной
шкал времени ГЛОНАСС, а также для взаимной синхронизации шкал
времени пунктов, удаленных на большие расстояния. Рассмотрен
принцип действия системы, основанный на сопоставлении данных
измерения двойного времени задержки лазерного импульса с данными
односторонней лазерной локации. Представлены характеристики, методы
калибровки бортовой и наземной аппаратуры, алгоритм обработки
измерительных данных, дана оценка ожидаемой точности измерений.
Ключевые слова: лазерные измерения, лазерная сеть,
односторонняя лазерная дальнометрия, шкала времени, ГЛОНАСС, квантово-опти-
ческая станция.
В космической геодезии и спутниковой навигации лазерные измерения
дальности с использованием квантово-оптических станций (КОС) не имеют
альтернативы при установлении и поддержании общеземных геоцентрических
систем отсчета пространственных координат [1]. Отличительная особенность
техники спутниковой лазерной дальнометрии состоит в том, что с ее
помощью с миллиметровой точностью определяются как параметры орбит
геодезических космических аппаратов (КА), так и геоцентрические координаты
измерительных КОС. Это позволяет с наивысшей степенью точности фиксировать
положение начала (геоцентра) и масштаб общеземной системы координат,
а также устанавливать систему отсчета в виде координат опорных пунктов
сети лазерных измерительных станций, которая может быть транслирована
) М. А. Садовников, А. А. Федотов, В. Д. Шаргородский, 2012
61
в сети беззапросных измерительных систем (БИС) и сети
радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ) [2].
Российская лазерная сеть (рис. 1), создание которой планируется
завершить в 2012 г., содержит 24 станции, причем еще две-три станции
планируется установить за пределами России. Из них четыре станции входят в состав
Международной службы лазерной дальнометрии (ILRS), на основании
наблюдательных данных которой устанавливается и поддерживается Международная
отсчетная основа (ITRF), три станции образуют узлы колокации с российской
радиоинтерферометрической системой «Квазар-КВО». Остальные размещены
на астрономо-геодезических пунктах и пунктах наземного комплекса
управления НКУ ГЛОНАСС, причем многие лазерные станции оснащены БИС, что
позволяет передавать точные координаты в другие измерительные сети.
Применительно к системе ГЛОНАСС практическое значение лазерной
сети состоит в определении и поддержании в актуальном состоянии
параметров перехода между государственной геоцентрической системой координат
ПЗ-90.02 и международными системами отсчета ITRF и WGS-84, а также в
калибровке и контроле измерений, выполняемых и обрабатываемых
средствами НКУ ГЛОНАСС, системы высокоточного определения эфемерид и
временных поправок (СВОЭВП) и системы контроля целевых характеристик (СКЦХ).
Указанные применения относятся к задачам фундаментального и эфемеридно-
го обеспечения спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС [3].
Высокоточные лазерные измерения дальности основаны на измерении
времени прохода ультракороткого лазерного импульса от лазерной станции до
ретрорефлекторной системы КА и обратно с погрешностью в диапазоне
нескольких десятков пикосекунд [4], причем необходимая точность привязки
измерений к шкале времени лазерной станции обычно не превышает нескольких
сотен наносекунд.
ф • КОС, эксплуатирующиеся в настоящее время
Ф - КОС для оснащения АГП
• • КОС, заказанные ФКА для НКУ «ГЛОНАСС»
ф - КОС, заказанные Госстандарт
ф - КОС для оснащения РСДБ РАН
Рис. 1. Российская сеть лазерных станций (2012 г.)
62
Естественным развитием двухсторонней дальнометрии является
односторонняя лазерная дальнометрия, которую можно рассматривать как новую
и перспективную концепцию использования лазерных измерений в
космической геодезии и навигации. В отличие от традиционных двухсторонних
лазерных дальномеров односторонние (беззапросные) лазерные дальномеры не
используют лазерный импульс для измерений отраженной ретрорефлекторной
системы КА.
Для осуществления односторонней лазерной дальнометрии на борту КА
размещается фотоприемное устройство, измеряющее время прихода
лазерного импульса в шкале бортового стандарта частоты и времени. Результаты
измерений по телеметрической радиолинии передаются в наземный центр
обработки данных, в который также поступают измерения периодов излучения
лазерных импульсов в шкале времени наземного стандарта частоты и времени.
При обработке данных одностороннее время распространения определяется
как разность времени прихода импульса на борт КА в бортовой шкале времени
и времени старта импульса в наземной шкале времени (рис. 2). Таким образом,
результатом работы одностороннего лазерного дальномера является «лазерная
псевдодальность», равная задержке распространения лазерного импульса за
вычетом разности хода бортового и наземного стандартов частоты.
Данные измерений одностороннего лазерного дальномера могут быть
использованы в задачах ГЛОНАСС двумя способами. Во-первых,
псевдодальность является текущим навигационным параметром при всех видах из-
Секунда Принятый
П лазерный импульс
. -4
Бортовое время
У
Излученный /Секунда
-~-~ -к-
Наземное время
ь
т
\. Щ-Щт*вт±11
Отраженный
лазерный импульс
Рис. 2. Принцип действия одностороннего лазерного дальномера: AT- разность хода
шкал времени; TsnTE- моменты старта и прихода импульса соответственно
в бортовой и наземной шкалах времени; т - время двойного прохода импульса
63
мерений в навигационном канале ГЛОНАСС. Следовательно, лазернную
псевдодальность можно рассматривать как эталонный параметр для калибровки
всех видов измерений в навигационном канале, выполняемых наземной
аппаратурой потребителей (НАЛ), (БИС), а также бортовой аппаратурой
межспутниковых измерений (ВАМИ и БИНК).
Кроме того, данные измерений односторонней лазерной дальнометрии
могут быть естественным образом объединены с данными двухсторонней
лазерной дальнометрии. Наблюдаемые значения Аткос при двухсторонней
лазерной дальнометрии описываются соотношением
-сАтК0С =\\rs -ONW-rJ + 8 +SK?C +... + 8.
где Vs - радиус-вектор КА в геоцентрической небесной системе координат;
гЕ - радиус-вектор КОС в геоцентрической общеземной системе координат;
QNW - матрица перехода; 8atm - поправка на распространение импульса в
атмосфере; 5кос- калибровочная поправка; 8 - шумы измерений.
Наблюдаемые величины Аткос при односторонней лазерной
дальнометрии описываются соотношением
cAxBKOC=p-QNWT£||-c-8^ + c-6r£ + 8atm+6rc+... + e,
где Ь£ и Ы - смещение бортовой и наземной шкал времени относительно си-
стемной шкалы времени ГЛОНАСС; оса1 - калибровочная поправка
одностороннего лазерного дальномера.
Очевидно, что при уравнивании калибровочных поправок их разность не
зависит от параметров атмосферы и равна разности хода бортовой и наземной
шкал времени. Следовательно, использование разности одно- и двухсторонних
измерений позволяет:
- выполнять высокоточное сличение бортовых и наземных стандартов
частоты и времени на субнаносекундном уровне точности измерений;
- выполнять синхронизацию удаленных наземных стандартов частоты
и времени и создавать сети опорных пунктов с прецизионной привязкой шкал
времени к UTC (SU) и центральному синхронизатору (ЦС) ГЛОНАСС;
- контролировать точность частотно-временных поправок и параметров,
формируемых НКУ, СВОЭВП и СКЦХ ГЛОНАСС.
Для внедрения односторонней лазерной дальнометрии в ГЛОНАСС и
отработки технических решений в ОАО «НПК «СПП» создана
экспериментальная лазерная система контроля частотно-временной синхронизации ГЛОНАСС
[5] (рис.3).
В системе ГЛОНАСС системная шкала времени формируется ЦС,
построенным на основе ансамбля водородных стандартов частоты, а
частотно-временные поправки к бортовым шкалам времени относительно системной шкалы
времени рассчитываются в центре управления системой. Расчет
частотно-временных поправок основан на сравнении измерений дальности, выполняемых
запросной измерительной станцией, и измерений псевдодальности, выполня-
64
Бортовое
синхронизирующее
устройство
X
ББКОС
ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ:
- мониторинг бортовых шкал времени;
- синхронизация удаленных талонов. J
Сличение
шкал времени
НБКОС
,
i
КОС
Центральный
синхронизатор
1—■
Беззапросное
измерительно
средство
L
Запросное
измерительное
средство
+
Центр
управления
системой
J
Станция
контроля
и управления
♦
Частотно-временные
поправки
Рис. 3. Экспериментальная лазерная система контроля частотно-временной
синхронизации ГЛОНАСС
емых БИС. В настоящее время точность подобного рода аппаратуры сличения
шкал времени не превышает нескольких наносекунд.
Экспериментальная лазерная система контроля частотно-временной
синхронизации ГЛОНАСС создается в целях сличения бортовых и наземных шкал
времени с систематической и случайной погрешностями на уровне порядка
100 пс и взаимной синхронизации удаленных на большие расстояния
наземных стандартов частоты и времени.
В состав экспериментальной лазерной системы контроля (см. рис. 3)
входят спутниковые лазерные дальномеры КОС, расположенные вблизи
центральных синхронизаторов ГЛОНАСС, наземные модули НБКОС, предназначенные
для высокоточных измерений времен излучения лазерных импульсов КОС
в шкале времени ЦС, и бортовой модуль ББКОС, предназначенный для
измерения времен прихода лазерных импульсов на борт НКА ГЛОНАСС в шкале
времени бортового синхронизирующего устройства (БСУ).
Принцип действия лазерной системы контроля основан на рассмотренном
ранее объединении одно- и двухсторонних измерений дальности,
позволяющем определить смещение бортовой шкалы времени относительно шкалы
времени ЦС. Синхронизация удаленных наземных стандартов частоты
выполняется путем одновременного определения смещения бортовой шкалы времени
относительно шкал времени синхронизируемых пунктов.
Для проведения космического эксперимента привлекаются КОС,
входящие в состав российской лазерной сети и расположенные в Щелково
(Московская обл.), Комсомольске-на-Амуре и Алтайском оптико-лазерном
центре. КОС в Подмосковье и Комсомольске-на-Амуре расположены в
непосредственной близости от ЦС ГЛОНАСС. КОС в Алтайском оптико-лазерном
центре оснащена водородным стандартом частоты.
65
Бортовой модуль размещается в верхней части навигационного спутника
Глонасс-М, имеет массу около 6.5 кг и энергопотребление около 35 Вт (с
учетом системы термостатирования). Основными составными частями бортового
модуля являются мозаичное фотоприемное устройство (ФПУ) и таймер,
измеряющий время прихода лазерных импульсов, детектируемых
фотоприемником, в шкале времени бортового синхронизатора БСУ (рис. 4).
ББКОС
Процессор
[Таймер ББКОСИ ФПУ
БСУ
Телеметрическая
радиолиния
Рис. 4. Структурная схема бортового модуля ББКОС
Мозаичное ФПУ имеет семь каналов с раздельными приемными
объективами с полем зрения около 9° и диаметром около 8 мм и установленными в их
фокальной плоскости лавинными фотодиодами. Пороговые дискриминаторы
каналов объединены по схеме «или», поэтому в целом каналы функционируют
как единое ФПУ. Мозаичная схема была выбрана для полного перекрытия
видимого диска Земли и уменьшения влияния фона солнечного излучения,
рассеянного подстилающей поверхностью. Рабочая длина волны ФПУ - 0.532 мкм,
уровень фона ограничивается интерференционным фильтром с полосой
пропускания около 3 нм. Рабочий диапазон освещенностей ФПУ, в котором
обеспечивается измерение времен прихода лазерных импульсов с заданной
точностью, составляет 0.02-2.0 фДж/мм2. Бортовое запоминающее устройство
обеспечивает объем измерений до 2-106 импульсов в сеансе наблюдения и
позволяет получать ограниченные по объему выборки из массива измерений для
повышения оперативности доставки бортовых измерительных данных.
Случайная погрешность однократных измерений времени прихода
импульсов определяется длительностью лазерного импульса, шумами ФПУ, таймера,
бортового синхронизатора и оценивается значением не более 130 пс.
Систематическая погрешность бортовых измерений времени прихода
импульсов определяется точностями калибровки временных задержек в
кабельном соединении с бортовым синхронизатором, в таймере и ФПУ устройстве,
а также точностью определения разности времен прихода импульса в центр
отражения ретрорефлекторной системы и в оптический центр бортового модуля.
Для устранения переменных задержек, связанных с зависимостью измеренных
времен прихода от амплитуды импульсов, фотоприемные каналы снабжены
устройствами измерения амплитуды, причем данные амплитудных измерений
передаются в центр управления системой в составе общего массива
измерительных данных. До и непосредственно после сеанса измерений весь
измерительный тракт калибруется активной системой калибровки с использованием
лазерного диода, размещенного в оптическом центре бортового модуля, что
66
позволяет устранить переменные задержки, связанные с изменениями
температуры окружающей среды.
Наземный модуль (рис. 5) располагается непосредственно на КОС и
является по сути дополнительным модулем КОС. Основными составными
частями наземного модуля являются оптико-электронный конвертер, размещаемый
в непосредственной близости от наземного стандарта частоты (ЦС),
измерительный фотоприемник и таймер, измеряющий время излучения импульсов
лазерного передатчика КОС в шкале времени ЦС. Последний может находиться
на значительном расстоянии от КОС (до 1 км), поэтому для соединения
наземного стандарта с НБКОС используется широкополосная волоконная линия
связи.
ОЕ
конвертер
Оптические метки времени I -»
о
£
А Лазерный импульс
п
Центральный
синхронизатор
Волоконный шлейф
Измерительный
фотоприемник
Лазер КОС
Таймер НБКОС М
Компьютер
Данные
КОС
В линию связи
Рис. 5. Структурная схема наземного модуля НБКОС
Для формирования точных меток времени ЦС используется переход через
ноль его синусоидального сигнала. Оптико-электронный конвертер
преобразует формируемые электрические сигналы точного времени в оптические
сигналы для их передачи по волоконной линии. Длительность оптических меток
времени 35 пс, рабочая длина волны 1.3 мкм. Оптические метки времени
наземного стандарта частоты поступают на вход измерительного фотоприемника
наземного модуля, на который по короткой оптической линии связи также
поступают ослабленные импульсы лазерного передатчика КОС. В качестве
измерительного фотоприемника используется германиевый фотодиод с временем
нарастания переходной характеристики 70 пс. Взаимное расположение
импульсов измеряет таймер событий, погрешность измерений которого не
превышает 40 пс. Обработка измерений выполняется на компьютере,
формирующем файл данных наземных измерений с учетом измерительных данных КОС
и калибровочных данных.
Случайная погрешность однократных измерений времени прихода
ответных импульсов с учетом погрешностей привязки измерений к шкале времени
наземного стандарта частоты определяется длительностью лазерного
импульса, разрешающей способностью фотоприемника ответных импульсов КОС,
случайными погрешностями таймеров КОС и НБКОС, а также джиттером
оптических меток наземного эталона. При разрешающей способности фотопри-
67
емника КОС 30 пс погрешность однократных измерений НБКОС оценивается
значением не более 90 пс.
Систематическая погрешность наземных измерений определяется
точностями калибровки временных задержек в волоконных соединениях
измерительного фотоприемника с наземным стандартом частоты и лазерным
передатчиком КОС, а также точностью определения системной поправки КОС.
Для контроля задержки оптических меток времени в волоконной линии
связи используется дополнительный волоконный шлейф, который
прокладывается вместе с основной линией связи и имеет двойную длину по отношению
к последней. В результате время задержки в шлейфе равно двойному
времени задержки оптических меток на трассе от наземного стандарта частоты до
НБКОС. Оптический сигнал с выхода шлейфа направляется на
измерительный фотоприемник НБКОС, на выходе которого формируются электрические
импульсы основной лршии и шлейфа, расстояние между ними соответствует
текущей задержке в волоконном соединении. Для повышения точности
определения системной поправки КОС предусмотрено проведение калибровочных
измерений непосредственно в сеансе лазерной локации с последующим
усреднением результатов многократных измерений системной поправки.
Как бортовые, так и наземные регистрации лазерных импульсов являются
случайными событиями. Из-за турбулентных явлений в атмосфере
вероятности обнаружения лазерных импульсов на борту НКА составляют от 10 до 30 %,
из-за слабого уровня ответных сигналов вероятности обнаружения лазерных
импульсов в наземной аппаратуре составляют от 1 до 10 %. Для совместной
обработки таких событий и селекции мощного фона рассеянного солнечного
излучении разработан алгоритм, способный решать задачу односторонних
измерений в условиях, когда для каждого бортового измерения не обязательно
имеется соответствующее наземное измерение, и наоборот, когда для каждого
наземного измерения не обязательно имеется соответствующее бортовое
измерение. Суть алгоритма в том, что односторонние дальности между лазерной
станцией и навигационным КА вычисляются раздельно по бортовым и
наземным измерениям в следующей последовательности.
1. В бортовые и наземные измерения вводятся калибровочные поправки,
приводящие измерения соответственно в центр отражения ретрорефлекторной
системы навигационного спутника и в точку пересечения осей вращения
оптического телескопа КОС.
2. По априорным данным отыскиваются (селектируются) бортовые
измерения, соответствующие каждому времени излучения зондирующих импульсов.
3. По бортовым и наземным измерениям раздельно методом наименьших
квадратов определяются односторонние времена распространения лазерных
импульсов ть и т .
4. Вычисляется расхождение бортовой и наземной шкал времени X по
соотношению X = т, - т .
ь g
68
Таким образом, расхождение между бортовой и наземной шкалой времени
определяется как разность значений одностороннего времени распространения
лазерных импульсов, вычисленных по бортовым и наземным измерениям
Экспериментальная лазерная система контроля, включающая в себя
наземный модуль, сопряженный с центральным синхронизатором ГЛОНАСС,
штатный спутниковый лазерный дальномер, бортовой модуль, сопряженный
с имитатором бортового синхронизирующего устройства,
программно-математическое обеспечение, прошла автономные и комплексные испытания
в рамках испытаний системы контроля целевых характеристик ГЛОНАСС.
Подтвержденные точностные характеристики лазерной системы контроля
составляют: по систематической погрешности сличения бортовой и наземной
шкал времени - не более 100 пс, по случайной погрешности однократных
сличений бортовой и наземной шкал времени - не более 200 пс, по случайной
погрешности многократных сличений бортовой и наземной шкал времени - не
более 10 пс. Летные испытания лазерной системы контроля
частотно-временной синхронизации ГЛОНАСС намечены на 2012 г.
Литература
1. Ries J. С. Laser ranging to GNSS & LPOD2005 // Pro. of the Intern. Tech.
Laser Workshop. Greece, Metsovo. - 2009.
2. Садовников М. А., Федотов А. А., Шаргородский В. Д. Высокоточная
лазерная дальнометрия: состояние, проблемы, результаты применения в
ГЛОНАСС // Фундаментальное и прикладное координатно-временное и
навигационное обеспечение. Третья Всерос. конф. - СПб., 2009. - С. 45-45.
3. Финкелыитейн А. М. Фундаментальное координатно-временное
обеспечение // Вестник РАН. - 2007. - № 7.
4. Васильев В. 77., Шаргородский В. Д. Прецизионная спутниковая
лазерная дальнометрия на основе лазеров с высокой частотой повторения импульсов
// Электромагнитные волны и электронные системы. - 2007. - № 7. - С. 6-10.
5. Moshkov V. L.t Sadovnikov M. A., Fedotov A. A.t Shargorodskiy V. D.
Experimental Laser System for Monitoring of GLONASS Time/Frequency
Synchronization // Proc. of the 17th Intern. Workshop on laser ranging. Bad Koetzting,
2011.
69
High-precision one-way Laser Ranging:
Status and Prospects of Application in the GLONASS
M. A. Sadovnikov, A. A. Fedotov, V. D. Shargorodskiy
The features of high-precision one-way laser ranging technique, the possibility
of its use in problems of GLONASS time/frequency synchronization, as well as in
the problems of calibration and verification measurements performed by RF means.
A laser-based experimental system is presented for high-accuracy in-flight
calibration of regular RF means used for comparison of GLONASS on-board and on-
ground clocks, as well as for mutual synchronization of on-ground clocks at different
far-away points of territory. The system operation principle is based on comparison
of two-way time-of-flight attained by satellite laser ranging (SLR) of the GLONASS
spacecraft and data of one-way laser measurements. Parameters and methods of
onboard and on-ground equipment calibration are presented, as well as a measurement
data processing algorithm. The expected measurement accuracy is also evaluated.
70
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23,2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Направления совершенствования
системы определения параметров вращения Земли
наземного сегмента ГЛОНАСС
А. Н. Жуков, В. В. Пасынков
4 ЦНИИ Минобороны России, г. Юбилейный, Россия
Представлены этапы создания системы определения параметров
вращения Земли (ПВЗ) и работы, проводимые в рамках её
модернизации. На основе анализа выполненных работ определён состав
модернизируемой системы и функциональные задачи её основных
элементов. Предложена схема информационно-логического взаимодействия
элементов самой системы и потребителей информации. Приведён
перечень мероприятий в интересах совершенствования системы
определения ПВЗ.
Ключевые слова: параметры вращения Земли, система
определения параметров вращения Земли.
В условиях возросших требований к точности координатно-временно-
го, навигационного и геодезического обеспечения потребителей Минобороны
России становится заметным вклад погрешностей ПВЗ, обеспечивающих
переход между основными используемыми системами отсчёта (земной и инерци-
альной) в прецизионных практических приложениях.
Практическая важность ПВЗ в обеспечении глобальной навигационной
системы (ГНС) ГЛОНАСС определяется следующими факторами:
- непосредственным влиянием на точность эфемеридно-временного
обеспечения (ЭВО) ГНС ГЛОНАСС за счет вклада в погрешность эфемерид и
частотно-временных поправок;
- непосредственным вкладом в погрешность транслируемой эфемерид-
ной информации при реализации режима автономного функционирования;
- распространением поправок ко всемирному времени в составе
навигационных сообщений КА «Глонасс-М»;
- распространением полного состава ПВЗ в составе навигационных
сообщений КА «Глонасс-К» в частотном диапазоне L3.
Формируемые в Государственной службе времени, частоты и
определения ПВЗ (ГСВЧ) данные о ПВЗ обеспечивают заданные точностные характери-
© А. Н. Жуков, В. В. Пасынков, 2012
71
стики на текущем этапе развития системы ГЛОНАСС при функционировании
в мирное время. В ГСВЧ проводятся регулярные определения ПВЗ:
всемирного времени UT1 и координат полюса Xpt Yp по данным спутниковых и радио-
интерферометрических наблюдений в интересах решения практических и
научных задач. Проводятся также определения параметров прецессии и нутации
dy, de. Данные получают из обработки измерений сигналов ГЛОНАСС, GPS
и лазерной локации ИСЗ, а также данных РСДБ (из обработки измерений около
35 радиотелескопов). Значительную долю лазерных и РСДБ-данных
составляют зарубежные измерения [1] (см. таблицу).
Вычисление параметров вращения Земли в ГСВЧ
Центр
вычислении
ГСВЧ
ГСВЧ
ГСВЧ
ИПАРАН
ИПАРАН
ИПАРАН
ЦНИИмаш
Технические
средства
определения ПВЗ
Лазерная локация
ИСЗ
GPS
РСДБ
Лазерная локация
ИСЗ
GPS
РСДБ
Лазерная локация
ИСЗ
Определяемые
параметры
Хр, У„ UT1
Х„ Yp, UT1
Хр, Yp, UT1, dy, de
ХР, Yp, UT1
Xp, Yp, UT1
Xp, Yp, UT1, dy, de
Xpy Yp
Измерительные
пункты
Зарубежные
Российские
Зарубежные
и три российских
Зарубежные
В основном
зарубежные
Зарубежные
и три российских
Зарубежные
Точностные характеристики определения ПВЗ в России находятся на
достаточном уровне и составляют (по окончательным данным Главного
метрологического центра ГСВЧ):
- по координатам полюса - 0.00009";
- по всемирному времени - 0.016 мс.
Это несколько хуже, чем международные данные (0.00004" с по
координатам полюса и 0.006 мс по всемирному времени), однако полностью
удовлетворяет требованиям системы ГЛОНАСС на текущем этапе развития. Точность
прогнозирования ПВЗ находится на паритетном уровне с международными
данными, но в части прогноза всемирного времени по-прежнему остаётся
проблемным вопросом, требующим своего решения в ближайшей перспективе.
Вышеуказанные результаты в значительной части продолжают зависеть
от зарубежных источников информации, а при решении задач в интересах по-
72
требителей Минобороны России требуется обеспечить требуемую точность,
оперативность и надёжность в любые периоды военно-политической
обстановки, причём при использовании только отечественных средств.
С 2001 по 2011 гг. проведены работы по созданию и модернизации
системы определения ПВЗ в части объектов и средств Минобороны на основе
комплексного использования технических средств Государственной службы
времени, РАН и Минобороны России. Целью создания сегмента системы
определения ПВЗ Минобороны является повышение точности, надежности и
оперативности обеспечения данными о ПВЗ глобальной навигационной системы
ГЛОНАСС и военных потребителей. Работы велись в соответствии с
техническим заданием (ТЗ) на составную часть ОКР «Вешняк-ПВЗ» [2] (головной
исполнитель ОАО «РИРВ»), ТЗ на ОКР «Полюс» и «Полюс-М» [3, 4] (головной
исполнитель ИПА РАН). При проведении указанных работ появилась
необходимость дальнейшей интеграции используемых ресурсов в целях обеспечения
безусловного выполнения заданных тактико-технических требований, а также
привлечения дополнительных средств в интересах определения ПВЗ.
ОКР «Полюс» и «Полюс-М» завершены в 2011 г. успешным проведением
государственных испытаний, которыми подтверждено выполнение заданных
требований, однако выявлен и ряд проблемных вопросов, основными из
которых являются обеспечение непрерывности, надёжности, оперативности
доставки информации, достоверности получения и повышение точности
информации о ПВЗ в интересах специальных потребителей.
Для безусловного выполнения указанных требований с 2010 г.
проводится модернизация системы определения ПВЗ в рамках ОКР «Вешняк-М»
и «Вешняк-СПО» [5, 6] (головной исполнитель ОАО «РИРВ»); окончание
работ запланировано в 2014 г.
Анализ выполненных и проводимых работ в интересах модернизации
системы определения ПВЗ позволяет определить следующий её состав
модернизированной системы определения ПВЗ:
1. Основные средства:
- Центр обработки и выдачи потребителям Минобороны России данных
о ПВЗ (ЦОВД) - головной и координирующий центр системы определения ПВЗ;
- Центр корреляционной обработки РСДБ-информации сегмента
Минобороны России (ЦКО МО);
- Центр обработки и анализа данных РСДБ сегмента Минобороны России
(ЦОАДМО);
- средства обмена информацией между элементами система определения
ПВЗ, а также с потребителями данных о ПВЗ из видов ВС РФ.
2. Функциональные средства:
- ГСВЧ осуществляет научно-техническую и метрологическую
деятельность по определению ПВЗ, а также обеспечению единства данных
в Российской Федерации;
73
- Центр сбора, обработки и управления системы высокоточного
определения эфемерид и временных поправок (ЦСОУ СВОЭВП) формирует
собственные высокоточные данные о ПВЗ по результатам обработки
измерительной информации навигационных спутниковых систем;
- Центр обработки и анализа данных РСДБ гражданского сегмента
(ЦОАД ГС) формирует собственные высокоточные данные о ПВЗ по
результатам обработки РСДБ-информации сети «Квазар-КВО» и международных
РСДБ-средств;
- Центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС-У) обеспечивает
определение ПВЗ в интересах реализации автономности системы ГЛОНАСС;
- комплексы измерительных средств:
- двухэлементный радиоинтерферометр в составе наземного
комплекса управления системы ГЛОНАСС;
- сети станций КОС и БИС РСДБ-станций «Квазар-КВО».
Такая сложная система, включающая большое число разнотипных
средств, должна иметь чёткую организационную структуру с разделением зон
ответственности и функциональных возможностей. Опыт функционирования
системы на этапах опытной эксплуатации позволяет определить следующую
схему информационно-логического взаимодействия элементов самой системы
и потребителей информации (см. рисунок).
Центры
определения
ПВЗ
' W
ГМеждун .средства
БИС, КОС
Междун .средства
РСДБ
' Средства РФ ^
^ БИС, КОС J
Средства РФ М
РСДБ
Государственная
служба времени
Итт^
АЦУС «Цель»
Центр обработки и выдачи
потребителям данных ПВЗ
Гражданский
сегмент
СОПВЗ
ЦСОУ
СВОЭВП
Сегмент СОПВЗ
Минобороны
Центр корреляционной
обработки
Центр обработки и
анализа данных
Структура системы определения ПВЗ Министерства обороны России
74
Основополагающими элементами разрабатываемой системы являются
центры обработки и выдачи потребителям данных о ПВЗ (ЦОВД)
корреляционной обработки РСДБ-информации (ЦКО) и обработки и анализа данных
РСДБ(ЦОАД).
Центр обработки и выдачи потребителям Минобороны России данных
о ПВЗ разворачивается на базе сектора ПВЗ АЦУС «Цель» и предназначен для
формирования регулярных рядов на основе обработки информации различных
центров и обеспечения потребителей Минобороны России данными о ПВЗ.
К основным задачам, решаемым в ЦОВД относятся:
- сбор, обработка, анализ и архивирование данных о ПВЗ, полученных из
различных центров;
- формирование непрерывных обобщённых рядов ПВЗ на основе
обработки информации различных центров;
- верификация полученных данных;
- прогнозирование ПВЗ на срок до шести месяцев;
- отправка информации о ПВЗ потребителям Минобороны.
ЦКО РСДБ-информации сегмента Минобороны России обеспечивает
первичную обработку информации станций РСДБ наземного комплекса
управления (НКУ) системы ГЛОНАСС. К основным задачам, решаемым в ЦКО МО
относятся:
- сбор данных РСДБ-наблюдений;
- первичная обработка измерений РСДБ;
- отправка результатов обработки в ЦОАД.
ЦОАД РСДБ сегмента Минобороны России обеспечивает определение
ПВЗ по информации станций РСДБ НКУ ГЛОНАСС и сети «Квазар-КВО».
К основным задачам, решаемым в ЦКО МО относятся:
- оперативные определения всемирного времени по измерениям РСДБ-
станций;
- ежесуточные определения параметров ориентации Земли по
совместным РСДБ-измерениям НКУ и комплекса «Квазар-КВО»;
- информационное взаимодействие с Центрами обработки
информации ГЛОНАСС (ЦУС-У, СВОЭВП, АЦУС «Цель») и другими потребителями
Минобороны России.
Для достижения требуемой точности определения и прогнозирования
ПВЗ разработан перечень мероприятий, основными результатами выполнения
которых должны стать:
- модернизация РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» в части развертывания
высокоточных радиоинтерферометров, оснащения пунктов колокации
лазерными дальномерами миллиметровой точности и радиометрами водяного пара;
- создание многостанционных программных корреляторов с
погрешностью определения групповой задержки не более 10 пс;
75
- развёртывание двухэлементного радиоинтерферометра в составе
наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС в интересах оперативного
определения всемирного времени;
- модернизация центров обработки и анализа данных с целью
высокоточного определения ПВЗ с одновременным уточнением фундаментальных
земной и небесной систем координат в интересах системы ГЛОНАСС;
- совершенствование краткосрочных и долгосрочных моделей
прогнозирования ПВЗ;
- модернизация центра обработки и выдачи данных в составе АЦУС
«Цель».
Большинство из мероприятий (за исключением двух последних)
предусмотрены в концепции ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы
ГЛОНАСС» на 2012-2020 гг. [7] и должны найти своё подтверждение в самой
программе. Реализация перечисленных мероприятий позволит обеспечить
выполнение заданной цели создания сегмента системы определения ПВЗ -
повышение точности, надежности и оперативности обеспечения данными о ПВЗ
глобальной навигационной системы ГЛОНАСС и военных потребителей.
Литература
1. Содержание Государственной службы времени и частоты и
определения параметров вращения Земли: отчет (заключительный). - Менделеево,
2011.-Кн. 2.
2. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу «Разработка
подсистемы определения параметров вращения Земли в интересах объектов и
средств МО» (шифр «ВЕШНЯК-ПВЗ»). - М., 2001.
3. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу
«Модернизация системы определения параметров вращения Земли и системы сбора и
передачи данных в реальном времени» (шифр «ПОЛЮС»). - М., 2007.
4. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу «Колока-
ция средств радиоинтерферометрического комплекса со сверхдлинной базой
«КВАЗАР-КВО» со средствами квантово-оптических систем и беззапросными
измерительными станциями» (шифр «ПОЛЮС-М»). - М., 2009.
5. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу
«Модернизация Государственной системы единого времени и эталонных частот
(ГСЕВЭЧ) «Цель» в части объектов и средств Министерства обороны» (шифр
«ВЕШНЯК-М»). - М., 2010.
6. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу
«Модернизация специального программного обеспечения АЦУС «Цель», БКП и ВКП»
(шифр «ВЕШНЯК-СПО»). - М., 2010.
7. Концепция ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы
ГЛОНАСС» на 2012-2020 годы». - М., 2011.
76
Ways of Improving the System of EOP Determination
for GLONASS
Ground SegmentV. V. Pasynkov, A. H. Zhukov
We present the stages of a system of determining the Earth's rotation and the
work undertaken as part of its modernization. On the basis of work performed it was
determined the composition of the upgraded system and the tasks of its basic
elements. The scheme of information and logical interaction of the system elements for
users is presented. The list of activities for improving the system of determining the
parameters of the Earth's rotation is given.
77
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Оснащение обсерваторий
РСДБ-комплекса «Квазар-КВО»
квантово-оптическими системами «Сажень-ТМ»
А, М. Финкельштейн!1, И. С. Гаязов1, А. В. Ипатов1,
С. Г. Смоленцев1, В. Д. Шаргородский2, В. А. Митряев1
институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
2ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного
приборостроения», г. Санкт-Петербург, Россия
На базе обсерваторий РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» создаются
узлы колокации, объединяющие различные типы высокоточных средств
наблюдений методами космической геодезии. В 2011 г. все обсерватории
оснащены квантово-оптическими системами для лазерной локации
геодезических и навигационных спутников. Приведены основные
технические характеристики квантово-оптических систем, их расположение
относительно других средств наблюдений в обсерваториях, а также
сведения о результатах первых сеансов наблюдений.
Ключевые слова: геодинамические спутники, лазерная локация,
квантово-оптическая система, средства наблюдений, колокация,
радиоастрономические обсерватории.
В рамках реализации системы колокации на базе РСДБ-комплекса «Квазар-
КВО» в 2011 г. во всех обсерваториях комплекса («Бадары», «Зеленчукская»
и «Светлое») установлены квантово-оптические системы (КОС) для проведения
лазерных наблюдений геодезических и навигационных спутников. Компактные
КОС «Сажень-ТМ» изготовлены ОАО «Научно-производственная корпорация
«Системы прецизионного приборостроения» [1]. Система может проводить
лазерную локацию спутников в диапазоне высот 400-23 000 км. Наблюдения
спутников с высотой до 6000 км могут быть проведены и в дневное время суток.
Основные технические характеристики КОС приведены в табл. 1.
В табл. 2 приведен календарный план работ по установке и испытаниям
КОС «Сажень-ТМ» на обсерваториях «Квазар-КВО».
Опорно-поворотные устройства (ОПУ) систем устанавливаются на
специально сооруженных геодезических пилонах с фирменным укрытием, расположен-
© А. М. Финкельштейн, И. С. Гаязов, А. В. Ипатов, С. Г. Смоленцев, В. Д. Шаргородский,
В. А. Митряев, 2012
78
ных на расстояниях от 20 до 35 м от лабораторных корпусов обсерваторий. При
этом обеспечивается полный обзор неба на всех азимутах при углах места более
20°. Перед установкой ОПУ осуществляется точная привязка маркера на пилоне
к пунктам локальной геодезической сети обсерватории. Вычисление положения
опорной точки КОС в локальной системе производится с учетом
инструментальной высоты по паспортным данным ОПУ. Электронные блоки системы с
аппаратурой контроля и управления располагаются в лабораторном корпусе
обсерватории.
Таблица 1. Основные технические характеристики КОС «Сажень-ТМ»
Характеристика
Высоты лоцируемых спутников, км:
- дневное время
- ночное время
Апертура оптической системы, см
Длина волны, нм
Частота импульсов, Гц
Длительность импульса, пс
Энергия импульса, МДж
Масса, кг
Точность нормальных точек, см
Точность угловых измерений, "
Расходимость лазерного луча, "
Значение
400-6000
400-23 000
25
532
300
300
2.5
170
1
1-2
5
Таблица 2. Календарный план работ по установке КОС «Сажень-ТМ» в 2011 г.
Обсерватория
«Зеленчукская»
«Бадары»
«Светлое»
Этап работ
Монтаж укрытия
Установка системы
Испытания
Монтаж укрытия
Установка системы
Испытания
Монтаж укрытия
Установка системы
Испытания
Апр.
ЩШ
Май
Ш
Июнь
Июль
ов
Авг.
Сен.
Ш
Окт.
О
Ноя.
Составные части КОС расположены в лабораторных корпусах и в
специально возведённых укрытиях. Укрытие представляет собой 16-футовый купол
производства фирмы «AstroHaven», установленный на цоколь. Высота
цоколя в обсерватории «Зеленчукская» составляет 2 м, в обсерватории «Бадары» -
3 м и обсерватории «Светлое» -4 м. Посередине укрытия на развязанном
фундаменте установлен бетонный пилон (рис.1). В него вмонтирована закладная
79
деталь, на которую установлено ОПУ. На него крепятся приемо-передающий
объектив, объектив гида с ночной камерой, лазерный излучатель, голографи-
ческий фильтр и т. д.
В лабораторных корпусах (в операторской) установлены две стойки с
оборудованием КОС, три монитора и органы управления. В первой стойке
размещены: компьютеры системы наведения и телевизионного автомата, блок
управления приводами, приёмники ГЛОНАСС/GPS, источник бесперебойного
питания. Во второй стойке расположены: компьютер системы измерения
дальности, блок накачки лазера, блоки управления камерами и оптическими
элементами и источник бесперебойного питания.
Дверь
Рис. 1. Эскиз укрытия для ОПУ
Рис. 2. Аппаратура КОС в помещении
80
Обсерватория «Зеленчукская»
Монтаж КОС в обсерватории «Зеленчукская» проводился в мае 2011 г.
Укрытие расположено в 25 м от северо-восточной стены здания
лабораторного корпуса (рис. 3). При таком размещении углы закрытия не превышают 20°.
Обсерватория «Бадары»
Монтаж КОС в обсерватории «Бадары» проводился в июле 2011 г. Укрытие
расположено в 33 м от северо-восточной стены здания лабораторного корпуса
(рис. 4), что обеспечивает полный обзор неба на углах возвышения более 20°.
Рис. 4. Место размещения КОС в обсерватории «Бадары» и углы закрытия
Обсерватория «Светлое»
Монтаж КОС в обсерватории «Светлое» проводился в октябре 2011 г.
Укрытие расположено в 17.5 м от северной стены здания лабораторного кор-
81
пуса (рис. 5). С северной стороны высокие деревья закрывают небольшой
участок неба выше 20°.
Laboratory building
3-
1
^т_
\
/Yff/у^г-
'I'm (m
\ \>\""^ \ Х7^—
W§3
^Ч^ч-J
х™"\/
~Л
^Л
~^J^!
^%
V\ \ \ \'
'r^l 1 и 1
\/ / /yijj: "7
*)• \/ //if' /
^'/^>У
^£г у* I"«JP" *>'< i
Рис. 5. Место размещения КОС в обсерватории «Светлое» и угаы закрытия
а)
б)
Рис. 6. КОС «Сажень-ТМ» в обсерваториях: «Зеленчукская» (я), «Бадары» (б)
и «Светлое» (в)
82
Во всех обсерваториях в полном объеме выполнены пусконаладочные
работы с участием представителей предприятия-изготовителя (ОАО «НПК
«СПП»). На рис. 6 показан общий вид КОС «Сажень-ТМ» на фоне
радиотелескопов обсерваторий «Зеленчукская», «Бадары» и «Светлое».
За период, прошедший с момента установки КОС в обсерваториях до
конца 2011 г., было проведено 128 сеансов измерений дальности до геодезических
спутников и КА ГЛОНАСС, в том числе:
- в обсерватории «Зеленчукская» - 85 сеансов;
- в обсерватории «Бадары» - 35 сеансов;
- в обсерватории «Светлое» - 8 сеансов.
Разработаны программы предварительной обработки «сырых»
измерений с формированием нормальных точек в соответствии с правилами
Международной службы лазерной локации спутников (ILRS) и выдачей
данных измерений в международных форматах NPT и CRD. CKO измерений
дальности от эфемерид находятся в пределах 3-4 см. Формальная точность
нормальных точек составляет около 5 мм. Реальная точность нормальных точек
лазерных измерений дальности до спутников «Лагеос» проверялась
сравнением с опорной орбитой, определяемой по лазерным наблюдениям глобальной
сети станций. Средние квадратические значения отклонений от опорной
орбиты для различных прохождений находятся в пределах 1-1.5 см.
Литература
1. Садовников М. А., Федотов А. А., Шаргородский В. Д.
Высокоточная лазерная дальнометрия: состояние, проблемы, результаты применения
в ГЛОНАСС // Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 81-89.
Equipping the "Quasar" VLBI Network Observatories
with SLR System "Sazhen-TM"
A. M. Finkelstein, I. S. Gayazov, A. V. Ipatov, S. G. Smolentsev,
V. D. Shargorodsky, V. A. Mitryaev
The SLR systems "Sazhen-TM" manufactured by «Research-and-Production
Corporation "Precision Systems and Instruments" have been installed at all
observatories of the "Quasar" VLBI network in 2011. Main technical characteristics
of the system, installation timeline and location of SLR systems at the observatories
are presented in the paper.
83
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Программный коррелятор для РСДБ-сети малых антенн
И. Ф. Суркис, В. Ф. Зимовский, В. О. Кен, А. Е. Мельников,
В. Ю. Мишин, Н. А. Соколова, В. А. Шантырь
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Работа посвящена проектированию нового программного
/^-коррелятора для перспективной РСДБ-сети малых антенн. Описываются
технические характеристики и структура коррелятора, основные пути
проектирования. Приводится предварительная оценка необходимого
аппаратного обеспечения.
Ключевые слова: программный коррелятор, станционный блок,
блок обработки, кросскорреляционная функция, процессорный кластер.
Перспективная РСДБ-сеть малых антенн
В настоящее время в России регулярное определение всемирного
времени UT1-UTC и других параметров вращения Земли (ПВЗ) осуществляется на
РСДБ-сети «Квазар-КВО», в составе трех обсерваторий, коррелятора и систем
вторичной обработки. РСДБ-сеть имеет следующие параметры:
- диаметр антенн 32 м;
- ширину полос пропускания частотных каналов - до 16 МГц;
- квантование сигналов 2-битовое с частотой - до - 32 МГц;
- поток данных в одном частотном канале до - 64 Мбит/с;
- число частотных каналов - 16;
- суммарный поток данных от каждой станции - до 1 Гбит/с.
Разработанный в ИПА РАН для первичной обработки данных РСДБ-сети
«Квазар-КВО» коррелятор АРК [1] является аппаратно-программным AF-кор-
релятором. Наиболее трудоемкие операции - вычисление кросскорреляционных
функций - реализованы аппаратно на программируемых логических
интегральных схемах.
В настоящее время планируется создание РСДБ-сети нового поколения,
соответствующей перспективным международным сетям VLBI2010. Основу
сети составят 12-метровые антенны. Для сохранения необходимого
соотношения сигнал/шум ширина полос пропускания частотных каналов будет
существенно увеличена. Предполагаемые параметры сети:
О И. Ф. Суркис, В. Ф. Зимовский, В. О. Кен, А. Е. Мельников, В. Ю. Мишин, Н. А. Соколова,
В. А. Шантырь, 2012
84
- диаметр антенн -12 м;
- ширина полосы пропускания частотных каналов - до 512 МГц;
- квантование сигналов - 2-битовое с частотой - до 1024 МГц;
- поток данных в одном частотном канале до 2 Гбит/с;
- частотных диапазонов - до четырёх, одна или две поляризации для
каждого частотного диапазона;
- частотных каналов - до восьми;
- суммарный поток данных от каждой станции до 16 Гбит/с.
Для обработки потоков данных перспективной РСДБ-сети требуется
разработка нового коррелятора.
Характеристики и направление разработки коррелятора
Новый коррелятор должен обрабатывать потоки до 16 Гбит/с от каждой
станции, по 8 частотных каналов с потоком 2 Гбит/с.
На первом этапе строится 2-станционный интерферометр. В дальнейшем
возможно расширение сети, число одновременно наблюдающих станций не
превысит шести. В работе рассматриваются 2- и 6-станционные корреляторы
с суммарным входным потоком данных 32 и 96 Гбит/с соответственно.
Основным средством передачи данных от обсерваторий на коррелятор
являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). При передаче данных
возможно отставание данных одних станций от других на единицы секунд.
Число отсчетов кросскорреляционных функций для AF-коррелятора или
отсчетов кросс-спектров для FX-коррелятора зависит от погрешность
позиционирования корреляционного окна. В настоящее время точность пред-
вычисления геометрической задержки не более 10 не, погрешность
синхронизации стандартов времени и частоты по данным GPS/ГЛОНАСС не более
50 не, а в перспективе - и 10 не. Таким образом, суммарная ошибка
позиционирования корреляционного окна не превысит 100 не. При частоте оцифровки
1024 МГц необходимое число вычисляемых отсчетов - 256.
Однако в перспективной РСДБ-сети сигналы регистрируются в широкой
полосе, в которой вероятно наличие узкополосных помех. Такие помехи,
разные на разных станциях, не коррелируют друг с другом и не должны исказить
результат работы коррелятора. Но, по мощности существенно превышая
регистрируемый сигнал, они могут понизить соотношение сигнал/шум. Для
уменьшения влияния помех желательно получать кросс-спектры сигналов с высоким
разрешением. В расчетах вычислительной мощности коррелятора учитывается
необходимость вычислять 4096 точек кросс-спектра.
Главным направлением разработки современных РСДБ-корреляторов
являются программные корреляторы. По сравнению с аппаратно-программными
системами создание программных корреляторов требует меньших трудозатрат,
корреляторы являются более гибкими и легко перестраиваемыми.
Для получения кросс-спектров с высоким разрешением FX-алгортм по
сравнению с AF-алгоритмом требует меньшего объема вычислений. Кроме
85
того, идеология работы AF-алгоритма требует обработки 2-битовых потоков
данных, что плохо соответствует современной компьютерной архитектуре.
Таким образом, для перспективной РСДБ-сети проектируется программный
FJf-коррелятор.
Структура коррелятора
Основными частями нового коррелятора являются станционные блоки
и блоки обработки (рис. 1). Станционный блок принимает поток данных от
одной станции, выполняет дешифровку данных, выделяет сигналы ГПИ,
выполняет синхронизацию данных. Далее выполняется сопровождение по задержке
относительно центра Земли: данные задерживаются на соответствующее число
тактов. Из станционных блоков данные распределяются по блокам обработки,
каждый из блоков получает данные одного канала от всех станций.
Станционный
блок,
станция 1
Станционный
блок,
станция 6
Блок обработки
Блок обработки
Блок обработки
Блок обработки
Рис. 1. Состав коррелятора
Станция 1
►
Станция 6
►
2 bit
W
Фазовращатель
I
64 bit
W
Блок обработ!
БПФ
2 bit
►
Фазовращатель
64 bit
р\
БПФ
СИ
Н-*
Блок
перемножения,
база 1
Блок
перемножения,
база 2
Блок
перемножения,
база 15
Рис. 2. Блок обработки
Для каждой станции блок обработки (рис. 2) содержит фазовращатель
и блок быстрого преобразования Фурье (БПФ). Фазовращатель отрабатывает
сопровождение по задержке, вычисляя доплеровскую фазу для каждого такта.
Данные домножаются на косинус и синус фазовращателя. При этом исходный
86
2-битовый поток данных превращается в 64-битовый: 32-битовые, в формате
с плавающей запятой, косинусная и синусная составляющие. БПФ
накапливает N = 4096 тактов и выполняет преобразование Фурье.
После БПФ данные распределяются по базам и поступают в блок
перемножения. Для каждой базы спектры двух станций перемножаются, и
накапливается среднее арифметическое кросс-спектров за период накопления. Так
как исходный поток данных в блоке обработки увеличивается в 32 раза, то блок
функционирует на отдельном процессоре. В результате высокоскоростные
потоки данных передаются только внутри одной микросхемы. Один канал данных
обрабатывается несколькими блоками.
Трудоемкость вычислительных операций
Дешифровка входных данных в станционном блоке потребует порядка
одной-двух арифметических операций на такт. Выделение сигналов ГПИ
потребует пять арифметических и две тригонометрические операции на такт для
каждого канала данных.
Синхронизация данных и сопровождение сигналов по задержке
выполняется одновременно для всех каналов данных и потребует три-четыре
арифметических операции на такт. Объем буфера для задержки данных должен быть не
менее 20 ГБ, буфер должен обеспечивать поток чтения/записи данных 32 Гбит/с.
В блоке обработки фазовращение потребует четыре арифметические
и две тригонометрические операции на такт для каждого канала данных
каждой станции.
Основной вычислительный ресурс FJf-коррелятор тратит на БПФ.
Операция потребует 101og(N) арифметических операций на такт, для 4096
точек спектра - 120 арифметических операций на такт для каждого канала
данных каждой станции.
Блок перемножения потребует 8 арифметических операций на такт для
каждого канала данных каждой базы.
Аппаратное обеспечение коррелятора
Программный коррелятор должен функционировать на мощном
процессорном кластере. Оценка необходимого аппаратного обеспечения коррелятора
проводится для кластера, основанного на процессорах Intel Xeon 7500 и блэйд-
серверах НХ5 корпорации IBM.
8-ядерный 64-разрядный процессор Intel Xeon 7500 имеет тактовую
частоту 2.2 ГГц и кэш до 24 МБ. Ориентировочно такая микросхема сможет
обрабатывать до 32 операций на один такт входных данных коррелятора.
Сервер IBM HX5 (рис. 3 а) содержит до двух процессоров и до 128 ГБ
оперативной памяти с тактовой частотой до 978 МГц. Сервера
устанавливаются в шасси IBM BladeCenter Н (рис. 3 б) с пропускной способностью шины
240 Гбит/с, до 14 серверов в одном шасси. В стойку собираются до шести шасси.
87
a)
б)
Рис. 3. Сервер IBM HX5 (а) и шасси IBM BladeCenter H (б)
Ориентировочно для реализации каждого станционного блока
потребуется до шести процессоров, трех серверов. Для 2-станционного коррелятора
потребуется по 10 блоков обработки на один канал данных, для 6-станционного
коррелятора - 30 блоков обработки. Соответственно 2-станционный
коррелятор будет иметь два станционных блока и 80 блоков обработки. Для
реализации 2-станционного коррелятора ориентировочно потребуются 92 процессора,
46 серверов, 4 шасси, размещенных в одной стойке.
6-станционный коррелятор будет иметь 6 станционных блоков и 240 блоков
обработки. Для реализации 2-станционного коррелятора ориентировочно
потребуются 276 процессора, 138 серверов, 10 шасси, размещенных в трех стойках.
Литература
1. Суркис И. Ф., Зимовский В. Ф., Шантырь В. А., Мельников А. Е. Радио-
интерферометрический коррелятор для комплекса «Квазар-КВО» // Приборы и
техника эксперимента. - М.: Наука, 2011. - №1.
2. Hase Я., Behrend D. et al. The future global VLBI2010 network of the
IVS. 20th EVGA Meeting & 12th IVS Analysis Workshop, Bonn, Germany, March
22-24,2011.
3. URL: http://www.haystack.edu/geo/vlbi_td/2010/.
Softweare Correlator for VLBI Network of Small Antennas
I. F. Surkis, V. F. Zimovsky, V. O. Ken, A. E. Melnikov, V. Yu. Mishin,
N. A. Sokolova, V. A. Shantyr
This paper is devoted to the new FX software correlator design for the new
small antenna VLBI network. Technical characteristics, basic design, and structure
of the correlator are presented. The preliminary study of the required hardware is
shown.
88
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Оперативное обеспечение системы ГЛОНАСС
данными о всемирном времени в режиме е-РСДБ
на радиоинтерферометрическом комплексе
«Квазар-КВО»
А. М. Финкельштейн^ А. В. Ипатов, И. А. Безруков, И. С. Гаязов,
М. Н. Кайдановский, С. Л. Курдубов, В. Ю. Мишин, А. Г. Михайлов,
А. И. Сальников, И. Ф. Суркис, Е. А. Скурихина, В. А. Яковлев
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Одной из важнейших прикладных задач РСДБ-наблюдений
является оперативное определение всемирного времени, необходимого для
обеспечения системы ГЛОНАСС. РСДБ-метод является единственным
методом, обеспечивающим высокоточное абсолютное определение
всемирного времени. Впервые в России в ИПА РАН реализована
технология, позволяющая оперативно определять всемирное время. Эта
технология включает в себя автоматизированный цикл, состоящий из
наблюдений на РСДБ-сети из трех радиотелескопов, передачи данных в Центр
корреляционной обработки (ЦКО) РАН, первичной и вторичной
обработки данных и определения всемирного времени.
ИПА РАН осуществляет передачу данных часовых сессий
наблюдений (Ru-U) в технологии е-РСДБ для определения поправок
всемирного времени начиная с 2009 г. С 2010 г. передача и обработка данных
в режиме е-РСДБ производится раз в неделю. В настоящее время
данные РСДБ-наблюдений передаются одновременно из трех обсерваторий
РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» в ЦКО РАН по отдельному каналу связи
из каждой обсерватории с пропускной способностью 100 Мбит/с.
Автоматизация всего процесса передачи и обработки данных,
осуществленная в 2011 г., позволила значительно сократить задержку
получения всемирного времени. В настоящее время среднее время передачи
данных часовых сессий из обсерваторий в ЦКО РАН и обработки
данных составляет 2 ч. Такая оперативность доставки и обработки данных
удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГЛОНАСС.
Ключевые слова: всемирное время, е-РСДБ, Квазар-КВО, передача
данных, ГЛОНАСС, автоматизация, ВОЛС, буферизация данных, сервер
О А. М. Финкелыптейн, А. В. Ипатов, И. А. Безруков, И. С. Гаязов, М. Н. Кайдановский,
С. Л. Курдубов, В. Ю. Мишин, А. Г. Михайлов, А. И. Сальников, И. Ф. Суркис, Е. А. Скурихина,
В. А. Яковлев, 2012
89
Введение
Важнейшим вопросом обеспечения требований системы ГЛОНАСС
является оперативность получения информации о параметрах вращения Земли,
одним из которых является всемирное время.
Следует отметить, что внедрение технологии реального времени на РСДБ-
комплексе «Квазар-КВО» [5-7] стало возможным только после создания ВОЛС
между обсерваториями и узлами доступа в магистральные каналы связи
(«последняя миля») и оснащения обсерваторий современной сетевой и
регистрирующей аппаратурой, которое было проведено с 2005 по 2010 г.
Технология е-РСДБ на комплексе «Квазар-КВО» используется начиная
с 2009 г. В настоящее время осуществляется еженедельное определение
поправок всемирного времени в этом режиме. Обработка данных наблюдений
осуществляется на российском корреляторе в ЦКО РАН.
Каналы связи
В международной практике е-РСДБ для передачи данных из обсерваторий
в ЦКО используются специально организованные каналы связи «точка-точка»
в динамическом режиме. В настоящее время организация таких каналов с
пропускной способностью порядка 100 Мбит/с в нашей стране требует
значительных финансовых затрат. При этом операторы магистральных каналов связи
не предоставляют каналы в динамическом режиме на фиксированное время.
Поэтому нами использовались существующие внешние каналы связи с
глобальной информационной сетью Интернет, принадлежащие операторам, к
которым подключены обсерватории комплекса «Квазар-КВО». На рис. 1
приведена схема включения обсерваторий в магистральные каналы связи.
Обсерватория
«Светлое». Сетевое
оборудование
1 Гбит/с
ВОЛС
100 Мбит/с
У Магистральные ВОЛС
Санкт-Петербург
Сетевое оборудование
10 Гбит/с
ВОЛС
100 Мбит/с
ВОЛС
100 Мбит/с
Обсерватория
«Зелен чукская».
Сетевое
оборудование
Рис. 1. Подключение обсерваторий РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» по ВОЛС
в магистральные каналы связи
Обсерватория
«Бадары». Сетевое
оборудование
90
Аппаратно-программные средства системы е-РСДБ
В настоящее время все ведущие зарубежные радиоастрономические
обсерватории переходят на использование технологии реального времени, при
которой данные наблюдений из обсерваторий передаются в центры обработки
и анализа по цифровым каналам связи. Результат обработки данных
наблюдений получается практически в реальном времени. В случае доставки
магнитных носителей обычным транспортом в центр корреляционной обработки
конечный результат получается с задержкой в несколько суток. Такая задержка
получения информации фундаментального характера, в первую очередь ПВЗ,
ограничивает точность навигационных данных на Земле и в космосе.
На рис. 2 представлена структурная схема аппаратно-программных
средств, используемых в режиме е-РСДБ в обсерваториях РСДБ-комплекса
«Квазар-КВО» и ЦКО РАН.
Магк5В
Terminal
(ОС Linux)
Disk2Net
ЦКО РАН
Сан кт-Петербург
ЛВС ШЬЕ
ЩУР
(ОС Linux)
Буфер 1
Dell2950PE
(ОС Linux)
Буфер-1
Виртуальная
машина (ОС
Linux)
на сервере Sun
Mark5B
Playback
(ОС Linux)
Обсерватория
«Светлое»
Обсерватория
«Зеленчукская»
Обсерватория
«Бадары»
Буфер-2
Виртуальная
машина
на сервере Sun
Mark5B
Playback
Буфер-3
Виртуальная
машина
на сервере Sun
Mark5B
Playback
ЦКУР - центральный компьютер
управления радиотелескопом
► воле
Коррелятор РАН
~~1
Sun Fire X4450
(пакет «Quasar»)
Рис. 2. Аппаратно-программные средства в обсерваториях и ЦКО РАН
Алгоритм обмена и обработки данных
Алгоритм передачи и обработки данных в режиме е-РСДБ,
представленный на рис. 3, включает в себя следующее:
- запись отдельных сканов на регистрирующие терминалы Mark 5B в
обсерваториях;
91
- копирование сканов с Mark 5B на буферизующие серверы обсерваторий
по локальной сети;
- передачу сканов с буферизующих серверов обсерваторий по каналам
связи на буферизующий сервер в ЦКО;
Технологическая проверка
готовности 3
обсерваторий
к началу сессии
Определение
входных
параметров для протокола
Tsunami-UDP
Тестирование
канала связи.
iperf
Старт сессии
Ru-U.
Поток,
256 Мбит/с
Регистрация
на Mark 5 В
в
обсерваториях
Буферизация данных
в
обсерваториях
Вторичная
обработка
AUT
Веб-сайт
ИПАРАН
Корреляционная
обработка. Пост-
процессорная
обработка
лит
МОРФ
Передача
данных по
ЛВС в ЦКО
РАН
на два
Mark5B
одновременно
Передача данных
часовой сессии
Ru-U по ВОЛС
в ЦКО РАН на
рабочие станции
буферизации из
двух обсерваторий
одновременно
Передача
результатов
обработки по ВОЛС
из ЦКО РАН
в ЦКО МО РФ
Буферизация
этих данных на
промежуточ ный
буфер в ЦКО
РАН
Вторичная
обработка
Корреляционная
обработка.
Постпроцессорная
обработка
Передача
данных по ЛВС в
ЦКО МО РФ
на два Mark 5B
одновременно
Передача
данных по
выделенному
каналу связи
в ЦКО МО
РФ
Рис. 3. Алгоритм передачи данных часовых сессий одновременно из двух
обсерваторий РСДБ-комплекса «Квазар-ICBO» в ЦКО РАН и ЦКО Минобороны России
- копирование сканов с буферизующего сервера ЦКО на
воспроизводящие терминалы Mark 5B по локальной сети;
- воспроизведение записанных сканов с обработкой на корреляторе;
- вторичную обработку пакетом «Quasar» и получение поправки
всемирного времени;
- размещение результата обработки на сайте ИПА и передачу поправки в
ЦКО Минобороны России.
Последовательность указанных действий, время, требуемое для их
выполнения, а также необходимость использования буферизующих серверов как
в обсерваториях, так и ЦКО определяется следующими факторами:
92
- пропускной способностью канала связи между обсерваториями и ЦКО;
- техническими возможностями терминалов Mark 5B;
- техническими возможностями коррелятора;
- скоростью потока регистрируемых данных, заданной программой
РСДБ-сеанса;
- комплексной автоматизацией всего процесса наблюдений и передачи
данных.
В настоящее время наиболее значимым из перечисленных факторов является
пропускная способность каналов связи. Передача данных занимает наибольшее
время из всех стадий сеанса наблюдений и определяет общее время, необходимое
для получения результата. При скорости записи 256 Мбит/с и достигнутой
пропускной способности канала связи 60-70 Мбит/с наличие буферизующих
серверов является обязательным.
Под техническими возможностями терминалов и коррелятора
подразумевается следующее. На терминалах Mark 5B нельзя одновременно с копированием
данных производить запись или воспроизведение. Поэтому данные с
регистрирующих терминалов можно копировать либо по завершении всего сеанса, что ведет
к значительным потерям времени, либо в паузах между сканами во время перевода
антенны с одного источника на другой. Аналогичное условие справедливо и для
ЦКО. Для существующего в ИПА РАН аппаратного коррелятора требуется
воспроизведение данных с Mark 5B через интерфейс VSI-H со скоростью, равной
скорости записи. Таким образом, корреляционная обработка должна производиться
либо после записи всех данных на воспроизводящий терминал, либо чередоваться
с записью отдельных сканов.
Учитывая требования технического задания на ОКР «Полюс», поправки
всемирного времени AUT должны определяться в течение 6 ч после завершения
часового сеанса наблюдений. Максимально допустимое время, отводимое на передачу
данных, не должно превышать 3 ч после завершения часового сеанса наблюдений.
Теоретические оценки времени доставки данных часовой сессии объемом
порядка 80 ГБ в ЦКО Минобороны России с промежуточной буферизацией в
ЦКО РАН по выделенному каналу связи между ЦКО РАН и ЦКО Минобороны
России с пропускной способностью порядка 100 Мбит/с, при средней скорости
передачи высокоскоростным протоколом Tsunami-UDP порядка 80 Мбит/с
показывают, что общее время передачи данных достигает 2 ч. Обязательным условием
при этом является включение в алгоритм немедленной передачи каждого скана,
который принят в ЦКО РАН.
Алгоритм передачи РСДБ-данных из обсерваторий в ЦКО РАН включает
в себя два цикла: технологический и рабочий. Технологический цикл
проводится за 1 ч до начала часовой сессии Ru-U и состоит из следующих операций:
- тестирования канала связи утилитой iperf. Определение входных
параметров для высокоскоростного протокола Tsunami;
- получения откликов по трем сканам из трех обсерваторий. Анализ
log-files. Принятие решения о старте часового сеанса.
93
Рабочий цикл состоит из следующих операций:
- наблюдения 20 источников и передачи данных, включая лог-файлы,
в ЦКО РАН и ЦКО Минобороны России;
- первичной и вторичной обработок, размещения поправки
всемирного времени на сайте ИПА РАН и передачи результатов обработки ИПА РАН
в ЦКО Минобороны России.
Результаты передачи и обработки данных РСДБ-наблюдений
ИПА РАН осуществляет передачу данных часовых сессий (Ru-U) в
технологии е-РСДБ в целях определения всемирного времени в ГЛОНАСС, начиная
с 2009 г. С 2011 г. передача данных автоматизирована. Автоматизация процесса
передачи данных часовых сессий Ru-U из обсерваторий в ЦКО РАН позволила
существенно сократить общее время доставки данных наблюдений.
На рис. 4 приведена зависимость скорости передачи одного скана
наблюдений в обсерваториях «Бадары» и «Зеленчукская» от времени (сессия
Ru-U161 3 июня 2011 г.). Данные из обсерваторий предварительно
буферизовались в ЦКО РАН, а затем передавались в ЦКО Минобороны России по
выделенному каналу связи с пропускной способностью 90 Мбит/с.
гяр>^
132 147 162 175
wtyn^^
74. 9?
Время с
Рис. 4. Зависимость скорости передачи данных из обсерваторий «Бадары» (а)
и «Зеленчукская» (б) с буферизацией в ЦКО РАН и ЦКО Минобороны России
от времени (размер скана 1.8 ГБ)
94
Задержка доставки РСДБ-данных часовой сессии в ЦКО Минобороны
России приведена в следующей таблице:
Задержка доставки РСДБ-данных по ВОЛС из двух обсерваторий
в ЦКО Минобороны России с предварительной буферизацией в ЦКО РАН
Сессия
RU-U161
Дата
08.06.11
Время передачи данных из
обсерваторий в ЦКО МО РФ, ч
«Бадары»
1.4*
«Зеленчукская»
1.4*
Число принятых
сканов
«Бадары»
21
«Зеленчукская»
21
♦Передача сканов из двух обсерваторий с предварительной буферизацией в ЦКО РАН
осуществлялась последовательно.
Приведенные экспериментальные результаты показывают, что средняя
скорость передачи отдельного скана для каждой обсерватории составляет
величину порядка 80 Мбит/с. Общее время передачи данных часовой сессии из
каждой обсерватории составляет 1.4 ч. Суммарное время передачи данных
часовой сессии из двух обсерваторий составило 2.8 ч. Таким образом,
экспериментально подтверждены теоретические оценки доставки данных в ЦКО
Минобороны России по выделенному каналу связи с предварительной
буферизацией этих данных в ЦКО РАН. Как уже отмечалось, обязательным
условием в этом случае является немедленная передача каждого скана, после того как
он принимается в ЦКО РАН.
На рис. 5-7 в качестве примера представлена зависимость средней
скорости передачи отдельных сканов наблюдений в 2009-2011 гг. из трех
обсерваторий от времени. Из рисунков видно, что с расширением полосы существенно
возрастает и средняя скорость передачи сканов данных.
т 1 1 1 1 1 г
Номер скана
Рис. 5. Средняя скорость передачи отдельных сканов в часовой сессии Ru-U 074
из обсерваторий в ЦКО РАН (7 ноября 2009 г.)
95
! Г-
I»-» bd_ruul08
А-А zc_ruul08
Jv-V sv ruul08
y^
!—^
-—• "•"•—- ""*~ "H
'
-
"
^ 90
Ю 85
s.„
8-
e>
§70
О
5 65
П 60
о,
О 55
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номер скана
Рис. 6. Средняя скорость передачи отдельных сканов в часовой сессии Ru-U 108 из
обсерваторий в ЦКО РАН (24 июля 2010 г.)
70
65
О
Р<60
55
(X
^50
Г^\^Л
J
! 1 1 1
v—•-ss. ^* §—
v^
1 ! 1 1 1 1
•- -§-— « - т
^^^--.^^^i\~_^7^~~^^ """
♦-• bd_ruul521
к-к zc_mul52
*-Щ svjuul52 -
ш
—jf—~ ''" ^
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Номер скана
Рис. 7. Средняя скорость передачи отдельных сканов в часовой сессии Ru-U152 из
обсерваторий в ЦКО РАН (11 мая 2011 г.)
В 2011 г. средняя скорость одновременной передачи данных из трех
обсерваторий превысила 60 Мбит/с. Соответственно уменьшилось и время
передачи данных, которое в настоящее время достигает порядка 1.5 ч. Следует
отметить, что такая оперативная передача данных для определения всемирного
времени полностью соответствует требованию по оперативности ГЛОНАСС.
Среднее время передачи данных 75 одночасовых сессий Ru-U из
обсерватории «Бадары» в ЦКО РАН с 2009 по 2011 г. составило 2.6 ч, а из
обсерватории «Зеленчукская» 76 часовых сессий Ru-U - 2.2 ч. В среднем за сессию из
каждой обсерватории был передан 21 скан данных.
По 22 сессиям Ru-U в 2011 г. среднее время автоматизированной передачи
данных из обсерватории «Бадары» в ЦКО РАН составило 1.7 ч (СКО = 0.3 ч)
и среднее время передачи данных из обсерватории «Зеленчукская» в ЦКО РАН
составило 1.5 ч (СКО = 0.2 ч).
96
Заключение
Впервые в России на базе РСДБ-комплекса «Квазар-КВО»
реализована технология проведения радиоинтерферометрических наблюдений в режиме
е-РСДБ, близком к режиму реального времени для обеспечения космической
навигационной системы ГЛОНАСС, опирающейся исключительно на
национальные высокоточные наблюдения, независимые от данных международных служб.
На РСДБ-комплексе «Квазар-КВО» экспериментально подтверждено
оперативное получение всемирного времени в еженедельных часовых
наблюдательных сессиях за время порядка 3 ч. Начиная с 2010 г. определение поправок
всемирного времени производится один раз в неделю.
Сокращение задержки определения всемирного времени может быть
достигнуто следующими путями:
- увеличением пропускной способности каналов связи между
обсерваториями и ЦКО РАН, а также между ЦКО РАН и ЦКО Минобороны России;
- оптимизацией алгоритма автоматизированной передачи данных;
- применением более эффективных протоколов обмена данными.
Литература
1. Финкелыитейн А. М, Скурихина Е. А., и др. Фундаментальное
координатно-временное обеспечение системы ГЛОНАСС средствами РСДБ-сети
«Квазар-КВО» // Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2007. - Вып. 17. - С. 3.
2. Лаверов Н. /7., Крутиков В. H.t Финкелыитейн А. М.
Фундаментальный сегмент координатно-временного и навигационного обеспечения // Труды
ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 41-55.
3. Безруков И. А., Михайлов А. Г, Сальников А. И. Предварительное
тестирование высокоскоростного протокола обмена данными на радиоинтерфе-
рометрическом комплексе «Квазар-КВО» // Приборы и техника эксперимента.
-2009.-№5.-С. 72-79.
4. Финкелыитейн А. М, Кайдановский М. Н. и др. Оперативное
определение поправок всемирного времени в режиме е-РСДБ // Письма в Астрон. журн.
- 2011. - Т. 37, № 6. - С. 470-479.
5. Финкелыитейн А. М, Ипатов А. В., и др. Радиоинтерферометрическая
сеть «Квазар-КВО» - базовая система фундаментального
координатно-временного обеспечения» // Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2005. - Вып. 13. -
С. 104-138.
6. Финкелыитейн А. М, Гаязов И. С, Губанов В. С. и др.
Фундаментальное координатно-временное обеспечение // Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука,
2005.-Вып.13.-С. 7-42.
7. Финкелыитейн А. М, Гаязов И. С, Скурихина Е. А. и др. Определение
ПВЗ из наблюдений на РСДБ-сети «Квазар-КВО» // Труды ИПА РАН. - СПб.:
Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 119-125.
97
Prompt Determination of Universal Time for GLONASS
from «Quasar» Network Observations in e-VLBI Mode
| A, M. Finkelshteinl, A. V. Ipatov, I. A. Bezrukov, I. S. Gayazov,
M. N. Kaidanovskii, S. L. Kurdubov, V. Yu. Mishin, A. G. Mihailov,
A. I. Salnikov, I. F. Surkis, E. A. Skurihina, V. A. Yakovlev
One of the major applications of VLBI observations is the prompt
determination of the Universal Time for the GLONASS system. VLBI is the only technique
that provid es highly accurate absolute determination of the Universal Time. The
e-VLBI mode was implemented for intensive determination of the Universal Time
for the first time in Russia at the IAA. This technology includes an automated cycle
consisting of observations on the VLBI network of three telescopes, data
transmission to the data center for correlation analysis, primary and secondary data
processing and the calculation of the Universal Time.
98
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Ультрахолодный газ атомов для стандартов времени
ГЛОНАСС
А. В. Турлапов, Т. В. Бармашова, К. А. Мартьянов, В. Б. Махалов
Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород, Россия
Описана методика глубокого охлаждения атомного газа. В
результате охлаждения получается облако газа, имеющее температуру около
10 нК и пленённое в оптической дипольной ловушке, образованной
фокусом лазерного луча. Методика продемонстрирована на примере газа
атомов лития, который сложен в охлаждении и интересен в первую
очередь для фундаментальных задач. Эти же методы глубокого
охлаждения применимы к широкому кругу химических элементов, в том числе
к рубидию и цезию, служащих репером для стандартов частоты. Газ
атомов рубидия или цезия, охлаждённый и пленённый в дипольной
ловушке, может быть использован для создания атомных часов, существенно
меньших, чем современные часы на ультрахолодных атомах. Это
позволит применять подобные часы как в передвижном наземном, так и
космическом варианте. Также применение дипольной ловушки позволяет
сделать конструкцию независимой от наличия или отсутствия
гравитации, т. е. создавать наземные и космические часы по единой схеме.
Ключевые слова: атом, газ, охлаждение, оптическая ловушка.
Введение
Методы лазерного охлаждения вещества используются в наиболее точных
и стабильных стандартах времени [1, 2]. В первичных эталонах времени
репером служит микроволновый переход в атоме цезия. Эталоны, использующие
охлаждённый примерно до 1 мкК газ атомов цезия, демонстрируют
относительную точность 310"16 [3], что в 20 раз выше, чем у наиболее совершенных
эталонов, не использующих лазерное охлаждение [4]. Ещё более высокая
точность достижима в стандартах частоты, репером которых служит оптический
переход атома или иона [2, 5]. Эти стандарты также используют методы
лазерного охлаждения. Дальнейшее понижение температуры рабочего вещества
позволит повысить точность и стабильность часов. Кроме того, оно открывает
пути понижения размера, что актуально для применений в передвижном
наземном и космическом вариантах.
) А. В. Турлапов, Т. В. Бармашова, К. А. Мартьянов, В. Б. Махалов, 2012
99
Рис. 1. Оптическая дипольная ловушка: луч лазера; две линзы и облако атомов,
пленённое в фокусе луча
В ИПФ РАН отработана методика глубокого охлаждения атомного газа
и достигнуты наименьшие в стране значения температуры около 10 нК [6].
Охлаждение продемонстрировано на примере газа атомов лития-6, который
сложен в охлаждении в сравнении с другими щелочными металлами. Выбор
лития в данном случае продиктован важностью этого элемента для реализации
фундаментальных задач, связанных с квантовым вырождением ферми-частиц. Эти
же методы глубокого охлаждения применимы к широкому кругу химических
элементов. В результате охлаждения получается облако газа, пленённое в
оптической дипольной ловушке, образованной фокусом лазерного луча (рис. 1).
Использование дипольной ловушки может привести к существенному
сокращению размеров часов на ультрахолодных атомах рубидия и цезия. В
традиционной схеме большой размер часов обусловлен использованием технологии
«фонтана»: облако атомов подбрасывается в вакууме вертикально вверх на
высоту 1-2 м и падает обратно. В начале и конце полёта в нижней точке
баллистической траектории облако взаимодействует с микроволновым полем, частота
которого подстраивается под частоту сверхтонкого перехода в атоме. В
проекте космических часов [7] из-за отсутствия гравитации подброс и падение
заменены пролётом между двумя микроволновыми резонаторами. Наличие
протяжённой области полёта служит основным препятствием для компактизации
традиционной схемы и, кроме того, требует разных технологий для работы при
наличии и отсутствии гравитации. Однако в [8] показано, что использование
дипольной ловушки позволяет отказаться от подброса облака. Пролёт может быть
заменён парой импульсов микроволнового поля, воздействующих на
неподвижное облако атомов. Поскольку атомы локализованы дипольной ловушкой
и не разлетаются, несмотря на отличную от нуля, хоть и небольшую
кинетическую энергию, импульсы микроволнового поля могут быть разнесены на
значительное время. Увеличение времени между импульсами ведёт к росту точности
и стабильности. Кроме того, отказ от подброса облака, позволяет использовать
единую схему для наземных и космических часов. В этом методе уменьшение
температуры облака атомов также ведёт к росту точности и стабильности.
100
Приготовление газа путём лазерного пленения и охлаждения
Обзор процедуры приготовления. Охлаждение газа атомов лития
занимает около 9 с, а начальная и конечная температура различаются в 1010 раз.
Вакуумная система, в которой происходит приготовление ультрахолодного
газа, показана на рис. 2. Источником газа служит закладка из нескольких граммов
твёрдого изотопически чистого лития-6, помещённого в печь при температуре
410 °С, где происходит постоянное испарение металла. Сопло печи формирует
пучок атомов, который попадает в основную вакуумную камеру через зеема-
новский замедлитель. В основной камере часть атомов из пучка захватывается
в магнитооптическую ловушку (МОЛ), где охлаждается резонансным светом
до нескольких сотен микрокельвин.
После этого газ перегружается в оптическую дипольную ловушку,
создаваемую фокусом лазерного луча, настроенного по частоте далеко от частоты
резонансов атома. В дипольной ловушке температура понижается примерно до
10 нК. Далее лазерное охлаждение и пленение рассмотрены более подробно.
Пленение и предварительное охлаждение резонансным светом.
Первые стадии охлаждения и пленения происходят под действием света с
частотами, близкими к резонансным частотам атома [9]. Используется
излучение видимой части спектра с длиной волны 671 нм, лежащей вблизи наиболее
сильного электродипольного перехода в литии 2S —* 2Р.
Из печи пучок атомов попадает в зеемановский замедлитель [10], где
часть атомов тормозится встречным лучом света перед тем, как попасть в МОЛ.
Торможение необходимо, поскольку тепловая скорость атомов, вылетающих из
печи, составляет 1700 м/с. В то же время МОЛ способна захватывать атомы со
скоростью не более 40 м/с.
Основная камера
* 35 см
Область МОЛ и
дипольной ловушки
Зеемановский замедлитель
* 80 см
Электромагнит
замедлителя
Печь
* 20 см
Сопло .
I I
МРН
Источник
лития
Рис. 2. Вид сверху на вакуумную систему для лазерного пленения и охлаждения
атомов лития: МРН — магниторазрядный насос, луч оптической дипольной ловушки
направлен вдоль z
101
Рис. 3. Пленение атомного газа в магнитооптической ловушке. Схематично показаны
шесть пленяющих лучей, пара электромагнитов с противоположными токами
и облако атомов
МОЛ выполнена по традиционной схеме [9], представленной на рис. 3.
Охлаждение обеспечивается тремя парами встречных лучей. Центр
формирования ловушки задаётся нулём магнитного поля. Магнитное поле МОЛ
линейно возрастает по удалению от центра. Удержание появляется за счёт
комбинации сдвига уровней в магнитном поле и ортогональных круговых поляризаций
встречных лучей. Мощность каждого из шести пленяющих лучей равна
примерно 50 мВт, а диаметр равен 1-2 см по уровню интенсивности 1/е. Градиент
магнитного поля вдоль оси вращательной симметрии электромагнитов
составляет примерно 3 мТл/см. За 4 с в МОЛ накапливается 3108 атомов при
температуре несколько сотен микрокельвин.
Глубокое охлаждение в дипольной ловушке. Дипольная ловушка
позволяет достигать существенно меньших значений температуры, чем МОЛ. В
отличие от МОЛ в дипольной ловушке не используется резонансный свет,
поэтому температура не ограничена снизу ни пределом охлаждения 2-уровневого
атома hT / 2 = 150 мкК (где Г — обратное время жизни возбуждённого
состояния), ни энергией отдачи при излучении фотона, равной [2я / (671 нм)]2 h2/ 2m
для многоуровневого атома [9].
Центр дипольной ловушки совмещён с центром МОЛ. Дипольная ловушка
глубиной примерно 1 мК создаётся двумя встречными лучами с длиной волны
10.6 мкм и одинаковой поляризацией, образующими стоячую волну. Ловушка
формируется перекрывающимися фокусами лучей. В дипольной ловушке атом
удерживается благодаря потенциалу U = -d • Е, где Е — напряжённость
электрического поля, a d ~ Е — наведённый дипольный момент. Максимум
интенсивности выступает в качестве минимума потенциала. Атом почти не
поглощает фотоны из луча, что делает потенциал ловушки консервативным на
временах до 1 ч [11].
Дипольная ловушка включается до выключения МОЛ. Включение
дипольной ловушки не оказывает влияния на процесс пленения и охлаждения
в резонансном свете, поскольку излучение с длиной волны 10.6 мкм
приводит к почти одинаковому штарковскому сдвигу уровней 2S и 2Р. После выклю-
102
чения МОЛ в дипольную ловушку перегружается часть облака, которая
пространственно перекрывалась с ней, что даёт несколько миллионов атомов.
Охлаждение в дипольной ловушке происходит путём выпаривания [11].
Атомы из хвоста теплового распределения покидают ловушку, поскольку их
кинетическая энергия больше глубины ловушки. Оставшиеся атомы благодаря
столкновениям термализуются уже с меньшей температурой. При этом частицы,
заполняющие хвост теплового распределения, снова теряются. Для ускорения
выпаривания преобладающее s-волновое упругое рассеяние частиц
настраивается на резонанс, что даёт сечение рассеяния, равное максимально возможной
величине — унитарному пределу а = 4я / А5, где Ш — импульс взаимного
движения двух сталкивающихся атомов. Управление рассеянием становится
возможным благодаря явлению резонанса Фано-Фешбаха [12]. Для настройки
резонансного рассеяния накладывается однородное магнитное поле В = 83 мТл.
После наложения поля в течение 1 с происходят испарение и охлаждение
в стационарной ловушке. Затем выключается один из двух лучей,
формирующих стоячую волну. В результате газ адиабатически перегружается в
веретенообразную дипольную ловушку, образованную сфокусированной бегущей волной
(см. рис. 1). Дальнейшее выпаривание продолжается в принудительном
режиме: глубина потенциала понижается, что ускоряет испарение и охлаждение. За
4 с глубина ловушки уменьшается примерно в 2000 раз, достигая значения,
сравнимого с химическим потенциалом газа. Наименьшая зафиксированная
температура составила (11 ± 4) нК для облака, содержащего около 105 атомов.
Пути радикального уменьшения размера
Перспективы компактизации атомных стандартов частоты.
Современные первичные стандарты частоты на цезии и вторичные на рубидии
в стационарном варианте занимают лабораторный зал площадью несколько
десятков квадратных метров и имеют энергопотребление от единиц до
десятков киловатт. Лазеры и оптические элементы занимают нескольких
квадратных метров оптического стола. Несколько кубометров пространства требуется
для вакуумной системы, включающей в себя «фонтан», т. е. область подброса
облака ультрахолодных атомов и их взаимодействия с микроволновым полем.
Высота вакуумной системы от 1 до 3 м. Размещение электроники требует от
единиц до десятков кубических метров пространства.
Предпринимаются усилия по компактизации аппаратуры для
создания стандартов частоты в передвижном наземном и космическом вариантах.
Стандарт, разрабатываемый для применения в космосе, должен
функционировать в объёме 1 м3 и иметь энергопотребление 450 Вт [7]. Ввиду отсутствия
гравитации «фонтан» (вертикальный подброс и падение облака) заменён на
однонаправленный пролёт между двумя точками. Вакуумный узел, в котором
происходит пролёт, имеет длину 80 см. В перспективе отказ от пролёта
атомов и его удержание в одном месте, в дипольной ловушке, позволит
дополнительно уменьшить размеры установки, поскольку область пролёта и связан-
103
ная с ней вакуумная система являются наиболее крупной по габаритам частью.
Аналогично удержание облака в дипольной ловушке позволяет отказаться от
«фонтана» в наземных часах. Схема часов без пролёта с удержанием атомного
облака неподвижным в дипольной ловушке продемонстрирована в [8].
Для подобной компактизации часов необходима компактная система
лазерного охлаждения и пленения вещества. В установке, описанной в предыдущем
(с. 101-103) разделе, наиболее габаритными частями являются вакуумная (см.
рис. 2) и лазерная системы. Последняя к тому же имеет энергопотребление
несколько киловатт, которое может быть радикально снижено. Оптимизация этих
систем, необходимая для использования лазерного охлаждения в передвижных
и бортовых устройствах, обсуждается в последующих двух подразделах.
Компактизация вакуумной системы. Наибольшей частью вакуумной
системы, представленной на рис. 2, выступает зеемановский замедлитель.
Столь длинный замедлитель специфичен для лёгких элементов, к числу
которых принадлежит литий. Кроме того, для лития атомный пучок является
единственным способом загрузки МОЛ ввиду малого давления насыщенных паров.
В качестве рабочего вещества стационарных прецизионных часов
используются рубидий-87 и цезий-133, для которых вообще можно отказаться от зееманов-
ского замедлителя и источника в виде печи. Благодаря высокому давлению
насыщенных паров рубидия и цезия можно использовать компактный гетерныи
источник, загружая МОЛ из окружающего пара. По окончании загрузки МОЛ
давление в вакуумной камере может быть быстро снижено путём уменьшения
температуры источника.
Размеры основной вакуумной камеры также могут быть снижены.
Может быть использована небольшая вакуумная камера размерами примерно
5 х 5 х 20 см3, выполненная из стекла. Размеры вакуумной системы фактически
будут определяться размерами вакуумного насоса, условный объем которого
не превышает нескольких метров.
Компактизация и энергопотребление лазера, создающего оптическую
дипольную ловушку. В оптической части описанного выше метода лазерного
пленения и охлаждения наиболее габаритной и энергоёмкой частью
выступает лазер, создающий оптическую дипольную ловушку. Использован лазер на
углекислом газе с выходной мощностью 120 Вт. Длина лазера более метра, не
считая управляющей электроники, а энергопотребление - несколько киловатт.
В случае часов на рубидии или цезии снова возможны радикальная
компактизация и снижение энергопотребления. Источником света для дипольной
ловушки может выступить компактный световодный лазер с длиной волны
около 1 мкм. Достаточной будет мощность лазера 10 Вт, поскольку рубидий и
цезий гораздо глубже охлаждаются в ходе первой стадии резонансным светом.
Учитывая высокую энергоэффективность световодных лазеров,
составляющую около 30 %, достаточным будет электропитание лазера в 30 Вт. А
габариты световодного лазера, включая в себя управляющую электронику, составят
всего несколько литров.
104
Заключение
Описана методика глубокого охлаждения атомного газа на примере
газа атомов лития. Эти же методы применимы к широкому кругу химических
элементов. В результате охлаждения получается облако газа, пленённое в
оптической дипольной ловушке, которая образована фокусом лазерного луча.
Экспериментальная установка допускает радикальную компактизацию. Газ
атомов рубидия или цезия, охлаждённый и пленённый подобным методом,
может быть использован для создания атомных часов, применяемых как в
передвижном наземном, так и космическом варианте. Также применение
дипольной ловушки позволяет сделать конструкцию независимой от наличия или
отсутствия гравитации, что открывает путь создания часов по единой схеме
для использования как на Земле, так и в космосе.
Литература
1. Wynands R., Weyers S. Atomic fountain clocks // Metrologia. - 2005. -
Vol. 42, №3.-P. S64.
2. Lemonde R Optical lattice clocks // Eur. Phys. J. Special Topics. - 2009.
Jun.-Vol. 172.-P. 81-96.
3. Heavner T. R, Parker T. E., Shirley J. #., Jefferts S. R. NIST Fl and F2 //
Proc. 7th Symp. Freq. Stds. Metrology. - 2008. - P. 299-307.
4. MakdissiA.,deClercqE.Evaluationoftheaccuracyoftheopticallypumpedcae-
sium beam primary frequency standard of BNM-LPTF // Metrologia. -2001. -Vol. 38,
№5.-P. 409.
5. Yudin V. L, Taichenachev A. V. et al. Atomic clocks with suppressed black-
body radiation shift // Phys. Rev. Lett. - 2011, Jul. - Vol. 107. -P. 030801.
6. Martiyanov K.t Makhalov V.t TurlapovA. Observation of a two-dimensional
Fermi gas of atoms // Phys. Rev. Lett. - 2010, Jul. - Vol. 105, № 3. - P. 030404.
7. Cacciapuoti L.t Salomon Ch. Space clocks and fundamental tests: The ACES
experiment // Eur. Phys. J. Special Topics. - 2009, Jun. - Vol. 172. - P. 57-68.
8. Kleine Buning G., Will J. et al. Extended coherence time on the clock
transition of optically trapped rubidium // Phys. Rev. Lett. - 2011, Jun. - Vol. 106. -
P. 240801.
9. Balykin V. Lt Minogin V. G.t Letokhov V. S. Electromagnetic trapping of cold
atoms // Rep. Prog. Phys. - 2000. - Vol. 63, № 9. - P. 1429.
10. Phillips W. D.t MetcalfH. Laser deceleration of an atomic beam // Phys.
Rev. Lett. - 1982, Mar. - Vol. 48, № 9. - P. 596-599.
11. О 'Нага К. M, Granade S. R. et al. Ultrastable C02 laser trapping of lithium
fermions // Phys. Rev. Lett. - 1999, May. - Vol. 82, № 21. - P. 4204-^1207.
12. Chin C, Grimm R., Julienne R, Tiesinga E. Feshbach resonances in ultra-
cold gases // Rev. Mod. Phys. - 2010. Apr. - Vol. 82, № 2. - P. 1225-1286.
105
An Ultra-cold Gas of Atoms for GLONASS Time Standards
A. V. Turlapov, T. V. Barmashova, K. A. Martiyanov, V. B. Makhalov
Technique for deep cooling atomic gas is described. As a result of cooling, one
obtains a cloud of gas at the temperature of ~10 nK. The gas is trapped in an optical
dipole trap formed by a focus of a laser beam. The method is demonstrated in the
example of lithium atoms. While cooling of lithium is complicated, the choice of this
atom is motivated by its importance for fundamental studies. These same methods of
deep cooling are readily applicable to a wide circle of chemical elements including
cesium and rubidium, which are used in atomic clocks. A gas of rubidium or cesium
cooled and trapped in the dipole trap may be used for making atomic clocks of
reduced size relative to modern ultra-cold atom clocks. This will allow for the use of
such clock both in mobile Earth version as well as on board of a space mission. Also
the use of the dipole trap makes the design independent of the presence or absence
of the gravity.
106
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Состояние и перспективы развития
оптических стандартов времени и частоты
на холодных атомах и ионах
В. Г. Пальчиков
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, Московская обл., Россия
В статье представлен краткий обзор современного состояния и
перспектив будущего развития оптических стандартов времени и частоты,
основанных на использовании холодных атомов и однократных ионов.
Анализируются основные метрологические характеристики оптических
стандартов: стабильность, точность и т. д.
Ключевые слова: стандарт, частота, время, атом.
Введение
Повышение точности координатно-временных и частотных определений
является одной из актуальных задач реализации ФЦП «ГЛОНАСС». Следует
отметить, что для успешного решения этой задачи необходимо располагать
высокоточными стандартами времени и частоты наземного и бортового
базирования с требуемыми метрологическими характеристиками.
В последние годы наметился существенный прогресс в области
разработки оптических стандартов времени и частоты, обладающих наивысшей
на сегодняшний день точностью и стабильностью в воспроизведении единиц
этих велечин. Для реализации нового поколения стандартов времени и
частоты используется атомный переход с характерными оптическими частотами, но
с макроскопически большим временем жизни возбужденного состояния, т. е.
с сильно подавленной вероятностью спонтанного распада в основное
состояние. Тем самым достигается очень высокий фактор добротности,
пропорциональный отношению частоты перехода к его радиационной ширине. Переходы,
обладающие такими характеристиками, есть как у нейтральных атомов, так
и в однократных ионах.
Проведен анализ метрологических характеристик оптических стандартов
частоты на холодных атомах, основанных на применении оптических решеток,
© В. Г. Пальчиков, 2012
107
а также ионных стандартов частоты. Необходимо отметить, что уже сейчас
реализована относительная неопределенность воспроизведения единицы
частоты в таких стандартах на уровне около 10"17-10"18.
Сделан обзор принципов работы основных компонент оптического
стандарта частоты с высоким фактором добротности на основе сверхузкого
«часового» перехода в щелочно-земельных нейтральных атомах и однократном ионе
алюминия.
Особое внимание в работе уделено описанию оригинальных
результатов, полученных в ФГУП «ВНИИФТРИ» в части создания макета оптического
стандарта частоты на холодных атомах стронция-87.
Оптические стандарты частоты на ионах и нейтральных атомах
Любые атомные оптические часы включают в себя три основных
элемента: 1) сверхстабильный зондирующий лазер; 2) узкий атомный переход, на
который настраивается лазер; 3) оптический частотный гребень,
обеспечивающий передачу частотной стабильности стандарта частоты на другие области
оптического диапазона.
Идеальный репер для ионного стандарта частоты представляет собой
покоящуюся поглощающую среду, свободную от внешних воздействий полей
и частиц, обладающую высокой добротностью линии поглощения и сильным
откликом при взаимодействии с полем внешнего генератора. Для того чтобы
удерживать микроскопические частицы в покое в некоторой точке
пространства, требуется силовое поле, стремящееся вернуть частицу в эту точку. Так
как нейтральные атомы и молекулы слабо взаимодействуют с электрическими
и магнитными полями, для их удержания требуются сильные поля или
градиенты полей, которые могут вызвать значительные сдвиги энергетических
уровней в самих атомах. Однако для ионов, имеющих в электронной оболочке
дополнительный электрон либо лишенных одного или нескольких электронов,
достаточно существенно наличие более слабых полей, чтобы удерживать их
в ловушке. Следовательно, с точки зрения использования в стандартах частоты
ионные ловушки имеют несколько преимуществ.
Во-первых, удержание ионов в ловушке в течение продолжительного
времени (вплоть до нескольких суток) позволяет исследовать чрезвычайно узкие
спектральные линии без ограничений, накладываемых конечным временем
взаимодействия частицы с полем.
Во-вторых, удержание поглотителей в небольшом объеме позволяет
эффективно использовать методы лазерного и симпатического охлаждения и
регистрировать сигналы, исходящие практически из одной точки пространства.
Существенное снижение скорости поглотителей позволяет ограничить их в
области пространства, которая меньше длины волны возбуждающего излучения,
что позволяет реализовать режим Лэмба-Дике и подавить вклады доплеров-
ского сдвига 1-го и 2-го порядков.
108
В-третьих, поскольку ионы находятся в области сверхвысокого вакуума,
можно практически полностью исключить взаимодействие с другими
частицами и существенно снизить взаимодействие с окружением.
В-четвертых, можно исключить взаимодействие с другими ионами, если
в качестве репера частоты использовать осциллятор на одиночном ионе.
Основные результаты для одиночных ионов
HoH199Hg+ (NIST, USA). Ион охлаждается и захватывается в
криогенной радиочастотной сферической ловушке Пауля. Часовой переход -
электрический квадрупольный переход 2Si/2 - 2D5/2 с X = 282 нм и радиационной
шириной Г = 1.7 Гц. На систематическую погрешность ов = 1.9-10"17
оказывает влияние главным образом квадрупольный сдвиг. При сличении с цезие-
вым стандартом частоты фонтанного типа было получено значение частоты
/Hg = 1 064 721 609 889 145.98(1.06) Гц, со стабильностью о (т) = 31013 г1/2 [1].
Ион27АГ (NIST, NBL, USA). В качестве часового используется переход
lS0 - 3Ро с X = 267 нм и радиационной шириной Г = 0.5 мГц. Переход lSQ - 3Рг
в 27АГ (X = 167 нм) подходит для лазерного охлаждения, но для таких длин волн
отсутствуют узкополосные настраиваемые лазеры, поэтому была разработана
следующая методика. Захват производится в линейной ловушке Пауля, причем
в одной ловушке одновременно захватываются два иона: Ве+ и АГ;
поступательные степени свободы обоих ионов связаны друг с другом кулоновским
взаимодействием, что делает возможным охлаждение АГ до доплеровского
предела. Кроме того, с помощью методов квантовой логики (QLS - quantum logic
spectroscopy [2]) можно переносить внутреннее состояние А1+ на состояние Ве+
(который охлаждается лазером с X = 313 нм), после чего часовой переход
сканируется лазером с X = 367 нм. По данным последних сличений в NIST [1]
систематическая погрешность ов = 2.3 • 10~17.
Ион 171Yb+ (NPL, UK), (РТВ, Germany). Часовые переходы:
квадрупольный 2Si/2 - 2D3/2 на 435 нм с Г = 3.1 Гц; октупольный 2Si/2 - 2F7/2 на 467 нм с
шириной линии порядка единиц наногерц (время жизни метастабильного F-уровня
порядка шести лет), а также стабильность стандарта определяются шириной
линии лазера, а воспроизводимость ограничивается преимущественно квадру-
польным сдвигом. В РТВ были проведены измерения частоты перехода 2S1/2 -
2D3/2: стабильность порядка 10~15 за одну секунду, точность-три единицы 15-го
знака. Предполагается, что систематическая погрешность может быть
уменьшена до единицы 18-го знака. В NPL было проведено измерение частоты
перехода 2S1/2 - 2F7/2: точность-порядка двух единиц 14-ого знака, а главный вклад
в нее дают статистическая компонента и динамический эффект Штарка
вследствие излучения лазера на длине волны X = 467 нм. Погрешнось, связанная с
излучением черного тела, может определять предельную точность оптического
стандарта.
109
Основные результаты для нейтральных атомов
Атом 40Са (NIST, USA), (PTB, Germany). Оптический стандарт частоты,
использующий интеркомбинационный переход 3S0 - 3Pi (слабо чувствителен к
внешним воздействиям) на 457 нм с шириной линии Г = 320 Гц (что является
существенным недостатком) - один из самых точных стандартов. Для
лазерного охлаждения используется расположенный близко к нему переход 3S0 - *Pi
(X = 423 нм). Достигнуты стабильность о(т) = 5-Ю-15 т1/2 и точность 7.51015.
Атом 87Sr (NIST, USA), (PTB, Germany), (Tokyo, Japan). В 2003 г.
сотрудники Токийского университета исследовали спектроскопию перехода 1S0 - 3Р0
фермионного изотопа стронция. Экспериментально была определена
«магическая длина волны» формирующего решетку лазера X = (813 ± 2)нм. Авторы [3]
первыми провели измерение точности стандарта на бозонных изотопах
стронция на часовом переходе % - 3Ро- Измеренная частота равна 429 228 066 418
009(32) Гц. В этой статье авторы обсуждают условия, при которых можно
будет достичь точности оптических часов на уровне 10~17 и выше. Максимальная
точность измерений частоты, которая была достигнута в РТВ и NIST, 1.5-10'16.
Макет оптического стандарта частоты ФГУП «ВНИИФТРИ»
В настоящее время в ФГУП «ВНИИФТРИ» в рамках выполнения
мероприятий ФЦП «ГЛОНАСС» разрабатывается макет оптического стандарта
частоты на фермионных изотопах атома стронция 87Sr. В макете оптического
стандарта частоты охлаждение и пленение атомов 87Sr производятся в два этапа:
- при первичном охлаждении магнитоптическая ловушка (МОЛ)
работает на переходе lS0- l?i (ширина линии 32 МГц) с длиной волны 461 нм.
Количество плененных атомов в ней увеличивалось на порядок благодаря
использованию лазеров перекачки с длинами волн 679 и 496 нм;
- вторичное охлаждение осуществляется на интеркомбинационном
переходе lS0 - 3Pi (ширина линии 7.6 кГц). Для осуществления вторичного
охлаждения на переходе lS0 - 3Pi (689 нм) требуется ECDL-лазер с шириной линии,
сравнимой на коротких промежутках времени с естественной шириной линии
перехода 7.5 кГц. Дальнейшее сужение ширины линии излучения
осуществляется привязкой лазера к стабильному оптическому резонатору при помощи
метода Паунда-Древера-Холла. Для этого нами в качестве оптического фазового
модулятора использовался специально сконструированный АОМ, способный
работать исключительно в режиме дифракции Рамана-Ната (АОМ-РН).
Для стабилизации лазеров вторичного охлаждения (689 нм) и часового
(698 нм) используются два УЛЕ-резонатора. Каждый резонатор расположен
внутри вакуумной камеры (уровень вакуума выше 10~7 мбар), которая в свою
очередь смонтирована на коммерческой вибрационно-изолированной
платформе размером 400 х 400 мм. УЛЕ-резонатор обладает следующими
характеристиками: температурные колебания (при отсутствии в лаборатории
климатической системы) менее 10 мК, добротность 60 000, область дисперсии 1.92 ГГц.
ПО
В настоящее время полностью завершены этапы работы, связанные с
охлаждением атомов 87Sr и их захватом в МОЛ. В стадии завершения находятся
этапы работы по формированию одномерной вертикальной лазерной решетки,
возбуждения и считывания часового перехода.
Выводы
Существенное снижение скорости атомов и ионов, достигнутое за счет
применения современных лазерных технологий, позволяет ограничить их в
области пространства меньше длины волны возбуждающего излучения, что
позволяет реализовать режим Лэмба-Дике и полностью подавить вклады допле-
ровского сдвига 1-го и 2-го порядков.
Данное обстоятельство позволило реализовать уникальные
метрологические характеристики оптических стандартов частоты на холодных атомах
и ионах (добротность часовых переходов примерно равна 1012-1014, точность
и стабильность - на уровне 10~16-10~18).
Литература
1. Lorini L. et al. Recent atomic clock comparisons at NIST // Eur. Phys.
J. Special Topics. - 2008. - Vol. 163. - P. 19-29.
2. Schmidt P.O., RosenbandT. etal. Spectroscopy of atomic and molecular ions
using quantum logic // Non-Neutral Plasma Physics VI: Workshop on Non-Neutral
Plasmas, 2006. AIP Conf. Proc, - 2006 - Vol. 862. - P. 305.
3. Takamoto M., Katori H. Spectroscopy of the lS0 - 3P0 Clock Transition of
87Sr in an Optical Lattice // Phys. Rev. Lett. - 2003. - Vol. 91. - P. 223001.
The Current Status and Future Prospects for Optical Time
and Frequency Standards on Cold Atoms and Ions
V. G. Palchikov
The brief review of the current status and future prospects for optical time and
frequency standards on cold atoms and single ions is given. The main metrological
characteristics (stability, accuracy, etc) are analyzed.
Ill
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Перспективы совершенствования эталонной базы
воспроизведения, хранения и передачи размеров
единиц времени и частоты на базе новых разработок
ЗАО «Время-Ч»
А. А. Беляев, С. Ю. Медведев, Б. А. Сахаров, Ю. К. Павленко
ЗАО «Время-Ч», г. Нижний Новгород, Россия
Описаны новейшие разработки и серийно выпускаемая продукция
компании «Время-Ч», предназначенные для использования в области
воспроизведения и хранения размеров единиц времени и частоты и
готовые к поставкам в 2012-2013 гг. Обсуждаются перспективные и
планируемые разработки ЗАО «Время-Ч» в направлении новой
федеральной программы «ГЛОНАСС» на 2012-2020 гг.
Ключевые слова: стандарт, частота, время.
Компания ЗАО «Время-Ч» разрабатывает и серийно выпускает
продукцию [1], предназначенную для использования в области воспроизведения
и хранения размеров единиц времени и частоты:
- стандарты частоты и времени водородные Ч1-1003М и 41-1007;
- формирователь эталонных частот 47-317;
- компараторы частотные VCH-314, VCH-315, 47-318;
- приемник-компаратор VCH-320;
- калибратор частотный VCH-313;
- ретранслятор времени VCH-402 и первичный сервер времени VCH-404.
Выпускаемая аппаратура позволяет реализовать относительную
погрешность на уровне до 10~15 по частоте и десятых долей наносекунды по шкале
времени.
Стандарт частоты и времени водородный активного типа Ч1-1003М
является новейшей разработкой компании. Он предназначен для прецизионного
хранения и воспроизведения размера единиц частоты и времени в составе мер
и эталонных комплексов. Основные области применения: национальные
службы времени и частоты; наземные пункты слежения и управления спутниковых
радионавигационных систем; радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой.
) А. А. Беляев, С. Ю. Медведев, Б. А. Сахаров, Ю. К. Павленко, 2012
112
Главная особенность прибора - реализация автономной настройки
резонатора мазера, позволяющая улучшить долговременную нестабильность
частоты и отказаться от необходимости использования 2-го стандарта в качестве
опорного для настройки резонатора. Нестабильность частоты выходного
сигнала для времени измерения 1 с не превышает 210-13, для времени измерения
1 сут- 1-Ю-15. В режиме автоматической калибровки частоты и синхронизации
шкалы времени по сигналам навигационного космического аппарата (НКА)
ГЛОНАСС/GPS погрешность воспроизведения шкалы времени UTC (SU)
составляет не более ±50 не.
Еще одним примером разработок последнего времени является стандарт
частоты и времени водородный пассивного типа 41-1007. От
предшественников его отличают продленный срок службы (не менее 15 лет) и наличие
режима автоматической подстройки частоты и синхронизация шкалы
времени по сигналам НКА ГЛОНАСС/GPS с помощью встроенного калибратора.
В этом режиме относительная погрешность выходного сигнала прибора по
частоте не превышает ±11013, а погрешность воспроизведения шкалы
времени UTC(SU) - ±50 не. Нестабильность частоты выходного сигнала стандарта
для времени измерения 1 с, не превышающая 5* Ю-13, а для времени измерения
1 сут- 4-10-15, позволяет с успехом использовать его в метрологии для передачи
значений единиц частоты и времени с помощью передвижных измерительных
комплексов, в радиоастрономии, в радионавигации при работе в составе
автоматизированных измерительных систем и комплексов. Также ЗАО «Время-Ч»
выпускает широкий круг фазовых и частотных компараторов и калибраторов,
позволяющих измерять характеристики нестабильности частоты всех
существующих на сегодня источников прецизионных сигналов стандартных частот.
Кроме выпуска серийной продукции широкого применения компания
ЗАО «Время-Ч» выполняет уникальные разработки, в частности создание
водородных стандартов частоты космического применения. Первой такой
разработкой было создание бортового активного водородного стандарта частоты
VCH-1010 для использования в качестве источника высокостабильного
опорного сигнала для научной аппаратуры космического радиотелескопа,
установленной на космический аппарат «Спектр-Р» (проект наземно-космического
радиоинтерферометра «Радиоастрон» [2]). Прибор предназначен для работы
в открытом космосе. Его блок электроники расположен в герметичном
контейнере, заполненном инертным газом. Конструкция выдерживает
широкополосную случайную вибрацию в диапазоне 20-2000 Гц с амплитудой
виброускорения до 4 g и многократные удары амплитудой до 40 g при длительности 2 мс.
Космический аппарат «Спектр-Р» был запущен с космодрома Байконур в июле
2011 г., и в настоящее время стандарт частоты VCH-1010 успешно работает на
орбите.
Примером другого прибора космического применения, разработанного
компанией ЗАО «Время-Ч», является водородный стандарт частоты VCH-1014,
предназначенный для использования в качестве задающего генератора опорной
113
частоты 5 МГц в составе бортового синхронизирующего устройства
космического аппарата «Глонасс-К». Прибор может работать и в открытом космосе,
и при атмосферном давлении. Его конструкция выдерживает широкополосную
случайную вибрацию в диапазоне 20-2000 Гц с амплитудой виброускорения
до 10 g и многократные удары амплитудой до 150 g при длительности 2 мс.
В блоке стандарта широко используется цифровая обработка сигналов,
реализованная с помощью заказных СБИС, спроектированных для работы в
космосе. Обеспечиваемая стандартом кратковременная нестабильность частоты
710~13 за 1 с так же, как и долговременная нестабильность частоты 5-Ю-15 за
1 сут, позволит в ближайшее время улучшить точность позиционирования и
синхронизации времени с использованием ГЛОНАСС.
В настоящее время в компании ЗАО «Время-Ч» разрабатывается
активный бортовой водородный стандарт частоты для космического
радиотелескопа проекта «Миллиметрон». Заданные метрологические
характеристики, очередь нестабильность частоты выходного сигнала от 71014 за 1 с до
(3-5)* 10-16 за 1000 с, требуют проведения поиска новых технических решений
и существенной переработки конструкции прибора по сравнению со
стандартом для проекта «Радиоастрон».
Новая федеральная программа «ГЛОНАСС на 2012-2020 гг.»
устанавливает повышенные требования как к бортовой аппаратуре, так и ко всем средствам
наземного управления КНС ГЛОНАСС. В рамках новой ФЦП ЗАО «Время-Ч»
планирует провести летные испытания бортового водородного стандарта
частоты бортового синхронизирующего устройства VCH-1014, выполнить
работы по техническому обслуживанию, модернизации и совершенствованию
характеристик эталонов времени и частоты АЦУС и ЦС НКУ ГЛОНАСС, а также
модернизацию военного группового эталона единиц времени и частоты.
Растущие с каждым годом требования к стабильности частоты
источников эталонных сигналов и точности передачи единиц времени и частоты
заставляют ЗАО «Время-Ч» проводить исследования и разработки в новых
областях. В ближайших планах кампании - участие в разработке стандарта частоты
на основе Rb-фонтана [4], а также создание системы передачи шкалы времени
по оптоволокну с субнаносекундной точностью [5].
Литература
1. ЗАО «Время-Ч». Продукция [сайт]. - URL: http://www.vremya-ch.com/
russian/product/index.html.
2. RadioAstron, Space VLBI mission [сайт]. - URL: http://www.asc.rssi.ru/
radioastron/rus/index.html.
3. Астрокосмический центр ФИ АН им. П. Н. Лебедева. Обсерватория
«Миллиметрон» [сайт]. - URL: http://asc-lebedev.ru/?dep=20.
4. Fertig С. et al. Laser-Cooled Rb Fountain Clocks // Proc. of the Conf. EFTF
and IEEE FCS. - 1999. - P. 39-42.
5. Piester D., Fujieda M., Rost M., Bauch A. Time Transfer Through Optical
114
Fibers (TTTOF): First Results of Calibrated Clock Comparisons // Proc. 41th Annual
Precise Time and Time Interval (PTTI) Meet. 17-19 Nov 2009, Santa Ana Pueblo,
NM, USA.
Prospects for Improving the Standard Base of Time
and Frequency Units Reproduction, Storage and Transfer
with the New Developments Carried Out by
"Vremya-CH" JSC
A. A. Belyaev, S. Yu. Medvedev, B. A. Sakharov, Yu. K. Pavlenko
We describe the latest developments and commercial production of "Vremya-
CH" JSC, intended for use in the area of time and frequency units reproduction and
transfer. Perspectives and developments planned by "Vremya-CH" JSC in the frame
of a new Federal GLONASS GNSS program for 2012-2020 are discussed.
115
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Задающие генераторы и хранители частоты
на оптических линиях метана
М. А. Губин1, А. Н. Киреев1, Ю. В. Коростелин1, А. Б. Пнев2,
Ю. П. Подмарьков1, Д. А. Тюриков1, М. П. Фролов1,
Д. А. Шелестов2, А. С. Шелковников1
1 Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, г. Москва, Россия
2МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва, Россия
На основе исследований ФИАН, ИЛФ СО РАН, ВНИИФТРИ по
оптическому стандарту частоты (ОСЧ) HeNe/CHj, результатов ведущих
зарубежных лабораторий по аналогичной системе ОСЧ Nd:YAG/I2,
обосновывается возможность достижения в компактных метановых ОСЧ
долго- и кратковременной стабильности частоты на уровне 10"15-10"16
(время усреднения 1-Ю5 с).
Ключевые слова: оптический стандарт частоты, метан, репер,
стабильность частоты, лазер
Введение
ОСЧ, использующие реперные линии глубоко охлажденных атомов/ионов,
захваченных в ловушках, демонстрируют беспрецедентно высокую (10~16-10~17)
точность воспроизведения частоты невозмущенного перехода. Данные
стандарты - кандидаты на роль первичных реперов - представляют собой сложные
стационарные установки [1].
Другой класс ОСЧ, необходимый на практике, - транспортируемые
(в том числе бортовые) хранители частоты нового поколения с долговременной
стабильностью 10~15-1016 (время усреднения т = 102-105 с) и задающие генераторы
с кратковременной стабильностью около 10~15 (т = 1 с). Наряду с водородными
мазерами и криогенными сапфировыми генераторами перспективными
кандидатами здесь являются ОСЧ, стабилизированные по внутридоплеровским
резонансам насыщенного поглощения (НП) и дисперсии (НД) молекулярных
газов при низких давлениях [2]. Относительная ширина резонансов, определяемая
соударениями, временем пролета через луч, насыщением составляет для
компактных систем у/со = 10~9-10~10. Среди различных пар «лазер-поглотитель»
О М. А. Губин, А. Н. Киреев, Ю. В. Коростелин, А. Б. Пнев, Ю. П. Подмарьков, Д. А. Тюриков,
М. П. Фролов, Д. А. Шелестов, А. С. Шелковников, 2012
116
наиболее высокую стабильность частоты (лучше 10~14) демонстрируют
рассматриваемые ниже две системы: Nd:YAG/I2H HeNe/CH4.
ОСЧ Nd:YAGfl2
В ОСЧ Nd:YAG/I2 используется вторая гармоника основного излучения
лазера Nd:YAG (1064 нм) и резонансы молекулярного йода в области 532 нм.
Результаты измерений стабильности частоты (относительной девиации
Аллана су) для ряда современных ОСЧ Nd:YAG/I2 с внешней ячейкой приведены
на рис. 1. Наилучшие результаты по долговременной стабильности частоты
получены в [3], где относительная девиация Аллана достигает фликерного
предела: оу = 41015 (т - 100 с), а дрейф частоты начинается с времен усреднения
более 6000 с. Характерные длины 12 ячеек составляют около 1 м, а для
выделения резонансов НП используется наиболее чувствительный частотно-
модуляционный метод внутридоплеровской спектроскопии, дополненный
многопроходной ячейкой либо помещением ячейки в резонатор Фабри-Перо,
что при малом поглощении увеличивает эффективную длину взаимодействия
излучения с молекулами 12 и повышает сигнал узких спектральных резонансов
в 2F/n раз, где F- резкость {от cmai.finess) резонатора Фабри-Перо [4].
Большинство реализованных данным методом ОСЧ Nd:YAG/I2 достаточно
громоздки, но развитие технологий привело к постановке исследований, целью
которых является создание компактных ОСЧ Nd:YAG/I2. Предполагается их
применение в качестве сверхстабильного задающего генератора и вторичного
репера частоты, в том числе на космических аппаратах [5, 6]. Характерная
ширина 12 резонансов составляет у ~ 500 кГц (в относительных единицах
у/со ~ Ю-9), а отношение сигнал/шум примерно равно 105 (т = 1 с), что дает
значение оу = 110~14-110~13 (т - 1 с). Как утверждают авторы [5], переход
к компактной системе Nd:YAG/I2 и стабилизация внешних условий обеспечат
долговременную стабильность частоты оу = 110~15 (т = 104...105 с).
X
cd
Я"
о
Ч
5
101 Ю2 10'
Усреднение времени, с
Рис. 1. Стабильность частоты Nd: YAG/I2 ОСЧ: «HUB» [6], «Zang» [3], «ИЛФ» [7]
117
ОСЧ He-Ne/CH4
В HeNe/CH4 ОСЧ в качестве репера используется ^2(2)-линия колебательно-
вращательного перехода Р(7) полосы v3 метана, положение которой совпадает
с линией усиления лазера HeNe (к = 3.39 ц.м, со = 88.4 ТГц) [2]. Одно из
направлений развития компактных транспортируемых ОСЧ HeNe/CFLj основано
на высокочувствительном двухмодовом методе выделения резонансов НП
и НД [8, 9]. Были созданы малогабаритные двухмодовые «опорные» лазеры
со стабильностью частоты оу ~ Ы0~14(т = 1 с) в условиях неразрешенной
магнитной сверхтонкой структуры (МСТС) с относительной шириной
резонансов у/со ~ 10"9.
Характерная особенность поведения опорного метанового ОСЧ -
высокая кратковременная стабильность (в 30 раз выше, чем у Н-мазера при т = 1 с)
и деградация стабильности при т > 10 с.
Кратковременная стабильность. Принципиальной причиной,
ограничивающей кратковременную стабильность HeNe/CFLj ОСЧ,
стабилизированных по резонансам НД, являются естественные частотные флуктуации
излучения (шумы Шавлова-Таунса), пропорциональные добротности резонатора
лазера и обратно пропорциональные интенсивности поля. Последная
ограничена оптимальным уровнем насыщения линии метана, и основной способ
снижения естественных шумов связан с повышением добротности
резонатора. Типичный уровень естественных флуктуации частоты для лазеров в [9]
составлял -у/йесг ~ 1 Гц/Гц1/2. В разработанном к настоящему времени компактном
ОСЧ HeNe/CH4 в несколько раз улучшена добротность резонатора и достигнут
уровень естественных флуктуации J]%^ ~ 0.1 Гц/Гц1/2. Для пересчета на
предельную стабильность частоты необходимо спектральную плотность шумов
разделить на производную резонанса НД в его центре: к = t/co^/t/coi (где coi2 -
межмодовая частота; ©! - частота моды, прописывающей центр резонанса).
В созданном ОСЧ HeNe/CH4 к ~ 0.3, что дает стабильность частоты
°у= J^ct/2t /<ок* 3-Ю15 (т = 1 с).
Долговременная стабильность. На временах усреднения т = 1...105 с
ухудшение долговременной стабильности частоты малогабаритных ОСЧ
HeNe/CH4 связано с медленными флуктуациями параметров резонатора
и активной среды, изменяющими интенсивность и модовый состав излучения,
что влияет на стабилизированную частоту через различные механизмы:
МСТС, «пьедестал» под резонансом, несовпадение центров линий усиления
и поглощения, поперечную неоднородность усиливающей среды и др. [10-13].
Для т = 10...103 с стабильность частоты зависит в основном от периодических
изменений интенсивности, вызванных, если не принято тщательных мер по их
устранению, слабыми паразитными отражениями (рассеянием) от элементов
резонатора и детектирующей системы [14]. Для снижения влияния МСТС -
линии на медленные дрейфы и повторяемость стабилизированной частоты
были разработаны транспортируемые ОСЧ HeNe/CFLj с телескопическими
118
расширителями луча внутри резонатора, что позволило разрешить отдельные
компоненты линии (ширина резонансов у ~ 5 кГц) и получить оу = 81015
(т = 103 с) при повторяемости частоты 31014 [15].
Пути улучшения долговременной стабильности
1. Пассивная стабильность резонатора. Для радикального снижения
долговременных дрейфов частоты нами реализуется несколько подходов.
Разработан опорный ОСЧ HeNe/CH4 нового поколения, где вместо обычной
инваровой конструкции используется моноблочный ситалловый резонатор.
Пассивная стабильность частоты при этом улучшилась примерно в 50-100 раз
по сравнению с конструкциями из инвара.
2. Активная стабилизация асимметрии реперных резонансов.
Несмотря на простоту схемы лазеров с поглощающими ячейками, в них
существует целый ряд трудно разделимых физических и технических
механизмов, приводящих к медленным сдвигам центра реперного резонанса.
Данные литературы и наши исследования показывают, что влияние большинства
из этих механизмов сводится к возникновению небольшой (от 0.01 до 0.001
значения самого резонанса) резонансной добавке другой по отношению
к форме основного резонанса четности. Например, в ударном режиме форма
резонанса НД может быть представлена в зависимости от отстройки частоты
х = (w - cooVg (w - частота излучения, ю0 - центр реперной линии метана; у -
ширина резонанса) как F(x) = D(x) + Ek/L^jc), где Lt{x) - функции, зависящие от
механизма, искажающего форму резонанса, но все они противоположной по
отношению к D(x) четности; к,— контрастность соответствующей резонансной
добавки. Для улучшения долговременной стабильности частоты нами были
предложены [16] схемы контроля изменений формы реперных резонансов,
вызванных случайными дрейфами параметров лазера и внешних условий. Для
этого асимметрия резонанса непрерывно измеряется в процессе стабилизации
частоты лазера по сигналу дополнительной гармоники и при возникновении
сигнала рассогласования с начальным значением этой гармоники вводится
воздействие на лазер (или поправка в значение стабилизированной частоты).
3. Новые линии метана. F2 - линия метана (к = 3.39 цт), используемая
для стабилизации ОСЧ HeNe/CF^ не является оптимальной (в частности,
из-за наличия МСТС), но отсутствие перестраиваемых малошумящих
твердотельных лазеров долгое время не позволяло перейти на более
перспективные линии СЬЦ. В настоящее время ситуация с твердотельными
лазерами в области спектра 2.3-3.5 ц.м кардинально изменилась благодаря
успехам в технологии выращивания высококачественных лазерных кристаллов
на соединениях А2В6 с двухвалентными ионами переходных металлов.
Например, кристаллы Cr2+:ZnSe и Cr2+:CdSe позволяют получать лазерную
генерацию в диапазонах 1.88-3.10 \хм [17] и 2.26-3.61 \ш [18], соответственно,
работают при комнатной температуре и обладают удобной широкой полосой
119
- F/V converter
- Laser (P=4mW)
- Laser (P=75mW)|
I
о
a
0,01
4 6 8
Частота, кГц
14
Рис. 2. Спектральная плотность шумов JWl2 межмодовой частоты Cr^iZnSe лазера
для двух значений выходной мощности лазера
4. поглощения в окрестности 1.9 ц.м, позволяющей использовать для
накачки тулиевые волоконные лазеры либо непосредственно лазерные диоды.
В целях разработки метанового ОСЧ нового поколения нами создан
непрерывный двухмодовый лазер на кристалле Cr^iZnSe, плавно
перестраиваемый вблизи X ~ 2.4 ц.м (со ~ 125 ТГц), где расположены в том числе одиночные
(без МСТС) линии метана, перспективные для выделения резонансов НД
с улучшенными параметрами. В созданном Cr2+:ZnSe - лазере была выполнена
оценка потенциальной стабильности частоты по уровню спектральной плотности
шумов yjWl2 межмодовой частоты (рис. 2) для двух уровней накачки лазера.
В форме зависимостей наблюдается резкий подъем в области низких
частот (менее 1 кГц), соответствующий остаточным техническим флуктуациям
частоты ©12 из-за нестабильности длины резонатора лазера. При малом
уровне мощности излучения лазера (Р = 4 мВт, верхняя кривая) рост шума на
частотах выше 1 кГц объясняется вкладом аддитивного шума фотодетектора.
При максимальном уровне мощности (Р = 75 мВт, средняя кривая) значение
yjWn сравнивается с шумами частотного детектора (ЧД, нижняя кривая). Из
рис. 2 следует, что у/щ^ не превышает минимального достигнутого значения
0.06 Гц/Гц1/2. Поскольку производная резонансов НД для линий метана
в области частот со ~ 125 ТГц может составлять к = d(on/d(Oi > 1, то
предельную кратковременную стабильность, достижимую на рассматриваемых
линиях, можно оценить как оу = ^Щ^ /2т сок ~ 41016 (т = 1 с).
120
Выводы
Реализация перечисленных шагов по «пассивной» и «активной»
стабилизации параметров резонатора и резонансов, использование новых линий
метана позволит, по нашему мнению, достигнуть уровня предельной стабильности
метанового репера, показанного на рис. 3 (СНг-2 - для HeNe/CH4 ОСЧ и СН4-3
для Cr^iZnSe/CH, ОСЧ).
Прямые подтверждения возможности значительного (на 1.5-2.0 порядка)
улучшения долговременной стабильности метановых ОСЧ содержатся в работе
[19], где были выполнены тщательные многочасовые измерения стабильности и
повторяемости частоты двух ОСЧ HeNe/CH4, стабилизированных по одиночной
(без МСТС) Е-линии метана. Установка представляла собой стационарный
комплекс в традиционном исполнении, т.е. с невысокой пассивной стабильностью
(инваровая конструкция резонатора, навесные газоразрядная трубка и
метановая ячейка длиной около 1 м каждая). Применялась ручная методика
устранения асимметрии резонанса, время определения которой 30-50 мин.
В [19] была достигнута повторяемость и воспроизводимость частоты
примерно 11015, что подтверждает высокий потенциал метановых ОСЧ.
По сравнению с [19] двухмодовые метановые ОСЧ имеют значительное
преимущество по соотношению сигнл/шум (в 10-30 раз) и позволяют
реализовать жесткую, компактную конструкцию, применить автоматический контроль
асимметрии реперного резонанса.
Другое подтверждение возможности получения долговременной
стабильности Су ~ 10"15-10_16на длительных интервалах усреднения - результаты
цитированных выше экспериментальных работ по Nd:YAG/I2 ОСЧ, где достигнута
Су ~ 4* 10~15 вплоть до т = 6* 103 с. Благодаря более высокой чувствительности
10"* 10*1 10е 101 10* 10" 104 105
Averaging time (s)
Рис. 3. Предельные возможности метановых ОСЧ: СН4-1 - достигнутая ранее
стабильность частоты двухмодовых ОСЧ HeNe/CH4, содержащих «опорный лазер» и
«лазер с телескопом»; СН4-2 - планируемая стабильность для ОСЧ HeNe/CH4 нового
поколения; СН4-3 - планируемая стабильность для ОСЧ Cr2+:ZnSe/CH4;
Н-мазер - активный водородный мазер типа 41-75 А
121
регистрации реперных резонансов и лучшей кратковременной стабильности
частоты метановый ОСЧ может на порядок превысить результаты,
планируемые для компактного («бортового») йодного ОСЧ: оу ~ 1-Ю-15, т = 102-105 с.
Таким образом, возможности создания компактных ОСЧ с
кратковременной и долговременной стабильностью частоты 10~15-10~16на
колебательно-вращательных линиях метана в области 2.3-3.4 ц.м с использованием двухмодо-
вых лазеров (HeNe и/или твердотельных) представляются обоснованными
с физической и технологической точек зрения и подтверждаются результатами
исследований аналогичных систем.
Выражаем благодарность сотрудникам ООО «ЛВТ» Е. В. Филонову
и Э. В. Волкову за реализацию технологии моноблочных ОСЧ HeNe/CH4.
Работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ (грант 09-02-00864),
программ РАН: «Фундаментальная оптическая спектроскопия и ее
приложения», «Экстремальные поля и их приложения».
Литература
1. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения / пер с англ. - М:
Физматлит, 2009. - 512 с.
2. Летохов В. С, Чеботаев В. 77. Нелинейная лазерная спектроскопия
сверхзвысокого разрешения. - М: Наука, 1990.
3. Zang Е. J., Cao J. Р et al. Realisation of four-pass I2 absorption cell in
532-nm optical frequency standard // IEEE Trans. IM - 56, 673-676. - 2007.
4. Ye J.t Ma L.S., Hall J.L. Ultrasensitive detections in atomic and molecular
physics", JOS А, В16, 2255-2268 - 1999.
5. Acef 0.t Clairon A.t et al. Nd:YAG laser frequency stabilized for space
applications // Intern. Conf. on Space Optics 4-8 October. 2010, Rhodes, Greece.
6. Kovalchuk E. V., Doringshoff K. Towards a New Generation of Ultra-Stable
Molecular Optical Frequency Standards // Proc. of the IQEC/CLEO Pacific Rim
2011,28 Aug. - 1 Sept. 2011, Sydney, Australia. - P. 2100.
7. Скворцов М. H, Охапкин М. В. Оптический стандарт частоты на основе
Nd:YAG-лазера, стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения
в молекулярном йоде с использованием второй гармоники излучения //
Квантовая электроника. 2004. - Т. 34, № 12. - С. 1101-1106.
8. Губин М. А, Проценко Е. Д. Лазерные стандарты частоты на основе
линий насыщенной дисперсии метана // Квантовая электроника. - 1997. - Т. 24,
№12.-С. 1080.
9. Gubin M. A.t Shelkovnikov A. S. et. al. Present performance of the
transportable double-mode HeNe/CH4 frequency standards // Proc. 13th Europ. Freq. and
Time Forum, Besancon, France, April 13-16, 1999. - P. 710.
10. Hall J. L. Frequency-Stabilized Lasers: from the Beginning toward the
Future // Laser Physics. - 1994. - Vol. 4, № 2. - P. 306-318.
11. Качалова Н. М, Романенко В. В., Яценко Л. П. II Влияние эффектов
пространственной неоднородности на асимметрию и сдвиги частотных резонансов
122
в двухмодовых лазерах // Квантовая электроника. - 1990. - Т. 17, № 4. - С. 428.
12. Bagayev S. N., Chebotayev V. Р, TitovE. A. Saturated Absorption Lineshape
under the Transit-Time Conditions // Laser Physics. - 1994. - Vol. 4, № 2. - P. 224.
13. Alekseev V. A., Gubin M. A.t Protsenko E. D. High Precision Optical
frequency standards // Laser Physics. - 1993. - Vol. 1, № 3. - P. 221.
14. Крылова Д., Шелковников А., Петрухин Е., Губин М. Влияние обратных
отражений на частоту метанового стандарта частоты // Квант.электроника. -
2004.-Т. 34.-С. 554.
15. Gubin M. A.t KovalchukE. V. et. al. Absolute frequency measurements with a
set of transportable HeNe/CH4 OFS and prospects for future design and applications
// Proc. 6th Int. Symp.Freq.Stand. & Metrol. 9-13 Sept. 2001/ St. Andrews, Scotland,
World Scient. Publish. - P. 453.
16. Способ стабилизации частоты лазера и устройство для его
осуществления: пат. 2318278 Рос. Федерация / М. Губин, Д. Крылова, Д. Тюриков, А.
Шелковников; №2006133177/28; опубл. 27.02.08., бкш. № 6.
17. Akimov V. A., Frolov М. P et al. Vapour growth of II-VI single crystals
doped by transition metals for mid-infrared lasers // Phys. Stat. Sol. - 2006. № 4. -
P. 1213.
18. Акимов В. А., Козловский В. И. и др. Эффективный импульсный
Cr^iCdSe-лазер с плавной перестройкой длины волны в спектральном диапазоне
2.26-3.61 мкм // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38, № 3. - С. 205.
19. Расторгуев Ю. Г., Титов А. Н. Повышение стабильности и
воспроизводимости частоты He-Ne стандартов на Е-компоненте метана // Квантовая
электроника. - 1991. - Т. 18. - С. 383.
Reference Generator and Frequency Keeper Based
on Metan Spectral lines
M. A. Gubin, A. N. Kireev, Yu. V. Korostelin, A. B. Pnev,
Yu. P. Podmar'kov, D. A. Tyurikov, M. P. Frolov, D. A. Shelestov,
A. S. Shelkovnikov
Results of experimental/theoretical investigations of the Nd:YAG/I2 and
HeNe/CH4 optical frequency standards based on 532 nm iodine and 3392 nm
methane line obtained at different labs are discussed. New technological and physical
improvements with HeNe/CH4 OFS are proposed and partially realized. In
particular, a monoblock double-mode HeNe/CH4 OFS with considerably improved
passive stability and Q-factor of laser resonator is demonstrated. A new generation of
HeNe/CH4 OFS is promising for achieving a short and long-term stability (relative
Allan deviation) at the 1015-1016 level (1-105 s averaging time).
123
Additionally a new type of IR double-mode tunable solid state laser
operating in the range of 2300-2500 nm is realized. New prospective CH4 lines, from this
spectral range facilitate the realization of a compact methane based OFS with long
term stability at 1015 -1016 level.
124
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23,2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Сличение удаленных стандартов частоты
и времени методом РСДБ
Е. Т. Жуков, Д. В. Иванов, С. Л. Кур дубов
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
В Институте прикладной астрономии на протяжении нескольких лет
проводятся исследования по сличению удаленных стандартов частоты и
времени с помощью РСДБ и других методов. В последнее время
методом РСДБ было проведено сравнение стандартов Ч1-80М и VCH-1003M
модернизированного РСДБ-комплекса «Квазар-КВО». Погрешности
частотных сличений были оценены значением порядка 11015 для
суточных сессий и значением около 21014 для часовых сессий. Проведено
сравнение результатов сличений, полученных методом РСДБ, с
данными, полученными методом точного точечного позиционирования (РРР)
с использованием ГНСС-приёмников. Различие результатов,
полученных этими альтернативными методами, составило менее чем 21014.
Ключевые слова: стандарт частоты, РСДБ, Квазар-КВО, ГНСС.
Введение
Развитие технологий высокоточного сличения территориально удалённых
стандартов частоты и времени (СЧВ) имеет важное научное и прикладное
значение. Уровень предъявляемых при этом требований по точности
характеризуется следующими значениями: от единиц до долей наносекунд - для сдвига
шкал времени (ШВ) и от 10~14 до 10~16 - для разности частот.
В настоящее время наиболее часто используемыми средствами для
сличения удалённых СЧВ с близкими к указанным выше значениям уровнями
точности являются глобальные спутниковые навигационные системы (ГНСС)
и дуплексные линии связи через геостационарные ИСЗ (табл.1).
Таблица 1. Методы высокоточных сличений удаленных СЧВ
Метод
ГНСС (РРР)
Дуплекс через стационарный ИСЗ
РСДБ
Погрешность
1014-1015
Ш-15_ Q-16
1014-1016
Рабочая зона
Глобальная
Подспутниковая
Глобальная
i Е. Т. Жуков, Д. В. Иванов, С. Л. Курдубов, 2012
125
Сравнение результатов сличений, полученных разными методами,
позволяет выявлять систематические ошибки этих методов. Использование для
сличений новых методов, обеспечивающих требуемую точность и основанных
на других принципах, позволяет повысить общую достоверность результатов
сличений. Одним из таких методов, обеспечивающих высокую точность
сличений удалённых на значительные расстояния СЧВ, является метод
радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) [1]. Формальная случайная
погрешность этого метода находится на уровне десятков пикосекунд по времени
и единиц 16-го знака по частоте.
РСДБ-метод сличений стандартов частоты и времени
В результате проведения РСДБ-сеанса наблюдений измеряется
групповая задержка прихода сигналов от далеких квазизвездных объектов (квазаров).
Групповая задержка определяется выражением
X = Xclk + Xg + Tins + Тр, (1)
где xclk - расхождение часов станций; т - геометрическая задержка; xins -
разность инструментальных задержек между двумя станциями; тр - разность
задержек распространения на двух станциях.
В зависимости от поставленной задачи, используя выражение (1), можно
найти параметры вращения Земли, координаты и структуру источников,
координаты и скорости обсерваторий.
Задача сличения удаленных стандартов частоты и времени с помощью
РСДБ является «обратной» по отношению к задаче ее геодезического
использования [2]. При этом длина базового вектора, соединяющего реперные точки
РСДБ-станций, считается уже известной, а из сеанса РСДБ-наблюдений
после первичной (корреляционной) и вторичной обработок его данных находится
расхождение шкал времени в реперных точках РСДБ-станций 1 и 2, ход
которого за период сеанса представляется в виде полинома 2-й степени:
ATrU2 = a0+alQ + a2Q\ (2)
где Э измеряется в долях суток и на середине сеанса равно 0.
За реперную точку РСДБ-станций принимается точка пересечения
азимутальной и угломестнои осей антенны радиотелескопа. В этой точке показания
часов РСДБ-станций будут
где Ts - показания станционных часов (station clock) в месте их
расположения на пункте наблюдений; xins - инструментальная задержка шкалы времени
РСДБ-станций.
Калибровка инструментальной задержки станции включает в себя
операции по определению всех ее составляющих. По расхождению шкал времени
в реперных точках станций, полученному в результате обработки данных
сеанса РСДБ-наблюдений, и по разности инструментальных задержек станций
126
A Tinsi,2 = tinsi - Tinsi,2 находится разность показаний часов станций 1 и 2 на
середину сеанса в виде полинома 2-й степени:
A7;,,2 = A Tria + Дть.,,2 = Ат„,2 + (А/,,2 //)/ + [(А bf2 //)в]/. (4)
где A xinsl)2 = а0/ 86400 + A xinsl)2 - взаимное смещение ШВ часов станций 1 и 2,
доли секунд; Afa //= ах I 86400 - разность частот СЧВ станций 1 и 2,
относительные единицы (о. е.); A bf2 If— а2186400 - разность скоростей ухода частот
СЧВ станций 1 и 2, о. е./сут; / выражается в секундах.
Эти величины являются результатом сличения удалённых СЧВ методом
РСДБ. Их погрешности определяются погрешностями нахождения
коэффициентов а0, аи а2 по РСДБ-наблюдениям, а для смещения ШВ еще и
погрешностями калибровки инструментальных задержек станций.
Результаты сличений СЧВ методом РСДБ
На РСДБ-станциях модернизированной РСДБ-сети «Квазар-КВО»,
оснащённых водородными СЧВ типа Ч1-80М и VCH1-1003M, системами
преобразования сигналов типа Mark IV и системами их регистрации типа Mark
5 А, проводятся суточные наблюдения в целях определения параметров
вращения Земли и часовые наблюдения для определения всемирного времени.
Вторичная обработка этих наблюдений проводится с помощью
программного пакета «КВАЗАР». При вторичной обработке для определения расхождения
часов станций варьируются только два параметра: собственно часы и
атмосфера (координаты станций считаются известными). В табл. 2 приведены
результаты такой обработки для суточных (Ru-E) и часовых (Ru-U) сессий,
проведенных в мае-июне 2011 г.
Формальная ошибка (gw ) результатов, полученных по суточным
сессиям, примерно на порядок лучше по сравнению с часовыми сессиями, но
результаты часовых сессий доступны уже через несколько часов после
наблюдений, тогда как суточных - только через 3 сут.
На рис. 1 представлены результаты сличений СЧВ, полученные по
результатам обработки РСДБ-сеансов. В первой половине года наблюдается несколько
Таблица 2. Результаты РСДБ-сличений СЧВ обсерваторий «Бадары» и «Зеленчукская»
Сеанс
RU-E112
Ru-U 154
Ru-ЕПЗ
Ru-E114
Ru-U161
Ru-E115
Ru-E116
Ru-E116
Ru-E117
Дата
13.05.11
13.05.11
20.05.11
27.05.11
03.06.11
03.06.11
10.06.11
10.06.11
17.06.11
ААЛ с
2.15Е-13
2.34Е-13
3.80Е-13
2.85Е-13
4.01Е-13
4.00Е-13
3.41Е-13
3.40Е-13
2.54Е-13
G&flf, С
1.Е-15
4.Е-14
1.Е-15
1.Е-15
2.Е-14
4.Е-15
9.Е-16
1.Е-15
1.Е-15
127
5
8Е-13
6Е-13
4Е-13
2Е-13
О
■2Е-13
-4Е-13
-6Е-13
-8Е-13
-1Е-12
- Ж ■
■ i * *
*\ -
ЛА*Л
♦ zl-sv
■ sv-bd j
a bd-zl j-
Рис. 1. Относительная разность частот СЧВ обсерваторий по результатам РСДБ
хаотичная картина, которая объясняется работами по модернизации и
замене стандартов частоты и времени.
Сравнение результатов сличений СЧВ методами РСДБ и РРР
На каждой обсерватории комплекса «Квазар-КВО» установлен
современный двухчастотныи геодезический приемник, позволяющий проводить кодовые
и фазовые измерения. Приемники засинхронизированы от СЧВ обсерваторий.
Суточные RINEX-файлы с этих приемников обработаны с помощью
онлайн приложения на сайте NRCAN методом точного позиционирования (РРР)
[3,4]. Полученные данные использованы для сличения СЧВ обсерваторий.
На рис. 2 совмещены результаты сличений СЧВ обсерваторий, полученные
методами РСДБ и РРР. Наблюдается хорошее совпадение результатов сличений.
АЛУ/ 1.Е-12 1
8.Е-13
6.Е-13
4.Е-13
2.Е-13
О.Е+00
-2.Е-13
-4.Е-13
-6. Е-13
-8.Е-13
-1.Е-12
I *$>
о
о
^*A**V»
LK в^
4*
л
ф О
* fcA° *
м"
■■■■■о
%
> ^^
О
♦ zl-sv
■ sv-bd
a bd-zl
о Zl-SV РРР
; п sv-bd РРР
a bd-zl РРР
Рис. 2. Относительная разность частот СЧВ обсерваторий
по результатам РСДБ- и РРР-наблюдений
128
5
1.E-13
8.E-14
в.Е-14
4.E-14
2.E-14
O.E+00
-2-E-14
-4.E-14
-6.E-14
-8.E-14
-1.E-13
18.12.10 0:00
♦ zl-ev |
■ bd-ev !
• bd-zl I
♦ » • .
:.;^r
06.02.11 0:00
28.03.11 0:00
17.05.11 0:00
06.07.11 0:00
25.08.110:00
Рис. З. Разность значений, полученных методами РРР и РСДБ
Разность значений, полученных методами РРР и РСДБ, для расхождения
частот опорных стандартов обсерваторий показана на рис. 3. Различие не
превышает двух единиц 14-го знака, что примерно соответствует точности
используемых методов.
Заключение
Экспериментально продемонстрированы возможности сличения
удалённых водородных стандартов частоты и времени с помощью суточных и
часовых сессий РСДБ-наблюдений на станциях РСДБ-комплекса «Квазар-КВО».
Погрешности частотных сличений оцениваются на уровне 11015 и 21014 для
интервалов времени наблюдения 1 сут и 1 ч соответственно. Необходимо
отметить оперативность сличений по часовым сессиям. Результаты их обработки
доступны через 3 ч после наблюдений. Подтверждена достоверность
результатов, получаемых методом РСДБ, путем сравнения их с результатами,
полученными по данным ГНСС-наблюдений на суточном интервале с использованием
метода РРР. Разность значений, полученных этими альтернативными
методами, не превышает 2-1014. Таким образом, использование метода РСДБ является
перспективным для высокоточных сличений стандартов частоты.
Литература
1. Takiguchi H., Koyama Y. et al. VLBI Measurements for Frequency Transfer
//IVSNICT-TDCNews.-2010.-№31.-P. 21-24.
2. ВытновА. В., Жуков Е.Т.и др. Сличение стандартов частоты и времени
обсерваторий «Светлое» и «Зеленчукская» с помощью РСДБ, возимых часов
и приёмников ГНСС // Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2007. - Вып. 17. -
С. 24-27.
129
3. LahayeE, Mireault Y. et al. Online Precise Point Positioning. A New, Timely
Service from Natural Resources Canada // GPS World, 2008 September. - P. 59-64.
4. Иванов Д. В. Применение метода точного позиционирования для
высокоточных сличений стандартов времени и частоты // См. настоящий сб. -
С. 348-352.
Comparison of Remote Time and Frequency Standards
by VLBI Technique
E. T. Zhukov, D. V. Ivanov, S. L. Kurdubov
Comparison of remote time and frequency standards are fulfilled by VLBI and
other techniques over a period of several years in the Institute of Applied Astronomy.
Comparison of standards CH1-80M and VCH1-1003M of modernized VLBI
network "Quasar" was fulfilled by VLBI technique. In the comparison errors of
frequency were estimated about 1* 10-15 for diurnal sessions and about 2* 10-14 for
hour sessions. Comparison of time obtained by VLBI technique with time obtained
by Precise Point Positioning (PPP) using GNSS receivers was performed. Results
obtained with these alternative techniques differ for less than 2-10-14.
130
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Сличения территориально удаленных эталонов
времени и частоты
с применением волоконно-оптических линий связи
А. В. Иванов1, Н. В. Моховиков1, С. Н. Каган2, А. Н. Малимон2,
С. В. Пестерев2, В. Г. Пальчиков2, А. А. Галышев3
ЮОО «АЛТО», г. Санкт-Петербург, Россия
2ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, Московская обл., Россия
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»,
г. Москва, Россия
Передача эталонных сигналов времени и частоты между
удаленными лабораториями является важной задачей не только в метрологии
времени и частоты, но и во многих других приложениях, например, в
фундаментальной физике. В статье описаны состав аппаратуры и
результаты первых измерений по передаче эталонных сигналов с
использованием метода оптического дуплекса. В рамках данного метода
проанализированы результаты исследований в следующих направлениях:
температурная компенсация в оптическом волокне, оценка точности при
передаче сигналов времени, абсолютное определение положений меток
времени в передаваемом сигнале и т. д.
Ключевые слова: эталонный сигнал времени и частоты, ВОЛС,
шкала времени, эталонный генератор, сличаемый генератор.
Введение
Для сличений частот и шкал времени (ШВ), формируемых
пространственно разнесёнными стандартами частоты и времени, необходимо тем или
иным способом доставить сигналы сличаемых генераторов друг к другу. В
настоящее время высокоточные сличения пространственно удаленных эталонов
времени и частоты возможно выполнить с помощью перевозимых квантовых
часов, методом дифференциальных сличений с использованием сигналов
глобальных спутниковых навигационных систем, а также с использованием
спутниковых дуплексных каналов сличений.
© А. В. Иванов, Н. В. Моховиков, С. Н. Каган, А. Н. Малимон, С. В. Пестерев, В. Г. Пальчиков,
А. А. Галышев, 2012
131
Альтернативой спутниковым каналам может быть новый перспективный
метод сличений эталонных сигналов частоты и времени (ЭСЧВ), который
использует наземные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В последнее
десятилетие центры космической связи, обсерватории и метрологические
институты сосредоточили свои усилия на исследованиях по передаче ЭСЧВ по
ВОЛС. Сигнал, распространяющийся по ВОЛС, деградирует. Поэтому, не
принимая специальных мер, нельзя передать эталонный сигнал даже на
расстояние в несколько километров без потери его метрологической точности. Одним
из существенных факторов, влияющих на эталонный сигнал, является
вариация длины ВОЛС из-за изменения температуры окружающей среды.
Системы компенсации возмущений, вносимых ВОЛС, строятся на
основе двунаправленной передачи эталонного сигнала как при передаче эталонных
частот, так и в случае передачи сигналов точного времени. В системах передачи
эталонных частот фаза сигнала, пробежавшего по ВОЛС туда и обратно,
сравнивается с фазой эталона у входа в линию, и полученный сигнал ошибки
используется для электронной или оптоэлектронной компенсации возмущений,
вносимых линией [1-3]. Экспериментальные системы, использующие такой
принцип передачи сигналов времени, были разработаны в Японии, Швеции,
Чехии [4-6]. В России ООО «АЛТО» создало и ранее других представило в
телекоммуникационном секторе рынка построенную на подобном принципе
аппаратуру распределения сигналов времени (АРСВ), которая по точности
синхронизации часов в узлах связи превосходит аналоги [7].
Для определения потенциальной точности сличений по ВОЛС двух
водородных часов был проведен совместный эксперимент ФГУП «ВНИИФТРИ»
и ООО «АЛТО», в котором с помощью системы, реализованной на основе
разработанной ООО «АЛТО» аппаратуры распределения сигналов времени,
осуществлялась двунаправленная передача сигналов времени 1 pps по выделенной
ВОЛС протяженностью до 50 км. Результаты эксперимента представлены в
настоящей работе.
Состав аппаратуры для передачи шкалы времени по ВОЛС
Для передачи ШВ по ВОЛС с использованием АРСВ был реализован
метод двунаправленной передачи меток 1 pps ШВ пространственно разнесенных
стандартов времени и частоты. Эксперимент был осуществлен на
измерительной установке, структурная схема которой представлена на рисунке.
В схеме сличений использовались четыре комплекта АРСВ. Два из них
синхронизировались непосредственно от эталонного (ЭГ) и сличаемого (СГ)
генераторов и формировали метки времени на передачу, а два оставшихся
синхронизировались принимаемым цифровым потоком Е1 и обеспечивали приём
меток времени. На каждой из сторон фиксировались разности временного
положения передаваемых меток на выходах АРСВ относительно меток шкалы
времени 1 pps ЭГ и СГ соответственно:
АГ3 = ГЭг — Тпр эг \ &Т\ = ТСг — Тпр Сг-
132
Структурная схема измерительной установки
Также фиксировались разности временного положения принимаемых
меток на выходах вторых комплектов АРСВ относительно меток шкалы времени
1 pps ЭГ и СГ:
Ai2= 7эг — ^iipcrj Ai4 = 7сг — Лфэг-
Опыт работы с АРСВ показал, что точность сличений ШВ определяется
точностью измерения разностей временного положения передаваемых и
принимаемых меток АГЬ ДГ2, АГ3 и ДГ4. Если использовать измерители интервалов
времени с разрешающей способностью 10-100 пс, то можно добиться
сличения ШВ с погрешностью не более 1 не.
Метки времени АРСВ на стороне ЭГ формировались делением до 1 Гц
частоты встроенного кварцевого генератора, привязанного к сигналу 5 МГц ЭГ
На стороне синхронизируемого генератора СГ метки времени формировались
делением частоты встроенного кварцевого генератора АРСВ,
синхронизируемого принимаемым потоком, до 1 Гц.
В качестве ЭГ использовался пассивный водородный стандарт частоты
и времени 41-76А, в качестве СГ - пассивный водородный стандарт частоты
и времени 41-1004. В качестве меток времени для измерений использовались
сигналы 1 Гц с выходов АРСВ, получаемые делением опорных частот.
Разности временного положения передаваемых и принимаемых меток
АГЬ АГ2, АГ3 и АТ4 относительно сигналов 1 Гц ЭГ и СГ фиксировались
одновременно частотомерами CNT-90 № 1-4. Реальная разность временного
положения шкал времени ЭГ и СГ АГ(ЭГ-сг) измерялась частотомером CNT-90 № 5.
Для измерений вляния температурных эффектов две катушки оптоволокна по
25 км (прямой и обратный каналы) были помещены в термокамеру. Измерения
проводились в три этапа:
133
1) в течение суток при температуре катушек ВОЛС О °С;
2) в течение суток с использованием периода перестройки температуры
24 ч: температура равномерно повышалась в течение 12 ч с 0 до 60 °С,
поддерживалась на уровне 60 °С в течение 0.5 ч и в последующие 12 ч снова
понижалась до 0 °С;
3) в течение 2 сут с использованием периода перестройки температуры
48 ч: температура равномерно повышалась в течение 24 ч с 0 до 60 °С,
поддерживалась на уровне 60 °С в течение 0.5 ч и в последующие 24 ч снова
понижалась до 0 °С.
Основные результаты и выводы
Метод и технические решения, заложенные в АРСВ, а также
представленная на испытания реализация приборов, включающая оптические
преобразователи, обеспечивают сличения разнесенных шкал времени с погрешностью, не
превышающей 0.5 не (без учёта погрешностей, вносимых ВОЛС).
Систематическая погрешность, возникающая из-за появляющейся
разности времени прохождения в прямом и обратном направлении при изменении
температуры оптоволокна в диапазоне 0-60 °С не превышает 0.7 не.
СКО временного положения метки времени, формируемой АРСВ для
передачи в цифровом потоке Е1 относительно опорного сигнала 1 Гц
определятся разрешающей способностью измерителя интервалов времени
Agilent 53131А и не превышает 0.5 не.
СКО временного положения метки времени, выделяемой АРСВ из
цифрового потока Е1 на приёмной стороне относительно передаваемой метки
времени при длине ВОЛС 50 км не превышает следующих значений: 4.3 не при
интервале времени измерения 1с, 1.6 не - при усреднении за 10 с, 0.8 не - при
усреднении за 100 с.
Результаты эксперимента подтверждают, что на основе принципов,
заложенных в АРСВ, и разработанной методики возможно создание аппаратуры
нового поколения, которая обеспечит сличение шкал времени по ВОЛС
пространственно разнесенных стандартов частоты и времени на расстояниях до
100 км с погрешностью, не превышающей 1 не. Таким образом, аппаратура
АПСЧВ позволит удовлетворить нужды Государственной службы времени
и частоты в сличениях пространственно разнесенных эталонов с помощью
оптоволокна на метрологическом уровне точности.
Литература
1. Huang К., Calhoun М, Tjoelker. R. Optical Links and RF Distribution for
AntennaArrays//Proc.ofthe2006IEEEIntern.Frequency Control Symp. and Exp
osition. - URL: http.V/trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/40275/1/06-2522.
pdf.
134
2. Lopez O., Amy-Klein A. et. al. 86-km optical link with a resolution of
21018 for RF frequency transfer // The European Physical J. D. - 2008. - Vol. 48D.
-P. 35-41.
3. Молимой А. Н. О передаче эталонных сигналов по оптоволоконным
линиям связи // Труды 4-й Междунар. конф. «Технические решения и задачи
развития теории и техники тактовой сетевой синхронизации и единого точного
времени». - М. 2010. - С. 12, 127.
4. Hisadome K.t Kihara М. Gigabit Ethernet-Based Time Transfer System //
Electrical Engineering in Japan. - 2007. -Vol. 160, № 3. - P. 143-151.
5. Ebenhag S. Ch.f Jaldenhag К et al. Time Transfer Using an Asynchronous
Computer Network: Results from a 500 km Baseline Experiment // Book of abstracts
of 39th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. - 2007. - P. 43.
6. Smotlacha V., Кипа A., Mache W. Time transfer in optical network // Book
of abstracrs of 42nd Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. - 2010.
- P. 427.
7. Иванов А. В., Моховиков Н. В. Аппаратура распределения сигналов
времени (АРСВ). - URL: http://www.alto-spb.ru/index.html.
8. URL: http://www.alto-spb.ru/arsv.
A Comparison of Remote Time and Frequency Standards
Using Optical Fiber Links
A. V. Ivanov, N. V. Mokhovikov, S. N. Kagan, A. N. Malimon,
S. V. Pesterev, V. G. Palchikov, A. A. Galyshev
The transfer of ultra-stable time and frequencies between distant laboratories
is required by many applications in time and frequency metrology and
fundamental physics. In this paper, the setup and the first measurement results have been
improved and new data is gathered which shows improvement in the reliability and
quality of this technique. We will discuss our work on a two-way fiber time transfer
in the several directions: temperature compensation of the fiber link, determination
of accuracy by transferring the time signals, absolute determination the position for
time labels, etc.
135
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Разработка программных средств совместной обработки
различных типов наблюдений
И. С. Гаязов, В. С. Губанов, О. А. Братцева, С. Л. Курдубов
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Представлены особенности текущей версии программного пакета
SINCom, предназначенного для комбинирования результатов обработки
различных типов высокоточных наблюдений, выполняемых методами
космической геодезии. Обсуждаются возможности использования
такого пакета для комплексирования имеющихся пакетов обработки
различных типов наблюдений при решении как фундаментальных, так и
прикладных задач в оперативном режиме.
Ключевые слова: РСДБ, ГНСС, колокация, совместная обработка,
система координат, ПВЗ.
Введение
Совместное использование наблюдений, выполненных с помощью
различных средств измерений, стало основной практикой в получении наиболее
точных данных о системах координат и параметрах вращения Земли (ПВЗ).
Такая колокация на уровне данных наблюдений является наиболее
эффективной при совместном размещении средств измерений на одной и той же
станции - пункте колокации, где появляется возможность привязки средств
измерений к единому координатному реперу, к единой шкале времени, а также
организации общего контроля состояния атмосферы. Применение обоих типов
колокации (на уровне инструментов и уровне данных) направлено на решение
одних и тех же задач - извлечения из наблюдений максимума информации
и повышения точности конечных результатов.
В зависимости от решаемой задачи условия применения колокации
данных могут различаться. Например, для фундаментальных задач координат-
но-временного обеспечения, решаемых, как правило, на основе наблюдений
глобальных сетей, важное значение имеет исследование систематических
различий в параметрах, определяемых по разным типам наблюдений. Кроме того,
в этом случае представляет большой интерес возможность глобальной
обработки данных наблюдений при существенном изменении их общего объема, а
© И. С. Гаязов, В. С. Губанов, О. А. Братцева, С. Л. Курдубов, 2012
136
также в целях определения дополнительных параметров используемых
моделей. Для задач прикладного координатно-временного и навигационного
обеспечения, решаемых чаще всего на региональном уровне, более высокие
требования предъявляются к оперативности получения результатов. Вместе с тем
здесь возможны значительные ограничения и упрощения.
Способы реализации колокации на уровне данных
Колокация на уровне данных может быть реализована несколькими
способами. Первый способ- это комбинирование результатов, полученных из
обработки различных типов наблюдений. В последние годы такой подход
широко применяется в рамках международных служб IERS, IVS, IGS, ILRS, IDS.
При этом используется технология так называемых SINEX-файлов (SINEX -
Solution/Software Independent Exchange) [1, 2]. Основным недостатком этого
способа является невозможность итерационного уточнения параметров, тогда
как именно итерационное уточнение лежит в основе определения точных
орбит в спутниковых методах.
Второй способ - это совместная обработка наблюдений различных
типов в рамках единого программного пакета. Разработка такого универсального
пакета имеет определенные преимущества, однако требует привлечения
значительных ресурсов.
Третий подход заключается в комплексировании имеющихся в одном
центре анализа пакетов обработки наблюдений различных типов. Такое ком-
плексирование может быть сделано на основе применения той же SINEX-
технологии.
Реализация последнего подхода приводит к значительной экономии
ресурсов по сравнению с разработкой универсальной программной системы.
В рамках такой схемы легко можно реализовать итерационное уточнение
параметров. Кроме того, этот подход позволяет центру анализа совмещать
получение оперативных результатов в рамках решения прикладных задач с получением
и накоплением SINEX-файлов для периодического уравнивания с
определением глобальных параметров в определенном интервале. Полученные SINEX-
файлы могут передаваться и в другие центры для комбинирования.
На рисунке представлены схемы комбинирования SINEX-файлов,
формируемых по суточным сериям наблюдений различных типов. Использованы
следующие приставки и суффиксы к SINEX-файлам: D - суточные, С
-комбинированные, V - полученные по РСДБ-наблюдениям, G - полученные по
ГНСС-наблюдениям, L - полученные по лазерным наблюдениям спутников,
Т - параметры локальных связей опорных точек наблюдательных
инструментов на пункте колокации.
Таким образом, на основе комбинирования SINEX-файлов получают два
основных типа решений:
- сводное решение по различным типам наблюдений на одну и ту же
дату (см. вертикальную схему на рисунке). Такое комбинирование может быть
137
(D^SJNEX-Vl-bf ""•"*"* THb-SlNEXA/)-»! C-SINEX-V-I
[-ф-SIN'EX-Gj-H • ' • ~HP-SINEX-GJ-»|C-SINEX-G-I
D-SINEX-L|-U( ... )-»{D-SINEX-L)-»|c-SINEX-L-l
SINEX-T К
I
I
JT
4 C-SINEX-D
C-SINEX-D
► SINEX-T ;
— — -♦ CC-S1NEX-I !
Схемы комбинирования SINEX-файлов
использовано в целях оперативного получения ПВЗ по данным региональных
сетей. В этом случае может быть организовано также итерационное уточнение
спутниковых параметров;
- сводное решение путем комбинирования результатов, полученных по
одному типу наблюдений на некотором интервале времени, для получения
оценок параметров, постоянных на всем интервале, например, координат станций
(см. горизонтальную схему на рисунке). Эта схема обычно используется для
получения недельных решений по наблюдениям глобальных сетей.
Программный пакет SINCom
В рамках реализации колокации инструментов на базе обсерваторий
РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» и колокации на уровне данных наблюдений
в рамках службы определения ПВЗ ИПА РАН разработан программный пакет
SINCom для комбинирования SINEX-файлов, содержащих результаты
обработки наблюдений различных типов. В программном пакете реализованы обе
представленные выше схемы получения комбинированных решений.
Взаимодействие с пользователем. Интерфейс программы - пакетный,
диалог с пользователем реализуется с помощью конфигурационного
файла, содержащего описание задания в специально разработанном формате.
Специальный язык формирования заданий создан на основе того же
формализма, используемого в описании формата SINEX. Конфигурационный файл
является текстовым документом и содержит описание режима работы
программного комплекса в специализированном формате. С помощью конфигурационного
файла прежде всего указывается схема комбинирования решений
(«горизонтальная» или «вертикальная»). В зависимости от указанной схемы
применяется соответствующий способ группировки переменных при формировании
комбинированной системы.
Параметр называется глобальным, если он рассматривается как
значение одной переменной во всех комбинируемых системах. При «вертикальном»
138
комбинировании ПВЗ - глобальные переменные, а координаты разных
инструментов на станции - локальные. В «горизонтальной» схеме ПВЗ для каждой
даты - локальные переменные, а координаты станций - глобальные.
Конфигурационный файл с заданием состоит из следующих секций:
- Settings - установки:
- Tech- схема комбинирования («горизонтальная» или «вертикальная»);
- Outfile - имя выходного файла;
- Time - интервал времени (если не указан, то вычисляется по входным
файлам, если указан - файлы фильтруются в соответствии с этим интервалом);
- Ref - опорная техника (для «вертикального» комбинирования),
используется однобуквенное сокращение в соответствии с форматом SINEX;
- Matrix - представление уравнений в выходном файле: нормальная
матрица (по умолчанию), обратная или корреляционная;
- Files - входные файлы (список имен или масок);
- Locals - локальные параметры (для «горизонтального»
комбинирования;
- Apriori - априорные данные (список файлов с дополнительными
априорными данными);
- Local Ties - информация о локальных связях (список имен SINEX-
файлов);
- Constraints -ограничения:
- Eliminate - удаляемые параметры (список названий + станций);
- Fix - фиксируемые параметры (список названий + станций +
значения);
- NNT/NNR - условия no-net-translation/no-net-rotation (список станций).
Ниже приведен пример описания задания: «горизонтальное»
комбинирование всех файлов с расширением «. snx», имена которых начинаются с "О 5",
из директории TESTDATA. ПВЗ рассматриваются как локальные данные для
каждого решения. Координаты станций (глобальные параметры)
приводятся динаковым априорным данным из каталога ITRF2000_VLBI.SSC.txt.
Исключаются параметры нутации NUTLN и NUTOB. По умолчанию
уравнения представлены в виде нормальной матрицы и вектора правых частей.
Результат записывается в файл TEST_DATA/single. snx.
<settings>
tech= S
outfile= TEST_DATA/single.snx
</settings>
<files>
TEST_DATA/05*.snx
</files>
<locals>
NUT_LN
NUT_OB
UT
139
LOD
ХРО
XPOR
YPO
YPOR
</locals>
<apriori>
ITRF\ITRF2000_VLBI.SSC.txt
</apriori>
<constraints>
<eliminate>
NUT_LN A
NUT_OB A
</eliminate>
</constraints>
Функционирование программы. После обработки конфигурационного
файла программа переходит к чтению входных данных в формате SINEX. При
чтении происходят последовательный разбор всех блоков SINEX-файла и
проверка их корректности. Форматы данных каждого блока вынесены в отдельный
модуль и при изменении стандарта SINEX могут быть модифицированы
независимо от остальных модулей.
После чтения входных файлов строится математическая модель в
соответствии с установками, заданными в конфигурационном файле. Осуществляется
приведение входных данных к одной эпохе и одинаковым априорным
значениям. Далее производится комбинирование данных систем уравнений в новую
систему методом наложения. При этом группировка по переменным
производится на основе мнемонических названий параметров, приводимых в SINEX-
файлах. Параметры, выделенные в конфигурационном файле как локальные,
рассматриваются в качестве отдельных переменных для каждого из
участвующих решений.
Полученная система линейных алгебраических уравнений является
нормальной. По желанию пользователя на систему могут быть наложены условия
no-net-translation и no-net-rotation, отдельные параметры могут быть
исключены или зафиксированы.
В состав программы SINCom входит модуль, в котором сгруппированы
процедуры математической обработки. Для решения систем уравнений
используются процедуры математической библиотеки LINPACK [3].
При наличии информации, необходимой для формирования
корректного SINEX-файла (в соответствии со стандартом формата), возможна запись
комбинированной системы в выходной SINEX-файл. Возможно автономное
использование модуля записи для самостоятельного формирования файлов
в формате SINEX из данных пользователя. Функции, обеспечивающие
автономное создание SINEX-файлов, объединены в динамически подключаемую
библиотеку.
140
В дальнейшем в рамках пакета планируется реализовать следующее:
- возможность введения пользователем новых параметров;
- расширение процедур чтения в соответствии с расширением
формата SINEX;
- использование параметров локальных связей наблюдательных
инструментов на станциях.
Литература
1. URL: http://www.iers.orgAERS/EN/Organization/AnalysisCoordinator/SinexFormat/
sinex.html.
2. Thaller D. Inter-technique combination based on homogeneous normal equation
systems including station coordinates, Earth orientation and troposphere parameters
// Scientific Tech. Rep. STR08/15. Deutsches Geo-ForschungsZentrum. - 2008. -
P. 16-20.
3. URL: http://www.netlib.org/linpack.
Developing the Program Package for Combined Processing
of Different Space Geodetic Observations
I. S. Gayazov, V. S. Gubanov, O. A. Bratseva, S. L. Kurdubov
A software for combined processing of different space geodetic observations
is developed along with the work on the co-location of various observational
techniques at the observatories of the "Quasar" VLBI network.
The software realizes the combination of standardized SINEX-files and works
in the following two modes: 1) a combined solution within one observational
technique on the appointed time interval; 2) an inter-technique combination of daily
SINEX-files. A special task-forming language has been constructed on basis of the
same formalism used in the description of SINEX-files format. The main features of
the developed software are presented. Various aspects of the combined processing of
different types of space geodetic observations are also discussed.
141
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Моделирование орбиты космического радиотелескопа
для оценки параметров наземно-космического
радиоинтерферометра в проекте «Радиоастрон»
В. Е. Жаров1, И. А. Гирин2, В. И. Костенко2, С. Ф. Лихачев2
1 Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга,
г. Москва, Россия
2Астрокосмический центр Физического института РАН
им. П. Н. Лебедева, г. Москва, Россия
Для обеспечения корреляционной обработки наблюдений на на-
земно-космическом интерферометре в проекте «Радиоастрон» ГАИШ
и АКЦ ФИАН разработали навигационную модель движения
космического радиотелескопа (КРТ) для вычисления задержки и изменения
фазы сигнала, необходимых при управлении работой коррелятора. За
основу был взят пакет АРИАДНА [1] для обработки наблюдений на
наземных РСДБ. Также пакет был использован для оценки параметров
наземно-космического интерферометра.
Ключевые слова: космический радиотелескоп, орбита,
интерферометр.
Введение
Использование космического радиотелескопа как одного из телескопов
РСДБ в проекте «Радиоастрон» [2] позволяет получить ряд преимуществ по
сравнению с наземными РСДБ:
- из-за большей базы можно получить большее пространственное
разрешение и исследовать структуру радиоисточников, координаты которых
определяют небесную систему координат (ICRF);
- повысить точность ICRF при наблюдениях реперных объектов на на-
земно-космическом интерферометре на порядок;
- связать две фундаментальные системы отсчета - квазарную (ICRF)
и динамическую (DE) - по наблюдениям пульсаров и квазаров методами
космического РСДБ и хронометрирования;
- непосредственно измерить координаты наземных телескопов в
системе, связанной с центром масс Земли.
© В. Е. Жаров, И. А. Гирин, В. И. Костенко, С. Ф. Лихачев, 2012
142
Однако, как показано в нашей работе, ключом к решению поставленных
задач является вычисление точной орбиты КРТ. Для обработки наблюдений
на наземно-космическом интерферометре в пакет «АРИАДНА» были
внесены значительные изменения, в результате чего он рассматривается как
прототип пакета «ОРБИТА». Целью разработки этого пакета является создание
нового поколения высокоточных интеллектуальных систем навигации
(включая построение инженерных и физических моделей и соответствующих
компьютерных программ), а также применение новых разработок в целях
обеспечения работы текущих и предстоящих российских космических проектов.
Предполагается, что пакет «ОРБИТА» будет использоваться для решения задач
навигации, управления космическими аппаратами (как в ближнем, так и
дальнем космосе), а также проведения космических исследований в области
астрофизики и фундаментальной гравитации.
Для решения этих задач требуется:
- создать высокоточную модель движения и ориентации КА с учётом
влияния целого ряда сил гравитационной и негравитационной природы;
- разработать алгоритмы формирования, приёма и анализа различных
типов навигационных данных (осуществляемых с учётом новейших технологий
в области прецизионной навигации, астрометрии и небесной механики), а
также алгоритмы, модели и методы обработки навигационных данных.
Моделирование орбиты КРТ в проекте «Радиоастрон»
Для моделирования орбиты КРТ и изучения характеристик наземно-косми-
ческого интерферометра использовалась тестовая версия пакета «ОРБИТА». Это
связано с тем, что главной задачей ставилась проверка работы коррелятора АКЦ
ФИАН при обработке наблюдений на наземно-космическом интерферометре.
Орбита КРТ выбрана нестабильной [3] и высокоапогейной для решения
астрофизических задач (построения карт радиоисточников с высоким угловым
разрешением). Изменение параметров орбиты вызваны возмущениями со
стороны Луны. Поэтому в тестовой версии пакета «ОРБИТА» вычислялись лишь
основные возмущающие движение КРТ силы. На рис. 1 показано изменение
высот апогея и перигея, а также эксцентриситета по вычислениям ИПА РАН,
на который в проекте «Радиоастрон» возложено вычисление орбиты КРТ.
Поскольку реальных данных наблюдений не было, то на первом этапе
работы были сгенерированы шумовые сигналы в цифровом виде, принимаемые
наземным телескопом и КРТ. Затем параметры шумового сигнала,
«принимаемого КРТ», менялись. Эти изменения сводились к сдвигу битовой
последовательности шумового сигнала (учет задержки), ее частотному преобразованию
(учет частоты интерференции) и фазовому сдвигу (учет смещения фазы из-за
релятивистских эффектов).
Для вычисления задержки т, частоты интерференции / и смещения
фазы Ф требуется знать векторы состояния КРТ: Xs9Xs9Xs начиная с начального
143
Перигей
1^
800
1^
1200
1^
2000
1^
2400
Рис. 1. Изменение высот апогея и перигея КРТ со временем
момента / до момента наблюдений /, (j = 0, 1, 2,..). Для этого на первом этапе
использовалась орбита ИПА РАН, называемая далее «истинной». Схема
вычислений приведена на рис. 2. Сначала генерировался шумовой сигнал x(tj)
для наземного телескопа для момента времени tj длительностью 200 с. Затем
при известных векторах состояния КРТ Xs, Xs, Хг вычислялись т,/ Ф, которые
использовались для генерирования сигнала >>(/,), принимаемого КРТ.
После этого оба сигналах^),у {tj) подавались на коррелятор, причем для
расчета т,/, Ф использовалась та же модель движения КРТ. Результаты вычислений
U
xs,x5^xs t,
Коррелятор
Рис. 2. Схема тестирования коррелятора для истинной орбиты
144
(амплитуда и фаза интерференционного сигнала) для моментов времени
t0= 17h30m, tx = 18h30m, t2 = 23h30m показаны на рис. 3. Это идеальная ситуация,
которая, к сожалению, не реализуется на практике, так как «истинная» орбита
КРТ неизвестна. Для проверки работы коррелятора и оценки характеристик на-
земно-космического интерферометра была сгенерирована «модельная»
траектория КРТ на основе интегратора Эверхарта и модели сил, включающей
гравитационные силы Земли, Луны и Солнца, а также силу светового давления на КРТ
Считалось, что начальный вектор состояния известен из орбиты ИПА РАН.
1.0D-
омам-
е.«г-
»оп,и»м»04, тт-ттрф .
! ; ! 1
--j - -f f- г
| i j \
JgXt"*fP*ii т?'#?мццв
h ~i
4-
1Л0+ -■
ojo4—
OS*
a«s4—
!
.._.!.
!
i
»:3002
ЯП. WW WW. 1ГО-1И1Ш1
—1
i
—
4 Я
__ _.i
i
1
i
i
_ _.]_>__
j_ i
>08T1. Wt#OC T>Tt»WTIH«tl
t*»e eiui>44$->*!,F1
1Я-
a*
J.
1
03-
0.0
i
_ . _ i_
i л
/\ f\ \
\ T ^
i
1 1 i
етЛпям**
7 -/
"-■4 —r
—j
0.0-
1»
С
1
0.0-
. acmww+oi тимшд
Д i/\
1 \ r \
f \ f ! V - !
1/1 j .
! i
ЗЗУНЯ 4 0 0
Рис. З. Изменение амплитуды и фазы интерференционного сигнала для моментов
наблюдения t0, tl912 для 10-секундной записи
Схема вычислений представлена на рис. 4. Как и раньше, сначала
генерировался шумовой сигнал х (/,) для наземного телескопа для момента времени tj
длительностью 200 с. Затем при известных векторах состояния КРТ Хя ,XS ,XS
вычислялись т,/ Ф, которые использовались для генерирования сигнала >>(/,),
принимаемого КРТ. После этого оба сигнала х (/,), у {tj) подавались на
коррелятор, причем для расчета т,/ Ф использовались векторы состояния Х"\Х™,Х'\
вычисленные по модельной траектории КРТ.
Из-за разной модели сил, используемой при интегрировании уравнений
движения, «истинная» и «модельная» траектории КРТ со временем
расходятся. В действительности истинная траектория нам неизвестна. Но в наших
вычислениях, зная разницу векторов состояния КРТ для разных моментов
наблюдения, т. е. отличие модельной траектории от истинной, можно оценить
качество работы коррелятора. На рис. 5 показано изменение амплитуды и
фазы интерференционного сигнала для тех же моментов наблюдения, что и
ранее. Видно, что из-за ошибок в вычислении задержки, частоты интерференции
145
и
XS,XS,XS
\X„Xs,Xs{t)\
х;\х;\л7(//)|
т',/',Ф'
Коррелятор
Рис. 4. Схема тестирования коррелятора для модельной орбиты
ццмоц wtmcthm»
>Ш111ИЫ|ОС> ЦЦ»141т1Щ
tf1 i*>T" 4-
<cwt«Mwoi» ш^тичт
-I H
1Т:ЭМв 4
С
bo
-380-
■400
i
TMM
Mouisn-
pftD-.155.Jj
ranti-a
Йвв .ph.-30.««Г*
[
i i 1
4
»:заог 4
Рис. 5. Изменение амплитуды и фазы интерференционного сигнала для моментов
наблюдения t0, tu t2 для 10-секундной записи для модельной орбиты
146
и фазы, значения амплитуды интерференционного сигнала падают, а фаза не
скомпенсирована.
На первых двух этапах работы предполагалось, что отношение сигнал/шум
бесконечно. Для тестирования коррелятора и оценки чувствительности
интерферометра на третьем этапе к каждому из сигналов х (/,), у (гЛ независимо
добавлялись шумы определенной мощности. Затем выполнялась корреляция сигналов
для моментов наблюдения /0, tu (2. Выполнение серии экспериментов для разного
отношения сигнал/шум позволило оценить чувствительность наземно-космиче-
ского интерферометра для различных наземных телескопов, а также время
когерентного накопления из-за ошибок положения КРТ.
На рис. 6 в качестве примера показана амплитуда интерференционного
сигнала. В качестве наземного телескопа использовался телескоп в Симеизе
(Украина) диаметром 22 м (SEFD - 1160 Ян). При мощности шума 20 дБ,
времени накопления 0.1 с, амплитуда равна 7.2-ЮЛ SNR - 5.6. Для базы КРТ
«Симеиз» (SEFD = 5520 Ян для КРТ) коррелированный поток оценивается
значением SK = 0.42 Ян при времени накопления 2 с, для базы КРТ «Евпатория»
(SEFD = 115 Ян) значение 5К= 0.16 Ян.
TEMP, RR-POL, 2212.89MHz, Start »*sttl*n at X: -0.00001373163726. Y: 0.03176, Angl««: 0* 0.64"
min:(X«3ДЕ-6, У6.74Д0Е-6), тахфМ) YH)j00072292)
-10 -5 0 5 10
Delay l\is]
Рис. 6. Амплитуда интерференционного сигнала для базы КРТ «Симеиз»
Заключение
Моделирование наблюдений на наземно-космическом интерферометре
позволило оценить параметры интерферометра: чувствительность в
зависимости от времени накопления, время накопления в зависимости от характеристик
шумового сигнала и от ошибок орбиты (от расхождения с истинной орбитой).
На следующем этапе работы планируется разработать методы уточнения
модельной орбиты КРТ по доплеровским измерениям радиальной компоненты
скорости относительно станции наблюдения с использованием фильтрации
Калмана и по наблюдениям опорных квазаров.
147
Литература
1. Жаров В. Е. Моделирование наблюдений на наземно-космическом
интерферометре в проекте «Радиоастрон»: научно-технический отчет по
госконтракту № 14.740.11.0885.-2011.
2. Кардашев Н. С. «Радиоастрон» - радиотелескоп много больше Земли:
научная программа // УФН. - 2009. - Т. 179, № 11. - С. 1191-1202.
3. URL: http://www.asc.rssi.ru/radioastron/rus/index.html.
Modeling of the Space Radio Telescope Orbit for Estimation
of the Ground-space Interferometer Parameters During
Radioastron Mission
V, E. Zharov, I.A. Girin, V, 1. Kostenko, S, F. Likchachev
The RadioAstron project is an international collaborative mission to launch
a satellite carrying a 10-m space radio telescope (SRT) on the elliptical orbit around
the Earth. The aim of the mission is to create the ground-space VLBI to observe the
radio sources with high angular resolution. The orbit of the SRT has an apogee
altitude about 330,000 km, a period of 8-9 days, and an eccentricity about 0.9. The
ground-space VLBI observations at a standard radio astronomical wavelength set of
1.35, 6,18, and 92 cm with such orbit would provide information about structure of
the galactic and extragalactic radio sources at microarcsecond level.
Our goal is to use the ground-space VLBI observations for the solution of some
astrometric problems such as study of the defining sources structures and their
variations, connection of the ICRF and dynamical system based on the pulsar timing, by
means of measuring the ground telescopes coordinates relative to the center of mass
of the Earth.
It was shown that the key for solution of these problems is the reconstruction of
the SRT precise orbit. Model of motion of the SRT was developed for calculation of
the interferometer delay and other parameters to ensure the proper work of the Astro
Space Center correlator in use. The ARIADNA/ORBITA package was used as base
for correlation process.
To study the parameters of the ground-space interferometer two noisy signals
"received" by the ground telescope and SRT were emulated. At first step the position
and velocity of the SRT were varied relative to the known (true) trajectory and then
the signal to noise ratio (SNR) was changed. Correlation of signals gives us
possibility to estimates such parameters of the ground-space VLBI as sensitivity and its
dependence from the integration time, the coherence time and dependence from the
SNR and the SRT position errors. It was shown that to ensure the mission success the
different methods of SRT orbit control has to be developed and applied.
148
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Фундаментальные эфемериды планет и Луны (ЕРМ)
Института прикладной астрономии РАН:
динамическая модель, параметры, точность
Е. В.Иитьева
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Численные эфемериды планет и Луны ЕРМ (Ephemerides of Planets
and the Moon) начали создаваться в 70-х гг. XX в. для обеспечения
российских космических полетов и продолжают свое успешное развитие
в ИПА РАН до сих пор. В данной работе представлен вариант эфемериды
ЕРМ2010, включающий в себя новые значения масс планет и других
постоянных, улучшенную динамическую модель и расширенную базу
данных 1913-2010 гг., содержащую около 700 000 измерений. Эфемериды
ЕРМ вместе с соответствующими разностями TT-TDB Доступны через
ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/.
Ключевые слова: эфемерида ЕРМ, масса, разности TT-TDB,
динамическая модель,наблюдения.
Введение
Численные эфемериды планет и Луны ЕРМ (Ephemerides of Planets and
the Moon) стали создаваться под руководством Г. А. Красинского в 70-х гг. ст
в. для обеспечения российских космических полетов, их расчеты продолжают
успешно развиваться в ИПА РАН до сих пор. В настоящее время в ИПА РАН
создана серия численных эфекерид планет и Луны, сопоставимых по
точности, а в некоторых отношениях и превосходящих принятук) в качестве
международного стандарта зарубежную теорию JPL — DE405/LE405. Эфемериды
ЕРМ отвечают современным требованиям и являются основой для
вычисления данных, публикуемых в «Астрономическом ежегоднике», выпускаемом
в ИПА, а также необходимы при реализации космических экспериментов как
в дальнем космосе, так и околоземном пространстве. В данной работе
рассматривается планетная часть эфемерид ЕРМ2010, лунная часть описана в [1].
Обновленные эфемериды ЕРМ2010 включают в себя новые значения масс
планет и других постоянных, улучшенную динамическую модель с
добавлением транснептуновых объектов (ТНО) и расширенную базу данных 1913-2010 гг.
При улучшении планетной части эфемерид ЕРМ2010 по разным типам наблю-
€>Е. В. Питьева, 2012
149
дений (676 779 измерений) определялось около 270 параметров.Эфемериды
ЕРМ вместе с соответствующими разностями времени TT-TDB доступны
через ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/.
Обновление эфемерид ЕРМ
В последние годы появилось много высокоточных радиометрических
наблюдений космических аппаратов, вращающихся или проходящих около
планет и оптических наблюдений спутников планет, выполненных как с земных
обсерваторий, так и с помощью телескопа Hubble Space, что позволило
коллективам разных авторов получить новые значения масс планет и некоторых
астероидов. В последней версии эфемерид ЕРМ2010 использовались значения
масс планет, утвержденные на XXVII Генеральной Ассамблее в качестве
текущих лучших оценок (см. http://maia.usno.navy.mil/NSFA.html). Кроме того,
для массы Меркурия было принято значение, выведенное недавно по данным
трех прохождений космического аппарата (КА) «Messenger» около Меркурия.
Прежние и новые значения масс даны в табл. 1. Эти же значения масс были
использованы для построения улучшенной версии эфемерид ЕРМ2010. Другие
постоянные ЕРМ2010 определялись из наблюдений при улучшении эфемерид.
Обновленная динамическая модель эфемерид ЕРМ2010 учитывает
возмущения от ТНО: от Эриса (планета - карлик, обнаруженная в 2003 г. и
превосходящая Плутон по массе) и других 20 крупнейших ТНО. Кроме того,
возмущения от остальных ТНО моделируются возмущением от однородного кольца,
расположенного в плоскости эклиптики и находящегося на среднем
расстоянии 43 а. е.; масса кольца оценивается из наблюдений. Таким образом,
динамическая модель эфемерид ЕРМ2010 включает в себя:
- взаимные возмущения планет, Солнца и Луны;
- релятивистские возмущения;
- возмущения от 301 наиболее массивного астероида;
- возмущение от 21 наибольшего транснептунового объекта;
Таблица 1. Новые значения масс планет, принятые на XXVII ГА MAC
и использованные для построения эфемерид ЕРМ2010
Планета
Мм/МЕ
Mg/Мме
Mg/My
Mg/Мма
м0/м,
M0/MSa
М0/Мр
M0/MEns
Прежнее значение
1.23000345(5)- Ю-2
6.0236(3)-106
4.0852371(6) 105
3.098708(9)-106
1.0473486(8) 103
3.497898(18) 103
1.3521(15) 108
-
Новое значение
1.23000371(4)-10-2
6.023662(2)-106
4.08523719(8)-105
3.09870359(2)-106
1.047348625(17) 103
3.4979018(1) 103
1.36564(28)-108
1.191(14)108
Год
2009
2010
1999
2006
2003
2006
2008
2007
Автор
Питьева, Стэндиш
Смит и др.
Конопливи др.
Коноплив и др.
Джекобсон
Джекобсон и др.
Толен и др.
Браин и др.
150
- возмущения от остальных малых планет главного пояса астероидов,
моделируемых однородным кольцом;
- возмущения от остальных транснептуновых объектов, моделируемых
однородным кольцом (на среднем расстоянии 43 а. е.);
- возмущения от сжатия Солнца (2-107);
- возмущения, вызываемые несферичностью фигур Земли и Луны.
В обновленной версии эфемерид ЕРМ2010 были введены уточненные
начальные координаты для ТНО и астероидов, участвующих в интегрировании
планет, взятые из JPL NASA по программе «Horizons». Массы 21 крупнейшего
астероида были уточнены при улучшении параметров эфемерид ЕРМ2010 по
их возмущениям на внутренние планеты.
ЕРМ-эфемериды основаны на релятивистских уравнениях движения
небесных тел, а также световых, и на радиоизлучений и релятивистских шкалах
времени. Уравнения движения тел брались в постньютоновском приближении
в поле Шварцшильда. Интегрирование в барицентрической системе
координат на эпоху J2000.0 выполнялось методом Эверхарта на интервале 400 лет
(1800-2200 гг.) лунно-планетным интегратором программного пакета ЭРА.
Наблюдательная база данных ЕРМ 2010 эфемерид, их редукция, TT-TDB
Наблюдения, использованные для уточнения эфемерид ЕРМ2010,
включали 676 779 позиционных измерений разного типа за 1913-2010 гг., в основном
радиотехнических. В последнее время к предыдущим наблюдениям (в основном
до 2008-2009 гг.) были добавлены недавние данные космических аппаратов,
а именно: измерения запаздывания КА «Odyssey», MRO (Mars Reconnaissance
Orbiter), «Mars Express» (МЕХ), «Venus Express» (VEX), VLBI-наблюдения
«Odyssey» и MRO, трехмерные нормальные точки наблюдений «Cassini»
и «Messenger», вместе с ПЗС-наблюдениями внешних планет и их спутников,
полученных в обсерваториях Flagstaff и Table Mountain. Фрагмент данных
использованных наблюдений представлен на рис. 1.
Основными редукциями оптических наблюдений являются коррекция
наблюдений за дополнительный эффект фазы (коррекция за основной эффект
фазы осуществляется наблюдателями), коррекция за переход всех наблюдений
в систему ICRF и учет релятивистского отклонения света.
Редукции радарных наблюдений включают в себя: релятивистские
поправки - запаздывание радиосигнала в гравитационных полях Солнца (эффект
Шапиро), Юпитера и Сатурна, а также переход от координатного времени,
аргумента эфемерид, к собственному времени наблюдателя; запаздывание
радиосигналов в тропосфере Земли; запаздывание радиосигналов в плазме солнечной
короны и редукция наблюдений за топографию лоцируемой поверхности планеты.
Для перехода от времени наблюдений (UTC) к барицентрическому
динамическому времени (TDB) эфемерид необходимо знать разности между
земным временем (ТТ) и TDB:
UTC = TAI + с (0; ТТ = TAI+32.184 с.
151
Астрометрические наблюдения планет и КА
Оптические наблюдения внешних планет
и их спутников 1913-2010, 56474
USNO
Pulkovo
Nikolaev
Tokyo
Bordeaux
LaPahna
Flagstaff
TMO
Тип набл.
Интервал Априорная точность
прохождения
ф-э прохождения
фотографические
ПЗС
1913-1994
1963-1998
1913-1998
19952010
1" -ХК'5
O'.'fc ->0'/25
1" ->0'.'2
0'/2 ->0'/05
Радарные наблюдения Меркурия, Венеры, Марса, 58112
Millstone
Haystack
Arecibo
Goldstone
Crimen
Тип набл. Интервал Априорная точность
ranging
1961-1997 100 км -+ 150 м
Радиотехнические данные КА, 1971-2010, 562193
Mariner — 9
Piomierld, 11
Voyager
PJwbos
Ulysses
Magellan
Galileo
Viking- 1,2
Pathfinder
MGS
Odyssey
Mho '
Cassini
VEX
Messenger
МЕХ '
Тип набл. Интервал Априорная точность
Венера
'Юпитер
Юпитер
Марс
Юпитер
Венера
Юпитер
Марс
Марс
Марс
Марс
Марс
Сатурн
Венера
Мерк.
Марс
Рис. 1. Использованные данные наблюдений
ranging
dif.range
rad.velos.
flybys
AVLBI
1971-2009
1976-1997
19921994
1973-2009
1990 2010
6 KM —^ 1 M
1.3 -> 0.1 мм/с
0.1 -^ 0.002 мм/с
400 mas —> 0.4 mas
12 mas —> 0.2 mas
До последнего времени для вычисления этих разностей использовались
аналитические разложения, построенные для эфемерид DE405. Однако
разности TT-TDB зависят оЪ" координат всех тел соответствующих эфемерид, поэтому
более корректно строить эти разности численным интегрированием, используя
соответствующие эфемериды, что и было сделано для эфемерид ЕРМ
студентом магистратуры Томского государственного университета В. Е. Панфиловым.
Были использованы формулы из работы С. А. Клионера [2].
На рис. 2 как пример показаны разности TT-TDB в ns для эфемерид
ЕРМ2004 и ЕРМ2008.
</(ТТ__ТРВ)
tfTDB
= ^+^(1 + ^-^)-^+^
152
0.4
0
-ОЛ
I
О -0.8
t
-1.2
\ \ #* \ \
!.,г/'г" ! 1 !
18 W\ ' 1 !
1 1880 2020
24ООО00 2410000 242ОО00 2430000 2440000 2460000
JD
1 2 —.GA^
А*Е ГЕА
0 L |_ А*Е ГЕА
^GMA Г 3 2
А*Е * НА '- ~
2
+
"'.4 "Г
, 1 r »fv4Ttf/]?- VGW5|
Рис. 2. Разности TT-TDB в л,у для
эфемерид ЕРМ2004 и ЕРМ2008
Параметры ЕРМ2010 и представление наблюдений
В процессе улучшения планетной части эфемерид ЕРМ2010 определялось
около 270 параметров. Кроме уточнения элементов орбит планет и 18
спутников внешних планет определялись также параметры топографии и вращения
Марса и координаты трех посадочных аппаратов на Марсе, массы около 20
астероидов и общие массы астероидов главного пояса и ТНО, квадрупольный
момент Солнца и параметры солнечной короны, величина астрономической
единицы (а. е.) или гелиоцентрической гравитационной постоянной (GM©),
три угла ориентации эфемерид относительно ICRF и другие параметры-
Средние значения и ошибки остаточных невязок наблюдений приведены
в [3], а в табл. 2 представлены значения только для тех групп наблюдений,
число которых значительно возросло за последнее время («н.т.» означает
нормальные точки).
Остаточные невязки времен запаздывания КА «Odyssey», MRO, МЕХ,
VEX показаны на рис. 3. Для наблюдений времен запаздывания заметно
увеличение разброса О - С во время сближений КА с Солнцем, когда сигнал
проходит через солнечную корону. Запаздывание в солнечной короне было учтено
Таблица 2. Средние значения и ошибки остаточных невязок
радиотехнических наблюдений
Планета
Меркурий
Венера
Марс
Тип наблюдений
КАт, м
MGN,VEXVLBI,mas
VEXt,m
Odyssey х, м
MRO т, м
МЕХ х, м
KAVLBI,mas
Интервал
1974-2009
1990-2010
2006-2010
2002-2009
2006-2009
2009-2010
1989-2010
Число
н.т.
5
47
1721
8187
930
970
144
<о-с>
1.5
-0.2
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
с
19.1
2.7
2.9
1.1
2.5
2.0
0.6
153
с уточнением коэффициентов модели короны из наблюдений, однако для
полного избавления от шума солнечной короны необходимо, чтобы измерения
выполнялись на двух частотах.
Ориентация планетных эфемерид относительно международной системы
отсчета ICRF осуществляется по VLBI-наблюдениям разных КА,
находящихся около планет на фоне квазаров, координаты которых даны в системе ICRR
Число и точность таких наблюдений постоянно увеличиваются, что позволяет
значительно уточнить ориентацию эфемерид (табл. 3).
Значения некоторых параметров (массы крупнейших астероидов,
отношение масс Земли и Луны и астрономической единицы, выраженной в метрах)
были определены при улучшении эфемерид DE и ЕРМ и утверждены XXVII
ГА MAC в качестве текущих лучших значений для эфемеридной астрономии.
Значения этих и некоторых других параметров: масса и радиус астероидного
кольца, масса ТНО кольца, общие массы астероидов главного пояса и ТНО,
квадрупольный момент Солнца и ППН-параметры даны в работе [3].
20 л* -г
-20м А
2002
2U IV* -) *--
2006
I МЕХ
l9 mm*m^frm™fM^r\
-20 м -U
2008.5
2011
-ЗОО ivi
2006 2008.5 2011
Рис. 3. Остаточные невязки времен запаздывания КА «Odyssey», MRO, МЕХ, VEX, Mas
Кроме того, новая версия эфемерид ЕРМ2010 послужила базой для
определения некоторых других важных физических параметров:
гелиоцентрической гравитационной постоянной GM® и ее изменения, а также ограничений
на изменение гравитационной постоянной G.
154
Таблица 3. Углы поворота эфемерид ЕРМ в ICRF
Интервал,
годы
1989-1994
1989-2003
1989-2007
1989-2010
Число
наблюдений
20
62
118
213
е*,
mas
4.5 ± 0.8
1.9 ±0.1
-1.528 ±0.062
0.009 ±0.041
6у,
mas
-0.8 ± 0.6
-0.5 ± 0.2
1.025 ±0.06
-0.051 ±0049
mas
-0.6 ± 0.4
-1.5 ±0.1
1.271 ±0.046
-0.113 ±0.030
Значения, взаимосвязь и изменения астрономической единицы
и гелиоцентрической гравитационной постоянной
С 1961 г., когда впервые была проведена успешная радиолокация Венеры,
астрономическая единица оценивается из радиолокационных наблюдений
времен запаздывания планет и космических аппаратов. В настоящее время
реальная точность этой величины составляет несколько метров: 149597870700(3) м.
Хотя по своему значению а. е. близка к среднему расстоянию Земля-Солнце,
но по своему настоящему определению эта величина связана с
гелиоцентрической гравитационной постоянной GM©[m3c 2] = к-а. е.3 (м)3/86 4002 с2, где
к = 0.01720209895 — гравитационная постоянная Гаусса. Значения GM® и а. е.
могут быть получены из улучшения эфемерид по наблюдениям, либо одна
величина может быть вычислена из другой. До последнего времени
гелиоцентрическая гравитационная постоянная GM® вычислялась из хорошо
определенного значения а. е. Однако в 2011 г. прямое определение GM® было получено
независимо тремя группами из улучшения разных эфемерид. Из табл. 4 видно,
что все значения, полученные тремя группами, близки друг к другу, а реальная
точность их определения близка к точности из работы Konopliv et al.
Масса Солнца меняется вследствие потери массы из-за излучения и
солнечного ветра, а также возможного увеличения массы за счет падающего на
Солнце вещества. Однако общий баланс оставался неизвестным из-за
неопределенности значения массы вещества, уносимого солнечным ветром, и массы
падающего на Солнце вещества. Впервые из обработки более 635 тысяч
позиционных наблюдений разных типов, в основном радиотехнических (1961-
2010 гг.), планет и КА было получено значение изменения за год (За)гелиоцен-
трической гравитационной постоянной (массы Солнца) [5]:
GM& /GM© = (-5.0±4.1)1014.
Таблица 4. Значения GM©, полученные из улучшения эфемерид по наблюдениям,
и значения а. е., выведенные из значений GM®
Параметр
GM®, м3с-2
а.е., м,
из GM©
Konopliv etal., 2011
DE423
132712440042(10)
149597870700(3)
Fienga etal., 2011
INPOPlOa
132712440055(1)
149597870705(0.3)
Pitjeva etal., 2011
EPM2010 [4]
132712440033(1)
149597870696(0.4)
155
Из полученного изменения GM® и с учетом максимальных пределов
возможного изменения массы Солнца М® найдены более жесткие ограничения на
изменение гравитационной постоянной: с вероятностью 95 % годовое
значение попадае! в интервал -4.2-10~14 < G/G < +7.5- Ю-14.
Недавно в ИПА РАН были созданы удобные процедуры доступа [6]
внешних пользователей к эфемеридам планет и Луны ЕРМ вместе с
соответствующими разностями TT-TDB, а также к эфемеридам семи дополнительных
объектов, условно названных планетами-карликами: Ceres, Pallas, Vesta, Eris,
Haumea, Makemake, Sedna, чьи эфемериды были получены одновременно
с ЕРМ2008. Эфемериды ЕРМ доступны пользователям через ftp://quasar.ipa.
nw.ru/incoming/EPM/.
Литература
1. Ягудина Э. И., Красинский Г. А., Прохоренко С. О. ERA-EPM2011
эфемерида Луны и селенодинамические параметры из обработки LLR-данных //
См. наст, сборник. - С. 166-172.
2. Klioner S. A. Relativistic astrometry and astrometric relativity // Proc. LAU
Symp. 248 "Giant Step: from Milli- to Micro-arcsecond Astrometry". - 2008. -
P. 356-362.-DOI: 10.1017/S174392130801956X.
3. Питьева Е. В. Фундаментальные национальные эфемериды планет и
Луны - ЕРМ и их параметры, определенные из наблюдений // Труды ИПА РАН.
-СПб., 2010.-Вып. 21.-С. 184-190.
4. Pitjeva E., Bratseva О., Panfilov V. ЕРМ - Ephemerides of Planets and the
Moon of IAA RAS: their model, accuracy // Proc. of the "Journees-2010 "Systems
de reference spatio-temporels". - 2011. - P. 49-54.
5. Питьева Е. В., Питъев Н. Я. Оценки изменений массы Солнца и
гравитационной постоянной по современным наблюдениям планет и космических
аппаратов // Астрон. вестн. - 2012. - Т. 46, № 1. - С. 81-90. - DOI: 10.1134/
S0038094612010054.
6. Братцева О. А., Новиков Ф. А. и др. Процедуры доступа к
высокоточным численным эфемеридам планет и Луны // Труды ИПА РАН. - СПб., 2010.
-Вып. 21.-С. 201-204.
156
Fundamental Ephemerides of Planets and the Moon (EPM)
of IAA RAS: Their Dynamical Model, Parameters, Accuracy
E, V, Pitjeva
The EPM ephemerides (Ephemerides of Planets and the Moon) of IAA RAS
originated in the seventies of the last century to support Russian space flights and
have been developed since that time. A new version of the EPM2010 ephemerides
is presented. It includes new values of the planet masses adopted by the XXVII
GA IAU and other constants, the improved dynamical model with Trans-Neptunian
Objects and the expanded database (1913-2010) possessing about 700 000
observations. The EPM ephemerides with the TT-TDB corresponding differences are
available via ftp: //quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/.
157
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Координатно-временное и навигационное обеспечение
освоения Луны и дальнего космоса
Н. Н. Балашова, А. И. Болкунов, Е. И. Игнатович, С. Г. Ревнивых,
А. И. Сердюков, Л. Н. Синцова
ИАЦ КВНО ФГУП «ЦНИИмаш», г. Королев, Россия
В статье рассмотрены цели создания и развития системы координат-
но-временного и навигационного обеспечения освоения Луны и
дальнего космоса.
Ключевые слова: КВНО, Луна, космос, освоение.
Реализация долгосрочных планов Российской Федерации (РФ) по
изучению и освоению Луны, Марса и других объектов дальнего космоса требует
решения достаточно большого круга проблемных вопросов, среди которых
немаловажную роль играют вопросы информационно-навигационного обеспечения
пилотируемых лунных и межпланетных космических миссий.
Если на первом этапе осуществления лунных и межпланетных программ
представляется достаточным использование существующего российского
наземного радиотехнического комплекса, обеспечивающего (при условии его
восстановления и модернизации) связь и навигацию для одиночных полетов
автоматических аппаратов к Луне и в дальний космос, то на последующих
этапах освоения Луны, Марса и изучения других тел Солнечной системы
потребуется существенное расширение спектра решаемых задач и инструментальной
базы в целях надежной и качественной информационно-навигационной
поддержки пилотируемых миссий.
Существующие и вновь создаваемые средства координатно-временного
и навигационного обеспечения (КВНО) должны обеспечивать решение
задач динамики полета, навигационное обеспечение управления полетом
космических аппаратов (КА) дальнего космоса, в ближайшей окрестности Луны,
Марса и других тел Солнечной системы, а также пространственно-временную
деятельность членов экспедиций и персонала постоянно действующих баз на
поверхности Луны и Марса.
Опыт создания и развития системы околоземного КВНО на базе ГНСС
обусловливает целесообразность рассмотрения средств КВНО дальнего космо-
© Н. Н. Балашова, А. И. Болкунов, Е. И. Игнатович, С. Г. Ревнивых, А. И. Сердюков,
Л. Н. Синцова, 2012
158
са в качестве комплексной системы, включающей в себя ряд взаимосвязанных
элементов и сегментов. Такая система для КВНО изучения и освоения Луны,
Марса и других объектов дальнего космоса должна рассматриваться как
результат естественного развития околоземной системы и как составная часть
некоторой общей системы КВНО РФ, не только постоянно развивающейся в
качественном отношении, но и расширяющей зону своего действия в пространстве.
Эволюция качественных характеристик общей системы КВНО в таком
расширенном понимании будет определяться двумя аспектами: 1) повышение
качества (точности, доступности, надежности); 2) расширением спектра
предоставляемых массовых услуг для наземной и околоземной составляющей
системы, созданием и развитием высокоточных уникальных систем, обслуживающих
ограниченное число пользователей и объектов, для составляющей КВНО в
интересах освоения Луны и дальнего космоса.
Целями создания и развития системы КВНО в интересах изучения и
освоения Луны и дальнего космоса являются:
- обеспечение независимости Российской Федерации при решении задач
изучения и освоения Луны и космического пространства;
- совершенствование и накопление научных знаний, создание
инновационных технологий в интересах укрепления и развития научно-технического и
интеллектуального потенциала в области КВНО;
- развитие и расширение равноправного международного сотрудничества
Российской Федерации в области изучения и освоения космического
пространства.
К числу задач КВНО пилотируемых лунных и межпланетных миссий
относятся:
в части изучения Луны и дальнего космоса:
- обеспечение управления полетом КА в целях доставки научной
аппаратуры в заданный район (точку) космического пространства или поверхности
небесного тела;
- высокоточная координатно-временная привязка результатов космических
научных исследований и экспериментов;
в части освоения Луны и дальнего космоса:
- обеспечение управления полетом беспилотных КА в целях
формирования окололунной (околопланетной) инфраструктуры, обеспечивающей
функционирование последующих экспедиций (доставка научной аппаратуры, элементов
конструкций и вспомогательных систем и средств) в заданный район
космического пространства или поверхности небесного тела;
- обеспечение управления полетом пилотируемых экспедиционных
комплексов в обеспечение функционирования разовых экспедиций и постоянно
действующих лунных (в будущем марсианских) баз;
- информационно-навигационное обеспечение функционирования членов
экспедиций и персонала постоянных баз на поверхности Луны, Марса и
окружающем космическом пространстве (на промежуточных, переходных орбитах).
159
Говоря о применимости и составе используемых для освоения дальнего
космоса средств, нельзя забывать о необходимости поддержания
существующих и развития новых методов и средств решения фундаментальных коор-
динатно-временных задач. Без точного знания эфемерид планет и других тел
Солнечной системы, параметров перехода между различными системами
координат, прецизионной синхронизации удаленных шкал времени повышение
точности измерений для целей навигации с какого-то момента теряет смысл.
Поэтому наряду и параллельно с развитием информационно-навигационных
технологий и средств необходимо развивать методы и средства решения
фундаментальных координатно-временных задач.
Предварительный анализ проблем и задач построения системы коорди-
натно-временного и навигационно-информационного обеспечения лунных
и межпланетных миссий позволил спрогнозировать основные технические
требования к системам и средствам такой системы, предложить вариант
архитектуры её построения с учетом зон действия различных инструментальных
средств, разработать перечень первоочередных мероприятий по развитию
существующих и созданию новых средств и технологий
навигационно-информационного обеспечения миссий в дальнем космосе.
Основополагающим принципом при выборе архитектуры системы КВНО
дальнего космоса является системный подход к разработке и развитию
базовых и дополняющих навигационных систем с учетом их интеграции на единой
информационной, методической, технической и технологической основе,
обеспечивающих следующее:
- непрерывную по времени на всех этапах космических миссий и всех
интервалах функционирования отдельных экспедиций или постоянно
действующих баз доступность КВНО на любом из участков полета и во всем регионе
ожидаемых перемещений персонала лунных (марсианских) баз;
- высокую надежность за счет дублирования (при необходимости
троирования для пилотируемых миссий) средств КВНО и многовариантности их
комплексирования при решении однотипных задач;
- открытость системы - возможность включения в систему КВНО новых
средств и технологий с минимальными изменениями ее общей структуры;
- совместимость и взаимодополняемость систем и средств КВНО
дальнего космоса, в том числе с зарубежными системами.
На основе анализа существующего состояния российских и зарубежных
средств КВНО дальнего космоса, а также мировых тенденций их развития
предложен вариант архитектуры системы КВНО дальнего космоса,
базирующийся на следующих положениях.
1. Область обслуживания разбивается на характерные области (зоны):
- зона 1 - околоземное пространство радиусом 10-15 радиусов Земли;
- зона 2 - область возможных траекторий перелета «Земля-Луна» и обратно;
- зона 3 - окололунное пространство радиусом 10-15 радиусов Луны;
160
- зона 4 - область возможных траекторий межпланетных перелетов;
- зона 5 (5А, 5Б и т. д.) - околопланетные области.
2. По функционально-целевому назначению все элементы системы КВНО
освоения Луны и дальнего космоса сгруппированы в четыре подсистемы
(сегмента):
- сегмент аппаратно-программных средств, обеспечивающих решение
координатно-временной и навигационной задачи (инструментальный сегмент);
- сегмент решения фундаментальных задач;
- контрольно-регламентирующий сегмент;
- сегмент обеспечивающей аппаратуры, реализующей дополнительные
информационные и телекоммуникационные функции.
3. Определено три функциональных состояния системы КВНО
дальнего космоса, связанных со сроками соответствующих этапов освоения Луны
и дальнего космоса и качественными изменениями состава и характеристик
элементов (подсистем и средств) системы КВНО:
- восстановление (при необходимости) и модернизация существующих
наземных средств РСДБ и лазерной дальнометрии;
- создание и внедрение новых технологий КВНО (наземных и
автономных), создание предпосылок для развертывания лунных, марсианских и
других интегрированных (информационно-навигационных) обеспечивающих
систем (ЛИНОС, МИНОС);
- создание и штатная эксплуатация лунной и, возможно, марсианской
интегрированных обеспечивающих (информационно-навигационных) систем.
Для каждого из этапов определены задачи и инструментальный состав
перечисленных сегментов системы КВНО дальнего космоса. Так, для
системообразующего инструментального сегмента, который предназначен для
предоставления и обработки всех видов измерительной и вспомогательной
информации, необходимой для решения задач КВНО в процессе освоения Луны
и дальнего космоса, предложены варианты основных (базовых),
дублирующих, резервных, контрольных и котировочных средств, методов и технологий
КВНО.
На первом этапе (ближайшие 10-15 лет) не видно альтернативы
использованию в качестве базовых средств навигации в дальнем космосе
существующих и перспективных наземных радиотехнических средств, включая средства
болыыебазовой радиоинтерферометрии. Точность навигации по измерениям
радиальной скорости и углового положения КА достаточна для проведения
всех операций управления КА практически на всех этапах межпланетных
миссий за исключением высокоточных заключительных операций в окрестности
и на поверхности Луны, Марса и других тел Солнечной системы.
На первом и всех промежуточных этапах развития системы КВНО
дальнего космоса для навигации в окололунной и околопланетной зонах
необходимо дополнительно задействовать комплексированную автономную аппаратуру.
В состав таких систем могут входить оптические астроизмерители, бортовые
161
датчики в оптическом и инфракрасном диапазоне (звездные, датчики Солнца,
датчики, работающие по излучению диска планет), лазерные дальномеры,
телескопы и устройства быстрой обработки изображений для получения
измерений видимого положения КА-целей на фоне звезд или дисков планет, инерци-
альные датчики.
Для КВНО финального этапа (постоянно действующие лунные базы,
экспедиции на Марс) предложен следующий состав инструментального сегмента
системы:
- в околоземной зоне базовым средством навигации будет система
ГЛОНАСС с расширенной до расстояний порядка 10-15 земных радиусов
зоной действия. Наземный радионавигационный комплекс предполагается
использовать в качестве дублирующего, резервного средства;
- на лунных перелетных участках траектории базовым средством будет
оставаться наземный радионавигационный комплекс. В качестве
дублирующих и резервных средств могут использоваться автономные астроизмеритель-
ные средства и наземные квантово-оптические;
- на перелетных участках межпланетных траекторий использование
наземного комплекса в качестве основного средства навигации продолжится до
тех пор, пока не будут доведены до должного уровня средства автономной
астронавигации.
Основным (штатным) средством КВНО в окололунном
(околомарсианском) пространстве и на поверхности Луны (Марса) в конечном счете должны
стать лунные и марсианские информационно-навигационные
(интегрированные) обеспечивающие системы. Эти системы должны решать задачи
навигационного обеспечения управления полетом всех КА в окололунном
(околопланетном) пространстве, КВНО передвижения транспортных средств и членов
экспедиций и постоянно действующих баз, а также осуществлять сбор,
обработку и передачу всем участникам космических миссий (членам экипажа,
участникам экспедиций, персоналу управления и пр.) дополнительной
информации (результаты мониторинга поверхности Луны, Марса, погодные
условия на поверхности Марса, радиационная обстановка, данные визуального
наблюдения за передвижением экспедиционных транспортных средств, сигналы
о возникновении нештатных ситуаций и др.), необходимой для должного
контроля обстановки в экспедиционном районе и повышения тем самым
безопасности участников экспедиций.
Все остальные средства будут играть роль дублирующих, резервных и
контрольных средств или использоваться в качестве инструмента решения
фундаментальных координатно-временных задач и в других научных целях.
Наземные и автономные средства лазерной дальнометрии целесообразно
использовать в качестве контрольных и котировочных средств практически во
всех зонах действия системы КВНО дальнего космоса.
Вопросы использования технологий навигации по измерениям
параметров естественных физических полей на основе фиксации электромагнитно-
162
го излучения галактических и внегалактических источников (пульсары и
квазары), а также радиоинтерферометрия на сверхдлинной базе (Земля-Луна,
Земля-КА на высокоапогейной орбите типа «Радиоастрон») требуют
дополнительных исследований. Прогноз появления принципиально новых
инструментов и технологий навигации в дальнем космосе пока не определен, но это не
означает отказа от поисковых исследований в данном направлении.
Фундаментальное координатно-временное обеспечение является базисом
для решения всех задач КВНО. Оно, с одной стороны, определяет базовые ко-
ординатно-временные параметры для всех систем КВНО, а с другой стороны,
обеспечивает единство, точность и взаимную согласованность всех коорди-
натно-временных измерений. Поэтому, говоря о развитии используемых для
освоения дальнего космоса средств КВНО, нельзя забывать о
необходимости поддержания существующих и развития новых методов и средств
решения фундаментальных координатно-временных задач. Без точного знания
эфемерид планет и других тел Солнечной системы, параметров перехода между
различными системами координат, прецизионной синхронизации удаленных
шкал времени, повышение точности измерений в любых системах и средствах
КВНО с какого-то момента теряет смысл.
Наиболее значимой в решении таких фундаментальных
координатно-временных задач, как синхронизация удаленных шкал времени, уточнение
относительного движения центров масс планет представляется роль квантово-оптиче-
ских измерительных средств.
Прогнозируемый сценарий развития существующих и создания новых
методов и средств решения навигационных и фундаментальных
координатно-временных задач в интересах изучения и освоения Луны и дальнего космоса связан
с проведением таких мероприятий, как:
- доведение характеристик существующих отечественных
радионавигационных систем дальнего космоса до уровня, удовлетворяющего требованиям
к обеспечению космических миссий по освоению Луны и дальнего космоса на
первом этапе;
- проведение полномасштабных научно-исследовательских работ,
опытно-конструкторских работ по перспективным технологиям, методам и средствам
системы навигационно-информационного обеспечения дальнего космоса;
- проведение модернизации существующих и разработка новых средств и
систем решения фундаментальных задач в интересах освоения дальнего космоса;
- реализация комплекса работ по созданию постоянно действующих
интегрированных (информационно-навигационных) обеспечивающих систем
в окрестности Луны (Марса), начиная от разработки концепций, системного
проектирования до проведения экспериментальной отработки элементов
будущих интегрированных обеспечивающих систем на орбитах Луны, Марса;
- разработка механизмов, обеспечивающих сбалансированное развитие
всех сегментов системы навигационно-информационного обеспечения изучения
и освоения дальнего космоса.
163
Необходимо отметить, что полномасштабные научно-исследовательские
работы, переходящие в опытно-конструкторские для наиболее интересных
и перспективных технологий, методов и средств будущей системы навигаци-
онно-информационного обеспечения миссий в дальнем космосе, должны быть
развернуты в самое ближайшее время. В противном случае российские
средства надолго останутся на стадии первого этапа с физически и морально
устаревающей аппаратурой.
164
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
ЕРМ-ЕКА2011-эфемерида Луны
и селенодинамические параметры
из обработки LLR-данных
Э. И. Ягудина, Г. А. Красинский, С. О. Прохоренко
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Современные высокоточные LLR-наблюдения (лунные лазерные
наблюдения) являются основой для построения лунных эфемерид. При
использовании LLR-наблюдений требуются динамические теории
адекватной точности. Такие теории разрабатываются в Лаборатории
реактивного движения США (DE403, DE405, DE421); Институте небесной
механики, Франция (INPOP6, INPOP8, INPOP10) и Институте
прикладной астрономии РАН [1, 2] в рамках комплекса ERA [3]. В [4] данные
16 320 LLR-наблюдений (1970-2008 гг.) использовались для
улучшения эфемериды Луны и получения селенодинамических параметров.
В новую версию лунной теории включен диссипативный эффект
вращения Луны при интегрировании орбитального и вращательного движения
Луны с запаздывающим аргументом. Сравнение улучшенной
динамической модели, полученной на основе данных 17742 LLR-наблюдений
за период 1970-2011 гг., выполнено с тремя версиями эфемерид DE
(DE403, DE405, DE421) и с французской эфемеридой INPOP10.
Ключевые слова: EPM-ERA2011, эфемерида, LLR-наблюдения,
отражатели на Луне, приливной эффект во вращательном и
орбитальном движении Луны.
Введение
Лунная часть эфемерид ЕРМ [5] называется EPM-ERA. В работе
представлено построение Лунной эфемериды EPM-ERA и определение различных
параметров на основе сравнения с LLR-измерениями.
Начиная с 1969 г., когда американские астронавты доставили первый
отражатель на Луну (Apollo 11), началась новая эра создания эфемерид Луны.
Первоначально (70-е гг. XX в.) погрешность наблюдений была около 25-30 см
(светолокационная дальность). Однако со временем стали улучшаться лазеры,
технические возможности наблюдений. Сейчас, например, на станции Apache
погрешность наблюдений достигает нескольких миллиметров. Понятно, что
» Э. И. Ягудина, Г. А. Красинский, С. О. Прохоренко, 2012
165
такие точные наблюдения требуют модели орбитально-вращательного
движения Луны адекватной точности. В Институте прикладной астрономии РАН
в рамках программного комплекса ERA создается численная теория движения
Луны (EPM-ERA).
Модель
Динамическая модель EPM-ERA строится путем одновременного
численного интегрирования уравнений орбитального и вращательного движения
Луны, больших планет и крупных астероидов (для Луны важно включать в
расчет основные наибольшие астероиды, а не все 300, как это делается для
больших планет). Потенциал Луны вычисляется до 4-й зональной гармоники, для
Земли - до гармоник 2-го порядка С20 и С22. До появления эфемериды DE200
[6] никакие приливные эффекты не рассматривались при построении
эфемерид Луны. При обработке LLR-измерений впервые [7] был проведен учет
приливных эффектовв движении Луны. В предыдущих версиях EPM-ERA
приливные возмущения в орбитальном вращательном движении Луны, вызванные
приливной диссипацией в теле Земли, описывались моделью с постоянным
запаздыванием. В новую версию лунной теории включается улучшенная версия
модели диссипативных эффектов вращения Луны, обусловленных влиянием
запаздывания приливов на Луне, что требует интегрирования уравнений с
запаздывающим аргументом. Кроме того, в данной работе используются данные
17 742 LLR-наблюдений на интервале 1970-2011 гг. (вместо 16 320 на
интервале 1970-2008 гг.). Интегрирование выполняется методом Эверхарта 19-го
порядка с постоянным шагом интегрирования. Частные производные от
запаздывания относительно динамических параметров орбитального и вращательного
движения Луны вычисляются интегрированием уравнений в вариациях; в
некоторых случаях производные получаются интегрированием строгих систем
уравнений, варьируя величину оцениваемого параметра (например, к2 Луны)
- LLR-наблюдения были также обработаны с помощью эфемерид DE403,
DE405, DE421 и INPOP10, при этом частные производные были получены
из результатов вычислений для теории ERA при построении теории
движения Луны EPM-ERA ИПА. Номинальные значения многих параметров для DE
и INPOPlO-эфемерид неизвестны, для этих эфемерид могут быть
определены только поправки к параметрам, но не сами их значения. Поэтому
улучшенные значения всех определяемых параметров можно ввести только в теорию
EPM-ERA, в то время как в DE и INPOPlO-эфемериды были введены лишь
поправки к координатам отражателей и станций.
Описание наблюдений LLR
В новой версии численной теории движения Луны используются данные
17 742 LLR-наблюдений на интервале 1970-2011 гг. Наблюдения выполнялись
в основном на станции McDonald (США, Texas), где в различные временные
166
Таблица 1. Распределение наблюдений
Станция
McDonald
MLRS1
MLRS2
Haleakala
Cerga
Apache
Итого:
Временной интервал
март 1970-июнь 1985
январь 1985 -январь 1988
август 1988 - июль 2011
август 1988 - август 1990
август 1988 - июнь 2011
август 2006 - ноябрь 2010
март 1970-июль 2011
Число
LLR-наблюдений
3440
275
3194
694
9224
915
17 742
периоды вели наблюдения следующие станции: McDonald, MLRS1, MLRS2
и Cerga (Франция); ряд двухгодичных наблюдений был получен на станции
Haleakala (США, Hawai). С 2008 г. стали доступны наблюдения
миллиметровой точности (915 наблюдений), полученные на станции Apache (Мексика).
Число наблюдений для каждой станции представлено в табл. 1. При
анализе LLR-наблюдений выяснилось, что ряд определяемых параметров очень
сильно коррелируют между собой, и их оценки могут быть получены
только с помощью наблюдений четырех рефлекторов на Луне: Apollo 11, Apollo 14,
Apollo 15, Lunahod2. Число наблюдений, полученных до использования
рефлекторов Apolloll, Apollo 14, Apollo 15, Lunahod2, соответственно 1819, 1757,
13 667 и 499. К сожалению, такой разброс наблюдений уменьшает надежность
оценки селенодинамических параметров.
До 1998 г. наблюдения присылались с перечисленных станций по просьбе
пользователей, позднее их можно было получить по FTP со следующих
серверов: ccdisa.gsfc.nasa.gov/pub/slr; oca.eugemini.donnees.laslunes; наблюдения
Apache, Cerga 2010 получены из частной переписки.
Уточняемые параметры
В табл. 2 описаны 65 параметров, которые впоследствии были введены
в теорию EPM-ERA с помощью нескольких итераций. Поскольку
наблюденные значения величины запаздывания до Луны инвариантны относительно
вращения системы Земля-Луна как целого, все параметры ориентации этой
системы не могут быть определены одновременно. Поэтому для Apollo 15
фиксировались долгота и широта. Их значения были получены из упрощенного
решения, в котором не улучшались параметры либрации Луны. LLR-наблюдения
очень чувствительны к гравитационной константе Земли GmE. Опыт
показывает, что наблюдаемый эффект не может быть надежно разделен с поправкой
к Х-координате рефлекторов, поэтому значение GmE не включалось в список
определяемых параметров.
167
Таблица 2. Оцениваемые параметры
Номер
параметра
1-6
7-12
13-18,22-24
20
25^12
44
48-51
55
52-54, 59-63
56-58
64-65
Параметр
Орбитальные координаты Луны на эпоху JD 2446000.5
Углы Эйлера и их производные на ту же эпоху
Координаты рефлекторов А11, А14, L2
Х-координата рефлектора А15
Координаты шести станций наблюдений
Запаздывание приливов в теле Земли
Вековые тренды звездных углов для Земли и Луны
Запаздывание приливов в теле Луны
Гармоники лунного потенциала от С2о до S33
Лунные числа Лава к2, h2, h
Вековые тренды поправок к параметрам ориентации
земного экватора е, Ф
Обсуждение результатов
С использованием производных, полученных для EPM-ERA-эфемериды,
вычисления были проделаны для трех версий эфемерид DE и эфемериды
INPOPIO. Остаточные невязки до и после уравнивания и число наблюдений
в процессе обработки с помощью эфемерид DE, INPOPIO и EPM-ERA
представлены в табл. 3.
В результате рассогласования значения (О-С) стали практически
равными остаточным невязкам после уравнивания. Для эфемерид DE и INPOPIO
подобная работа не может быть выполнена в полном объеме, только поправки
к координатам рефлекторов и наземным станциям были введены в модель.
По этой причине рассогласования значения (О-С) для всех версий эфемерид
Таблица 3. Остаточные невязки DE, INPOPIO и EPM-ERA2011 эфемерид
Эфемерида
DE403
DE405
DE421
INPOPIO
EPM-ERA2010
О-С,
см
-
-
-
-
6.6
Остаточная
невязка, см
5.2
5.6
5.7
5.1
6.4
Число наблюдений
использованных
17 369
17 379
17 375
17 377
17 378
отброшенных
373
363
367
365
364
168
DE и INPOP10 остаются достаточно большими, особенно для более новых
версий эфемерид (DE421). По-видимому, это объясняется попытками авторов
учесть эффекты жидкого ядра путем введения поправок в аналитической
форме и недоступных пользователям. В табл. 4 показаны остаточные невязки для
каждой станции и всех станций, полученные по EPM-ERA эфемериде.
На рис. 1-5 представлены остаточные невязки (светолокационная
дальность) для всех используемых эфемерид.
Таблица 4. EPM-ERA-остаточные невязки (светолокационная дальность)
Станция
McDonald
MLRS1
Cerga
Haleakala
MLRS2
Apache
Все станции:
Период наблюдений
19700415.0-19850630.0
19850301.0-19880127.1
19840407.2-20110621.2
19891113.1-19900830.1
19880229.0-20110721.1
20060407.1-20101030.1
19700415.0-20110721.1
Число
наблюдений
3414
275
9224
694
2862
915
17 378
Средневзвешенная ошибка
О-С, см
31.5
12.2
5.4
13.6
6.7
5.2
6.6
Остаточная
невязка, см
31.5
12.2
5.3
13.7
6.7
5.0
6.5
20028 20110
DATE [FRACYEAR]
Рис. 1.DE403
Рис. 2. DE 405
20032 2011.5
DATE [FRACYEAR]
2003.2 2011 S
DATE [FRACYEAR]
Phc.3.DE 421
Рис. 4. INPOP10
Рис. 5. EPM-ERA
169
Заключение
Как показывает исследование, внутренняя погрешность лунной
компоненты эфемерид DE (5.4-5.7 см) несколько выше внутренней погрешности
эфемериды EPM-ERA (6.5 см), что обусловлено приближенным характером
учета лунных диссипативных эффектов в текущей версии теории. В настоящее
время изменяются программа точного учета этих эффектов во вращательном
движении Луны и интегратор.
К сожалению, высокая внутренняя точность эфемерид DE недоступна
пользователю. Остаточные невязки О-С этих теорий характеризуются
значительными ошибками из-за невозможности использования найденных
поправок для коррекции параметров (за исключением координат станций и
отражателей).
Литература
1. Aleshkina E. Yu., Krasinsky G. A., Vasiliev M. V. Analysis of LLR data by the
program ERA// Proc. of IAU Colloquium 165. - Poznan, Poland, 1996. - P. 228-232.
2. Krasinsky G. A. Selenodynamical parameters from analysis of LLR
observations of 1970-2001 // Comminications of the IAA RAS. - St. Petersburg,
2002.-№-148.-P. 1-27.
3. Krasinsky G. A., Vasiliev M. V. ERA: knowledge base for Ephemeris and
dynamical astronomy // Proc. of IAU Colloquium 165. - Poznan, Poland, 1996. -
P. 239-244.
4. Yagudina E. I. Numerical Lunar Theory EPM2008 from Analysis of LLR
data // Journees 2008, Dresden. 22-24 September 2008. - 2009. - P. 61-64.
5. Питьева Е. В. Высокоточные эфемериды планет и определение
некоторых астрономических постоянных // Астрон. вестн. - 2005. - Т. 39, № 3. -
С.203-213.
6. Newhall X. et al. DE200 Ephemeris // Astron. Astrophys. - 1983. -
Vol. 125.-P. 150.
7. Dickey J. O. et al. Lunar Laser Ranging: a continuing Legacy of the Apollo
Prpgram // Science. - 1994. - Vol. 256. - P. 482-490.
170
EPM-ERA2011 Lunar Ephemerides and Dynamical
Parameters from LLR (1970-2011) data
E, I. YagudinaJG. A, KrasinskyL S, O. Prokhorenko
The modern lunar ephemerides are developed in JPL, USA (DE403, DE405,
DE421); in Institute of Celestial Mechanics, France (series INPOP) and in IAA RAS
(EPM-ERA2011). The last one is developed in the framework of ERA system. In this
version of ephemeris dissipative effect of lunar rotation with retarded argument was
included into integration procedure of orbital and rotational lunar motion. The
comparison of improved dynamical model was made on the basis of 17742 LLR
observations (1970-2011) for obtaining dynamical parameters. The version has been
compared with three versions of the DE ephemerides and French ephemeris INPOP 10.
171
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
ПРИГЛАШЕННЫЕ ДОКЛАДЫ
Метод дифференциальных возмущений
для решения эфемеридных задач
Ю. С. Бондаренко, Ю. Д. Медведев, IL IL Ясько
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Для решения задач эфемеридной астрономии предлагается
использовать метод дифференциальных возмущений. В этом методе в
качестве промежуточной используется орбита, которая дается уже
существующей численной теорией, и возмущения рассчитываются относительно
этой орбиты. С использованием предлагаемого метода, сделаны оценки
возмущений от немассивных астероидов на движение Марса и Нептуна.
Кроме того, рассмотрена задача корректировки существующей
эфемериды с использованием новых наблюдений.
Ключевые слова: динамическая модель, метод дифференциальных
возмущений, эфемерида, дифференциальное уравнение движения,
численная теория, построение.
Введение
Быстрый прогресс в точности наблюдений положений небесных тел
требует постоянного усовершенствования динамических моделей их движения,
включения все более тонких эффектов, влияющих на их движение, уточнения
многих параметров, входящих в теорию их движения. Наиболее
показательным с этой точки зрения является построение численных теорий больших
планет и Луны. При построении теории движения этих тел требуется уточнение
около 300 различных параметров, учет множества тонких эффектов, таких как
сжатие Солнца или учет гравитационного влияния большого числа астероидов
[1]. Для усовершенствования моделей движения приходится решать вопрос
о необходимости включения или не включения новых дополнительных
возмущений, делать оценку параметров, определяющих эти возмущения. Кроме
того, появление новых наблюдений требует перевычисления теорий движения
изучаемых тел для получения новых более точных теорий. Традиционно эти
задачи решаются построением новых численных теорий движения. Однако
большие затраты машинного времени при построении новых теорий,
трудности с оценкой статистической значимости получаемых результатов ввиду
© Ю. С. Бондаренко, Ю. Д. Медведев, П. П. Ясько, 2012
172
плохой обусловленности при улучшении большого числа параметров требуют
предварительного анализа этих вопросов.
В данной статье предлагается один из путей, позволяющий оперативно
и с небольшими затратами машинного времени произвести предварительный
анализ этих вопросов. В основе предлагаемой методики лежит метод
дифференциальных возмущений, в котором орбита тела представляется в виде
суммы двух слагаемых: промежуточной орбиты и отклонений от промежуточной
орбиты. Обычно в качестве промежуточной орбиты используются
невозмущенные кеплеровские орбиты или орбиты, позволяющие частично учитывать
возмущения [2]. В настоящей работе в качестве промежуточной орбиты
предлагается использовать орбиту, которая воспроизводится уже существующей
численной теорией, для которой, собственно, и решаются вопросы
необходимости включения новых дополнительных возмущений или ее уточнения по
новым наблюдениям.
Оценка возмущения от немассивных астероидов на движение Марса
Рассмотрим задачу оценки небольшого по размеру возмущения на
движение Марса. Перед тем как излагать результаты решения поставленной задачи
рассмотрим основные положения предлагаемой методики. Пусть у нас
имеется численная эфемерида некоторого небесного тела (в данном случае Марса):
моменты времени tx и соответствующие им вектор координат j\(ti) и скоростей
?(//). Имеется соответствующая динамическая модель, которая позволяет
воспроизводить орбиту этого тела интегрированием соответствующих уравнений
движения: _ _
F = £F0(^r,r) + e-£F^,r, г), (1)
с начальными значениями:
r(t0)=ro; P(t0) = r. (2)
Слагаемые правой части системы (1) помимо вектора состояния тела
зависят от целого ряда констант и координат других возмущающих тел, которые для
упрощения изложения мы здесь опустили. В системе дифференциальных
уравнений (1) выделены две группы возмущений, различные по абсолютному
значению. Это разделение подчеркнуто выносом за знак второй суммы возмущений
малого параметра е в качестве сомножителя.
Рассмотрим влияние некоторого малого возмущения на движение
рассматриваемого тела. В этом случае положения и скорости будут отличаться от эфе-
меридного. Обозначим их через г1и?1 соответственно. Тогда уравнения
движение представляется в виде следующей системы дифференциальных уравнений:
^ = ZW>>b>i)+ е- Y,FU Я >0 + ^a(t9rl9i\)9 (3)
с начальными условиями
rM = r0; r{(t0) = r0. (4)
173
Здесь е • 5(/, гх, гх) - дополнительное ускорение, которое так же, как и
вторая группа возмущений, предполагается малым. Далее возможны два пути:
1) интегрировать систему дифференциальных уравнений (3) и сравнивать
получаемые значения с эфемеридой и 2) составить систему дифференциальных
уравнений для отклонений от эфемеридных положений, вызываемых
дополнительным возмущением е • 5(/, г,, г, )• Уравнения для отклонений будут
значительно проще системы (3), если воспользоваться свойством, что возмущения
разделены на две группы, и предположением, что отклонения из-за
дополнительного возмущения малы. Выведем эти уравнения.
Пусть
Аг = г, —г; Аг = г, —г,
тогда дифференциальные уравнения для отклонений будут иметь вид
F0(t,r + Ar,r+Ar)-F0\t,r,r
t,r + Ar,r+Ar
FA t,r,r
+ ea t,r + Ar,r+Ar
* (5)
-z
F0(f,r+Ar,r+Ar)-F0 t,r,r
J
+ e-3 t,r + Ar,r + Ar
Преобразовывая выражение (5), мы разложили функцию
Л
FJ f,r + Ar,r+Ar
в ряд Тейлора и пренебрегли слагаемыми, пропорциональными 8 • Аг, как
величинами 2-го порядка малости. Окончательно мы будем иметь систему
дифференциальных уравнений вида
Дг = Х
F0(t,r + Ar,r+Ar)-F0 \t,r,r
+ £-a t,r + Ar,r+Ar
(6)
с начальными данными:
А? = б;А? = б. (7)
Здесь следует отметить, что в правой части векторного
дифференциального уравнения (6) отсутствует вторая, как правило, многочисленная группа
небольших возмущений. Поэтому система (6) значительно проще (в ней меньше
слагаемых), чем система (3).
В качестве эфемеридных положений возьмем положения Марса из
эфемериды ЕРМ 2008 [3]. В этой эфемериде возмущения от немассивных астероидов
в движении Марса аппроксимировались гауссовым кольцом с массой, равной
174
1.3-1010 MSun. Оценим значение этого малого возмущения в случае, если масса
кольца больше и составляет 1.5-1010 MSun. Поскольку возмущение небольшое,
в системе дифференциальных уравнений для отклонений достаточно оставить
дифференциальные возмущения только от Солнца и Юпитера. Для
исключения потери точности при вычитании близких величин правые части
векторного уравнения (7) подвергнем преобразованию по методу Энке [4]. Поскольку
правые части дифференциального уравнения получаются простыми, то для их
интегрирования можно использовать метод невысокого порядка, например,
метод Рунге-Кутта 4-го порядка. Для повышения точности вычисления
производились с ее учетверением (до 32 знаков). Возмущение от кольца
аппроксимировалось возмущениями 100 тяготеющих масс, суммарная масса которых равна
1.5-1010 MSun, равномерно распределенных вдоль кольца, находящегося в
экваториальной плоскости на расстоянии 2.5 а. е. от Солнца. Результаты расчетов
приведены на рис. 1. По оси ординат приводятся отклонения положений Марса от
эфемеридного, полученного по эфемериде ЕРМ 2008, на 5-летнем интервале при
предположении, что масса гауссова кольца больше, чем это принято в ЕРМ 2008.
Аг, м
40 —,
зо Н
20 Н
юН
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Рис. 1. Возмущения от немассивных астероидов в движении Марса на
5-летнем интервале
Вычисления показывают, что изменения массы кольца немассивных
астероидов примерно на 15 % приводят к изменению в положении Марса на 40 м,
т. е. достаточно значимой величине по сравнению с точностями современных
наблюдений положений Марса.
Возмущения от немассивных астероидов в поясе Койпера
на движение Нептуна
Мы оценили возмущения немассивных астероидов в поясе Койпера
на движение Нептуна. Эфемеридные положения Нептуна брались из аме-
175
риканской эфемериды DE405. Возмущение немассивных астероидов в
поясе Койпера аппроксимировались кольцом, находящимся в
экваториальной плоскости на расстоянии 43 а. е. и имеющим массу 528* 1010 MSun. Масса
и радиус кольца были взяты из [1]. Результаты численного
эксперимента, как и в случае Марса, приведены на рис. 2. Здесь по оси ординат
приводятся отклонения положений Нептуна от эфемеридного, полученного по
Аг, км
3000 -л
2000 Н
1000 -\
2000 2040 2080 2120 2160
Рис. 2. Возмущения от немассивных астероидов в движении Нептуна
на 120-летнем интервале
DE 403, на 120-летнем интервале, при предположении, что движение Нептуна
возмущается немассивными астероидами пояса Койпера.
Численные эксперименты показывают достаточно значительные
отклонения в положении Нептуна, что указывает на необходимость их учета при
построении высокоточных численных теорий.
Уточнение эфемериды небесного тела
Рассмотрена задача уточнения имеющейся эфемериды небесного тела
с использованием его новых наблюдений. Принцип уточнения этой эфемериды
схематически изображен на рис. 3. Предполагается, что имеются эфемерида
некоторого небесного тела (пунктирная линия рис. 3) и ряд наблюдений,
который воспроизводит истинную траекторию (непрерывная линия), т. е. считаем,
что ошибки наблюдений меньше ошибок эфемириды. По наблюдениям
определяем поправки к вектору состояния тела Аг; Аг, которые позволяют на
некотором интервале получить более точные положения (уточненные положения
- нижняя пунктирная линия).
Уточнялись положения Луны из эфемериды DE403 [5]. Интегрировалось
векторное дифференциальное уравнение (6), в котором было исключено
слагаемое, описывающее дополнительное ускорение e-a(t9r]9rx). В правых ча-
176
стях этого уравнения движения учитывались только дифференциальные
возмущения от Солнца и Земли как от материальных точек. В качестве данных
наблюдений использовались 30 положений Луны DE423 [6] с однодневным
шагом в интервале 1-30 января 2012 г. Правые части условных уравнений
были представлены разностями между положениями Луны по DE 423 и по
Рис. 3. Уточнение эфемеридных положений по новым наблюдениям
DE403, дополненными отклонениями, которые получались численным
интегрированием уравнений для отклонений. Были составлены дифференциальные
уравнения в вариациях для получения коэффициентов условных уравнений, по
которым методом наименьших квадратов были получены поправки к
координатам и скоростям на эпоху 1 января 2012 г. На интервале в 60 сут было
произведено сравнение положений Луны по DE423 и DE403, уточненных
найденными поправками Дг. На рис. 4 приведены результаты полученных вычислений.
ю
;:ЛЛЛУ
я /
8
0 10 20 30 40 50 60
сут
Рис. 4. Сравнение улучшенных и неулучшенных положений Луны
177
По оси ординат отложено расстояние между положениями Луны.
Непрерывной линией показано расстояние между положениями Луны,
полученными по эфереидам DE403 и DE423, но без внесения поправок, а
пунктирной - расстояние между этими положениями, исправленными в соответствии
с нашими вычислениями. По их результатам поправки позволяют
существенно повысить точность положения Луны по DE403 на 30-дневном интервале
наблюдений. Кроме того, полученные поправки позволяют вполне
удовлетворительно делать прогноз положений Луны (в нашем примере) на один месяц.
Заключение
Предлагаемый способ представления движения небесных тел в виде
суммы эфемеридного положения и дифференциальных отклонений позволяет
решать целый ряд задач:
- оценивать дополнительные возмущения;
- оценивать величины отдельных констант в динамических моделях этих тел;
- оперативно уточнять эфемериды небесных тел.
Главное достоинство предлагаемой методики - это возможность
оперативно решать целый ряд задач эфемеридной астрономии. Кроме того, увеличение
числа учитываемых дифференциальных возмущений, уточнение параметров,
в них входящих, и использование всех имеющихся наблюдений позволяют
строить полноценные новые теории, при этом, поскольку в правых частях
фигурируют дифференциальные разности возмущений, которые заведомо меньше
их полных аналогов, точность численного интегрирования таких уравнений
ожидаемо будет выше. Однако последнее утверждение требует
дополнительных исследований.
Литература
1. Питьева Е. В. Фундаментальные национальные эфемериды планет и
Луны - ЕРМ и их параметры, определенные из наблюдений // Труды ИПА РАН.
-СПб., 2010.-Вып. 21.-С. 184-190.
2. Батраков Ю. В. Соприкасающиеся орбиты и уравнения движения в
соприкасающихся элементах // Материалы конф. «Астрометрия, геодинамика
и небесная механика на пороге XXI века». - СПб., 2000. - С. 257-258.
3. Питьева Е. В. Высокоточные планетные эфемериды ИПА РАН -
ЕРМ2008 и их ориентация в системе ICRF // Труды ИПА РАН. - СПб., 2009.
-Вып. 20.-С. 463-466.
4. Дубяго А. Д. Определение орбит. - М.: Гостехиздат. - 1949. - 444 с.
5. Standish Е. М, NewhallX. X, Williams J. G. Folkner W. F. JPL Planetary-
and Lunar Ephemerides, DE403/LE403 // 1995. JPL IOM 314. - P. 10-127.
6. Pitjeva E. V., Standish E. M. Proposals for the masses of the three largest
asteroids, the Moon - Earth mass ratio and the Asronomical Unit // Celest. Mech.
Dynam. Astr. - 2009. - Vol. 103, Issue 4. - P. 365-372.
178
The Method of Differential Perturbations
for Solving Ephemeris Problems
Yu. S. Bondarenko, Yu. D. Medvedev, P. P. Yas'ko
The method of differential perturbations is proposed to solve the problems of
ephemeris astronomy. In this method the intermediate orbit is determined by the
existing numerical theory and the perturbations are calculated with respect to this
intermediate orbit. Using the proposed method the perturbations of nonmassive asteroids
in the motion of Mars and Neptune are estimated. Also, the problem of corrections
for the existing ephemerides is considered taking into account new observations.
179
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Высокоточное определение и прогнозирование
параметров движения космического аппарата «Глонасс»
в контуре управления
В. Ф. Брагинец, А. Н. Жуков, В. В. Пасынков, Е. В. Титов
4 ЦНИИ Минобороны России, г. Юбилейный, Московская обл., Россия
Представлено современное состояние системы ГЛОНАСС и ее
основных структурных элементов - орбитального сегмента и наземного
комплекса управления. Представлены общие характеристики баллисти-
ко-эфемеридного обеспечения ГЛОНАСС в их исторической
ретроспективе и раскрыты дальнейшие направления его развития в интересах
обеспечения требуемой точности навигации потребителей. Приведены
основные методические аспекты технологий баллистико-эфемеридного
обеспечения, базирующихся на обработке кодовых и фазовых
беззапросных измерений псевдодальности.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, балистико-эфемеридное обеспечение,
навигационный космический аппарат, наземный комплекс управления.
Введение
Проблема обеспечения требуемой точности определения и
прогнозирования параметров движения космических объектов исторически носит
определяющую роль в космических исследованиях. В экспериментальной космической
баллистике данному классу задач придается особое значение.
Для ГЛОНАСС проблема высокоточного определения и прогнозирования
параметров движения навигационных космических аппаратов имеет
первостепенное значение. Во-первых, возможности навигации потребителей напрямую
зависят от погрешностей космического сегмента - эфемерид космических
аппаратов (КА) и частотно-временных поправок к их бортовым шкалам времени,
во-вторых, применяемые на практике методы решения задач
частотно-временного обеспечения по беззапросным измерениям непосредственно базируются
на использовании высокоточных эфемерид КА. Решающую роль играют
методы, методики, модели и технологии геодинамического и геодезического
обеспечения ГЛОНАСС. Таким образом, проблема высокоточного эфемеридного
обеспечения ГЛОНАСС имеет комплексный характер.
© В. Ф. Брагинец, А. Н. Жуков, В. В. Пасынков, Е. В. Титов, 2012
180
Орбитальный сегмент ГЛОНАСС
Полностью развернутый орбитальный сегмент КА ГЛОНАСС состоит из
24 навигационных КА, структура которого представлена в [1]. Существующая
конфигурация навигационных КА позволяет обеспечить непрерывное и
глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства
навигационным полем [1].
Достоинства принятого орбитального построения состоят в следующем:
- удобство формирования и поддержания орбитальной структуры;
- обеспечение эквивалентного уровня возмущений, обусловленных
действием гравитационного поля Земли, как наиболее значимого для движения
КА - одинакового для всех КА орбитальной группировки;
- уход от гравитационного резонанса, который обеспечивает более
благоприятные условия эфемеридного обеспечения при региональных схемах
наземного комплекса управления (НКУ).
Система ГЛОНАСС была полностью развернута запуском блока № 27
14 декабря 1995 г. с орбитальным резервом в составе одного навигационного
КА, что позволило до 18 мая 1996 г. поддерживать необходимый уровень
глобальности системы. После утраты в 1997 г. семи навигационных КА
орбитальная группировка стала деградировать и к запуску в 1998 г. блока № 28 в
системе насчитывалось только 14 навигационных КА. С утратой в 1999 г. еще семи
навигационных КА и еще одного - в 2000 г. орбитальный сегмент сократился
до шести навигационных КА.
С принятием федеральной целевой программы (ФЦП) «ГЛОНАСС»
в 2001 г. началось восполнение орбитальной группировки системы как за счет
штатных навигационных КА первого поколения с 3-летним сроком
активного существования, так и навигационного КА нового поколения «Глонасс-М»
с 7-летним таким сроком.
К началу 2011 г. орбитальная группировка ГЛОНАСС частично
восстановлена до 23 навигационных КА. В ноябре 2011 г. запуском блока № 44
планировалось полное восстановление системы с созданием необходимого
орбитального резерва запуском единичных навигационных КА в составе блоков
№ 45с и 46с, а также выводом в орбитальный резерв аппаратов,
функционирующих на орбите более половины срока активного существования.
Наземный контур управления ГЛОНАСС
Наземный контур управления состоит [1] из Центра управления системой
(ЦУС) ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля,
рассредоточенных по всей территории Российской Федерации.
В задачи наземного контура управления входит контроль правильности
функционирования навигационных КА, непрерывное уточнение параметров
орбит и выдача на навигационный КА временных программ, команд
управления и навигационной информации.
181
В интересах баллистико-эфемеридного обеспечения (БЭО) системы
ГЛОНАСС наземный контур управления проводит измерения текущих
навигационных параметров (ИТНП) навигационных КА в запросном и беззапросном
режимах.
К моменту написаная данного доклада в наземном сегменте системы
ГЛОНАСС насчитывается примерно паритетное число запросных
(радиотехнических и квантово-оптических) и беззапросных измерительных средств.
Перспективы развития наземного контура управления заключаются в
существенном увеличении числа беззапросных измерительных станций (БИС)
с возможностью развития сети БИС до глобальной и обеспечения реализации
перспективных технологий БЭО по кодовым и фазовым измерениям
псевдодальности до навигационного КА.
Технологии баллистико-эфемеридного обеспечения ГЛОНАСС
Особенность наземного контура управления, заключающаяся в
одновременном использовании запросных и беззапросных средств измерений,
предопределила специфические особенности реализации технологий БЭО
ГЛОНАСС.
На первом этапе развития системы базовой и безальтернативной
технологией баллистико-эфемеридного обеспечения ГЛОНАСС была запросная
технология, предусматривающая определение орбит навигационных КА по
запросным измерениям дальности. Верификация орбит осуществлялась с
использованием лазерных измерений дальности квантово-оптических систем
(КОС).
По мере развития НКУ совершенствовались беззапросные средства
измерений, осуществляющие измерения псевдодальности - величины,
отличающейся от геометрической дальности на неизвестное составляющее число,
обусловленное несинхронностью бортовых шкал времени навигационного КА
и наземных шкал времени измерительных пунктов. Как следствие, бурное
развитие получили беззапросные технологии баллистико-эфемеридного
обеспечения ГЛОНАСС, предусматривающие определение орбит навигационных КА
по беззапросным измерениям псевдодальности.
Смешанные запросно-беззапросные технологии в практике баллистико-
эфемеридного обеспечения ГЛОНАСС не применяются.
Технология баллистико-эфемеридного обеспечения, основанная на
обработке запросных ИТНП. Разработанная для навигационного КА«Глонасс»
первого поколения технология БЭО включала:
- проведение сеансов запросных ИТНП на 8-суточном интервале с
замыканием 17 витков;
- математическую интерпретацию запросных измерений;
- определение эфемерид по каждому КА один раз в сутки с уточнением
коэффициента светового давления, эмпирического трансверсального
ускорения (используемого на интервале аппроксимации) и систематической погреш-
182
ности измерений запросной дальности для каждого измерительного пункта
в Бесселевой фундаментальной системе координат и системе отсчёта атомного
времени;
- прогнозирование эфемерид на 30 ч и 10 (30) сут для обеспечения
автономности функционирования навигационного КА без использования
эмпирического трансверсального ускорения.
К факторам, влияющим на точность расчёта эфемерид НКА (в порядке их
важности) относятся:
- число сеансов ИТНП по каждому навигационному КА;
- точность запросных ИТНП (СКО измерений дальности,
систематическая погрешность и их межсеансные вариации на интервале определения
параметров орбиты, обусловленные нестабильностью параметров запросного
измерительного средства и параметров бортовой ответной аппаратуры);
- характеристики геодинамического обеспечения;
- характеристики геодезического обеспечения средств измерений по
привязке координат к центру масс Земли и относительной привязке в статическом
исполнении (без учета тектоники);
- состояние и характеристики погрешности ионосферных каналов
станций, включая межлитерную аппаратурную задержку;
- состояние и характеристики погрешности данных метеостанций;
- условия и неопределенность ориентации навигационного КА при
прохождении теневых участков орбит, а также работы системы ориентации и
стабилизации и системы терморегулирования (СТР);
- число закладок форм специальной информации с эфемеридной
информацией на борт навигационного КА.
Точность БЭО ГЛОНАСС по запросным ИТНП, достигнутая на этапе
ввода в штатную эксплуатацию системы в 1993 г., характеризовалась следующими
показателями погрешности прогнозирования эфемерид на 30 ч (СКП):
- вдоль орбиты - 17.0 м;
- по бинормали - 10.0 м;
- по радиус-вектору - 1.7-3.3 м.
В результате проведенного с использованием высокоточных лазерных
измерений дальности КОС факторного анализа точности оперативных эфемерид
было установлено следующее:
- вклад немоделируемых ускорений от сил радиационного давления в
погрешности эфемерид не превышает 10 %;
- за счет реализации в системе ориентации и стабилизации
навигационного КА алгоритма программного прохождения «теневых» участков орбит и
соответствующего адекватного моделирования ориентации навигационного КА
при обработке ИТНП достигнуто существенное снижение уровня
немоделируемых ускорений (НМУ) по сравнению с навигационным КА, ориентация
которого на «теневых» участках не детерминирована;
183
- основная составляющая погрешности эфемерид, обусловленная
качеством реализуемого плана запросных ИТНП (в проекциях на радиус-вектор
и трансверсаль к орбите) оценивается уровнем 80-90 % при штатном
количестве сеансов и возрастает до 95-98 % при снижении количества запросных
сеансов на 8 суточных интервалах до половины от необходимого количества;
- основными факторами, определяющими качество запросных ИТНП,
являются наличие скачков аппаратурной погрешности (до 10-15 м), низкая
точность учета влияния среды распространения радиосигнала, а также
несвоевременный либо неадекватный учет задержек сигнала в бортовом ответчике;
- вклад за счет погрешности учета неравномерности вращения Земли
в бинормальную составляющую погрешности эфемерид от 60 % при
еженедельном обновлении параметров вращения Земли (ПВЗ) до 80 % при
«возрасте» ПВЗ до 12-15 сут.
Результаты проведенного специалистами 4 ЦНИИ анализа были
положены в основу работ по дальнейшему совершенствованию БЭО по запросным
измерениям, к основным направлениям которого можно отнести следующие:
- разработку и реализацию в БЭО методик экспериментального
определения и использования геодезических данных расширенного состава;
- совершенствование технологий планирования ИТНП с обеспечением
требуемого числа запросных сеансов измерений от пространственно
разнесенных измерительных станций;
- принятие мер по адекватному учету влияния условий распространения
радиосигнала в ионосфере и тропосфере Земли;
- реализацию комплекса мер по учету в БЭО бортовых задержек в
запросном канале наземной станции с учетом фактической комплектации бортовой
аппаратуры;
- снижение погрешности учета неравномерности вращения Земли за счет
ежесуточного обновления данных о ПВЗ службой Государсвтенной системы
единого времени и эталонных частот (ГСЕВЭЧ) «Цель»;
- обеспечение задержки не более 1 сут в передаче в ЦУС-У данных
о ПВЗ при ежедневной технологии их обновления службой ГСЕВЭЧ «Цель».
Предпринятые усилия к началу летных испытаний модернизированной
системы ГЛОНАСС в 2003 г. позволили достичь следующих показателей
точности прогнозирования эфемерид на 30 ч (СКП):
- вдоль орбиты - 7-8 м;
- по бинормали - 3-4 м;
- по радиус-вектору - 1.2-1.4 м.
При этом указанные точности обеспечивались как на бестеневых, так и на
участках орбиты, находящихся в тени, уровень НМУ был снижен на 20-30 %,
а вклад геодезического обеспечения за счет проведенных мероприятий был
доведен до уровня не более 5 % совокупной погрешности эфемерид.
184
Технология баллистико-эфемеридного обеспечения, основанная на
обработке беззапросных ИТНП. Несмотря на значительные усилия,
предпринятые для достижения требуемых характеристик
баллистико-эфемеридного обеспечения ГЛОНАСС, к концу 2004 г. возможности по дальнейшему
повышению точности определения и прогнозирования эфемерид
навигационных КА были практически исчерпаны. Для применения запросных
разновидностей методов решения задач определения эфемерид КА был достигнут
технологический предел, а применение методов на основе беззапросных
измерений сдерживалось недостаточным развитием наземного контура управления
ГЛОНАСС. Сдерживающим фактором выступала также зависимость
технологий решения задач геодинамического обеспечения КА ГЛОНАСС от
зарубежных источников получения геодинамических данных и значительные
задержки, возникающие при их получении в ЦУС.
Дальнейшие пути развития баллистико-эфемеридного обеспечения
напрямую зависели от числа беззапросных измерительных средств, вводимых
в наземный контур управления, и их точностных характеристик.
Разработка и отработка перспективных технологий
баллистико-эфемеридного обеспечения по беззапросным ИТНП проводилась специалистами
4 ЦНИИ по измерениям БИС сети Госстандарта. Были получены
экспериментальные оценки точности определения и прогнозирования эфемерид на 30 ч,
характеризующиеся следующими показателями (СКП):
в однопунктном варианте:
- вдоль орбиты - 10-15 м;
- по бинормали - 5-7 м;
- по радиус-вектору - 1.0-1.3 м;
по измерениям сети БИС:
- вдоль орбиты - 4-5 м;
- по бинормали - 3-4 м;
- по радиус-вектору 0.7-1.0 м.
В процессе экспериментальной отработки достигнуто следующее:
- установлено преимущественное влияние на погрешности эфемерид
точности беззапросных ИТНП, нестабильности бортового
синхронизирующего устройства (БСУ) и качества геодинамического обеспечения;
- на средствах ЦУС установлено специальное программное обеспечение
решения всего комплекса задач БЭО по беззапросным кодовым ИТНП;
- получены предварительные оценки нестабильности БСУ всех
навигационных КА орбитальной группировки, подтверждающие достижение
требований тактико-технического задания;
- подтверждена принципиальная возможность достижения заданных
технических характеристик баллистико-эфемеридного обеспечения ГЛОНАСС
с использованием кодовых измерений сети беззапросных станций НКУ.
Полученные результаты позволили с развитием наземного контура
ГЛОНАСС и появлением необходимого состава беззапросных средств измере-
185
ний практически полностью отказаться от затратной технологии баллистико-
эфемеридного обеспечения по запросным ИТНП с переходом к беззапросной
технологии БЭО в качестве основного варианта расчета эфемерид
навигационного КА.
Завершившиеся в 2009 г. испытания модернизированной системы
«ГЛОНАСС» в целом подтвердили достаточность программных мероприятий
ФЦП и точностные характеристики баллистико-эфемеридного обеспечения,
полученные на предварительных этапах. Выявлен ряд факторов, снижающих
характеристики эфемеридного обеспечения, но не принципиального характера.
Вместе с тем установлен и экспериментально подтвержден вклад
ПЗ-90.02 в погрешность расчета эфемерид навигационных КА, обусловленный
смещением координат относительно центра масс Земли, который на текущем
этапе оценивается в 30-50 % и является сдерживающим для дальнейшего
совершенствования эфемеридного обеспечения, в то время как другие
недостатки могут быть устранены по мере развития НКУ и бортовых систем КА.
Основные направления дальнейшего развития БЭО ГЛОНАСС
Основные результаты поэтапного поступательного развития качества
предоставляемых навигационных услуг, включая точность определения
координат потребителя, получены при выполнении ФЦП «Глобальная навигационная
система» в 2002-2011 гг. [2]. Достигнут метровый уровень точности
определения и прогнозирования эфемерид КА ГЛОНАСС, практически не уступающий
уровню точности эфемерид КА GPS.
Вместе с тем развитие ГЛОНАСС не является упреждающим. В
настоящее время потребителями навигационных систем предъявляются весьма
амбициозные требования - решение задач определения собственного
местоположения с точностью на дециметровом уровне, в реальном масштабе
времени и абсолютном режиме навигации. С использованием существующих
и применяемых в настоящее время в контуре управления ГЛОНАСС методов,
технологий и средств эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС
достичь заданных требований потребителей не представляется возможным.
Перспектива эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС состоит в
достижении дециметровой точности расчета координат потребителя к 2015-2017 гг.
Основные программные мероприятия, позволяющие достичь заявленных
точностей, заложены в проект ФЦП «ГЛОНАСС» на 2012-2020 гг. [2].
Планируемый уровень точности должен быть обеспечен, следующим:
- развитием структуры сети беззапросных измерительных средств НКУ
ГЛОНАСС до глобальной;
- использованием трех и более частот потребителями ГНС ГЛОНАСС,
включая сигналы с кодовым разделением, и обеспечение возможности
компенсации ошибок распространения радиоволн в тропосфере при использовании
фазовых измерений на разностной (-ых) частоте (-ах);
186
- переходом к технологиям БЭО с использованием кодовых и фазовых
беззапросных измерений;
- разработкой методов и моделей обработки кодовых и фазовых ИТНП
и навигационных функций на их основе, обеспечивающих поиск и
восстановление пропуска циклов неоднозначности фазы несущей с одновременным
парированием ограничений (недостатков) ГЛОНАСС (прежде всего частотного
разделения и присущую при этом межлитерную зависимость, а также
недостаточно высокие технические характеристики БСУ) в различных вариантах:
а) формированием разностных моделей навигационных функций кодовых
и фазовых ИТНП ГЛОНАСС; б) формированием моделей линейных
комбинаций кодовых и фазовых ИТНП ГЛОНАСС; в) реализацией методик
восстановления пропуска циклов фазовых измерений; г) выбором вида навигационной
функции;
- экспериментальной отработкой вариантов реализации метода
совместного оценивания эфемерид и геодинамических параметров по кодовым и
фазовым ИТНП совместно с РСДБ-измерениями в зависимости от состава и
характеристик бортового комплекса управления и НКУ с оценкой их эффективности;
- прогрессом в суточной нестабильности БСУ до 5-10-15;
- увеличением частоты закладки эфемеридной информации до 12-24 раз
в сутки с использованием аппаратуры формирования межспутниковых
связных и навигационных каналов;
- распространением геодинамических данных высокой точности,
включая передачу в навигационном сообщении необходимых данных для решения
задачи потребителем в инерциальной системе координат.
Литература
1. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.
Интерфейсный контрольный документ. Навигационный радиосигнал
в диапазонах LI, L2 (редакция 5.1). - М.: РНИИ КП, 2008.
2. Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система»
на период 2002-2011 гг. (утверждена постановлением Правительства РФ
от 20.08.2001 № 587, с изменениями постановлением Правительства РФ от
12.09.2008 №680).-2008.
3. Концепция Федеральной целевой программы «Поддержание, развитие
и использование системы ГЛОНАСС» на 2012-2020 годы. - 2011.
187
High-precision Determination and Prediction of GLONASS
Movement in the Control Loop
V. F. Braginets, V, V, Pasynkov, E. V, Titov, A, N. Zhukov
The current state-of-art of the GLONASS system and its main structural
elements: the orbital segment and the ground control complex are presented. General
characteristics of ballistics-ephemeris support of GLONASS in their historical
perspective future directions of development in order to ensure the required precision
of navigation are presents. It gives the main methodological aspects of technique
of ballistic-ephemeris support which is based on the processing of code and phase
pseudo ranging measurements.
188
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Предварительные результаты мониторинга
навигационных систем с использованием системы
контроля целевых характеристик ГНС ГЛОНАСС
А, П. Жуков1, С, ML Зотов1, В, В, Пасынков1,
А, Ю. Суслов2, А, А, Федотов2, В, Д. Шаргородский2
Ч ЦНИИ Минобороны России, г. Юбилейный, Московская обл., Россия
2ОАО «НПК «Системы прецизионного приборостроения», г. Москва, Россия
Представлены возможности оценки и контроля выполнения
тактико-технических требований к глобальной навигационной системе (ГНС)
ГЛОНАСС с использованием системы контроля целевых характеристик
ГНС ГЛОНАСС, созданной в рамках федеральной целевой программы
«Глобальная навигационная спутниковая система». Приведены
технология оценивания контролируемых характеристик и предварительные
результаты контроля выполнения тактико-технических требований к ГНС
ГЛОНАСС с использованием системы контроля целевых характеристик.
Ключевые слова: тактико-технические, требования, ГЛОНАСС,
система контроля целевых характеристик.
Введение
Эффективное решение задач координатно-временного обеспечения
(КВНО) потребителей Минобороны России, специальных государственных
потребителей и потребителей в социально-экономической и научной сфере
может быть обеспечено только при выполнении тактико-технических требований
(ТТТ) к ГНС ГЛОНАСС. ТТТ предъявлены к совокупности целевых
характеристик ГНС ГЛОНАСС [1] и ее составных частей, в том числе к целостности
и доступности системы, потенциальной точности навигации потребителей,
энергетическим характеристикам навигационных сигналов, точностным
характеристикам (ТХ) комплекса функциональных дополнений, системы
высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП) ГЛОНАСС,
данные которой в настоящее время обладают наивысшей точностью.
Чтобы обеспечить контроль целевых характеристик ГНС ГЛОНАСС
в рамках выполнения ОКР «Рубеж» [2] по федеральной целевой программе
О А. Н. Жуков, С. М. Зотов, В. В. Пасынков, А. Ю. Суслов, А. А. Федотов,
В. Д. Шаргородский, 2012
189
«Глобальная навигационная спутниковая система» [3], созданы как
инструментальные средства нового поколения с прецизионными ТХ, так и система
информационного и методического обеспечения выполнения контрольных функций.
Таким образом, сформирована интегрированная система контроля целевых
характеристик (СКЦХ) ГНС ГЛОНАСС, ее составных частей, оперативного
доведения результатов анализа выполнения ТТТ до заказчиков ГНС ГЛОНАСС.
Назначение и решаемые задачи системы контроля целевых характеристик
СКЦХ решает следующие задачи:
- сбор исходной информации для анализа состояния ГНС ГЛОНАСС и ее
составных частей;
- оценка и контроль характеристик в соответствии с ТТТ к ГНС ГЛОНАСС;
- контроль энергетических характеристик навигационных сигналов,
излучаемых космическим аппаратом (КА);
- анализ выполнения ТТТ к ГНС ГЛОНАСС;
- передача и отображение на средствах Космических войск РФ и Роскосмоса
результатов контроля и анализа характеристик, заданных ТТТ к ГНС ГЛОНАСС.
- СКЦХ контролирует характеристики ГНС ГЛОНАСС, которые
определяют следующее:
- качество навигационного поля для абсолютного режима навигации;
- комплекс функциональных дополнений глобальных навигационных
спутниковых систем;
- СВОЭВП;
- средства фундаментального обеспечения ГНС ГЛОНАСС;
- энергетические характеристики навигационных сигналов, излучаемых
КА, параметры электромагнитной совместимости технических средств ГНС
ГЛОНАСС.
Технология оценивания и контроля характеристик ГНС ГЛОНАСС
Отличительной особенностью СКЦХ является наличие в составе
технических средств беззапросной квантово-оптической системы (КОС), в
настоящее время обладающей наивысшими ТХ среди космических измерительных
систем.
В качестве первичного эталона для оценки ТХ эфемеридно-временной
информации (ЭВИ) ГНС ГЛОНАСС используются измерения лазерной
запросной и беззапросной дальности КОС и беззапросной КОС.
Для оценки эфемеридной информации ГНС ГЛОНАСС используются
запросные измерения дальности, для оценки точностных характеристик
частотно-временной информации - беззапросные измерения дальности
беззапросной КОС. Погрешности измерений (по уровню вероятности 0.95) запросной
и беззапросной дальности до КА («нормальных» точек в 30-секундном
интервале осреднения) не превышают ±0.015 м, что позволяет использовать измерения
190
Технологоческие циклы
СВОЭВП
р
Данные СВОЭВП
ЭВИ
V
Оценка ТХ
вторичного эталона
t
Первичный эталон
(измерения КОС
и беззапросной КОС)
Подтверждение
Оценка и контроль
целевых характеристик
ГНС ГЛОНАСС
(информация навигационных
кадров, система
дифференциальной
коррекции
и мониторинга и др.)
Технология оценивания и контроля характеристик ГНС ГЛОНАСС
дальности КОС и беззапросной КОС в качестве эталона даже для оценки ЭВИ
СВОЭВП, обладающей прецизионной точностью.
Вместе с тем возможности использования КОС и беззапросной КОС в
качестве эталона ограничиваются зависимостью проведения измерений от
погодных условий, времени суток и других ограничений. Поэтому используется
вторичный (рабочий) эталон при оценке точности целевых характеристик ГНС
ГЛОНАСС.
Так как ТХ данных СВОЭВП являются строго зависимыми от точности
ЭВИ, формируемой СВОЭВП, то используется вторичный (рабочий) эталон,
формируемый с использованием данных СВОЭВП при подтверждении ТХ
вторичного эталона с использованием данных первичного эталона. При таком
методическом подходе технология оценивания и контроля характеристик ГНС
ГЛОНАСС (оперативного, предварительного, окончательного) может быть
представлена в виде упрощенной схемы (см. рисунок).
Так как прогнозные данные СВОЭВП могут не обеспечивать заданного
метрологического уровня точности для оценивания характеристик ГНС ГЛОНАСС
в режиме времени, близком к реальному, в СКЦХ методическая схема
контроля характеристик ГНС ГЛОНАСС дополнена экспресс-оцениванием
контролируемых характеристик с привлечением реальной измерительной информации.
Экспресс-контроль осуществляется с использованием поступающей
оперативной беззапросной измерительной цифровой навигационной информации.
Контролируются следующие параметры:
- наличие навигационных сигналов на частотах LI, L2, L3;
- энергетические характеристики навигационных сигналов (по
измерениям аппаратуры контроля энергетических характеристик);
- наличие и корректность цифровой информации в сигналах Ы9 L2 ВТ,
ПТ, £3(ПТ) (по данным беззапросных средств из состава наземного комплекса
управления с использованием мажоритарного выбора блоков цифровой
информации);
191
- наличие/отсутствие признака использования навигационных КА по
целевому назначению (путем анализа цифровой информации);
- эквивалентная погрешность псевдодальности в пространстве за счет
ошибок космического сегмента до навигационного КА и, следовательно,
пригодность навигацинного КА для использования по целевому назначению
(путем сравнения измеренного значения псевдодальности со значением
расчетного аналога по данным навигационного кадра);
- погрешность определения потребителем пространственных координат
за счет ошибок космического сегмента (путем решения навигационной задачи
и сравнения полученных координат с известными).
Так как в ТТТ отдельно сформированы требования к погрешностям за счет
космического сегмента, то нетривиальной задачей при проведении экспресс-
оценивания с использованием реальной измерительной информации является
разделение погрешностей измерителей, погрешности учета задержек в среде
распространения и искомых погрешностей за счет космического сегмента.
Указанную проблему усложняет использование в ГЛОНАСС
частотного разделения сигналов, а следовательно, наличие различных вариаций
систематической погрешности беззапросных измерителей, обусловленных
погрешностями литерной калибровки каналов. Даже для измерительных систем
геодезического класса разброс систематической погрешности измерения
псевдодальности достигает десятков метров.
Еще одним проблемным вопросом является наличие существенной
медленно меняющейся составляющей погрешности измерения псевдодальности
(кодовых измерений), обусловленной многолучевостью. Даже для
беззапросных средств НКУ ГЛОНАСС со специально оборудованными площадками
для установки антенн эта погрешность достигает нескольких метров.
Для максимально эффективного выделения из совокупных погрешностей
искомых погрешностей за счет космического сегмента используется
следующая методическая схема:
1) в целях борьбы с многолучевостью проводится фазовая коррекция
кодовых измерений с сохранением информационных свойств кодовых измерений
и снижением случайной и медленно меняющейся погрешности
результирующего навигационного параметра до уровня погрешностей фазовых измерений
(сантиметровый уровень);
2) на продолжительном интервале (несколько суток) решается задача
одновременного расчета калибровочных поправок на литерную зависимость
систематической погрешности для измерительного средства и интервального (по
4 ч) уточнения «влажной» составляющей задержки сигнала в тропосфере;
3) с использованием рассчитанных калибровочных поправок по кодовым
измерениям, скорректированных с использованием фазовых, для
выбранного множества беззапросных измерителей проводится оценка эквивалентной
погрешности псевдодальности в пространстве за счет ошибок космического
192
сегмента до навигационного КА и погрешности определения потребителем
пространственных координат за счет ошибок космического сегмента;
4). из использованного множества беззапросных измерителей
выбирается подмножество с достаточным числом измерений по всем излучающим НКА.
Среди этого подмножества мажоритарно выбирается измеритель с
наименьшими погрешностями искомых характеристик, которые и принимаются как
экспресс-оценки контролируемых параметров.
Таким образом, в СКЦХ реализован уникальный многоэтапный контроль
характеристик ГНС ГЛОНААСС (экспресс, оперативный, предварительный,
окончательный).
Предварительные результаты мониторинга навигационных систем
показали, что реализация разработанного методического обеспечения в СКЦХ
позволила обеспечить высокую точность каждого этапа оценивания: экспресс,
оперативный, предварительный (погрешность менее 30 %).
Результаты котроля целевых характеристик ГНС ГЛОНАСС
с использованием системы контроля целевых характеристик
С использованием СКЦХ были оперативно выявлены нарушения
целостности навигационного поля ГНС ГЛОНАСС, проведен расчёт оценок
действительных значений характеристик ГНС ГЛОНАСС, заданных ТТТ. Оценена
предельная погрешность определения потребителем пространственных
координат за счет ошибок космического сегмента, которая на интервале контроля
составила 7-9 м.
С использованием СКЦХ оперативно выявлены нарушения выполнения
требований по ТХ эфемеридно-временной информации навигационного КА
ГЛОНАСС, при этом существенное превышение на интервале контрля
выявлено по следующим навигационными КА:
- КА № 714 с 8 января 2011 г. по 27 января 2011 г.;
- КА № 733 с 8 февраля 2011 г. 16:00 по 18:00 9 февраля 2011 г.;
- КА № 719 28 марта 2011 г. с 1:00 по 12:00 28 марта 2011 г.;
- КА № 714 29 марта 2011 г.;
- КА № 725 с 3 апреля 2011 г. по 7 апреля 2011 г.;
- КА№733 с 09:30 9 мая 2011 г. по 07:00 11 мая 2011 г.
С использованием аппаратуры контроля энергетических характеристик,
входящей в состав СКЦХ, оценена мощность излучаемого
навигационного сигнала навигационного КА «Глонасс» на соответствие заявленным в [4]
требованиям на всех частотах, в том числе на частоте ЬЪ навигационного
КА «Глонасс-К». При контроле оперативно выявлено снижение уровня
мощности излучаемого навигационного сигнала некоторых навигационных КА
«Глонасс»:
- КА № 719 25, 27, 28 - 29 июля 2011 г. (уровень мощности
излучаемого навигационного сигнала на частоте Ы составил -161.5-164 дБВт);
193
- KA № 730 26-28 июля 2011 г. (уровень мощности излучаемого
навигационного сигнала на частоте L2 -163-167 дБВт);
- КА № 712 26-29 июля 2011 г. (уровень мощности излучаемого
навигационного сигнала на частоте L2 -162-164 дБВт);
- КА № 723 25-29 июля 2011 г. (уровень мощности излучаемого
навигационного сигнала на частоте L2 -163-167 дБВт);
- КА № 714 25-29 июля 2011 г. (уровень мощности излучаемого
навигационного сигнала на частоте L2 -163-167 дБВт).
Таким образом, экспериментально подтверждена возможность
выполнения СЮДХ функций контроля целевых характеристик ГНС ГЛОНАСС, в том
числе энергетических характеристик навигационных сигналов, целостности
и доступности системы, точности навигационного поля.
В перспективе планируется расширение функций СКЦХ в части
контроля целевых характеристик модернизированной ГНС ГЛОНАСС
глобально и в заданных локальных районах с учетом реальной помеховой
обстановки, контроля энергетических и спектральных характеристик существующих
и вновь вводимых навигационных сигналов, временных характеристик ГНС
ГЛОНАСС с использованием прецизионных оптических систем, оценки
конкурентоспособности ГНС ГЛОНАСС.
Литература
1. Тактико-технические требования к глобальной навигационной системе
ГЛОНАСС.-М., 2008.
2. Тактико-техническое задание на ОКР «Разработка системы контроля
целевых характеристик глобальной навигационной системы ГЛОНАСС»
(шифр «Рубеж»). - М., 2009.
3. Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная
спутниковая система»: Постановление Правительства РФ от 12 сентября 2008
г. № 680.
4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.
Интерфейсный контрольный документ (редакция 5.1). - М.: РНИИ КП, 2008.
194
Preliminary Results of Monitoring Navigation Systems
with the Use of Control Characteristics System
of GNS GLONASS
V, V, Pasynkov, A, N. Zhukov, S. 1VL Zotov, A. A. Fedotov,
V. D. Shargorodsky, A. Yu. Suslov
The estimation and control operation capability of the tactical requirements
for GLONASS is presented here. It uses the control characteristic systems and
was created within the framework of the federal program "The Global Navigation
Satellite system". The technology of evaluating the controlled characteristics and
preliminary results of the tactical requirements performance tor GLONASS with the
help of the control target characteristic system are presented as well.
195
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Результаты прогнозирования ПВЗ по 100-летним данным
в международном проекте ЕОРСРРР
В, ML Тиссен
ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский институт метрологии», г. Новосибирск, Россия
Приводится информация о проходящем в настоящее время
международном пилотном проекте ЕОРСРРР по сравнению прогнозов
параметров вращения Земли (ПВЗ), в котором СНИИМ принимает участие.
Кратко изложены сведения, взятые за основу разработанных в СНИИМ
метода и программ прогнозирования ПВЗ. Представлены
результаты прогнозов ПВЗ с октября 2010 по сентябрь 2011 г., вычисляемых
в СНИИМ в сравнении с официальными отечественными и
международными данными соответственно: ГМЦ ГСВЧ России и обсерватории
USNO (США).
Ключевые слова: прогнозирование, ПВЗ, проект.
Введение
Для многих направлений научной и практической деятельности человека
изучение вращения Земли приобретает все большее значение. Построение
адекватных математических моделей этого вращения помогают геофизикам
уточнять модели внутреннего строения Земли, а в метеорологии - строить
прогнозы климата на десятилетия вперед [1]. В задачах эфемеридной астрономии
они необходимы при разработке теоретических основ определения
координатных систем, а также при обработке результатов астрономических и
геодезических наблюдений, при составлении эфемерид для наблюдений ИСЗ как
оптическими, так и радиотехническими и лазерными средствами. В космической
геодезии прогнозы ПВЗ требуются при решении задач спутниковой
триангуляции; в орбитальных методах - при проведении разновременных
наблюдений ИСЗ с пространственно-разнесенных пунктов Земли [2]. Но наибольший
интерес краткосрочные прогнозы ПВЗ на 10-15 сут и более представляют для
целей эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) ГЛОНАСС, без повышения
качества которого невозможно достижение требований в ряде новых задач,
касающихся высокоточных координатно-временных и навигационных
определений различных объектов гражданского и военного назначения.
© В. М. Тиссен, 2012
196
О требованиях к точности прогнозов ПВЗ
В современных тактико-технических требованиях на ЭВО ГЛОНАСС
записано, что СКП прогнозов всемирного времени UT1 на 15 сут (вернее
поправки часов dUTl = UT1 - UTC, необходимой для перехода от шкалы
всемирного времени к шкале универсального координированного времени UTC),
не должна превосходить 1.5 мс, а для координат полюса хр, ур - не более 0.01 с
дуги. Приведенные значения СКП исходят из критерия ничтожности влияния
ошибок прогноза ПВЗ на результаты навигационных определений во время
автономного режима функционирования КА «Глонасс». Планируемое
повышение точности КВНО, отраженное в ФЦП развития ГЛОНАСС, невозможно
без повышения точности определений и прогнозирования ПВЗ в 1.5-2 раза.
В перспективе постоянное совершенствование методов и алгоритмов учета
поправок за задержки распространения радиосигналов в атмосфере и аппаратуре,
за влияние многопутности и более точного учета других мешающих
факторов и сил, действующих на КА, неизбежно будет приводить к
непрерывному росту требований к качеству прогнозов ПВЗ. Выполнение этих растущих
требований уже сегодня выходит за рамки возможностей отдельных методов.
Поэтому в последнее время все большее внимание уделяется так называемым
комбинированным методам, частично включающим в себя возможности всех
других методов, вследствие объединения по определенным правилам
получаемых с их помощью прогнозов.
О проекте ЕОРСРРР
В начале 2010 г. международная служба вращения Земли (МСВЗ)
объявила о проведении с сентября 2010 до второй половины 2012 г. нового
пилотного проекта по сравнению прогнозов ПВЗ (www.eopcppp@maia.usno.navy.mil).
К настоящему времени в этом проекте участвуют 8 служб и институтов из
разных стран: США, Польши, России, Франции и Китая. СНИИМ начал в нем
участвовать с 10 октября 2010 г.
Основная цель проведения данного проекта состоит в оценке
возможностей метода получения комбинированного сводного прогноза, составленного
по ансамблю прогнозов, вычисляемых в различных мировых центрах. Его
авторы и координаторы В. Luzum и W. Kosek утверждают, что такой подход
является весьма многообещающим в плане улучшения качества прогнозов ПВЗ.
Таким образом, в перспективе следует ожидать, что при составлении
официальных прогнозов ПВЗ в МСВЗ будут учитываться данные служб, показавших
лучшие результаты в проекте. Сам факт неоднократного проведения подобных
проектов и многообразие применяемых в них методов, начиная от обычного
анализа Фурье с последующей аппроксимацией методом наименьших
квадратов (МНК) наиболее значимых гармоник и кончая использованием нейронных
сетей и моделей на основе нечёткой логики, указывает на сложность и
важность проблемы прогнозирования ПВЗ. Один и тот же метод может показывать
197
хорошие и плохие результаты на разных участках прогноза, а другой прямо
противоположные этим результатам. Также в зависимости от глубины
прогноза: краткосрочного (до 10 сут), среднесрочного (до 30 сут) и долгосрочного
до года и более применяются разные методы. Например, по результатам
предыдущей аналогичной компании ЕОР РСС (http://www.cbk.waw.pl/EOP_PCC),
проводившейся с октября 2005 по март 2008 г., наилучшие результаты
краткосрочного прогноза неравномерности вращения Земли дало использование
геофизических данных: рядов атмосферного углового момента в сочетании
с фильтрацией Калмана. В то время как параметры движения полюса более
качественно предсказываются с помощью МНК экстраполяции
полигармонической модели и авторегрессионного прогнозирования.
Краткое описание подхода и методики прогнозирования ПВЗ в СНИИМ
Согласно данным, приведенным в [3], вклад в общую погрешность
прогноза всемирного времени на один год за непредсказуемые изменения тренда
составляет порядка 99 % в сравнении с вкладом, обусловленным
несовершенством моделей учета приливных и сезонных изменений в скорости вращения
Земли. Отсюда следует, что решающим фактором для повышения точности
прогнозов ПВЗ является разработка метода, максимально чувствительного
к последним изменениям тренда. Очевидно, что в таком методе необходимо
использовать достаточно длинные интервалы выборки известных данных ПВЗ.
Из всех рядов ПВЗ наиболее трудно прогнозируемым традиционно
считается параметр ЛТП, так как на его динамику сильное влияние оказывают
глобальные изменения тренда, в то время как в движении полюсов Земли
влияние тренда практически пренебрежимо мало по сравнению с периодическими
и квазипериодическими составляющими. Главными из них являются
свободное чандлеровское колебание с периодом около 1.2 года и вынужденное
годовое, возникающее вследствие орбитального вращения Земли вокруг Солнца.
Технология расчета прогнозов ПВЗ по методу, разработанному в СНИИМ,
основана на последовательном выравнивании временных рядов ПВЗ путем
исключения из них известных периодических составляющих с последующей
экстраполяцией на требуемую глубину прогноза. Это в большей степени
относится к прогнозированию всемирного времени, где особенно важно свести
к минимуму влияние трендовой составляющей. Обобщенную формулу
прогноза параметра d\JT\ можно записать в виде
dUTlni = dUTl^o - dUTl^o + dUTpati + ATPKi + AT^ + ATSZth (1)
где dUTl .- прогноз dUTl в j-й день; dUTl^^- известное значение dUTl
на опорный день; ЛТП a0 - прогноз ЛТП на опорный день с помощью
авторегрессии; ЛТП .- прогноз ЛТП на j-й день с помощью авторегрессии;
AT w, AT^.., ATei- поправки за приливы в океанах, за трендовые и сезонные
изменения на j-й день.
198
Поправки за приливные гармоники рассчитываются по методике,
принятой в [4]. Поправоки за влияние тренда учитываются с помощью
полигармонической модели, включающей в себя долгопериодические гармоники с
периодами до 70 лет. Расчет их параметров производится с помощью поэтапного
суммирования отрезков временного ряда, описанного в [5]. Для вычисления
поправок за сезонные изменения параметра dUTl также используется
полигармоническая модель в виде суммы годовой и полугодовой волн и
неограниченного числа гармоник с периодами менее года. Учет кратковременных
стохастических составляющих изменений рядов ПВЗ производится с помощью
модифицированного уравнения авторегрессии [5].
Прогнозы координат полюса выполняются по аналогичной схеме, за
исключением того, что в формуле (1) не учитывается влияние лунно-солнечных
приливов в океане вследствие их малости.
Результаты
На рис. 1-3 слева направо в графическом виде представлены
соответственно на 10 и 30 сут СКП прогнозов всемирного времени dUTl и координат
полюса хр, ур, полученные в СНИИМ в сравнении с данными IERS (USNO)
и ГМЦ ГСВЧ России за период участия СНИИМ в проекте ЕОРСРРР с 10
октября 2010 по 1 октября 2011 г.
СКП UT, мс
СКП UT, мс
Г^
•ж\
,>*''
^-*'
| -к- СНИМИ -Ш- ГСВЧ -•- USN01
ж'
у'
,м
X' я,-<^
V
у
,*
123456719 10
Сутки прогноза
м'^гсвч'чкиаю]
Сутки прогноза
Рис. 1. Оценки СКП прогнозов dUTl до 10 и 30 сут
скпит,
скпит,
1 мс дуги
1 •'*''
1 -'■■■""^'^
г
| ■■*•• ста» •*• гсвч ■-♦■ иою |
„Ж
..■*"'
-::Х-'-
--•"'
--•"'"'
!.'-'•-*"'"
_..м
....,-4
мс дуги
|-»-СНИИМ-»-ГС1Ч-♦-«НО |
■ -Ж
Vм
1 2 3
6 в 7 8 9 10
Сутки прогноза
Сутки прогноза
Рис. 2. Оценки СКП прогнозов d\JT\ для координаты полюса^
199
СКПЦТ, рдд
мс дуги
скпит,
мс дуги
|~»-сними -«-ран —~ш>ю|
.*-***
1'л,тт'0'в",и 0 5 10 15 20 25 30
Дни прогноза Дни прогноза
Рис. 3. Оценки СКП прогнозов dUTl для координаты полюса^
Приведенные на рис. 1-2 оценки СКП показывают преимущество
метода прогнозирования ПВЗ, разработанного в СНИИМ в сравнении с
методами, применяемыми в ГМЦ ГСВЧ и МСВЗ, как и в сравнении с методами
участников проекта ЕОРСРРР, привести результаты которых в данной статье
не представляется возможным по причине их значительных объемов. Однако
с ними можно ознакомиться на сайте МСВЗ: eopcppp@maia.usno.navy.mil, где
ежедневно выставляются файлы с прогнозами ПВЗ всех участников проекта
ЕОРСРРР и их результаты в оценках СКП, абсолютной ошибки и стандартного
отклонения, обновляемые два раза в неделю.
Заключение
За первые 11 месяцев проекта ЕОРСРРР, в котором представлено более
10 различных методов прогнозирования ПВЗ, лучшие результаты показал
метод, разработанный в СНИИМ. Так, например, для параметра всемирного
времени на интервале прогноза до 30 сут точность прогнозов СИНИМ СГГА по
330 реализациям оказалась выше, чем в МСВЗ, в 1.21 раза. Тем не менее,
несмотря на неплохие результаты, работа над совершенствованием методик
и программ пока еще не завершена. Поэтому приведенные на рис. 1-3
значения СКП прогнозов ПВЗ СНИИМ в будущем с большой вероятностью будут
улучшены. В частности, по предварительным оценкам потенциально
возможно получение среднегодового значения СКП прогнозов всемирного времени на
10 и 15 сут менее 0.5 и 0.9 мс соответственно. В связи с этим в настоящее
время в ГМЦ ГСВЧ России рассматривается вопрос о включении прогнозов
СНИИМ в периодически издаваемые бюллетени серии «А» и «Q»,
предназначенные для официального использования в России.
Литература:
1. Сидоренков Н. С. Физика нестабильностей вращения Земли. - М.:
Наука, 2002. - 320 с.
2. Подобед В. В., Нестеров В. В. Общая астрометрия. - М.: Наука, 1975.
3. Белоцерковский Д. Ю., Кауфман М. Б. Оценка точности предвычисле-
200
ний разностей между всемирным и координированным временем с заблаговре-
менностью до года // Исследования в области измерений времени и частоты.
Труды ВНИИФТРИ. - 1977. - Вып. 35(65).
4. IERS Conventions (2003). IERS Technical Note No. 32, Verlag des Bun-
desamts fur Kartographie und Geodasie, Frankfurt am Main / eds: D.D. McCarthy,
G. Petit. - 2004.
5. Тиссен В. М, ТолстиковА. С, Балахненко А. Ю., Малкин 3. М.
Высокоточное прогнозирование всемирного времени по 100-летним данным //
Измерительная техника. - 2009. - № 12. - С. 3-6.
EOP Prediction from Centennial Observational Data
in an International Project EOPCPPP
V: ML Tissen
Information of the participating of SNIIM into the ongoing international pilot
project EOPCPPP dedicated to the comparison of EOP predictions is presented. The
report summarizes the approach underlying the developed method used in SNIIM
and programs for predicting EOP. Results of EOP prediction for the period from
October 2010 to September 2011, calculated in SNIIM, compared with the official
national and international data: the Russian State EOP Service (VNIIFTRI) and the
Observatory USNO (USA) are described.
201
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
У СТНЫЕ ДОКЛАДЫ
О возможности калибровки РСДБ
по сигналам навигационных космических аппаратов
Н, А, Дугин, А, А, Антипенко, А, Ф. Дементьев,
М. Б. Нечаева, Ю. В. Тихомиров
ФГБНУ «Научно-исследовательский радиофизический институт»,
г. Нижний Новгород, Россия
В работе приведены результаты РСДБ-экспериментов по приёму
сигналов навигационных космических аппаратов (НКА), выполненных
на радиоинтерферометре НИРФИ «Зимёнки-Старая Пустынь» в
диапазоне 1.6 ГГц. Исследована задача определения проекций базы по
измерениям задержки в целях оценки эффективности использования НКА
для калибровки интерферометров. Выполнено измерение
пространственных задержек для серии наблюдений НКА, достигнута
погрешность 4-10 не при трёхминутном интервале измерений.
Ключевые слова: навигационный космический аппарат,
измерения, задержка, сигнал, интерферометр.
Введение
Традиционно в радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ)
калибровка инструмента, в том числе измерения проекций базы, проводится
по наблюдениям внегалактических радиоисточников, привязанных к квазии-
нерциальной системе координат. При этом достигнуты точности определения
проекций базы в несколько сантиметров. В случае, когда чувствительность
задействованных приёмных комплексов невелика или в условиях сложной поме-
ховой обстановки, применение внеземных калибровочных источников
неэффективно. В целях оперативной калибровки базы интерферометра рассмотрена
задача калибровки инструмента по сигналам навигационных космических
аппаратов (НКА) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС
hGPS.
В 2010-2011 гг. проведено несколько серий экспериментов по приёму
излучения НКА радиоинтерферометрическим комплексом НИРФИ. РСДБ
НИРФИ «Зимёнки — Старая Пустынь» [1, 2], включающий антенны
диаметром 14 и 15 м, разнесённые на расстояние 69 км, в 2010 г. был дооснащён
О Н. А. Дугин, А. А. Антипенко, А. Ф. Дементьев, М. Б. Нечаева, Ю. В. Тихомиров, 2012
202
приёмной аппаратурой на частотный диапазон 1.6 ГГц. Приёмники имеют
возможность перестройки частотных поддиапазонов на (1665 ± 20) МГц
(радиоастрономическая частота) и на 1565-1615 МГц (рабочие частоты НКА
спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS). Возможность работы
по сигналам НКА закладывалась в целях проведения исследований по
высокоточному определению положения НКА с помощью РСДБ как задачи эфемерид-
ной поддержки ГЛОНАСС. Использование РСДБ-технологий для измерения
координат НКА системы ГЛОНАСС позволяет апробировать методы,
альтернативные штатным и дополняющие их, что может существенно повысить
эффективность и конкурентоспособность отечественной СРНС.
Проведённые первые эксперименты по приёму сигналов НКА сразу же
определили важность решения и прямой задачи измерения координат объекта,
и обратной задачи калибровки инструмента по источникам с известными
координатами.
РСДБ-эксперименты по приёму сигналов НКА
Работа по мощным сигналам КА существенно упрощает процедуру
определения параметров приёмного комплекса. Навигационные аппараты СРНС
ГЛОНАСС и GPS распределены на небесной сфере достаточно равномерно,
так что в зону видимости приёмных пунктов одновременно попадают не менее
четырёх аппаратов каждой из систем. Сложный навигационный сигнал СРНС
с шириной полосы 10 (ГЛОНАСС) и 20 МГц (GPS) даёт возможность
применять стандартную обработку записи сигналов РСДБ, при этом точность
измерений задержки будет определяться полосой приёма, а существенная
интенсивность сигнала у поверхности Земли позволит применять небольшие
приёмные антенны. Тем не менее определилась специфика работы РСДБ по
НКА, поскольку все излучаемые ими сигналы синхронизированы бортовыми
стандартами частоты, имеют строго определённую структуру и могут
считаться квазишумовыми только условно.
В октябре 2010 г. было проведено две серии наблюдений НКА обеих
СРНС. Измерения проводились в полосе приёма 8 МГц на центральной
частоте принимаемого сигнала 1575 МГц для НКА GPS и переменной частоте в
пределах 1598-1607 МГц для аппаратов ГЛОНАСС в зависимости от частотного
поддиапазона каждого аппарата. В нескольких сериях измерений наблюдалось
более 30 аппаратов обеих глобальных навигационных систем [3]. В первых
экспериментах были проведены исследования влияния структуры излучаемых
сигналов на корреляционные характеристики, юстировка приёмных антенн,
контроль временной синхронизации пунктов, модернизация программного
обеспечения коррелятора для работы по квазишумовым сигналам НКА.
Измерение задержки по результатам корреляционной обработки.
Основным результатом корреляционной обработки в РСДБ является
вычисление задержек сигналов и частоты интерференции, по которым ведётся расчёт
параметров движения аппарата либо базового расстояния. В ходе корреляцион-
203
ной обработки определены задержки сигналов для 14 аппаратов. Погрешность
измерения задержки, от которой зависит точность определения координат
Н , в единичном замере равна половине дискрета задержки.
Щ
5
Он
I
-Ъз.6 -153.5 -153.4
Задержка, мкс
-153.3
Рис. 1. Корреляционная функция при
приёме сигнала НКА GPS 26690
(квадраты): сплошной линией показана функция,
аппроксимирующая экспериментальную
кривую (26.10.2010, 12:28 UT)
Он
50 100
Время, с
Рис. 2. Задержка в зависимости от
времени для сигналов НКА GPS 29601
(квадраты): сплошной линией представлена
аппроксимация прямой, СКО равно 6.28 не
(26.10.2010, 09:30 UT)
Минимальная дискретность отсчетов определяется частотой
дискретизации сигнала. Так, при полосе регистрации, равной 8 МГц, погрешность
измерения задержки составляет 31.25 не, что соответствует ошибке
определения разности хода около 9 м. На рис. 1 приведён пример
корреляционного отклика интерферометра «Зимёнки—Старая Пустынь» на сигнал НКА
GPS 26690. Квадратами отмечены значения корреляционной функции,
полученные для нескольких дискретных отсчётов задержки, отложенных с шагом
62.5 не. Поскольку при расчёте корреляционной функции её максимум
обычно не совпадает с целым числом дискретных отсчетов, то значение задержки
уточнялось путем аппроксимации полученной зависимости гладкой функцией
(рис. 1), а измерение задержки проводилось в максимуме
аппроксимирующей функции. Погрешность определения задержки в этом случае составляет
доли дискретного отсчета в зависимости от числа точек при аппроксимации.
Задержка, измеренная в максимуме корреляционной функции, приведенной на
рис. 1, равна т0 = (—153.416 ± 0.004) мкс.
На рис. 2 представлен график изменения задержки с течением времени
при наблюдении НКА GPS 29601. Расчёт корреляционной функции
выполнялся для участков записи длительностью 10 с. Квадратами показаны значения
задержки, уточнённые при аппроксимации корреляционного сигнала гладкой
функцией на каждом временном интервале. Полученная зависимость
аппроксимировалась прямой для определения среднеквадратического отклонения
значений (рис. 2). При усреднении данных по 10 с за 3 мин пролёта для 14 НКА
получены ошибки измерения задержки в пределах 4-10 не, что соответствует
1-3 м при определении длины базовой линии.
204
Определение проекций базы интерферометра по измерениям
задержки. В ходе экспериментов исследована задача измерения проекций базы
интерферометра в целях оценки общей погрешности измерений и эффективности
использования НКА для калибровки интерферометров. Рассмотрено несколько
способов расчёта параметров базы для разных моделей пространственной
задержки в зависимости от взаимного положения НКА и приёмных антенн.
При строгом учёте характера движения НКА в околоземном космическом
пространстве задержка описывается нелинейным уравнением относительно
координат антенн и дальности аппарата. По результатам экспериментов
вычислены координаты пунктов интерферометра с погрешностью 51м. Определены
разности координат телескопов, известных из геодезических измерений и
измеренных экспериментально. Для РСДБ-пункта «Старая Пустынь» разности
составили: АЛ^ = -19.7 м, А^ = -22.4 м, AZX = 3.4 м; для пункта «Зимёнки»:
АХ2 = -9.3 м, ДУ2 = 16.7 м, AZ2 = -3.5 м.
Кроме того, определена аппаратурная задержка ch = 17 мкс, которая
вызвана рассинхронизацией шкал времени в РСДБ-пунктах в момент
наблюдений, а также разностью времён распространения сигналов в приёмных трактах.
Этот постоянный временной сдвиг должен учитываться при прецизионных
измерениях.
Из полученных данных следует, что в первых экспериментах измерены
поправки к проекциям базы от единиц до десятков метров. Однако показано,
что общая погрешность измерений существенно превосходила погрешность
измерения задержки. Одной из основных причин такого расхождения является
неточность исходных координат НКА, использующихся в расчётах.
Заключение
Выполненные эксперименты показали, что сигналы НКА, имеющие
квазишумовой характер, могут быть использованы для оперативного
определения ряда параметров приёмной РСДБ-аппаратуры и калибровки инструмента
в целом, несмотря на определённые особенности структуры сигнала.
В целях совершенствования РСДБ-методов координатных измерений в
конце 2011 г. проведена серия наблюдений НКА с помощью РСДБ с базами от 100 м
до 1500 км. Предварительный анализ данных показал, что измерения
оказываются наиболее эффективными при одновременном наблюдении аппаратов в
обоих диапазонах рабочих частот СРНС при полной полосе приёма на
интерферометрах с базовыми линиями более 300 км для исключения влияния атмосферы.
В том случае, если расчёт проекций базы выполняется по двум измеряемым
параметрам - задержке и частоте интерференции - погрешность измерений может
достигнуть 10-20 см при наблюдении НКА в течение 30-60 мин.
Работа поддержана Государственным контрактом № П683 от 20.05.2010,
номер госрегистрации 01201061443 от 10.09.2010.
205
Литература
1. Антипенко А. А., Дементьев А. Ф. и др. Юстировка антенн и
калибровка РСДБ НИРФИ по сигналам космических аппаратов СРНС ГЛОНАСС и
НАВСТАР. // Препринт № 536. - Н. Новгород, 2011. - 32 с.
2. Дугин Н. А., Нечаева М. Б. и др. Измерение параметров антенн по
сигналам навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС и НАВСТАР // Изв.
вузов. Радиофизика. - 2011. - Т. 54, № 3. - С. 177-184.
3. Дугин Н. А., Нечаева М. Б. и др. Особенности работы
радиоинтерферометра с независимым приёмом по сигналам навигационных космических
аппаратов ГЛОНАСС и НАВСТАР // Сб. докладов XVII Междунар. науч.-техни.
конф. «Радиолокация, навигация, связь». 12-14 апреля 2011 г. -Воронеж: НПФ
«САКВОЕЕ» ООО, 2011. -Т. 3. - С. 1858-1869.
Possibility of VLBI Calibration on GNSS Signals
N. A. Dugin, A. A. Antipenko, A. F. Dementjev, ML B. Nechaeva,
Yu- V, Tikhomirov
Paper is devoted to results of VLBI-experiments on reception of signals of
navigation space satellites, performed in the range 1.6 GHz with radiointerferometer
"Zimenky - Staraya Pustyn" of Radiophysical Research Institute, Nizhniy
Novgorod. The task of baseline projections determination from delay measurements
is considered, having an aim to evaluate the efficiency of GNSS-signals using for
interferometers calibration. Measurements of spatial delays are performed for series
of navigation satellites observations, the achieved error is 4-10 ns at 3-minutes
interval of reception.
206
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Система мониторинга параметров радионавигационных
полей ГНСС ГЛОНАСС и GPS в интересах
информационного обеспечения потребителей
С, А, Платонов, В, Д. Глотов
ФГУП ЦНИИмаш, г. Королёв, Россия
Представлена система независимого мониторинга
спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, созданная и
функционирующая в Информационно-аналитическом центре координатно-времен-
ного и навигационного обеспечения (ИАЦ КВНО) ФГУП ЦНИИмаш.
В статье подробно рассмотрена подсистема глобального сетевого
мониторинга ГЛОНАСС в режиме, близком к реальному времени (NRT).
Представлены методика решения задачи в части обработки данных,
а также используемые технические средства. Приведены результаты
мониторинга функциональных характеристик ГЛОНАСС в различных
районах Земли и точностные характеристики работы отдельных
спутников, в частности нового спутника «Глонасс-К».
Ключевые слова: ГЛОНАСС, мониторинг, сеть станций, реальное
время, ИАЦ, обработка данных.
Введение
В настоящее время особо актуальна и значима задача контроля состояния
спутниковых навигационных систем и предоставляемых ими навигационных
услуг в целях информационной поддержки потребителей для обеспечения
широкого использования навигационных систем в различных отраслях. В
решении указанной задачи для системы ГЛОНАСС участвует система независимого
мониторинга, функционирующая более 10 лет на базе ИАЦ КВНО.
Система мониторинга глобальных навигационных спутниковых систем
(ГНСС) в ИАЦ включает в себя три основных сервиса:
- расчёт высокоточной эфемеридно-временной информации (ЭВИ) в
форматах SP3: Ultra-Rapid, Rapid, Final;
- контроль целевых характеристик ГНСС ГЛОНАСС и GPS;
- мониторинг радионавигационных полей (РНП) ГЛОНАСС и GPS,
включающий в себя три уровня мониторинга: апостериорный, почасовой и близкий
к реальному времени (NRT).
) С. А. Платонов, В. Д. Глотов, 2012
207
Информационная поддержка потребителей осуществляется посредством
сайта ИАЦ, на котором предоставляются результаты мониторинга ГНСС
(www.glonass-iac.ru).
В данной статье подробно рассматривается глобальный сетевой
мониторинг ГЛОНАСС в режиме, близком к реальному времени.
Постановка задачи
Подсистема сетевого мониторинга ГЛОНАСС в режиме NRT разработана
для решения следующих задач:
- непрерывного отслеживания изменений состояния каждого спутника;
- оценки точностных характеристик каждого спутника и всего рабочего
созвездия;
- оперативного информационного обеспечения широкого круга
потребителей о состоянии ГЛОНАСС.
Для решения поставленных задач к подсистеме мониторинга были
предъявлены следующие требования:
- глобальное слежение за всей системой ГЛОНАСС;
- режим мониторинга, близкий к реальному времени;
- высокая достоверность и точность результатов;
- надёжность работы системы мониторинга;
- актуальность и практическая значимость исследуемых характеристик.
Техническая реализация
Для выполнения глобального мониторинга ГЛОНАСС,
подразумевающего непрерывное слежение за всей орбитальной группировкой (ОГ) системы,
было принято решение использовать глобальную сеть постоянно
действующих опорных станций, которая обеспечивает полное и непрерывное покрытие
Земли зонами видимости навигационных спутников (НС) ГЛОНАСС.
Для построения глобальной сети используется несколько отдельных сетей
постоянно действующих станций, которые выполняют наблюдения ГЛОНАСС:
СДКМ, IGS, TrigNet, Euref и др. Использование хотя бы нескольких станций
из каждой сети позволяет обеспечить повсеместное слежение за системой
ГЛОНАСС (пример структуры глобальной сети представлен на рис. 1). В
разработанном программном комплексе глобального мониторинга ГЛОНАСС
непрерывно используется от 50 до 80 станций.
Для работы в режиме, близком к реальному времени, используется
технология NTRIP для передачи данных наблюдений ГНСС в формате RTCM
в режиме реального времени. Сбор данных со всех станций сети и
трансляция этих данных в Интернете осуществляются с использованием NTRIP-мар-
шрутизаторов отдельных сетей.
В ИАЦ КВНО были разработаны и непрерывно функционируют два
независимых NTRIP-клиента, обеспечивающих приём исходных данных наблюдений
208
Станций сейчас • S&
Рис. 1. Окно программы сетевого мониторинга ГЛОНАСС с отображением
сети станций, положений и состояний НС и точности РНП
ГЛОНАСС и GPS по нескольким сетям станций для мониторинга в режиме-
NRT. Задержка в получении данных обычно не превышает 1 с, а максимальная
задержка - не более 3 с.
Методика мониторинга
Для проведения мониторинга исходными данными являются следующие
результаты наблюдений НС ГЛОНАСС:
- данные альманаха, непрерывно принимаемые на базовом пункте
слежения ИАЦ (в формате RTCM они не передаются);
- оперативная ЭВИ из навигационного сообщения;
- кодовые измерения в обоих рабочих частотных диапазонах (L1 и LT) по
стандартному С/А-коду и по точному Р-коду;
- отношения сигнал/шум для Ы и L2.
Для каждого НС проводится мониторинг следующих контролируемых
параметров:
- наличие сигнала на Ы и L2 и его качество по уровню сигнал/шум;
- корректность данных альманаха и оперативной ЭВИ;
- признаки «здоровья» из альманаха и оперативной ЭВИ;
- пользовательская ошибка кодовых измерений UERE (User Equivalent
Range Error);
- относительная точность спутника при решении навигационной задачи
RSA (Relative Satellite Accuracy) - отношение ошибки позиционирования за
счёт отдельного НС к ошибке позиционирования по созвездию.
Для РНП ГЛОНАСС проводится оценка следующих характеристик:
- числа НС в решении навигационной задачи;
- геометрических факторов ухудшения точности определения координат
и времени (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP);
- средних квадратических ошибок (СКО) определения координат и
времени;
209
- невязок определения координат («промах» относительно исходных
координат).
Обработка данных для получения указанных результатов как по
каждому НС, так и по созвездию сначала производится для каждой станции
отдельно. Затем выполняется вычисление интегральных результатов мониторинга по
всей сети станций для каждого спутника и всей ОГ.
Результаты мониторинга
В результате эксплуатации комплекса глобального сетевого мониторинга
ГЛОНАСС в режиме NRT были получены следующие результаты:
- выполнена оценка точности кодовых измерений для отдельных
спутников ГЛОНАСС. Результаты показывают хорошую точность всех
эксплуатируемых НС и, в частности, то, что каждый спутник повышает общую точность
решения навигационной задачи при добавлении его в рабочее созвездие
(например, относительная точность кодовых измерений С1 и Р2 НС ГЛОНАСС
№ 730 - на рис. 2);
- проведено исследование точностных характеристик НС нового
поколения «ГЛОНАСС-К», которое показало удовлетворительную точность работы
данного спутника в рабочих диапазонах Ы и L2. Эквивалентная ошибка
кодовых измерений приведена на рис. 3;
о эои-ошом»» wiMM*«MM» aouwtmttio эюмшосжи эюми
Рис. 2. Относительная точность НС ГЛОНАСС № 730
- выполнена оценка пользовательской точности определения координат
и поправки к часам приёмника при использовании системы ГЛОНАСС
разными приёмниками в различных районах Земли. Исследование показало
хорошую точность КВНО, что свидетельствует о возможности использования
ГЛОНАСС в любой точке Земли в любой момент времени для решения
широкого круга задач. На рис. 4 представлены средние по сети точностные
характеристики ГЛОНАСС за 2011 г.: СКО определения координат и PDOP, а на
рис. 5 - СКО определения времени и TDOP.
210
9.000
8.000
7.000
6.000
5.000 -f
4.000
0.000
Рис. 3. UERE для НС ГЛОНАСС-К № 701
2.000 Wjj<^^ * * t * ~^Г
Рис. 4. Точности определения координат по ГЛОНАСС
Рис. 5. Точность определения ухода часов приёмника по ГЛОНАСС
211
Заключение
Разработанный в ИАЦ комплекс глобального сетевого мониторинга
ГЛОНАСС в режиме, близком к реальному времени, эксплуатируется
непрерывно с ноября 2010 г. За это время он неоднократно позволял оперативно
выявлять изменения в состоянии НС ГЛОНАСС и своевременно оповещать об
этом потребителей через сайт ИАЦ.
Исследования, проведённые с использованием данного комплекса,
показали, что ГЛОНАСС в настоящее время функционирует в штатном режиме на
хорошем уровне точности и может быть использована широким кругом
пользователей в любой точке Земли в любой момент времени.
Литература
1. Глотов В. Д., Митрикас В. В., Платонов С. А., Бермишев А. А.
Мониторинг навигационных полей ГЛОНАСС/GPS в ИАЦ ЦНИИмаш и
информационное обеспечение потребителей // Новости навигации. - М.: НТЦ
«Интернавигация», 2011. - Вып. 1. - С. 31-38.
2. Платонов С. А. Сетевой мониторинг радионавигационного поля
глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в режиме
реального времени // Космонавтика и ракетостроение. - Королёв.: ФГУП ЦНИИмаш,
2011.-Вып. 4.-С. 56-72.
TThe of Radio Navigation Fields Monitoring for GNSS
GLONASS and GPS for Users Information Support
& A, Platonov, V, D. Glotov
The article presents a system of global monitoring of GLONASS in near-real
time mode. The methods of monitoring, technical devices using in this system,
results of monitoring of GLONASS functional characteristics in different regions of
the Earth, accuracy characteristics of individual satellites, in particular, of the new
satellite "GLONASS-K" are described. The system presented can quickly identify
changes in the GLONASS satellites and promptly notify consumers about it. Studies
using this monitoring system showed that the GLONASS system currently operates
in normal mode, at a good level of accuracy, and can be used in a wide range of users
anywhere on Earth at any given time.
212
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Математическое моделирование процессов синхронной
регистрации сигналов детекторов, движущихся
в различных квазиинерциальных системах отсчета
В, ()• Гладышев1, В. Л. Кауц2, П. С. Тиунов1
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
Минобрнауки, г. Москва, Россия
2Астрономический центр Физического института им. П. Н. Лебедева,
г. Москва, Россия
В работе получены пространственно-временные преобразования
независимых переменных, которые можно использовать при описании
синхронной регистрации сигналов детекторами, движущимися в
произвольных инерциальных системах отсчета. Теоретический подход
открывает путь для моделирования процессов передачи данных в
квазиинерциальных системах отсчета при нерелятивистских скоростях движения,
а также для моделирования процессов передачи данных в системе
спутник-Земля в реальном режиме времени с учетом влияния трехмерного
поля скоростей движения атмосферы.
Ключевые слова: электромагнитное излучение, сигнал,
математическое моделирование, распространение, анизотропия.
Введение
В настоящее время широкое распространение получили системы
спутниковой навигации, работа которых основана на обмене электромагнитными
сигналами между космическими аппаратами (КА) и наземными станциями.
Принципиальной особенностью этих систем является зависимость КА от
канала передачи электромагнитных сигналов. Нарушение канала связи с наземной
станцией приводит к потере управления спутниковой группировкой.
Теоретический анализ показывает, что на процессы передачи
электромагнитных сигналов оказывает влияние скорость движения атмосферы.
Предварительный анализ ядра интегрального уравнения, построенного на
решении дисперсионного уравнения, показывает, что зависимость скорости
распространения электромагнитного излучения от скорости движения
атмосферы может вносить дополнительный вклад в эффект замедления времени рас-
© В. О. Гладышев, В. Л. Кауц, П. С. Тиунов, 2012
213
пространения света, что может пагубно влиять на синхронизацию наземных
и бортовых часов. В связи с этим возникает потребность математического
моделирования процессов распространения электромагнитного излучения в
движущейся атмосфере при описании процедур синхронизации часов,
движущихся в различных квазиинерциальных системах отсчета.
Кроме того, анализ задач, в которых невозможно найти единую инерци-
альную систему отсчета (ИСО), в которой находится источник излучения,
приемник, а также среда распространения излучения, приводит к нарушению
инвариантных свойств решений уравнений электродинамики движущихся сред.
Результат расчета времени распространения электромагнитного излучения от
источника к приемнику при наличии движущейся атмосферы зависит от
ориентации измерительного канала в пространстве. Такая зависимость имеет вид
пространственной анизотропии.
Использование анизотропии пространства
в новом поколении систем ориентации и позиционирования
Наличие анизотропии пространства необходимо учитывать при
обеспечении синхронизации часов, движущихся в различных системах отсчета,
следовательно, в работе спутниковых систем навигации. Исследование этого
явления откроет пути повышения точности решения задач определения
пространственно-временных координат.
Существование указанного явления открывает принципиальную
возможность создания систем ориентации и позиционирования в пространстве на
основе локального измерения направления анизотропии пространства вдоль
трассы следования пользователя.
Основанием для создания нового поколения систем ориентации в
пространстве служат открытия, сделанные в последние 30 лет в России и за
рубежом: разработка современного аппарата электродинамики движущихся сред,
открытие анизотропии реликтового микроволнового излучения; разработка
экспериментальных схем измерения ориентации в анизотропном
пространстве. Данная область исследований относится к современной оптике
движущихся сред, эффекты которой, кроме эффекта Доплера, малоизучены и вместе
с тем могут оказывать существенное влияние в области практической локации
в движущейся среде и синхронной регистрации сигналов в спутниковой сети
ГЛОНАСС.
Теоретические основы современной оптики движущихся сред
созданы трудами отечественных ученых (Б. М. Болотовский, С. Н. Столяров и др.).
Экспериментальные исследования, в том числе в релятивистской области
скоростей выполняли одновременно зарубежные и отечественные исследования
(Дж. Хей, Дж. Пинсон, П. Смит (1957 г.); Дж. Линхарт, Л. Орнстрейн(1959г),
О. Г. Загороднов, Я. Б. Файнберг, А. М.Егоров, Л. И. Болотин (1961-1965 гг.).
Однако почти все они посвящены эффекту Доплера, включая релятивистскую
область. .
214
Отечественными учеными впервые показано, что эффект увлечения света
оказывает существенное влияние в задачах локации [1].
Накопленный опыт качественно подтверждает возможность создания
систем определения пространственно-временных координат и ориентации в
пространстве на основе измерения направления анизотропии пространства вдоль
трассы КА. К настоящему времени разработаны интерферометры, которые
могут быть положены в основу системы определения
пространственно-временных координат и ориентации в пространстве нового поколения. Эффективным
способом определения параметра анизотропии является эксперимент SADE,
предложенный в [2, 3]. Если эксперимент проводится с использованием ИСО,
движущихся друг относительно друга, или в неинерциальной системе отсчета,
а также при наличии в опыте движущихся элементов или сред, с которыми
взаимодействует излучение при распространении, могут проявляться
неинвариантные свойства преобразований [4, 5], в результате чего измеряемая скорость
распространения сигнала может отличаться от истинной.
Открытие анизотропии реликтового электромагнитного излучения
позволяет использовать дипольную составляющую анизотропии в качестве
калибровки при создании систем точного позиционирования и ориентации на
основе измерения пространства анизотропии электромагнитного излучения
в движущихся средах. Потенциальная точность решения задач точного
позиционирования и ориентации может быть достаточно высокой и, что
немаловажно, не зависит от времени, т. е. не содержит дрейфовой составляющей.
Проводимые авторами работы предварительные экспериментальные
исследования подтверждают принципиальную техническую возможность
регистрации пространственной анизотропии при помощи кольцевого лазерного
интерферометра.
Предполагается, что в системе точного позиционирования нового
поколения удастся решить задачу более точной синхронизации часов, т. е. учесть
зависимость вектора скорости электромагнитного излучения от поля скоростей
атмосферы в анизотропном пространстве. Причем данная система может быть
интегрирована, например, в инерциальную систему навигации.
В качестве экспериментального подтверждения данного подхода
можно указать на эксперимент по измерению времени регистрации нейтринного
всплеска от объекта SN1987A нейтринными и гравитационно-волновыми
детекторами [6, 7]. В эксперименте была измерена аномально большая
задержка времени регистрации сигнала разнесенными детекторами. Измеренная
задержка времени регистрации сигнала может быть объяснена временем его
запаздывания при распространении между детекторами при учете зависимости
вектора скорости электромагнитного излучения от поля скоростей атмосферы
в анизотропном пространстве. Корректное математическое описание
регистрации события при обеспечении синхронизации пространственно разнесенных
часов приводит к необходимости анализа используемой измерительной
процедуры и соответствующих преобразований координат. Данные преобразования
215
составляют теоретическую основу математического моделирования процессов
синхронной регистрации сигналов детекторами, движущимися в различных
квазиинерциальных системах отсчета.
Авторами ведутся работы по модернизации прецизионного
автоматизированного лазерного интерференционного стенда, предназначенного для
измерения пространственной анизотропии в движущихся средах.
Заключение
Результаты данной работы могут быть положены в основу создания
гироскопов нового поколения, использованы при разработке высокоточных систем
управления и наведения. Основные результаты могут быть использованы для
высокоточной локации, включая космическую. Возможно использование в
системах управления движущимися объектами, в том числе беспилотными,
движущимися на околоземных орбитах.
Литература
1. Васильев В. П., Гришмановский В. А. О влиянии движения оптической
среды при локации // Письма в ЖЭТФ. - 1992. - Т. 55, № 6. - С. 317-320.
2. Gladyshev V. О., Leontiev A. D., Tiunov P. S., Sharandin Ye. A. Space an-
isotropy detection experiment (SADE) // Современные проблемы
гравитации, космологии и релятивистской астрофизики: тез. докл. Междунар. конф.
27 июня-3 июля 2010 г. - М: РУДН, 2010. - С. 139-140.
3. URL: http://w\\^v.space-lab.ru/view_experiment.php?lang:::::::iais.
4. Гладышев В. О. Необратимые электромагнитные процессы в задачах
астрофизики: физико-технические проблемы. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.
Баумана, 2000. - 276 с. (http://www.space-lab.ru/files/publications/000-032-00-00.
pdi).
5. Гладышев В. О., Тиунов П. С. Математическое моделирование
процессов синхронной регистрации сигналов детекторами, движущимися в
различных квазиинерциальных системах отсчета // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана.
- 2010. - № 2. - С. 16-30. - (Серия «Естественные науки»).
6. Pizzella G. Correlations among gravitational wave and neutrino detector
data during SN 1987A // Nuovo cim.B. - 1990. - Vol. 105, № 8-9. - P. 993-1007.
7. Pizzella G. Correlation between gravitational-wave detectors and particle
detectors during SN1987A // Nuovo cim. С - 1992. - Vol. 15, № 6. - P. 931-941.
216
Mathematical Modeling of Processes of Synchronous Signals
Registration by Detectors Moving in the Different
Quasi-inertial Frame Systems
V, ()• Gladyshev, V, L. Kauts, P. S, Tiunov
A new method of constructing general transformations based on using the
noninvariant characteristics of partial differentials of independent variables of the
Lorentz's group is proposed in the work. Obtained transformations have a more
general form, can be used in the description of experiments with the measurement of
partial differentials of independent physical variables and satisfy the relativity principle.
The calculations of the uniformly accelerated clock characteristic time and the time
delay of the astrophysical signal registration by removed detectors are produced. In
the case of the metering procedure, in which the total differential of physical variable
is measured, the new transformations turn into the input form of Lorentz's group.
The analysis of the results of theoretical description and experimental
investigation for the processes of electromagnetic radiation propagation in moving
media attests that effects of moving medium electrodynamics have an influence on
the wide class of experiments even for non-relativistic velocities of media motion.
To describe the effect of distortion of the trajectory of an electromagnetic wave
in atmosphere it is needed to use the solution of the dispersion equation of moving
medium electrodynamics for the spatial case of atmosphere motion.
The solution of the dispersion relation for the propagation of an electromagnetic
wave in a medium is valid for an atomic layer with a thickness on the order of a few
wavelengths of the electromagnetic radiation. For calculation on each layer of the
medium, the only properties available are the frequency and the angle of incidence
on the interface between two media. The motion of a given layer of the medium
affects the coordinates of the point at which the wave front intersects the next layer.
In general, for a region of the medium in which the velocity is not constant, it is
necessary to solve a dispersion equation for each neighboring local region of the
medium. The complete solution is the set of local solutions for the regions in which
the velocity of the medium is constant at the physically necessary accuracy.
The propagation of an electromagnetic radiation in a rotating medium is
determined by superposition of the primary wave and the secondary waves appearing
as a result of the interaction of the electromagnetic radiation with atoms of the
moving medium. By solving a dispersion equation, it is possible to determine the
radiation wave vector in any local region of the trajectory with an allowance for
a spatial distribution of the medium velocity.
217
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Эффективность замены аналоговых систем
преобразования сигналов
на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО»
системой Р1002М с цифровой обработкой сигналов
Л, В, Федотов1, Е, В, Носов1, А, С, Бердников1, С, А, Гренков1,
Д. А. Маршалов1, А. В. Крохалев1, Н. Е. Кольцов2
1 Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
2 ЗАО «Радиоэлектронная технологическая аппаратура»,
г. Санкт-Петербург, Россия
Сравниваются результаты РСДБ-наблюдений, проведенных
комплексом «Квазар-КВО» с использованием штатных систем
преобразования сигналов аналогового типа и новых систем с цифровыми
видеоконвертерами. Применение системы Р1002М позволяет увеличить
отношения сигнал/шум корреляционных откликов и повысить точность
определения групповых задержек сигнала на базах радиоинтерферометра.
Ключевые слова: РСДБ, система преобразования сигналов, видеокон-
векртер, РСДБ-наблюдения, отношение сигнал/шум, измерение, задержка.
Для замены используемых на радиотелескопах РСДБ-комплекса
«Квазар-КВО» аналоговых систем преобразования сигналов (СПС) зарубежного
производства, которые проработали много лет и уже выработали свой ресурс,
в ИПА РАН и ЗАО «РЭЛТА» разработана СПС Р1002М, в которой технические
параметры и надежность улучшены за счет разработки видеоконвертеров на
основе цифровых методов разделения сигналов боковых полос, фильтрации
и квантования сигналов на видеочастотах [1, 2]. По основным параметрам,
влияющим на качество данных, получаемых при РСДБ-наблюдениях, эти СПС
превосходят используемые аналоговые системы Mark IV DAS (обсерватория
«Светлое»), VLB A 4 (обсерватория «Зеленчукская») и Р1000 (обсервтаория
«Бадары»), но эффективность СПС Р1002М при РСДБ-наблюдениях,
проводимых комплексом «Квазар-КВО» автономно и в составе международной
РСДБ-сети, ранее не проверялась.
О Л. В. Федотов, Е. В. Носов, А. С. Бердников, С. А. Гренков, Д. А. Маршалов, А. В. Крохалев,
Н.Е.Кольцов, 2012
218
Чтобы это проверить, во всех обсерваториях комплекса «Квазар-КВО»
СПС Р1002М были подключены параллельно штатным аналоговым СПС,
причем каналы сравниваемых систем настраивались одинаково, а
информационные потоки данных регистрировались терминалами Mark 5В+ и передавались
на РСДБ-коррелятор РАН. Наблюдения проводились 15.01.2011 в рамках
программы Ru-E096 одновременно в двух диапазонах волн 3.5 см (8.18-9.18 ГГц)
и 13 см (2.2-2.5 ГГц). Каналами СПС № 1-8 принимались сигналы диапазона
волн 3.5 см, а каналами № 9-14 - сигналы диапазона 13 см. Были установлены
полосы пропускания 16 МГц и режим 2-битового квантования сигналов с
тактовой частотой 32 МГц. Регистрирующими терминалами Mark 5В+ были
записаны и переданы на коррелятор данные наблюдений 63 опорных источников
с разными спектральными плотностями потоков мощности S от 0.5 Ян
(источник ЗС371) до 7.6 Ян (источник 0J287). При корреляционной обработке данных
вычислялись и сравнивались отношения сигнал/шум R на выходе коррелятора
(отношения пиков корреляционных откликов к средним квадратическим
значениям остаточных шумов) для СПС с цифровыми видеоконвертерами /?ц, для
штатных аналоговых СПС Ra и для смешанных комбинаций Rm. Средние
значения R определялись из полученных за сеанс наблюдений частных значений
отношения сигнал/шум, вычисляемых для каждого скана длительностью т = 60 с.
Для интерферометра с базой «Светлое-Зеленчукская» во всех 14
частотных каналах отношения сигнал/шум корреляционных откликов /?ц,
вычисленные по данным, полученным от двух СПС Р1002М, в среднем в 1.2-1.3 раза
выше отношений /?а, полученных от штатных аналоговых систем Mark IV
DAS и VLBA 4 (рис. 1). Это свидетельствует о повышении чувствительности
R
350
300
250
200
150
100
50
0
а)
А
<
J
J i
Л*
1
#
/
$
9
\
и
/i
?a
R„
£
! ! !
S = 7.6 Ян
\
%
i
i
1
i
i
\
4
s =
1 —A-
^
1
#
i
$
i
t
= o.<
%
%
\
X
i
^
>Я*
I
i
i
i
I
t
i
f
I
*">-+-*
1 v
i \
1 i
Ju
6)
90 -
80 -
7П
/U
60
ЦП
z>u
ЛП
30 -
.*--*-****Ч^гАЦ
Ra ^ = 7.6 ЯН —
""^*5&S;
0
Яа ^ = 0.9 ЯН
! ! ! 1 1 i i !
12 3 4 5 6 7 № канала
1 2 3 4 5 6 7 №i
Рис. 1. Отношения сигнал/шум откликов коррелятора, полученные в диапазоне волн
3.5 см от источников 0J287 (S = 7.6 Ян) и 0014 н- 813 (^=0.9 Ян) на базах
«Светлое-Зеленчукская» (а) и «Светлое-Бадары» (б)
219
радиоинтерферометраприиспользованииСПСсцифровымивидеоконвертерами
примерно на 25 %. Такое соотношение значений Яц и Ra наблюдается как
в диапазоне волн 3.5 см, так и диапазоне 13 см.
В пределах рабочего диапазона частот разброс значений /?ц, полученных
для разных частотных каналов, не превышает ±12 %, в то время как значения
/?а для разных каналов аналоговых систем различаются в 3-4 раза. Из-за такого
разброса значений /?а, обусловленного в основном технологическим разбросом
параметров каналов системы VLBA 4, значительно уменьшаются амплитуды
корреляционных откликов в отдельных частотных каналах и соответственно
снижается точность определения групповой задержки сигнала т. Разброс
параметров каналов Mark IV DAS существенно меньше, поскольку к
видеоконвертерам этой системы при ее модернизации (с уровня Mark IIIA до уровня
Mark IV) предъявлялись более жесткие требования по допускам. Это
следует из сравнения отношений сигнал/шум для сочетаний систем Mark IV DAS -
Р1002М и VLBA 4 - Р1002М. Отношения сигнал/шум для первого сочетания
лишь немного (на 5-10 %) ниже соответствующих значений /?ц, а для второго
сочетания - близки к значениям Ra.
Аналогичные результаты получены и на интерферометре «Светлое-Ба-
дары», но разброс значений /?а здесь был меньше (примерною %), так как в
сочетании с Mark IV DAS использовалась разработанная ранее в ИПА РАН
аналоговая СПС Р1000 [3], каналы которой были тщательно настроены по
типовым параметрам. При этом значения Ra мало отличались от значений Rm,
полученных для пары СПС Р1000-СПС Р1002М (см. рис. 1 б). Значения /?ц
для пары цифровых СПС Р1002М и на этой базе были немного (на 7 %) выше.
Примерно такие же пропорции отношений сигнал/шум /?а, /?ц, Лдц были
получены по результатам наблюдений всех источников.
По данным наблюдений каждого источника, полученным каналами СПС,
методом синтеза полосы частот [4] вычислялись по каждому скану частные
значения групповой задержки сигнала, после усреднения которых
определялось искомое значение т групповой задержки сигнала на каждой базе
интерферометра. Точность определения т для всех источников при использовании
СПС Р1002М была существенно выше, чем при использовании аналоговых
систем. Например, при наблюдениях радиоинтерферометром на базе «Светлое-
Зеленчукская» сравнительно слабого сигнала источника ЗС371 (S = 0.5 Ян)
средние квадратические погрешности (СКП) ат* измерения частных значений
задержки на всех сканах при использовании СПС Р1002М были на 20-30%
меньше, чем при использовании аналоговых систем Mark IV DAS и VLBA
4 (рис. 2). При использовании СПС Р1002М СКП частных оценок
групповой задержки для этого достаточно слабого источника (S = 0.5 Ян)
уменьшились с 60 до 45 пс. Соответственно снизилась и СКП отср усредненной оценки
групповой задержки т. При наблюдении более сильных источников
излучения СКП отср уменьшаются, но преимущество СПС с цифровыми
видеоконвертерами и в этом случае остается заметным (рис. 3). При S ~ 0.5...1.0 Ян
220
интерферометр с Р1002М имеет СКП атср~ 40-45 пс, а при спектральной
плотности мощности сигнала S > 4 Ян СКП отср< 7 пс. У интерферометра
с аналоговыми системами преобразования сигналов значения атср на 20-25 %
больше. Средние значения групповых задержек т, полученные при разных
сочетаниях СПС, практически не различаются (их разность не выходит за
пределы ±Зотср для пары аналоговых СПС).
Рис. 2. СКП определения частных значений групповых задержек сигнала на базе
«Светлое-Зеленчукская» при использовании штатных аналоговых систем (♦) и двух
СПС Р1002М (А) в течение суточного сеанса наблюдений для источника ЗС371 (0.5 Ян)
60
50
40
30
20
10
1 ♦
\
1 \ MarkIVDAS-YLBA4
PS
Г \V
Ч4'
1 ikj4 *-^_
Р1002М-Р1002М ^к
8 S, Ян
Рис. 3. Зависимости СКП определения средних значений групповых задержек сигнала
на базе «Светлое-Зеленчукская» от спектральной плотности потока излучения
Проведенные испытания подтвердили преимущества СПС Р1002М и
показали возможность улучшения точностных характеристик комплекса «Квазар-
КВО» при его автономной работе. Но необходимо было проверить также
эффективность работы радиотелескопов, оснащенных СПС Р1002М в составе
международных РСДБ-сетей. Это было проверено 12-13 мая 2011 г. во время
сеанса РСДБ-наблюдений по программе IVS R4482, когда в РСДБ-сеть были
221
включены 8 радиотелескопов в шести странах, в том числе радиотелескоп
комплекса «Квазар-КВО» с СПС Р1002М. Данные наблюдений передавались
для обработки в корреляционный центр IVS в Вашингтоне.
Результаты обработки данных по всем базам РСДБ-сети, в которые
попадал радиотелескоп комплекса «Квазар-КВО» с СПС Р1002М, подтвердили
высокую эффективность системы Р1002М. По методике IVS ей была дана
высокая оценка 9 по 10-балльной шкале. Таким образом, была подтверждена
совместимость новой СПС не только с системами комплекса «Квазар-КВО»,
но и с системами зарубежных радиотелескопов.
Выводы
Результаты испытаний СПС Р1002М с цифровыми видеоконвертерами
подтвердили ее эффективность и возможность установки в качестве
основного штатного оборудования обсерваторий комплекса «Квазар-КВО»
и других радиотелескопов, работающих по национальным и международным
программам РСДБ-наблюдений. В настоящее время СПС Р1002М установлены
во всех трех обсерваториях комплекса «Квазар-КВО» и на радиотелескопе РТ-
70 в Уссурийске и используются при проведении плановых РСДБ-наблюдений.
Литература
1. Гренков С. А., Носов Е. В., Федотов Л. В., Кольцов Н. Е. Цифровая
радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов // Приборы и
техника эксперимента. - М.: Наука, 2010. - № 5. - С. 60-66.
2. Гренков С. А., Кольцов Н. Е., Носов Е. В., Федотов Л.В. Цифровой
преобразователь сигналов для радиоастрономических систем // Приборы и
техника эксперимента. - М.: Наука, 2009. - № 6. - С. 80-89.
3. ИпатовА. В., КольцовН. Е., ФедотовЛ. В. Радиоинтерферометрический
терминал обсерватории «Бадары» // Приборы и техника эксперимента. - М.:
Наука, 2009. - № 1. - С. 67-78.
4. Томпсон А. Р., Моран Д. М, Свенсон Д. У. Интерферометрия и синтез
в радиоастрономии / пер. с англ.; под ред. Л. И. Матвеенко. - 2 изд. - М.:
Физматлит, 2003. - 624 с.
222
Efficiency of Replacement of Analog DAS on New R1002M
System With Digital Processing of Signals on Radio
Telescopes of VLBI Network "Quasar"
L, V, Fedotov, E, V, Nosov, A, S, Berdnikov, S, A, Grenkov,
D, A, Marshalov, A, V, Krokhalev
Results of VLBI observations, which are carried out by "Quasar" network
with use of usual analog DAS and new R1002M systems with digital base band
converters, are compared. Use of R1002M system allows to increase the signal-to-
noise of fringe amplitude and to raise the accuracy of multi band delay.
223
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Результаты модернизации приемных каналов
S-/X- диапазонов длин волн
на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО»
Н. Е. Кольцов, В. В. Мардышкин, Д. А. Маршалов,
А, А, Евстигнеев
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Представлены результаты модернизации радиоастрономических
приемных устройств S- и Jf-диапазонов длин волн на радиотелескопах
комплекса «Квазар-КВО». Целью модернизации было улучшение
технических характеристик, повышение эксплуатационной надежности,
снижение массы и габаритов аппаратуры. Это потребовало разработки на
современной элементной и технологической базе всех функциональных
модулей приемного устройства, в результате чего существенно
улучшены основные параметры приемных каналов, эксплуатационная
надежность и ремонтопригодность, уменьшен объем аппаратуры.
Ключевые слова: радиоастрономическое приемное устройство,
S- и ^-диапазоны, блок преобразования частот, блок генераторов шума,
приемный канал, полоса частот, микросборка, гетеродин.
Введение
Необходимость модернизации радиоастрономических приемных
устройств (РПУ) S- и Х-диапазонов длин волн (соответственно 13 и 3.5 см) на
интерферометрическом комплексе «Квазар-КВО» обусловлена тем, что РПУ,
разработанные в 90-х гг. XX в. были достаточно изношены за многие годы
эксплуатации и уже не в полной мере соответствовали требованиям,
предъявляемым к современным РСДБ-комплексам. Для наблюдений в формате Mark 5
полосу пропускания РПУ Х-диапазона необходимо было расширить до 900 МГц.
Существенно возросли требования и к другим параметрам РПУ, влияющим на
качество данных РСДБ-наблюдений: равномерности амплитудно-частотных
характеристик (АЧХ) приемно-усилительных трактов, спектральным
характеристикам гетеродинов, эффективности подавления шумов зеркального канала
и внеполосных радиопомех. Проведение регулярных наблюдений по
программам оперативного мониторинга всемирного времени и параметров вращения
Земли было невозможно без значительного повышения надежности и стабиль-
) Н. Е. Кольцов, В. В. Мардышкин, Д. А. Маршалов, А. А. Евстигнеев, 2012
224
ности параметров РПУ, обеспечивающих круглосуточную работу. Все это
потребовало разработки на современной элементной и технологической базе
всех функциональных модулей РПУ [1]: охлаждаемых малошумящих
усилителей (МШУ), блоков преобразования частот (БПЧ), гетеродинов и блоков
генераторов шума (БГШ) и системы управления и электропитания.
Модуль охлаждаемых малошумящих усилителей
МШУ и элементы высокочастотного волноводного тракта (согласующие
ферритовые вентили, направленные ответвители, разделитель поляризаций)
модернизировались в целях расширения полосы пропускания Af в ^-диапазоне,
уменьшение неравномерности коэффициента передачи АК в этой полосе и
снижение собственных шумов. Разработанные МШУ и элементы тракта были
размещены в штатном криостате КВО-5430. Если применявшийся ранее модуль
Х-диапазона имел АК < 1.5 дБ при Af= 500 МГц, то в модернизированном модуле
АК < 1 дБ при А/= 900 МГц (8.18-9.08 ГГц). Коэффициент усиления К = (30 ±
± 0.5) дБ. Шумовая температура, измеренная на входе модуля, составляет 8-11 К.
Аналогичные параметры имеет и модуль МШУ S-диапазона (2.15-2.55 ГГц).
Для повышения стабильности коэффициента передачи МШУ вторичные
источники питания в модернизированных изделиях выполнены на элементной
базе, устойчивой к климатико-механическим воздействиям, и расположены
непосредственно на криостате.
Модуль МШУ Х-диапазона предназначен для приема сигналов одной
круговой поляризации - правой (RCP) или левой (LCP). Модуль ^-диапазона,
содержащий встроенный гибридный мост, обеспечивает прием обеих
поляризаций (рис. 1).
ГПИ
"3—
S/XBRURCP
Формирователь
шумового сигнала
Х-диалазон
ПД|
пд!
Формирователь
шумового сигнала
S-диапазон
X-BflKRCP
| НО | МШУ>-
S-BflKR/LCP
[но Нмшу^>-
1 но н мшу^>-
5-/Х-БПЧ RCP
х-шпк
RCP
8.08 ГГц
2.02 ГГц
S-ШПК
RCP
0.1-1 ГГц
■& ►
S-RCP
10.1-0.4 ГГц
•а ►
к S-/X-5fl4 LCP
1 L_L
Система управления и электропитания
Рис. 1. Модернизированное РПУ Я-^-дипазонов длин волн. Комплект для приема
сигналов правой круговой поляризации
225
С помощью встроенных в модуль направленных ответвителей на вход
МШУ подаются сигналы амплитудной калибровки приемного канала от БГШ
и фазовой калибровки от генератора пикосекундных импульсов (ГПИ) [8].
Блок преобразования частот
БПЧ предназначен для усиления и фильтрации сигналов, поступающих
с выходов МШУ, и преобразования их к базовой полосе промежуточных частот
(ПЧ), в которой работают современные радиоастрономические системы
регистрации сигналов [2,3], а также для модуляции коэффициента усиления канала
(при радиометрических измерениях и амплитудных калибровках канала).
Все функциональные узлы приемного канала (ферритовые вентили,
фильтр, усилители высокой и промежуточной частот, модуляторы,
смесители и аттенюаторы) разработаны по интегрально-гибридной технологии
и размещены в одной для каждого диапазона волн микросборке. В результате
исключения разъемных соединений между узлами канала и улучшения
согласования неравномерность АЧХ в диапазоне X снижена до 1.7-2 дБ в полосе
Af= 900 МГц, а в диапазоне S- до 1.4 дБ при Д/*= 350 МГц. Шумы зеркального
канала и внеполосные помехи ослаблены на 73 дБ и более. В результате
обеспечена достаточная помехозащищенность РПУ и достигнута высокая
равномерность АЧХ (рис. 2).
Коэффициент передачи каналов БПЧ (35 ± 1) дБ. Температурная
нестабильность коэффициентов передачи каналов в диапазонах X и S снижена до
-0.06 и -0.024 дБ/°С соответственно, а шумовая температура - до 450 и 120 К.
20\%(К/К0),дЬ
20\g(K/KQ),Ab
8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 /ГГц
2.0
2.2
2.4
2.6 / ГГц
Рис. 2. Нормированные АЧХ блока преобразования частот в диапазонах X (слева)
и S (справа)
Микросборка двухчастотного гетеродина (8.08/2.02 ГГц) обслуживает
каналы обоих диапазонов волн. По сравнению с применявшимися ранее
гетеродинами спектральная плотность мощности фазовых шумов снижена на
10 дБ, а сетевые и дискретные составляющие спектра гетеродинного сигнала - на
226
10-15 дБ. Схемотехнические и технологические решения, принятые при
разработке микросборок для БПЧ, представлены в [5-7].
Микросборки приемных каналов двух диапазонов волн и гетеродина
с платами питания и управления размещены в одном термостатированном
блоке типовой конструкции и обеспечивают прием сигналов обоих диапазонов
волн одновременно. При приеме сигналов одной поляризации в диапазонах волн
S/Хощт модернизированный БПЧ заменяет три использовавшихся ранее блока.
Блоки генераторов шума
Задача БГШ [8] - формирование сравнительно слабого сигнала для
амплитудной калибровки РПУ и мощного сигнала, замещающего собственнные
шумы антенны при радиометрии. В новом блоке СВЧ-тракты формирования
шумового сигнала, собиравшиеся ранее из отдельных объемных элементов,
были разработаны на основе интегрально-гибридной технологии и
интегрированы в микросборки. Это позволило существенно повысить стабильность
уровней шумовых сигналов, снизить до 0.8 дБ неравномерность их мощностей
в расширенной до 900 МГц полосе частот и увеличить надежность. За счет
миниатюризации удалось разместить в одном термостатированном блоке
элементы двух диапазонов волн. В результате модернизации БГШ повышена точность
амплитудных калибровок приемно-усилительных каналов.
Система управления и электропитания РПУ
Модернизация системы управления РПУ предусматривала
обеспечение автоматизации процессов РСДБ и радиометрических наблюдений с
дистанционным управлением от центрального компьютера радиотелескопа,
значительное уменьшение числа кабельных соединений между модулями РПУ
и повышение эксплуатационной надежности. Вместо параллельного
управления модулями РПУ, требовавшего около десятка линий на каждый диапазон
волн, применен стандартный интерфейс PC, имеющий всего четыре линии.
Результаты модернизации системы управления и электропитания РПУ
представлены в [9].
Заключение
В результате модернизации расширена до в 900 МГц рабочая полоса
приемника Х-диапазона (8.2-9.1 ГГц); значительно улучшена
помехозащищенность приемника S-диапазона; за счет улучшения параметров приемных
каналов существенно снижены искажения сигналов; улучшены эксплуатационные
характеристики: стабильность, надежность, ремонтопригодность; примерно
в два раза уменьшены объем и энергопотребление РПУ З-АУ-диапазонов.
Таким образом, достигнуто улучшение качества приема, характеристик
РПУ и их стабильности. Анализ значений параметра SEFD (для
радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО»), определенного по РСДБ-наблюдениям
227
международным центром IVS, показал после модернизации РПУ их снижение
в диапазонах волн X и S на 20 и 7 % соответственно, а их разброс уменьшился
примерно в 3 и 1.6 раз. Это свидетельствует о повышении чувствительности
радиоинтерферометра и точности получаемых данных наблюдений.
Литература
1. Иванов Д. В., Ипатов А. В. и др. Приемники радиоинтерферометриче-
ской сети КВАЗАР // Труды ИПА РАН. - СПб., 1997. - Вып. 2. - С. 242-256.
2. ВытновА. В., Иванов Д. В., МиляевА. 77. Генератор пикосекундных
импульсов системы фазовой калибровки РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» //
Труды ИПА РАН.-СПб., 2006.-Вып. 15.-С. 130-139.
3. Ипатов А. В., Кольцов Н. Е., Крохалев А. В. Радиометрическая система
радиотелескопа РТФ-32 // Приборы и техника эксперимента. - М.: Наука, 2005.
-№4.-С. 66-75.
4. Гренков С. А., Кольцов Н. Е., Носов Е. В., Федотов Л. В. Цифровая
радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов // Приборы и
техника эксперимента. - М.: Наука, 2010. - № 5. - С. 60-66.
5. Кольцов К Е., Маршалов Д. А. Микросборки широкополосных каналов
усиления и преобразования частот для радиоастрономических приемников //
Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2006. - Вып. 15. - С. 110-129.
6. Кольцов Н. Е., Маршалов Д. А., Мардышкин В. В., Федотов Л. В. Блоки
усиления и преобразования частот сигналов для радиоастрономических
приемников // Приборы и техника эксперимента. - М.: Наука, 2011. - № 6. - С. 41-50.
7. Маршалов Д. А., Кольцов Н. Е., Мардышкин В. В., Федотов Л. В.
Широкополосные преобразователи частот для радиоастрономических приемников
S-/X- и С-диапазонов волн // Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2010. - Вып. 21.
-С. 21-26.
8. Мардышкин В. В., Лавров А. С, Евстигнеев А. А. Двухдиапазонный SIX
блок генераторов шума // Труды ИПА РАН. - СПб., 2010. - Вып. 21. - С. 57-60.
9. Лавров А. С, Евстигнеев А. А. Система управления и электропитания
двухканального радиоастрономического приемного устройства //
«Радиотелескопы, аппаратура и методы радиоастрономии» (ВРК-2011), 17-21 октября
2011 г. Санкт-Петербург, Россия: тезисы докладов. - СПб.: ИПА РАН, 2011. -
С. 118-119.
228
Results of Upgrade S- and X-band Receivers
on VLBI-network «Quasar»
N. E. Koltsov, V. V. Mardyshkin, D. A. Marshalov, A. A. Evstigneev
The article presents the results of upgrading VLBI-network "Quasar" with
S- and X-band receivers. The upgrade goals are to improve performance and
reliability and to reduce weight and size of equipment. It required developing all
receiver units using modern components and technology. Consequently, the
performance of receiver channels, maintainability and reliability were improved with the
less amount of hardware.
229
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Программный приемник сигналов спутниковых
навигационных систем на базе СБИС К1879ХК1Я
В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко, В. А. Добриков,
В. Ф. Иванов, А. Б. Симонов, И. В. Сахно, Е. А. Ткачев
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматриваются назначение и технические
характеристики интегральной микросхемы К1879ХК1Я, а также основные
результаты ее применения для реализации программного приемника
реального времени сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС
hGPS.
Ключевые слова: приемник, СБИС, сигнал, программное
обеспечение, обработка.
Анализ мировых информационных ресурсов показывает, что интерес
к программной обработке сигналов, в том числе и сигналов спутниковых
навигационных систем, непрерывно растет. Такой интерес обусловлен, во-первых,
преимуществами самой технологии программной реализации обработки
сигналов [1], во-вторых, наличием широкой номенклатуры современных
высокопроизводительных цифровых микроэлектронных компонентов. В
настоящее время отечественными (НТЦ «Модуль», «Элвис») и зарубежными (Texas
Instruments, Free Scale, Analog Devices) компаниями предлагаются
специализированные СБИС для цифровой обработки сигналов, объединяющие на одном
кристалле несколько процессорных систем (ядер), изготовленных с
применением современных топонорм (45-90 нм), что позволяет снизить
энергопотребление и повысить тактовые частоты (до 1.25 ГГц и более). Производство
микроэлектронных компонентов большими партиями позволяет снизить их
конечную стоимость, что является важным фактором для конечного
потребителя. Таким образом, к настоящему времени сложились условия для разработки
малогабаритных программных приемников и их широкого практического
применения.
СБИС К1879ХК1Я, разработанная НТЦ «Модуль» и КБ НАВИС при
участии специалистов ВКА им. А. Ф. Можайского, предназначена для создания
О В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко, В. А. Добриков, В. Ф. Иванов,
А. Б. Симонов, И. В. Сахно, Е. А. Ткачев, 2012
230
мультисистемных помехоустойчивых навигационных приемников в области
интеллектуальных транспортных систем, в том числе в приложениях,
связанных с повышенным риском для жизни (Safety-of-Life Service) с гарантией
получения сигнала и предупреждения о его деградации. СБИС выполнена в виде
системы на кристалле и содержит в своем составе три процессорные системы
(два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными
сопроцессорами и один процессор общего назначения), аналого-цифровые
преобразователи, блок предварительной обработки сигналов, статическую
оперативную память и интерфейсный блок. Принцип построения многоядерной
системы - с разделяемой памятью.
Основные характеристики СБИС К1879ХК1Я:
- АЦП - четыре 12-битовых, частота дискретизации 81.92 МГц;
- КИХ-фильтры - разрядность коэффициентов 8/16 бит, порядок фильтра
64, 128 или 256, максимальное число фильтров 12 (8 бит, порядок 64);
- две DSP-процессорные системы на базе ядра NMC3 с тактовой
частотой 327 МГц и дополнительным блоком распаковки/упаковки данных;
- RISC-процессорная система на базе ядра ARM1176-JZF с тактовой
частотой 166 МГц;
- общий объем ОЗУ на кристалле 16 Мбит;
- последовательные интерфейсы: 2 UART, SPI, USB 2.0, 16 GPIO;
- интерфейс с внешней памятью DDR1 32 бит до 166 МГц;
- напряжение питания 1.2 В и 3.3 В;
- диапазон рабочих температур -40.. .70 °С;
- потребляемая мощность 0.5 -2.0 Вт, а в режиме ожидания - менее 0.15 Вт;
- технология изготовления КМОП 90 нм;
- тип корпуса BGA484 с габаритными размерами 27 х 27 х 2.36 мм.
Структурная схема СБИС К1879ХК1Я приведена на рис. 1.
Процессорная
система
DSP (NMC3)
Процессорная
система
DSP (NMC3)
Процессорная
система
ARM
DDR
SPI
UART
USB
Блок
АЦП
Блок
преобразований и
предварительной
обработки
сигналов (БППОС)
ОЗУ
512 КБ
Контроллер
ПДП
Блок
интервальных
таймеров
Рис. 1. Структурная схема СБИС К1879ХК1Я
Наличие четырех АЦП позволяет оцифровывать до четырех
различных сигналов. Блок преобразований и предварительной обработки сигналов
(БППОС) содержит 24 идентичных канала, а также 12 квадраторов и 12
банков КИХ-фильтров. В нем реализуются следующие операции: гетеродини-
231
рование с формированием квадратурных сигналов; сужение полосы сигнала
(с помощью однородного децимирующего фильтра - управляемый интегратор
со сбросом значений); нормировка сигнала до необходимого числа разрядов;
фильтрация с помощью КИХ-фильтров; восстановление несущих
(реализуется блоком квадраторов), упаковка отсчетов сигнала в соответствии с заданным
форматом (блок упаковки).
Программное обеспечение (ПО) навигационного приемника условно
делится на ПО первичной и вторичной обработок. ПО первичной обработки
реализуется на DSP без использования операционной системы реального времени
и разрабатывается на языках: Ассемблер, СИ - с использованием средств
разработки НТЦ «Модуль». Язык Ассемблер используется для реализации
низкоуровневых вычислительных функций, выполняемых векторно-матричным
ядром NMC3 и для реализации примитивов управляющих элементов
интерфейсов с аппаратными блоками СБИС. Язык СИ используется для написания
всех интерфейсов и некоторых вычислительных функций.
ПО реализует принцип последовательной, конвейерной обработки
цифровых данных (рис. 2). Для каждого процессора ПО уникально и решает
собственные задачи. Взаимодействие между ПО каждого процессора
осуществляется с помощью специализированных интерфейсов. При этом условно
DSP-процессоры между собой делятся на ведущий и ведомый, а ARM-процессор
является ведущим по отношению к ведущему DSP. Такой принцип построения
ПО обусловлен необходимостью минимальных доработок диспетчерского ПО
ARM-процессора, большая часть которого штатно применяется в аппаратуре КБ
НАВИС. Поэтому ведущий DSP-процессор осуществляет всю диспетчеризацию
процессов сигнальной обработки для себя и ведомого процессора. Однако
большая часть вычислительной нагрузки по сигнальной обработке приходится на
ведомый процессор.
АЦП,
БППОС
N
ОЗУ
Процессорная
система DSP
(Ведомая)
Процессорная
cncTeMaDSP
(Ведущая)
Процессорная
система
ARM
Рис. 2. Последовательная конвейерная обработка цифровых данных в программном
приемнике
В программном приемнике реализуется способ обработки навигационных
сигналов, описанный в [2]. Первичная обработка реализуется на DSP
процессорах:
- на ведомом - корреляционная обработка сигналов ГЛОНАСС/GPS;
- на ведущем - поиск и обнаружение навигационных сигналов, оценка
помеховой обстановки в полосе принимаемого сигнала, посткорреляционная
обработка (слежение по задержке, частоте и фазе), управление ПО первичной
обработки и БППОС.
После включения приемника, загрузки из флэш-памяти и
инициализации ПО первичной обработки автоматически переходит в режим начального
поиска и обнаружения сигналов. Поиск выполняется в два этапа, причем для
232
ГЛОНАСС и GPS имеются различия, обусловленные различными способами
разделения сигналов. Для ГЛОНАСС реализуется сначала бескодовый поиск
по частоте, а затем поиск по задержке с использованием алгоритма быстрой
свертки. Для GPS выполняется сначала бескодовый поиск по частоте, затем
совместный поиск по номеру НКА и задержке с использованием алгоритма
быстрой свертки. Необходимо отметить, что бескодовый поиск дает
существенный выигрыш при поиске сигналов ГЛОНАСС по сравнению с GPS,
обусловленный именно частотным разделением сигналов.
Для реализации бескодового поиска осуществляется предварительная
запись сигналов с выхода квадраторов, т. е. с восстановленной несущей. Поиск
по частоте реализуется в полосе 10 КГц и с разрешающей способностью 5 Гц.
Для уменьшения числа переборов при поиске сигналов GPS используется
таблица исключения навигационных космических аппаратов, что позволяет
сэкономить до 50 % времени поиска.
Режим анализа помеховой обстановки и подавления помех включается
по командам ПО вторичной обработки. Он является фоновым по отношению
к режиму слежения за сигналами. Анализ помех реализуется программным
способом специализированным модулем ПО ведущего процессора, а
фильтрация - конфигурируемыми КИХ-фильтрами БППОС. Результаты работы
КИХ-фильтров приведены на рис. 3.
&
0.00
^фГ^ А ^?УАй
•в* -5.00 р*РпЧ :'\ f 'тай
о . < ' ]
а ! ■■
•в*
Я
•10.00
3
в 45.00
S -20.00
G
U -25.00
-1030.00 ада шхос
Частота, кГц
Рис. 3. Спектр сигнала GPS на выходе КИХ-фильтра
Программный коррелятор реализуется в виде функции ПО ведомого
процессора, вычисляющей опережающий, отстающий и совпадающий по
задержке квадратурные отсчеты на интервале, равном периоду кода сигнала. Входным
сигналом является квадратурный сигнал на видеочастоте. Опорный сигнал
рассчитывается на этапе инициализации ПО и размещается во внутренней
статической памяти процессора в упакованном виде. При вычислении корреля-
233
ционной функции осуществляется распаковка опорного сигнала специальным
блоком процессорной системы DSP.
Следящая система реализуется в виде набора функций в составе ПО
ведущего процессора. Она имеет ряд особенностей, обусловленных аппаратной
частью БППОС и целочисленностью вычислительного процесса.
Вторичная обработка выполняется на ARM-процессоре и реализует
следующие операции: выделение навигационного сообщения; вычисление
текущего вектора состояния потребителя; управление ПО первичной обработки;
диспетчеризацию задач ПО; формирование результатов; выдачу результатов по
внешним интерфейсам и др.
Таким образом, на базе СБИС К1879ХК1Я реализована
малогабаритная инструментальная платформа программного навигационного
приемника сигналов ГЛОНАСС/GPS в диапазоне Ы. В приемнике используются
современные технологии цифровой программной обработки сигналов: memory
code, бескодового поиска сигналов, быстрой свертки, накопления сигналов,
вероятностного исключения навигационного космического аппарата на
этапе поиска сигналов, последовательного обнаружения, спектрального анализа
гармонических помех, КИХ-фильтрации, восстановления несущей, слежения
с остаточными растройками по задержке и частоте, некогерентного выделения
информационной модулирующей последовательности, быстрого вычисления
специальных функций.
Литература
1. Бахолдин В. С, Герасименко И. С. Применение нейропроцессора
Л1879ВМ1 для поиска и обнаружения сигналов ГЛОНАСС/GPS //
Нейрокомпьютеры: разработка, применение. - М.: Радиотехника, 2005. -
№10-11.-С. 95-99.
2. Способ программной обработки буферизованных выборок
оцифрованных сигналов и мультисистемный многоканальный программный
приемник реального времени сигналов спутниковых навигационных систем
и систем их поддержек для его осуществления: пат. 2336631 РФ: Н04В1/06 /
Бабаков В. К, Дубинко Ю. С, Лукьяненко Н. В., Борсук О. А., Бахолдин В. С,
Герасименко И. С, Добриков В. А., Иванов В. Ф., Сахно И. В., Симонов А. Б.,
Ткачев Е. А. -2006.
234
GNSS Software Defined Receiver Based on 1С К1879ХК1Я
V, S. Bakholdin, D. A. Gavrilov, I. S, Gerasimenko, V, A, Dobrikov,
V, F. Ivanov, A, B, Simonov, I. V, Sakhno, E, A, Tkachev
This article discusses the purpose and characteristics of 1С Kl 879ХК1Я, as well
as the main results of its application for real-time GNSS software defined receiver.
235
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Комплекс программ приема-передачи данных
В. Г. Стэмпковский
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Обмен наблюдательными данным остается традиционной задачей
для центров обработки и анализа данных (ЦОАД). Требования,
предъявляемые к средствам автоматизации, ответственным за сбор и
тиражирование данных, сводятся к обеспечению надежности, контролируемости
и гибкой перенастраиваемости как на новые ресурсы, так и на способ
приема-передачи данных. Рассматривается достижение поставленных
требований за счет использования базы данных управляющей
информации, средств формирования и использования этих данных. Важным
фактором повышения надежности и прозрачности решения считается
использование высокоуровневого языка манипулирования данными SQL
реляционной СУБД.
Ключевые слова: распределенная обработка информации,
источники информации, приемники информации, действие, процесс,
протокол, сервис, удалённятл* - эниторинг процессов. Аормализованное
описание, программный анализ, m^wttt тт~~~ —-"^абируемость.
Введение
Переход к решению задач координатно-временного обеспечения на
распределенной сети обработки и анализа данных рассматривается как одна из
составляющих общего комплеска работ ФЦП «Глобальная навигационная
система» [1]. Распределенная обработка информации требует специальных
инструментов как обработки данных, так их доставки. На роль одного из
таких инструментов претендует комплекс программ приема-передачи данных
(КППД). Комплекс предназначен для обеспечения регулярного поступления
информации с наблюдательных пунктов и других источников данных
наблюдений в ЦОАД ИПА РАН. В данном случае речь не идет о РСДБ-наблюдениях,
так как в силу их объемности используются специальные технологии
доставки, в частности е-РСДБ [2, 3].
КППД должен функционировать и сохранять работоспособность в
постоянно изменяющихся условиях:
- множество источников и приемников данных, а также номенклатура
передаваемых данных изменяются во времени;
О В. Г. Стэмпковский, 2012
236
- прием данных должен сопровождаться некоторыми действиями с базой
данных и с самими передаваемыми и принимаемыми данными;
- процессы передачи данных должны быть прозрачными для контроля
и восстановления при сбоях;
- должна быть обеспечена доступность удаленного мониторинга
процессов передачи данных.
Известные решения
В настоящее время разработаны и активно используются
инструментальные средства для обмена данными по различным протоколам (ftp, http и др.)
для всех распространенных платформ (Unix, Linux, Windows). Есть и
универсальное средство, реализованное для всех перечисленных сред, - пакетный
загрузчик WGET.
Для организации регулярных действий также существует множество
инструментов с разной степенью распространенности. Наиболее известные из
них - CRONTAB для Unix и Scheduled Tasks для Windows. Указанные
инструментальные средства дополняют друг друга при организации обмена данными,
имеют возможности по настройке на конкретное применение.
Нерешенные проблемы
Использование готовых инструментов для решения поставленной задачи
сталкивается со следующими проблемами:
- отсутствие формализованного описания источников и приемников
данных, исключающее возможность получения сводной информации;
- отсутствие программного анализа протокола приема-передачи для
отдельного сеанса связи (в частности, протокола WGET);
- ограниченный или отсутствующий обзор сформированных задач
приема-передачи данных на заданный интервал времени.
Принцип действия КППД
Функционирование КППД основано на использовании для хранения всей
управляющей информации реляционной базы данных (БД). БД содержит
описание предметной области, включая описания источников и получателей
информации, описания действий по приему и передаче данных, расписания
действий и др. В соответствии с расписанием до наступления требуемого момента
времени формируется задание (элемент БД).
Задание выполняется некоторой компонентой КППД, которая находится
в состоянии готовности и имеет доступ к БД. Результат выполнения задания
также фиксируется в БД для последующего анализа, статистического и
другого учета.
237
Архитектура комплекса
Архитектура КППД представлена на рисунке. Ядром комплекса
является БД, использование которой определяет основные качества предлагаемого
решения. Все программные компоненты взаимодействуют с БД посредством
стандартных програмных адаптеров.
Источники
Получатели
Действия
Расписания
^ xml ;
Монитор процессов"
приемо-передачи
С#
Транслятор моделй^-
предметной области
С#
База
данных
Данные
и др. __
Файловая
система
ФФ
Генератор
заданий
| Исполнитель"
заданий
Java )
О®
Internet, Intranet
Архитеетура КППД
Компоненты комплекса
КППД состоит из компонет, запускаемых в пакетном режиме, и
диалоговой компоненты, реализованной как Desktop-приложение для MS Windows.
Пакетные компоненты используются для наполнения и сопровождения БД
администратором комплекса и для удаленного обслуживания БД в
автоматическом режиме. Пакетные компоненты удаленного обслуживания БД имеют
платформонезависимую реализацию и могут располагаться на произвольном
числе серверов или рабочих станций, работающих под управлением
операционных систем Windows XP и выше, Linux с ядром 2.6.* и FreeBSD 8.1 и выше.
Диалоговая компонента позволяет осуществлять мониторинг процессов
приема-передачи данных и оперативное вмешательство для внесения
изменений по ходу работы.
Особенности реализации
Пакетные компоненты КППД представлены транслятором описания
предметной области, сервисом генерации заданий и сервисами выполнения
заданий. Транслятор разработан для ОС Windows XP в среде MS Visual Studio 2005
на языке С# и является пакетным приложением. Сервис генерации заданий на-
238
писан на диалекте SQL СУБД MySQL. Сервис запускается регулярно по
срабатыванию программного таймера.
Сервисы выполнения заданий написаны на Java в среде J2EE и так же, как
сервис генерации, инициируются программными таймерами для регулярного
опроса состояния БД и выполнения готовых к обработке заданий. Эти сервисы
могут функционировать как на отдельном сервере или рабочей станции, так
и на виртуальной машине [4].
Описание предметной области
Для описания предметной области используется собственный диалект
XML. Описание включает в себя всю имеющуюся информацию об обмене
данными со всеми участниками этого процесса: участники, группы участников,
действия, расписания.
Описание участника включает в себя контракт, регламентирующий
порядок взаимодействия, информационные ресурсы и их доступность,
выполняемые действия с этими ресурсами и расписания (или ссылки на них).
Расписание может задавать единичное выполнение действия или
повторяемое с любой регулярностью повторения.
Пример описания предметной области, состоящий из четырех файлов
(приведены только три из них: головной файл со ссылками на файлы с
логически обособленными фрагментами, файл с описанием групп и файл с
описанием участников):
<?xml version=»1.0» encoding=»windows-1251 »?>
<!- описание предметной области -->
<scheme>
<includepath=»c:\Data\groups.xml»/>
<includepath=»c:\Data\members.xml»/>
<includepath=»c:\Data\schedules.xml»/>
</scheme>
Специальный тег «include» обеспечивает возможность построения
описания предметной области в виде иерархической структуры, каждый элемент
которой имеет некоторое самостоятельное значение.
<?xml version=»1.0» encoding=»windows-1251»?>
<!- описание групп участников -->
<scheme>
<groups>
<group name=»EOP» description=»EOP data»/>
<group name=»VLBI» description=»VLBI data»/>
<group name=»SLR» description=»SLR data»/>
<group name=»GNSS» description=»GNSS data»/>
</groups>
</scheme>
239
Участники процессов обмена данными объединены в группы для
удобства администратора, ответственного за организацию работы пакета, при
визуальном контроле текущего состояния:
<?xml version=»1.0» encoding=»windows-1251 »?>
<!~ описание участников ->
<scheme>
<members>
<member group=»GNSS» name=wftp:/7iox,ucsd.edu">
<agreements>
ogreement from="2011-01-01 00:00:00" to="2011-12-31 23:59:597>
</agreements>
<resources>
<resource name=//fpub/rinex/YYYY/DOY//>
<accessibles>
accessible from=''2011-01-01 00:00:00"
to="2011-12-31 23:59:597>
</accessibles>
<actions>
<action name=//A2//>
<environments>
<environmentname=//FreeBSD//description=//Unix//>
precondition name="Ai"/>
<script path=7opt/in/bb.cmd7>
<postcondition name="Aj7>
</environment>
</environments>
<schedule name=//AS7>
</action>
</actions>
</resource>
</resources>
</member>
</members>
</scheme>
Расписание действий
Для разового выполнения действия задается конкретный момент времени,
для повторяемого действия определяется частота повторения: ежегодно,
ежемесячно, еженедельно, ежедневно и т. д.
В рамках интервала повторяемости доступно уточнение расписания.
Например, действие должно выполняться ежемесячно, кроме января и
февраля. Или, наоборот, задание должно выполняться каждый месяц, но по-разному.
В этом случае уточнение задается для каждого месяца и т. д. вплоть до
минутных интервалов времени.
Пример расписания:
<?xml version="1.0"encoding="windows-1251 "?>
<!- расписание обмена данными -->
240
<scheme>
<schedules>
<schedule name=»AS»
from=»2011-01-01 00:00:00» to=»2021 -12-31 23:59:59»>
<each_year>
<exclude_years>
<year number=»2017»/>
<year number=»2018»/>
</exdude_years>
<year>
<evenly_throughout_the_yearintervaLof_day=»30»from_day=»23»/>
<months_of_year>
<each_month>
<exclude_months>
<month number=»7»/>
</exclude_months>
<month>... </month>
</scheme>
Задания
Задания формируются сервисом генерации и представляют собой
табличную структуру в БД. Задания имеют параметр «состояние», который может
принимать значения: готовое к выполнению, выполняется, завершено,
аварийно завершено и возобновлено. Смена состояний осуществляется сервисом
выполнения, реализующим действия, определенные в описании предметной
области, на которые ссылается задание.
Алгоритмические особенности формирования заданий
Важным фактором обеспечения корректности алгоритма генерации
заданий с сохранением возможности его модификации считается
использование высокоуровневых средств написания программ. В данном случае таким
средством является версия языка описания и манипулирования данными SQL
в СУБД MySQL [5].
Сервис генерации заданий представляет собой Java-программу,
запускающую по срабатыванию программного таймера хранимую процедуру SQL,
которая и осуществляет все построения в БД. Задания формируются на
некоторый интервал времени, размер которого настраивается администратором.
Начало интервала определяется просмотром всех заданий в БД и
определением задания с наиболее поздним временем запуска. Найденный момент времени
увеличивается на минимальный квант времени, равный 1 с, и используется как
начало периода, для которого формируются задания. Хранимая процедура
использует в качестве аргумента момент времени, для которого осуществляется
просмотр расписаний в описании предметной области и выбирает те, для
которых текущее значение аргумента является допустимым. Если такое расписание
найдено, то связанное с ним описание действия используется для построения
241
задания. Для того чтобы избежать повторного формирования заданий, принята
такая интерпретация расписания, при которой два смежных момента времени
могут удовлетворять расписанию, только если они допускаются разными
фрагментами расписания. Практически это реализуется следующим ограничением:
если действие должно быть выполнено в течение некоторого периода
времени (год, месяц, день, час, минута, секунда), то задание может быть назначено
только на первую секунду этого периода. Для реального выполнения задания
всегда задается временной интервал запуска исполнимого кода,
компенсирующий накладные расходы, связанные с загрузкой оборудования, на котором
функционирует сервис исполнителя заданий.
Мониторинг процессов
Размещение всей определяющей информации о процессах
приема-передачи в БД позволяет контролировать обмен данными как в режиме реального
времени, так и посредством публикации отчетов. СУБД MySQL,
обеспечивающий удаленный доступ к БД, позволяет использовать для мониторинга
клиентские desktop- или web-приложения в режиме удаленного доступа.
Мобильность и масштабируемость
Мобильность комплекса позволяет использовать доступное оборудование
и легко расширять аппаратную базу, т. е. масштабировать решение благодаря
платформонезависимой реализации исполнительных сервисов (J2EE).
Наличие реализаций СУБД MySQL для всех операционных систем MS
Windows, Linux и FreeBSD также повышает мобильность решения.
Литература
1. Лаверов Н. Я., Крутиков В. #., Финкелъштейн А. М. Фундаментальный
сегмент координатно-временного обеспечения // Труды ИПА РАН. - СПб.:
Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 41-55.
2. Finkelstein A., IpatovA., Kaydanovsky M. et al. The "Quasar" Network
Observations in e-VLBI Mode Within the Russian Domestic VLBI Programs // IVS
2010 General Meeting Proc. "VLBI 2010: From Visual to Reality". NASA/CP-
2010-215864. December 2010 / eds. D. Behrend, K. Baver. - P. 148-152.
3. Безруков И. А., Кайдановский М. Н., Михайлов А. Г., Сальников А. И.
Технология е-РСДБ на радиоинтерферометрическом комплексе «Квазар-КВО»
// Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2010. - Вып. 21. - С. 41-47.
4. Стэмпковский В. Г., Гаязов И. С. Использование технологии
виртуальных машин в центре анализа и обработки данных ИПА РАН // Труды ИПА
РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 314-318.
5. Яргер 3., РизДж., Кинг Т. MySQL и mSQL. Базы данных для небольших
предприятий и Интернета / пер. с англ. - СПб.: Символ-Плюс, 2000. - 560 с.
242
A program Package for Reception and Transmission of Data
V, G, Stempkovsky
Exchange of observational data is a traditional task for the Centers of data
processing and analysis. Requirements for automation facilities, responsible for
collecting and publishing data include ensuring the reliability, manageability and flexibility
setting on new resources and the way for the reception and transmission of data. This
paper considers the achievement of the requirements through the use of database of
management information of the formation and use of these data. An important
factor in increasing the reliability and transparency of the solution is to use a high-level
data manipulation language SQL RDBMS.
243
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Глобальное уравнивание РСДБ-наблюдений
С Л, Курдубов, В, С, Губанов
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
С помощью программного пакета QUASAR обработано 4404
суточных РСДБ-сессии, 6 721 880 задержек. Получен уточненный каталог
координат 3493 внегалактических радиоисточников, а также каталог
координат и скоростей для 132 РСДБ-станций (для 15 станций с учетом
смещений в результате ремонтов или землетрясений). Полученные
каталоги не уступают по точности зарубежным аналогам как в случайном, так
и систематическом отношении.
Ключевые слова: РСДБ, небесная система координат, земная
система координат, параметры вращения Земли.
Программный пакет QUASAR
Программный пакет QUASAR создавался в течение последних 10 лет для
научных и прикладных исследований на основе данных РСДБ-наблюдений на
глобальных и региональных сетях станций. Пакет представляет собой
многофункциональную и многоцелевую программную систему современного
уровня. Он работает на компьютере PC Intel Pentium-IV в среде Microsoft
Windows ХР и использует языки C++ и Fortran. Первые научные результаты с его
помощью были получены в 2002 г. из обработки наблюдений по программе
NEOS-A [1]. В настоящее время создана новая версия пакета, которая
используется в Центре анализа наблюдений ИПА РАН для совместного анализа всех
доступных РСДБ-наблюдений, в том числе и на пунктах комплекса «Ква-
зар-КВО», а также для оперативных определений параметров ориентации
Земли [5]. Пакет продолжает развиваться и совершенствоваться.
Данные РСДБ-наблюдений
Для глобального уравнивания использовались все доступные суточные
серии РСДБ-наблюдений за период с 1979 по 2011 г. Результаты этих
наблюдений распространяются через Интернет в формате DBH. В ИПА РАН они
автоматически трансформируются в NGS-формат и загружаются в базу данных
Центра анализа наблюдений ИПА РАН. Затем программный пакет QUASAR
© С. Л. Курдубов, В. С. Губанов, 2012
244
преобразует эти данные для каждой серии наблюдений в компактный
бинарный файл, поступающий в собственную базу данных пакета.
Редукционные вычисления в пакете QUASAR осуществляются в полном
соответствии с рекомендациями IERS Conventions (2003), согласно которым
небесная и земная системы координат отнесены к невращающимся началам
CEO (Celestial Ephemeris Origin) и ТЕО (Terrestrial Ephemeris Origin) и к
промежуточному небесному полюсу CIP (Celestial Intermediate Pole). В качестве
опорных систем использовались ICRF-Ext.2, ITRF05, IERS(EOP)05C04, а для
вычисления тропосферных задержек - глобальные метеокарты.
Параметризация и дополнительные условия
При обработке наблюдений методом средней квадратической колокации
использовалась следующая параметризация:
- глобальные параметры (постоянны на всем интервале наблюдений):
координаты внегалактических радиоисточников, координаты и скорости РСДБ-
станций;
- суточные (постоянные в течение суточной сессии): параметры
вращения Земли (Хр, Yp, UT1-UTC, ХС9 Yc), линейный тренд тропосферной задержки
в зените, тропосферные градиенты, квадратичный тренд рассинхронизации
часов станций;
- стохастические компоненты тропосферной задержки и
рассинхронизации часов станций.
Для обеспечения стабильности решения использовались следующие
дополнительные условия:
- условия отсутствия вращений для 212 определяющих источников ICRF1;
- условия отсутствия вращений и сдвигов для 15 станций (BR-VLBА, FD-
VLBA, FORTLEZA, HN-VLBA, KP-VLBA, LA-VLBA, MATERA, NL-VLBA,
ALGOPARK, WESTFORD, WETTZELL, HARTRAO, KOKEE, NYALES20,
ONSALA60);
- не определялись координаты источников, наблюдавшихся менее 15 раз,
и скорости станций, наблюдения на которых проводились в период менее 1 года;
- сумма параметров рассинхронизации часов в одной сессии равна нулю;
- фиксирование ПВЗ для региональных сетей с плохой геометрией;
- скорости станций, расположенных на одной площадке, равны между собой.
Характеристики результатов
Обработано 4404 РСДБ-сессий с 1979 по 2011 г., всего 6 721 880 задержек.
Получены уточненные координаты и скорости 132 РСДБ-станций (для 15 из
них учитывался разрыв вследствие землетрясений или ремонтов), уточнены
координаты 3493 радиоисточников. Параметры трансформации полученного
каталога станций по сравнению с каталогом ITRF2005 приведены в табл. 1. Ть Т2,
Т3 - параметры сдвига; Ru R2, R3 - параметры поворотов; D - разница масштаба;
245
параметры вычислены по координатам 38 станций. В табл. 2 приведено
сравнение полученного каталога координат радиоисточников с каталогом ICRF2.
Таблица 1. Сравнение полученного каталога станций с каталогом ITRF2005
Эпоха
2008.0
2000.0
1997.0
Ть мм
-1.1
3.4
5.2
Тъ мм
-1.4
-0.6
-0.4
Г3, мм
-2.8
-1.5
-0.7
д ю-10
-0.6
-0.3
-0.4
Ru мс
дуги
-.054
-.019
.002
R2, мс
дуги
.010
-.123
-.181
Лз, мс
Дуги
.014
-.056
-.090
Таблица 2. Сравнение полученного каталога радиоисточников с ICRF2
Координата
RA
DE
Средняя ошибка,
мс дуги
0.2
0.2
Взвешенные СКО vs ICRF2,
мс дуги
0.05
0.07
Литература
1. Губанов В. С. и др. Сообщение ИПА РАН. - СПб., 2002. - № 141-145.
2. Губанов В. С, Курдубов С. Л. Основные результаты глобального
уравнивания РСДБ наблюдения // Письма в Астрон. журн. - 2011. - Т. 37, № 4. - С. 294-302.
3. Altamimi Z, Collilieux X. et. al. ITRF2005: A new release of the
International Terrestrial Reference Frame based on time series of station positions and Earth
Orientation Parameters // J. of Geophys. Res. - 2007. - 107, B9.
4. The Second Realization of the International Celestial Reference Frame by
Very Long Baseline Interferometry // Presented on behalf of the IERS / IVS
Working Group, Verlag des Bundesamts fur Kartographie und Geodasie. / eds: A. Fey,
D. Gordon. - Frankfurt am Main, 2009.
5. Курдубов С. Л., Скурихина Е. А. Подготовка пакета QUASAR для работы в
службе ПВЗ ИПА РАН // Труды ИПА РАН. - СПб., 2007. - Вып. 16. - С. 231-237.
The Global Analysis of VLBI Data
S, Lu Kurdubov, V, S, Gubanov
By means of the new version of domestic multipurpose program system
QUASAR the joint processing of all available observations derived on global
VLBI-networks during 1979-2011 is executed. The new specified and the expanded
versions of the international reference systems of extragalactic radio sources and
terrestrial VLBI-stations coordinates, and also a new independent series of the Earth
orientation parameters are received. The research of accuracy of these results has
shown, that they are at level of the best definitions in the other international centers
of the VLBI-data analysis.
246
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Уточнение параметров модели океанической приливной
нагрузки по данным измерений ГЛОНАСС/GPS
А. А. Клюйков, С. П. Кузин, С. К. Татевян
Институт астрономии РАН, г. Москва, Россия
В связи с высокой точностью определения положения пунктов по
наблюдениям космических аппаратов спутниковых навигационных
систем ГЛОНАСС и GPS при обработке измерений необходимо учитывать
весьма «тонкие» эффекты, к которым относится влияние океанической
приливной нагрузки на положение пункта. Уточнение параметров этой
нагрузки может выполняться двумя способами. Первый способ основан
на включении этих параметров в число уточняемых при математической
обработке наблюдений космических аппаратов спутниковых
навигационных систем. Второй способ заключается в аппроксимации поправок
к координатам пунктов, полученных из математической обработки
данных наблюдений космических аппаратов спутниковых навигационных
систем на суточном временном интервале, рядом Фурье. В качестве
параметров этого ряда используются амплитуды и фазы океанической
приливной нагрузки, значения которых уточняются по методу наименьших
квадратов.
В докладе изложены результаты исследований, полученных вторым
способом.
Ключевые слова: океаническая приливная нагрузка, прилив,
математическая модель, спектральный анализ, фаза, гармоника, пункт.
Введение
В настоящее время решение многих научных и практических задач
и в первую очередь задач координатно-временного и навигационного
обеспечения требует получения объективной высокоточной информации о
пространственном положении объектов в различные моменты времени. Это достигается
на основе использования результатов, полученных современными средствами
космической геодезии в виде высокоточных земных систем координат, и
измерительной информации, получаемой с помощью спутниковой навигационной
аппаратуры. При этом современная точность решения координатной задачи
находится на сантиметровом уровне.
) А. А. Клюйков, С. П. Кузин, С. К. Татевян, 2012
247
Поддержание такого уровня точности решения координатной задачи
требует учета различных факторов, влияющих на положение пунктов
наблюдения в заданной системе координат. Прежде всего это относится к деформациям
земной коры, вызванным различными процессами, происходящими как
внутри самой Земли, так и при взаимодействиях с внешними небесными телами
и окружающими твердую Землю оболочками (атмосферой, гидросферой, кри-
осферой). Причем точность моделирования деформаций должна быть выше
или по крайней мере сравнима с точностью координатных определений.
В настоящей статье рассматриваются вопросы, связанные с учетом
изменений положений наземных пунктов вследствие воздействия океанической
приливной нагрузки.
Учет влияния океанической приливной нагрузки
на положение пункта наблюдения
Океаническая приливная нагрузка представляет собой деформацию
поверхности морского дна и прибрежной суши в ответ на перераспределение
больших масс воды, вызванное океаническим приливом. Реакция океанов на
это гравитационное воздействие отличается от реакции твердой Земли и
сильно зависит от локальных и региональных условий, которые воздействуют на
океанический прилив. Конечные аналитические выражения не могут
адекватно глобально описать реакцию на океанический прилив. Поэтому учет влияния
океанического прилива осуществляется в узлах глобальной сетки с
использованием современных моделей океанических приливов.
В настоящее время на основе совместной математической обработки
наземных приливных и спутниковых альтиметрических измерений получены модели
океанических приливов, основные параметры которых приведены в табл. 1.
Современные модели океанического прилива имеют достаточно высокую
точность за счет совместного использования наземных приливных данных
и спутниковых альтиметрических измерений (например, TOPEX/POSEIDON).
Количественные характеристики смещения пункта, обусловленного
влиянием океанической приливной нагрузки, вычисляются по формуле
bc = ^Acjcos<Xj(t)-^), (1)
J
где Ас - компонента смещения Дх, Ay, Az; Acj - амплитуда океанического
прилива дляу'-й приливной волны; фсу - фаза океанического прилива для у
приливной волны; 50 - астрономический аргумент на t = 0\ Индексу пробегает
главные лунные и солнечные приливы.
Исходными данными для расчетов по формуле (1) являются значения
амплитуды Аск и фазы Фск для 11 главных лунных и солнечных приливов, которые
вычисляются автоматизированной службой океанической приливной нагрузки
(http://129.16.208.24/loading) с использованием соответствующей модели
океанического прилива и доводятся до потребителей на основании их запроса.
248
Таблица 1. Основные параметры современных моделей океанических приливов
Model code
Schwiderski
CSR3.0, CSR4.0
TPX05
TPX06.2
TPXO7.0,
TPX07.1
FES94.1
FES95.2
FES98
FES99
FES2004
GOT99.2b,
GOT00.2
GOT4.7
EOT08a
AG06a
NA0.99b
Reference
Schwiderski (1980)
Eanes(1994)
Eanes and Bettadpur
(1995)
Egbert etal. (1994)
Egbert et al. (2002)
idem
Le Provost etal. (1994)
Le Provost etal. (1998)
Lefevre et al. (2000)
Lefevre et al. (2002)
Letellier(2004)
Ray(1999)
idem
Savcenko et al. (2008)
Andersen (2006)
Matsumoto et al. (2000)
Input
Tide gauge
TOPEX/Poseidon altim.
T/P+LEPR loading
Inverse hydrodyn. Solution
from T/P altim.
Idem
Idem
Numerical model
Numerical model+assim.
altim
Numerical model+assim.
tide gauges
Numerical model+assim.
tide gauges and altim.
Numerical model
T/P
Idem
Multi-mission altimetry
Multi-mission altimetry
Num. +T/P assim.
Resolution
1° x 1°
1° x 1°
0.5° x 0.5°
256x512
0.25° x 0.25°
idem
0.5° x 0.5°
0.5° x 0.5°
0.25° x 0.25°
0.25° x 0.25°
0.125° x 0.125°
0.5° x 0.5°
idem
0.125° x 0.125°
0.5° x 0.5°
0.5° x 0.5°
Для повышения точности учета влияния океанической приливной нагрузки на
положение пунктов наблюдений необходимо выполнить уточнение значений
амплитуды Аск и фазы Фск для 11 главных лунных и солнечных приливов. Это
можно выполнить двумя способами.
Первый способ основан на включении в число уточняемых параметров
амплитуды Аск и фазы Фск при 1 < к < 11 при математической обработке
измерений.
Второй способ заключается в аппроксимации поправок к
предварительным значениям координат пункта наблюдения рядом Фурье,
представленным формулой (1). Далее МНК выполняется уточнение значений амплитуд Аск
и фаз Фск. Второй подход может быть использован также в случае, если значения
амплитуд Аск и фаз Фск по каким-то причинам нам неизвестны. При этом
предлагается использовать двухэтапную процедуру, разработанную д-ром техн.
наук В. Г. Максимовым (см. Научно-технический отчет 29 НИИ Минобороны
РФ).
249
Процедура уточнения параметров модели океанической приливной
нагрузки
Данная процедура состоит из двух этапов: спектрального анализа
временного ряда и уточнения амплитуд и фаз отобранных гармоник. Исходными
данными для решения задачи в соответствии с математической моделью являются:
- дискретно заданные значения анализируемого временного ряда;
- интервал спектрального анализа (задается в виде максимального и
минимального значений искомых периодов гармоник);
- дискретность просмотра интервала спектрального анализа;
- допуск на включение текущей гармоники в число определяемых;
- дискретность фазы;
- допуск на число итераций решения.
Для корректного проведения спектрального анализа должно быть
исключено среднее значение временного ряда.
Этап 1. Спектральный анализ временного ряда. Полученные
после удаления среднего значения данные используются для определения
спектральных характеристик (амплитуд и фаз). Спектральный анализ выполняется
в следующей последовательности (рис. 1):
1) для предварительного значения периода из заданного интервала
спектрального анализа, включая граничные значения, вычисляется круговая частота
(ок = 2п/Рк, (2)
где к- индекс к-й гармоники, число которых подсчитывается по формуле
k = (PmttK-Pmin)/AP. (3)
Здесь Pmax, Pmin - граничные значения интервала спектрального анализа
временного ряда; АР - дискретность просмотра интервала спектрального
анализа;
2) полагая, что фаза каждой из гармоник принимает значение от 0 до 2я,
разобьем этот интервал в соответствии с заданной дискретностью на L равных
частей. Таким образом, каждому предварительному значению круговой
частоты (отбудут соответствовать L предварительных значений фаз;
3) для предварительного значения круговой частоты и L-значений фаз
вычисляются значения процесса, соответствующего гармоническому слагаемому
в (2), по формуле
Z, = ^cos(gV, + Q, (4)
гдеАк= 1;
4) для каждого из L-значений фаз вычисляется спектральная
характеристика в соответствии с формулой
S = A/y[BCl (5)
гдеЛ = £^; В = £г&; C = £i>i>; iJ=Z4*cos(©tft-/0) + /4);
1=1 i=l 1=1 *=1
250
1. Определение параметров тренда, оценка их
значимости; удаление тренда
Нет
2. Удаление тренда
х
3. Поиск значения фазы для каждой гармоники ф
заданного интервала
4. Поиск вероятного значения частоты для
каждой гармоники из заданного интервала
I
5. Оценивание по методу наименьших квадратор
амплитуды, частоты и фазы для каждой из
отобранных гармоник
Нет
5. Удаление из исследуемых данных значимой
гармоники |
6. Переход к следующей гармонике из
рассматриваемого интервала
7. Совместное оценивание по МНК амплитуд,
частот и фаз всех значимых гармоник
Рис. 1. Алгоритм выполнения спектрального анализа временного ряда
5) в последовательности значений S, полученной на шаге 4, выбирается
максимальное значение, соответствующее вероятному значению фазы для
данной гармоники.
6) шаги 1-5 выполняют для каждого предварительного значения периода
из интервала спектрального анализа;
7) после выполнения шагов 1-6 каждому предварительному значению
частоты (периода) будет поставлено в соответствие значение фазы и
спектральной характеристики S. Далее в последовательности значений
спектральных характеристик отыскивается максимальное значение S, которое позволяет
идентифицировать значимую гармонику, т. е. определить ее период. По этому
максимальному значению спектральной характеристики в массиве фаз
отыскивается значение искомой фазы.
251
Описанные в шагах 1-7 операции технологически можно представить
в виде следующей схемы:
1) ш,(Р,) (02(Р2) ... шк(Рк)
2), 3)/ij/2,...j/i f\fi,...f\ ... f\fi,—f\
5), 6)
7) Siaax =>ю.(Р,)
У i max
Этап 2. Уточнение амплитуд и фаз отобранных гармоник.
Выполняется уточнение параметров гармоники, найденной на первом этапе,
и ценка ее эффективности в соответствии со следующим алгоритмом:
1) используя полученные в шаге 7 первого этапа значения круговой
частоты (периода) и фазы в качестве начальных и полагая предварительное значение
амплитуды равным нулю, выполняют по МНК определение амплитуды и фазы
найденной гармоники;
2) с использованием уточненных значений амплитуды и фазы на всем
временном интервале задания ряда вычисляются значения процесса по формуле (4);
3) расчет вектора остаточных уклонений
\i = Xi-Ziupni=l92,^rn; (6)
4) оценка значимости найденной гармоники, названная эффективностью
гармоники, вычисляется по формуле
е# = 2^.100, (7)
где YJI - сумма произведений свободных членов уравнений поправок.
Гармоника считается значимой, если оценка (7) удовлетворяет заданному
уровню критерия эффективности. В этом случае значения ее круговой
частоты, амплитуды и фазы записываются в соответствующие массивы, а значение
процесса, генерируемого этой гармоникой удаляется из исходного временного
ряда; в противном же случае переходят к уточнению параметров и оценке
эффективности следующей найденной гармоники.
Результаты экспериментальных вычислений
С использованием описанной выше процедуры были выполнены
экспериментальные вычисления для пункта ARTU. Исходными данными для решения
задачи уточнения параметров модели океанической приливной нагрузки были
результаты координатных определений, выполненных на пункте ARTU на
суточном временном интервале в течение 128 сут. Исследуемый временной ряд
(рис. 2) представлял собой разность координат пункта, полученных без учета
влияния океанической приливной нагрузки и с учетом влияния этого фактора.
252
dXYZ(AKTU)-ev.
Рис. 2. Значения временного ряда и его изменения
Условия решения задачи были следующими:
- интервал пробных периодов от 2 до 28 сут;
- дискретность пробных периодов 0.5 сут;
- дискретность фазы 5°;
- число значений временного ряда 128;
- дискретность временного ряда 1 сут;
- допуск значимости гармоники 5 %.
В результате использования вышеприведенной процедуры были
получены параметры гармоник, приведенные в табл. 2. Эти значения используются
для вычисления поправок в координаты пунктов за влияние океанической
приливной нагрузки.
Таблица 2. Параметры гармоник океанической приливной нагрузки для пункта ARTU
Номер
Период,
сут
Амплитуда,
мм
Частота,
рад/сут
Фаза,
рад
Эффективность,
%
РХ(3)
1
2
3
13.5
27.5
12.5
0.3833
0.2112
0.0678
0.470
0.233
0.500
1.310
4.890
1.570
57.77
4144
7.34
DY(6)
1
2
3
4
5
6
28.0
15.0
13.0
9.5
10.0
11.0
0.1892
0.1120
0.0808
0.0612
0.0646
0.0598
0.220
0.420
0.480
0.660
0.630
0.570
5.760
2.620
1.400
0.610
5.670
1.220
28.83
14.04
8.55
5.32
6.28
5.68
DZ(3)
1
2
3
13.5
9.0
15.0
0.4746
0.1908
0.1812
0.470
0.700
0.420
4.890
4.010
1.050
41.38
11.29
11.54
253
Направления дальнейших исследований
Основными направлениями дальнейшего совершенствования методики
являются:
- разработка процедуры совместного уточнения амплитуды, частоты
и фазы гармоник как на этапе отбора, так и на этапе совместного уравнивания;
- разработка методики отбора и исключения из модели «ложных»
гармоник;
- идентификация гармоник математической модели, имеющих
физический смысл и позволяющих повысить точность поправок за влияние
океанической приливной нагрузки на положение пунктов наблюдения.
Improvement of the Oceanic Tide Loading Model
with the Use of GLONASS/GPS Measurements
A, A, Kluykov, S, P. Kuzin, S, K. Tatevian
Taking into account a high accuracy of the point positioning with the use of
GPS and GLONASS observations, rather small effects due to ocean tides have to
be considered. An improvement of the existing ocean tidal models may be done
by two methods. The first one is based on the inclusion of model parameters in
the set of unknown parameters when measurement data are processed. The second
one consists in approximation of the corrections to the points coordinates, estimated
by the processing of the GNSS measurements on the daily time interval, with the
Fourier analyses. As the parameters of this set, amplitudes and phases of the ocean
tides are used, which are adjusted by the Least Square method. In this paper the
results, obtained by the second method, are presented.
254
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Приливные деформации Земли
по данным РСДБ-наблюдений
В, С Губанов, С, Л, Курдубов
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Из анализа РСДБ-наблюдений, выполненных в 1985-2010 гг.
по международным геодезическим программам на глобальных
сетях станций, получены статистически значимые оценки поправок
к параметрам лунно-солнечных приливов - номинальным
значениям комплексных чисел Лява/Шида. Новые интегральные (не
зависящие от частоты) значения этих параметров (в 10"*) равны: а) для
полного прилива И® = (6113 ± 3) - (34 ± 4)/, *°> = (843 ± 1) - (9 ± 1)/;
б)длясуточнь1Хприливов/7(0) = (6113±3)-(10±6)/,/(°)=(843±1)-(8±1)/;
в) для полусуточных приливов /*(0) = (6106 ± 3) - (24 ± 3)/, Л0)= (843 ± 1) +
+ (3 ± l)i.
Для 50 РСДБ-станций обнаружен новый эффект асимметрии
горизонтальных приливных смещений в направлении тектонических
движений этих станций.
Ключевые слова: РСДБ, приливные деформации, числа Лява, ас-
симетрия приливных смещений.
Введение
Теория приливных деформаций Земли, изложенная в [10], является частью
нового астрометрического стандарта IERS Conventions (2010). В приложении
к этому документу публикуется ФОРТРАН-программа [4] для вычисления
приливных смещений любой точки земной поверхности. Эта теория содержит
семь независимых параметров, называемых числами Лява А(0), й(2), h' и Шида
Р\ Р\ Р\ Г соответственно. Числа Лява характеризуют радиальные приливные
смещения коры, а числа Шида - перпендикулярные к ним (трансверсальные)
смещения. Наибольшую роль играют так называемые «номинальные»
значения чисел Лява й(0) = 0.6078 и Шида /(0) = 0.0847, с помощью которых
описываются главные приливные смещения. Остальные пять параметров й(2), /(2), /(1), h',
Г имеют порядок Ю-4 и относятся к небольшим дополнительным смещениям,
вызванным эллиптичностью Земли и силой Кориолиса.
Из-за вязкости мантии Земли и динамики океана все твердотельные
приливы запаздывают по фазе, поэтому указанные выше числа Лява/Шида явля-
© В. С. Губанов, С. Л. Курдубов, 2012
255
ются комплексными величинами вида h = hR + Ш\ 1 = Р +1% где A*, lR —
действительные (in-phase), а А7, V- мнимые (out-of-phase) части этих чисел. Кроме того,
эти числа зависят еще и от частоты приливных гармоник. Данная зависимость
вызвана резонансными эффектами, которые создаются свободными
колебаниями оболочек вращающейся Земли. Главный резонанс порождается обратной
свободной нутацией жидкого ядра (RFCN). Остальные резонансы создают на
порядок меньшие эффекты. Дополнительный резонанс, связанный
динамическим приливом в Мировом океане, также учитывается для суточных приливов.
Все оценки комплексных чисел Лява/Шида и частотно-зависимых
поправок к ним получены Мэтьюсом [8] теоретически с помощью модели
внутреннего строения Земли PREM (Preliminary Reference Earth Model), построенной
в [5] на основе глобальных сейсмических данных. Поскольку эта теория
прямо не использует каких-либо приливных параметров (кроме резонансных
частот), полученных непосредственно из позиционных наблюдений, цель
настоящей работы состоит в том, чтобы попытаться определить хотя бы некоторые из
них путем анализа наиболее точных рядов РСДБ-наблюдений, выполненных
на протяжении последних 25 лет на глобальных сетях станций. Для этого
были разработаны и включены в процедуру DEHANTTIDEINEL.F [4] алгоритмы
вычисления частных производных приливных смещений по определяемым
параметрам. Такая попытка делается, по-видимому, впервые, поскольку
выполненные ранее определения чисел Лява/Шида из РСДБ-наблюдений получены
лишь для центробежного полюсного прилива и главных гармоник зональных
долгопериодических лунно-солнечных приливов, для параметризации
которых необходимо знать лишь частоты этих гармоник [10].
Таким образом, удалось получить статистически значимые оценки
номинальных значений чисел Лява/Шида и запаздывания приливов по фазе сначала
для суммарного (полного) прилива, а затем для суточных и полусуточных
приливов раздельно. Полученные оценки оказались почти на два порядка точнее
предыдущих определений. Кроме того, удалось обнаружить новый эффект -
асимметрию горизонтальных приливных смещений, связанную с тектоническими
движениями станций. Однако точности РСДБ-наблюдений все еще не хватает
для тонких исследований подобного рода. Ситуация может измениться после
привлечения к решению этой задачи GPS-данных, а затем и внедрения новых
РСДБ-технологий в соответствии с международной программой VLBI-2010.
Запаздывание по фазе для полного прилива
В теории земных приливов, изложенной в [9], запаздывание приливов
по фазе не определено и прямо не используется. В связи с этим становится
непонятным, к какой величине относится найденная нами поправка угла
запаздывания АО = (0.110 ± 0.014)°. В указанной теории запаздывание
приливов учитывается косвенно путем введения комплексных чисел Лява/Шида. Для
полусуточных приливов, не подверженных резонансам, эти числа имеют вид
А(0) = 0.6078 - 0.0022/, /<°> = 0.0847 - 0.0007/. (1)
256
В соответствии с [11] угол запаздывания определяется как
00 = arctg (-Im/re)
поэтому согласно выражениям (1) получаем 0h0 = 0.207°, 070 = 0.474°. Примем
среднее значение этих величин, что дает оценку 00 = 0.340°. Прибавляя к ней
найденную нами поправку, находим 9 = 90 + Де = (0.450 ± 0.014)°.
Альтернативным способом определения теоретического запаздывания
приливов по фазе является его определение с помощью численного
моделирования эквипотенциальной поверхности приливообразующего потенциала.
Угол между наибольшей осью этой поверхности, близкой к сфероиду
вращения, и направлением на светило будет равен эффективному углу запаздывания.
Этот способ предполагается апробировать в будущем.
Числа Лява/Шида для полного прилива
Для модели приливных деформаций, не учитывающей резонансные
эффекты, получены статистически значимые поправки к вещественным (in-
phase) компонентам чисел Лява/Шида. Суммируя их с соответствующими
величинами в (1), получаем новые значения:
ReA<°> = 0.6078 + 0.0035 = 0.06113 ± 0.0003;
Re/<°> = 0.847 - 0.0004 = 0.0843 ± 0.0001. ( )
Используя найденное выше значение запаздывания полных приливов по
фазе 0 = (0.450 ± 0.014)° и формулу Im = - Re tgO, находим мнимые части чисел
Лява и Шида: ImA(0) = - 0.0048 ± 0.0002,1т/(0) = - 0.0007 ± 0.0000. Складывая
эти поправки с мнимыми частями (1) и учитывая (2), получаем
А<°> = (0.6113 ± 0.0003) - (0.0048 ± 0.0001)/;
/<°> = (0.0843 ±0.0001)- (0.0007 ± 0.0000)/. ( )
Числа Лява/Шида для суточных и полусуточных приливов
Результаты совместного определения вещественных и мнимых компонент
чисел Лява и Шида для суточных и полусуточных приливов можно
представить следующими выражениями:
а) для суточных приливов
А<°> = (0.6106 ± 0.0003) - (0.0010 ± 0.0006)/;
/<°> = (0.0843 ± 0.0001) - (0.0008 ± 0.0001)/. ( )
б) для полусуточных приливов
А(0) = (0.6106 ± 0.0003) - (0.0024 ± 0.0003)/;
/<°> = (0.0843 ± 0.0001) - (0.0003 ± 0.0001)/. ( )
Сравнение с другими определениями
В таблице для сравнения показаны результаты определений чисел
Лява/Шида из РСДБ-наблюдений, полученные другими авторами [10].
257
Сводка определений чисел Лява/Шида из РСДБ-наблюдений
Автор
Л. Петров
R. Haas,
Н. Schuch
J. Gipson,
С. Ma
Л. Петров
B. Губанов,
C. Курдубов
Год
1995
1997
1998
2000
2011
Прилив
Полярный
Зональный
Полярный
Полярный +
зональный
Полный
суточный +
полусуточный
Re/z
0.65 ± 0.20
0.56 ± 0.04
0.65 ± 0.02
0.60 ±0.01
0.6113 ±0.0003
0.6106 ±0.0003
Re/
0.11 ±0.05
0.100 ±0.009
0.087 ± 0.007
0.092 ± 0.04
0.0843 ±0.0001
0.0843 ±0.0001
Литература
{.Губанов Я. С, Курдубов С. Л., Суркис И. Ф. Новая версия пакета
QUASAR для обработки РСДБ-наблюдений // Труды ИПА РАН. - СПб., 2007.
-Вып. 16.-С. 61-83.
2. Губанов 5. С. Обобщенный метод наименьших квадратов. Теория и
применение в астрометрии. - М.: Наука, 1997. - С. 40.
3. Дарвин Дж. Г. Приливы и родственные им явления в Солнечной
системе.-М: Наука, 1965.-С. 185.
4. Dehant V. Subroutine to compute tidal corrections of station displacements
caused by lunar and solar gravitational attraction. - 2010. - URL: http://tai.bipm.
org/iers/conv2010/conv2010_c7.html.
5. DziewonskiA., Anderson D. Z,., Phys. Earth Planet // 25 - 1981. - P. 297-356.
6. Cartwright D. E., Edden A C. // Geophys. J. R. astr. Soc. - 1973. - 33 -
P. 253-264.
7. Машимов М. М Теоретическая геодезия. - M.: Недра, 1991. - С. 16.
8. Mathews R M, Buffet В. A., Shapiro L L Geophys // Res. Lett. - 1995. - 22
(5), 579-582, doi: 10.1029/95GL00161.
9. Petit G. Luzum B. IERS Techn. Note No 36 (2010) / eds. G. Petit, B. Luzum.
- URL: http://w\v\v.iers.org/IERS/EN/Publications/Technical Notes/tn36.html.
10. Petrov L. 14th Earth tide Symp. in Mizusawa, 28 AUG 2000 - 02 SEP 2000.
- 2000. - URL: http://astrogeo.org/petrov/love_numbers.html.
11. Ray /?. Z)., Eanes /?. J., Lemoine E G. Constraints on energy dissipation in
the Earth's body tide from satellite tracking and altimetry // Geophys. J. Int. - 2001.
-144.-p. 471^180.
258
Tidal Deformation of the Earth from VLBI Data Analysis
V, S, Gubanov, S, L, Kurdubov
From the analysis of VLBI observations carried out in 1985-2010 by
international geodetic programs on global network, statistically significant corrections to
the parameters of the lunar-solar tides as the complex Love/Shida numbers were
obtained. The new nominal (independent of frequency) values of these parameters (in
10-4) are followings:
a) for total tide
A<°> = (6113 ± 3) - (34 ± 4)i, /<0) = (843 ± 1) - (9 ± l)i;
b) for diurnal tides
hf® = (6113 ± 3) - (10 ± 6)i, /(0) = (843 ± 1) - (8 ± l)i;
c) for semi-diurnal tides
A<°> = (6106 ± 3) - (24 ± 3)i, /(0)= (843 ± 1) +(3 ± l)i.
The frequency dependent effects of resonances in the diurnal tides failed to
evaluate because of the existence of close frequencies in their harmonic expansion.
Insufficient accuracy of the observations could not be corrected of the transfer
function even for the main part of these resonances excited by the retrograde free
core nutation. In the future, for this purpose is proposed to involve positional
data GPS-measurements. But for 50 VLBI stations have discovered a new effect
of the asymmetry of the horizontal tidal displacement in the direction of tectonic
movements of these stations.
259
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Влияние нагрузочных эффектов в ГНСС-наблюдениях на
результаты геодинамических исследований
В. Л. Горшков1, С. С. Смирнов2, Н. В. Щербакова1
Тлавная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН,
г. Санкт-Петербург, Россия
2Астрономический институт СПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия
По данным перманентных ГНСС-станций, охватывающих бассейн
Финского залива, исследовано влияние атмосферных и гидрологических
нагрузочных эффектов на положения станций за 2006-2010 гг. Показано,
что учет гидрологических нагрузок почти полностью снимает сезонные
вариации в GPS-наблюдениях. Вычисленные после учета нагрузок
горизонтальные скорости перемещения станций использованы для оценки
поля деформаций исследованного региона.
Ключевые слова: атмосферные нагрузки, станция, поправка,
сезонные вариации, поле деформации.
Введение
Одна из актуальных проблем геодинамики северо-запада Европы -
исследование послеледникового поднятия этого региона. Подъем максимален
(1 см/год) на севере Ботнического залива и плавно уменьшается к краям
Балтийского щита. В частности, через Ленинградскую область проходит
граница этого поднятия, сменяющаяся далее на юго-востоке слабой депрессией.
С этим переходным регионом, рассечённым долиной Невы и Финским
заливом, можно связать зоны внутриплитовой нестабильности и разломов. В этой
статье, продолжающей исследования [2, 3], геодинамика региона,
окружающего Финский залив, изучена по данным расширенной сети ГНСС-станций с
учетом нагрузочных возмущений.
Данные и метод обработки наблюдений
Большинство исследуемых станций (METS, SUUR, TOIL, SVTL, PULK)
включены в европейскую сеть (EPN), и их данные доступны для общего
пользования на сайте: http://epncb.oma.be/. Для станции VIRO, входящей в
национальную геодезическую сеть Финляндии, использовалось решение из [1]. На
О В. Л. Горшков, С. С. Смирнов, Н. В. Щербакова, 2012
260
станции SPBU (АИ СПбГУ) используются приёмник Javad Lexon GGD (JPS
E_GGD) и антенна JNS Choke Ring (JAVRINGANT_DM).
Обработка наблюдений с помощью пакета GIPSY-OASIS II (5.0
версия) была произведена в ГАО РАН с использованием стратегии РРР
(точное определение положения станции). Координаты отнесены к эллипсоиду
WGS84 и переведены в систему IGS05. Необходимые для обработки
точные орбиты спутников, поправки часов и параметры вращения Земли взяты
с сайта: ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/. Фазовые неоднозначности решались
с помощью пакета AMBIZAP-2 [4]. Применялись абсолютная
калибровка антенн и модель тропосферы GMF. Океанические приливные
нагрузки учитывались по данным соответствующей службы [5]. Для обработки
GPS-наблюдений использовались только полные суточные данные всех
станций. Помимо этого были удалены некачественные наблюдения по
элементарным статистическим критериям.
rr(mm)
h3.5
[-3,4
ЬЗ.З
2011
o(mm)
aoto asи
n(mm)
Рис. 1. Вариации вертикальных компонент для некоторых станций, оценки сезонных
вариаций, а также сглаженные вариации суточных ошибок а (пунктирная линия,
шкала справа)
На рис. 1 представлены вариации высот некоторых станций. Для всех
станций в зимний сезон происходит уменьшение высоты, т. е. нагрузки в этот
период максимальны. Проявление сезонности заметно не только в положениях
станций, но и в вариациях их суточных ошибок вертикальной составляющей.
При этом сезонность в ошибках вертикальных составляющих менее выражена
и различна для разных станций вплоть до противоположного проявления.
Анализ и учет нагрузочных эффектов
Поправки за атмосферные нагрузки для всех станций интерполировались
по данным соответствующей службы VLBI [6]. Для исследуемых станций эти
261
поправки в пиковых значениях достигали 20 мм в вертикальных компонентах
станций и 2 мм в горизонтальных. Вариации атмосферных нагрузок имеют
существенную составляющую на частотах погодных вариаций барических полей.
Поэтому учет этих поправок незначительно уменьшает шумовые
характеристики вертикальной составляющей в рядах положений. При этом сезонная
составляющая в рядах положений станций также уменьшается примерно на 10 %.
Вариации уровня грунтовых вод GWскладываются из остающихся в
верхнем слое почвы осадков Р после того, как часть его испарится (£) или стечет по
поверхности или внутрипочвенным стокам (R):
GW=P-R(T)-E(T).
Механизмы стока и испарения функционируют главным образом в сезоны
с положительными температурами Т с некоторыми задержками после
выпадения осадков, определяя влажность почвы. Осадки также имеют иногда
значительную региональную сезонность. Снежные осадки не подвержены стоку
и испарению в такой мере, как дождевые, особенно в холодные зимы, и
поэтому менее переменны и доминируют в значении нагрузок. Этот механизм
осадконакопления приводит к нагрузочному эффекту с выраженной
сезонности), доходящей до 20 мм в вертикальных составляющих и до 5 мм - в
горизонтальных. Нагрузочные поправки за динамику грунтовых вод для всех станций
интерполировались нами по данным с сайта: http://astrogeo. org/hydlo/,
вычисленным по аналогичной методике, предназначенной для получения
атмосферных нагрузок.
В гидрологических нагрузках, имеющих в механизме своего образования
демпфирующие элементы, практически отсутствует высокочастотная
составляющая. После учета этих нагрузок в рядах практически исчезает сезонная
компонента. Однако остаточная сезонность, часто даже с обратным знаком, как это
видно из рис. 2, все же присутствует в рядах положений из-за неадекватности
модельных данных конкретным гидрологическим особенностям места
наблюдения.
мм METS
10-1 ^х ,
\ / / ^-^Г
1 v \ г I " \ У
v у / v/
-10 J \У
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Рис. 2. Сезонная компонента в высоте станций до учета нагрузок (сплошная линия)
и после учета всех нагрузок (пунктирная линия)
262
Геодинамика региона
После учёта всех вышеперечисленных нагрузочных поправок методом
наименьших квадратов были оценены скорости станций по широте, долготе
и высоте (см. таблицу). Оценки горизонтальных скоростей станций так же,
как их ошибки, практически не изменяются при учете нагрузочных поправок,
что естественно ввиду их «вертикального» характера. Вертикальные скорости
значительно меняются при учете этих поправок, а их ошибки, как уже
упоминалось, уменьшаются незначительно. Заметим, что остаточная сезонность
в рядах не столь существенна для оценки скоростей, так как в основном ряды
содержат целое число лет наблюдения.
Скорости станций в зависимости от учитываемых нагрузок
Станция
SPBU
PULK
SVTL
TOIL
SUUR
METS
Число
дней
1359
1520
1451
866
1416
1430
VN, мм/год
без
нагрузки
11.49±.07
11.96 ±.06
11.50 ±.06
12.30±.16
12.11±.07
12.76±.06
с
нагрузкой
11.56±.07
12.01±.06
11.54±.06
12.52±Л6
12.14±.07
12.76±.06
VE, мм/год
без
нагрузки
20.63±.06
21.37±.06
21.39±.06
20.30±.15
20.58±.07
19.92±.07
с
нагрузкой
20.60±.07
21.33±.07
21.29±.06
20.18±. 15
20.34±.07
19.79±.07
Vv, мм/год
без
нагрузки
2.34 ±.24
-1.86
±17
1.18 ±.19
3.20 ±.35
3.09 ±.31
3.66 ±.16
с
нагрузкой
4.50±Л9
0.21±.16
З.Ш.15
4.46±.34
4.14±.22
5.42±.14
По взаимным горизонтальным скоростям этих станций можно оценить
геодинамику региона. Предварительно горизонтальные скорости станций
были редуцированы за движение Евроазиатской плиты в системе ITRF2005 [7].
На рис. 3 слева приведены остаточные скорости, использованные для оценки
локальных деформаций AL/L, выраженные в нанострейнах за год, с помощью
программного обеспечения GRID-STRAIN [8].
Рис. 3. Поле остаточных горизонтальных скоростей исследуемых станций после
учета модельного движения плиты в системе ITRF2005 (слева) и поле деформаций,
порожденное полем взаимных скоростей станций (справа)
263
Справа на рис. 3 полужирные стрелки обозначают высокозначимые
величины деформаций (сжатия-расширения), пунктирные - средне значимые в
узлах сетки 55 х 55 км. Видно субмеридиональное сжатие в районе Финского
залива и Невской губы, что в целом отражает ситуацию на южных окраинах
Фенноскандии, испытывающей посттляциологическое поднятие.
Литература
1. Lidberg M., Jonsson J. M. et. al Recent results base on continuous GPS
observations of the GIA process in Fennoscandia from BIFROST // J. Geod. - 2010. -
Vol.50.-Doi:10.1016/j.jog.2009.11.010.
2. Щербакова Н. В., Горшков В. Л. Динамика взаимных положений ряда
GPS-станций северо-западного региона Европы // Геодезия и картография. -
2007.-№11.-С. 15-18.
3. Галаганов О. К, Горшков В. Л. и др. Исследование вертикальных
движений в районе Ладожского и Онежского озер по GPS-данным // Труды ИПА
РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 261-265.
4. Blewitt G Fixed point theorems of GPS carrier phase ambiguity resolution and
their application to massive network processing: Ambizap // J. Geophys. Res. - 2008.
-Vol. 113.-B12410.-Doi:10.1029/2008JB005736.
5. Scherneck H. G A parameterized solid Earth tide model and ocean tide
loading effects for global geodetic baseline measurement // Geoph. J. Int. - 1991. -
Vol. 106.-677-694.
6. Petrov L., Boy J.-P. Study of the atmospheric pressure loading
signal in VLBI observations // J. Geophys. Res. - 2004. - Vol. 109, № B03405.
10.1029/2003 JB002500.
7. Altamimi Z, Collilieux X., Legrand J., Garayt В., Boucher C. ITRF2005:
A new Release of the International Terrestrial Reference Frame based on Time Series
of Station Positions and Earth Orientation Parameters // J. Geophys. Res. - 2007. Vol.
112. B09401. -Doi:10.1029/2007JB004949.
8. Teza G., Pesci A., Galgaro A. Gridstrain and grid_strain3: Software packages
for strain field computation in 2D and 3D environments // Computers & Geosciences.
-2008.-Vol. 34, №9.-P. 1142-1153.
Influence of GNSS Loading Effects in Geodynamical Studies
V, Le Gorshkov, S, S, Smirnov, N, V, Scherbakova
GPS observations of six permanent stations from Russia, Estonia and Finland
around of Gulf of Finland for 2006-2010 years were used for study of atmospheric
and hydrologic loading effects on position of stations. The hydrologic loading effect
defines almost full seasonal variations in GNSS-observations. Corrected for all loading
effects velocity of stations were used for assessment of strain field of this region.
264
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Исследование движения геоцентра
по данным измерений систем DORIS и GPS
С. П. Кузин , С. К. Татевян , С. Г. Валеев , В. А. Фасхутдинова
Институт астрономии РАН, г. Москва, Россия
ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»,
г. Ульяновск, Россия
Временные ряды (1993.0-2006.0) координат геоцентра
общеземной системы координат ITRF, определенные в центре анализа данных
Института астрономии РАН по результатам еженедельных определений
геоцентрических координат станций глобальной сети DORIS, а также
временные ряды координат геоцентра, полученные JPL (США) по
суточным данным измерений системы GPS, исследовались в целях
разработки математической модели движения геоцентра. С
использованием методов линейного регрессионного и гармонического анализа
определялись линейный тренд, амплитуды, периоды и фазы колебаний
геоцентра. Амплитуды годичных колебаний геоцентра, полученные с
использованием различных методов спектрального анализа, хорошо
согласуются друг с другом. Оценки их значений имеют порядок 5-7 мм
для компонент X и У и 25-28 мм - для компоненты Z. Метод
динамического регрессионного моделирования (ДРМ) позволяет прогнозировать
движение геоцентра в течение последующих 10-25 недель для системы
DORIS и 6-20 недель - для системы GPS.
Ключевые слова: геоцентр, система координат, движение
геоцентра, DORIS, GPS, измерение, моделирование.
Введение
Результаты ежегодных уравниваний координат глобальной сети наземных
станций, фиксирующих международную земную систему координат (ITRF),
показали, что ее исходное начало, которое по согласованию должно совпадать
с центром масс (ЦМ) планеты Земля, включая атмосферу и океаны, постоянно
смещается на небольшие (порядка нескольких миллиметров), но уже значимые
при современной точности космической геодезии величины [1].
Поскольку отсчетная основа ITRF сформирована совокупностью станций
глобальной сети, закрепленных в земной коре, то фактически началом соответ-
) С. П. Кузин, С. К. Татевян, С. Г. Валеев, В. А. Фасхутдинова, 2012
265
ствующей системы координат является центр фигуры (ЦФ) Земли. ЦФ не
совпадает с ЦМ твердой Земли, поскольку внутри ее тела происходят различные
массовые переносы, влияющие на форму ее поверхности. Выявляемые в
процессе уравнивания глобальной сети временные изменения трехмерного
вектора между ЦФ Земли и ЦМ всей Земли, включая океаны, атмосферу и
внутренние воды, называют движением геоцентра. Это явление, по-видимому,
вызвано движением вязких составляющих в теле планеты,
перераспределением атмосферных масс и крупномасштабными деформациями земной коры.
В настоящее время для исследования движения геоцентра используются
данные, полученные с помощью спутниковой доплеровской орбитографиче-
ской и радиопозиционной спутниковой системы (ДОРИС) [2]; лазерные
измерения дальностей до спутников LAGEOS и данные измерений, полученные по
GPS-технологии. Цель настоящего исследования - выявление в движении
геоцентра общих закономерностей по наблюдениям спутниковых систем DORIS
и GPS. При этом использовались данные Аналитического центра Института
астрономии РАН (ИНАСАН), выполняющего обработку измерений DORIS
с 1992 г. в рамках Международной службы DORIS [3], и результаты
анализа временных рядов (ВР) координат геоцентра из каталога Лаборатории
реактивного движения (JPL-NASA), полученных по данным измерений
спутниковой навигационной системы GPS за 1992-2006 гг. Пространственное
движение геоцентра может быть представлено в виде трех координатных ВР.
Математическое описание ВР дает возможность выделить периодические
вариации в изменении положения геоцентра [4, 5].
Для моделирования и прогнозирования изменения положения
геоцентра был использован метод динамического регрессионного моделирования
(ДРМ-подход), разработанный в Ульяновском государственном техническом
университете и описанный в [6, 7]. В данной статье рассматриваются
статистические модели изменения положения геоцентра, полученные по
координатам jc, у9 z, оцениваются «горизонты» прогноза по этим моделям, приводятся
результаты анализа полученных моделей на стабильность гармоник и кросс-
спектрального анализа ВР координат геоцентра, полученных измерительными
системами GPS и DORIS.
Статистические модели динамики геоцентра
В данной статье приведены результаты моделирования изменения
положения геоцентра (три линейных параметра сдвига (dx, dy, dz), полученные
в ИНАСАН на недельном интервале по измерениям DORIS за 1992-2006 гг.
с 55 наземных маяков. Для сравнения анализировались усредненные на
недельном интервале ряды значения ежесуточных координат геоцентра, полученные
из математической обработки измерений GPS за тот же временной период на
станциях глобальной GPS-сети Международной геодинамической службы.
Моделирование динамики координат геоцентра, полученных
системой DORIS. Недельные значения координат геоцентра вычислены с исполь-
266
зованием улучшенной модели физической поверхности спутников SPOT2,
SPOT3, SPOT4, SPOT5, ТОРЕХ, ENVISAT. Стандартные отклонения
координат станций оценены на уровне 0.5—4.0 см в зависимости от числа спутников,
включенных в каждое решение. По результатам спектрального и вейвлет-ана-
лиза выявлено присутствие семи гармонических составляющих. На последнем
шаге построена модель GARCH (1.0) с ад= 5.074 и ад= 5.011 мм. Применение
к остаткам фильтра Калмана приводит к снижению среднего квадратического
отклонения (СКО): о= 2.557 мм; од= 2.528 мм. Из результатов диагностики
остатков последнего шага следует, что в основном все условия применения
вычислительных схем выполняются. В итоге временной ряд представлен
математической моделью, аддитивно включающей в себя линейный и
периодический тренды, модель GARCH(l.O) и фильтр Калмана. Комплексная
математическая модель динамики геоцентра по параметру dx имеет вид:
dxD0Rls = 5.2400574 - 0.0395222/ + 0.9943 6sin[(2n/)/8 + 114.95]+
+ 0.60726sin[(27tf)/13 + 7.1622] + 0.28207sin[(2itf)/17 + 236.93] +
+ 2.4388sin[(2n/)/25 + 250.95] + 6.7478sin[(2n/)/52 + 96.801]+ (1)
+ 1.3542sin[(2itf)/62 + 177.7] + 1.355sin[(2itf)/170 + 210.56]+
+ 0.27y2(t- 1) + 0.138.y2(/- 2) - ОЛОбузС- 1) + J>4(0,
rpfiy2(t) - остаток после удаления гармонической составляющей; y3(t) - остаток
после удаления модели GARCH; y4(t) - остаток после модели, включающий га-
уссовский белый шум.
Как видно из выражения (1), гармоники с периодами 8, 13, 17 и 62 недели
имеют малые амплитуды по критерию отношения сигнал/шум, при этом СКО
этих параметров находятся на уровне а = 2.557 мм. Значимые амплитуды (по
критерию отношения сигнал/шум) имеют гармоники с периодами 25 (полгода)
и 52 (1 год) недели.
Аналогичным образом исследовался ряд сдвига геоцентра по параметру
dy. Ряд трендоустойчив и нестационарен. Построена комплексная модель
динамики геоцентра по параметру dy, имеющая следующий вид:
^DORIS=11.223+0.65524sin[(27c0/3-68.975]+0.69432sin[(27c0/8-84.359]+
+ 1.3877sin[(2itf)/25-87.303] + 1.1237sin[(2itf)/40 + 1.7012] +
+ 5.0655sin[(2itf)/52 - 41.345] + 1.405sin[(2itf)/75 + 203.84] +
+ 0222y2(t-l) + 0.219y2(/ - 2) - 0.007^ - 1) +y4(0-
В модели (2) также присутствуют гармоники с малыми, меньшими чем
СКО, амплитудами (3; 8; 40 недель). Наиболее значительные амплитуды имеют
гармоники с периодами 52, 25 и 75 недель.
267
Комплексная модель динамики геоцентра по параметру dz имеет вид
^DORIS=1.4976sin[(27c0/7 + 8.764] +2.8979sin[(27tf)/8+99.408] +
+ 10.991sin[(27tf)/10 - 85.062] + 15.518sin[(2itf)/17 - 4.4504] +
+ 28.427sin[(2itf)/52 - 78.18] + 6.7906sin[(27tf)/226 + 221.21] + (3)
+ 0.429>;2(/ - 1) + 0.1Sy2(t - 2) - 0.27^-1) + yA{i).
Амплитуды гармоник с периодами 7-8 недель, присутствующие в
модели (3), весьма незначительны по сравнению с СКО. Однако в целом
гармоники этой модели имеют достаточно большие амплитуды, особенно годичная
компонента, что можно частично объяснить систематическими ошибками при
определении высотной составляющей координат пунктов в системе DORIS.
В [8] показано, что выполненное в последнее время уточнение модели
физической поверхности спутников системы ДОРИС позволило повысить точность
учета светового давления на орбитальное движение спутников и существенно
снизить ошибки определения высотной составляющей координат пунктов.
Моделирование динамики координат геоцентра, полученных по
измерениям GPS. Фрактальный анализ временного GPS-ряда смещения
геоцентра по параметру dx выявил, что он трендоустойчивый и нестационарный.
Построена комплексная математическая модель динамики геоцентра по
параметру dx, имеющая вид
dxGPS= 0.081799sin[(2itf)/4 - 11.377] + 0.049987sin[(2itf)/8 + 125.67] +
+ 0.24703sin[(27tf)/26 - 47.667] + 0.21439sin[(2itf)/42 + 265.54] +
+0.25345sin[(27tf)/48 - 4.0659] + 0.157sin[(2itf)/l 70+11.182]-
- 0.026y2(/ - 1) + 0.138y2(/-2) - 0.09y3(t-l) + y4(t).
Здесь мы видим, что наиболее значительные амплитуды имеют
гармоники: 26 недель (полугодовая) и 48 недель (близкая к годовой). Временной ряд
движения геоцентра по параметру dy также трендоустойчив и нестационарен.
Комплексная модель движения геоцентра по параметру dy, определенная
методом ДРМ, представлена формулой
dyGPS= 0.089491sin[(2itf)/ll + 210.81] + 0.14136sin[(2itf)/13 - 2.4648] +
+ 0.16685sin[(2itf)/21 + 21.265] + 0.28401 sin[(2n/)/25 - 6.5289] +
+ 0.24034sin[(2itf)/38 + 253.71] + 0.62039sin[(2n/)/52 - 82.352] + (
+ 0204y2(t - 1) + 0.159y2(/ - 2) + 0.239y3(* - 1) +Л(0-
В модели (5) присутствуют гармоники годовая, полугодовая и 38 недель.
ДРМ-анализ временного ряда сдвига геоцентра по параметру dz,
характеризующего высотную компоненту положения геоцентра, представляет
наибольший интерес. Комплексная модель движения геоцентра по параметру dz,
определенная методом ДРМ, представлена формулой
268
dzG?s= 0.34897sin[(27tf)/7 - 38.029] + 0.62556sin[(27tf)/10 + 220.23] +
+ 0.38685sin[(27tf)/16 + 58.967] + 0.35427sin[(27tf)/17 + 250.41] +
+ 0.6784sin[(2itf)/38 + 79.223] + 1.6981sin[(27tf)/52 + 114.04] + 0.86673 x (6)
x sin[(27tf)/97+98.579] + 0.578y2(/-1) + 0.218y2(/-2) + 0.239^-1) +yA(t).
В этой модели наиболее значительные амплитуды имеют гармонику
52 недели (годовая) и три гармоники: 10, 38 и 97 недель.
Исследование построенных моделей на прогностические свойства
Рассмотренные модели сравнивались по точности прогнозирования
движения геоцентра с использованием графиков и вычисления коэффициентов
корреляции между наблюдаемыми и предсказанными значениями. Для этого
использовались разные подходы. По данным исходного ряда координат
геоцентра, представленным каталогом за 1992-2005 гг., были вычислены прогнозные
модели на 2006 г. как для системы DORIS, так и GPS-измерений. Из сравнения
графиков и на основании вычисленных коэффициентов корреляции между
реальными и прогнозными значениями вариаций положения геоцентра можно
сделать следующие выводы:
- амплитуды вариаций геоцентра по данным GPS в несколько раз
меньше, чем по DORIS-измерениям, в среднем в два-три раза, по dz компоненте -
в шесть раз;
- достоверный прогноз динамики геоцентра по данным DORIS
наблюдается в интервале до 16 недель; для GPS-измерений наилучший прогноз
получен в интервале 6-10 недель;
- корреляционная зависимость между прогнозными и реальными
значениями обнаружена - для компонент dx и dy на промежутке 25 недель для DORIS
и до 20 недель - для GPS-данных. По параметру dz заметная корреляция
выявлена только для GPS-измерений (8 недель).
Заключение
На основании выполненных исследований можно сделать следующие
выводы:
- модели динамики координат геоцентра, построенные по данным
системы GPS, содержат гармоники с малыми амплитудами по сравнению с
моделями DORIS, их СКО аппроксимации и прогнозирования меньше в 2-6 раз;
- наиболее значительные амплитуды в математических моделях
динамики координат геоцентра, построенных по данным систем DORIS и GPS, имеют
гармоники 52 недели (годовая) и 26 недель (полугодовая);
- для временного ряда изменения координат по компоненте dx,
построенного по данным DORIS, характерен линейный убывающий тренд,
в то время как по GPS-измерениям тренд не выявлен;
269
- из анализа устойчивости полигармонической структуры, полученной
по данным двух систем, были выявлены наиболее часто встречающиеся общие
гармоники с периодами порядка 4 недель (1 месяц), 8-10 недель (2 месяца),
16-17 недель (119 дней), 25 недель (полгода), 52 недели (год) и 170 недель (по
компоненте dx);
- достоверный прогноз динамики геоцентра по данным DORIS
наблюдается на интервале 10-16 недель; для GPS-измерений наилучший прогноз
получен на интервале 6-10 недель;
- корреляционная зависимость между прогнозными и реальными
значениями обнаружена для компонент dx и dy на промежутке 25 недель для DORIS
и до 20 недель - для GPS-данных. По параметру dz заметная корреляция
выявлена только для GPS-измерений (8 недель);
- связь выявленных вариаций с геофизическими процессами
требует проведения дополнительных исследований. Очевидно, что полугодовая
и годичная гармоники отражают приливные явления, период 119 дней,
возможно, связан с драконическим периодом спутника ТОРЕХ и неполным
учетом влияния светового давления на его движение. Возможны и другие, еще
не выявленные систематические ошибки при обработке измерений
системы DORIS. Это подтверждается тем, что амплитуды вариаций геоцентра по
данным GPS в среднем в два-три раза меньше, чем по измерениям DORIS,
а по компоненте dz - в шесть раз.
Литература
1. Татевян С. К Проблемы построения земной координатной основы //
Геодезия и картография. - 2009. - № 4. - С. 9-15.
2. Кузин С. 77., Ораевская С. 77., Сорокин Н. A. DORIS - составная
компонента глобальной системы геодезических наблюдений // Геодезия и
картография. - 2009. - № 5. - С. 17-22.
3. Tatevian S.K., Kuzin S.P. Studies of the Earth's center of mass
periodical movements // Russian J. of Earth Sciences. - Vol. 11. - ES2003. -
Doi: 10.2205/2009ES000361.
4. Валеев С. Г., Кузин С. Я., Татевян С. К, Фасхутдинова Я. А.
Статистическое моделирование временных рядов изменений координат геоцентра //
Геодезия и картография. - 2010. - № 10. - С. 9-14.
5. Кузин С. П., Татевян С. К Мониторинг движения геоцентра по
данным спутниковых измерений системы GPS, DORIS и SLR // Косм1чна наука и
технолопя. - 2004.- № 5/6. - С. 156-159.
6. Валеев С. Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений.
- М: Наука, 1991. - С. 273 (2-е изд.: Казань: ФЭН, 2001. - С. 296).
7. Валеев С. Г., Куркина С. В. Программная реализация ДРМ-подхода для
обработки и анализа временных рядов // Изв. вузов. Геодезия и
аэрофотосъемка.-2006.-№ 5.-С. 10-21.
270
8. Gobinddass M. L. et ah Systematic biases in DORIS-derived geocenter time
series related to solar radiation pressure mismodeling // J. of Geodesy. - 2009. - Vol.
83.-P. 849-858.
Studies of Geocenter Motion
Using DORIS and GPS Measurements
S, P. Kuzin, & K. Tatevian , & G- Valeev, V, A, Fashutdinova
Weekly time series of geocenter motion for 1993.0-2006.0 obtained at
INASAN DORIS Analysis center and daily GPS time series of geocenter motion
for the same time interval obtained at JPL were investigated with the aim of
developing mathematical model for geocenter motion. In order to estimate linear
trend, amplitudes, periods and phases of geocenter variation, the methods of linear
regression and harmonic analysis were applied. The evaluated amplitudes of annual
variations derived with the using different spectral analysis methods are in a good
agreement with each other. Their values vary from 5-7 mm for X and Y components
and 27-29 mm for Z component. The first attempt to develop a mathematical model
of the geocenter motion has been made with the use of so-called Dynamic Regression
Modeling (DRM) approach for spectral analysis of the long set DORIS and GPS
measurements. This approach allows to predict geocenter motion for the next 10-25
weeks for DORIS system and 6-20 weeks for GPS.
271
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Использование доплеровской системы DORIS для
решения геодезических задач в Российской Федерации
Е. В. Новиков, Т. Л. Сидорова-Бирюкова, Д. И. Плешаков,
А, Н, Зуева, В, IL Рогозин, ()• С Чирибулько
НИЦ топографо-геодезического и навигационного обеспечения 27 ЦНИИ
Минобороны России, г. Москва, Россия
В работе описаны основные параметры и методы обработки
измерений системы DORIS, а также их применение при создании
отечественных аналоговых программных продуктов.
Сотрудниками НИЦ ТГНО 27 ЦНИИ Минобороны России
разработан экспериментальный комплекс, который позволяет обрабатывать
измерительную информацию системы DORIS на уровне потенциальной
точности системы. В результате отработана технология высокоточной
математической обработки доплеровских и лазерных измерений
комплекса ГЕО-ИК-2. Не менее важным достижением является создание
эффективных методов учета всевозможных источников ошибок при
построении орбит космических аппаратов (КА) средних высот.
Ключевые слова: DORIS, обработка наблюдений, космический
геодезический комплекс, доплеровские и лазерные измерения, ГЕО-ИК-2,
система координат, пункты КГС.
Введение
В Минобороны РФ высокоточные и всепогодные доплеровские
измерительные средства традиционно составляют основу космических геодезических
комплексов (КГК), предназначенных для решения фундаментальных
геодезических задач в стране. КГК ГЕОИД в 1980-х и ГЕО-ИК в 1990-х гг. с массовым
использованием доплеровских систем на пунктах космической геодезической
сети (КГС) СССР, а затем и РФ, позволили с высокой для того времени
точностью создать геоцентрическую систему координат (ПЗ-90, ПЗ-90.02) и модели
гравитационного поля Земли для использования не только в вооружённых
силах, но народном хозяйстве. Основным измерительным средством
современного КГК ГЕО-ИК-2 также является доплеровская система. Ее точностные
характеристики схожи с зарубежным аналогом - системой DORIS.
О Е. В. Новиков, Т. Л. Сидорова-Бирюкова, Д. И. Плешаков, А. Н. Зуева, В. П. Рогозин,
О. С. Чирибулько, 2012
272
В НИЦ ТГНО 27 ЦНИИ Минобороны России (ранее 29 НИИ Минобороны
России) для изучения современной технологии обработки спутниковых
измерений был разработан экспериментальный программный комплекс,
который позволяет обрабатывать измерительную информацию системы DORIS на
уровне потенциальной точности этой системы. Кроме доплеровских
измерений, моделировались лазерные измерения и измерения по линии КА DORIS-
КА GPS. Доплеровские, лазерные измерения и навигационные измерения по
линии КА DORIS-KA GPS вместе и порознь использовались для
определения орбит и пунктов наблюдений в рамках орбитального метода. Имея почти
30-летний опыт обработки спутниковых измерений отечественными
средствами, благодаря доступности и высокой точности системы DORIS нам впервые
представилась возможность проверить все технологические звенья и
вычислительные программы, используемые нами для решения фундаментальных
геодезических задач комплекса ГЕО-ИК-2.
Главным результатом выполненной работы является отработанная
технология высокоточной математической обработки доплеровских и лазерных
измерений комплекса ГЕО-ИК-2. Другим важным результатом является создание
эффективных методов высокоточного учета влияния всевозможных
источников ошибок при построении орбит КА высотой около 1000 км.
Построение системы DORIS и анализ эффективности ее использования
Доплеровская система DORIS (англ. Determination d'Orbite Radio-
positionnement Integres par Satellite - доплеровская орбитографическая и
радиопозиционная интегрированная космическая система) была разработана в начале
1990-х гг. Национальным центром космических исследований (CNES) совместно
с французским Национальным институтом географии (IGN) и Исследовательской
группой по космической геодезии (GRGS).
Основой измерительной информации системы является точное измерение
доплеровского сдвига частоты, транслируемой с наземной станции и
принимаемой на борту КА. Доплер на частоте 2 ГГц обеспечивает точность порядка
0.3 мм/с.
Обработка и анализ данных осуществляется в центрах анализа (IDS):
CNES, IGN, LAREG (Франция), CSR (Техас), ИНАСАН (Москва). В
настоящее время основными пакетами по обработке наблюдений DORIS являются
GIPSY-OASIS (JPL), GINS-DYNAMO (CNES) и UTOPIA (CSR).
Сеть наземных станций DORIS является одним из главных
компонентов системы DORIS. В настоящее время она насчитывает 100 глобально
распределенных станций. На территории России находятся три станции DORIS
в Красноярске, Бадарах и Южно-Сахалинске. Информация по точным
координатам станций и редукционным величинам размещена на сайте Международной
службы DORIS в Интернете. Центр контроля и обработки данных,
находящийся в Тулузе (Франция), контролирует работу системы и осуществляет сбор
273
и обработку измерительной информации, поступающей из аналитических
центров Международной службы DORIS (IDS).
Точное определение орбит осуществляет служба определения орбит системы
DORIS (SOD) по программе CNES. Система обеспечивает определение
параметров орбиты как на борту спутника, так и на Земле в службе определения орбит.
В настоящее время точность определения орбит - средняя квадратическая
погрешность (СКП) - КА системы DORIS составляет около 2-3 см. Помимо
определения орбит система DORIS позволяет определять координаты вновь
включенных в сеть станций, а также уточнять координаты уже имеющихся
маяков. СКП определения координат пунктов составляет 1—3 см.
В настоящее время существует несколько проектов, использующих
систему DORIS и спутники: SPOT 2-5, ENVISAT, JASON 1 и JASON 2. На
многих КА DORIS установлены приемники сигналов GPS, что позволяет
реализовать измерения по линии КА-КА, повышающей таким образом точность орбит
КА обеих систем. Параметры точной орбиты КА системы DORIS приводятся
в виде текстовых файлов формата SP1 или SP3. Анализируя структуру
измерительной информации и результаты обработки наблюдений системы DORIS
(которые доступны и располагаются в Интернете), возможно разделять и
классифицировать данные о составляющих основных погрешностей, необходимых
для учёта при обработке измерений.
Основные результаты исследований
Обработка измерительной информации проводилась в рамках
орбитального метода путем построения стандартных для системы DORIS орбитальных
дуг (3-5 сут) и обработки на этих участках доплеровских и других измерений
в целях уточнения начальных условий и ряда параметров орбиты, моделей
измерений и координат пунктов наблюдения. Вычисления проводились с
помощью экспериментального пакета программ, разработанного нами специально
для проведения детальных исследований всех вычислительных процессов.
В пакет программ входят:
- программы формирования орбитальных дуг и сеансов наблюдений до-
плеровскими и лазерными системами, а также сеансов беззапросных средств
измерений КА GPS, размещенных на борту спутников системы DORIS;
- программы обработки всех видов измерений методом наименьших
квадратов;
- программы численного интегрирования уравнений движения КА;
- служебные программы для работы с исходными данными и
результатами вычислений.
Разработка экспериментального пакета программ происходила
последовательно. Теоретической и программной основой были накопленный опыт
эксплуатации и математический аппарат КГК ГЕОИД и ГЕО-ИК.
274
На начальном этапе исследований координаты станций и КА DORIS
полагались известными с высокой точностью (данные выводов координат
станций в системе ITRF и данные в форматах SP1 и SP3). По мере изучения
остаточных уклонений доплеровских измерений системы DORIS от их расчетных
значений в различных вариантах обработки были усовершенствованы
следующие программы: учета основных источников погрешностей - тропосферных
задержек сигнала; учета редукционных величин для приведения измерений
к центру масс КА и пункта наблюдений. Для полного учета влияния
тропосферы при обработке измерений на сеансе выполнялось уточнение влажной
составляющей тропосферы.
Редукционные поправки вносят существенный вклад в обеспечение
высокой точности обработки измерений. Основная проблема точного расчета
редукционных поправок заключается в правильном расчете параметров связи
бортовой системы с геоцентрической земной системой координат на каждый
момент времени измерений. КА на своих орбитах могут быть
ориентированы различным образом (по Солнцу, трансверсали орбиты или иным образом).
В зависимости от этого должны разрабатываться конкретные алгоритмы
расчета редукционных поправок.
Приведем некоторые результаты исследований на примере обработки
измерений, выполненных на пункте ВЕТЮ и КА ENVISAT-1 с 20 февраля 2008
по 25 февраля 2008 г.
На рис. 1 представлены остаточные уклонения в 566 точках орбиты (осъХ)
с интервалом в 45 с. Остаточные уклонения на одном прохождении КА над
станцией показаны на рис. 2.
Рис. 1. Остаточные уклонения на одном сеансе наблюдений КА
Эти уклонения, выраженные в метрах в секунду, показаны на оси Y. В
обработку принимались измерения с зенитным расстоянием не более 75°. При
обработке в измерения вводились поправки за тропо- и ионосферу, редукцию
к центру масс КА и центру пункта, влияние твердых приливов, вращение Земли
и релятивистских эффектов. Влияние погрешности часов КА и пункта
исключалось на каждом сеансе путем преобразования системы нормальных
уравнений. Подавляющее число уклонений лежит в пределах 1 мм/с, что является
275
Рис. 2. Остаточные уклонения доплеровских измерений в 566 точках орбиты
на 3-суточной дуге
стандартным для системы DORIS. Среднее значение уклонений близко к
нулю и указывает на незначительность неучтенных погрешностей при обработке.
Следующим этапом исследований является построение высокоточных
орбит с помощью программ численного интегрирования уравнений движения
КА. Исследовались программы интегрирования методами Рунге-Кутта 4-го
порядка в сочетании с методами Адамса, Эверхарта и Мултона.Главной
задачей был максимально точный учет всех возмущающих сил в правых частях
уравнений движения. Ориентиром в достижении цели служили точные
координаты КА, приводимые в формате SP1 и SP3, а также оценоки точности
уравнивания измерений на орбитальных дугах.
Для учета влияния гравитационного поля Земли использовались модели
геопотенциала до п = 70: отечественная модель ПЗ-2002/70 (спутниковая
модель до п = 70, входящая в систему параметров Земли ПЗ-90.02), зарубежные
(GL04S, спутниковая модель до п = 150, полученная из обработки измерений
GRACE) и комбинированная модель JGM-3 (до п = 70). Результаты
исследований показали, что на высотах порядка 1000 км эти модели практически
эквивалентны по точности. Учет гравитационного влияния Солнца, Луны и планет
Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Венера, Марс), а также океанических
приливов производился по известным алгоритмам.
Вторым по значению фактором, влияющим на точность расчета орбит
КА системы DORIS, является атмосферное торможение. Для учета
влияния атмосферы были разработаны модели, отражающие конкретные
физические характеристики КА, такие как масса и габариты в различных проекциях
вдоль, поперек и по радиусу-вектору орбиты. Точность представления ми-
делева сечения КА на момент расчета ускорений в правых частях
уравнений движения в каждой проекции была доведена до 1 дм2. Модель
плотности верхней атмосферы Земли, описывающая высотный профиль плотности
276
! Проижодкя; Сраенегие србкт VPR Сравнение орбит SW2 Ускорения «акя квлысуяшор
Р Т X V 2 Р Й НвчадвиАврмяИЛО аисхрег Кеиехмверваяв 53ШЮ ПроизвР!№*22
\? '■ '■ ' ' *
1.0Q 2151,40 4ЭСШ
1076.20 3226.6С 5377.00
Рис. 3. График функции производной от координаты У по баллистическому
коэффициенту Р модели атмосферы
и ее основные пространственно-временные вариации, зависящие от
положения ИСЗ в околоземном пространстве, положения Солнца, времени года и
суток, а также солнечной активности и геомагнитной возмущенное™, была
разработана 4 ЦНИИ Минобороны России (ГОСТ Р 25645.166-2004).
Для лучшего согласования модели атмосферного сопротивления с
реальным движением уточнялись баллистический параметр и его изменение на
орбитальной дуге. Поскольку значительный вклад в точность такого решения
вносили погрешности учета светового давления, параллельно совершенствовались
модели прямого и отраженного светового давления. Также очень точно
моделировались конкретные физические характеристики КА: масса, габариты и
оптические свойства. По мере решения краевой задачи уточнялись коэффициенты
прямого и отраженного потоков. Оценка эффективности модели проводилась
по критерию точности решения краевой задачи. СКП обработки измерений
составила 0.6-0.7 мм/с, что примерно соответствует ошибке в 0.1-0.2 м по
радиальной составляющей орбиты. Другой способ оценки точности расчета орбит
- косвенный - состоял в оценке точности определения координат известных
пунктов сети DORIS из орбитального решения с использованием полученной
орбиты. Орбита на стандартной дуге полагалась точной, если поправки в
известное точное положение пунктов не превышали 1-2 см.
277
Для расчета частных производных от измерений по уточняемым
параметрам использовался аналитико-численный метод. В нем применён метод
конечных разностей и оригинальный способ сжатия рядов частных производных
на интервале орбитальной дуги. В публикуемых файлах размещена вся
необходимая информация для расчета значений частных производных для 11
параметров орбиты в любой её точке (33 функции) без существенной потери точности
в результате сжатия первичных данных. На рис. 3 приводится график функции
dYldP - производной от координаты Y по баллистическому коэффициенту Р
модели атмосферы, воспроизведенной для использования на интервале
орбитальной дуги.
Точность воспроизведения функций превысила 99 % их
первоначальных значений. Этот способ значительно облегчил технологию
подготовки, хранения и использования рядов частных производных,
полученных методом конечных разностей.
Использование измерений системы DORIS
в целях повышения точности системы координат ПЗ-90
Возможность высокоточного определения координат пунктов сети
системы DORIS с использованием доступных рядов наблюдений реализована нами
в проектах уточнения системы координат ПЗ-90.02 в части повышения
точности взаимного положения пунктов КГС, закрепляющих эту систему, и ее
геоцентрического положения. Основную роль при этом играли GPS/TJIOHACC-
измерения с пунктов КГС и пунктов международной геодинамической сети
IGS, совмещенных с пунктами DORIS на расстояниях нескольких десятков
метров. Доплеровские измерения использовались для определения координат
совмещенных пунктов и контроля точности их геоцентрического положения.
Была обработана измерительная информация 2002, 2008 и 2010 гг. Получаемые
результаты обработки GPS/ГЛОНАСС и доплеровских измерений системы
DORIS анализировались с учетом тектонических движений пунктов.
Предварительные оценки результатов показывают, что КГС на 01 января
2010 г. для вывода новых параметров Земли ПЗ-90 (ПЗ-90.11) по точности
взаимного и геоцентрического положения находится на современном мировом уровне.
Элементы трансформирования систем координат
и их средние квадратические погрешности
Из
системы
ПЗ-90.02
ПЗ-90.02
ПЗ-90.02
ITRF-2008
В
систему
ПЗ-90
ITRF-2000
ПЗ-90. И
ПЗ-90. И
АХ,м
+1.07
±0.1
-0.36
±0.1
-0.373
±0.027
-0.015
АУ,м
+0.03
±0.1
+0.08
±0.1
+0.186
±0.056
+0.009
AZ, м
-0.02
±0.1
+0.18
±0.1
+0.202
±0.033
+0.012
со* "
0
0
-0.00230
±0.00210
0
СОу, "
0
0
0.00354
±0.00067
0
coz, "
+0.13
±0.01
0
-0.00421
±0.00082
0
ml О6
+0.220000
±0.020000
0
-0.008133
±0.000388
0
278
В таблице приведены значения элементов трансформирования и их СКП для
систем координат ПЗ-90, ПЗ-90.02, ПЗ-90.11 и ITRF. Для поддержания
точности системы ПЗ-90.11 на должном уровне в будущем требуется постоянный
мониторинг положений пунктов КГС. Для этого предпринимаются меры как по
сохранению самих пунктов КГС, так и обновлению размещенных на них
высокоточных измерительных средств, в том числе средств измерений комплекса
ГЕО-ИК-2.
Заключение
Множество организаций и ведомств в России, тем или иным образом
связанных с координатно-временным обеспечением потребностей страны,
имеют необходимые для этой работы вычислительные и программные средства
(в форме исполняемых модулей), главным образом, зарубежного
происхождения. Поэтому немногие из пользователей имеют возможность применения
этих средств для разработки отечественных технологий и программных
комплексов обработки современных спутниковых измерений.
Наш институт всегда придавал большое значение разработкам
именно технологий и созданию отечественных программных средств в интересах
Российской Федерации. Именно такой подход необходим не только для
создания высокоточной отечественной системы фундаментальных и геодезических
параметров, но и для сохранения научного и технологического потенциала
в области использования КГС и расчетных методов.
Литература
1. Рогозин В. П., Щетинин В. В. и др. Технология расчета точных
эфемерид навигационных космических аппаратов и координат пунктов космической
геодезической сети // Труды ИПА РАН. - СПб., 2005. - Вып. 13.
The Use of DORIS Systems for Solving Geodetic Problems in
Russia
E. V. Novikov, T. L,. Sidorova-Biryukova, D. I. Pleshakov,
A. N, Zueva, V, P, Rogozin, O. S. Chiribulvko
Purposes of this article are to describe parameters and methods of processing
DORIS measurements and it application for creation of domestic software
products. Employees of SRI of Land and Navigating Maintenance (LNM) Russian 27
CSRI (The Central Scientific Research Institute) developed an experimental
complex which allows them to treat DORIS measuring information with the highest
279
level of accuracy. As a result the high-precision mathematical processing of GEO-
IK-2 Doppler and laser measurements is fulfilled. Creation of effective methods of
calculation of sources of possible errors along modeling orbits of artificial satellite
is very important.
280
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Анализ больших рядов наблюдений
В. Г. Стэмпковский
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Создание средств анализа временных рядов данных имеет давнюю
историю и множество программных реализаций. Настоящая работа
позволяет совместить пакетную и интерактивную обработку, причем
интерактивной компоненте отводится роль вспомогательного средства,
обеспечивающего исследователя возможностью выявлять особенности
в рядах наблюдений, на текущий момент времени не имеющие
формализации. Пакетной компоненте отводится роль обеспечивающей весь
процесс работы с данными: трансляцию из исходного представления во
внутреннее, оптимизацию и предварительную обработку для быстрой
визуализации и генерацию результатов анализа в виде, удобном для
последующего использования, как ручного, так и машинного.
Ключевые слова: временные ряды, пакетная обработка данных,
интерактивная обработка данных, визуализация, масштабируемость,
функциональная зависимость, алгоритм интерпретации.
Под рядами наблюдений большого размера понимаются данные, которые
регистрируются с частотой не менее одного раза в минуту или даже в секунду
на протяжении длительного времени (месяцы и годы). Радиоастрономические
наблюдения [1,2] носят сеансовый характер и представляются рядами данных
разного содержания, а вот обеспечение обработки наблюдений в виде
измерений электрических характеристик атмосферы [3, 4] и метеоданных [5]
осуществляется постоянно и в фиксированном формате. Эти ряды наблюдений
наилучшим образом подходят под категорию больших. Единомоментная
регистрация значительного числа параметров наблюдений (температура, давление,
влажность и др.) предъявляет повышенные требования к ресурсной
обеспеченности наблюдений, но это уже не является препятствием для
автоматического анализа результатов. Однако такой анализ подразумевает точное знание
того, что требуется найти. В отличие от автоматического, автоматизированный
и интерактивный анализы имеют преимущество в слуячае, когда есть
неопределенность, которая может устраняться с участием человека. Таким образом,
интерактивный анализ, по мнению автора, остается актуальным средством
извлечения информации и основой для подготовки автоматического анали-
© В. Г. Стэмпковский, 2012
281
за. Промежуточным результатом интерактивного анализа могут быть отчеты
в форме, доступной как для машинной, так и ручной обработки. Конечным же
результатом на пути к автоматическому анализу должны быть алгоритмы
обработки данных в виде функциональных зависимостей, конструируемых
непосредственно в ходе интерактивного анализа.
Программный комплекс, обеспечивающий интерактивный анализ,
состоит из компонент, каждая из которых решает собственную задачу [6]. В
разработку комплекса заложен принцип максимальной параметризации и на-
страиваемости и на среду выполнения, и на формы представления входных
и выходных данных. То есть везде, где это возможно, используются
описательные средства в виде конфигурационных файлов. С помощью
конфигурационных файлов, объединяемых одним названием «описание предметной области»
определяются исходные данные, формируемые отчеты и выражения
(функциональные зависимости). Определения включают в себя указания о размещении
данных на носителях, форматы данных и мнемонические наименования
регистрируемых параметров. Трансляцию конфигурационных файлов
осуществляет в пакетном режиме компонента XSeriesManager. Ядро этой компоненты
реализовано в виде отдельной библиотеки и доступно из других компонент. Это
позволяет гибко дополнять конфигурацию на время вызова пакетного
обработчика или во время сеанса работы интерактивного анализатора.
Визуализация больших рядов порождает дополнительные проблемы при
разработке программ, обусловленные необходимостью производить
большое количество вычислений. При построении визуального представления
каждый временной ряд трактуется как функция времени, заданная
таблично. Разрешающая способность графического интерфейса пользователя
требует производить усреднение данных на значительных интервалах времени.
Необходимое качество интерфейса - масштабирование по времени - требует
производить эти вычисления повторно в изменившихся условиях.
Для достижения допустимых параметров производительности программ
интерактивного анализа разработана трехступенчатая схема хранения данных.
Сначала исходное текстовое представление входных данных транслируется во
внутреннее, далее внутреннее представление с использованием метода сериали-
зации выгружается во внешнюю память. Эту подготовку выполняет пакетный
загрузчик данных (XSeriesLoader). Затем производится упреждающее усреднение
данных оптимизатором (XSeriesOptimisier). Результатом работы оптимизатора
является иерархическая файловая структура, каждый уровень которой содержит
исходные данные, усредненные на все возрастающих интервалах времени.
Рассмотрим алгоритм извлечения данных из хранилища для построения
изображения с использованием схемы хранения без упреждающего усреднения.
Исходный временной ряд наблюдений представляется функцией
времени, заданной таблично. Элементы рядов наблюдений - действительные числа.
Обозначим весь период времени, для которого велись наблюдения, отрезком
[Г0, 7\], отображаемый период - отрезком [t0, tx]. Время измеряется в секундах
282
и является дискретной величиной, отмеряемой от некоторого фиксированного,
наперед заданного момента (на практике определяется используемой системой
программирования). Функция Z(t) может иметь разрывы, т. е. не для каждого
момента времени, кратного секунде, могут присутствовать данные
наблюдений. Для учета этого обстоятельства предусмотрено специальное значение NaN.
С учетом введенных обозначений Z(t) представляется множеством пар
ZT={ (z,t)\ z G [z^, ZmaJ U NaN, t E[T0, Ti]}, где z^ и z^* - соответственно
наименьшее и наибольшее значения Z(t) в области определения t. Изображение
временного ряда - это множество пар целых чисел XY ={(х, у)\ х G [Х0, Хх ],
у G [Уо> 7i]}, гдеХ0,Хи Y0 и Yx задают область размером (Хг-X0+iy(Yi- Y0+ l)
в прямоугольной системе координат. Для построения изображения на всем
протяжении наблюдений t G [Т0, ^i] требуется отображениер: ZT—>XY, а для
заданного отображаемого периода [t0, ti] - отображение р.
р: zt^XY, где zt ={ (z, t)\zE [z^, zj U NaN, t E[t0, tx]}.
Введем обозначения At = t0~ ^+1, Ax =XX -XQ+\ и рассмотрим случай,
когда At > Ах.
Определим количество секунд, приходящихся на одну точку области
отображения к - , где [ ] - оператор взятия целой части аргумента.
|_ Ах J
Соблюдая принцип максимальной достоверности отображения,
скорректируем начало и конец отображаемого интервала времени, так чтобы в точку
всегда отображалось к секунд:
{ - J Ь. . к - скорректированное начало отображаемого периода (сдвига
к_
ется в меньшую сторону);
t = ^ + \ к - скорректированный конец отображаемого периода
1 L к \
(сдвигается в большую сторону).
Определим отображениер в виде функциональной зависимости^ =J[x),
что наиболее удобно для построения изображения:
1 к-\
f(x) = NaN + -^ (Z(t0 +(x-X0)k + i)\ гдех е[Х0,Х{\. (1)
Как уже отмечалось, исходные данные Z(t) для некоторого момента
времени te могут отсутствовать, в этом случае Z(te) = NaN Это значение участвует
в операциях сложения и вычитания следующим образом: X + NaN = X, X -
-NaN=X, NaN+ NaN=NaN и NaN- NaN'=NaN Интерпретация значения NaN
отводится графическому интерфейсу пользователя (например, это может быть
выделение специальным цветом).
Для рассмотренного алгоритма затраты Q на построение изображения по
формуле (1) для интервала [ДГ0, Хх] будут пропорциональны сумме затрат на
загрузку сериализованных данных из файлов Q{= Q к Ах и затрат на
суммирование для усреднения Qs= Cs кАх. Единичные затраты Q и Cs считаются
постоянными, т. е. Q = (Cj+ Cs)kAx , или Q ~ кАх.
283
Для случая At < Ах функция Дх) строится иначе:
"Лх!
- количество точек, соответствующее одной секунде.
Определим / =
At
Axf = Ах - Atl - сокращение используемой области отображения. Для
простоты построения уменьпшм область отображения справа, т. е. Х0' = Х0
иХ/=Jfi - Дх', тогда функциональная зависимость у =Дх) примет следующий вид:
Г
f(x) = NaN + Z
t0 +
(х-Ю)
(2)
mex[Xo',Xi].
Затраты на построение изображения по формуле (2) определяются с
учетом уменьшения области отображения Q ~ - Дх'.
Теперь воспользуемся предварительным усреднением данных для
модификации алгоритма построения изображения.
Пусть т - некоторое целое и порождено h производных рядов,
полученных усреднением с шагом /и1, /и2,... mh данных исходного ряда Z(t).
Z0(u0) = NaN + Z(T0+u0),
гдеи0€[0,£/0],£/0=7;-Г0;
1 m-l
Zl(ul) = NaN + — '£iZ0(ulm + i)9 ще щ е[0,иг]9их =
т /=0
1 т-\
и,
+ т-П <3>
Z2(u2) = NaN+—£z,(u2m + i), Где u2e[0,U2],U2 =
т 1=0
т
U. + m-l
т
1
т-\
Zh(uh) = NaN+—^Zh_i(u2m + i), где uhe[0,Uh], Uh =
т 1=0
Uh-x+rn-l
т
Использование в качестве первого слагаемого ТУаАГпозволяет нейтрализовать
ситуацию выхода за область определения при вычислении Zt{ut) в выражениях (3).
, ГА/ч-Ах — l"1
По-прежнему A*=tl-t0, Ax=Xx-X0, к •
Ах
Интерес представляет
только случай, когда At > Ах. Определим производный временной ряд Z„ (и)
из Z0 (w), Zx (w), Z2 (и)... Zh (и), который будет использоваться для построения
изображения:
n = [logm(k)lv = m"<k,l = lk + V-1
*о =
4 =
lv
lv
- скорректированное начало отображаемого периода;
L + lv-1
lv
lv - скорректированный конец отображаемого периода.
284
1/_1
f(x) = NaN + -^Zn(\inexe[XbXil (4)
I /=o
Затраты Q, требующиеся на построение изображения по формуле (4) для
интервала [Х0, Хх] также будут пропорциональны сумме затрат на загрузку се-
риализованных данных из файлов и усреднение загруженных данных Q ~ gload
+ Gsum? но составлющие определяются иначе, чем в алгоритме без
предварительного усреднения Qload = Cload I Ахи Qload = Csum I Ax. Учитывая, что L ~ klmn,
соотношение затрат на построения изображения при использовании
алгоритма без предварительного усреднения и алгоритма с предварительным
усреднением будет тем больше, чем больше будет т". То есть чем больше временной
период, для которого строится отображение, тем эффективнее второй
алгоритм. Остается вопрос с определением шага усреднения т. Чем больше шаг,
тем меньше требуетя вспомогательных построений Z/J) и тем больше затраты
при переходе от одного уровня к другому при изменении масштаба по времени,
и наоборот.
Выбор большого значения для т становится неприемлемым в том случае,
если для вычисления элемента ряда, формируемого с помощью выражений,
используются данные, отнесенные к разным моментам времени, и требуемый
шаг по времени меньше шага усреднения производного ряда Z/J), выбранного
для построения отображения. Такая ситуация возникает, например, при
вычислении скользящего среднего. В этом случае параметры тип следует выбирать
такими, чтобы диапазон усреднения (для скользящего среднего) был кратен тп.
В самом худшем случае, когда п = О, остается промежуточное сериализованное
представление Z(i) и используется первый рассмотренный алгоритм.
Масштабирование по вертикали осуществляется раздельно для каждого
ряда наблюдений, оно также требует выполнения вычислений, но с данными
гараздо меньшего объема и уже находящимися в оперативной памяти.
Совместная обработка рядов наблюдений задается конструированием
именованных выражений. В данном случае выражение представляет собой
аналог математического выражения с ограниченным использованием
функциональных символов (арифметические операции, степенная функция и др.), для
которых обеспечена поддержка в программном интерпретаторе выражений.
В роли переменных используются ссылки на ряды данных или на ранее
определенные именованные выражения. Константы представлены
действительными числами.
Выражения определяются в конфигурационных файлах. Для
конфигурации поддерживается модульное построение, позволяющее оформлять
некоторую теорию или ее фрагменты отдельными ограниченными по размеру
и вследствие этого легкими для визуального восприятия файлами. Например,
выражения для калибровки антенной температуры радиометра водяного пара
[4] могут выглядеть так, как представлено на рис. 1.
285
С выражением связано несколько алгоритмов интерпретации. Один
вариант интерпретации восстанавливает исходное текстовое представление
в XML-формате, другой - в более привычной математической нотации, а третий
обеспечивает непосредственное вычисление для заданных аргументов
(константы, элементы рядов данных, другие выражения). Восстановленное
выражение для холодной нагрузки радиометра водяного пара представлено на рис. 2.
<!— Канал А Холодная нагрузка --;»
- expression name=TruixA'! description=TruixA',>
- <addition>
- <addition>
- <multiply>
<serie group="woter" name=To2" />
cconst value="0.9925H />
</multiply>
<const value="0.321214 />
</addition>
<const value="273.15L />
</addition>
</e:;pression>
expression пате=ТвхА" description="TBxA">
- <multiply>
<const value="0.5° />
- <addition>
expression name=TruixA" />
expression name=BTo'i />
</addition>
</multiply>
</expression>
- expression name=°TA2" descnption='TA2'>
- <addition>
<multiply>
- <multiply>
<expression name="TruixA" />
- <subtraction>
<const value="1.0t />
<expression пате=Т_в_квцдроте" />
</subtraction>
</multiply>
<expression пате="впсилон" />
</multiply>
- <rnultiply>
<expression пате=ТвхА" ./>
<subtraction>
<const value="1.0c />
<expression пате="впсилон" />
</subtraction>
</'multiply>
</addition>
^/'expressions
<!-- Канал А Теплая нагрузка —>
- expression пате=ТгштА" description=°TruiTA">
- <addition>
- caddition.i
- <multiply>
<serie group="woter" name=°Te3" />
<const value="0.9992" />
</multiply>
<const value="0.2775" />
</addition>
<const value="273.15" />
</addition>
</expression>
• expression пате=ТвтА" description=TBTA!,>
- <multiply>
<const value="0.5" />
- <addition>
expression пате=ТгштА" />
«cexpression name-'To" /:>
</addition>
</multiply>
</expression>
<expression name=TA3" description='TA3,:>
- <addition>
- <multiply>
- <multiply>
<expression пате=ТгштА': />
subtraction:*
<const value="1.0" />
expression пате=Т_в_квцдротв" />
</subtraction>
^;/multiply>
expression пате="впсилони />
</multiply>
- <multiply>
<expression пате=ТвтА:: />
- «^subtractions
<const value="1.0" />
<expression name="
</subtraction>
</multiply>
</addition>
«^/expressions
Рис. 1. Определение холодной и теплой нагрузок радиометра водяного пара
<?xml version^l.O" encoding3"windows-1251"?>
<conf igur ation>
<expressions>
<!— To - (273.15+34) —>
<!— Г в квадрате
<! —
<! —
<! —
(0.07)**2
епсилон - (10)**(-0.005) —>
ТгшхА - (((water.Ta2*0.9925)+0.3212)+273.15) —>
TbxJL - (0.5*(ТгшхА+То) ) ~>
ТА2 = (((ТгшхА*(1-Г_в_квадрате))*епсилон)+(ТвхА*(1-епсилон))) —>
</expressions>
</configuration>
Рис. 2. Восстановленное определение холодной нагрузки радиометра водяного пара
286
Средства интерактивного анализа предусматривают применение
выражений не только ко всему периоду наблюдений, но и к выделенной его части.
По определению и характеру использования выражения
представляют собой функциональные зависимости вида у <— Дхь х2, ..., х„), которые
составляют основу базы знаний в системах структурного синтеза программ [7].
Сгруппированные наборы выражений могут образовывать фрагменты некоторой
теории обработки наблюдательных данных в форме вычислительной модели [8],
и автоматический синтез программ по спецификации задач способен
облегчить работу по обеспечению корректности теории через построение программ
для решения набора тестовых задач [9]. Действующая реализация
программного комплекса уже позволяет формулировать такие задачи в форме отчета [6].
Литература
1. Финкельштейн А. М, Ипатов А. В. и др. Радиоинтерферометрическая
сеть «Квазар-КВО» - базовая система фундаментального координатно-времен-
ного обеспечения // Труды ИПА РАН. - СПб., 2005. - Вып. 13. - С. 104-138.
2. Михайлов А. Г. Программное обеспечение центрального управляющего
компьютера наблюдательного пункта РСДБ-сети КВАЗАР // Труды ИПА РАН.
- СПб.: Наука, 2004. - Вып. 12. - С. 68-92.
3. Быков В. Ю., Ильин Г. Н., Кайдановский М Н. Аппаратура системы
измерения электрических характеристик тропосферы // Труды ИПА РАН. - СПб.,
2010. - Вып. 21. - С. 255-269.
4. Белоусов Н. Ю., Быков В. Ю., Ильин Г. Н., Стэмпковский В. Г. Система
управления установкой измерения яркостной температуры атмосферы // Труды
ИПА РАН, - СПб., 2010. - Вып. 21. - С. 282-287.
5. Vaisala Weather Transmitter WXT510. USER'S GUIDE // Vaisala. - 2006.
6. Стэмпковский В. Г. Анализ больших рядов наблюдений //
Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение
(КВНО-2011). 4-я Всерос. конф. - СПб.: ИПА РАН, 2011. - С. 162-163.
7. Стэмпковский В. Г. Принципы организации и использования баз знаний
в проблемно-ориентированной системе синтеза программ // ЭВМ в
проектировании и производстве. - Л.: Машиностроение, 1987. - Вып. 3. - С. 5-21.
8. Тыугу Э. X. Решение задач на вычислительных моделях // ЖВМ и МФ.
- 1970. - Т. 10, № 3. - С. 716-733.
9. Тыугу Э. X. Вычислительные фреймы и структурный синтез программ
// Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. - 1982. - № 6. - С. 176-182.
287
Analysis of Large Series of Observations
V, G. Stempkovsky
Creating tools for analyzing time series has a long history and a lot of software
implementations. In this paper, combined batch and interactive processing are
discussed. Interactive component plays the role of an assistant, providing the researcher
to determine the properties of a series of observations currently non-formalized. Batch
component plays the role of ensuring the whole process of working with data:
translation from the original representation into the inner, optimization and pre-processing
for rapid visualization, analysis and generation results in the form convenient for later
use, both manual and machine.
288
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Навигационно-картографическое обеспечение
железнодорожного транспорта
в интересах комплексной безопасности
В. Н. Филатов
ОАО «Концерн «РТИ Системы», г. Москва, Россия
В статье рассмотрены следующие вопросы: первоочередные
задачи по обеспечению железнодорожной безопасности; основания и
условия реализации мероприятий по навигационно-картографическому
обеспечению железнодорожного транспорта в интересах комплексной
безопасности; протокольное решение по картографическому
обеспечению системы ГЛОНАСС; использование системы координат и
системы ГЛОНАСС на железнодорожном транспорте; стратегические планы
ОАО «РТИ» по развитию геоинформационного обеспечения массового
потребителя.
Первоочередные задачи по обеспечению железнодорожной безопасности
Обеспечение безопасности является одной из важнейших целей
инновационного развития железнодорожного транспорта. Президентом
и Правительством Российской Федерации поставлены сложные и масштабные
задачи в этой сфере, в том числе и в области автоматизации процессов
мониторинга состояния и управления безопасностью. Перечислим выдержки из
первоочередных задач по обеспечению железнодорожной безопасности:
«Правительству Российской Федерации: ... завершить до 1 января 2014 г.
создание комплексной системы обеспечения безопасности населения на
транспорте, прежде всего на метрополитене и других видах общественного
транспорта, предотвращения чрезвычайных ситуаций и террористических актов на
транспорте, а также обеспечения защиты населения» (Из Указа Президента
Российской Федерации от 31 марта 2010 г. № 403 «О создании комплексной
системы обеспечения безопасности населения на транспорте»);
«Деятельность специализированных аварийно-спасательных служб во
взаимодействии с Министерством Российской Федерации по делам
гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий
стихийных бедствий будет осуществляться на уровне международных и
национальных требований»;
© В. Н. Филатов, 2012
289
Будет повышен уровень защищенности транспортной инфраструктуры
и транспортных средств от актов незаконного вмешательства, обеспечен
более высокий уровень безопасности перевозок грузов, требующих особых
условий...» (из «Транспортной стратегии РФ на период до 2030 года»,
распоряжение Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734-р).
Для обеспечения безопасности на объектах железнодорожного
транспорта будут решены следующие основные задачи:
- создание автоматизированной системы мониторинга состояния и
управления безопасностью критически важных и опасных объектов
инфраструктуры;
- мониторинг состояния транспортной безопасности на
железнодорожном транспорте, включая создание и эксплуатацию центра контроля
состояния транспортной безопасности;
- эксплуатация, техническая поддержка и модернизация единой
государственной информационной системы обеспечения транспортной безопасности
в части железнодорожного транспорта...» (Из «Стратегии развития
железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», распоряжение
Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р).
Перечислим основания и условия реализации мероприятий по навигаци-
онно-картографическому обеспечению железнодорожного транспорта в
интересах комплексной безопасности:
- Указ Президента РФ от 17 мая 2007 г. № 638 «Об использовании
глобальной навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС» в интересах
социально-экономического развития РФ»;
- Закон «О навигационной деятельности» от 14 февраля 2009 г. № 22-ФЗ;
- Постановление Правительства РФ от 30 апреля 2008 г. № 323 «Об
утверждении Положения о полномочиях федеральных органов исполнительной
власти по подцержанию, развитию и использованию ГЛОНАСС в интересах
обеспечения обороны и безопасности государства,
социально-экономического развития РФ, расширения её международного сотрудничества, а также
в научных целях»;
- Постановление Правительства РФ от 25 августа 2008 г. № 641 «Об
оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой ГЛОНАСС
или ГЛОНАСС/GPS» (рис. 1);
- Постановление Правительства РФ от 11 июля 2009 г. № 549
«О федеральном сетевом операторе в сфере навигационной деятельности».;
- Постановление Правительства РФ от 12 сентября 2008 г. № 680
«О внесении изменений в федеральную целевую программу «Глобальная
навигационная система»;
- Распоряжение Правительства РФ от 20 июня 2007 г. №797 «Параметры
Земли 1990 года» (ПЗ-90.02);
290
22 KA
22 KA
24 KA
24 KA
Орбитальная группировка
(обеспечение доступности навигации)
60%
80%
100%
Наземный комплекс управления
(обеспечение точности навигации, управления орбитальной группировкой в расширенном
составе)
1 '
СДКМ Функциональные дополнения
(обеспечение повышения точности навигации и целостности навигационного поля)
70%
100%
44%
100 %
Навигационные карты
Степень покрытия территории России навигационными картами требуемых масштабов
2009
2010
2011
2012
Доступность 92% Доступность 92% Доступность 100%
Точность 7 м Точность 7 м Точность 2,8 м
Использование
ГЛОНАСС на
территории
России
Использование
ГЛОНАСС на
территории
России
Использование
ГЛОНАСС на
территории
России
Глобальное
использование
КА «Глонасс-К»
Рис. 1. Использование системы ГЛОНАСС на железнодорожном транспорте
- протокол заседания межведомственной группы по форсированному
созданию и развитию системы ГЛОНАСС от 22 февраля 2008 г. № 1;
- протокол заседания ВПК при Правительстве РФ от 16 мая 2008 г. № 4с
«О развитии наземной компоненты и ходе совершенствования нормативно-
правовой базы, обеспечивающей широкомасштабное использование системы
«ГЛОНАСС»;
- план основных мероприятий (работ) ОАО «Навигационно-
информационные системы на период 2009-2011 гг.»;
- соглашение между ОАО «АФК «Система» и Роскартографией от 24
декабря 2008 г. в области создания навигационных карт на основе
государственно-частного партнерства;
- протокол совещания у Председателя Правительства РФ В. В. Путина
от 6 апреля 2010 г. № ВП-П7-2пр «О картографическом обеспечении системы
ГЛОНАСС»;
291
- соглашение между ОАО «АФК «Система» и ОАО «РЖД» от 12 февраля
2008 г.;
- распоряжение Правительства РФ от 17 июля 2010 № 2378-р «Об
утверждении Концепции развития отрасли геодезии и картографии до 2020 г.»;
- распоряжение Правительства РФ от 7 июля 2011 № 1177-р «Об
утверждении плана реализации Концепции развития отрасли геодезии и картографии
до 2020 г.»;
Протокольные решения по картографическому обеспечению системы
ГЛОНАСС (протокол совещания у Председателя Правительства РФ В. В. Путина
от 6 апреля 2010 № ВП-П7-21пр):
- обеспечить до конца 2010 г. покрытие 80 % территории РФ
навигационными картами конечного пользователя;
- одобрить с учетом расширения частно-государственного партнерства
проект концепции развития отрасли геодезии и картографии до 2020 г.;
- Минэкономразвития подготовить и внести в Правительство проект
указа Президента о создании ОАО «Картографо-геодезическая корпорация»;
- Минэкономразвития и другим ведомствам, с участием федерального
сетевого оператора представить проекты нормативных правовых актов,
регламентирующих межведомственный обмен при создании навигационных карт
ГЛОНАСС;
- Минэкономразвития и другим ведомствам с участием федерального
сетевого оператора, представить изменения в постановление Правительства об
утверждении полномочий федеральных органов исполнительной власти по
развитию ГЛОНАСС в части навигационных карт;
- Минэкономразвития и Роскосмосу с участием федерального сетевого
оператора определить порядок централизованной закупки информации о
дистанционном зондировании Земли, необходимой для создания навигационных
карт;
- предусмотреть развитие ФЦП «ГЛОНАСС» в область картографии на
следующий период.
В результате принятых решений удалось закрепить позицию создания
ОАО «Картографо-геодезическая корпорация» (ОАО «КГК»), но требуются
дополнительные действия для формализации частно-государственного
партнерства, чтобы принять участие в подготовке указа Президента с учетом такого
партнерства:
- разработать механизмы участия ОАО «НИС» и ОАО «КГК» в
межведомственном обмене по навигационным картам и закрепить их в изменённой
нормативной правовой базе;
- определить и утвердить полномочия ОАО «КГК» и ОАО «НИС» в
области создания и распространения навигационных карт;
- закрепить порядок централизованной закупки данных дистанционного
зондирования Земли с учетом возможностей и интересов АФК «Система».
292
Картография и геоинформационная система
В настоящее время на территории РФ строится единое информационное
пространство на едином формате представления геопространственной
информации, единой системе классификации и кодирования картографической
информации, создаваемой Росреестром, ВТУ ГШ, АФК «Система» с
сертифицированным программным обеспечением. Оно предусматривает наличие следующих
данных:
- цифровых топографических карт (территории, масштабы, актуальность);
- цифровых навигационных карт (территории, масштабы, актуальность
с учетом плана ФЦП «ГЛОНАСС» к 2012 г.);
- ЗЭ-изображений.
Следовательно, возникает необходимость иметь базу данных в
ситуационном центре ОАО «РЖД» по открытым цифровым топографическим и
навигационным картам; открытым цифровым планам городов (через которые
проходят железные дороги); открытым ЗЭ-изображениям железнодорожных
объектов (вокзалы, депо, мосты и т. д.); отдельным слоям с информацией
железнодорожного характера.
Таким образом, (геоинформационная система) ГИС должна быть
сопрягаемой с ГИС федеральных органов исполнительной власти, особенно с силовыми
министерствами, в частности с НЦУКС МЧС РФ, Минобороны России, МВД
РФ (ВВ МВД РФ). Среди особенностей функционирования ГИС можно назвать
следующие:
- работу с разными масштабами топографических карт;
- использование карт различных типов и масштабов в целях навигации,
организации поиска и уточнения местоположения черезвычайных ситуаций:
морских, железнодорожных, туристических (пешеходных),
радионавигационных, автомобильных, топографических);
- использование ЗЭ-изображений при прогнозировании и ликвидации ЧС;
- специализированное оснащение летательных аппаратов для
оперативного получения информации о местности. Для съемки местности
летательными аппаратами оснащается цветной и черно-белой телекамерами или
цифровой фотокамерой высокой разрешающей способности;
- для определения местоположения на летательных аппаратах
устанавливается DIOHACC/GPS-приемник, позволяющий координировать подполетную
местность с точностью до 5 м. Для выполнения специальных задач на беспилотных
летательных аппаратах могут быть установлена аппаратура метеорологической
и радиационно-химической съемки местности, тепловизор и другие приборы
общей массой до 300 г.
Перечислим стратегические планы ОАО «Концерн «РТИ Система» по
развитию геоинформационного обеспечения массового потребителя:
- начаты работы, направленные на создание цифровых навигационных
карт с графом дорог масштаба 1:100 000 на всю территорию РФ, а также города
293
(1140) и населенные пункты (240 000) с адресными планами. Основные усилия
направлены на районы, в которых планируется развернуть первые проекты
федеральной системы мониторинга и управления транспортными перевозками.
- создано высокоавтоматизированное производство картографической
продукции (ОАО «Технологический центр «Геоинформатика»);
- закуплены космические снимки высокого разрешения на 165 млн руб.;
- ведется совместная работа с государством по созданию базовых
цифровых навигационных карт масштабов: 1:10 000, 1:25 000 и 1:50 000;
- создаются цифровые навигационные карты маштаба 1:25 000,1:50 000,
цифровые планов городов масштаба 1:10 000 на экономически развитые
районы РФ.
Опыт использования системы точного позиционирования на предприятиях
Росреестра показал, что затраты на геодезические измерения сокращаются до
10 раз, время измерений уменьшается до 5 раз (рис. 2).
*Чг dfe
^ "t*
J3^
Референцная станция
ГЛОНАСС/GPS
Приемник
ГЛОНАСС/ GPS
V-
т
BTS6SM
(МТС)
Вычислительный центр
АХ,
AV,
База данных точных
координат референцных
станций
Потребители точным координат
с
Точность определения
координат до 3 cm
Точность определения
координат до 1 mm
""-'"^^JSffiaK" -■"-■
Промышленное,
железнодорожное и
транспортное
строительство
Коммунальное
хозяйство
Мониторинг
деформаций,
смещений грунтов и
геологических
образований
Рис. 2. Система точного позиционирования на основе ГЛОНАСС/GPS
и инфраструктура сети сотовой связи
294
Первоочередное направление - создание системы
информационно-навигационного обеспечения транспортных коридоров, объединяющих
коммерческих операторов и обеспечивающих взаимодействие с ведомственными и
региональными структурами (рис. 3).
.т^0^оф^^ши^т работ' ,.:~\%;
мфттттшШ. «перэтореш. I:
|?ярайсп^
Главный навигационно-
информационный центр
(ОАО «Навигационно-
информационные
системы»)
^Фермшртвшммшм ■
;-расэтрсиагранемие"
;': ^'информации '
ЩШщЩтшШшзм:^^**^ :Ш;;:: ■;;
.: -у; уйй:||1#орша1|1«ши«х услуг ■■. • ; д
Рис. 3. Основные задачи Главного навигационно-информационного центра
федерального сетевого оператора
Предложения
1. При формировании единой инфраструктуры пространственных данных
как обязательного условия эффективности мероприятий по навигационно-кар-
тографическому обеспечению железнодорожного транспорта в интересах
комплексной безопасности предусмотреть отработку требований к содержанию
и структуре следующих сегментов:
- единой координатно-временной и навигационной системы,
включающей в себя государственные системы координат и железнодорожную
линейную систему координат - «пикетаж»;
- единой электронной картографической основы, включая цифровые
навигационные карты железнодорожного транспорта;
- единой системы инфраструктуры пространственных данных
железнодорожного транспорта.
2. Проработать вопросы модернизации и дальнейшего развития ГИС РЖД, ее
информационного и программно-аппаратного обеспечения, в том числе получения
оперативной информации в системе «on-line».
295
PNT Railway Service for Integrated Security
V.N. Filatov
In the paper the problems of providing the security on railway transportation,
basis conditions for implementation of navigation and mapping supply of railway
transportation in the interests of integrated security, the use of coordinate system and
GLONASS on railway transport, outlook of developing the geoinformatic supply of
users.
296
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Вариант модернизации представления эфемеридной
информации в навигационном кадре ГЛОНАСС
С. А. Каплев
ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт
машиностроения», г. Королев, Россия
Планируемая точность навигации на основе ГЛОНАСС за счет
космического сегмента оценена в проектных допущениях к 2020 г. на
субметровом уровне. Из этого следует, что методические ошибки расчета
эфемеридной информации (ЭИ) в навигационной аппаратуре
потребителя должны быть на уровне 7-10 см. В настоящее время максимальный
интервал закладки эфемеридной информации в аппаратуру потребителя
со спутника для ГЛОНАСС составляет 30 мин. Необходимость
доведения интервала прогнозирования до 4 ч обусловлена требованиями
конкурентоспособности ГЛОНАСС, необходимостью функционирования
в условиях длительного воздействия помех и снижения частоты
закладки ЭИ на длительном интервале. Используя разработанный метод,
удастся достичь повышения точности расчета ЭИ в аппаратуре потребителя
до 5-7 см на интервале 30 мин и до 25 см на интервале 4 ч.
Ключевые слова: эфемеридная информация, НАП, одна- и
двухступенчатый методы, интервал прогнозирования.
Введение
В связи с перспективными требованиями потребителей планируемая
точность навигации на основе ГЛОНАСС за счет космического сегмента оценена
в проектных допущениях к 2020 г. на субметровом уровне. Из этого следует,
что методические ошибки, связанные с процедурой расчета эфемеридной
информации (ЭИ) в НАП, не должны практически ухудшать исходные точности
эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) и к 2020 г. быть на уровне 7-10 см.
В настоящее время максимальный интервал закладки ЭИ в аппаратуру
потребителя со спутника (интервал согласования) для ГЛОНАСС составляет
30 мин, что в условиях помех может вызвать серьезные проблемы, связанные
с потерей информации при частом считывании ЭИ с борта навигационного
космического аппарата.
) С. А. Каплев, 2012
297
Это обстоятельство служит весомым аргументом в пользу увеличения
интервала согласования, при этом на концах интервала требования к точности
могут быть снижены до 20-25 см.
В настоящее время для расчета текущей ЭИ в НАЛ существует два
основных формата представления опорной ЭИ в составе навигационного сообщения,
принятые в системах ГЛОНАСС, GPS (далее формат ГЛОНАСС и формат GPS)
и Galileo. В формате ГЛОНАСС производится интегрирование уравнений
модели движения космического аппарата в координатах, скоростях и ускорениях,
тогда как GPS имеет дело с элементами орбит, их вековыми уходами и
коэффициентами гармоник возмущающих сил.
В отличие от опорных эфемерид ГЛОНАСС опорные точные эфемериды
GPS проходят процедуру согласования, что позволяет существенно уменьшить
ошибки расчета эфемерид потребителем. Потребителю на опорное время
передаются не точные эфемериды, а рассчитанные на их основе таким образом,
чтобы минимизировать ошибки эфемерид, вычисляемых потребителем в НАП
на моменты времени t внутри 4-часового интервала, на который опорные
эфемериды закладываются и согласуются.
Общее решение
По отношению к требуемой точности максимального интервала
прогнозирования ЭИ и скорости передачи можно разделить всех потребителей
системы ГЛОНАСС на обычных, требующих высокой точности и скорости при
интервалах прогнозирования не выше 30 мин (тип 1), и потребителей,
требующих большего интервала прогнозирования, но с менее жесткими
требованиями по точности и времени передачи (тип 2). В табл. 1 приведены
предварительные требования к представлению ЭИ.
Точностные характеристики штатных методов расчета ЭИ ГЛОНАСС
и метода GPS, а также введенных методов согласования штатных параметров
ЭИ ГЛОНАСС по трем и девяти параметрам показывают, что использование
таких методов без расширения состава навигационного сообщения не
позволяет увеличить интервал расчета ЭИ в НАП при требуемой точности. Для
увеличения ее интервала прогнозирования ЭИ в НАП и, следовательно, усиления её
помехозащищенности предлагается расширить состав ЭИ ГЛОНАСС за счет
замены постоянных ускорений ускорениями, представленными в виде
кубического полинома (от времени внутри интервала согласования относительно
опорного времени):
а =а^ + а At-t ) + aAt-t )2 + aM-t J3;
x xO x\ v опор7 х2 v опор7 хЗ v опор7 '
a=a„ + aAt-t ) + aAt-t )2 + aM-t J3;
у yO y\ v опор7 y2 v опор7 уЪ v опор7 '
a =a- + a.(t-t J + aAt-t f + aM-t J3.
z zO z\ v опор7 zl v опор7 z3 v опор7
298
Таблица 1. Требования потребителей к эфемеридной информации
Параметр
Интервал прогнозирования
Точность расчета ЭИ на интервале, см
Время передачи
Тип потребителя
1
30 мин
5-8
<8с
2
4ч
25-30
< 2.5 мин
Таким образом, потребителю будут передаваться не 9, а 18 параметров
эфемерид, рассчитанных на момент времени *опор: координаты jc, у, z; скорости
К, Vy-> Vz\ компоненты ускорений по х (о^, axU ах2, ах3), по у (а^ ayU ay2, ау3) и по
z (ал, azU azl, az3). ЭИ должна рассчитываться с использованием процедуры
согласования, которая представляет собой расчет оптимальных параметров ЭИ
по методу наименьших квадратов на основании начального расхождения
между точными эфемеридами и ЭИ, рассчитанной без согласования. Возможны
несколько типов реализации предлагаемого решения: одно- и двухступенчатый
методы, двухступенчатый метод с центральной опорной точкой, а также
двухступенчатый метод с вводимыми поправками.
Варианты реализации общего решения
Основные положения одноступенчатого метода:
- опорная ЭИ формируется на середину интервала согласования;
- интервал согласования составляет (4 ± 2) ч относительно опорного
времени;
- потребителю в составе оперативной информации передаются сразу все
18 эфемеридных параметров;
- согласование проходят 12 параметров ускорений или 18 параметров
при возможности дополнительно передавать в составе неоперативной
информации точные значения координат и скоростей, необходимые для отдельной
группы потребителей;
- для реализации одноступенчатого метода требуется 363 разряда,
причем увеличение разрядности скорости до 33 разрядов приводит к повышению
точности на 1-2 см;
- точность одноступенчатого метода оценивается как погрешность
псевдодальности на интервале 4 ч и составляет 13 см при 18-параметрическом
согласовании и 15 см при 12-параметрическом согласовании с вероятностью 95 %.
Отметим, что погрешность метода не является возрастающей, а имеет
нелинейный периодический вид. Таким образом, максимальная ошибка может
иметь место в окрестностях опорной точки, что ставит под сомнение
возможность удовлетворения требований потребителей типа 1 при использовании
данного метода.
Для удовлетворения требований потребителей типа 1 достаточно только
1-й ступени двухступенчатого метода, 2-я ступень используется
потребителями типа 2. В этом случае:
299
- опорная ЭИ формируется на начало интервала согласования;
- потребителю в составе оперативной информации передаются только
9 эфемеридных параметров, рассчитанных при согласовании 3 параметров
ускорений, постоянных на интервале согласования (остальными параметрами
являются точные значения координат и скоростей);
- в составе неоперативной информации потребителю передаются
дополнительно 12 параметров ускорений, замещающие ускорения, полученные на
предыдущем шаге, при этом на 2-й ступени используются координаты и
скорости, полученные на 1-й ступени;
- величина интервала согласования составляет 30 мин относительно
опорного времени для оперативной ЭИ и +4 ч для неоперативной ЭИ;
- для реализации двухступенчатого метода требуется максимум 453
разряда (252 -для представления оперативной информации, 201 -неоперативной);
- при ограничении слова кадра 32 разрядами представление оперативной
информации снижается до 240 бит, что, конечно, влияет на точность метода;
- точность двухступенчатого метода оценивается как погрешность
псевдодальности и составляет 11 см на 1-й ступени (до 30 мин от опорного
времени) и 21-25 см на 2-й ступени (в зависимости от принятой разрядности
представления) с вероятностью 95 %.
Также был рассмотрен вариант двухступенчатого метода с центральной
опорной точкой. Однако метод оказался нерациональным, так как при
формальном 4-часовом интервале при смене ЭИ раз в 30 мин потребитель не может
использовать эфемериды 2-й ступени раньше, чем получит эфемериды 1-й
ступени, иначе буцет происходить разрыв непрерывности навигации на 2-2.5 мин раз
в 4 ч, требуемые для считывания неоперативной информации.
Для повышения точности 1-й ступени рассмотрим двухступенчатый
метод с вводимыми поправками:
- в отличие от простого двухступенчатого метода на 1-й ступени
согласуются не только ускорения, но и скорости, таким образом, согласование
проходят 6 параметров из 9;
- опорная ЭИ формируется на 1-й ступени на середину 30-минутного
интервала, а на 2-й ступени - на начало 4-часового интервала согласования;
- в составе неоперативной информации потребителю помимо 12
параметров ускорений передаются поправки, преобразующие согласованные
параметры скорости обратно в точные;
- интервал согласования составляет 30 мин относительно опорного
времени для оперативной ЭИ и 4 ч для неоперативной ЭИ;
- для реализации двухступенчатого метода с вводимыми поправками
требуется 474 или 486 разрядов;
- точность метода составляет 3-5 см на 1-й ступени (30 мин) и 21-25 см на
2-й ступени (4 ч) с вероятностью 95 % (в зависимости от принятой разрядности).
Все методы были отработаны на основе реальных данных. В табл. 2
представлены обобщенные тактико-технические характеристики рассмотренных методов.
300
Отметим, что одноступенчатый метод имеет более стабильную
сходимость и самую большую точность на 4-часовом интервале, однако не
удовлетворяет требованиям обычного потребителя. Требованиям обоих типов
потребителей удовлетворяет только двухступенчатый метод с вводимыми
поправками.
Таблица 2. Обобщенные тактико-технические характеристики рассмотренных методов
Характеристика
Интервал
прогнозирования
Опорная точка
Число
параметров
Число
согласованных
параметров
Размерность
Время передачи
при 100 бит/с, с
Точность
95 %, см
Одноступенчатый метод
4ч
В середине
интервала
(±2ч)
18
12(18)
363
3.65
15(13)
Двухступенчатый метод
1-я
ступень
30 мин
В начале
интервала
(30 мин)
9
3
252 (240)
2.52 (2.4)
11
2-я
ступень
4ч
В начале
интервала
(4 ч)
12
12
201
120-150
21-25
Двухступенчатый метод
с вводимыми поправками
1-я
ступень
30 мин
В начале
интервала
(±15 мин)
9
6
252 (240)
2.52 (2.4)
3-5
2-я
ступень
4ч
В начале
интервала
(4 ч)
15
15
234
120-150
21-25
Заключение
Таким образом, наиболее удачным вариантом модернизации
представления ЭИ является двухступенчатый метод с вводимыми поправками. Этот метод
имеет стабильную сходимость, самую большую точность на 30-минутном
интервале (3-5 см), что наиболее важно для обычного потребителя, а также
позволяет потребителю, не нуждающемуся в большом интервале
прогнозирования, загружать меньшее количество информации за меньшее время. При этом,
несмотря на то, что точность на 4-часовом интервале примерно на 10 см хуже,
чем у одноступенчатого, точность на уровне 25 см не столь критична при
использовании увеличенного интервала.
301
A Method of Representation of Ephemeris Information
in Navigation Frame
S. Kaplev
An accuracy of navigation with GLONASS should be at the level of sub-meters
using space segment. Therefore errors of calculation of ephemerides in a user
navigation facility should be better than 7-10 cm. Using this method developed one could
increase the accuracy of ephemerides to the level of 5-7 cm on the interval of about
30 min. and to the level of 25 cm on the interval of about 4 hours.
302
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Комплекс экспериментов по приему отраженных
от земной поверхности сигналов спутниковых
радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS
В. А. Авдеев, В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко,
В. А. Добриков, А. А. Иванов, В. Ф. Иванов, А. С. Кошкаров,
И. В. Сахно, А. Б. Симонов, Е. А. Ткачев, К. К. Успенский,
А. В. Шалдаев, А. В. Шульженко
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»,
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматривается возможность построения пассивной
многопозиционной радиолокационной системы обзора земной поверхности
с использованием сигналов спутниковой радионавигационной системы
(СРНС) ГЛОНАСС/GPS; представлены результаты наземного и летного
экспериментов по приему отраженных от земной поверхности сигналов
СРНС ГЛОНАСС/GPS, а также результаты совместной обработки
сигнала, отраженного от земной поверхности, и сигнала прямого
распространения.
Ключевые слова: СРНС, ГЛОНАСС, GPS, радиолокационная
система, прямой и отраженный сигналы, совместная обработка,
радиолокационные измерения.
Одной из современных тенденций развития радиолокационных систем
дистанционного зондирования Земли является переход к созданию двухпози-
ционных, а в перспективе - и многопозиционных систем обзора поверхности.
Рассмотрим многопозиционную радиолокационную систему (РЛС), в
которой приемная позиция может быть расположена как на авиационном
носителе, так и на низковысотном космическом аппарате (КА). В качестве источников
сигналов радиолокационной подсветки рассматриваются навигационные КА
спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС, GPS, а в
перспективе Galileo.
Для экспериментальной отработки предложенного технического решения
и метода пассивной многопозиционной радиолокации в целях формирования
© В. А. Авдеев, В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко, В. А. Добриков, А. А. Иванов,
В. Ф. Иванов, А. С. Кошкаров, И. В. Сахно, А. Б. Симонов, Е. А. Ткачев, К. К. Успенский,
А. В. Шалдаев, А. В. Шульженко, 2012
303
радиолокационных измерений (РЛИ) наблюдаемого участка земной
поверхности на кафедре космической радиолокации и радионавигации Военно-
космической академии им. А. Ф. Можайского совместно с КБ НАВИС
разработан макет аппаратуры, реализующий технологию программного приема
отраженных земной поверхностью сигналов и сигналов прямого
распространения СРНС. С использованием макета проведена серия наземных
экспериментов и совместно с в/ч 41513 лётный эксперимент для определения
чувствительности аппаратуры и потенциальных возможностей предложенного метода.
В ходе проведения экспериментов регистрировался одновременно прямой
и отраженный сигнал.
Обработка зарегистрированных сигналов производилась по
взаимокорреляционной схеме*. Обрабатываемый набор данных представляет собой
последовательную запись оцифрованных отсчетов сигнала с выхода макета по двум
каналам, где первый канал это отраженный сигнал, принятый антенной,
направленной в сторону земной поверхности, а второй канал - это сигнал
«прямого распространения», принятый навигационной антенной непосредственно
со спутников ГЛОНАСС и GPS.
При проведении наземного эксперимента РЛИ формировалось как в
однострочном режиме, так и в координатах «дальность-доплер». Анализ
полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
- в зоне обзора существует множество точек отражения, которые
разрешаются по дальности, о чем свидетельствует наличие локальных максимумов
на РЛИ, возникающих в результате накопления сигнала, с увеличением
интервала накопления не изменяется расположение этих точек отражения
(локальных максимумов) по дальности;
- увеличение времени когерентного накопления приводит к лучшей
наблюдаемости отдельных точек изображения вследствие улучшения отношения
сигнал/шум;
- размеры отметок целей сопоставимы с оценками потенциальной
разрешающей способности системы;
- на синтезированных двухмерных РЛИ наблюдаются и побочные
центры отражений вне основного лепестка диаграммы направленности (ДН), что
можно объяснить наличием каналов приема по боковым лепесткам. Сужение
синтезированной диаграммы направленности пропорционально увеличению
интервала когерентного накопления, что также свидетельствует о наличии
приема отраженного сигнала.
Обработка результатов летного эксперимента происходила в несколько
этапов. На первом этапе обработки зарегистрированных сигналов проводилось
обнаружение псевдодальномерного кода в сигналах ГЛОНАСС прямого
распространения и отраженного от земной поверхности, по результатам которого
* Способ получения радиолокационного изображения земной поверхности при помощи
многопозиционной радиолокационной системы с синтезированной апертурой антенны: пат. 2278398
Рос. Федерация / В. Ф. Фатеев, И. В. Сахно; приоритет 06.07.2004. - 10 с.
304
возможно определить высоту носителя приемной позиции и проверить
работоспособность каналов приема прямого и отраженного сигналов. В зоне обзора
устойчиво наблюдаются зеркальные точки отражения (по числу
навигационных КА в зоне радиовидимости). Рассчитанные координаты зеркальных точек
совпали с полученными в ходе проведения эксперимента значениями.
На втором этапе обработки результатов экспериментов сначала
уточнялась взаимная геометрия движения навигационного КА и авиационного
носителя относительно выбранного участка земной поверхности (опорной
плоскости) и определялось расположение линий равной дальности на опорной
плоскости для уточнения закона изменения фазы для зарегистрированных
сигналов в интересах синтеза опорных функций. В целях формирования опорных
функций для синтеза РЛИ была реализована модель расчета линий равной
суммарной дальности и равной доплеровской частоты. Особенностью алгоритма
является то, что линии равной суммарной дальности расположены не
параллельно линии пути носителя РСА, как при классическом боковом обзоре,
поэтому применяется поточечный синтез во временной области, что приводит
к существенному увеличению времени синтезирования РЛИ.
Анализ синтезированных РЛИ (см. рисунок) при различных интервалах
когерентного накопления показал, что накопление сигнала, как и ожидалось,
происходит вдоль линий равной дальности, тем самым улучшаются
разрешения по частоте Доплера при увеличении времени синтезирования Гс, что
согласуется с теорией синтезирования апертуры. РЛИ получены путем обработки
зарегистрированных сигналов для навигационного КА № 3 литер 5. Размер
РЛИ 100 х 100 элементов, размер одного элемента разрешения как по
дальности, так и азимуту составляет 7.32 м, т. е. размер изображения 732 х 732 м.
Более наглядные результаты могут быть получены при увеличении
времени синтезирования и при сложении РЛИ, полученных с разных ракурсов,
а также в условиях специально оборудованного полигона. После проведения
экспериментов получена повторяемость результатов, показаны преимущества
программных методов обработки и возможности реализации предлагаемого
подхода по построению многопозиционной радиолокационной системы
обзора поверхности в интересах задач дистанционного зондирования Земли,
подтверждена возможность приема и когерентной обработки сигналов СРНС.
а)Гс=20мс б)Гс=50мс в)Гс=100мс
Синтезированные РЛИ при разных интервалах когерентного накопления Тс сигнала
навигационного КА ГЛОНАСС № 3 литер 5 по результатам летного эксперимента
305
A Set of Experiments on Receiving Earth Surface Reflected
GNSS Signals
V. A. Avdeev, V. S. Bakholdin, D. A. Gavrilov, I. S. Gerasimenko,
V. A. Dobrikov, A. A. Ivanov, V. F. Ivanov, A. S. Koshkarov,
I. V. Saldino, A. B. Simonov, E. A. Tkachev, К. К. Uspensky,
A. V. Shaldaev, A. V. Shulzhenko
The paper discusses the possibility of constructing a passive multistatic radar
for earth observation by using GNSS signals; the results of ground and flight
experiments on receiving earth surface reflected GNSS signals, as well as the results of
joint processing of the earth surface reflected signal and the direct signal.
306
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Прием навигационных сигналов с кодовым разделением
ГНСС ГЛОНАСС в частотном диапазоне ЬЪ
В. А. Авдеев, В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко,
В. А. Добриков, В. Ф. Иванов, А. В. Козлов,
А. С. Кошкаров, И. В. Сахно, А. Б. Симонов, Е. А. Ткачев,
К. К. Успенский, А. В. Шалдаев
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
В статье проведено описание комплекса по программному приему
навигационных сигналов и представлены результаты приема и
обнаружения по дальномерному коду сигнала с кодовым разделением в
частотном диапазоне L3, передаваемого космическим аппаратом «Глонасс-К».
Ключевые слова: Глонасс-К, навигационный сигнал, прием,
частотный диапазон L3.
Космический аппарат (КА) «Глонасс-К» был выведен с космодрома
Плесецк 26 февраля 2011 г. КА «Глонасс-К» для наземного комплекса
управления (НКУ) № 701 расположен в 3-й орбитальной плоскости в окрестности
21-й рабочей точки. Ему был присвоен системный номер 4 с литерой 5.
В настоящее время КА «Глонасс-К» находится на этапе летных
испытаний и передает сигнал нестабильно, о чем свидетельствуют результаты
контроля его состояния за 24 ч на 25-26 сентября 2011 г., полученные на основе
обработки измерений глобальной сети станций. Поэтому сначала осуществлялась
запись эфирного навигационного сигнала на промежуточной частоте,
проводилось сравнение времени записи с результатами суточного мониторинга КА
«Глонасс-К» на время записи сигнала. Запись эфирного сигнала
осуществлялась с использованием комплекса по програмному приему навигационных
сигналов, структурная схема которого представлена на рис. 1.
Положение экспериментального КА «Глонасс-К» (НКУ № 701)
оценивалось по положению КА (НКУ № 725). Принимая информацию по протоколу
BINR о каналах РПУ НАЛ СН-4000, определялся доплеровский сдвиг частоты
для КА (НКУ № 725) (литер 04) и оценивался для КА № 701.
© В. А. Авдеев, В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко, В. А. Добриков,
В. Ф. Иванов, А. В. Козлов, А. С. Кошкаров, И. В. Сахно, А. Б. Симонов, Е. А. Ткачев,
К. К. Успенский, А. В. Шалдаев, 2012
307
БА1
L1
НАЛСН-4000
Схема
понижения
частоты
БА2
L3
Схема пони-
жения частоты
ГЛОНАСС/
GPS/Galieo
ОГ1
10 МГц
HDD
(RAID)
ОГ2
40,92 МГц
Рис. 1. Структурная схема комплекса программного приёма навигационных сигналов
АЦГГ^Ц
Управляемый |
гетеродин
i + Г п
Рис. 2. Схема поиска и обнаружения навигационного сигнала по задержке
дальномерного кода
Запись производилась на промежуточной частоте 9.225 МГц с тактовой
частой 40.96 МГц 10-секундными интервалами. Полученные наборы данных
обрабатывались в среде Matlab.
С выхода квадратурного приемника 1 на второй ПЧ осуществляется
оцифровка 2 принимаемого сигнала (рис. 2). Оцифрованный сигнал поступает
в ЗУ 3, где отсчеты сигнала накапливаются на интервале времени. Затем
отсчеты с выхода ЗУ 3 поступают на вход процессора 4, осуществляющего
быстрое преобразование Фурье (БПФ). Принятый, оцифрованный и
переведенный в частотную область навигационный сигнал поступает на один из входов
перемножающего устройства 6. На второй вход перемножающего устройства
с выхода процессора 5, осуществляющего БПФ, поступает опорный сигнал.
В перемножающем устройстве 6 осуществляется комплексно-сопряженное
перемножение в частотной области принятого и опорного сигналов. С выхода
перемножающего устройства сигнал поступает на процессор 7, где
осуществляется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ). Далее отсчеты
сигнала поступают на сумматор S, в котором в целях повышения соотношения
сигнал/шум производится накопление сигнала на интервале времени. С
сумматора результаты корреляционной обработки принятого сигнала поступают на
блок анализа полученных результатов 9. В этом блоке принимается решение
о наличии или отсутствии сигнала от того или иного НКА. В случае принятия
308
решения о наличии сигнала производится оценка задержки принятого
навигационного сигнала относительно опорного.
Особенностью обнаружения навигационного сигнала от КА «Глонасс-К»
в частотном диапазоне ЬЪ является то, что используется сигнал с кодовым
разделением. Поскольку априорных данных о структуре дальномерного кода,
передаваемого с борта КА «Глонасс-К» нет, то было принято решение осуществлять
поиск и обнаружение сигнала методом перебора всех КП, схемы формирования
которых описаны в [4]. Результатом выбранного подхода к обнаружению
навигационного сигнала ЬЪ КА «Глонасс-К» является обнаружение дальномерных
КП с номерами начальных состояний регистра сдвига 60 и 62.
На рис. 3 представлен сигнал на выходе корреляционного приемника при
использовании некогерентного накопления сигнала на интервале времени 20 мс.
Сигнал записан 29 июня 2011 г. в 20 ч 22 мин 09 с; время записи сигнала 10 с.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Рис. 3. Сигнал на выходе коррелятора при некогерентном накоплении на интервале
20 мс при обнаружении сигнала ГЛОНАСС в частотном диапазоне ЬЪ
Литература
1. ВакманД. Е., СедлецкийР. М Вопросы синтеза радиолокационных
сигналов. - М.: Сов. радио, 1973. - 312 с.
2. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.:
Радио и связь, 1985. - 384 с.
3. Варакин Л. Е. Теория сложных сигналов - М.: Сов. радио, 1970. - 376 с.
4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.
Интерфейсный контрольный документ Навигационный радиосигнал в диапазоне ЬЪ с
открытым доступом и кодовым разделением / ред. 1-я. - М.: МО РФ, 2010. - 92 с.
5. Журавлев В. И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах -
М.: Радио и связь, 1986. - 240 с.
6. Тараненко 77. Г. Псевдослучайные и кодовые последовательности:
методы синтеза и анализа: учеб. пособие. - СПб.: ВИКУ им. А. Ф. Можайского,
1999.-112 с.
309
Acceptance Navigational Signal With Code Division
GNSS GLONASS in Frequency Range L3
V. A. Avdeev, V. S. Bakholdin, D. A. Gavrilov, I. S. Gerasimenko,
V. A. Dobrikov, V. F. Ivanov, A. V. Kozlov, A. S. Koshkarov, I. V. Sakhno,
A. B. Simonov, E. A. Tkachev, K. K. Uspensky, A. V. Shaldaev
In article organized description of the complex is on program to acceptance
navigational signal and is presented results of the acceptance and finding on
ranging code signal with code division in frequency range Li sent by cosmic device
GLONASS-K.
310
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Информационно-лабораторный комплекс
для подготовки специалистов
по эксплуатации систем единого времени
Р. А. Белокопытов, В. К. Ковнацкий
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
Данная статья посвящена проблемам подготовки специалистов по
эксплуатации систем единого времени (СЕВ). Предложены
учебно-лабораторные установки по наиболее востребованным для специалистов
СЕВ-темам электродинамики, которые позволяют повысить
фундаментальную и профессиональную направленность обучения. Предложена
методика использования комплекса на лекционно-теоретических, лабо-
раторно-практических, самостоятельных и исследовательских учебных
занятиях по электродинамике.
Ключевые слова: подготовка специалистов, система единого
времени, информационно-лабораторный комплекс.
Для координатно-временного и навигационного обеспечения
необходимо готовить соответствующих специалистов в данной области. Нами создан
информационно-лабораторный комплекс (ИЛК) по наиболее востребованным
для специалистов по СЕВ-темам электродинамики. Он разработан на
основе требований, предъявляемых к современной технологии прямого доступа
к объекту изучения. Основным достоинством этой образовательной
технологии является то, что база данных на одном рабочем месте содержит до
нескольких десятков натурных экспериментов, готовых к реализации, и время
доступа к ним составляет доли минуты.
В состав ИЛК входят: персональные компьютеры, компьютерный
проектор, учебно-лабораторные установки, программно-методическое обеспечение
проведения занятий. На 18 учебно-лабораторных установок, входящих в состав
ИЛК, получены патенты на изобретения. Все установки объединены по общим
принципам построения и образуют 8 типов установок для следующих целей:
1) экспериментального подтверждения закона Био-Савара-Лапласа путем
замены элементов линейных проводников с током круговыми проводниками
с током; 2) экспериментального обоснования 1-го и 4-го уравнений Максвелла
© Р. А. Белокопытов, В. К. Ковнацкий, 2012
311
на основе магнитных колец Гельмгольца; 3) экспериментального обоснования
2-го и 3-го уравнений Максвелла на основе электрических колец Гельмгольца;
4) измерения параметров однородного и неоднородного магнитных полей на
основе закона Ампера и эффекта Холла; 5) исследования электромагнитного
поля в среде и вакууме с использованием длинного соленоида; 6)
моделирования полей электрического и магнитного диполей; 7) исследования
стационарного электрического поля на электропроводящей бумаге; 8) моделирования
пеленгования источника излучения электромагнитного поля.
Созданный ИЛК дает возможность сформировать у будущих
специалистов по СЕВ такие сложные понятия электродинамики, как ток смещения,
магнитное поле тока смещения, поток вектора электрического смещения, поток
вектора магнитной индукции, уравнения Максвелла, электромагнитное
поле, волновой процесс, поле электрического и магнитного диполей, параметры
электромагнитного поля и среды. На ИЛК можно экспериментально проверить
следующие законы и теоремы: закон Био-Савара-Лапласа; законы Ампера для
однородного и неоднородного магнитных полей; законы Ома и Джоуля-Ленца
в дифференциальной форме; закон электромагнитной индукции; теоремы
о циркуляции вектора напряженности электрического и магнитного полей;
теоремы Гаусса для электрического и магнитного полей.
На ИЛК можно решать профессионально ориентированные
экспериментальные задачи, формирующие эксплуатационные и исследовательские
компетенции. Экспериментальные задачи могут описывать ситуации, возникающие
в профессиональной деятельности будущих специалистов по СЕВ, такие как
бесконтактный способ определения параметров переменного тока в
проводнике; снятие диаграммы направленности источника электромагнитного поля;
моделирование элементов радиолиний с помощью электрических и магнитных
колец Гельмгольца; пеленгация источника излучения электромагнитного поля;
измерение параметров электромагнитного поля и среды и др. Созданный ИЛК
по электродинамике позволяет использовать его как в демонстрационном
эксперименте, так и на лабораторно-практических работах. Он дает возможность
сделать решение лабораторно-практических задач в курсе электродинамики
составной частью профессиональной подготовки; развить обобщенные
экспериментальные умения и навыки, а также способности решать проблемные задачи;
усилить мотивацию учебной деятельности при изучении электродинамики.
Предложена методика использования ИЛК на лекционно-теоретических,
лабораторно-практических, самостоятельных и исследовательских учебных
занятиях по электродинамике. На основе этой методики в условиях учебных
занятий моделируется профессиональная деятельность, и курсанты по мере
коллективного взаимодействия переориентируются с учебной на
профессиональную деятельность.
Для формирования у курсантов исследовательских компетенций,
развития творческой самостоятельности и усиления профессиональной
направленности обучения на защите лабораторной работы предлагаются задания ис-
312
следовательского характера. Для развития коммуникативных компетенций на
ИЛК используется метод изменения ролевой позиции курсанта. Он получает
право под контролем преподавателя проводить допуск к работе и
консультировать своих товарищей по мере выполнения работы.
На ИЛК реализуется такой вид лабораторного практикума, когда в одном
и том же лабораторном задании содержится как виртуальная, так и реальная
части работы. Это улучшает эксплуатационную подготовку будущих
специалистов по РЭБ KB, развивает творческое мышление, формирует навык
использования для моделирования, вычисления и анализа результатов персональных
компьютеров.
Работая с оборудованием ИЛК, обучающиеся имеют дело с техникой,
которая применяется в научных экспериментах, а это дает возможность уже на
ранних стадиях обучения овладеть современными методами исследований,
необходимыми специалистам в области координатно-временного и
навигационного обеспечения. Применение ИЛК при изученииэлектродинамики, а также
общеинженерных дисциплин способствует повышению качества обучения,
позволяет преодолеть многие недостатки, присущие традиционному учебному
процессу.
Литература
1. Белокопытов Р. А. Новый дидактический лабораторный комплекс по
электродинамике как средство формирования профессионально значимых
умений в техническом вузе // Материалы XV Междунар. конф. «Современное
образование: содержание, технологии, качество», 22 апреля 2009 г., Санкт-
Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им.
В. И. Ульянова (Ленина).
2. Белокопытов Р. А. Установка для исследования поля электрического
и магнитного диполей // Материалы VIII Московского междунар. салона
промышленной собственности «Архимед-2005». - М., 2005.
3. Белокопытов Р. А., Ковнацкий В. К. Лабораторный комплекс
по электродинамике // Материалы XI Московского междунар. салона
промышленной собственности «Архимед-2008». - М., 2008.
313
Information-laboratory Complex for Training of Specialists
in Operation of the Systems CET
R. A, Belokopytov, V. K. Kovnacky
Working with the equipment JAND students deal with the technique, which is
used in scientific experiments, and it enables already at the early stages of learning
to master the modern methods of research of necessary specialists in the field of
coordinate-time and navigation support.
The use of JAND on electrodynamics, as well as on general engineering
disciplines contribute to the quality of teaching, allows to overcome many of the
limitations of the traditional educational process.
314
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Радиометр водяного пара обсерватории «Светлое»
Н. Ю. Белоусов, В. Ю. Быков, Г. Н. Ильин
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Представлены результаты, характеризующие работу радиометра,
предназначенного для измерения яркостной температуры атмосферы.
Ключевые слова: радиометр водяного пара, СВЧ-блок.
Структура РВП
Радиометр водяного пара (РВП) представляет собой классический двух-
частотный радиометр диапазонов 21 и 32 ГГц, предназначенный для
измерения яркостной температуры атмосферы [1]. РВП установлен на
опорно-поворотное устройство (ОПУ) (рис. 1) и может работать автономно или синхронно
с радиотелескопом РТ-32 обсерватории «Светлое». В этом случае РВП
проводит измерения яркостной температуры атмосферы с направлений приёма
сигналов радиотелескопом РТ-32 [2, 3].
Входные малошумящие усилители радиометра выполнены на основе СВЧ-
конвертеров НПФ «Микран» (г. Томск). Отличительной особенностью РВП
является использование режима измерения полной мощности коммутируемых
входных сигналов - внутренних калибровочных нагрузок и сигнала,
излучаемого атмосферой. Реализация такого режима работы на практике позволяет
осуществлять постоянный мониторинг вариаций коэффициента усиления
радиометра и учесть их при последующей обработке полученных данных [4, 5].
РВП имеет две рупорно-линзовых антенны, диаграмма направленности
(ДН) которых отклоняется в пределах 180° поворотным плоским
перископическим зеркалом, установленным под углом 45° к горизонту (см. рис.1).
Полуширина ДН рупорных облучателей составляет 6°. РВП установлен на
азимутальное ОПУ, имеющее угол поворота в пределах сектора 220°. В качестве
отсчётных устройств, используемых для определения азимутальной и угловой
координат оси ДН, использованы датчики типа вращающегося трансформатора
5БВТ Датчики снабжены 12-разрядными преобразователями «угол-код» [6].
На входе СВЧ-блока установлен ферритовый Х-переключатель в
комбинации двух У-переключателей (см. рис. 1), позволяющий
последовательно подключать ко входу блока сигналы антенны и попеременно двух
калибровочных согласованных нагрузок, имеющих фиксированную температуру
© Н. Ю. Белоусов, В. Ю. Быков, Г. Н. Ильин, 2012
315
Гх = (40 ± 0.007) °C и Гт = (65 ± 0.007) °C [8]. Частота коммутации сигналов
составляет 1кГц. Параметры СВЧ-блоков РВП представлены в таблице.
Рис. 1. Макет РВП в обсерватории «Светлое» (слева) и блок СВЧ радиометрического канала
(справа). Узлы СВЧ-блока РВП диапазона 21 ГГц - ферритовые переключатели, конвертер
входных сигналов (МШУ) и термостатируемые калибровочные нагрузки Гт и Тх
Параметры СВЧ-блоков РВП
Параметр
Центральная частота, полоса частот, ГГц
Частота гетеродина, ГГц
Эквивалентная шумовая температура
СВЧ-блока Гп, приведенная к входу рупора, К
Коэффициент усиления СВЧ-блока (до детектора), дБ
Чувствительность (потенциальная), мК:
- с «холодной» 40 °С нагрузкой на входе МШУ
- приТа=11 К,*=1 с
Относительная нестабильность коэффициента
передачи СВЧ-блока при АГокр = ±1 °С, %:
- на интервале 1 ч
- на интервале 12 ч
Скорость перемещения, %;
- по азимуту
- по углу места
Диапазон рабочих углов, °:
- по азимуту
- по углу места
Пределы поворота АС, °:
- по азимутальной координате
- по угломестной координате
Погрешность установки АС по координатам, '
Блок А
20.75 ± 0.25
19.0
145
58
28
10
Блок Б
32.05 ± 0.25
30.3
287
55
38
18
0.03
0.06
1
2
360
25-90
220
180
К
Э
316
Система управления РВП
Система управления РВП обеспечивает требуемые режимы работы РВП и
подразделяется на аппаратную и программную части. К аппаратной относятся
устройство управления на базе программируемого микроконтроллера и
управляющего компьютера. Программная часть представляет собой операционную
систему Linux с ядром 2.6.22, операционную среду для работы системы и
непосредственно модули программной части системы управления, сбора и
первичной обработки данных.
Программная часть системы управления обеспечивает следующее:
- управление режимами работы радиометрических блоков;
- расчёт целеуказаний и формирование команд управления ОПУ для
ручного и автоматического наведения антенной системы в заданную точку;
- обмен данными между управляющим компьютером и устройством
управления исполнительными устройствами, консолью оператора наведения
и другими сетевыми абонентами;
- регистрацию и хранение данных;
- автономное по заданным программам или автоматическое, совместно
с радиотелескопом РТ-32 программное управление с интерпретацией команд,
поступающих от консоли оператора наведения.
Протокол обмена по интерфейсу между устройством управления и
управляющим компьютером разработан на основе стандарта MODBUS,
устанавливающего правила работы с интерфейсами стандартов RS-232C, RS-422
и RS-485 в дуплексном и полудуплексном вариантах. Разработанный
интерфейс исчерпывающе обеспечивает потребности системы управления.
Ручной режим работы РВП является тестовым и отладочным. Он
предназначен для использования при проведении профилактических и регламентных
работ на РВП, для проверки исправности функционирования исполнительных
устройств радиометра и т. д.
Основным является программный автоматический режим работы РВП
совместно с радиотелескопом РТ-32 (далее автоматический совместный режим).
В автоматическом совместном режиме работы система управления
обеспечивает кроме описанных выше функций получение данных о состоянии РТ-32 от
консоли оператора наведения, в том числе эталонное время с задержкой не
более чем 0.3 с, координаты РТ-32 по главным осям и информацию о состоянии
телескопа: «ожидание», «переброс» или «сопровождение» [8].
Протокол обмена по интерфейсу между консолью оператора наведения
радиотелескопа и управляющим компьютером РВП принят аналогично
протоколу обмена консоли оператора и рабочей станции контроля и управления
(РСКУ), но в отличие от РСКУ этот протокол усечён до одностороннего -
система управления является только получателем информации от консоли
оператора наведения. В автоматическом режиме выполняютя калибровки РВП
известным методом разрезов атмосферы по угломестной координате.
317
Стабильность РВП
Основным фактором, влияющим на долговременные характеристики
радиометра, является стабильность температуры калибровочных нагрузок
и температуры среды внутри контейнера. Температура внутри контейнера
поддерживается системой регулирования на уровне (35 ± 1) °С. Влияние
температурных изменений среды на относительную нестабильность
коэффициента усиления СВЧ-блоков РВП оценивается значением (2...5)-КН1/°С.
Сочетанием двух зависимостей обусловливается дрейф коэффициента усиления
СВЧ-блоков РВП на суточных интервалах времени при значительных
колебаниях температуры наружного воздуха.
Вариации коэффициента усиления СВЧ-блоков легко калибруются и
компенсируются благодаря высокой (на уровне радиометрической
чувствительности) долговременной стабильности поддержания температуры калибровочных
нагрузок.
В качестве калибровочного при пересчёте измеряемых сигналов в шкалу
температур используется выходной сигнал полной мощности радиометра при
подключённой к его входу «холодной» нагрузке: Тк = (Гп+ Гх). Значение
калибровочного сигнала определяется по внутренним нагрузкам и уточняется по
данным калибровок методом «разрезов». Для примера на рис. 2 представлен график
изменения о(т) (дисперсия Аллана) калибровочного сигнала Тк канала А.
ю
о.о1 i интервал, с
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
интервал, с
Рис. 2. Зависимость а(х) калибровочного сигнала Тк канала А: вверху - исходный
сигнал в единицах отсчётов АЦП; внизу - сигнал, скорректированный за вариации
коэффициента усиления. Тк = 2900 ед.
Из приведенной зависимости следует, что простейшая коррекция
усиления по калибровочной нагрузке увеличивает максимальный интервал
осреднения сигнала с 20 до 500 с. В результате влияние относительной нестабильно-
318
сти коэффициента усиления на сигнал снижено до уровня примерно 110-4 на
интервале более 2 сут.
Литература
1. Быков В. Ю.у Ильин Г. К, Кайдановский М. Н. Аппаратура системы
измерения электрических характеристик тропосферы // Труды ИПА РАН. - СПб.,
2010. - Вып. 21. - С. 255-269.
2. Иванов Д В.t Ипатов А. В.и др. Приёмники радиоинтеферометриче-
ской сети КВАЗАР // Труцы ИПА РАН. - СПб., 1997. - Вып. 2. - С. 232-241.
3. Белоусов Н. Ю., Стэмпковскш В. Г. Программное обеспечение
системы контроля и управления антенной радиотелескопа РТ-32 // Труцы ИПА РАН.
- СПб., 2010. - Вып. 21. - С. 248-254.
4. Стэмпковскш В. Г. Анализ больших рядов наблюдений // Тезисы
докладов Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное
координатно-временное обеспечение (КВНО-2011)», Санкт-Петербург, ИПА РАН,
10-14 октября 2011 года. - С. 162-163.
5. Быков В. Ю., Ильин Г. Н., Караваев Д. М, Стэмпковскш В. Г.
Предварительные результаты обработки данных радиометра водяного пара
обсерватории «Светлое» // Тез. докл. Всеросс. конф. «Фундаментальное и прикладное
координатно-временное обеспечение (КВНО-2011)», Санкт-Петербург, ИПА
РАН, 10-14 октября 2011 года. - С.182-183.
6. Быков В. Ю., Ильин Г. К Устройство съёма угловых координат
радиотелескопа РТ-32 // Труцы ИПА РАН. - СПб., 2010. - Вып. 21. - С. 294-303.
7. Быков В. Ю., Ильин Г. К Многоканальная цифровая система термо-
статирования элементов радиометрического блока // Труды ИПА РАН. - СПб.,
2010. - Вып. 21. - С. 288-293.
8. Быков В. Ю., Ильин Г. Н. и др. Модернизация аппаратуры
электропривода антенной системы радиотелескопа РТ-32 // Труцы ИПА РАН. - СПб.,
2010. - Вып. 21. - С. 270-281.
«Svetloe» Observatory Water Vapor Radiometers
V. Y. Bykov, G. N. Ilin, V. G. Stempkovsky
Main parameters characterizing the water vapor radiometer are presented.
319
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Предварительные результаты обработки данных
радиометра водяного пара обсерватории «Светлое»
В. Ю. Быков, Г. Н. Ильин, В. Г. Стэмпковский
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Рассмотрены предварительные результаты обработки данных,
двухчастотного радиометра водяного пара (РВП). Данные
обрабатывались с помощью специализированного программного пакета. Получены
оценки параметров РВП в режиме реальных наблюдений, такие как
чувствительность и относительная нестабильность коэффициента усиления
радиометрических блоков РВП. Подтверждена высокая стабильность
внутренних калибровочных сигналов на суточных интервалах времени.
Ключевые слова: радиометр, радиометр водяного пара,
тропосферная задержка.
Макет двухчастотного радиометра водяного пара (РВП) установлен в
обсерватории «Светлое», входящей в состав радиоинтерферометрического
комплекса «Квазар-КВО» [1,2]. РВП измеряет яркостную температуру
тропосферы на частотах диапазона 21 ГГц (канал А) и 32 ГГц (канал Б) [3, 4]. РВП
установлен на опорно-поворотное устройство и может работать совместно
с радиотелескопом РТ-32 или по индивидуальным программам [5, 6].
Данные, регистрируемые РВП, обрабатываются с помощью
специализированного программного обеспечения (ПО), состоящего из двух пакетов. Один
из них ориентирован на получение параметров РВП и используется в основном
на этапе отладки аппаратно-программных средств (АПС) РВП. Другой пакет
разработан для комплексной обработки данных РВП и позволяет
присоединять дополнительные ряды данных, полученных другими средствами
измерений, например, задержки сигнала, получаемые от ГНСС и из РСДБ-сессий,
метеопараметры и т. д. [7].
ПО включает в себя:
- средства диагностики аппаратуры РВП;
- средства калибровки данных РВП;
- средства оценки параметров регистрируемых сигналов, задержки
распространения радиосигнала и др.
© В. Ю. Быков, Г. Н. Ильин, В. Г. Стэмпковский, 2012
320
ЕЕ
■,;?ы
i Hacrsv***** Пзодьгь
«;?<• cm.es¥Stb к**««&з m.n
\ 21 563 «CO. CW
Г?9»?'. -С- 338*25 AS- Ш,550»81 A4- 966566*96 fes- Ш*вШ1 62- JS66 Я
■лЯ :> Я5«.» Угопи«т*РГ-г2" 383.Ф9 РСГ 25яп«Ю«2С)1 г. ?ЗЗТ2« »«ме 1»«м «ИД
63« t«M)?l6Si M« Ш3 5!
Рис. 1. Диалоговое окно приложения для отладки АПС РВП. На мониторе
отображены сигналы РВП на этапе окончания сеанса РСДБ-наблюдений «Ru-E144»,
проводимого совместно с радиотелескопом РТ-32
?л*ч*и<н л%'4*8
aSH-
:1317»
13173
i it
.-.i-Ц
с**#ф|Л^
^WiKum^imon^iH»»^!»^*!»
*J
"t=
■ ИЙЩ^.Щ.мЩ-ЖМ!,»*!"»
aeii-i«n шавтавв aoivvun юлза»взв эгсммн wsnejei эвгмшп имояглю asti-i
- - 2011 *2-01 16:39:08.034
Э7Э 4318*0 3
мм.?яв*«.ш» им-. ».взг4
Рис. 2. Калибровочные сигналы канала Б: «холодная» 1 нагрузка и тот же сигнал,
скорректированный по «тёплой» нагрузке 2; кривая изменения эффективной
температуры антенны 3, откалиброванная в шкале температур 4 при проведении разреза
атмосферы. По осям отложены: время, выраженное в часах, амплитуда 1.7 К/клетку
321
Отладочный пакет ПО обладает развитыми средствами оперативного
отображения регистрируемой информации, содержит средства управления работой
РВП во всех режимах и средства обработки полученных данных. Диалоговое
окно данного приложения представлено на рис. 1 и 2. На экран (см. рис.1)
выводятся частично или целиком временные ряды данных двух каналов РВП,
зарегистрированных в течение последних 68 ч или их комбинации. Как правило,
это калибровочные сигналы А1, Б1, представляющие разность сигналов
внутренних калибровочных нагрузок порядка 26.5 К, значение которых
уточняется по калибровке методом «разрезов». На монитор могут выводиться сигналы
А2, Б2 полной мощности шумов приёмного СВЧ-блока при подключённых
«холодных» калибровочных нагрузках (на рис. 1 не приведены) и сигналы A3, БЗ,
представляющие полную мощность сигнала при подключённой к входу РВП
антенны, которые несут информацию о яркостной температуре атмосферы.
Средства диагностики аппаратуры РВП
Диагностика аппаратуры РВП осуществляется с помощью контроля и
архивирования следующих параметров:
- показаний датчиков температуры калибровочных нагрузок и основания
СВЧ-блока, на котором размещены СВЧ-узлы радиометра;
- значения выходного сигнала полной мощности радиометрического
блока при подключённых калибровочных нагрузках: «холодной»: 40 °С и
«тёплой»: 65 °С. По статистическим характеристикам данных сигналов
рассчитываются относительные значения нестабильности коэффициента передачи
блока и производится коррекция измеряемых сигналов за вариации коэффициента
усиления блоков;
- режима работы ферритового СВЧ-переключателя входных сигналов
радиометрического блока;
- текущих значений азимутальной и угломестной координаты антенной
системы РВП.
Средства калибровки данных РВП
Калибровка регистрируемых РВП-данных заключается в определении
масштабного коэффициента, с помощью которого осуществляется перевод
данных РВП в шкалу температур (под этим термином подразумевается
эффективная шумовая температура регистрируемого сигнала, которая характеризует
спектральную плотность мощности регистрируемого СВЧ-сигнала). С этой
целью требуется определить значений эффективной температуры калибровочных
сигналов и приёмного устройства, приведенные к входу РВП. Определение
указанных величин производится в несколько этапов. Первоначально
поверяются датчики температуры в целях уточнения их систематических
погрешностей. Выполняется расчёт калибровочных сигналов, приведенных к входу
СВЧ-блока. Коррекция расчётных значений с учётом реальных параметров
322
СВЧ-блока производится по результатам калибровки стандартным методом
«разрезов» атмосферы. Контроль изменения значений коэффициента усиления
СВЧ-блоков позволяет сохранить «шкалу температур» в период между
проведением калибровок методом «разрезов» [3].
Оценка параметров РВП
Основным параметром, отражающим качество работы РВП и
подлежащим непрерывной оценке, является стабильность коэффициента усиления
СВЧ-блоков РВП. Изменения коэффициента усиления измеряются по сигналу
полной мощности РВП при подключённой ко входу калибровочной нагрузке.
Стабильность коэффициента усиления определяется точностью поддержания
системой терморегулирования заданных температур калибровочных нагрузок
и основания СВЧ-блока [7]. Показания температурных датчиков
контролируются и записываются в файл данных. Стабильность температурного режима
узлов РВП на суточном интервале находится в пределах ±0.007 °С, что
позволяет корректировать с высокой точностью дрейф коэффициента усиления РВП
и получить требуемую чувствительность радиометрических блоков. Пример
коррекции для блока Б приведен на рис. 2. Флюктуации коэффициента
усиления, проявляющиеся на кривой 7, практически не появляются на кривой 2
(сигнал «холодной» нагрузки, скорректированный по «тёплой» нагрузке) и на
кривых 3 и 4, представляющих сигнал антенны. Минимальное значение сигнала
антенны (при направлении в зенит) составляет (13.07 ± 0.05) К. Реальная
чувствительность радиометрического канала Б примерно равна 0.05 Кс05.
ЦП ДМИИИИИИИИИИИ11ИИИ1Ш1М II 'III 1II I .-.,<!'-I
Рис. 3. Главное окно программного приложения
«Анализатор временных рядов данных»: 1,2,3 - температура, влажность,
атмосферное давление; 4 - кривые температуры излучения атмосферы
323
Вторичная обработка данных РВП производится с помощью
специализированного ПО. На рис. 3 представлен вид главного окна программного приложения
«анализатор временных радов данных» в режиме совместного анализа данных
РВП и автоматической метеостанции в РАО «Светлое».
С помощью данного приложения может выполняться обработка и
анализ долговременных, многосуточных, разнотипных по параметрам радов
данных [8]. Приложение позволяет выполнять вычисления, связанные с
калибровкой РВП, проводить расчёты в соответствии с заданным алгоритмом и
допускает наращивание расчётных процедур по мере их создания.
Литература
1. Иванов Д. В., Ипатов А. В. и др. Приёмники радиоинтеферометриче-
ской сети КВАЗАР // Труцы ИПА РАН. - СПб. 1997. - Вып. 2. - С. 232-241.
2. Белоусов Н. Ю., Стэмпковскш В. Г. Программное обеспечение системы
контроля и управления антенной радиотелескопа РТ-32 // Труды ИПА РАН. -
СПб., 2010. - Вып. 21. - С. 248-254.
3. Белоусов К Ю., Быков В. Ю., Ильин Г. Н. Радиометр водяного пара
обсерватории «Светлое» // См. наст. сб. - С. 318-322.
4. Быков В. Ю., Ильин Г. Н., Кайдановский М. Н. Аппаратура системы
измерения электрических характеристик атмосферы // Труды ИПА РАН. - СПб.
2010. -Вып. 21. -С. 255-269.
5. Белоусов К Ю., Быков В. Ю. и др. Система управления установкой
измерения яркостной температуры атмосферы // Труды ИПА РАН. - СПб. 2010.
-Вып. 21.-С. 282-287.
6. Быков В. Ю., Ильин Г. Н. и др. Модернизация аппаратуры
электропривода антенной системы радиотелескопа РТ-32 // Труды ИПА РАН. - СПб.,
2010. - Вып. 21. - С. 270-281.
7. Быков В. Ю., Ильин Г. Н. Многоканальная цифровая система термо-
статирования элементов радиометрического блока // Труды ИПА РАН. - СПб.
2010. - Вып. 21. - С. 288-293.
8. Стэмпковский В. Г. Анализ больших рядов наблюдений // См. наст. сб.
-С. 281-288.
Preliminary Results of the Water Vapor Radiometer
Data Treatment
V. Y. Bykov, G. N. Ilin, V. G. Stempkovsky
The paper is devoted to preliminary results of processing data from dual-
frequency water vapor radiometer (WVR). To processes data from (WVR), it has used
the special developed software. The estimations of parameters of WVR, such as the
324
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Нестабильность частоты полупроводникового лазера
с кольцом автоматической подстройки частоты
Г. В. Герасимов, В. А. Карелин, О. П. Харчев, Р. А. Бекентаев
ОАО «Российский институт радионавигации и времени»,
г. Санкт-Петербург, Россия
Приводятся результаты исследования зависимости нестабильности
частоты излучаемого света от параметров полупроводникового лазера,
флуктуации его температуры и тока, параметров кольца
автоподстройки частоты.
Ключевые слова: полупроводниковый лазер, кольцо
автоматической подстройки частоты, нестабильность частоты.
Полупроводниковые лазеры на основе лазерных диодов в настоящее
время находят все более широкое практическое применение в аппаратуре
частотно-временного и навигационного обеспечения. Наряду с достоинствами
данных лазеров они обладают относительно большими частотными флуктуациями
излучаемого света, что осложняет их использование. Для уменьшения уровня
флуктуации лазера его дополняют кольцом автоматической подстройки
частоты (АПЧ) по частоте эталонного атомного перехода [1]. Представляет интерес
анализ влияния флуктуационных процессов на работу данного лазера.
Рассматривается схема лазера, содержащая последовательно
соединенные в замкнутое кольцо АПЧ полупроводниковый лазер с управляемым
источником тока и термостатом, устройство с эталонным переходом, блок
формирования сигнала ошибки и интегрирующий усилитель. Ко вторым входам
управляемого источника тока и блока формирования сигнала ошибки
подключен низкочастотный генератор.
Собственные флуктуации частоты излучения одномодового лазера с
длиной волны X и шириной линии излучения Av могут быть описаны с
использованием спектральной плотности белого частотного шума [1]:
50(Q) = Av.u"1. (1)
Спектральная плотность частотных флуктуации света, излучаемого
лазером, Sn(Q) с учетом флуктуации температуры и тока диода, описывается
выражением
© Г. В. Герасимов, В. А. Карелин, О. П. Харчев, Р. А. Бекентаев, 2012
325
Sa(n) = K?Sl(n) + K?Si{Cl) + S0(£l), (2)
где Kt - крутизна перестройки частоты полупроводникового лазера от
температуры диода; St(Q) - спектральная плотность флуктуации температуры диода;
Kt - крутизна перестройки частоты полупроводникового лазера от тока диода;
St{Q) - спектральная плотность флуктуации тока диода.
Спектральная плотность частотных флуктуации света лазера, охваченного
кольцом АПЧ, может быть представлена в виде
s(a)=\K{ja)\2 sn (п)+|к, (jnf sa (a), (3)
где K(j£l) - передаточная функция частотных флуктуации замкнутым кольцом
АПЧ; 1^ (jQ)\ = 1 + (Cl0Cl~l) ~ квадрат модуля; fi0 = р/Г- частота среза
кольца АПЧ; Р = КоКуДщКсо - коэффициент усиления разомкнутого кольца
АПЧ; Ко и Т - коэффициент усиления и постоянная времени интегрирующего
усилителя; АГЭТ - коэффициент передачи устройства с эталонным переходом;
Кт- коэффициент передачи управляемого источника тока; КСо- коэффициент
передачи блока формирования сигнала ошибки; Sa(Sl) - спектральная
плотность амплитудных флуктуации лазера, приведенная к выходу фотодетектора
из состава устройства с эталонным переходом; Kx(jQ) - передаточная
функция амплитудных флуктуации полупроводникового лазера замкнуть»! кольцом
АПЧ;
Выражения (1)-{3) позволяют определить вклады в нестабильность
частоты о(т) лазера с использованием девиации Аллана.
Оценим нестабильность частоты GaAlAs-лазера для оптической
накачки рубидиевых и цезиевых стандартов частоты с параметрами: X ~ 800 нм,
Av = 1 МГц, крутизна перестройки длины волны излучения по температуре
и току соответственно равны Кп = 4.8-10~3 нм/град и Кп = 4.5 10~3 нм/мА [2],
Оо= 100 Гц, КУТ= 10~2 ВТц-1. Полупроводниковый лазер размещен в
термостате с дисперсией температуры 7-10"4 (°С)2. Воспользуемся следующими
выражениями для спектральных плотностей: St(Q) = 10~7£Т"°96 (°С)2Г1Г! [3],
5i(fi) = 10-10fi-2 ATir1 [4], 5a(fi) =AlQrl BTir1 [5].
Результаты расчетов при Ах = 10"6 представлены на рисунке.
о(т),
о.е.
кг12
ю-1
ю-1
106т,с
10и
10-
ю4
106т,с
Нестабильность частоты лазера, обусловленная флуктуациями
326
На рисунке слева представлены зависимости о(т) от длительности времени
измерения т для нескольких значений крутизны Ка. Кривая 1 - при 4.8-10"3 нм/
град, кривая 2 - при 4.8-10~2 нм/°С, кривая 3 - при 4.8-101 нм/°С. Откуда видно,
что увеличение крутизны перестройки температуры приводит в основном к
увеличению кратковременной нестабильности частоты.
На рисунке справа представлены зависимости о(т) для нескольких
значений крутизны Кп. Кривая 1 при 4.5 • 10"3 нм/мА, кривая 2 при 4.5 • 10"5 нм/мА,
кривая 3 при 4.5-10"7 нм/мА. Откуда видно, что с уменьшением значения крутизны
перестройки вклад в нестабильность частоты уменьшается при всех
длительностях времени измерения, особенно при больших длительностях т.
Проведенные исследования позволяют оценивать эффективность
уменьшения нестабильности частоты за счет использования кольца АПЧ и
оценивать удельный вклад флуктуации в нестабильность частоты излучаемого света.
Анализ существующих полупроводниковых лазеров указывает на
преобладающее влияние на нестабильность частоты технических флуктуации, прежде
всего флуктуации тока лазерного диода, причем как при работе без кольца
АПЧ [6], так и с кольцом АПЧ.
Литература
1. Риле Ф. Стандарты частоты. - М.: Физматлит, 2009.
2. Журавлева О. В., Иванов А. В. и др. Одночастотный лазер с подстройкой
длины волны для накачки цезиевых стандартов частоты // Квантовая
электроника. - 2006. - Т. 36, № 8. - С. 741-744.
3. Харчев О. 77., Жуков Е. Т. Оценка температурной нестабильности
частоты и фазы в радиотехнических устройствах систем КВНО // Труды ИПА РАН.
- СПб.: Наука, 2007. - Вып. 17. - С. 317-321.
4. Малахов А. Н. Флуктуации в автоколебательных системах. - М.: Наука,
1968.
5. Kitching J., Robinson H. G. et al. Optical-pumping noise in laser-pumped,
all-optical microwave frequency references // J. Opt. Soc. Am. B. - 2001. - Vol. 18,
№11.-P. 1676-1683.
6. Karelin V. A., Kharchev O. P. Frequency instability of the
semiconductor laser, determining it applicability in navigational system equipment //
18th Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation System. - 2011. -
P. 50-51.
Frequency Instability of the Semiconductor Laser
with Frequency-locked loop
G. V. Gerasimov, V. A. Karelin, O. P. Kharchev, R. A. Bekentaev
In paper we present results of the study of emitted light frequency instability
in dependence from semiconductor laser characteristics, temperature and current
fluctuations of laser, frequency-locked loop characteristics.
327
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Вычисление и анализ показаний часов спутников
и приемников по результатам обработки сети станций
Е. П. Гладкевич, В. А. Емельянов, Г. И. Модестова, И. Г. Тарлюк
Восточно-Сибирский филиал ФГУП «ВНИИФТРИ», г. Иркутск, Россия
Для получения параметров хода бортовых и наземных часов
выполнена обработка данных спутниковых наблюдений (GPS и ГЛОНАСС)
двумя различными способами. Вычисления производились по
локальной сети Восточно-Сибирского филиала ФГУП «ВНИИФТРИ» с
помощью программного комплекса GAMIT [1], глобальная сеть более чем
из 50 станций была обработана с привлечением пакета BERNESE [2].
Разности с результатами международных центров обработки
спутниковых данных составили в основном 2-10 не. Обработка глобальной сети
дает более устойчивые в статистическом плане результаты, но
вычисления по локальной сети из трех-четырех приемников дают информацию,
полезную для временных сличений и исследования влияния аппаратной
составляющей на результаты вычислений.
Ключевые слова: показания часов, GAMIT, приемник, спутник,
станция.
Параметры хода бортовых и наземных часов в виде стандартного
часового (elk) файла формата RINEX были получены при обработке данных GPS-
и ГЛОНАСС-наблюдений двумя различными способами. Вычисления по
локальной сети Восточно-Сибирского филиала ФГУП «ВНИИФТРИ»,
состоящей из шести приемников, производились с помощью программного
комплекса GAMIT [1], глобальная сеть более чем из 50 станций была обработана с
привлечением пакета BERNESE [2]. Вычисления выполнены без использования
исходной информации о часах приемников и спутников в виде готового файла
формата RINEX. Интервал данных обработанного материала варьировался от
суток до полугода.
При обработке локальной сети параметры орбит спутников взяты из
навигационного файла. Все приемники подключены к внешним высокостабильным
генераторам частоты. На рис. 1 представлены разности между показаниями
часов приемника IRKJ, вычисленными в данной работе и взятыми для сравнения
с сайта IGS [3]. Скачки на границе суток характерны для всех приемников сети
© Е. П. Гладкевич, В. А. Емельянов, Г. И. Модестова, И. Г. Тарлюк, 2012
328
На рис. 2 представлены разности показаний часов приемников,
работающих для целей временных сличений. Пункты обозначены как IRKL и IRKX,
а их антенны установлены на крыше здания ВС филиала ФГУП «ВНИИФТРИ».
IRKJ-1RKJ (IGS)
24.03 01.04 06.04 12.04 18.04
Дата 2011 г.
Рис. 1. Разности показаний часов приемника IRKJ, вычисленных с помощью
комплекса GAMIT и взятых из часовых RINEX-файлов с сайта IGS с учетом
систематической составляющей 5 не
х10"9,с IRKL-IRKX
40
20 |-
-20
К.** ^^^^чЧччЧч^^^чы^^
-40
01.05 07.05 13.05 19.05 25.05
Дата 2011 г.
Рис. 2. Разности показаний часов приемников IRKL и IRKX с учетом
систематической составляющей 0.0002251 с
Хотя приемники IRKL и IRKX используют в качестве внешнего источника
частоты один и тот же водородный генератор, график разностей имеет
пилообразный вид. Фактор влияния на такой характер разностей установить не
удалось.
Несмотря на то, что GAMIT работает только с GPS-измерениями,
представляется интересным сравнить полученные значения хода часов с
вычислениями, сделанными с помощью комплекса BERNESE, который дает
возможность работать также и с измерениями ГЛОНАСС. Такое сравнение показало,
что результаты вычислений BERNESE, где орбитальная информация взята из
329
файлов врЗ-формата, показывают меньшее значение скачка на границе суток,
тогда как разброс одинаков в обоих случаях и не превышает 1 не, что меньше
уровня погрешности вычисления орбит. Вычисленные с помощью программы
BERNESE разности с данными центра GFZ для спутников GPS колеблются
также в пределах 1 не. Аналогичные разности для спутников ГЛОНАСС
составили 255-260 не с разбросом порядка 1 не, при этом разность между
системными шкалами GPS и ГЛОНАСС не учитывалась.
Таким образом, полученные разности с результатами международных
центров обработки спутниковых данных составили в основном величину 2-10 не.
Вычисления по локальной сети из четырех-пяти приемников могут давать
информацию, полезную для временных сличений и для исследования влияния
аппаратной составляющей на результаты вычислений.
Литература
1. King R. Ж, Bock Y. Documentation for the MIT GPS analysis software:
GAMIT/GLOBK, version 10.32 // Department of Earth, Atmosphere and Planetary
Sciences, Massachusetts Institute of Technology. - 2008.
2. Urs Hugentobler, RolfDach et al. Bernese GPS Software // Astronomical
Institute, University of Bern. - 2006.
3. URL: http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/product.
4. URL: http://www.gfz-potsdam.de.
Satellites and Receivers Clocks Calculation and Analysis
from the Results of Stations Network Processing
E. P. Gladkevich, V. A. Emelyanov, G. I. Modestova, I. G. Tarlyuk
To obtain the parameters of the satellites and receivers clocks variation the
processing of satellite observations data (GPS and GLONASS) was done in two
different ways. Calculations on a local network of the East Siberian Branch of
FSUE "VNIIFTRI" were performed using GAMIT software [1], a global network
of more than 50 stations was processed by BERNESE package [2]. Difference with
the results of the international satellite data analysis centers was about 2-10 ns.
Processing of a global network provides more stable results, but the calculations on
the local network of 3-4 receivers give information useful for time transfer and for
the hardware components effect investigation on the handling results.
330
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Об электронных версиях
морских навигационных эфемерид
Н. И. Глебова, М. В. Лукашова, И. Н. Нецветаев,
Г. А. Нецветаева, М. Л. Свешников
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Дано краткое описание созданных в ИПА РАН программных
систем для решения астронавигационных задач. Обоснована важность
разработки электронной версии отечественных печатных морских
астронавигационных эфемерид. Изложены структура и основные требования
к разрабатываемой программной системе «Навигатор».
Ключевые слова: мореходная астрономия, эфемериды, МАЕ,
Штурман, Навигатор.
Печатные и электронные навигационные эфемериды ИПА РАН
Главными задачами, решаемыми мореходной астрономией, являются
определение места судна в море и поправки курсоуказателя по наблюдениям
небесных светил. Данные, необходимые для этого, публикуются в «Морском
астрономическом ежегоднике» (МАЕ) [1], подготавливаемым для издания в
ИПА РАН с 1930 г. Всего в МАЕ публикуется около 100 астрономических
параметров. Точность основных эфемерид МАЕ составляет О.Г.
За время существования МАЕ его структура и содержание неоднократно
модифицировались (1935, 1945, 1976, 2000 гг.). Однако существенным
недостатком МАЕ является срок его действия - один год. При использовании
старого МАЕ координаты Луны и планет на следующий год получить нельзя.
Для увеличения срока действия морских эфемерид в ИПА РАН
совместно с ГМА им. адм. С. О. Макарова в 2002 г. разработано новое навигационное
пособие - двухгодичный «Морской астрономический альманах» (МАА-2) [2].
Однако, несмотря на включение в МАА-2 новых примеров решения
астронавигационных задач, при лимитированном объёме печатного издания
невозможно охватить весь спектр задач и повысить точность их решения. Поэтому
в 1990-х годах была начата работа над созданием специализированных
программных комплексов для решения судоводительских задач. Были
разработаны два выпуска «Астронавигационного альманаха» для использования при вы-
© Н. И. Глебова, М. В. Лукашова, И. Н. Нецветаев,Г. А. Нецветаева, М. Л. Свешников, 2012
331
числениях на программируемых микрокалькуляторах. Для решения некоторых
задач были созданы системы ОКО и Kodisav.
В 2009 г. в ИПА РАН разработана интерактивная система удалённого
доступа «Штурман» [3], предназначенная для решения задач, описанных в МАА-
2. На сайте системы пользователь вводит исходные данные задачи и получает
полный протокол решения в форме, принятой в объяснении к МАА-2, что
имеет немаловажное учебно-методическое значение.
Однако система обладает рядом недостатков: фиксированной точностью
решения, небольшим набором задач (точнее упрощенных схем решения 20
задач), зависимостью от Интернета и др. В связи с этим необходимо создание
полноценной отечественной электронной версии астронавигационных
эфемерид и программной системы для решения основных штурманских задач по
определению места судна по наблюдениям небесных светил.
Электронная версия МАЕ - система «Навигатор»
В 2011 г. нами начата работа по проектированию полной электронной
версии МАЕ (система «Навигатор») с характеристика **т* ^тдтывающими
пожелания штурманов ВМФ РФ (стг^—-^ уИП^дсиа I. —^*тке).
ОСНОВН*-ТО "" ~ '** v ттпоГПЯ*'*'тт/>й _.w.
™ттт^—„ -j- - __„„,, TTO RbT5onv О 1' т*тти 0.01':
4.1 U V/VllUL»lll«v w~«r ^ r
шш M-^^v/niimv jcv^cv ii'i. iuiu.mripv^jju.rij'ii^ и определен.*!^
условий наблюдений, уравнивание и редукция измеренных высот и ьжвлу-
ТОь v. " """т
определение попрев—_
— представление решения дил^*- „^.^^л^т р^шсиия
по шаблонам МАЕ и стандартным (принятым на фттгуг^ тябттонам*
Планируемая структура системы «Навигатор»
332
- система должна включать в себя графические средства, облегчающие
подготовку, проведение и обработку наблюдений, справочный блок и
контекстную помощь;
- результаты всех астроопределений места в течение рейса должны
заноситься в журнал (архив).
Эфемеридная основа электронной системы должна полностью
соответствовать печатному изданию МАЕ, а следовательно, при вычислении эфемерид
будет использоваться теория движения планет и Луны ЕРМ2004,
разработанная в ИПА РАН и рекомендованная Всероссийской конференции по координат-
но-временному и навигационному обеспечению КВНО-2007 для эфемеридных
вычислений в России в качестве опорной. По рекомендациям Международного
астрономического союза (MAC) 2000-2006 гг. при эфемеридных
вычислениях используются новые прецессионно-нутационные модели IAU2006/2000A
и звёздные каталоги FK6 и HIPPARCOS.
Эфемериды в печатных астронавигационных изданиях, выпускаемых
ИПА РАН, вычисляются с помощью универсального программного
комплекса ERA [4]. Хотя данный комплекс позволяет решать множество
астрономических задач, он будет избыточным в автономной астронавигационной системе.
Поэтому программирование «Навигатора» будет производиться на языке
программирования общего назначения. Но программы для вычисления примеров
для МАЕ и МАА, созданные с помощью системы ERA, будут использоваться
при тестировании.
Заключение
Система «Навигатор» будет иметь срок действия не менее пяти лет.
Периодическое обновление системы необходимо в связи с производимыми
время от времени изменениями эфемеридной базы астронавигационных
вычислений. Предполагается, что электронная версия будет поставляться вместе
с печатной версией МАЕ и сможет облегчить доступ к эфемеридам и их ввод
в автоматизированные навигационные комплексы.
Литература
1. Морской астрономический ежегодник на 2012 г. - СПб.: ГУНиО, 2011.
- 336 с.
2. Морской астрономический альманах на 2011-2012 гг. - СПб.: Наука,
2010.-392 с.
3. URL: http://shturman.ipa.nw.ru.
4. Krasinsky G. A., Vasiljev М V. ERA-7. Knowledge Base and Programming
System for Dynamical Astronomy // Manual. - St. Petersburg: IAA RAS, 2001.
5. Костин В. К, Лукашова М. В., Свешников М. Л. Морской
астрономический ежегодник - настоящее и будущее // Записки по гидрографии. - СПб.:
ГУНиО МО РФ, 2006. - № 267. - С. 21-25.
333
About Nautical Astronomical Ephemerides Software
N. I. Glebova, M. V. Lukashova, I. N. Netsvetaev,
G. A. Netsvetaeva, M. L. Sveshnikov
The description of software for the decision of the astro navigation problems
created in IAA of RAS is given. Necessity of creation of the software for domestic
nautical astro navigation ephemerides is grounded. The structure and the basic
requirements to developed software system "Navigator" are described.
334
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Нестабильность пассивного стандарта частоты,
обусловленная флуктуация ми света оптической накачки
и оптического детектирования
М. Н. Гончаренко, О. П. Харчев, Р. А. Бекентаев, Г. В. Герасимов
ОАО «Российский институт радионавигации и времени»,
г. Санкт-Петербург, Россия
Приводится описание модели преобразования флуктуации света
оптической накачки и детектирования в нестабильность частоты
пассивного стандарта частоты на примере стандарта частоты на газовой ячейке
с оптической накачкой светом спектральной лампы.
Ключевые слова: квантовые стандарты частоты, кольцо АПЧ,
флуктуации, детектирование, оптическая накачка.
Квантовые стандарты частоты (КСЧ) на газовой ячейке с оптической
накачкой и оптическим детектированием в настоящее время используются в
наземной и бортовой аппаратуре [1-3]. Представляет интерес анализ
дестабилизирующего влияния флуктуации света оптической накачки на нестабильность
частоты КСЧ. На рис. 1 а представлена структурная схема КСЧ, на рис. 16-
энергетическая трехуровневая схема работы КСЧ при использовании 87Rb в
качестве рабочего вещества газовой ячейки и спектральной лампы.
КСЧ состоит из последовательно соединенных в замкнутое кольцо
автоматической подстройки частоты (АПЧ) кварцевого генератора 7,
преобразователя частоты 2, квантового дискриминатора 3 и блока обработки сигнала
а) б)
1
6-
>
7
/
Ъ ! Ь ' 1 '
Выход
1 L.
.......
/>
{
к
*■#-
- U
\
2
♦
t
»|
8
г
4
zv
%п_
И
Рис. 1. Схема стандарта частоты на газовой ячейке
) М. Н. Гончаренко, О. П. Харчев, Р. А. Бекентаев, Г. В. Герасимов, 2012
335
ошибки 4, опорный вход которого подключен ко второму выходу
преобразователя частоты 2. Квантовый дискриминатор 3 содержит размещенные на одной
оптической оси 5 термостатируемые источник света оптической накачки,
газовую ячейку 7 и фотодетектор 8 (см. рис. 1).
При описании собственных частотных флуктуации света оптической
накачки ограничимся одной спектральной линией излучения света с частотой v,
шириной линии Av и спектральной плотностью в виде [4]
50(П) = Ду.я-!. (1)
С учетом столкновений в спектральной лампе спектральная плотность
частотных флуктуации света накачки может быть описана выражением
s„(a)=s0(a)+kfst(a), (2)
где kt - крутизна изменения частоты спектральной линии от температуры;
Sj(Q) - спектральная плотность флуктуации температуры.
В источнике света флуктуации температуры спектральной лампы, сигнала
возбуждения плазменного разряда и другие факторы приводят также к флукту-
ациям интенсивности света со спектральной плотностью 5a(fi). Спектральная
плотность частотных флуктуации кварцевого генератора 7, т. е. всего КСЧ,
обусловленная флуктуациями света оптической накачки при замкнутом кольце
АПЧ, может быть описана выражением
sUfi)=\к ОЩ2 [*Х (о)+«X (о)]+1*. ОЩ2 sa{n), о)
где K(jQ) - передаточная функция кольцом АПЧ возмущения частоты
рабочего перехода квантового дискриминатора светом оптической накачки;
АГ2 - квадрат модуля; Qx = $\1ТХ - частота среза
\K(jnf =[i+(cm?)2
кольца АПЧ; $х = B^NAJCq - коэффициент усиления разомкнутого кольца АПЧ;
Вкг - крутизна перестройки кварцевого генератора 1; N- коэффициент
преобразования частоты преобразователя частоты; АЛ - крутизна
амплитудно-частотной характеристики квантового дискриминатора; Кб, Тх - коэффициент
усиления и постоянная времени блока обработки сигнала ошибки соответственно;
пх крутизна изменения частоты рабочего перехода квантового дискриминатора
от интенсивности света, характеризующая световой сдвиг; п2- крутизна
изменения частоты рабочего перехода от расстройки А частоты света оптической
накачки относительно частоты оптического перехода в газовой ячейке; K\QS1)
- передаточная функция возмущения амплитуды выходного сигнала
квантового дискриминатора, обусловленного флуктуациями интенсивности света;
Зависимость светового сдвига частоты AvCB атомного перехода между
уровнями F = 2nF= 1 при лоренцевской форме спектральной линии
оптической накачки представим в виде [S]
336
Дусв=С/0Д(Д2+0.25Г2)~\ (4)
где G - постоянная величина; 10 - интенсивность света оптической накачки;
Г - скорость распада возбужденного состояния.
В этом случае
w1=GA(A2+0.25r2)"1, (5)
п2 = GI0 (0.25Г2 - Д2)( Д2 + 0.25Г2)'\ (6)
Выражения (1)-{3) позволяют определить соответствующие вклады в
нестабильность частоты КСЧ аКсч 00 с использованием девиации Аллана:
Оксч (?) = Oi(x) + а2(т) + Оз(т). (7)
Здесь Gi(x) и а2(т) определяются возмущением светового сдвига,
обусловленного соответственно флуктуациями интенсивности и частоты света
оптической накачки. Значение а3(т) определяется флуктуациями интенсивности света
оптического детектирования. В реальных условиях А~0и вкладом в
нестабильность частоты gx(t) можно пренебречь.
На рис. 2 представлены зависимости вкладов а2(т) и с3(т), выраженные
в относительных единицах, при Д = О, Г = 109 Гц, kt= 107 Гц/°С, п2= 10-8 [6],
St(£l) = 10-7fi^96 °СТц-! [7], SJLC1) = (1.2 = 1.3- KHO^-IO* [1] и нескольких
значениях частоты среза С1Х: кривая 1 при 0.1 Гц; кривая 2 при 0.01 Гц;
кривая 3 при 0.001 Гц.
Расчеты показывают, что вклад собственных частотных флуктуации света
вносится в кратковременную нестабильность частоты, а вклад от
температурных флуктуации - в средне- и долговременную нестабильности. Вклад а2(т)
может иметь экстремальный характер с максимумом в средневременную
нестабильность частоты. Преобладающий вклад в долго- и средневременную
нестабильность аКсч (т) определяется вкладом о3(т), т. е. флуктуациями
интенсивности света оптического детектирования.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что
суммарное значение вклада аКсч (т) в нестабильность частоты КСЧ зависит от
флуктуации света оптической накачки, параметров кольца АПЧ, а также от режима
о2(т), о.е.
ю-'2
ю-14
ю-'6
]0-18
10и
\02
10*
оз(т), о.е.
ю-12
ю-14
ю-16
10-i8
у 1
*~^ 2
1—
3
1 1
10'т, с
10°
ю-
104
106т,с
Рис. 2. Вклады в нестабильность частоты, обусловленные флуктуациями света
оптической накачки
337
работы квантового дискриминатора при преобладающем вкладе флуктуации
интенсивности света оптического детектирования в долговременную
нестабильность частоты. При этом суммарное значение вклада флуктуации света
в нестабильность частоты сравнимо с достигнутыми значениями
нестабильности частоты существующих КСЧ [1-3].
Литература
1. Frueholz R. Р, Camparo J. С. A rubidium clock model // Proc. 39th Ann.
Freq. Symp. - 1985. - P. 29-42.
2. Dass Т., Freed G. et. al. GPS clocks in space: Current performance and plans
for the future // Proceedings of the 34th Annual Precise Time and Time Interval
Meeting. - 2002. - P. 175-192.
3. Droz F., Barmaverain G. et al. Galileo Rubidium Standard - Lifetime data
and GIOVE-A related telemetries // European Frequency and Time Forum. - 2007.
-P. 1122-1126.
4. Риле Ф. Стандарты частоты. - M.: Физматлит, 2009.
5. Будкин Л. А., Пененков М. К, Пихтелев А. И., Пузанов С. Л.
Исследование световых сдвигов частоты квантового дискриминатора с лазерной
накачкой // Известия вузов. Радиофизика. - 1984. - № 6. - С. 705-708.
6. Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф. Квантовые стандарты
частоты. - М.: Наука, 1968.
7. Харчев О.П., Жуков Е.Т. Оценка температурной нестабильности
частоты и фазы в радиотехнических устройствах систем КВНО // Труды ИПА РАН.
- СПб.: Наука, 2007. - Вып. 17. - С. 317-321.
Passive Frequency Standard Instability Due to Fluctuations
of Optical Pumping and Otical Zetection Light
M. N. Goncharenko, O. P. Kharchev, R. A. Bekentaev, G. V. Gerasimov
The description of the model transformation fluctuations of optical pumping
and optical detection light in the frequency instability of the passive frequency
standard based on the example of a gas cell frequency standard with spectral lamp
optical pumping is resulted.
338
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
12-метровая РСДБ-станция АОЭ Казанского
университета: основные цели и задачи, технические
характеристики, дорожная карта проекта
А. В. Гусев1, О. А. Титов2
казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия
2Geoscience Australia, г. Канберра, Австралия
Представлен современный информационно-технический комплекс
Казанского федерального университета (КФУ) для проведения радио-
интерферометрических наблюдений на сверхдлинной базе и наземной
поддержки российских и международных космических программ.
Ключевые слова: РСДБ-наблюдения, радиоантенна, астрономо-ге-
одезический комплекс, КФУ.
Введение
Цель проекта - создание астрономо-геодезического комплекса,
включающего 12-метровую параболическую антенну высокой точности и
быстродействия, которая будет использоваться для следующих целей: 1)
проведения РСДБ-наблюдений; 2) слежения за спутниками системы ГЛОНАСС/GPS;
3) участия в лунных исследовательских программах (рис. 1).
~ ~* ——-щ—~—~ -у ----—-^^ ^ ^ ^ ;; : 5
0 300 GOOM s&,\ ,S* I \ \ X г"" - _п /'""''." : \
Рис. 1. Географическое расположение радиотелескопа в Казани по отношению
к радиотелескопам системы «Квазар»
) А. В. Гусев, О. А. Титов, 2012
339
Рис. 2. Фото научного оборудования
Рис. 3. Дизайн 12-метровой параболической антенны системы «Патриот Мк2»
340
Рис. 4. Фундамент антенны
Технические характеристики параболической 12-метровой антенны КФУ
Состав оборудования комплекса (рис. 2-5):
- полноповоротная параболическая радиоантенна диаметром 12 м Мк2,
разработанная компанией «Patriot»;
- активный водородный стандарт частоты, обеспечивающий высокоточное
гетеродинирование радиосигналов - 2 экз.;
- широкополосный охлаждаемый приемник диапазона 2-15 ГГц;
- система записи данных на магнитный диск Mark 5С, поддерживающая
скорость записи данных не менее 1 бит/с;
- система оцифровки сигнала DBBC (Digital Base Band Converter),
разработанная в Италии Институтом радиоастрономии;
- метеорологический пункт.
Ключевые спецификации радиоантенны:
- тип антенны - параболический, кассегреновский.
- тип монтировки - альт-азимутальная, полноповоротная; диаметр
основного зеркала 12 м; скорость вращения 12 % по азимуту и 6 °/с по наклонению;
* Shield P. New generation of 12m antenna, Detailed Description // InterTronic Solutions Inc. May 4,
2011. Quebec, Canada. - 48 p.
341
- ускорение антенны 2.6 °/с по азимуту и наклонению;
- диапазон вращения по ушу места 5-88°;
- диапазон вращения по азимуту ±270°;
- сохранение штатной работоспособности антенны при скорости ветра до
22 м/с;
- работа при температуре от -30 до 60 °С;
- работа при влажности от 20 до 100 %
- точность изготовления поверхности зеркала антенны - СКО - 0.3 мм;
максимальное отклонение от параболы 0.37 мм (соответствует требованию для
наблюдений на частоте 32 ГГц);
- точность наведения на объект - 0.005° при скорости ветра 13 м/с;
- отношение фокусного расстояния к диаметру FID ~ 0.4.
Дорожная карта проекта. Заказ антенны - март 2012 г.; доставка
в Казань - июль 2013г.; монтаж, юстировка - июль-сентябрь 2013 г.;
тестирование, ввод в эксплуатацию - октябрь 2013-май 2014 г.; первые научные
наблюдения - июль 2014 г.
Технические характеристики и ключевые спецификации параболической
радиоантенны в Казани подготовлены международной рабочей группой проекта
в соответствии с требованиями международной программы VLBI 2010 IVS
в составе: Сергей Гуляев (AUT, New Zealand), Леонид Гурвиц (JTVE, the
Netherlands), Александр Гусев (АОЭ КФУ, Россия), Владимир Жаров (МГУ,
Россия), Noriyuki Kawaguchi (VERA, NAO J, Japan), Марат Мингалиев (САО PAH,
Россия), Jinsong Ping (SHAO, China), Олег Титов (Geoscience Australia, Australia),
Слава Турышев (JPL, USA), Олег Шерстюков (Институт физики КФУ, Россия).
12 m VLBI Station of the Engelgard Astronomical
Observatory: Main Aims, Problems, Technical
Characteristics, Road Map
A. V. Gusev, O. A. Titov
State-of-the-art information and technical complex of the Kazan Federal
University is presented. The complex is intended for carrying out VLBI observations
and ground supporting international space programs.
342
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Потенциальная помехоустойчивость перспективных
сигналов глобальной навигационной спутниковой
системы ГЛОНАСС
В. А. Добриков, А. С. Кошкаров
ГОУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»,
г. Санкт-Петербург, Россия
В связи с модернизацией радиоинтерфейса системы ГЛОНАСС
и увеличением количества сигналов предложена методика расчета
потенциальной помехоустойчивости навигационных сигналов глобальной
навигационной спутниковой системы. Проведена численная оценка для
перспективных и существующих сигналов ГЛОНАСС.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, потенциальная помехоустойчивость,
синал, НАП.
Особенностью навигационных систем второго поколения, к которым
относится система ГЛОНАСС, является использование для решения задачи ме-
стоопределения фазоманипулированных сигналов, излучаемых с борта
навигационного космического аппарата (КА). Такая система характеризуется
низкой энергетикой радиолинии навигационный КА-навигационная
аппаратура потребителя (НАП). Поэтому проблема помехоустойчивости НАП
системы ГЛОНАСС в рассмотрении системы «навигационные сигналы - поле
мешающих воздействий» является актуальной.
Под помехоустойчивостью НАП понимают её способность выполнять
функциональное предназначение в условиях воздействия внешних помех.
В глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) навигационная
информация заключена не в излучаемом сигнале, а является результатом
определенного взаимного расположения навигационного КА и НАП, что проявляется
в соответствующих параметрах принимаемого сигнала. Системы
спутниковой навигации предназначены в основном для определения местоположения,
поэтому помехоустойчивость НАП необходимо соотносить с погрешностями
измерения этих параметров, вызванных воздействием помех. В качестве
критерия помехоустойчивости принимается вероятность Р того, что в условиях
мешающих помеховых воздействий погрешность Q вырабатываемых НАП
навигационных параметров не превысит некоторого порогового значения 2доп.
© В. А. Добриков, А. С. Кошкаров, 2012
343
Опыт эксплуатации НАП показывает, что из-за использования следящих
систем для обработки навигационных сигналов имеется ярко выраженный
пороговый эффект, т. е. при увеличении интенсивности помехи происходит
нарастание ошибки измерения параметра, а при некоторой пороговой
интенсивности помехи происходит срыв слежения. В качестве показателя
помехоустойчивости целесообразно принять минимальное соотношение
сигнал/помеха, при котором еще выполняется условие Q < Qaon. При Q = Qaon происходит
срыв слежения.
НАП является оптимальным приемником корреляционного типа,
способным принимать сигнал с энергетикой ниже уровня шума (для сигнала
стандартной точности ГНСС ГЛОНАСС имеем 161 дБВт у поверхности Земли [2]).
Коррелятор вычисляет степень сходства входной смеси и опорного сигнала.
В результате оптимальной обработки принимаемого сигнала с использованием
коррелятора навигационной аппаратуры соотношение сигнал/шум возрастает
не более чем в 2В раз [1], где В - база навигационного сигнала.
Рассчитаем помехозащищенность используемого сигнала стандартной
точности ГНСС ГЛОНАСС. Для этого найдем значение мощности сигналов
помех Р„о, при воздействии которых работа приемного устройства невозможна.
Мощность теплового шума определим в виде
Рш = кТ0В/,
где к = 1.3810-23Вт/Гц = -228 дБВт/Гц - постоянная Больцмана; Т0= 290 К =
= 24.6 дБ - стандартная температура окружающей среды; Df- ширина полосы
фазоманипулированного сигнала на уровне первых нулей в спектре.
Помехозащищенность фазоманипулированных сигналов определяется
выражением [1]
q =—25,
ш
где Рс - мощность сигнала; Рш - мощность шума, попадающего в полосу
пропускания.
Получаем следующие значения для мощности теплового шума Рш в
полосе сигнала стандартной точности ГНСС ГЛОНАСС и для
помехозащищенности кода стандартной точности Яст:
Рш= 1.38 • К)"23 • 290 • 1.022 • 106 = 4.09 • 10~15 Вт = -143.88 дБ;
7.94-1017 -2-511
Я2СТ = Z Г = 9-92 Р*33 = 9-96 ДБ
1.38-10~23-290-1.022-106
Таким образом, прием сигнала стандартной точности ГНСС ГЛОНАСС
при температуре 290 К возможен, если уровень помех в полосе сигнала
превышает уровень теплового шума на значение не более 9.9 дБ.
2
Далее, используя теорему Шеннона, находим значение Я о = 21п2 = -1.6 дБ,
которая является пороговой при определении пропускной способности канала.
344
Для вычисления искомой мощности помех Рп0 сложим значения уровня
теплового шума в полосе сигнала (в децебелах) значение
помехозащищенности кода и значение предела Шеннона:
/>ост = -143,88 + 12.97 + (-1.6) = -132,51<)Я/Вт
Аналогичное значение получено для С/А - кода системы GPS. Она
численно равна по величине Рло-ст= - 126.6 дБ / Вт. Полученные результаты
сведены в следующую таблицу.
Таким образом, видно, что при предлагаемых в проектах интерфейсных
контрольных документах мощностях и базах навигационных сигналов новые
сигналы ГНСС ГЛОНАСС обладают большей потенциальной
помехоустойчивостью.
Потенцальная помехоустойчивость, дБ/Вт
C/AGPS
-126.6
^ А ГЛОНАСС
-132.51
ilOC
-122.62
L1SC
-107.26
L20C
-122.62
L30C
-116.48
Литература
1. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.:
Радио и связь, 1985.-384 с.
2. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. Навигационный
радиосигнал в диапазонах LI, L2. Редакция 5.1. - М.: РКС, 2008. - 74 с.
3. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. Навигационный
радиосигнал в диапазонах L3. Ред. 1-я - М.: РКС, 2010. - 92 с.
4. Калугин Е. А. Помехоустойчивость перспективных сигналов
спутниковых радионавигационных систем // Современная электроника. - М., 2007. -
№9.-С. 38^41.
5. Леонов М. С, Архангельский В. А. Оценка помехоустойчивости
космических и авиационных систем передачи информации // Электромагнитные
волны и электронные системы. - М.: РНИИ КП, 2005. - Т. 10, № 11-12. - С. 74-82.
Potential Interference Immunity of Future Signals
oftheGNSSGLONASS
V. A. Dobrikov, A. S. Koshkarov
In connection with modernisation of the radiointerface of system GLONASS
and increase in quantity of signals the design procedure of a potential interference
immunity of navigating signals GNSS is offered. Numerical estimation for
perspective and existing signals GLONASS is conducted.
345
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Оценка влияния флуктуации
на нестабильность стандарта частоты
на He-Ne лазере
Е. Т. Жуков1, О. П. Харчев2
институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
2 ОАО «Российский институт радионавигации и времени»,
г. Санкт-Петербург, Россия
Приводятся результаты оценки вклада флуктуации в
нестабильность стандарта частоты на гелий-неоновом лазере с метановой ячейкой.
Ключевые слова: стандарты частоты, флуктуации, нестабильность
частоты, кольцо АПЧ, гелий-неоновый лазер.
Лазерные стандарты частоты обладают малой кратковременной
нестабильностью частоты. Однако по средне- и долговременной нестабильности частоты
они уступают существующим микроволновым стандартам [1,2], что
ограничивает их применение в оптических часах с фемтосекундным переносчиком
стабильности частоты и определяет актуальность оценки влияния флуктуации на
средне- и долговременную нестабильность-лазерных стандартов частоты.
Оценим влияние флуктуации на нестабильность частоты гелий-неонового
лазера с метановой ячейкой (He-Ne/CELj). Стандарт частоты содержит
соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) гелий-
неоновый лазер с метановой ячейкой и оптическим резонатором,
фотоприемник, блок формирования сигнала ошибки и интегрирующий усилитель. Одна
из стенок резонатора содержит пьезоэлектрический преобразователь. Ко
вторым входам блока формирования сигнала ошибки и пьезоэлектрического
преобразователя подключен низкочастотный генератор.
Собственные флуктуации частоты излучения лазера с длиной волны X
и шириной линии излучения Av могут быть описаны с использованием
спектральной плотности белого частотного шума в виде [3]
S0(n) = Avn~l. (1)
Спектральная плотность частотных флуктуации излучаемого света лазера
при разомкнутом кольце АПЧ описывается выражением
s,(a)=s0(o)+Kfs, (а)+кХ (а), (2)
© Е. Т. Жуков, О. П. Харчев, 2012
346
где Kt - крутизна перестройки частоты оптического резонатора от
температуры; St(Q) - спектральная плотность флуктуации температуры оптического
резонатора; Ки - крутизна перестройки частоты оптического резонатора (лазера)
напряжением смещения пьезоэлектрического преобразователя; SH(Q) -
спектральная плотность флуктуации напряжения смещения.
Спектральная плотность частотных флуктуации излучаемого света лазера
с замкнутым кольцом АПЧ может быть описана выражением
s(a) = \K{jaf s„ (п)+\кй (уо)|2 s3 (я), (3>
где KQSI) - передаточная функция частотных флуктуации лазера замкнутым-
кольцом АПЧ; |^(уп)|2 ^1 + fafT1)2] " квадрат модуля; Qo= 07м -
частота среза кольца АПЧ; р = KJCJC^JCco - коэффициент усиления разомкнутого
кольца АПЧ; К0иТ- коэффициент усиления и постоянная времени
интегрирующего усилителя соответственно; К$п - коэффициент передачи
фотоприемника; Ксо - коэффициент передачи блока формирования сигнала ошибки; Ka(jQ)
- передаточная функция амплитудных флуктуации лазера замкнутым кольцом
К~г; 5а(Ц) - спектральная плотность амплиту-
АПЧ;\Кй{)П)\2 =\1 + (С)П11)2
ных флуктуации лазера, приведенная к выходу фотоприемника.
С использованием девиации Аллана оценим нестабильность частоты о(т)
для лазера с длиной волны излучения А,л = 3.39 мкм, размещенного в
термостате с дисперсией температуры 7-10^ град2, при использовании источника
питания с электронным стабилизатором и следующих спектральных плотностей:
st(Q) = i0r*n*-*(°cyTiirl[4];SJiCi) = а1п-2в2Гц-1пРиА1=ю-3[5];5,н(П) = а:п2
Si(fi) BTir1; Si(Q) = WrllCl~2 ATir1 [6], где Кп - коэффициент пересчета тока
источника питания в напряжение смещения пьезоэлектрического
преобразователя. Далее положим Кп = 1 ВА"1.
Крутизну перестройки оптического резонатора Kt определим из
зависимости частоты резонатора vp от его длины L с учетом температурного
коэффициента линейного расширения а материала резонатора и скорости света с в виде
К, = - 0.5осХл~1. Для кварца а = 4-10~7 (°С)1.
Крутизну перестройки частоты оптического резонатора и лазера Ки
примем равной 105 ГцВ1 [1].
Результаты расчетов в относительных единицах представлены на рисунке.
На части а рисунке представлена зависимость нестабильности частоты
о(т) при разомкнутом кольце АПЧ. Линии 1-3 соответствуют нестабильности
частоты, обусловленной собственными частотными флуктуациями, со
спектральной плотностью, определенной выражением (1), при нескольких
значениях ширины линии Av: линия 1 при Av = 1 Гц; линия 2 при 10 Гц, линия 3 при
100 Гц. Линия 4 соответствует нестабильности частоты лазера, обусловленной
собственными и техническими флуктуациями, т. е. при спектральной
плотности флуктуации, определенной выражением (2), при L = 0.2 м и Av = 10 Гц.
347
Из рисунка видно, что нестабильность частоты лазера при учете
воздействия технических флуктуации при работе без кольца АПЧ на несколько
порядков превышает потенциальную нестабильность частоты лазера.
На частях б-г рисунка представлены зависимости, характеризующие
работу лазера с замкнутым кольцом АПЧ, при значении ширины линии Av = 10
Гц со спектральной плотностью, определяемой выражением (3).
На части б рисунка представлена зависимость нестабильности частоты
о(т) при нескольких значениях температурного коэффициента линейного
расширения материала оптического резонатора а (в пределах существующих
стекол): кривая 1 при а = 4-Ю'7 (°С)~1; кривая 2 при 6010~7 (°С)~1; кривая 3 при
120-Ю"7 (°С)~1. Откуда видно, что изменение коэффициента линейного
расширения оказывает существенное влияние на кратковременную и средневремен-
ную нестабильность частоты. При этом вкладом в нестабильность частоты,
обусловленным собственными флуктуациями лазера, можно пренебречь.
о(т),
10J
10J
10J
10J
о(т),
a)
. /4
^k
3
o(t).
10"J
1(VJ
10J
10"
6)
^
^
^
' 2
^
3
i
10u
10z
icf
10°
10u
10z
lCf
10°
10
10
10"J
10"J
10"J
о(т),
10"J
10"J
10J
10"J
r)
10u
10z
10u 10' 104 t.c 10°
Зависимость вкладов в нестабильность частоты лазера
104 т,с Юб
На части в рисунка представлена зависимость нестабильности
частоты о(т) при нескольких значениях частоты среза Q кольца АПЧ: кривая - при
Q0 =102 Гц; кривая - при 103 Гц; кривая - при 104 Гц. Откуда видно, что
расширение полосы пропускания кольца АПЧ приводит к уменьшению средне-
временной и особенно кратковременной нестабильности частоты, не изменяя
долговременную нестабильность частоты.
На части г рисунка представлена зависимость нестабильности частоты
о(т) от уровня амплитудных флуктуации SU(Q): кривая - при Ах= 105; кривая -
348
при Ю-3; кривая 3 при 10"1. Откуда видно, что амплитудные флуктуации
влияют на средне- и долговременную нестабильности частоты.
Результаты расчетов показывают, что для гелий-неонового лазера с
метановой ячейкой долго- и средневременная нестабильности частоты
определяются техническими и прежде всего, амплитудными флуктуациями. Собственные
флуктуации лазера определяют кратковременную нестабильность частоты,
а их вкладом в средне- и долговременную нестабильность частоты можно
пренебречь. Изменения коэффициента линейного расширения материала
термостатированного оптического резонатора и крутизны его перестройки
напряжением смещения от стабилизированного источника питания, а также частоты
среза кольца АПЧ оказывают существенное влияние на кратко- и средневре-
менную нестабильность частоты.
Полученные результаты могут быть распространены на различные
варианты построения колец АПЧ лазерных стандартов частоты с использованием
известных методов приведения [7]. Они могут быть использованы при
разработке фемтосекундных оптических часов на базе He-Ne/CH4 - лазера с
повышенной долговременной стабильностью частоты.
Литература
1. Багаев С. Н., Чеботаев В. 77. Лазерные стандарты частоты // Успехи
физических наук. - 1986. - Т. 148, вып. 1. - С. 143-178.
2. Бакланов Е. В., Покасов 77. В. Оптические стандарты частоты и фемто-
секундные лазеры // Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33, № 5. - С. 383-400.
3. Риле Ф. Стандарты частоты. - М.: Физматлит, 2009.
4. Харчев О. 77., Жуков Е. Т. Оценка температурной нестабильности
частоты и фазы в радиотехнических устройствах систем КВНО// Труды ИПА РАН.
- СПб.: Наука, 2007. - Вып. 17. - С. 317-321.
5. Мамыкин Г. Б. Технические флуктуации интенсивности излучения
лазера с нелинейно-поглощающей ячейкой // Известия вузов. Радиофизика. -
1998. - Т. 39, № И. - С. 1469-1472.
6. Малахов А. Н. Флуктуации в автоколебательных системах. - М.: Наука,
1968.
7. Берштейн К Л. Флуктуации частоты генератора при применении схем
автоматической стабилизации частоты // Известия вузов. Радиофизика. - 1964.
- Т. 7, № 2. - С. 328-337.
Estimation of Fluctuation Influence on Instability
of the Frequency Standard on He-Ne Laser
E. T. Zhukov, O. P. Kharchev
Results of an estimation contribution of fluctuations in frequency instability of
laser clock on an example helium-neon laser with a methane cell are resulted.
349
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Применение метода точного позиционирования
для высокоточных сличений стандартов
времени и частоты
Д. В. Иванов
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Использование глобальных навигационных спутниковых систем
(ГНСС) для сличения удаленных стандартов времени и частоты
является на сегодняшний день наиболее распространенным способом
высокоточных сличений. Реализуемая точность составляет единицы
наносекунд. В докладе рассмотрены особенности сличений методом
точного позиционирования РРР. Приводятся результаты сличений стандартов
обсерваторий РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» с использованием
геодезических приемников ГНСС.
Ключевые слова: ГНСС, стандарты частоты, сличение.
Введение
Для развития науки и техники важно формирование точных сигналов
времени и частоты. Многие современные технологии, такие как точная навигация,
геодезические измерения, коммуникационные сети, высокоскоростные каналы
передачи данных, измерение фундаментальных констант и разработка новых
стандартов физических величин основаны на высокоточных сигналах
времени и частоты. Точность стандартов времени и частоты на сегодняшний день
составляет 10~15-10~16, в ближайшей перспективе - Ю-17. Для проверки
соответствия между стандартами и для распространения высокоточных сигналов
созданы и постоянно совершенствуются системы передачи времени и частоты,
обеспечивающие измерения, погрешность которых находится на наносекунд-
ном уровне и ниже.
В настоящее время самым распространенным способом высокоточных
сличений удаленных стандартов времени и частоты является использование
глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [1]. Наиболее точный метод,
реализуемый ГНСС, - измерения на частоте несущей (фазовый метод). Этот метод
обеспечивает точность на два порядка выше, чем при использовании кодовых
измерений, менее чувствителен к многолучевому распространению и позволяет
получить лучшую оценку эффектов атмосферы. Измерения выполняют на несущей
©Д. В. Иванов, 2012
350
частоте сигнала спутника, освобожденного от кода процедурой квадрирования.
Измеряемой величиной является мгновенная разность фаз сигнала спутника и
сигнала генератора приемника. Это относительный метод измерений, и он требует
участия как минимум двух приемников для разрешения фазовой неодносзачности.
Метод точного позиционирования
Важнейшей особенностью метода точного позиционирования пунктов
(Precise point positioning - РРР) [2] является то, что он не требует наличия
базовой станции для квазисинхронных наблюдений и дифференциальных
коррекций. В высокоточном позиционировании используются фазовые и
кодовые измерения на двух частотах для сравнения часов приемника и опорной
шкалы. Для компенсации основных погрешностей данный метод
предполагает использование высокоточных оценок орбит и часов спутников, а также
оценок тропо- и ионосферных параметров, межчастотных задержек в
радиотрактах спутников. Данную информацию формируют в международных
сервисных центрах обработки ГНСС-наблюдений (GPS и ГЛОНАСС), таких как
IGS, EPN, JPL и др., которые используют наблюдения глобальных и
региональных сетей станций и предоставляют ее в виде файлов (с расширением *.sp3,
*.clk - орбиты и часы спутников, ionex - файлы для коррекции ионосферных
погрешностей) пользователям из различных стран через специализированные
Интернет-ресурсы. Но при этом надо учитывать задержку получения данных
файлов и точность, которую они обеспечивают.
Один из центров обработки - Natural Resource Canada (NRCan) Geodetic
Survey Division (GSD) [3]. Здесь предоставляется бесплатный онлайн пост-
процессинговый GPS-сервис. С его помощью можно обработать RINEX-файлы
любой станции в системе координат ITRF.
Метод РРР позволяет получить для любого геодезического приемника его
высокоточные координаты, ход часов и параметры атмосферы. Геодезический
приемник, синхронизируемый от опорного стандарта, позволяет проводить
сличения со шкалой времени IGS.
Результаты сличений методом РРР
В обсерваториях РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» установлены двухча-
стотные геодезические приемники, синхронизируемые от опорного
водородного стандарта обсерваторий и используемые для сличений стандартов
частоты, в том числе и методом РРР. Файлы данных в формате RINEX с этих
приемников отправляются на обработку на сервер Natural Resource Canada.
Результаты обработки программой CSRS-PPP присылаются по электронной
почте, среди полученных данных содержатся расхождения часов приемника
и шкалы IGSTIME, вычисленные через каждые 30 с. По этим данным
рассчитывается дрейф часов за сутки, т. е. разность частот опорного стандарта
обсерватории и IGS (рис. 1).
351
5.E-13
4.E-13
З.Е-13
2.Е-13
1.Е-13
О.Е+00
-1.Е-13
-2.Е-13
-З.Е-13
а^
******* i
Xw*\
4АЛ^ А
♦ clock drift SV
■ clock drift ZL
▲ clock drift BD
^ W-A
<j*n*"*Aib
W**i»*%i
V*M
V*V*
28.03.11 17.04.11 07.05.11 27.05.11 16.06.11 06.07.11 26.07.11 15.08.11 04.09.11
Рис. 1. Расхождение частот опорных стандартов обсерваторий
относительно шкалы IGS
На рис. 2 показана девиация Аллана для сличения стандартов
обсерваторий относительно шкалы UTC, рассчитанная по данным, полученным методом
РРР обработки RINEX-файлов. На суточном интервале достигается уровень
нестабильности 110"14.
Для проверки достоверности данных, получаемых при обработке
RINEX-файлов, в конце 2010 г. проведен эксперимент по корректировке
номинала частоты опорного водородного стандарта в обсерватории «Светлое».
1.Е-14
1.Е+03 1.Е+04
время усреднения, сек
Рис. 2. Девиация Аллана для сличений стандартов методом РРР,
обсерватории «Светлое» и «Бадары»
352
-1.E-13
-2.E-13
-З.Е-13
-5.Е-13
-6.Е-13
-7.Е-13
-8.Е-13
-9.Е-13
т^т***"*
- _
•
***——*
-
•
—
**»
•§^«•4^.
--
-
гыш •••••••
18.12.10
28.12.10
07.01.11
17.01.11
27.01.11
06.02.11
Рис. 3. Расхождение частоты опорного стандарта и UTC по результатам обработки
RINEX-файлов РРР методом, обсерватория «Светлое»
До начала эксперимента по результатам обработки номинал частоты
опорного стандарта отличался от UTC на 81013. 21 декабря 2010 г. выходная частота
стандарта была поправлена на 21013, а 29 декабря - еще на 51013. На рис. 3
показана частота опорного стандарта в обсерватории «Светлое» относительно
IGS, полученная методом РРР. Эти данные полностью соответствуют
произведенной коррекции частоты.
Онлайн-сервис CSRS-PPP позволяет оперативно проводить высокоточные
сличения стандартов времени и частоты. Точность результатов находится на
уровне 10~14.
Литература
1. Defraigne P., Bruyninx С. GPS time transfer: state of the art // Proc. JSR
2005, Varsovie, September 2005. - P. 261-266.
2. Lahaye F., Orgiazzi D.y Tavella R, Cerretto G. Using Precise Point
Positioning for Clock Comparisons // GPS World. November, 2006. - P. 44-49.
3. Lahaye E, Mireault Y. et al. Online Precise Point Positioning. A New, Timely
Service from Natural Resources Canada // GPS World. September, 2008. - P. 59-64.
353
Using Precise Point Positioning
for High-precision Comparisons
of Time and Frequency Standards
D. V. Ivanov
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is the most widespread technique
for high-precision long-distance comparisons of time and frequency standards.
Realized accuracy doesn't exceed units of nanoseconds. Features of comparisons by
a method of Precise Point Positioning (PPP) are considered in the report. Results of
comparisons of H-masers of observatories of VLBI-network "Quasar" with use of
geodetic GNSS receivers are considered.
354
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Полетный контроль частоты
бортового синхронизирующего устройства
навигационного космического аппарата
В. А. Карелин \ Е. Т. Жуков2
1 ОАО «Российский институт радионавигации и времени»,
г. Санкт-Петербург, Россия
2 Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Обсуждаются принципы построения бортового
синхронизирующего устройства нового поколения для «Глонасс-К». Приведены
технические решения по разработке бортового частотно-временного
компаратора и результаты частотных измерений на борту космического аппарата
«Глонасс-М». Предложена структура системы для радиоконтроля
частоты БСУ относительно наземного стандарта.
Ключевые слова: бортовое синхронизирующее устройство, стандарт
частоты, контроль, навигационный космический аппарат, компаратор.
Полётный контроль рабочей частоты бортового синхронизирующего
устройства (БСУ), из которой формируются синхрочастоты и шкала времени на
борту навигационного космического аппарата (КА), является важной
научно-технической задачей. Её актуальность обусловлена целями разработки, лётно-кон-
структорских испытаний и применения БСУ нового поколения для «Глонасс-К».
В новом БСУ для достижения наилучших точностных, надёжностных,
массогабаритных и ресурсных показателей принято оптимальным совместное
использование на борту стандартов частоты (СЧ) на рубидиевой газовой
ячейке (РГЯ) и на цезиевой атомно-лучевой трубке (АЛТ). СЧ АЛТ имеет
наилучшую воспроизводимость и высокую долговременную стабильность частоты,
но худшие по сравнению с СЧ РГЯ массогабаритные и ресурсные показатели.
СЧ РГЯ имеет высокую кратковременную стабильность частоты, хорошие
ресурсные показатели, но худшие по сравнению с СЧ АЛТ воспроизводимость
и долговременную стабильность частоты. СЧ РГЯ имеет дрейф частоты и
требует коррекции действительного значения частоты при эксплуатации. Такой
режим применения СЧ РГЯ на борту КА может быть реализован благодаря
контролю частоты СЧ РГЯ относительно СЧ АЛТ с помощью бортового частотно-
временного компаратора (БЧВК).
© В. А. Карелин, Е. Т. Жуков, 2012
355
БЧВК обеспечивает измерение разности фаз и частот СЧ, получение
данных о действительном значении частоты, сдвиге и уходе частоты, её среднеква-
дратическом отклонении и среднеквадратической вариации, а также
формирование кодов управления СЧ. Эти данные хранятся на борту КА и по запросу
передаются во время связи с КА по радиолинии на наземный пункт сбора
данных и далее в пункты их анализа и управления КА.
К БЧВК предъявляются требования высокой разрешающей способности,
надёжности, помехоустойчивости и малых массогабаритных характеристик.
Наилучшим образом этому удовлетворяет построение БЧВК с
использованием многоразрядных быстродействующих аналого-цифровых преобразователей
(АЦП) и процессоров цифровой обработки сигналов (ЦОС). Применение ЦОС
позволяет реализовать в цифровом виде алгоритм оптимальной по критерию
максимума правдоподобия оценки фазы:
Фтах=аГС^
jsin((co0 + Дсо)/ + ф0) sin((o0t)dt
h
h
Jsin((cD0 + Aco)/ + ф0) cos((D0t)dt
Разность частот находится по скорости приращения разности фаз.
Технические решения по реализации данного подхода приводят к
структуре корреляционного измерителя, в котором производится многоуровневое
квантование выборок ортогональных компонент опорного сигнала, взятых
в моменты времени, совпадающие с фронтами бинарно квантованного
измеряемого сигнала [1]. Структурная схема компаратора представлена на рис.1.
Опорная частота умножается на четыре и используется для взятия
цифровых выборок измеряемого сигнала. Процессор цифровой обработки
осуществляет прием цифровых кодов выборок, их усреднение и фильтрацию для
формирования кода, пропорционального разности фаз и частот. На вход контроллера
ЦОС поступают четыре типа выборок: ai, Ы, ci, di, следующих с
номинальным периодом 0.2 мкс. Контроллер принимает выборки через заданный
интервал времени, например, 1мкс: Sa, 1 мкс = {al, a2,...,aN}\ Sb, 1мкс = {Ы,62,..., bN};
Sc, 1мкс= {cl,c29....cN};Sd9 1 мкс= {rfl,d2,...,aflV}.
fx = 5MTn=Af.
/0 = 5МГц
f Ь
w
ь
w
А Т
т тт
А 1д,и
А
к.
Л = 20М
w
Гц
Умножитель
част
оты нг
14
ц
о
с
Рис. 1. Структурная схема цифрового частотного компаратора
356
Эти выборки преобразуются в разность фаз и частот по алгоритмам:
Р = - (1/2я) (4//0) arctg {[5а,т(/) - 5С,Т(/)] / [Sb,T(i) - S„,T(/)]};
y(i+i) = [P(i+i)-P(i)]/x,
где i = 1,2,..., N, т - время измерения.
Разрешающая способность компаратора при 12-разрядном АЦП на
интервале времени 100 мкс равна 2.4* 10-7 без усреднения и 2.4* 10-8 с усреднением по
100 отсчётам, а на интервалах 1 и 100 с: 2.410-12 и 2.410"14.
Наземные испытания компаратора подтвердили его характеристики.
Лётные испытания БЧВК проводились с участием ОАО «Информационные
спутниковые системы» в соответствии с программой и методикой
космического эксперимента по отработке нового типа БСУ на КА «Глонасс-М» № 33
и 32 с компановкой РГЯ на термоплите и измерением его частоты по схеме,
показанной на рис 2. Результаты измерений представлены на рис. 3.
В настоящее время оценка отклонений частоты БСУ КА относительно
опорной частоты ГЛОНАСС, формируемой наземным центральным
синхронизатором (ЦС), выполняется по результатам временных измерений, что не
Гермоконтейнер КА
Цезиевый
стандарт
частоты
Компаратор
бортовой
частотно-
временной
Бортовой
цифровой
вычислительный
комплекс
Блок управления
нагревателями
Стандарт
частоты на
рубидиевой
газовой ячейке
Термоплита
Программное
обеспечение
обработки
результатов
Рис. 2. Схема измерений частоты СЧ РГЯ на борту КА «Глонасс-М»
31.03.2010 6 суток в клетке
Рис. 3. График отклонений частоты СЧ РГЯ от СЧ, полученных на борту КА
357
обеспечивает нужной оперативности их контроля, которая может быть
достигнута при сличении БСУ и ЦС по радиоканалам в процессе полёта КА.
Трудность таких сличений состоит в наличии смещений частоты,
обусловленных движением устройств приёма и передачи сигналов, разностью их
гравитационных потенциалов и влиянием ионосферы. Эта проблема может быть
решена путём совместного использования для частотных измерений
запросной и беззапросной систем измерения радиальной скорости и реализации
взаимной компенсации смещений частоты из-за эффекта Доплера 1-го порядка,
возникающих в двух- и односторонней радиолиниях этих систем. Смещения
частоты за счёт остальных эффектов могут быть вычислены по измеряемым
параметрам с требуемой точностью [2]. Предлагаемая структура системы для
радиоконтроля частоты БСУ КА относительно наземного стандарта
представлена на рис. 4.
Заимствованные элементы запросной (ЗИС) и беззапросной
измерительных систем (БИС) изображены в виде косоугольников.
В наземной аппаратуре НА ЗИС при помощи наземного стандарта
частоты HC4fh, умножителя частоты на к/1, передатчика ПРД и антенной
системы АС формируется и передаётся на борт КА сигнал с частотой запроса
Л=/в к/1. Этот сигнал принимается бортовой аппаратурой БА ЗИС на частоте
/з=/31^ где /т - коэффициент учёта доплеровского, гравитационного и
ионосферного смещений частоты в восходящем канале двухсторонней радиолинии.
В БА ЗИС в целях развязки запросного и ответного сигналов
производится преобразование частоты принятого сигнала с коэффициентом т/п
СМ2
L.H.L
2 т к
ГЕТ
/СМ1
СМ1
т к
rWj^'^LUj CM1 Ш СМ2
/„
нсч
J
Л
смз
Рис. 4. Структурная схема системы для радиоконтроля частоты БСУ КА относительно
наземного стандарта
358
и передача сигнала ответа с частотой/о* =Л т^ который принимается наземным
приёмником ПРМна, частоте^ =Л h> гДе А ~ коэффициент учёта доплеровско-
го, гравитационного и ионосферного смещений частоты в нисходящем канале
двухсторонней радиолинии:
/t=[l-pr + ^(/)]/Vl-P2+20; /,=>/1-Р2 + 2Ф/[1+Рг-Л</)1
где Р и рг—скорость КА и её радиальная составляющая в долях от скорости
света с, т. е. Р = Vic, рг = Vr/c; Ф — приведенная разность гравитационных
потенциалов в местах НА ЗИС и БА ЗИС; A(f) = [40.3/cf2]dNR/dl - ионосферное
смещение частоты. Здесь NR - число электронов на трассе распространения сигнала с
частотой/в столбе с сечением 1 м2 и высотой R, м.
В БИС навигационный КА формирует от бортового стандарта частоты
(БСЧ)Уб =А + А/б и передаёт сигналы на двух частотах:/! =fcplq и/2 =fe r/s, что
обеспечивает расчёт их текущего ионосферного смещения. Эти сигналы
принимаются наземным приемником на частотах//^ 14(/1) и/2'=/2 \(fi\ где /A(/J)
и Itfi) - коэффициенты учёта доплеровского, гравитационного и
ионосферного смещений частоты в нисходящем канале односторонней радиолинии.
Компенсация доплеровских смещений частоты основана на соотношениях:
фт£>4 + 1) / 2 = Di или (D^Di - 1) / 2 = /)4-1,
где £>т = 1 - рг; Dt = 1/(1 + рг) - коэффициенты учёта эффекта Доплера 1-го
порядка в восходящем и нисходящем каналах радиолиний.
В НА ЗИС после частотного преобразования в приемнике
принимаемого сигналаУо" к промежуточной частоте fm =f0"—fT с помощью схемы
слежения за доплеровскои частотой, состоящей из перестраиваемого гетеродина ГЕТ
(см. рис. 4), умножителя опорной частоты на mklnl и смесителя CAfl,
производится выделение сигнала с частотой Доплера и подставки^:
/см2 = тЩ/т/4-1)/«/+/п.
В односторонней радиолинии в НА БИС после аналогичных частотных
преобразований выделяются сигналы с частотами:
3/см2 =#Щ - 1) / q +/>Д/б h IЯ +/пь
/сш =pfJJi -1) / q +М/б h I s +/n2;
Введение дополнительных частотно-преобразовательных элементов,
обозначенных на структурной схеме прямоугольниками, позволяет получить
выходные частоты, которые при разложении в рад и ограничении членами 1-го
и 2-го порядка малости, могут быть представлены выражениями:
/«а =М/б / Я +РЛ {-Р2 / 2 + Ф + Aft) - [A(f3) -A(f0)] /2}/q + Fal;
/«в =М/б / s + rfm {-p2 / 2 + Ф + A(f2) - [A(f3) -A(f0)] /2}/s + Fnl.
По результатам измерений этих частот могут быть определены текущие
значения dNRldt и ионосферные смещения частот. Расчёт смещений частоты за
счёт эффекта Доплера 2-го порядка и разности гравитационных потенциалов
359
БСЧи НСЧ может быть выполнен с погрешностью не более 1 • 10~14 по
результатам измерений скорости и высоты полёта КА [2]. Такой учёт этих
составляющих в оценке Д/б(0 позволяет получить текущий сдвиг частоты БСУ
относительно наземного стандарта с достаточной точностью и оперативностью.
Полётный контроль частоты БСУ навигационного КА является
инновационной технологией, позволяющей улучшить характеристики хранителей
частоты и времени космического базирования. Использование этой технологии
может сыграть важную роль в развитии системы синхронизации ГЛОНАСС.
Литература
1. Измеритель характеристик фазовых флуктуации: пат. 2041469.С1 Рос.
Федерация: МПК G01R25/00 / Карелин В. А.; Российский институт
радионавигации и времени. - Опубл. 09.08.1995.
2. Акулов К И. I Акулов И. И. , Бреславец В. П., Жуков Е. Т., Притычкин
А. Г., Хомяков Э. Н. Радиотехническая система единого времени - М.: СССР,
1973.-184 с.
Flight Monitoring Frequency of Board Sync Unit
of Navigation Spacecraft
V. A. Karelin, E. T. Zhukov
Design principles of new generation BSU for "Glonass-K" are discussed.
Technical treatments on develop board time-frequency comparator and results of
frequency measurements on board of spacecraft "Glonass-M" are presented. System
configuration for radio monitoring frequency of BSU against terrestrial frequency
standard is proposed.
360
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Оперативные вычисления параметров вращения Земли
по данным РСДБ с помощью программы VieVS
М. Б. Кауфман, С. Л. Пасынок
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, г. Москва, Россия
ГМЦ ГСВЧ в течение ряда лет проводит оперативные определения
параметров вращения Земли (ПВЗ) из совместной обработки ГНСС-,
РСДБ- и ЛЛС-измерений. В 2011 г. было начато формирование нового
ряда ПВЗ, полученных из обработки РСДБ-измерений с помощью
программы VieVS, разработанной в Институте геодезии и геофизики (IGG)
Венского технологического университета. Была разработана
специальная управляющая программа eopstartm, в которой учтены требования
к оперативным определениям ПВЗ (автоматическая работа без участия
оператора). Никакие изменения в исходные подпрограммы VieVS не
вносились. Задачей управляющей программы является автоматический сбор
данных, их обработка и формирование результатов вычислений без
вмешательства человека. В статье рассматриваются структура управляющей
программы и результаты определений ПВЗ, полученные с ее помощью.
Ключевые слова: РСДБ-измерения, параметры вращения Земли,
VieVS, программа.
Введение
Государственная служба времени, частоты и определения параметров
вращения Земли (ГСВЧ) представляет собой регулярно действующую систему
организаций и ведомств России, вовлеченных в совместную научную,
техническую и метрологическую деятельность по непрерывному воспроизведению,
хранению и распространению национальной шкалы времени и определению
параметров вращения Земли (ПВЗ). Главный метрологический центр (ГМЦ)
ГСВЧ функционирует на базе Всероссийского научно-исследовательского
института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ).
ГМЦ ГСВЧ в течение многих лет проводит оперативные определения ПВЗ из
совместной обработки ГНСС-, РСДБ- и ЛЛС-измерений [1]. Обработка
результатов РСДБ-измерений была начата в ГМЦ ГСВЧ в 2004 г. с помощью моди-
) М. Б. Кауфман, С. Л. Пасынок, 2012
361
фицированного во ФГУП «ВНИИФТРИ» программного пакета ОССАМ5.0.
К настоящему времени действующая программа определения ПВЗ из
обработки РСДБ-измерений устарела и нуждается в замене на новую, более
современную и высокоточную. Существует ряд современных пакетов
обработки РСДБ-измерений: QUASAR, CALC/SOLVE, MODEST, OCCAM, GLORIA,
SteelBreeze, GEOSAT, VieVS, c5++, ARIADNA и др. После тщательного
анализа мы выбрали программу VieVS, разработанную в Институте геодезии
и геофизики (IGG) Венского технологического университета [2].
Постановка задачи
Поскольку перед ГМЦ ГСВЧ стоит задача оперативного определения ПВЗ,
то для использования ее в режиме оперативной службы нужно было
автоматизировать ряд последовательно выполняемых операций:
1) просмотр баз данных РСДБ-измерений и получение вновь
поступивших файлов измерений;
2) формирование набора параметров, которые нужно задать перед
запуском VieVS;
3) запуск программ;
4) анализ промежуточных результатов, изменение параметров обработки
и запуск повторных вычислений в случае необходимости;
5) преобразование результатов к формату IVS и сохранение их на
ftp-сервере.
В результате во ФГУП «ВНИИФТРИ» была разработана специальная
управляющая программа eopstart.m, которая отвечает всем необходимым
требованиям. При этом никакие изменения в исходные программы VieVS не
вносились.
Результаты
Для экспериментальной отработки были вычислены ПВЗ с января 2010 по
сентябрь 2011 г. в автоматическом режиме. Отклонения полученных ПВЗ от
значений серии ЕОРС04 для часовых и суточных сессий показаны на рисунке.
СКО составляют 19 и 11 мкс соответственно.
Использование новой программы для оперативного определения ПВЗ по
РСДБ-измерениям в режиме постоянной оперативной службы будет начато
в ГМЦ ГСВЧ с января 2012 г.
362
0 05
0.04
0.031
0.02
0.01
I °
-0.01
-0.02
-0.031
•4--•/-.+■*
LA-
UT1 -1h
UT1 -24h
♦^ * +Л. *>+ r* ♦♦! *»♦:. *♦ ■♦♦♦♦♦%♦: •
♦♦*♦♦♦ ♦♦ ♦ ♦ ♦ : ♦ t: *Л ♦♦ : * • ♦
2010 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2011 2011.2 2011.4 2011.6 2011.8
n, mean, std (1 h): 557 -0.001 0.019
n, meem, std (24h): 183 -0.004 0.011
Отклонения вычисленных значений UT1 от значений UT1 серии ЕОРС04,
выраженные в миллисекундах
Литература
1. Kaufman M. И., Pasynok S. L. Russian state time and Earth rotation service:
observation, EOP series, prediction // Artificial Satellites. 2010. - Vol. 45, № 2. -
P. 81-86.
2. Boehm J., Spicakova К et al. Plans for the Vienna VLBI Software VieVS
// Proc. of the 19th European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting,
24-25 March 2009, Bordeau / eds. G. Bourda, P. Chariot, A. Collioud. - 2009.
Rapid EOP Estimation Using VieVS Software
M. B. Kaufman, S. L. Pasynok
Many years the Main metrological center of Russian Time, Frequencies and
Earth rotation Service carried out the rapid EOP processing based on GNSS, VLBI
and SLR observations. In 2011 we began to process of new series of VLBI data using
VieVS software developed at the Institute of Geodesy and Geophysics (IGG), Vienna
University of Technology. According to requirements of rapid calculations (quick
automatic processing without participation of operator), the special control program
eop start.m was written. No changes were made in VieVS blocks by development
of the control program. Its task is receiving, processing and sending data without
manual intervention.
The structure and advantages of the control program and results of EOP
calculations are considered.
363
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Основы системы Эра и ее сателлита системы «Дельта»
В. Д. Михеева, В. И. Скрипниченко
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
В статье изложены основные концепции
таблично-ориентированного языка СЛОН (входного языка системы ЭРА). Показаны
привлекательные особенности описания эфемеридных задач на этом языке. Кратко
изложены основные функциональные возможности системы Дельта,
являющейся надстройкой над системой ЭРА. В отличие от автономной
системы ЭРА система Дельта позволяет помещать табличные операторы
специализированного языка СЛОН в программы на одном из
традиционных языков программирования - языке Паскаль. Благодаря
объединению в одной программе выразительных средств двух языков:
специализированного (СЛОН) и универсального (Паскаль) предлагаемая система
программирования обретает новые перспективные качества.
Ключевые слова: ЭРА, Дельта, таблица, оператор.
Язык СЛОН - входной язык системы ЭРА (эфемеридные расчеты в
астрономии) [1,2]- является языком таблично-ориентированного
программирования. В этом языке основным объектом манипулирования является таблица.
Программа на нем представляет собой последовательность табличных
операторов. На таком языке достаточно удобно описывать задачи эфемеридных
вычислений, в чём легко убедиться на следующем примере.
Предположим, что у нас имеется таблица наблюдений и требуется
вычислить значения величин О-С (разности наблюдённых и вычисленных значений)
для каждого из этих наблюдений. Эта задача решается исполнением
следующей программы на языке СЛОН:
1.0bs:=// Calend(date) , hms(ox) , dms(oy) /
2. 20090101.0000000, 181525.402,-240533.12/
3. 20090102.0000000, 181843.337, - 240443.79 //;
4. С := //ex, су, о_сх, о_су, object, Time_Scale/
5. *, *, * , *, Mars, TDT ll\
6. 0_C <= ( Obs * C)
7. begin {Начало блока действий}
8. Compute
© В. Д. Михеева, В. И. Скрипниченко, 2012
364
9. writeln(date, o_cx*cos(cy), o_cy)
10. end. {Конец блока действий}
Первый табличный оператор (три первых строки программы) создаёт
константную таблицу с именем Obs, состоящую из трех столбцов и двух строк.
Это — исходная таблица наблюдений. Первый столбец содержит моменты
времени (date), представленные в виде календарной даты (функция
преобразования Calend в заголовке таблицы). Во втором столбце: ох - прямое восхождение,
представленное в часовой мере (функция hms), в третьем оу - склонение,
выраженное в градусной мере (функция dms).
Второй табличный оператор (четвертая и пятая строки программы)
создаёт временную (только на время текущего сеанса работы) вспомогательную
однострочную шестистолбцовую таблицу с именем С.
Первая строка третьего табличного оператора предписывает системе
создать постоянную (доступную в последующих сеансах) таблицу с именем ОС.
Эта таблица является так называемым «произведением» таблиц Obs и С (в этой
позиции значок «звёздочка» имеет смысл, отличный от ранее
декларированного и означает умножение таблиц). Таблица ОС будет состоять из девяти
столбцов со следующими именами (объединение имён столбцов сомножителей):
date, ох, оу, сх, су, о_сх, о_су, object, TimeJScale
Число строк в этой таблице будет равно произведению чисел строк таблиц
Obs и С. В нашем простейшем случае, когда второй сомножитель произведения
является однострочной таблицей, порождаемая таблица ОС будет состоять из
двух строк и её ячейки будут заполнены следующим образом: первые три столбца
этой таблицы будут совпадать со столбцами таблицы Obs, а все остальные ячейки
каждой строки будут повторять значения содержимого строки таблицы С.
Поочередно для каждой строки этой таблицы система выполнит все
операторы, указанные в блоке действий. В результате применения действия Compute
в столбцах сх и су появятся вычисленные значения координат, а в столбцах
о_сх, о_су - соответствующие им значения величин ОС. Одновременно
(действием writeln) вычисленное значение о_сх, умноженное на cos(cy), а также
значение о_су для каждой даты будут выведены в выходной поток.
Для типовых задач эфемеридной астрономии программы на языке СЛОН
представляются достаточно наглядными и компактными. Ниже перечислены
привлекательные особенности изложенной записи решения эфемеридных
задач (по сравнению с описанием той же задачи на традиционных языках
программирования).
1. Средства доступа к объектам (таблицам) базы данных встроены в язык.
2. Таблицы с повторяющимися или регулярно меняющимися в строках
данными можно изображать компактно, применяя табличные операции
к соответствующим коротким таблицам.
3. Достаточно сформировать только обрабатываемую структуру данных
(таблицу) и справа указать те процедуры (действия), объединённые в единый
365
блок (блок действий), которые надо применить к каждой строке таблицы.
Никаких циклов по перебору строк таблицы писать не надо. Система
интерпретирует табличный оператор как цикл, в котором таблица - заголовок
цикла, текущая строка - текущее значение параметра цикла, а тело цикла
представлено блоком действий.
4. Основной вычислительной процедуре compute не надо явно передавать
никаких параметров. Неявным её параметром являются значения в клеточках
текущей строки таблицы.
5. Общеупотребительные в эфемеридной астрономии переменные, их
значения, процедуры и функции достаточно полно представлены в системе.
Они имеют фиксированные имена и могут сразу употребляться в программе
без каких-либо декларативных вхождений.
Перечисленные особенности определили долговременный (более 20 лет)
успех системы ЭРА. Однако наряду с очевидными привлекательными чертами
языка СЛОН в нём имеются также некоторые особенности, затрудняющие его
использование для не вполне традиционных задач.
Во-первых, употребляемые в программе на языке СЛОН переменные,
процедуры и функции должны быть заранее описаны в так называемой
«конфигурации» системы. Хотите добавить в систему новую переменную -
измените её конфигурацию. Однако «засорять» последнюю переменными для
промежуточных результатов, по-видимому, нецелесообразно.
Во-вторых, процессор языка СЛОН обрабатывает таблицы построчно,
в каждый момент, зная всё о значениях, относящихся к текущей строке
таблицы, и ничего не зная о значениях соседних строк. В таких условиях
«постолбцовые» операции (например, поиск экстремального значения в одном выбранном
столбце) описываются на языке СЛОН не вполне изящно.
Система «Дельта» [3, 4] позволяет избежать указанных трудностей за счёт
использования следующих ниже перечисленных дополнительных возможностей.
1. Последовательность табличных операторов теперь может вставляться
в программу на одном из традиционных языков программирования - входном
языке системы Delphi [5].
2. В блоках действий табличных операторов разрешается употреблять
(в частности, и описывать) произвольные, как и во всех традиционных языках
программирования, переменные, процедуры и функции, не включённые в
конфигурацию системы.
Благодаря этому у табличных операторов, погружённых в паскалевскую
программу, появился паскалевский контекст. А значит, в таких табличных
операторах доступны переменные, а также процедуры и функции этого паскалевско-
го контекста. Это сразу решает обе вышеназванные проблемы. Действительно,
теперь без использования конфигурации непосредственно в программу можно
вводить любые дополнительные переменные в содержательных обозначениях.
Одновременно решается проблема естественного обмена информацией при
переходе от одной строки таблицы к другой, а также при смене табличных опе-
366
раторов. Кроме того, при желании из табличных операторов можно вызывать
любые не водящие в конфигурацию процедуры и функции.
Благодаря реализации системы «Дельта» концепция использования
табличных операторов (а вместе с ней и вся предметная составляющая
комплекса ЭРА) переносятся из замкнутой сферы автономной системы ЭРА в
открытую среду общего назначения системы Delphi. Причем производится не просто
погружение системы ЭРА в среду системы Delphi, а происходит сращивание
функциональных возможностей двух систем с взаимопроникновением
выразительных средств этих систем друг в друга. Есть основания полагать, что
комбинированное использование этих средств в одной системе обеспечит новые
перспективы использования многофункционального предметного наполнения
системы ЭРА.
Литература
1. Krasinsky G. A., Novikov К A., Skripnichenko V. I. Problem Oriented
Language for Ephemeris Astronomy and its Realization in System ERA // Cel. Mech.
- 1989. - Vol. 45. - P. 219-229.
2. Krasinsky G. A., Vasilyev M. V. ERA: Knowledge base for ephemeris and
dynamical astronomy // Proc. of IAU Coll. 165. - Poland, 1996. - P. 239.
3. Михеева В. Д, Скрипниченко В. И. Расширение языка Object Pascal
(Delphi) таблично-ориентированными средствами решения задач эфемеридной
астрономии // Сообщения ИПА РАН. - СПб., 2006. - № 168. - С. 1-19.
4. Михеева В. Д., Новиков Ф. А. Скрипниченко В. И. Дельта - язык и
система программирования для решения прикладных задач с табличными данными
// Научно-технические ведомости СПбГПУ. - СПб., 2007. 4-2. - С. 57-60.
5. Object Pascal Language Guide. Borland Software Corpotation. - 2001.
Bases of System ERA and its Satellite System Delta
V. D. Mikheeva, V. I. Skripnichenko
The system ERA (Ephemerides Research in Astronomy) is intensively used in
solving problems concerning motion of Solar system bodies, observations planning
and treatment. It also used in research of improvement of parameters of Solar System
bodies' motion. The ERA system bases upon table-oriented data treatment facilities.
In the paper we propose the method of extension Pascal programming language with
table operations, which are the base constructions of ERA language. The method
implanted in the Delta system. Due to the method proposed one could use table-
oriented facilities not only within stand-alone problem oriented environment of the
ERA system, but in the general purpose traditional languages. The Delta system
implementation put forward new possibilities for application of ERA system in
ephemeris astronomy.
367
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Использование методов прямого поиска в задаче
определения параметров орбиты космического аппарата
при использовании бортовой навигационной аппаратуры
потребителя ГЛОНАСС/GPS
Т. О. Мысливцев, А. А. Семенов, А. Ю. Афанасьев
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
Статья посвящается анализу эффективности использования
алгоритмов вторичной обработки для обеспечения качественных
показателей автономной навигации космических аппаратов (КА). Предложен
вариант использования прямых оптимизационных процедур при оценке
параметров орбиты КА с одновременной коррекцией модели
действующих на КА сил. В качестве исходной информации для реализации
рассматриваемых алгоритмов использовались одномоментные измерения
бортовой навигационной аппаратурой потребителя в виде вектора
состояния КА в гринвичской системе координат.
Ключевые слова: бортовая навигационная аппаратура
потребителя, космический аппарат, движение, алгоритм, вторичная обработка.
Одним из основных преимуществ использования навигационной
аппаратуры потребителя (НАЛ) на борту космических аппаратов (КА) является
возможность обеспечения автономной навигации [1,2]. Функционирующие в настоящее
время бортовые системы обеспечивают погрешность определения координат не
хуже 10 м (1о) и составляющих вектора скорости не хуже 0.1 м/с (1о) [2].
Детерминированность траектории движения КА позволяет использовать
накопленный массив измерительной информации бортовой НАП с
последующей её обработкой для обеспечения высокоточного прогноза движения центра
масс КА. При этом качество решения задачи прогнозирования движения будет
зависеть не только от точности одномоментных навигационных определений, но
и от эффективности алгоритмов вторичной обработки. В настоящее время
наиболее распространенными на практике являются алгоритмы вторичной
обработки, построенные на основе максимально правдоподобных оценок вектора
состояния (ВС).
© Т. О. Мысливцев, А. А. Семенов, А. Ю. Афанасьев, 2012
368
Отыскание максимально правдоподобной оценки сводится к нахождению
минимума функционала
F(q) = (r-A(q))K~l(r-A(q));
где q - неизвестный параметр; К - корреляционная матрица; A(q) - оператор
связи пространства измерений и пространства состояний.
Так как связь пространства измерений и пространства состояний
рассматриваемой системы в общем случае нелинейна, то оценка параметров
траектории г =[Х YZ VxVyVz f ищется как решение итерационной задачи
с использованием градиентных процедур, например, метода Гаусса-Ньютона
по формуле
где q*N - оценка параметров траектории в N-й итерации;
A = 8r(q*N_l)/dqT-(nxm)
матрицачастныхпроизводныхотизмеряемыхНАПпараметровг =[XYZVXV Vzf
по параметрам траектории Ч в точке Як\ определяется по формуле; Аг - разность
измеренных и расчетных значений навигационных определений.
Часто на практике неизвестным также является вектор дополнительных
параметров А,, характеризующих ошибки в описании сил, действующих на КА.
В этих условиях в состав вектора Ч включают те параметры, которые
существенно влияют на оценку ВС, при этом максимально правдоподобная оценка
нового ВС q' = [~q, "X] требует нахождения минимума нового функционала F(q).
В условиях, когда оценке подлежат дополнительные параметры А,,
характеризующие модель движения КА, градиентные процедуры могут не обеспечить
необходимой точности оценки q, так как отклики на возмущения по
дополнительным параметрам при расчете матрицы частных производных могут быть
сравнимы со значениями совокупной погрешности.
В ситуации, когда изменить качество измерительной выборки не
представляется возможным, оценку ВС можно получить используя методы прямого
поиска решения навигационной задачи [3]. При использовании методов прямого
поиска отпадает необходимость в расчете матриц частных производных, так как
эти методы проводят поиск решения, используя ту или иную стратегию, только
на основе информации о значении целевой функции (ЦФ) в конкретной точке.
Рассмотрим случай НАЛ с q = [X Y Z Vx Vy Vzf и q' = [X Y Z VxVyVz cf для
оценки параметров движения КА наиболее распространенным и простым в
реализации является метод деформируемых многогранников [3]. Результаты
использования данного метода при определении параметров орбиты КА «Ресурс-
ДК» приведены в таблице.
Запись измерений бортовой НАЛ проводилась начиная с 00 ч 00 мин
07 июня 2009 непрерывно в течение 8 витков с шагом 120 с. При проведении
расчетов использовалось 36 гармоник геопотенциала, участвующих в
описании модели движения КА, и модель атмосферы СМА-81. В качестве исходного
369
значения баллистического коэффициента КА взята величина, близкая к нулю,
которая затем определялась как независимый элемент ВС.
На рисунке представлены сравнительные результаты оценки вектора
положения КА по результатам измерений бортовой НАП с уточнением по
баллистическому коэффициенту и без него.
Таким образом, при включении в вектор оцениваемых параметров
значения баллистического коэффициента и использования метода деформируемых
многогранников возможно повышение точности оценки ВС КА.
Результаты обработки измерений НАП
Ошибки по компонентам
ВС после обработки xyz,
м, и VxVyVz, м/с
1.240
-19.169
9.9881
-0.731
1.721
^4.249
0.004180
0.003667
-0.035047
0.002646
-0.005417
0.015052
Расхождение по компонентам ВС
на конец измерительного
интервала
в метрах
-22.504
-37.156
15.659
22.567
15.425
-12.332
в метрах
в секунду
0.011452
0.001084
0.061146
-0.004628
0.001325
-0.038445
Характеристика
оптимизационного процесса
и значение ЦФ в минимуме
Число итераций 406
Число вычислений ЦФ 791
Значение ЦФ 88.538
Число итераций 896
Число вычислений ЦФ 1401
Значение ЦФ 47.355
Балистический коэффициент
после оптимизации
с = 0.003207123
2.69 2.695
Время [с]
Результаты обработки измерений НАП для q и q'
370
Литература
1. Михайлов К В., Васильев М. В, Михайлов В. Ф. Автономная
навигация космических кораблей с использованием GPS // Гироскопия и навигация.
- СПб. - 2008. - Вып. 1. - С. 3-21.
2. Шебшаевич Б. В., Тюляков А. Е. и др. Координатно-временное
обеспечение космических аппаратов в условиях использования ГНСС // Труды ИПА
РАН. - СПб.: Наука, 2009. - Вып. 20. - С. 231-238.
3. Алешкин А, П., Бакурский К. В, Методы адаптивной эмпирической
оптимизации при определении параметров вектора состояния летательного
аппарата // Приборостроение. - СПб., 2003. - Т. 46, вып. 1. - С. 2 - 6.
Use of Direct Search Method in Problem
of Determination
of Position of Orbit Space Vehicle Using Onboard
GLONASS/GPS Navigation Tools
Т. О. Mislivtsev, A. A. Semenov, A. U. Afanasev
This article evaluates the effectiveness of the algorithms for supporting quality
characteristics of aufonomous navigation of spacecrafts. Direct optimization
procedures for estimating the spacecraft orbit with simultaneous correction of the
dynamical model are proposed. The procedures are tested by means of single-time
measurements of onboard user navigation facilities as state vectors of the spactcraft
written in Greenwich coordinate system.
371
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Передача оцифровки шкалы времени сигналами,
основанными на недвоичной структуре
Ю. В. Петелин, А. А. Макаров, А. А. Казанцев
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
В статье описываются структуры недвоичных псевдослучайных
последовательностей (ПСП), применяющихся для формирования сложных
сигналов, а также структура созданного программного комплекса,
моделирующего корреляционную обработку таких сигналов. Полученные
и исследованные недвоичные ПСП целесообразно применить для
передачи оцифровки шкалы времени (ШВ) через радиостанции ДВ РНС, что
позволит существенно повысить помехоустойчивость приема
импульсов окраски и сократить время распознавания кода времени.
Ключевые слова: шкала времени, сигнал, недвоичная
псевдослучайная последовательность, программный комплекс.
Введение
Существующий способ передачи сигналов времени, используемый в
радиостанциях ДВ РНС, ориентирован в основном на визуальные методы
привязки ШВ потребителей. Радиоимпульсы временной окраски не модулированы
по фазе, поэтому автоматические приемники сигналов используют
амплитудные методы обнаружения этих радиоимпульсов. Известно, что амплитудное
обнаружение имеет по сравнению с фазовым методом более низкую
помехоустойчивость и требует большего времени для обнаружения.
Сложные сигналы, основанные на фазовой манипуляции гармонического
несущего колебания псевдослучайными последовательностями, широко
применяются для решения множества различных задач: повышения
помехозащищенности радиоканала, получения высокой точности измерения текущего
положения наблюдаемых объектов, повышения разрешающей способности при
решении задач радиолокации и др. Внимание исследователей сосредоточено
на поиске новых псевдослучайных последовательностей, удовлетворяющих
жёстким требованиям, предъявляемым, прежде всего, к их корреляционным
свойствам. Одним из возможных направлений улучшения показателей
радиоканала при решении различного рода задач, перечисленных выше, является
применение недвоичных псевдослучайных последовательностей.
© Ю. В. Петелин, А. А. Макаров, А. А. Казанцев, 2012
372
Моделирование недвоичных псевдослучайных последовательностей
Свойства автокорреляционных функций (АКФ) играют решающую роль
в вопросе выбора структуры сигналов для радиолиний. При периодическом
режиме формирования сигнала рассматривается периодическая АКФ, при
передаче информации или радиолокационных измерениях, осуществляемых
с помощью одиночных непериодических сигналов, рассматривается
апериодическая АКФ. Вид АКФ определяется двумя факторами: свойствами элементов,
из которых состоит радиосигнал, и законом чередования элементов.
Элементы радиосигнала представляют собой радиоимпульсы с внутри-
импульсной модуляцией. Закон чередования элементов определяется
некоторой числовой (кодовой) последовательностью. Распространенное утверждение
о том, что корреляционные свойства радиосигнала полностью идентичны
корреляционным свойствам формирующей сигнал кодовой последовательности,
справедливо лишь в тех случаях, когда между элементами радиосигнала
существуют корреляционные отношения, совпадающие с взаимокорреляционными
свойствами символов кодовой последовательности. Без учета этого
обстоятельства при синтезе сигналов можно допустить грубые ошибки [1].
Отвлекаясь от проблем технической реализации различных видов
модуляции, можно утверждать, что принципиальное влияние на свойства
радиосигнала оказывают не конкретные формы его элементов, а их
взаимокорреляционные отношения. Этот вывод позволяет значительно упростить анализ:
достаточно заменить реальные элементы радиосигнала на абстрактные
обозначения (символы) и определить их взаимокорреляционную матрицу.
Четверичные последовательности могут быть составлены из четырех
символов, между которыми возможны следующие корреляционные
отношения. Четыре символа могут иметь произвольные коэффициенты взаимной
корреляции, которые задаются табл. 1. В общем случае векторы могут лежать
в различных плоскостях (рис. 1) [2].
Таблица 1
*
а
b
с
d
а
кп
k2i
k3i
kti
b
к,2
^22
к32
^42
С
к,з
к2з
кзз
к43
d
к14
к24
к34
кф!
Определенный интерес могут представлять четверичные
последовательности, в которых элементарные символы связаны корреляционными
отношениями, описываемыми табл. 2, соответствующие тройке единичных векторов
и вектору нулевой длины (рис. 2).
373
u(t) =
Возможная реализация радиосигнала описывается выражением
ux(i) = UH cos(27t£t) при st = a
u2(t) = Uu cos(27t£t-n/2) при ss = b
I мз(0 = ^4 cos(2rc£ t-2n/2) при si = с
[ u4(t) = 0 при s§ =e
Таблица 2
a
b
(о
*
a
b
с
e
a
1
0
-1
0
b
0
1
0
0
с
-1
0
1
0
e
0
0
0
0
Рис.2
Наибольшее практическое применение находит случай, когда имеется
четыре символа, которые образуют две ортогональных и две противоположных
пары, как это заданно табл. 3 и наглядно представлено на рис. 3.
Таблица 3
d
Ъ
*
а
Ъ
с
е
а
1
0
-1
0
b
0
1
0
0
с
-1
0
1
0
е
0
0
0
0
Рис.3
Радиосигнал, элементы которого обладают подобными корреляционными
свойствами, может быть сформирован из четырех колебаний, определяемых
следующим выражением:
их {t) - UH cos(2nfH t) при si = a
u2(t) = UH cos(27i£t-n/2) при st = b
u3(t) = UH cos(2nfHt-2n/2)upnsi =c
u4(t) = UH cos(2izfilt-3n/2) при^ =d
Сигналы с основанием кода, большим четырех, в данной работе не рас
сматриваются.
u(t) =
(2)
374
Разработка программного комплекса
Программа для исследования свойств недвоичных
псевдослучайных последовательностей написана в программной среде «C++ Builder 6.0».
Разработанное программное обеспечение имеет демонстрационное
предназначение. Полученные результаты позволяют провести сравнительный анализ
частотно-корреляционных свойств двоичных и четверичных ПСП.
Программы можно условно разделить на пять подсистем (модулей),
позволяющих оценить вид: 1) структуры сигнала, 2) спектральной функции
видеосигнала, 3) спектральной функции радиосигнала, 4) апериодической
и 5)периодической АФК. Каждый модуль, решающий ту или иную задачу,
представляет собой блок кода, моделирующий соответствующее
математическое преобразование сигнала.
Модель четверичных последовательностей, реализуемая в данной
программе, представлена на рис. 3 и в табл. 3. Также возможен анализ свойств
троичных последовательностей, сформированных из элементарных символов
и двоичных сигналов, составленных из взаимоортогональных и
противоположных символов. Это позволяет сравнивать характеристики двоичных
последовательностей, нашедших применение в реальных системах, и исследуемых
четверичных последовательностей.
Заключение
Таким образом, разработанный программный комплекс обеспечивает
возможность выявления сигналов, обладающих идеальными апериодической
и периодической АКФ. Обнаруженные последовательности необходимо
исследовать на наличие требуемых корреляционных и спектральных свойств.
Прошедшие такой анализ недвоичные ПСП целесообразно использовать для
передачи оцифровки шкалы времени.
Работа поддержана грантом президента РФ. Грант № МК-19. 2011. 10.
Литература
1. Макаров А. А. О моделировании недвоичных М-последовательностей //
Сб. реф. деп. рук. - Вып. 79. - М.: ЦВНИ МО РФ. (Серия Б).
2. Петелин Ю. В., Петелин Р. Ю. Формирование недвоичных
последовательностей с оптимальными корреляционными свойствами: метод, пособие.
-МО, 1998.-31 с.
375
Transfer of Digitizing Timescale Signals
Based on Non-binary Structure
Y. V. Petelin, A. A. Makarov, A. A. Kazancev
This article describes the structure of non-binary pseudorandom sequences used
to generate complex signals and complex structure created software that models the
correlation processing of signals. Received and investigated nonbinary bandwidth
used for transmission of digitizing timescale via radio, which will significantly
improve the noise immunity of reception of the pulses of color and reduce the time
of recognition time code.
376
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Исследование методов измерения и прогнозирования
дисперсий ошибок многолучевого распространения
в системе инструментальной спутниковой посадки
О. И. Саута1, А. О. Саута1, С. С. Чистякова1, Ю. С. Юрченко2,
А. И. Соколов2, А. А. Шарыпов2
ЮАО «ВНИИРА», г. Санкт-Петербург, Россия
Государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В. И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург, Россия
Приведены результаты исследования ошибок многолучевого
распространения сигналов систем GPS и ГЛОНАСС при использовании
стандартного кодофазового фильтра. Выполнена оценка влияния
комплексной фильтрации на величину ошибки многолучевого
распространения. Разработаны алгоритмы определения положения области помех,
создающих опасные отражения.
Ключевые слова: многолучевое распространение, ошибка,
ГЛОНАСС, GPS, кодофазовый фильтр, сигнал, помехи.
Требования к системе инструментальной спутниковой посадки [1]
предполагают использование комплексного кодофазового фильтра для сглаживания
шумовой составляющей кодовых измерений и ошибок многолучевого
распространения (МЛР). Этот фильтр по отношению к кодовым измерениям
является фильтром нижних частот с постоянной времени 100 с. Для оценки влияния
комплексной фильтрации исследуем спектр ошибок МЛР.
На рис. 1 а изображен общий случай, когда на антенну приемника
потребителя действует смесь прямого и отраженных сигналов. Исследование спектра
отраженных сигналов показывает, что существует зависимость разности допле-
ровских частот прямого и отраженного сигналов от расстояния между антенной
потребителя 77 и отражателями О [2]. По этой причине ошибка МЛР имеет
периодический характер и ее частота зависит от расстояния до отражателя.
Область поверхности, создающей отражения при работе наземного
приемника, определяется длительностью элементарного символа кода
навигационного сигнала (рис. 1 б). В канале стандартной точности системы ГЛОНАСС
длительность символа вдвое выше, чем в GPS, поэтому площадь отражаю-
© О. И. Саута, А. О. Саута, С. С. Чистякова, Ю. С. Юрченко, А. И. Соколов, А. А. Шарыпов, 2012
377
щей поверхности для ГЛОНАСС существенно больше. Рис. 1 б
соответствует положению потребителя в плоскости орбиты спутника, располагающегося
в направлении С. Однако при наличии комплексной фильтрации наибольшую
опасность представляют отражения с низкой частотой, проходящей на
выход фильтра. Область опасных отражений выделена на рис. 1 б штриховкой.
Ширина этой области 2Д^/Ф определяется частотой среза фильтра и скоростью
изменения доплеровской частоты Д/д, причем в системе ГЛОНАСС Д/д меньше
из-за большей скорости движения спутника. Таким образом, площади опасных
отражений в системах ГЛОНАСС и GPS различаются менее чем в два раза.
Для проверки теоретических результатов было выполнено
экспериментальное исследование действия отражений на реальные сигналы систем ГЛОНАСС
и GPS. Были исследованы спектры разности кодовых и фазовых отсчетов
псевдодальности в канале стандартной точности (СТ) без фильтрации кодовых
измерений и с комплексной фильтрацией. Длительность элементарных символов
этих систем различается и соотвественно различается ширина спектров
сигналов без фильтрации (рис. 2 а). Однако после фильтрации (рис. 2 б) спектры
и средние квадратические значения ошибок различаются существенно меньше.
а) б)
верхний
луч
ГЛОНАСС
О
/г-
нижний
луч
2Д*4
Рис. 1. Виды отраженных сигналов (а) и область ошибок многолучевого
распространения (б)
• ГЛОНАСС, 0=0.89 м
GPS, а=0.46 м
0.3 0.4 0.5
— ГЛОНАСС, 0=0.28 и
GPS, <5=0,2б м
0.2
0.25
О 0.05 O.I 0.1S
Частота, Гц
Рис. 2. Спектры разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности для
спутников GPS №23 08-04-2009 и ГЛОНАСС №3 22-04-2009 до фильтрации (а)
и после нее (б)
378
300 г
]230
го
S
3
О
О 0.3 0.6 1
Задержка, чип
Рис. 3. Зависимость ошибки измерения
псевдодальности от задержки
отраженного сигнала в системе GPS
Рис. 4. Зависимость направления оси
изменения доплеровской частоты от
времени для спутника ГЛОНАСС № 1
(2 апреля 2009 г.)
Рассмотрим влияние комплексной фильтрации на значение ошибки МЛР.
В современных приемниках с «узким» коррелятором ошибка, создаваемая
отраженными сигналами, практически не зависит от их задержки (график 1 рис. 3).
Относительный уровень отраженного сигнала составлял ±0.5. Можно оценить
влияние комплексной фильтрации, используя зависимость частоты помехи от
значение задержки отраженного сигнала (графики 3 для различных значений
угла места рис. 3).
Подавление ошибок, создаваемых отражениями с большой задержкой,
можно получить также при использовании в корреляторе стробов
специальной формы [3]. Сравнивая ошибки в приемнике со специальной формой
строба (график 2) и графики 3, можно сделать вывод о том, что действие кодофа-
зовой фильтрации подобно использованию специального строба в измерителе
задержки. Поэтому совместное использование коррелятора со сложной
формой строба и кодофазового фильтра даст заметный результат лишь при малых
углах места, и в среднем выигрыш оказывается незначительным.
На основе стандартных эфемеридных расчетов для систем ГЛОНАСС
и GPS были разработаны алгоритмы определения положения области помех,
создающих опасные отражения [4]. Примеры зависимости от времени
углового положения у вектора изменения доплеровской частоты А/*, вычисленной на
основе эфемеридных данных, и азимута спутника \|/ представлены на рис. 4.
Необходимость такого расчета можно показать на примере прогнозирования
ошибки, возникающей при отражении сигналов спутника от элементов
конструкции летательного аппарата.
Пусть продольная ось летательного аппарата развернута на угол 45°.
Тогда в момент времени tx = 15 890 с угол у = 132°, а \|/ = 230° (см. рис. 4). Если
принять расстояние между антенной и стабилизатором равным 25 м, то сдвиг
доплеровских частот/ = 22.5-103 Гц, а ослабление помехи при фильтрации
составит -23 дБ. В момент времени tx = 7300 с угол у = 220°, а азимут \|/ = 278°.
Угол сдвига между осью частот доплеровских смещений и азимутом соста-
379
вит 58°. В этом случае частота отражения от стабилизатора окажется в полосе
пропускания кодофазового фильтра, и ослабление помехи МЛР не происходит.
Таким образом, при одной и той же мощности отражений значение ошибки
в зависимости от положения области отражений изменяется на порядок.
Литература
1. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации.
Авиационная электросвязь. - Изд. 6-е. - 2006. - Т. 1.
2. Юрченко Ю. С. Исследование доплеровских частот помех
многолучевого распространения сигналов в глобальной навигационной спутниковой
системе // Изв. вузов России. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. - Вып. 3:
Радиоэлектроника. - С.61-66.
3. Zhdanov A. Multipath error reduction in signal processing // GPS Solutions.
- 2002. - Vol. 5, № 3. - P. 19-28.
4. Юрченко Ю. G, Шарыпов А. А. Прогнозирование доплеровских частот
помех, возникающих вследствие многолучевого распространения сигналов в
глобальной навигационной спутниковой системе // Изв. вузов России. - СПб.,
- 2011. - Вып. 2: Радиоэлектроника. - С. 85-89.
The Research on Measurement and Prediction Methods of
Multipath Error Dispersion
in Instrumental Satellite Landing System
O. I. Sauta, А. О Sauta, S. S. Chistjakova, U. S. Jurchenko,
A. I. Sokolov, A. A. Sharipov
The results of research of multipath GPS and GLONASS signal propagation
errors while using the standard code-phase filter are provided. An estimate of complex
filtering influence on multipath error is performed. The algorithms for detection of
interference area with dangerous reflections are designed.
380
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Оценка точности прогнозирования положения
разгонного блока на основе навигационных определений
с использованием спутниковой радионавигационной
системы ГЛОНАСС
А. Н. Скрипников, С. А. Богачёв
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
Одним из возможных способов определения текущего положения
космического аппарата является использование навигационной
аппаратуры потребителя, в том числе для дублирования инерциальной системы
ориентации. Проводится оценка возможности использования
определений по спутниковой радионавигационной системе ГЛОНАСС при
прогнозировании движения разгонного блока в разрывном навигационном поле.
Ключевые слова: разгонный блок, орбита, прогназирование,
моделирование, ошибка, спутниковая радионавигационная система
Развитие нашего государства как космической державы невозможно без
непрерывного совершенствования существующих и создания новых образцов
космической техники. Важнейшей составной частью системы средств
выведения являются разгонные блоки (РБ), называемые также межорбитальными
буксирами. В 1974 г. прошли первые летные испытания запуска космического
аппарата (КА) на геостационарную орбиту (ГСО) с применением РБ «Д»,
созданного в конце 1960-х гг. для лунной экспедиции. За прошедшие 36 лет было
произведено порядка 330 пусков с использованием отечественных РБ в
основном (более 90 %) на высокие орбиты [1].
Участок работы РБ при выведении полезной нагрузки на высокие
орбиты технически достаточно сложен в управлении, его продолжительность
составляет несколько часов (вплоть до суток). Ограниченность расположения
информационных наземных средств национальной территорией, их
технические параметры уменьшают степень соответствия характеристик выведения
современным требованиям по точности, надежности и полноте измеряемых
параметров движения. Одним из путей преодоления указанных сложностей
© А. Н. Скрипников, С. А. Богачёв, 2012
381
является использование спутниковой радионавигационной системы (СРНС)
ГЛОНАСС для определения местоположения РБ на участке его работы [2].
Значительные участки траектории выведения КА на высокие орбиты
проходят выше границы непрерывного навигационного поля, где точностные
характеристики местоопределения РБ с использованием СРНС ГЛОНАСС
требуют отдельной оценки [3].
За последние 10 лет для выведения КА на высокие орбиты заметно
увеличивается интенсивность использования РБ «Бриз-М», предназначенного для
замены блоков серии «ДМ». При этом для запусков на высокие орбиты
характерно увеличение числа импульсов в схеме выведения. Типовая схема
выведения КА на ГСО с использованием РБ «Бриз-М» кроме активного участка
(участок работы РКН) включает опорную, промежуточную, переходную, целевую
орбиты и орбиту увода РБ. Отделение КА происходит, когда РБ находится на
целевой орбите всего несколько секунд. Недостаточно точное выведение КА
на целевую орбиту с заданными параметрами влечёт за собой повышение
расхода бортового ресурса КА и, как следствие, уменьшение срока активного
существования.
По переходной орбите РБ движется более 5.5 ч. Большую часть
траектории движения по переходной орбите РБ находится выше границы
непрерывного навигационного поля СРНС ГЛОНАСС (рис. 1). Расчёты показали, что
в разрывном навигационном поле СРНС ГЛОНАСС с увеличением высоты
полёта вероятность успешного проведения мгновенных навигационных
определений (Рп> 4), где п - число видимых навигационных КА в момент времени)
значительно уменьшается (рис. 2). Выше 7500 км от поверхности сферической Земли
проведение мгновенных навигационных определений практически невозможно.
Однако использование первичных измерений дальности хотя бы до одного НКА
с вероятностью не ниже Pmin(« > 8) = 0.18 возможно вплоть до высоты ГСО.
Таким образом, работа по четырём навигационным КА СРНС ГЛОНАСС
гарантирована лишь первые 15-30 мин после начала движения от перигея
переходной орбиты РБ. При отсутствии мгновенных навигационных
определений положение РБ на пассивном участке траектории можно прогнозировать,
используя в качестве начальных условий последние навигационные
определения. Наличие погрешностей в исходных данных будет приводить к
распространению ошибки прогноза положения РБ на дальнейшем участке движения.
Применяя закономерности движения РБ и параметры точности
навигационных определений в начальный момент, можно определить и точность
последующего прогноза. На точность прогноза будут оказывать влияние погрешности
всех элементов вектора начальных условий в момент навигационных
определений, т. е. погрешности знания координат и проекций вектора скорости в этот
момент. Погрешности определения координат и вектора скорости, заданные
тактико-техническими требованиями к навигационной аппаратуре
потребителя (НАП), применяемой на РБ, не должны превышать 60 м по координатным
и 10 см/с по скоростным составляющим.
382
В частности, результаты моделирования по одной из типовых траекторий
показывают, что через 15 мин прогноза ошибка определения высоты РБ
возрастает в два раза, далее её рост увеличивается и вблизи апогея (на 340-й
минуте полёта от перигея) она превосходит начальное значение приблизительно
в 55 раз.
Ошибки определения положения РБ вдоль орбиты, а также
направления и значения вектора скорости в перигее переходной орбиты не
оказывают большого влияния на предельную ошибку дальнейшего прогноза высоты
и скорости.
л? О*/
*/
\
дная орбита -v
* \ i
\ ¥
f
1
N4
% \
**»%
***«..,
Н=2000км
,-'v&L ' ч
/ >яР5^*^> \ у—
' ЛР|/*л\ *■ У
fjrfff \ 1л V*
Гч \-^УГ\/ х
VI ^Щш***^ I/ X
Yv Л/ \
V У 1
х—*s i
>"*
****••» ♦--*'** /
/
, /
v /
-\_^. ••-
-"V *
0 \
%
\ %
\ %
« %
%
- Опорная орбита ;
Промежуточная ;
' .орбита J
•
/
S 1
.' й
.' й
У й
й
й
в
0
в
*
0
в
у
.*•*"
Рис. 1. Характерные участки траектории выведения КА на ГСО
•Р(п>4)
»Р(п>1)
%«*
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Рис. 2. Вероятность видимости навигационных КА на высотах полёта РБ
Нрб,КМ
383
Проведено моделирование движения РБ по типовой схеме выведения на
ГСО. На момент последних мгновенных навигационных определений
известны радиус-вектор го = 8 370 км, вектор скорости Vo = 6.367 км/с и предельные
ошибки этих определений: 5г = 0.06 км, 8V0 = 0.0001 км/с. Анализ
результатов моделирования показал, что дальнейший прогноз повышает предельную
ошибку определения высоты полёта РБ в апогее переходной орбиты
примерно в 80 раз, т. е. до 10 км. Подобные результаты были получены и для других
вариантов реализации переходной орбиты РБ. Даже при таком росте
предельной относительной ошибки требуемая точность целевой орбиты РБ была бы
достигнута. При необходимости достижения большей точности возможно
использовать обработку первичных измерений дальности до каждого из
видимых навигационных КА, а также накопление результатов измерений на
интервалах времени.
По результатам проведенной оценки можно сформулировать следующие
выводы:
- с вероятностью более Рт{п(п > 4) = 0.993 мгновенные навигационные
измерения возможно производить лишь на небольшом участке движения по
переходной орбите, где навигационное поле непрерывно;
- при дальнейшем прогнозе движения РБ предельные ошибки
определения параметров орбиты значительно увеличиваются, с вероятностью не ниже
Pmin(w > 1) = 0.18 возможно использовать первичные измерения НАП для
уточнения этих параметров;
- определение параметров движения РБ с использованием первичных
навигационных измерений НАП может потребовать выбор рационального
состава уточняемых параметров, способа использования априорной информации,
выбора участка и продолжительности измерений НАП и пр., что в
совокупности может составить методику определения параметров движения РБ с
использованием СРНС ГЛОНАСС.
Литература
1. Новости космонавтики. - М.: Информационно-издательский дом
«Новости космонавтики», 2008 - 2011 г. - № 1-12.
2. Забокрицкий А. В., Пасынков В. В., Пономарев С. А., Суевалов В. В.
Технология навигационно-баллистического обеспечения полетов космических
средств // Сборник докладов научно-технического семинара, посвященного
60-летию кафедры баллистики ракет-носителей и полета космических
аппаратов / под ред. С. А. Васькова - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2006. -
С. 82-97.
3. ГОСТ Р 52864-2007. Глобальная навигационная спутниковая
система. Аппаратура потребителей навигационная гражданского назначения для
ракет-носителей, разгонных блоков и космических аппаратов. Технические
требования. - 2007.
384
Upper Stage Position Accuracy
Using GNSS GLONASS Navigation Determinations
A. N. Skripnikov, S. A. Bogachyov
One of possible ways of upper stage rocret position determination is the use of
consumer navigation equipment. The possiblity of using GNSS GLONASS
measurements for runaway stage defermination in discrete navigation field is estimated.
385
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Разработка макета оптического стандарта частоты
на холодных атомах стронция-87
С. Н. Слюсарев1, А. Н. Костин1, В. Н. Барышев1, К. Л. Хабарова1,
С. Н. Стрелкин2, В. Г. Пальчиков1
^ГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, Московская обл., Россия
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия
В статье представлены результаты работы по созданию в ФГУП
«ВНИИФТРИ» макета оптических часов на атомах Sr-87. Приведено
описание составных частей стандарта совместно с результатами
предварительных измерений по охлаждению и пленению атомов стронция.
Ключевые слова: оптический стандарт частоты, макет, холодный
атом, стронций-87, охлаждение, пленеие.
Введение
В последние годы большое внимание уделяется стандартам частоты на
оптических решётках, поскольку точность таких квантовых генераторов может
достигать уровня 10~17 и выше. По прошествии нескольких лет с того
момента, как была выдвинута идея создания таких стандартов и проведены первые
их экспериментальные исследования, несколько независимых групп
исследователей показали, что величина нестабильности частоты стандартов примерно
10~15, а это очень близко к значению нестабильности TAI (Международной
шкалы атомного времени).
В данной статье обсуждаются первые экспериментальные результаты,
полученные в ходе создания во ФГУП «ВНИИФТРИ» макета нового оптического
стандарта частоты на охлажденных атомах фермионного изотопа 87Sr,
пленённых в одномерной вертикальной оптической решётке, формируемой лазерным
излучением с «магической» длиной волны X = 813 нм. В качестве часового
в разработанном макете используется рекомендованный Международным
бюро мер и весов интеркомбинационный переход ^о-^Ро на длине волны 698 нм.
© С. Н. Слюсарев, А. Н. Костин, В. Н. Барышев, К. Л. Хабарова, С. Н. Стрелкин, В. Г. Пальчиков, 2012
386
Техника эксперимента
Охлаждение и пленение атомов 87Sr производится в два этапа,
поскольку температура 770 мкК, достигаемая при охлаждении на переходе ^о—!Pi
(с шириной линии 32 МГц и длиной волны 461 нм), недостаточна для
помещения атомов в оптическую решётку, сформированную стоячей волной линейно
поляризованного излучения (к = 813 нм). Таким образом, магнитооптическая
ловушка (МОЛ) на переходе ^о—!Pi служит только для сбора и
предварительного охлаждения большого числа атомов Sr, подготавливая их для дальнейшего
охлаждения. На рис. 1 представлены энергетические уровни атомов стронция,
а также используемые при охлаждении, пленении и детектировании
переходы, выбор которых позволяет применить сравнительно дешевые и гибкие
в настройке ECDL-лазеры (диодные лазеры с внешним резонатором).
Атомы 87Sr, вылетающие из источника с температурой 450-500 °С,
замедляются в зеемановском замедлителе длиной 30 см (при частоте отстройки
замедляющего зеемановского лазера, лежащей в пределах 750-850 МГц) и
попадают в рабочую зону. Магнитное поле МОЛ создается при помощи пары
изготовленных из медной трубки катушек в антигельмгольцевой
конфигурации. Это позволяет осуществлять эффективное водяное охлаждение катушек
при пропускании через них токов, достигающих 80 А. Количество плененных
на этапе предварительного охлаждения атомов увеличивалось на порядок
благодаря использованию лазеров перекачки с длинами волн 679 и 496 нм (рис. 2).
3°з-
3Р2——
ih 3V "■"
£ТОрИ>
охлаждение
6S9 M-v
Рис. 1. Схема уровней 87Sr, используемых в оптическом стандарте частоты
Рис. 2. Облако атомов 87Sre МОЛ при выключенных лазерах перекачки (а)
и при их включении (б)
387
Атомы вылетают из нагревателя и замедляются зеемановским лазером.
Далее они попадают в центр основной камеры, где захватываются в МОЛ,
которая организуется в пересечении шести лучей лазера перехода ^о—!Pi
(461 нм). Лазеры перекачки (496 и 679 нм) сбиваются на поляризационных
кубах с лазером МОЛ 461 нм до входа в оптический спектроскоп.
Вторичное охлаждение осуществляется на интеркомбинационном
переходе ^о—3Pi (ширина линии 7.6 кГц, длина волны 689 нм), и для его успешной
реализации требуется ECDL-лазер с шириной линии, сравнимой на коротких
промежутках времени с естественной шириной линии перехода. Частота
излучения привязанного к УЛЕ-резонатору лазера вторичного охлаждения (689 нм)
была измерена посредством получения сигнала биения между лазером и
гребенкой оптического синтезатора фемтосекундных импульсов Menlo. Гребенка
оптического синтезатора была застабилизирована при помощи водородного
стандарта VCH-1004. Частота повторений составляла^ = 250.82441575 МГц.
Выводы
Рассмотрены инженерно-технические решения, необходимые для
создания оптического стандарта частоты на фермионном изотопе стронция.
В МОЛ разработанного макета оптического стандарта были захвачены атомы
87Sr. Предварительное замедление атомов было реализовано с помощью зее-
мановского замедлителя. Первый этап охлаждения атомов 87Sr
осуществлялся на переходе ^о—3Pi (461 нм). Экспериментально подтверждено, что число
плененных атомов возрастает примерно на порядок при использовании
лазеров перекачки 496 и 479 нм. Осуществлена стабилизация лазера вторичного
охлаждения по высокодобротному УЛЕ-резонатору. При этом был применен
новый метод получения сигнала ошибки, когда в качестве оптического
фазового модулятора использовался специально сконструированный АОМ,
работающий в режиме Рамана-Ната. Измерена частота излучения привязанного
к УЛЕ-резонатору лазера вторичного охлаждения (689 нм).
Creation of the Model for Optical Frequency Standard
on Cold Strontium-87 Atoms
S. N. Slusarev, A. N. Kostin, V. N. Barychev, K. L. Khabarova,
S. N. Strelkin, V. G. Palchikov
We report on progress made at the VNIIFTRI towards an 87Sr optical clock.
A description of the main parts of the apparatus is given together with the
preliminary measurements characterizing step by step the cppling and trapping of the
strontium atoms.
388
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Реализация метода TWSTFT в Главном метрологическом
центре Государственной службы времени, частоты
и определения параметров вращения Земли
Ю. Ф. Смирнов, И. Б. Норец, А. В. Наумов
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений» Госстандарта,
п. Менделееве, Московская обл., Россия
Рассмотрен современный высокоточный метод сличения
территориально удаленных часов и шкал времени - метод дуплексных
сличений с использованием электромагнитного сигнала. Проанализированы
основные источники погрешностей и приведены точностные
характеристики метода.
Ключевые слова: метод TWSTFT, комплекс дуплексных сличений
шкал времени.
Введение
На сегодняшний день из всех известных радиотехнических средств
наивысшую точность и оперативность сличений территориально разнесенных шкал
времени обеспечивает аппаратура, реализующая метод «Two Way Satellite Time and
Frequency Transfer» (TWSTFT). Этот метод основан на встречной передаче по
спутниковым каналам связи сигналов, модулированных псевдослучайной
шумовой последовательностью и содержащих информацию о сличаемых шкалах
времени. В качестве спутников - ретрансляторов - используются геостационарные
спутники связи. Передача сигналов может осуществляться в диапазонах С, Ки
и X. Принципы работы, рекомендации по оперативному использованию метода
TWSTFT и правила обработки полученных результатов измерений подробно
изложены в рекомендациях Международного союза электросвязи МСЭ-R TF.1153-3.
Метод TWSTFT широко используется ведущими зарубежными
лабораториями времени в качестве основного канала синхронизации при организации
взаимных сличений шкал времени, координатором которых выступает РТВ
(Физико-технический институт, Германия). РТВ является участником
дуплексных сличений шкал времени в составе трёх рабочих групп (Европа-Америка,
Европа, Европа-Азия), в состав которых входит более 15 ведущих лабораторий
© Ю. Ф. Смирнов, И. Б. Норец, А. В. Наумов, 2012
389
времени мира. Официальные результаты сличений шкал времени регулярно
публикуются в циркулярах «Т» BIPM. Согласно этим данным, калиброванный
комплект аппаратуры TWSTFT обеспечивает определение расхождения шкал
времени пространственно удаленных объектов с погрешностью не более ±2 не. Для
других средств, например, для аппаратуры привязки шкал времени по сигналам
КНС ГЛОНАСС/GPS, аналогичные погрешности имеют значения от 5 до 20 не.
В 2011 г. во ФГУП «ВНИИФТРИ» в рамках работ по ФЦП ГЛОНАСС
разработан комплекс средств передачи единиц времени, частоты и шкалы времени
к средствам измерений системы ГЛОНАСС, составной частью которого
является комплекс дуплексных сличений шкал времени (КДСШВ). В данной работе
приведено краткое описание работы комплекса с анализом его метрологических
характеристик.
Метод TWSTFT для сличений
простанственно разнесенных шкал времени
Суть метода TWSTFT заключается во встречном приеме модемами SATRE
двух комплектов аппаратуры сигналов, несущих информацию о местных шкалах
времени территориально разнесённых объектов. Сравнивая задержки сигналов,
прошедших равный путь, можно вычислить разность удалённых шкал времени.
Результат измерений - половина общей (двухсторонней) задержки сигналов. При
этом индивидуальные задержки передатчиков и приёмников учитываются при
обработке результатов измерений.
Для уменьшения погрешности измерений используется система
мониторинга задержек SATSIM, которая обеспечивает симметрирование задержек в трактах:
передатчик-антенна и приемник-антенна. Циклы измерений задержек с помощью
SATSIM повторяются каждый раз перед проведением стандартных сеансов приема
и передачи сигналов времени продолжительностью несколько минут.
В таблице приведены характеристики методов сравнений шкал времени
с методом TWSTFT:
Характеристики методов сравнений шкал времени
Метод
ПКЧ
По сигналам
КНС
TWSTFT
Погрешность, не
<1-10
<5-20
<1-2
Зона охвата
Региональная
Глобальная
В пределах зоны
радиовидимости ИСЗ
Стоимость
Средняя
Низкая
Высокая
Комплекс дуплексных сличений шкал времени
КДСШВ предназначен для сличений шкал времени территориально
разнесенных эталонов единиц времени и частоты по спутниковым каналам связи и
будет применяться в системе метрологического обеспечения средств измерений,
обеспечивающих передачу единиц времени, частоты и национальной шкалы
390
Стационарный комплект аппаратуры TWSTFT
координированного времени UTC (SU) от Государственного эталона времени
и частоты (ГЭВЧ) к средствам измерений системы ГЛОНАСС. КДСШВ
состоит из стационарного и перевозимого комплектов аппаратуры TWSTFT
производства фирмы «Timetech» (Германия). Стационарный комплект аппаратуры
(см. рисунок) решает задачи сличений шкалы времени UTC (SU) со
шкалами времени участников Европейско-Азиатской рабочей группы TWSTFT.
Перевозимый комплект аппаратуры, созданный с использованием
спутниковых технологий VSAT, решает задачи метрологического обеспечения средств
синхронизации системы ГЛОНАСС. Каждый комплект аппаратуры
представляет собой типовую земную станцию спутниковой связи А^-диапазона со
специализированным модемом SATRE и системой мониторинга задержек
сигналов SATSIM.
Выводы
С началом штатной эксплуатации КДСШВ в ГМЦ ГСВЧ появится
оперативный и высокоточный канал синхронизации шкал времени ГЭВЧ с
лабораториями времени Европы и Азии, качественно повысится уровень
метрологического обеспечения средств измерений, обеспечивающих передачу единиц
времени и частоты и национальной шкалы времени UTC (SU) от ГЭВЧ к
средствам измерений ГЛОНАСС в соответствии с «Государственной поверочной
схемой для средств измерений времени и частоты».
391
Realization of TWSTFT Method at GMZ GSVCH
Yu. F. Smirnov, I. B. Noretz, A. V. Naumov
It is well known that there is main way of checking spatially separated time
scale: method of the duplex technique based on the use of electromagnetic signals. In
this paper the main practical realization of checking spatially separated timescales is
described. Information on accuracy characteristics with the analysis of the significant
sources of errors is shown.
392
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Алгоритмическое обеспечение
оптимальной маршрутизации
В. Г. Стэмпковский
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Построение маршрута транспортного средства, управляемого
автоматически или с участием оператора, во многих случаях является одним
из этапов всего комплекса работ по координатно-временному и
навигационному обеспечению. Алгоритмы построения маршрута в
значительной степени определяются моделью транспортной системы, но, как
правило, трансформируются в алгоритмы поиска пути на графе. В работе
рассмотрен алгоритм поиска пути на ориентированном графе,
учитывающий наличие координат у вершин графа, унаследованных из модели
транспортной системы. При выполнении определенных ограничений на
вид целевой функции предложенный алгоритм эффективнее
традиционно используемого алгоритма Э. Дейкстры.
Ключевые слова: транспортная система, дорожный элемент,
координатная информация, целевая функция, оптимальный маршрут,
многошаговое прогнозирование, ориентированный граф, дерево путей
на графе.
Введение
Рассматривается решение задачи построения маршрута в транспортной
системе, моделируемой с помощью ориентированного графа, элементы
которого могут иметь характеристики, представленные целыми и рациональными
числами [1]. Задача построения маршрута, оптимального по некоторому
критерию, имеет как минимум классическое решение [2], однако
специализированные алгоритмы, учитывающие обстоятельства применения, могут быть
эффективнее как по затратам времени, так и расходу других ресурсов [3].
Отправной точкой является представление транспортной сети в виде
ориентированного графа. Ребра графа (edges) соответствуют элементам дорог
(road element), а вершины (vertices) - местам соединения дорожных элементов
(junction). Маршрут задается начальным и конечным соединениями (junctions)
дорожных элементов и представляется последовательностью дорожных
элементов. С маршрутом ассоциируется некоторый критерий качества, пред-
> В. Г. Стэмпковский, 2012
393
ставленный целевой функцией с атрибутами дорожных элементов в качестве
аргументов. Задача построения маршрута состоит в нахождении
последовательности дорожных элементов, оптимизирующей значение целевой функции.
Особенности предлагаемого подхода
Использование координат соединений. Алгоритм поиска маршрута,
оптимального по заданному критерию качества, двухпроходныи: сначала
ищется некоторый маршрут, затем с использованием уже найденного ищется
оптимальный. Основанием для такого алгоритма является использование
характеристик вершин графа (обычно используются характеристики ребер в
качестве весов в целевой функции). Здесь же учитывается тот факт, что элементы
транспортной сети имеют координатную привязку и расстояния между
вершинами графа, связанные одним или несколькими ребрами, можно использовать
для оценки перспективности выбираемого направления на каждом шаге
построения маршрута.
Оценки, полученные на основе использования координатной
информации, позволяют не только ускорить построение первого приближения к
оптимальному маршруту, но и получить очень хорошее приближение в
большинстве случаев. На втором этапе строится дерево всех возможных путей на графе,
ведущих из исходной вершины в целевую. При этом координатная информация
в форме вычисленного расстояния между вершинами графа используется для
отсечения ветвей дерева заведомо неперспективных с точки зрения
оптимизации целевой функции. Отсечение корректно в том случае, когда целевая
функция является сепарабельной вида
F(xl9 х2,..., хп) =/ (х,) +f(x2) + ...+f(x„),
где/- атомарная целевая функция; xt - характеристика /-го дорожного
элемента, включенного в маршрут.
Характеристика должна быть прямо пропорциональна расстоянию
между вершинами, соединяемыми элементом, а / (х,) = С xh где С - константа.
Допустим более сложный вид/(х,), но при этом отсечение становится менее
эффективным.
Многошаговое прогнозирование (анализ возможных направлений).
Этот подход улучшает временные показатели процесса поиска маршрута,
особенно когда целевая функция имеет специальный вид (например, используется
атрибут дорожного элемента «класс дороги» для «выдавливания» маршрута на
дорожные элементы с более высоким классом). Многошаговое
прогнозирование особенно полезно в тех случаях, когда при прокладке маршрута
приходится обходить препятствия (отсутствие дорог или их непригодность).
Гибкая детализация при построении модели транспортной сети в
виде ориентированного графа. Излишняя детализация ухудшает параметры
модели с точки зрения ресурсоемкое™. В то же время без детальной модели
таких элементов транспортной сети, как перекрестки, обойтись не удается, когда
394
необходимо учесть ограничения в выборе направления движения. Для учета
ограничений (запретов) строится максимально полная модель пересечения
дорог в виде графа, а затем из этого графа удаляется часть ребер,
соответствующих запрещаемым направлениям движения. Такая модель пересечения
дорог содержит виртуальные дорожные элементы с нулевыми весами, и для того
чтобы алгоритм поиска первого приближения к оптимальному маршруту не
терялся перед выбором одного из нескольких виртуальных дорожных
элементов, можно использовать предложенное многошаговое прогнозирование. Как
правило, достаточно одного дополнительного шага.
Апробация
Рассмотренный подход к построению маршрута в транспортной
системе имеет две реализации: для настольного компьютера и компьютера с
ограниченными ресурсами. Использование координатной информации позволило
рассмотренному алгоритму маршрутизации иметь преимущество по времени
поиска во всех использованных тестах: прокладка маршрута на искусственной
транспортной системе большого размера, на реальной модели транспортной
системы южной части Санкт-Петербурга и др.
Литература
1. Zhao, Y. Vehicle Location and Navigation Systems, Norwood, MA: Artech
House,1997.-345p.
2. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р, Штайн К. Алгоритмы: построение
и анализ / пер. с англ. - 2-е изд. - М., 2005. - 1296 с.
3. Стэмпковский В. Г. Алгоритмическое обеспечение оптимальной
маршрутизации // Фундаментальное и прикладное координатно-временное и
навигационное обеспечение (КВНО-2011). Четвертая Всерос. конф. - СПб.:
ИПА РАН, 2011. - С. 235-236.
Algorithmic Support of Optimal Routing
V. G. Stempkovsky
In this paper the algorithm for finding ways to directed graph, taking into
account the availability of the coordinates of the vertices of the graph, inherited from
the model of the transport system is proposed. Under certain restrictions on the type
of objective function, the proposed algorithm is more efficient than traditionally used
algorithm E. Dijkstra.
395
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Диспетчеризация процессов обработки данных
В. Г. Стэмпковский
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Управление вычислительными процессами, реализующее
собственную прикладную логику, без привлечения дорогостоящих средств
класса Business process management может быть достижимой целью, так как
не претендует на универсальность и применимость во всех случаях.
Основой для такого управления процессами предлагается
модифицированный комплекс программ приема-передачи данных. Настраиваемое^
комплекса и отсутствие ограничений на функциональность
подпроцессов требуют повышенного внимания к вопросам безопасности, но при
этом позволяют строить вычислительные схемы, ограниченные только
доступными ресурсами.
Ключевые слова: бизнес-процессы, оператор-кординатор,
описание предметной области, расписание, распределённая архитектура.
Введение
Процессы обработки данных, представленных в цифровом виде,
становились объектом автоматизации. На уровне операционных систем управлением
процессами занимается системное программирование, на уровне
универсальных языков программирования появилось многонитиевое программирование,
на прикладном уровне - системы Workflow и Business Process Management.
Ни одна крупная IT компания не обошла вниманием это направление. ЕМС,
Microsoft, Oracle, BEA, IBM, Sybase и др. создали свои системы управления
бизнес-процессами (БП). Спектр представленных систем очень широк: от
сверхдорогих (ECMS Documentum) до свободно распостраняемых (Alfresco).
Полнофункциональная система управления БП предоставляет множество
возможностей, востребованность которых в условиях работы служб центра
обработки и анализа данных (ЦОАД) ИПА РАН [1] отсутствует или очень
низка. Однако организация цепочек процессов обработки с привязкой ко времени
является естественной задачей, и она решается в реальном времени
оператором-координатором. Использовать готовую систему управления БП по
указанной причине неэффективно, но в качестве подходящей альтернативы можно
воспользоваться комплексом программ приема-передачи данных (КППД), так
© В. Г. Стэмпковский, 2012
396
как в нем заложены возможности расширения и отхода от узкой специализации
[2]. Комплекс обладает средством описания предметной области, достаточным
для задания взаимосвязей процессов. Он обеспечивает привязку ко времени
посредством расписания, а распределенная архитектура позволяет наращивать
вычислительные мощности для реализации процессов обработки данных
в пределах доступного оборудования. Таким образом, КППД превращается
в средство интеграции программных приложений (пакетов прикладных
программ) и в основу автоматизированной системы обработки данных.
Процессы обработки данных
Процессы обработки данных в ЦОАД в основном полностью
автоматические, не требующие по ходу вычислений вмешательства, и реализуются
монолитными исполнимыми модулями. Однако необходимость выполнения этих
процессов может быть обусловлена поступлением извне используемых
исходных данных. Запуск процессов на выполнение может также подчиняться
некоторой периодичности, не зависящей от наличия или отсутствия той или иной
информации. Также возможна комбинация приведенных условий запуска.
Системы управления процессами
Системы управления процессами, как правило, подразумевают участие
человека в подпроцессах получения недостающих данных или в качестве
лица, принимающего решение о дальнейшем ходе процесса. К такому типу
относятся системы Workflow и Business Process Management. Данный сегмент
прикладного программного обеспечения в своем развитии достиг стадии создания
внекорпоративных органов стандартизации, таких как Workflow Management
Coalition (MfMC) (www.wfmc.org), BPM.com (www.bpm.com) и продолжает
развиваться, предлагая все более удобные и надежные решения.
Хотя КППД достаточно далек от стандартов MfMC и BPM.com, тем не
менее с учетом специфики ЦОАД может стать допустимой альтернативой
дорогостоящим и непростым в использовании системам управления процессами.
Для КППД, который позволяет описывать зависимость исполнения процессов
приема-передачи данных от времени, потребуется лишь небольшая адаптация.
Без каких-либо ограничений процесс приема-передачи данных может быть
заменен на вычислительный процесс. Адаптированность КППД будет
заключаться в использовании пред- и постусловий в определениях действий, причем
в определении условий допустимы ссылки на другие действия. Таким образом,
определение потока работ в КППД создается ненамного сложнее, чем
расписание приема-передачи данных.
397
Управление процессами в КППД
Основной элемент управления процессами в КППД - это
формализованное представление порядка запуска исполнимого кода. Описание допускает
наличие исполнимого кода для различных операционных сред, а
исполнительные сервисы, которые запускают этот код, обеспечивают бесконфликтность
запуска, так как машинное представление хранится в единой базе данных, куда
помещается вся информация об экземплярах процессов (готовых к
выполнению, выполняемых, выполненных).
Исходное описание представляет собой текст в формате XML, в котором
описываются участники обмена информацией, их ресурсы и действия с ними.
С каждым участником определен контракт, в котором указаны временные
рамки совместных действий, для каждого ресурса также заданы периоды
доступности. Действие, выполняемое применительно к некоторому ресурсу,
снабжено расписанием, согласно которому это действие выполняется, а действию
соответствует процесс приема-передачи данных (вычислительный и др).
В описании действия снабжены именами, на которые можно ссылаться при
задании пред- и постусловий выполнения, т. е. выстраивать цепочки действий.
Расписание позволяет задать любую временную последовательность вызовов
без дублирования выполнения при пересечении последовательностей.
Применение
В качестве примера использования КППД как системы управления
процессами рассмотрим сбор и обработку данных автоматической метеостанции
и системы регистрации электрических характеристик атмосферы (радиометра
водяного пара) [3]. В том и другом случаях данные представляются
суточными файлами наблюдений. По расписанию они забираются с сервера
наблюдательного пункта радиоинтерферометрического комплекса «Квазар-КВО» [4]
и транслируютя в представление, удобное для визуализации в анализаторе
рядов данных. Вся работа производится в фоновом режиме, обеспечивая в
последующем быстрый и достоверный интерактивный анализ [5].
Заключение
На практике связи процессов могут быть сложными, иметь альтернативы,
в этом случае планировщик заданий КППД целесообразно дополнить
возможностью использовать методы структурного синтеза программ [6] и
маршрутизации на моделях транспортных систем [7].
Как и во всех других случаях применения систем управления
процессами, предлагаемое решение направлено на устранение человеческого фактора
из осуществления рутинных, хорошо формализуемых последовательностей
действий по организации автоматической обработки данных.
398
Литература
1. Малкин 3. М, Скурихина Е. А., Гаязов Г. Н. Служба определения ПВЗ
ИПА РАН на основе обработки РСДБ-, GPS- и SLR-данных // Труды ИПА РАН.
- СПб., 2005. - Вып. 13. - С. 207-214.
2. Стэмпковский В. Г. Комплекс программ приема-передачи данных //
Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное
обеспечение (КВНО-2011). 4-я Всерос. конф. - СПб.: ИПА РАН, 2011. - С. 146-
147.
3. Быков В. Ю., Ильин Г. Н., Кайдановский М. Н. Аппаратура системы
измерения электрических характеристик тропосферы // Труды ИПА РАН. - СПб.,
2010. - Вып. 21. - С. 255-269.
4. Финкелыитейн А. М, Ипатов А. В. и др. Радиоинтерферометрическая
сеть «Квазар-КВО» - базовая система фундаментального координатно-времен-
ного обеспечения // Труды ИПА РАН. - СПб., 2005. - Вып. 13. - С. 104-138.
5. Стэмпковский В. Г. Анализ больших рядов наблюдений //
Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение
(КВНО-2011). 4-я Всерос. конф. - СПб.: ИПА РАН, 2011. - С. 162-163.
6. Тыугу Э. X, Харф М. Я. Алгоритмы структурного синтеза программ //
Программирование. - 1980. - № 4. - С. 3-13.
7. Стэмпковский В. Г. Алгоритмическое обеспечение оптимальной
маршрутизации // Фундаментальное и прикладное координатно-временное
и навигационное обеспечение (КВНО-2011). 4-я Всерос. конф. - СПб.: ИПА
РАН, 2011.-С. 235-236.
Dispatch of Data Processing
V. G. Stempkovsky
Computing process management, implemented own application logic, without
using expensive software for Business process management can be an achievable
goal, if not required universality and applicability in all cases. The basis for this
proposed modified software for reception and transmission of data. Absence restrictions
on the functionality requires increased attention to Safety, but allows you to build
schemes of computational processes, limited only by the used resources.
399
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Реализация аппаратных вычислений
кросскорреляционных функций в корреляторе АРК
И. Ф. Суркис, В. Ф. Зимовский, В. О. Кен
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Приводится описание аппаратного обеспечения,
реализующего вычисления в XF-корреляторе АРК. Описываются алгоритм работы
и устройство блоков, осуществляющих сопровождение РСДБ-сигналов
по задержке и доплеровской фазе, выделяющих сигнал генератора пико-
секундных импульсов, вычисляющих кросскорреляционные функции.
Ключевые слова: аппаратное обеспечение коррелятора,
РСДБ-контроллер, модуль, блок анализа радиоинтерферометрической
корреляции, распределитель сигналов.
В .YF-корреляторе АРК [1] аппаратно реализовано вычисление
кросскорреляционных функций и выделение сигналов генераторов пикосекундных
импульсов (ГПИ) станций. Ядро аппаратного обеспечения коррелятора составляют
базовые модули коррелятора (БМК), выполняющие всю аппаратно
реализованную обработку данных. Один БМК обрабатывает до 16 частотных каналов
одной базы, с одно- или двухбитовыми РСДБ-сигналами с максимальной тактовой
частотой до 32 МГц. Для каждого канала БМК вычисляет 64 комплексных
отсчета кросскорреляционной функции или 128 вещественных отсчетов
автокорреляционной функции и выделяет сигналы ГПИ обеих станций базы.
БМК включает в себя распределитель сигналов, 16 однотипных блоков
анализа радиоинтерферометрической корреляции (БАРК), контроллер БМК
и контроллер PCI шины (см. рисунок). БМК сконструирован на основе
технологии программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Распределитель сигналов обеспечивает селекцию входного потока
данных на 16 БАРК, по шесть разрядов для каждого БАРК. Входной поток
включает в себя 32-разрядный поток данных и 1-разрядный признак качества для
каждой из двух станций. Каждый БАРК получает 1-разрядные сигналы знака
и мантиссы и качества 1-й и 2-й станций.
Каждый БАРК является элементарным коррелятором XF типа,
обрабатывающим один частотный канал одной базы. БАРК включает в себя РСДБ-
контроллер и корреляционный процессор.
© И. Ф. Суркис, В. Ф. Зимовский, В. О. Кен, 2012
400
03У1 ОЗУ 2 БАРК1
Контроллер Контроллер Е
БМК «_* РС1шины о
га
х
s
3
J РСДБ Корреляционный I
контроллер процессор
I !_ I J
Структурная схема базового модуля коррелятора
РСДБ-контроллер выполняет функции сопровождения по задержке и допле-
ровской фазе и выделение сигнала ГПИ. Сопровождение осуществляется
автоматически (аппаратно) в течение некоторого периода времени — периода модели.
При этом изменения задержки xm(t) и доплеровской фазы ym(t) = \fm{i)dt от
времени в течение периода модели аппроксимируются полиномами 2-го порядка.
При сопровождении по задержке один из сигналов, опережающий другой
сигнал, задерживается на величину xm(t). На основе ОЗУ организуется
циклический массив данных, в который записываются приходящие сигналы. Адрес
записи устанавливается перед началом работы. Во время работы он
увеличивается за каждый такт на единицу. Адрес чтения устанавливается в начале каждой
модели на отставание от адреса записи N, равное округлению до целого
значения величины xm(tQ)/T9 где t0 — момент времени начала очередного периода
модели. Таким образом, обеспечивается начальное запаздывание сигнала Tw(f0).
В течение периода модели адрес чтения также увеличивается на единицу за
каждый такт, обеспечивая задержку т = Tw(f0).
Кроме того, в схеме имеются три регистра, в которые для очередной
модели записываются значения задержки и первых двух ее производных. В течение
периода модели осуществляется параболическая интерполяция величины x„(t)
- NT, являющейся «ошибкой сопровождения». При превышении абсолютным
значением ошибки сопровождения половины такта адрес чтения будет
увеличен (уменьшен) на один такт.
Система сопровождения по доплеровской фазе включает в себя фазовый
генератор, осуществляющий аппроксимацию фазы полиномом 2-го порядка,
и блок домножения на косинус и синус фазы. Фазовый генератор включает
в себя три регистра для фазы, частоты и скорости изменения (приращения)
РСДБ Корреляционный
контроллер процессор
f. I
ОЗУ 1 ОЗУ 2
Поток
исходных
данных
Распределитель
сигналов
РСДБ Корреляционный
контраппер процессор
I i
401
частоты. В течение периода модели осуществляется параболическая
интерполяция доплеровской фазы. Далее сигнал одной из станций разветвляется и до-
множается на косинус и синус фазы.
Блоки выделения ГПИ 1-й и 2-й станций находятся в РСДБ-контроллере.
Блоки являются простейшими комплексными корреляторами с
сопровождением только по фазе. Они содержат фазовращатель и по одной ячейке для
косинусной и синусной составляющих.
Корреляционный процессор БАРК получает из РСДБ-контроллера
сигналы, в которых с достаточной точностью нейтрализована задержка и до-
плеровский сдвиг. В корреляционном процессоре БМК имеется два
корреляционных блока, каждый из которых вычисляет корреляции двухбитовых
сигналов с признаками качества для 64 значений т. Один из блоков
вычисляет косинусную составляющую кросскорреляционной функции, второй -
синусную. Каждый блок включает в себя 64 ячейки, на которые одновременно
поступают сигналы 1-й и 2-й станций с последовательным сдвигом на такт.
В ячейке происходит перемножение с учетом весовых коэффициентов и
последующее суммирование данных. Для подсчета отрицательных коэффициентов
используется представление данных в дополнительном коде. По окончании
периода накопления данные из сумматоров ячеек снимаются и передаются в
центральный процессор компьютера.
Контроллер БМК через шину БМК связан с 33 исполнительными
устройствами, а через основную двунаправленную 32-разрядную шину,
дополнительную однонаправленную 8-разрядную шину и 12 сигнальных линий - с
контроллером PCI шины s5920.
Шина БМК представлена двунаправленной 36-разрядной шиной
данных, 9-разрядной однонаправленной шиной команд и 6-разрядной
однонаправленной шиной адресов. Для тактовой частоты шины БМК берется частота
PCI-шины 33.3 МГц.
Литература
1. СуркисИ. Ф., Зимовскш В. Ф., Шантыръ В. А., Мельников А. Е. Радио-
интерферометрический коррелятор для комплекса «Квазар-КВО» // Приборы и
техника эксперимента. - М.: Наука, 2011. - № 1.
2. Зимовскш В. Ф., СуркисИ. Ф. Аппаратное обеспечение 6-станционного
коррелятора // Сб. тез. док. Всеросс. астроном, конф. ВАК-2010 «От эпохи
Галилея до наших дней». - Н. Архыз, 2010. - С. 142.
402
Hardware Calculation Algorithm in the ARC Correlator
I. F. Surkis, V. F. Zimovsky, V. O. Ken
In this paper we describe a hardware calculation algorithm of the crosscorrelation
functions in the XF type correlator ARC. Operating principles and logical units are
presented. The latter provides the delay and Doppler phase maintaince, extracts the signal
of the picosecond pulse generator and calculates the correlation between input signals.
403
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Сличение результатов обработки корреляторов
АРК и Mark IV
И. Ф. Суркис, А. Е. Мельников, В. А. Шантырь
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Работа посвящена сличению результатов обработки суточной трех-
станционной серии РСДБ наблюдений двумя корреляторами:
коррелятором АРК и его зарубежным аналогом - коррелятором Mark IV. Показано,
что вычисляемые корреляторами групповые и ионосферные задержки
различаются не более чем на 20 пс.
Ключевые слова: коррелятор, геометрическая задержка, групповая
и ионосферная задержки среднее квадратическое отклонение.
Для проверки разработанного в ИПА РАН РСДБ-коррелятора АРК [1]
было проведено сличение результатов его работы с результатами зарубежного
аналога. После обработки на корреляторе АРК исходные данные серии
наблюдений Ru-E 072, проводившейся 6 ноября 2009 г., были переданы в Институт
радиоастрономии им. М. Планка (Бонн), где были обработаны на корреляторе
Mark IV [2,3].
Серия наблюдений Ru-E 072 длительностью 1 сут проводилась в
обсерваториях: «Светлое», «Зеленчукская», «Бадары». Регистрация сигналов данных
велась в 14 частотных каналах: 8 каналов в диапазоне X(длина волны 3.5 см),
6 каналов в диапазоне S (длина волны 13.5 см). Разнесение частотных каналов
составляло 720 МГц в диапазоне X, 140 МГц в диапазоне S. Ширина полосы
пропускания частотного канала 16 МГц, осуществлялась оцифровка
однобитовым квантованием с частотой 32 МГц.
Целью работы было сравнение конечных результатов обработки двух
корреляторов, содержащихся в файлах стандарта NGS групповых и ионосферных
задержек.
Корреляторы АРК и Mark IV приводят задержки на разные моменты
времени. Вызванная различием в алгоритмах работы корреляторов разница между
моментами времени А, составляла 1-2 с, что допустимо с точки зрения
потребителя. Для сравнения результатов был выполнен пересчет полученных
коррелятором АРК групповых задержек на другие моменты времени по формуле
© И. Ф. Суркис, А. Е. Мельников, В. А. Шантырь, 2012
404
А =т(1)Д +т(2)^-
A?
2
где x^}h, igph - 1-я и 2-я производные предвычисленной («эфемеридной»)
геометрической задержки.
Аппаратные особенности корреляторов приводят к тому, что коррелятор
Mark IV выполнил обработку базы «Светлое-Бадары», а коррелятор АРК- базы
«Бадары-Светлое». Пересчет вычисленных коррелятором АРК задержек базы
«Бадары-Светлое» в задержки «Светлое-Бадары» был выполнен по формуле
1 + fc,
:-Хк
\ + к
bd
где £sv, кы - коэффиценты пересчета для станций «Светлое» и «Бадары»
вычисляются по формуле
vv cos a cos 5 + vv sin a cos 5 + v_ sin 5
k=— y- = •
Здесь а, 5 - прямое восхождение и склонение наблюдаемого источника; vX9 vy,
vz - проекции на оси координат скорости станции относительно центра Земли
в системе ICRF; с - скорость света в вакууме.
После внесения поправок были вычислены разности между групповыми
и ионосферными задержками, полученными корреляторами Mark IV и АРК.
Пример графика разностей групповых задержек приведен на рисунке. По оси
абсцисс отложено время в часах от начала серии наблюдений.
с
о
я
3
Он
50
40
30
20
10
-10
-20
-30
-40
-50
•
ф *
L • • • •
•
•
•
• •
• •
•
•
•
•
•
•
# • я
lit *
•
%
•
•
•
•
• •
•;..v
►* .*• *J
.*• :
• %
•
• •
•
*.•••
•
•
•
г«л5**
• %«c *l
•
12
16
20
24
Разность групповых задержек для базы «Светлое-Зеленчукская», пс
405
Среднее арифметическое и СКО разностей групповых и ионосферных задержек
База
«Светлое-Зеленчукская»
«Светлое-Бадары»
«Зеленчукская-Бадары»
Групповая
задержка, пс
Среднее
0.7
-0.5
-6.0
СКО
10.1
10.1
14.8
Ионосферная
задержка, пс
Среднее
-12.8
-0.8
4.9
СКО
4.0
5.0
5.8
Среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонение (СКО)
разностей групповых и ионосферных задержек в течение всей серии
наблюдений для трех баз приведены в таблице.
Сличение результатов работы двух корреляторов подтвердило высокую
точность обработки коррелятором АРК. Расхождение между вычисленными
групповыми и ионосферными задержками не превышало 20 пс.
Литература
1. СуркисИ. Ф., Зимовский В. Ф., Шантырь В. А., Мельников А. Е. Радио-
интерферометрический коррелятор для комплекса «Квазар-КВО» // Приборы
и техника эксперимента. - М.: Наука, 2011. - № 1.
2. BernhartS., BertariniA., Muskens A., AlefW. The Bonn Astro/Geo Mark IV
Correlator // International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2009 Annual
Report. - 2010. - P. 169-172.
3. URL: http://wwu^.haystack.mit.edu/geo/mark4/index.html.
The Comparison of ARC and Mark IV Correlators Results
F. I. Surkis, A. E. Melnikov, V. A. Shantyr
This paper is dedicated to the comparison of the results of triple station 24-hour
session processing with two correlators - designed in the IAA RAS correlator ARC,
and its foreign analog correlator Mark IV. It is shown the difference between group
and ionospheric delay is no more than 20 ps.
406
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Учет членов второго порядка в разложении ионосферной
рефракции при обработке GPS-наблюдений
В. С. Шарков
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
На основе методики, рекомендованной IERS [2], был разработан
алгоритм учёта членов 2-го порядка в разложении ионосферной
рефракции. Для некоторых станций при обработке GPS-наблюдений
вычислены поправки к линейным комбинациям фазовых измерений с учётом
этих членов, а также членов, вызванных искривлением геометрического
пути распространения сигнала.
Ключевые слова: ионосферная рефракция, магнитное поле,
искривление геометрического пути, стандарты IERS.
Традиционно влияние ионосферной рефракции исключается с помощью
образования линейной комбинации из наблюдений, проводимых на двух
частотах. Таким образом исключается 99.9 % эффекта (члены 1-го порядка в
разложении ионосферной рефракции). Однако оставшаяся часть может достигать
2-3 см в линейной мере [1] и в зависимости от выбранной стратегии обработки
наблюдений может перераспределиться, например, в координаты станции,
тропосферную задержку или ошибку хода часов станции. Для более точного учёта
влияния ионосферы на проходящий сигнал необходимо учитывать члены
более высокого порядка в разложении ионосферной рефракции, а также
искривление геометрического пути распространения сигнала.
Учёт членов высшего порядка
Методика, рекомендованная Международной службой вращения Земли
и систем отсчёта (IERS), заключается в учёте членов 2-го порядка в
разложении ионосферной рефракции [2]. Так, поправка к линейной комбинации
наблюдений на двух частотах может быть записана в следующем виде:
- для измерений фазы несущей частоты
fl2Ll-f22L2=L_^ 5^
/l2-/22 flflifl+fl)
В. С. Шарков, 2012
407
- для измерении псевдодальности
/i р\ ~ fi Р2 =р 252 (2)
/i2-/22 ЛЛСЛ+Л/
где LvL2nPvP2- измерения фазы несущей и псевдодальности
соответственно на частотах fx nf2;Lu P - линейные комбинации измерений фазы несущей
и псевдодальности соответственно, не содержащие ионосферной компоненты.
В рекомендациях IERS приведено выражение для вычисления членов s2:
s2=lA2S4A0nBpcosQpS,
где Вр- модуль магнитного поля, Тл; Qp - угол проекции силовых линий
магнитного поля на луч зрения на спутник на высоте ионосферного слоя, °; S -
наклонный ТЕС, м3.
При вычислении S ионосфера представляется однослойной моделью.
Предполагается, что значение ТЕС формируется в точке пересечения луча зрения на
спутник с плоскостью на высоте h максимума ионизации области F ионосферы,
которая вносит основной вклад в формирование ТЕС (обычно h = 450 км) [3].
Для вычисления s2 помимо S необходимы данные о магнитном поле Земли.
В качестве такой глобальной модели был взят Международный эталон
геомагнитного поля (IGRF-11) [4], который удовлетворяет временному разрешению
в 30 с (интервал, с которым производятся GPS-наблюдения).
Для применения данной методики необходимо, чтобы ряд наблюдений,
соответствующий прохождению спутника, не содержал скачков фазы, так
называемых ошибок потери цикла. Если таковые имеются, то следует применить
процедуру для их исправления.
Для каждого момента наблюдений составляются комбинации
Lj и Pj представляются в виде
\Ll = aS + B,
где Bi содержит неоднозначности фазы несущих частот и межчастотное
фазовое смещение; D и D' - межчастотные кодовые смещения для приёмника
и спутника соответственно;
а = 40.309 ( -V—К ).
v л2 /;: ;
Тогда наклонный TEC S определяется следующим образом:
S = L!-(L!-P!)-D-D^
а
где <...>- усреднение по всей дуге наблюдений, не содержащей ошибок
потери цикла.
408
Такой способ вычисления S имеет определённые преимущества, особенно
когда не доступны другие источники данных, например, в условиях, близких к
условиям реального времени [5]. Межчастотные кодовые смещения для спутника D'
и приёмника D брались на сайте CDDIS [6].
На основе изложенного выше алгоритма были вычислены поправки 2-го
порядка для линейных комбинаций фазовых наблюдений (1) для станций ARTU,
MDVJ и всех GPS-спутников 6 февраля 2010 г. Результаты приведены на рис. 1 и 2.
О
6.0
4.0
2.0
0.0
(m\J
0 20000 40000 60000 80000 100000
Время, с
Рис. 1. Поправки 2-го порядка к линейной комбинации фазовых наблюдений (1) для
станции ARTU и некоторых спутников GPS на суточном интервале (DOY: 37, 2010 г.)
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
0 20000 40000 60000 80000 100000
Время, с
Рис. 2. Поправки 2-го порядка к линейной комбинации фазовых наблюдений (1) для
станции MDVJ и некоторых спутников GPS на суточном интервале (DOY: 37, 2010 г.)
409
В стандартах IERS 2010 рекомендуется учитывать при обработке
наблюдений также искривление геометрического пути, хотя этот эффект имеет
меньшее значения. Соответствующие правки для станций ARTU и MDVJ (на ту же
эпоху) составили доли миллиметров.
Литература
1. Wubbena G. Zur Modellierung von GPS Beobachtungen fur die hochgenaue
Positionsbestimmung // Wiss. Arb. Univ. Hannover. - 1991. - № 168.
2. Petit G„ Luzum B. IERS Conventions (2010) // IERS Technical Note No 36.
3. Гохберг М. Б., Шалимов С. Л. Воздействие землетрясений и взрывов на
ионосферу. - М.: Наука, 2008. - С. 227.
4. URL: http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html.
5. Hern'andez-Pajares M, Juan J, M. et al. Second-order ionospheric term in
GPS: Implementation and impact on geodetic estimates // J. Geophys. Res. - 2007.
-№112.
6. URL: ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex.
7. Fritsche M, Dietrich R. et al. Impact of higher-order ionospheric terms on
GPS estimates» // Geophys. Res. Lett. - 2005. - № 32.
The Accounting of the 2nd Order Terms in Expansion
of an Ionospheric Refraction
When Processing GPS Observations
V. S. Sharkov
On the basis of a technique recommended by the IERS 2010 Conventions,
the algorithm for accounting the 2nd order terms in expansion of an ionospheric
refraction was developed. Using this algorithm corrections to linear combinations of
phase measurements of GPS-satellites for selected stations were calculated.
410
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Применение дистанционных методов зондирования
атмосферы в задачах координатно-временных измерений
навигационных систем
Г. Г. Щукин, Д. М. Караваев
ФГУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
Описано применение СВЧ-радиометрического метода для
мониторинга радиохарактеристик атмосферы (ослабления и электрической
длины пути). Приводятся некоторые результаты экспериментальных
исследований радиохарактеристик атмосферы, полученные с
помощью наземных СВЧ-радиометров (22 и 36 ГГц). Получены
статистические оценки радиохарактеристик атмосферы для различных сезонов
года Северо-Западного региона РФ. Обсуждаются перспективы создания
системы наукастинга (слежения за состоянием атмосферы и условиями
распространения радиоволн в тропосфере) на основе усвоения
разнородной метеорологической информации.
Ключевые слова: СВЧ-радиометрический метод, атмосфера, нау-
кастинг.
Введение
Первые результаты СВЧ-радиометрических исследований атмосферы,
выполненных в начале 1960-х гг. [1], показали возможность определения
содержания водяного пара в атмосфере по ее собственному радиотепловому
излучению вблизи линии поглощения водяного пара 22.235 ГГц. В дальнейшем
методы СВЧ-радиометрии применялись в метеорологии для определения вла-
гозапаса атмосферы, водозапаса облаков, профилей температуры и влажности
в атмосфере [4-6]. В перспективе требования к точности космических
навигационных систем будут возрастать, актуальными становятся исследования
атмосферного сегмента КВНО, разработки методов контроля атмосферы при
радиоастрономических наблюдениях РСДБ-сети [2, 3]. Задачи работы:
развитие СВЧ-радиометрического метода контроля радиохарактеристик атмосферы
и экспериментальные исследования вариаций ослабления микроволн в
атмосфере и «влажной» компоненты задержки сигналов в тропосфере на различных
пространственно-временных отрезках.
© Г. Г. Щукин, Д. М. Караваев, 2012
411
Методологические основы
Методологической основой для решения задач дистанционного
зондирования параметров атмосферы является физико-математическая модель,
развитая в [4], включающая радиационную модель атмосферы, коэффициенты
поглощения в газах атмосферы, модели облачной атмосферы, численные
алгоритмы расчета радиотеплового излучения атмосферы, алгоритмы решения
обратных задач. Для решения задач температурно-влажностного зондирования
атмосферы необходимо применять многочастотные СВЧ-радиометры,
работающие в области спектра 18-26, 31-37 и 51-58 ГГц. При этом погрешность
определения температуры атмосферы составляет 0.5 К в приземном слое
атмосферы и увеличивается с высотой до 1.5-2 К. Относительная погрешность
определения влагозапаса атмосферы составляет около 10 %. В случае
облачной атмосферы «влажная» компонента электрической длины пути в атмосфере
определяется из результатов измерений характеристик нисходящего
радиотеплового излучения атмосферы как минимум на двух частотах, а решение
задачи имеет вид
Lq = а0 + axx(fx) + a2T(f2)Lq = a0 + axx{fx) + a2x(f2\
где x{f) - оптическая толщина атмосферы на частоте/; at - коэффициенты
регрессии (часто используются их средние климатические значения, полученные
по данным аэрологического зондирования атмосферы и моделям облачной
атмосферы). Оптимальные частоты зондирования лежат вблизи центра линии
поглощения водяного пара 22.235 ГГц и в «окне прозрачности» 31-37 ГГц.
Полное ослабление атмосферы [4] в зенитном направлении у (в децебелах)
определяется из результатов измерений радиояркостной температуры
атмосферы в зените Гя, по следующему соотношению:
у = 4.343-In
, Т -Т ,
\ эф я у
где Тк - космическое излучение; Гэф - эффективная температура атмосферы.
Результаты эксперимента
Экспериментальные исследования радиотеплового излучения атмосферы
проводились в течение ряда лет с применением наземного СВЧ-радиометра
(21 и 36.5 ГГц) [4]. Полученные ряды наблюдений использовались для
исследования изменчивости радиохарактеристик атмосферы, влагозапаса
атмосферы и водозапаса облаков на мезометеорологическом и синоптическом
отрезках пространственно-временных масштабов. В качестве примера на рисунке
приведен временной ход «влажной» компоненты электрической длины пути
в зените отдельно для теплого и холодного периодов года в Ленинградской
области. Как видно из рисунка, электрическая длина пути была менее 30 см.
Необходимо отметить сезонную изменчивость «влажной» компоненты
электрической длины пути: средние значения составляли 16.24, 8.06 и 5.33 см
412
О 100 200 300 400 500
Время, ч
Временная изменчивость «влажной» компоненты электрической длины пути в зените
по результатам СВЧ-радиометрических измерений в Ленинградской области
соответственно для июля, октября и января. Для этих сезонов средние квадра-
тические отклонения «влажной» компоненты электрической длины пути
составляли 3.71, 3.24 и 1.98 см. Сравнительные эксперименты показали согласие
СВЧ-радиометрических данных с результатами синхронного
радиозондирования атмосферы: СКО (радиометр-радиозонд) составляло от 6 до 13 мм (при
отсутствии осадков, при водозапасах облаков менее 1 кг/м2).
Перспективы развития системы мониторинга условий распространения
радиоволн в атмосфере связаны с разработкой системы наукастинга на основе
внедрения численных схем мезомасштабного прогноза и алгоритмов усвоения
разнородной метеорологической информации (спутниковой информации,
метеорологических радиолокаторов, СВЧ-радиометров, профайлеров ветрового
зондирования, сетевых метеорологических станций).
Заключение
Метод СВЧ-радиометрии позволяет оперативно контролировать
«влажную» компоненту электрической длины пути в атмосфере. Сравнительные
эксперименты показали согласие СВЧ-радиометрических данных с данными
независимых измерений (радиозондирования). Сформулированы перспективные
направления развития атмосферных исследований для КВНО, направленные
на повышение эффективности контроля и прогноза условий распространения
радиоволн в атмосфере Земли.
Литература
1. Рабинович Ю. К, Щукин Г. Г. Определение водяного пара в атмосфере
по измерениям радиотеплового излучения // Труды ГГО. - 1968. - Вып. 222. -
С. 62-73.
2. Finkelstein A., Ipatov A., Smolentsev S. Radio Astronomy Observatories
Svetloe, Zelenchukskaya and Badary of VLBI Network QUASAR // IVS General
Meet. Proc. 2004. - P. 161-165.
413
Ъ.Дравских А. Ф., Корольков Д. В. и др. Глобальные фазостабильные ра-
диоинтерферометрические системы // Успехи физических наук. - М.: Наука
1981 -Т. 135, вып. 4. - С. 587.
4. Степаненко В. Д., Щукин Г. Г.% Бобылев Л. П., Матросов С. Ю. Радио-
теплолокация в метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 287 с.
5. Караваев Д. М, Щукин Г. Г. Применение методов СВЧ-радиометрии
для диагноза содержания жидкокапельной влаги в облаках // Труды НИЦ ДЗА
Прикладная метеорология. - 2004. - Вып. 5 (553). - С. 99-120.
6. Щукин Г. Г., Степаненко В. Д. и др. Состояние и перспективы
радиофизических исследований атмосферы и подстилающей поверхности // Труды
ГГО. -2009. - Вып. 560. - С. 143-168.
Application of Microwave Radiometric Method
in Coordinate-time Measurements of Navigation System
G. G. Shchukin, D. M. Karavaev
The application of microwave radiometric method for monitoring radiocharac-
teristic of atmosphere such as attenuation and wet delay are discussed. Some results
of experimental studies wet delay using ground dual channel microwave radiometer
22 GHz and 36 GHz are presented. Statistical estimates of wet delay for different
seasons of the North-West region of Russia are obfained. The prospects of creating
nowcasting system based on different meteorological information are discussed
414
Труцы Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Определения параметров связи между различными
системами координат с применением спутниковой
геодезической аппаратуры
А. И. Яковлев
ФГУП ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
Вычисление параметров связи между различными системами
координат с помощью спутниковой геодезической аппаратуры
подразумевает определение состава средств геоспутниковых технологий, разработку
математических моделей и программы решения задач по уточнению
параметров связи. Оценка прогнозируемой точности определения
параметров связи между системами координат является основным этапом
данной методики.
Ключевые слова: параметры связи, система координат, методика,
спутниковая геодезическая аппаратура.
Методика определения параметров связи между различными системами
координат с применением спутниковой геодезической аппаратуры включает
в себя следующие этапы: определение состава средств геоспутниковых
технологий для обеспечения геодезических определений, разработку теоретических
основ (математических моделей) методики определения параметров связи,
разработку программного обеспечения решения задач по определению параметров
связи, выполнение оценки точности определения параметров связи с спользо-
ванием оптимальных условий. Главными этапами методики являются
исследование теоретических основ решения поставленной задачи, оценка
прогнозируемой точности определения параметров связи, разработка и обоснование проекта
построения сети с применением спутниковой геодезической аппаратуры.
Положим, что измеренная величина L и элементы взаимного
ориентирования (ЭВО) систем координат связаны в общем случае нелинейной
функциональной зависимостью
Ф (dx0, dy0, dz0, £o, tjo, v0, L) = 0,
где dx0, dy0, dz0 - линейные элементы трансформирования координат
относительно начала системы координат; £о, r|0, v0 - угловые элементы трансформи-
© А. И. Яковлев, 2012
415
рования относительно координатных осей X, Yt Z; L = L'+ 5L + AL + V -
измеренная величина, состоящая в ней L' измерения, ЪЬ - редукционная поправка,
AL - систематическая ошибка, V - случайная ошибка; L = (Xt - Xoii Yt - Yoif
Zt- Zol)f - вектор измеренных величин - расхождений координат пунктов
исходной геодезической сети (Хь Yb Zt) и координат этих пунктов, определенных
с применением геоспутниковых технологий (ХоЬ Yoif Zoi) орбитальным или
динамическим методом космической геодезии или абсолютным методом
спутниковой навигации.
Тогда функция Ф в линейной форме имеет вид
(d0/dL)o(8L,AL,V) + (d0/d(dxo))o8(dxo) +
ЦдФ I d(dy0))08(dy0) + (дФ I d(dz0))08(dz0) +
ЦдФ I а№0))08№0) + (дФ I d(d4 0))08(Л1о) +
+(aФ/a(Jv0))08(Jv0) + ФЧ<,^o^<^^2,vS;L') = 0,
где S(dx0), S(dy0), S(dz0), 5(d£0), 8(<Aio), 8(rfv0) - поправки к начальным значениям
элементов взаимного ориентирования, если известны предварительные значения
0&о° ><Ь1 А Л°о >Ло > vo )•
Связь ЭВО систем координат представляется в виде:
Фд = -^о-^0-70Д0 + (Х01.-Х,)=0;
Ф* = "Фо " *оЛ\, " Zmr\0 + (Y0i -Y,)=0,
Ф02 = -dz0 - Х0Д0 - Гил0 + (Z0i - Z,.) = 0.
Уравнения поправок для измеренных разностей координат пунктов
имеют вид:
V(Xo_X)=-A(8x)-8(dx0)-Y0i(v0/p")bv0 -(Z0&/р")6^0 +1,...,р;
V{Yo_Y) =-A(5y)-5(dy0)-X0i(v0 /p")6v0-(Z0,.^o /р")5Ло +/,-,/»;
' ViZo-Z) = -A(bz)- b(dz0)-Y0i&0 /р")6^0 -(Умл„/р')8т10 + /,...,/>;
ще F- поправки для измеренных разностей координат; р" - 206265 рад/с;
/-свободные члены уравнений поправок; р - веса измеренных величин.
Решая исходные уравнения по принципу наименьших квадратов:
можно вычислить ЭВО, а затем преобразовать координаты пунктов из одной
системы координат в другую. В соответствии с методом наименьших
квадратов уравнения поправок в матричном виде имеют вид
где Bj - матрица частных производных от измеренных величин по искомым
параметрам; lj- матрица свободных членов; Pf - матрица весов.
416
в=
-1
0
0
0
-1
0
0
0
-1
-7
р"
0
^01
0
-7
р"
2к
-Y л
■*01
Хл
Р
о
При наличии начальных значений dx0, dy0, dz0, &> Ло, v0 вычисляется
вектор поправок к искомым параметрам по формуле
5 X = -(ВФВ)"' ВТЧ = -Q^ B^l,
^eQ^=(B^B)'.
Вычисление ковариационный матрицы средних квадратических ошибок
искомых параметров осуществляется по формуле
j_
ще \i = (yTPVIin-k)2 - ошибка единицы веса, п - число измерений; к- число
искомых параметров.
Литература
1. Герасимов А. 77. Уравнивание государственной геодезической сети. -
М.: Картгеоцентр, Геодезиздат, 1996. 216 с.
2. Машимов М. М. Уравнивание геодезических сетей. - М.: Недра, 1979.
3. Машимов М. М. Высшая геодезия. Методы изучения фигуры Земли
и создания общеземной системы геодезических координат. - М.: ВИА, 1991.
Determinations of Parameters of Relationship
Between Different Coordinate Systems
Using a Satellite Geodetic Equipment
A. I. Yakovlev
Determination of relationship parameters between different coordinate systems
by means of satellite geodetic equipments implies to define geosatellite technology
facilities, develop mathematical models and software. The evaluation accuracy and
motivation of project of building to network with using a satellite geodetic
equipment are main stages of given strategy. In the paper the formulae for obtaining the
relationship are presented.
417
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Метрологическая аттестация аппаратуры потребителей
космических навигационных систем
GPS-ГЛОНАСС
А. И. Яковлев, А. А. Бойцов, А. В. Прокофьев
ГОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского»
Минобороны России, г. Санкт-Петербург, Россия
Использование приемной спутниковой геодезической
аппаратуры космических навигационных систем зависит от ее
метрологического обеспечения. Цель аттестации заключается в достижении требуемой
точности, достоверности и единства измерений. Требования к составу
и точности исходных астрономо-геодезических и гравиметрических
данных, необходимых для эталонирования геодезической аппаратуры
пользователей космических навигационных систем, определяются задачами,
решаемыми с ее применением. Испытания по определению
погрешностей измерений и скорости испытуемой аппаратуры потребителей
должны проводиться на специальной трассе. Эталонные средства измерения
вектора скорости транспортных средств для испытаний в движении не
должны иметь ошибки измерений, которые больше допустимых ошибок
по направлению.
Ключевые слова: аппаратура пользователя, космическая
навигационная система, задачи, центральный эталонный пункт, сеть пунктов,
Эффективность использования приемной спутниковой геодезической
аппаратуры космических навигационных систем в значительной степени зависит
от ее метрологического обеспечения, цель которого - достижение требуемой
точности, достоверности и единства измерений.
Требования к составу и точности исходных астрономо-геодезических
и гравиметрических данных, необходимых для эталонирования геодезической
аппаратуры пользователей (АП) космических навигационных систем (КНС),
определяются следующими задачами, решаемыми с ее применением:
- определением пространственных прямоугольных геоцентрических
координат в режиме «реального времени» и в режиме навигационных
определений:
) А. И. Яковлев, А. А. Бойцов, А. В. Прокофьев, 2012
418
- определением приращений координат со средней квадратической
ошибкой (СКО) 0.01-0.015 м в дифференциальном и относительном режимах;
- определением длин базисных линий D с СКО порядка 10~7D;
- определением высот (превышений) геоида;
- определением астрономических и геодезических азимутов;
- измерением приращений координат в кинематическом режиме и
режиме с использованием радиомодема;
- определением координат: курса и скорости подвижного объекта.
Для решения вышеперечисленных задач геодезический полигон для
испытаний АП КНС должен иметь следующее:
- сеть геодезических пунктов с центральным эталонным пунктом для
испытаний АП КНС в режиме «реального времени» и режиме навигационных
определений при благоприятных условиях приема радиосигналов спутников
КНС;
- эталонные базисы (линии) и пункты для испытаний АП КНС,
работающей в дифференциальном и относительном режимах;
- пространственную высокоточную астрономо-геодезическую сеть с
центральным эталонным пунктом для определения превышений, геодезических
и астрономических азимутов, высот геоида;
- мини-полигон для испытаний АП КНС в кинематическом режиме;
- стенд для испытаний АП КНС, используемых на транспортных
средствах для определения их координат, курса и скорости;
- пункты для испытаний АП КНС в условиях неблагоприятного приема
сигналов КНС;
- вычислительный центр для выполнения работ по планированию и
обработке результатов испытаний АП КНС.
Центральный эталонный пункт (ЦЭП) (астрономо-геодезическая
обсерватория) предназначен для поверки АП КНС и должен обеспечивать
одновременную круглосуточную работу четырех комплектов АП КНС. Он должен иметь
в своем составе следующее:
- антенную площадку;
- технологическое помещение для размещения и функционирования АП;
- место отдыха обслуживающего персонала.
В соответствии с необходимостью одновременной работы на ЦЭП четырех
АП КНС, в составе его оборудования должны быть следующие компоненты:
- антенная площадка, предназначенная для размещения антенн на
фиксированных точках, на ней должны располагаться: четыре антенных столба;
два рабочих столика, метеорологическая будка, канал для подвода кабеля в
технологическое помещение. Антенную площадку требуется разместить на
горизонтальном участке с обеспечением видимости верхней полусферы с углами
возвышения, превышающими 5°;
- антенные столбы для установки антенны АП, сооруженные из
кирпича или бетона. Антенный столб должен иметь устройство для принудительного
419
центрирования. Все антенные столбы, расположенные на антенной площадке,
должны иметь одинаковые размеры в плане и по высоте. Расстояние между
соседними столбами должно быть не менее 0.7 м;
- рабочий столик, предназначенный для временного размещения и
эксплуатации вспомогательного оборудования и АП;
- метеорологическая будка, предназначенная для установки и
эксплуатации используемого метеорологического оборудования (барограф, термометры,
барометры, психрометры и т. п.).
Технологическое помещение должно обеспечивать размещение и
эксплуатацию в круглосуточном режиме АП КНС, а также вычислительной техники.
Кроме того, ЦЭП должен иметь средства измерения, предназначенные для
штатной астрономо-геодезической обсерватории. К ним относятся доплеров-
ская наземная станция, лазерный дальномер, запросная дальномерная система.
Все эти средства предназначены для получения измерительной информации от
космического комплекса типа «Гео-ИК», через который реализуется система
координат ПЗ-90, которая может быть принята в качестве исходного эталона.
Все измерения должны быть приведены к четырем АС антенной площадки.
Сеть геодезических пунктов полигона (см. рисунок) должна образовывать
замкнутый геодезический четырехугольник или центральную систему. Сеть
должна строиться в виде трех систем со сторонами от 1 до 5, от 10 до 15 и от 20
до 30 км. При этом каждая система должна включать в себя центральный пункт
полигона. Координаты геодезических пунктов со сторонами 10-15, 20-30 км
должны быть определены как из геодезических, так и из астрономических
измерений. Таким образом, будет реализована пространственная астрономо-гео-
дезическая сеть.
Геодезические пункты полигона должны быть расположены в местах
с благоприятными условиями приема сигналов спутников КНС, и на каждом
пункте должна быть обеспечена видимость верхней полусферы на углах
возвышения, превышающих 10° [2]. Между пунктами должно осуществляться
сообщение. Все пункты должны иметь устройство для принудительного
центрирования. С каждого пункта сети должна быть обеспечена видимость на
центральный пункт и между пунктами сети.
Эталонные базисы полигона должны опираться на пункты, находящиеся
в прямой видимости; каждый базис может состоять из одного или
нескольких створных отрезков. Длины эталонных базисов должны быть от 1 до 30 км.
В качестве конечных пунктов эталонных базисов могут быть использованы
центральный и (или) геодезические пункты полигона.
Для исследований АП КНС в неблагоприятных условиях создается
мини-полигон, который должен иметь три-четыре пункта, расположенных
в лесу, вблизи высоких зданий и т. п., в которых может быть затруднен
прием спутниковых сигналов. Мини-полигон должен включать 5-8 пунктов,
расположенных на местности, пригодной для передвижения оператора АП
КНС между пунктами пешком или на автотранспорте, без потери приема
420
Сеть пунктов геодезического полигона для испытаний АП КНС
сигналов спутников КНС. Мини-полигон необходимо строить в виде линий
и направлений с вершиной на одном из пунктов геодезической сети или в виде
центральной системы с пунктом геодезической сети в центре или замкнутого
полигонометрического хода. Длины сторон мини-полигона должны быть от 30
до 1000 м.
Стенд для испытаний АП КНС, используемых на транспортных средствах
для определения их курса и скорости, должен представлять собой
прямолинейный участок автомобильной дороги длиной не менее 1 км. Стенд необходимо
оборудовать средствами определения вектора скорости движения
транспортного средства в системе координат геодезического полигона.
Требования к точности метрологических характеристик элементов
полигона вытекают из задач, решаемых с использованием АП КНС.
Исследования по определению погрешности аппаратуры в режиме
автономных определений координат выполняются при установке аппаратуры ЦЭП
полигона не менее чем на четырех сеансах. Между сеансами аппаратура
отключается.
Из обработки результатов измерений всех сеансов определяется СКО по
каждой координате. Систематическая ошибка по каждой координате
определяется как разность между средним арифметическим результатом измерений
и паспортным значением координат ЦЭП. Так как точность определения
координат в автономном режиме может характеризоваться СКО, равным 1 м, то
координаты ЦЭП должны быть определены с ошибкой порядка 1-2 м в системах
ПЗ-90 и WGS-84. Координаты ЦЭП служат исходными для определения
координат остальных пунктов полигона в дифференциальном и относительном
режимах. Для связи систем координат ПЗ-90 и WGS-84; ПЗ-90 и СК-42 должен быть
обепечен достаточно точный алгоритм перехода от одной системы к другой.
421
Точность координат остальных пунктов полигона зависит от СКО
определения координат АЛ КНС в дифференциальном и относительном режимах,
которые характеризуются СКО 0.01-0.03 м. В соотвествии с этим точность
определения координат пунктов сети должна быть не менее 0.003-0.01 м.
Точность определения базисов должна быть не менее 2 • 10~7, что в
принципе достижимо относительным методом с применением двухчастотной
приемной геодезической аппаратуры или же прецизионным светодальномером
типа СП-2, Мекометром МЕ5000, Геодиметром 6000, СГ30.
Процедура измерений в статическом режиме должна повторяться не
менее чем в двух сеансах при различных геометрических факторах
наблюдаемых созвездий спутников, и не менее чем по 20 измерений в каждом сеансе.
Интервал между сеансами должен быть не менее 2 ч.
По результатам измерений в статическом режиме определяются:
- систематическая ошибка определения длин базисов как разность
между измеренными значениями длин базисов и их эталонными значениями;
- невязки координат при измерениях в замкнутых геометрических фигурах;
- систематическая ошибка определения геодезического азимута как
разность между вычисленным значением азимута из GPS-определений и их
эталонными значениями.
Определение нормальных высот и наклона геоида с использованием
АП КНС возможно двумя методами: геометрическим (по нормальным
высотам опорных пунктов) и комбинированным с дополнительным
использованием значений гравиметрических высот квазигеоида на опорных и
определяемых пунктах. Исследования показали, что точность геометрического метода
при расстояниях между опорными пунктами 15-20 км характеризуется
погрешностями 15-20 см в районах средней аномальности и 40-60 см в районах
повышенной аномальности. Комбинированный метод позволяет определить
нормальные высоты при расстояниях между пунктами до 20 км на уровне
геометрического нивелирования III класса, т. е. = 44 мм. Отсюда высоты
пунктов полигона должны быть определены при условии принципа
наименьшего влияния mh/3= 0.012 м, mh/5 = 0.008 м.
Точность АП КНС при работе в кинематическом режиме должна
определяться с использованием пунктов мини-полигона путем последовательного
перемещения испытываемой аппаратуры по его сторонам. Мобильный приемник
должен последовательно перемещаться из исходного пункта по всем остальным
с возвратом на исходный пункт. При перемещении мобильного приемника с
пункта на пункт не должна происходить потеря сигналов спутников. Ошибки
измерений в кинематическом режиме находятся как разности между измеренными
и каталожными значениями координат соответствующих пунктов полигона.
Точность определения координат в кинематическом режиме относительно
ЦЭП характеризуется значением 20 мм + 210-6 D. А так как максимальная
длина базисной линии мини-полигона порядка 1000 м, то максимальная ошибка
422
определения координат относительно ЦЭП будет 22 мм. Отсюда координаты
пунктов мини-полигона должны быть определены cmXY,z = 0.005 м.
Испытания по определению погрешностей измерений курса и скорости
испытуемой АП КНС необходимо проводить на специальной трассе,
представляющей собой прямолинейный участок автомобильной дороги длиной не
менее 1 км. Ошибки измерений курса и скорости испытываемой аппаратуры
вычисляются как разность соответствующих значений, полученных при
измерениях, и эталонных значений. Эталонные средства измерения вектора
скорости транспортных средств для испытаний АП КНС в движении не должны
иметь ошибки измерений более 0.1 км/ч по модулю и 0.5' по направлению.
Литература
1. Инструкция о построении государственной геодезической сети СССР.
-М.: Недра, 1966.
2. Космическая геодезия. Методика решения практических задач: учеб.-
метод. пособие. - СПб.: СПВВТКУ, 1996.
3. Руководствопоастрономо-геодезическимработампритопогеодезическом
обеспечении войск. - М.: РИО ВТС, 1980. - 4.1. Геодезические работы.
4. Руководство по определению астрономо-геодезических и
гравиметрических данных при ТГО войск. - М.: РИО ТС, 1999. - 4.1, 2.
5. Баландин В. Н., Брынъ М. Я., ХибаровВ. Ф., ЮсъкевичА. В. Спутниковые
традиционные геодезические измерения. - СПб.: ФГУП «Аэрогеодезия», 2003.
6. Поклад Г. Г., Гриднев С. 77. Геодезия: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд.
- М.: Академ, проект, 2008.
Metrological validation of GPS/GLONASS users' equipment
A. I. Yakovlev, A. A. Boitsov, A. V. Prokofiev
Using receiving geodetic equipment depends on its metrological support. To
certificate the equipment it is necessary to achieve the required accuracy, validity and
integrity. Requirements to structure and accuracy of the initial astronomical,
geodetic and gravimetric data used for validation are defined by problems to be solved with
the equipment. Measurement errors and equipment velocity are to be valuated on the
special testing area. Calibration facilities for measuring velocity vector of a moving
vehicle should have observational errors better than that of in the direction.
423
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Применение технологии виртуальных машин
в режиме е-РСДБ на радиоинтерферометрическом
комплексе «Квазар-КВО»
В. А. Яковлев, И. А. Безруков, А. И. Сальников
Институт прикладной астрономии РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Представлены результаты использования системы виртуальных
машин на базе рабочей станции SUN Fire X4450 с внешним дисковым
массивом StorageTek 2530, обеспечивающей обмен данными между
обсерваториями комплекса «Квазар-КВО» и центром корреляционной
обработки РАН в режиме е-РСДБ. Проведено сравнение этой системы
с аналогичной системой на реальных рабочих станциях. Делается вывод
о возможности использования системы виртуальных машин в качестве
основной (резервной) системы обмена данными в режиме е-РСДБ для
обеспечения глобальной навигационной системы ГЛОНАСС.
Ключевые слова: виртуальная машина, е-РСДБ, Квазар-КВО,
буферизация, сервер, хранение данных, дисковый массив, передача
данных, централизация, управление.
Введение
В настоящее время технология виртуальных машин (ВМ) широко
используется в информационных сетях, в частности, при организации сетей,
предназначенных для проведения распределенных вычислений, и центров обработки
данных [4]. ВМ — это программная и/или аппаратная система, эмулирующая
аппаратное обеспечение некоторой платформы и исполняющая программы для
нее (target — целевая или гостевая платформа) на другой платформе (host —
хост-платформа)[5]. Иными словами, ВМ представляет собой «компьютер
внутри компьютера», на котором могут выполняться программы точно так же, как
и на физическом компьютере. С точки зрения хост-платформы ВМ - это просто
набор файлов на жестком диске, с которым можно выполнять любые
стандартные файловые операции: перемещать, копировать или удалять.
ВМ, создаваемые для центров обработки данных, должны быть включены
в локальную сеть. Однако на практике хост-платформа (сервер) имеет
довольно ограниченное число сетевых интерфейсов, как правило, не больше четырех,
© В. А. Яковлев, И. А. Безруков, А. И. Сальников, 2012
424
поэтому невозможно предоставить каждой машине свой сетевой интерфейс.
Эта проблема решается с помощью виртуального коммутатора. Операционная
система хост-платформы создает виртуальный коммутатор, один из портов
которого соответствует физическому интерфейсу сервера, а к остальным портам
присоединяются ВМ. Такой подход позволяет встраивать созданные машины
в уже существующую сеть, что упрощает ее топологию. Эта технология
используется в гипервизоре VMware ESX.
Применение виртуальных машин в режиме е-РСДБ
Одной из важнейших прикладных задач, решаем ых с помощью РСДБ-
наблюдений [7-9], является оперативное определение всемирного времени
для обеспечения ГЛОНАСС [1-3]. Основной задачей исследования являлось
создание системы ВМ, обеспечивающей возможность резервирования
существующей системы приема данных из обсерваторий комплекса «Квазар-КВО»,
которая может работать как основная система без ухудшения параметров,
решающим из которых является оперативность.
Для создания системы ВМ, обеспечивающих прием РСДБ-данных из
обсерваторий «Квазар-КВО» в режиме квазиреального времени, использовалась
операционная система VMware ESX - самый функциональный и мощный ги-
первизор, построенный на базе ядра Linux.
Хост-платформой ВМ является сервер Sun Fire x4450 [10] с
дополнительным дисковым массивом для хранения данных Sun StorageTek 2530. В табл. 1
приведены основные технические характеристики хост-платформы.
Управление комплексом ВМ осуществляется с помощью клиентской
программы vSphere Client (рис. 1), которая устанавливается на любой
персональный Windows-компьютер, имеющий сетевой доступ к хост-платформе.
На первом этапе средствами vSphere Client была создана ВМ,
предназначенная для замены сервера буферизации обсерватории «Бадары». Были
выбраны параметры ВМ, представленные в табл. 2. После установки операционной
системы виртуальный сервер был сконфигурирован для приема данных из
обсерватории «Бадары».
Таблица 1. Основные технические характеристики хост-платформы
Наименование компонента
Процессор
Жесткий диск
Сетевой интерфейс
Операционная система
Характеристика
24xlntel Xeon 2.6 GHz
SAS 2 Tb, RAID5
SAS/SATA12Tb,RAID5
5xl000Base-T
lx 10GBase-CX4
VMware ESX 4.1
425
j£3 195J»1.77JtlS • ЛрШшОмтк^
■«Ш0?.ЩШШШ*£^.'№1Ш№-4
ЙН£!*ЯЩ;Г'-^|«Й,-* «'*
£йе gdft Vie» Inventory Administnrtiort £tu§-»«« H*<P
uu
ь> ©:o
!*s ф e-v*.et
ф tMSS #1 J 72.22. i <"!-'
^ oiss «г »?2.22л го:-
i$ rs 173.22 з.гоэ
а ф vtei, sir
£J> BeMMsr J 72.32-3.33
(j% 'rmeSSO'6.3 i?2-22.'3."30,'"
Ф Shtwrme» J 95.19.201.48
gt Smus 172.22.3.233
gjt Sa-ft-CAW 172.22 3.209
*Jt Test-Detoum 172.22.3.212
jt-jtotCi.
!.■:■" .e-so-
|CPU;
iMemory:
'««nor у Overhead;
VHwareTaots:
;!P Ackfeesaes:
IWS Name;
JHoet:
jAetsve T»ks:
! И ЗтЫ0с--«0<л
; ЦЦ Здерепб
;©-*«-»--«
|ф Е*:>Ш-
-■esrsc :;■&■■:■
■'
IvCPU
512MB
JO*.66MB
Out of dete
172.22.3.30
qu«si.<p».nsK'.ru
Powered On
■;WrV. ««
Co-ь. -ne-d -.:.s: CPU.
i Active Gites? Иедаогу:
Provisioned Stef age:
Mot -shared Sta-age;
OatMtefe *
Q B«p«rt5ienTr**3
71 MHz
541,00 "B
25,00 MB
12,50G8
12,50 GB
Pree t UMtUodst
912,40 СБ 03.S53.2011
M*t¥*0rfc
A Ert'
Si VM
Network 172...
1Vp«
Staaderd switch n«twc*
Standard switch яеЬ«в*
Recent 'Tush*
flan-se, Terset or Statu* сомят»: «• {
I R«q«*st*dSt«tTi.., *~ : sunt Time
.S-ii'f.?..
Рис. 1. Внешний вид интерфейса VSPHERE CLIENT для ESX
На этапе создания остальных виртуальных серверов (для обсерваторий
«Зеленчукская» и «Светлое») проявилось колоссальное преимущество ВМ
перед физическими машинами. Вместо того чтобы заново устанавливать
операционную систему и необходимое программное обеспечение на каждый вновь
создаваемый сервер, достаточно просто скопировать уже созданную ВМ,
переименовать ее и присвоить новый сетевой адрес. Время, затраченное на
создание нового рабочего сервера буферизации, составило несколько минут. Для
сравнения следует отметить, что настройка аналогичного физического сервера
требует нескольких часов.
Три виртуальных сервера используют один сетевой интерфейс сервера
Sun (10GBase-CX4, скорость до 10 Гбит/с) с помощью технологии
виртуального коммутатора. При одновременной передаче данных каждый виртуальный
сервер располагает полосой пропускания порядка 3 Гбит/с.
Таблица 2. Параметры виртуальной машины для буферизации данных из
обсерватории «Бадары»
Компонент
Процессор
Оперативная память
Жесткий диск
Сетевые интерфейсы
Операционная система
Характеристика
Intel Xeon 2.6 GHz
4096 Mb
SATA 1 Tb, RAID5
lx 1000Base-T
lx 10GB-CX4
Linux Debian Squeeze 6.0.1
426
Сравнение системы виртуальных машин с системой,
построенной на реальных серверах
Начиная с 2009 г. в ИПА РАН успешно работает система приема данных
в режиме е-РСДБ на базе реальных серверов [11-13]. Аппаратной платформой
в этой системе являются три рабочие станции буферизации данных Dell Power
Edge 2950, обеспечивающие одновременный прием данных из
соответствующей обсерватории и последующую передачу этих данных на воспроизводящие
терминалы Mark 5B в Центре корреляционной обработки РАН (ЦКО РАН).
Каждый сервер, таким образом, отвечает за буферизацию данных, получаемых
из одной обсерватории. На рис. 2 приведена структурная схема организации
системы приема данных в ЦКО РАН. В табл. 3 представлены основные
технические характеристики реального сервера буферизации.
Л
ВОЛС к
обсерваториям
Коммутатор
Рабочие станции
буферизации
Cisco 4900 series
Локальная сеть Gigabit Ethernet
Dell PE 2950
Dell PE 2950
Dell PE 2950
Mark 5B
Mark 5B
Mark 5B
Рис. 2. Общая схема сети ЦКО РАН
Таблица 3. Технические характеристики реального сервера буферизации
Компонент
Процессор
Оперативная память
Жесткий диск
Сетевой интерфейс
Операционная система
Характеристика
Intel Xeon 2.6 GHz
2048 MB
SAS 750 GB, RAID 1
2x 1000Base-T, Broadcom
Linux Debian 6.0
427
Виртуальный сервер располагает большими ресурсами и обеспечивает
более высокую производительность, чем физический сервер. Это
обеспечивается гибким и быстрым изменением его конфигурации, например,
увеличением числа процессоров, увеличением объема оперативной и дисковой памяти,
введением дополнительных сетевых интерфейсов. При этом изменения
конфигурации не требуют закупки или установки нового оборудования - все ресурсы
предоставляет хост-платформа.
В качестве параметров сравнения эффективности виртуального и
реального серверов были выбраны скорость сетевого подключения и работы
жесткого диска как наиболее важные для обеспечения быстрой передачи данных.
Скорость работы сети измерялась с помощью пакета iperf, а скорость работы
диска - с помощью пакета bonnie-н-. Исследование показало, что виртуальная
рабочая станция буферизации не уступает в скорости работы диска реальной
рабочей станции. При этом система ВМ обладает радом преимуществ перед
реальными серверами.
Гибкость конфигурации. Появляется возможность быстро и без
использования дополнительных устройств изменять аппаратную конфигурацию
рабочих станций буферизации.
Отказоустойчивость и масштабируемость. Технология ВМ
позволяет за несколько минут создать копии уже существующих машин, тем самым
уменьшая время, требуемое для разворачивания работоспособного
комплекса. Например, виртуальные рабочие станции буферизации для обсерваторий
«Зеленчукская» и «Светлое» были созданы за 10 мин прямым копированием
уже готового виртуального сервера «Бадары».
ОС VMware ESX позволяет создавать резервные копии текущего
состояния машин и в случае возникновения серьезной неисправности восстановить
отказавшую рабочую станцию из такой копии. При этом не происходит потери
данных РСДБ-сеансов. Наличие этой опции позволяет неограниченно
экспериментировать с конфигурацией аппаратного и программного обеспечения
рабочей станции буферизации в поисках оптимальной конфигурации без угрозы
потери данных.
Снижение энергопотребления и организация пространства
приборных шкафов. Поскольку вместо трех физических серверов используется
теперь один, сократилось энергопотребление в серверном помещении. Перевод
еще нескольких физических серверов на виртуальные серверы позволит
и в дальнейшем сокращать расход электроэнергии: замена каждого сервера на
виртуальный снижает нагрузку примерно на 400 Вт. Кроме того, отказ от
использования большого числа физических серверов экономит место в
приборных шкафах. Каждый из трех серверов Dell 2950 РЕ занимает в приборном
шкафу 2U, столько же места занимает один сервер Sun Fire X4450. Перевод
физических серверов на виртуальные позволил существенно сократить число
сетевых и электрических кабелей, освободились несколько розеток и портов
KVM;
428
Возможность централизованного управления комплексом
виртуальных машин и мониторинга состояния виртуальных серверов. Для
получения доступа к административной консоли достаточно установить всего одно
соединение с сервером Sun Fire X4450, который предоставит доступ ко всем
ВМ. ОС VMware ESX предоставляет также инструменты, которые наглядно
демонстрируют загрузку процессора, оперативной памяти, сетевую
активность и другие параметры. На рис. 3 приведен в качестве примера график
загруженности процессора на виртуальном сервере буферизации для
обсерватории «Зеленчукская».
На рис. 4 приведен скриншот административной консоли VMware ESX.
Всего на сервере организовано 26 ВМ. Все они работают одновременно и
непрерывно, при этом, как видно из рис. 4, мгновенная загруженность
процессоров сервера составляет около 3 %, а использование оперативной памяти -
около 25 %. Во время пиковой нагрузки на ВМ, например, при проведении
вычислений на машинах Центра обработки и анализа данных, загруженность
процессора возрастает, однако ресурсов сервера хватает, чтобы и в пиковые
часы общая нагрузка не превышала 5 %. Рис. 5 демонстрирует среднюю загрузку
процессоров сервера.
Средняя используемая тактовая частота процессоров сервера за 1 ч
работы в пиковом режиме составляет 2787.9 МГц, что составляет примерно 4.46 %
максимально возможной нагрузки.
шШшшишшшшьтшшяш
I Performance
CPU/Real-time, 18,04.2011 ШМЛ7 - lAMJEOll113СЯ7 Char t Option-;
НПьШВЬЛИНИк
Switch to; ^ЩШШШк
18,04.201111:16:00
■ Uses* f*»r * 0.91 Percent
■ Usa§e in MHi for; 24 MHz
О Usage m mm for St 12 м*ф
#
H L
Зое;
Performance Chart Legend
Key
m
m
и
Ob}€Ct
ZC 135.14.12.6?
ZC 135.14.12.67
0
Measurement
Usage
Usage in MHz
Usage in MHz
! Rolltip
Average
Average
Average
■ Units
Percent
«Hz
«Hz
Latest
C, 87
23
11
Maximum
«o
2682
2172
Minimum
0,7?
21
§
Average
15,233
40t,53§
356.411
Рис. З. Загруженность процессора на виртуальном сервере буферизации данных для
обсерватории «Зеленчукская»
429
General
Manufacturer;
Mode!:
CPU Cores:
Processor Type:
License:
Processor Sockets:
Cores per Socket:
Logics! Processors:
Hyper threading:
Number of NICs:
State:
Virtual Machines and Templates:
■/Motion Enabled:
VMware EVC Mode:
Host Configured for FT;
Active Tasks:
Host Profile:
Profile Compliance;
Sun Microsystems
SUN FIRE X4450
24 CPUs x 2,666 GHz
InteS(R) XeonfR) CPU
X746Q # 2,66GHz
vSphere 4 Standard
Licensed for 4 physical CPU,.
4
6
24
Inactive
у
Connected
26
N/A
N/A
MM
N/A
Ф N/A
Resources
CPU usage: 2172 MHz
Memory usage: 31841,00 MB
Capacity
24 x 2,666 GHz
Capacity'
_^^.i_. 131G63rGQMB
Datastore Capacity Free LastUpdai
g 6.3, DebF. 7x54 1,99 TB 91239 GB 29.03.2011
Q Archive VMs 1,13 TB 719,24 GB 29.03.2011
@ BD.SV, 70 1,99 TB 6,94 GB 29.03.2011
Q SASBig 1,99 TB 1,65 TB 18.04,2011
|| SA5 Shturmars. G... 751,00 GB 485,48 GB 29.03.2011
Jj_ System^
""II vlbIzc "'
a zc-sh
Network
§1 External
^ VM Network 195...
J^ VM Network 172...
«£_ Buffer Network 1..
Ф 172.22.9.0
135,25 GB 104,82 GB 29.03.2011
1,99 TB
1,99 TB
1,26 ТБ 11.04.2011
86,94 GB 07.04.2011
Type
Standard switch network
Standard switch network.
Standard switch network
Standard switch network
Standard switch network
Рис. 4. Общие сведения о сервере SUN FIRE X4450
в ¥ffware:ESX, 4,1МГШШШШ ■ ■
CPU/Real-time, 18.04.20111Ш&40 -18.04.2011123&40 Z
(j-ap- •tr-ts'^s eve-/ 22 secedes
Switch to: JCPU
S H
V\uUs
Uv
Performance Chart Legend
Key ^ Object
В moon,ipa.n
Ш 1С
□ 21
D ?
□ G
Щ it
AM
Measurement
UsageinMHz
Usage
Usage
Usage
Usage
Usage
Roltb'p
Average
Units
MHz
Average Percent
Average Percent
Average Percent
Avenge Percent
Average Percent
Latest
3752""
Maxim и rr
7586"
103
103
0.C3
0,06
2.CS
D.26
~ Average
2787,522:
10Д}ё2"'
6,01
6Д47
5.€66
5,595
Рис. 5. Графики загруженности процессоров сервера SUN FIRE X4450
430
70
1
!*-• bd_ruul39
. L-^a 2C_ftllll39
__л--А.__ .
_--*---.-,*.■■—-*""-._
3 "»"
1 w
*3
- -.^.-—-
.—*
- -•
в 9 1Э 11 12 13 LS 15 16 17 IB 19
номер скана
Рис. 6. Зависимость скорости передачи данных из обсерваторий «Зеленчукская»
и «Бадары» на рабочие станции DELL 2950 в ЦКО РАН от времени
70
1
!
i 50
bd_ruul70
ZC ГШ170
g ю и
Номер скан»
Рис. 7. Зависимость скорости передачи данных из обсерваторий «Зеленчукская»
и «Бадары» на виртуальные машины в ЦКО РАН от времени
На рис. 6 и 7 в качестве примеров представлены результаты определения
скорости передачи данных в течение часового РСДБ-сеанса Ru-U для
определения поправок всемирного времени при использовании реальных серверов
и технологии ВМ.
Заключение
На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что
скорость доставки данных часовых РСДБ-сеансов из обсерваторий на ВМ не
уступает аналогичному показателю при работе с физическими серверами. При
этом ряд преимуществ ВМ перед реальными рабочими станциями, к которым
относятся гибкость конфигурации, отказоустойчивость и масштабируемость,
снижение энергопотребления и организация пространства приборных шкафов,
возможность централизованного управления комплексом ВМ и мониторинга
состояния виртуальных серверов, свидетельствует о целесообразности внедрения
технологии виртуализации и использования такой системы в качестве основной.
В настоящее время в ИПА РАН на базе рабочей станции SUN Fire X4450
с внешним дисковым массивом StorageTek 2530 под ОС VMware ESX
созданы и запущены три виртуальных сервера буферизации данных, полностью
заменяющие реальные машины. Начиная с марта 2011 г. передача данных часо-
431
вых РСДБ-сеансов из обсерваторий радиоинтерферометрического комплекса
«Квазар-КВО» в ЦКО РАН для оперативного определения всемирного
времени, необходимого ГЛОНАСС, проводится с использованием ВМ
Авторы выражают благодарность проф. А. В. Ипатову за ценные
замечания и поддержку в ходе экспериментальных исследований.
Литература
1. Финкелыитейн А, М, Скурихина Е. А. и др. Фундаментальное коор-
динатно-временное обеспечение системы ГЛОНАСС средствами РСДБ-сети
«Квазар-КВО» // Труды ИПА РАН. - СПб., 2007. - Вып. 17. - С. 3.
2. Лаверов Н. П., Крутиков В. К, Финкелыитейн А. М.
Фундаментальный сегмент координатно-временного и навигационного обеспечения // Труды
ИПА РАН. - СПб., 2009. - Вып. 20. - С. 41-55.
3. Пасынков В. В. Приоритетные направления развития средств
фундаментального обеспечения // Труды ИПА РАН. - СПб., 2010. - Вып. 21. - С. 106-112.
4. Стэмпковский В. Г, Гаязов И. С. Использование виртуальных машин
в Центре обработки и анализа данных ИПА РАН // Труды ИПА РАН. - СПб.,
2009. - Вып. 20. - С. 314-317.
5. Толковый словарь по вычислительным системам «Dictionary of
Computing». - М.: Машиностроение, 1990. - С. 25-30.
6. VSphere Virtual Machine Administration Guide. - VMware Inc., 2010. - С 2-7.
7. Финкелыитейн А. М, Ипатов А. В. и др. Радиоинтерферометрическая
сеть «Квазар-КВО» - базовая система фундаментального
координатно-временного обеспечения // Труды ИПА РАН. - СПб., 2005. - Вып. 13. - С. 104-138.
8. Финкелыитейн А. М, Гаязов И. С. и др. Фундаментальное координатно-
временное обеспечение» // Труды ИПА РАН. - СПб., 2005. - Вып. 13. - С. 7-42.
9. Финкелыитейн А. М., Гаязов И. С. и др. Определение ПВЗ из
наблюдений на РСДБ-сети «Квазар-КВО» // Труды ИПА РАН. - СПб., 2009. -
Вып. 20.-С. 119-125.
10. Sun Fire™ X4450 Volume Configuration Guide. - Sun Microsystems, Inc.,
2009. - С 35-38.
11. Безруков И. А. и др. Предварительное тестирование высокоскоростного
протокола обмена данными на радиоинтеферометрическом комплексе «Квазар-
КВО» // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - № 5. - С. 72.
12. Финкелыитейн А. М. и др. Proceedings of Science (EXPReS09) 098. - 2009.
13.Финкелыитейн А. М, Кайдановский М. Н. и др. Оперативное
определение поправок всемирного времени в режиме е-РСДБ // Письма в Астрон. журн.
- 2011. - Т. 37, № 6. - С. 470-479.
432
Application of Virtual Machine Technology for e-VLBI Mode
with in VLBI Network "Quasar"
V. A. Yakovlev, I. A. Bezrukov, A. I. Salnikov
The article presents the results of the use of virtual machines based on
a workstation Sun Fire X4450 with external disk array StorageTek 2530, which
provides communication between the observatories of "Quasar" network and the
center of correlation processing in e-VLBI mode. We compare this system with
a similar system based on real servers. A conclusion is made about the use of virtual
machines as the primary (backup) data exchange system in the e-VLBI mode for
global navigation system GLONASS.
433
Содержание
Решение четвертой Всероссийской конференции «Фундаментальное
и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение»
(КВНО-2011) 3
Приглашенные доклады 7
Система ГЛОНАСС - непрерывно развивающаяся основа координат-
но-временного и навигационного обеспечения России
Ю. М. Урличич, Г. Г. Ступак, С Г. Ревнивых, А. Ю. Данилюк, К А. Те-
стоедов, А. М. Финкелыитейн 7
Тенденции развития комплекса функциональных дополнений
глобальных навигационных спутниковых систем
В. В.Дворкин, С К Карутин 14
Состояние разработки системы высокоточного определения эфемерид
и временных поправок ГЛОНАСС
В. Ф. Брагинец, А. Н. Жуков, Е. В. Титов, А. А. Федотов,
B. Д. Шаргородский 20
Комплекс средств метрологического обеспечения ГЛОНАСС
О. В.Денисенко, И. С Сильвестров, В. Н. Федотов 31
Государственная служба времени, частоты и определения параметров
вращения Земли как основа фундаментального сегмента ГЛОНАСС
И. Ю. Блинов 36
Направления развития фундаментального обеспечения в интересах
системы ГЛОНАСС
А. Ю. Данилюк, В. В. Пасынков, А. Н. Жуков 41
Определение параметров связи Государственной геоцентрической
системы координат и Международной земной системы координат
И. С. Гаязов, В. В. Суворкин 47
Определение параметров вращения Земли из наблюдений на РСДБ-
сети «Квазар-КВО»
А. М. Финкелыитейн, А. В. Ипатов, И. С. Гаязов, Е. А. Скурихина,
C. Л. Курдубов, И. Ф. Суркис, С. Г. Смоленцев, А. И. Сальников, Л. В.
Федотов, Д. В. Иванов, И. А. Рахимов, А. А. Дьяков, Р. Ю. Сергеев 55
Высокоточная односторонняя лазерная дальнометрия: состояние
и перспективы применения в ГЛОНАСС
М. А. Садовников, А. А. Федотов, В. Д. Шаргородский 61
434
Направления совершенствования системы определения параметров
вращения Земли наземного сегмента ГЛОНАСС
А. Н. Жуков, В. В. Пасынков 71
Оснащение обсерваторий РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» кванто-
во-оптическими системами «Сажень-ТМ»
A. М. Финкельштейн, И С Гаязов, А. В. Ипатов, С Г. Смоленцев,
B. Д Шаргородскш, В. А. Митряев 78
Программный коррелятор для РСДБ-сети малых антенн
И Ф. Суркис, В. Ф. Зимовский, В. О. Кен, А. Е. Мельников, В. Ю.
Мишин, Н. А. Соколова, В. А. Шантырь 84
Оперативное обеспечение системы ГЛОНАСС данными о всемирном
времени в режиме е-РСДБ на радиоинтерферометрическом комплексе
«Квазар-КВО»
А. М. Финкельштейн, А. В. Ипатов, И. А. Безруков, И. С Гаязов,
М. Н. Кайдановский, С Л. Курду бое, В. Ю. Мишин, А. Г. Михайлов,
А. И. Сальников, И Ф. Суркис, Е. А. Скурихина, В. А. Яковлев 89
Ультрахолодный газ атомов для стандартов времени ГЛОНАСС
A. В. Турлапов, Т. В. Бармашова, К А. Мартьянов, В. Б. Махалов 99
Состояние и перспективы развития оптических стандартов времени
и частоты на холодных атомах и ионах
B. Г. Пальчиков 107
Перспективы совершенствования эталонной базы воспроизведения,
хранения и передачи размеров единиц времени и частоты на базе
новых разработок ЗАО «Время-Ч»
А. А. Беляев, С Ю. Медведев, Б. А. Сахаров, Ю. К Павленко 112
Задающие генераторы и хранители частоты на оптических линиях
метана
М А. Губин, А. К Киреев, Ю. В. Коростелин, А. Б. Пнев,
Ю. П. Подмарьков1, Д. А. Тюриков, М. П. Фролов, Д. А. Шелестов,
А. С Шелковников 116
Сличение удаленных стандартов частоты и времени методом РСДБ
Е. Т.Жуков,ДВ.Иванов,СЛ.Курдубов 125
Сличения территориально удаленных эталонов времени и частоты
с применением волоконно-оптических линий связи
А. В. Иванов, Н. В. Моховиков, С Н. Каган, А. Н. Малимон, С В. Пе-
стерев, В. Г. Пальчиков, А. А. Галышев 131
435
Разработка программных средств совместной обработки различных
типов наблюдений
И. С Гаязов, В. С Губанов, О. А. Братцева, С Л. Курдубов 136
Моделирование орбиты космического радиотелескопа для оценки
параметров наземно-космического радиоинтерферометра в проекте
«Радиоастрон»
В. Е. Жаров, И. А. Гирин, В. И. Костенко, С Ф. Лихачев 142
Фундаментальные эфемериды планет и Луны (ЕРМ) Института
прикладной астрономии РАН: динамическая модель, параметры, точность
Е.В.Питьева 149
Координатно-временное и навигационное обеспечение освоения
Луны и дальнего космоса
77. 77. Балашова, А. И. Болкунов, Е. И. Игнатович, С Г. Ревнивых,
A. И. Сердюков, Л. 77. Синцова 158
EPM-ERA2011 - эфемерида Луны и селенодинамические параметры
из обработки LLR-данных
Э. И. Ягудина, Г. А. Красинский, С О. Прохоренко 165
Метод дифференциальных возмущений для решения эфемеридных задач
Ю. С Бондаренко, Ю.Д. Медведев, 77.77. Ясько 172
Устные доклады 180
Высокоточное определение и прогнозирование параметров движения
космического аппарата «Глонасс» в контуре управления
B. Ф. Брагинец, А, 77. Жуков, В, В, Пасынков, Е. В. Титов 180
Предварительные результаты мониторинга навигационных систем с
использованием системы контроля целевых характеристик ГНС ГЛОНАСС
А. К Жуков, С М. Зотов, В. В. Пасынков, А. Ю. Суслов, А. А.
Федотов, В. Д. Шаргородский 189
Результаты прогнозирования параметров вращения Земли по
100-летним данным в международном проекте ЕОРСРРР
В.М.Тиссен 196
О возможности калибровки РСДБ по сигналам навигационных
космических аппаратов
Н.А.Дугин, А. А. Антипенко, А. Ф. Дементьев, М. Б. Нечаева, Ю. В.
Тихомиров 202
436
Система мониторинга параметров радионавигационных полей ГНСС
ГЛОНАСС и GPS в интересах информационного обеспечения
потребителей
С А.Платонов,В. Д.Глотов 207
Математическое моделирование процессов синхронной регистрации
сигналов детекторов, движущихся в различных квазиинерциальных
системах отсчета
В. О. Гладышев, В. Л. Кауц, П. С Тиунов 213
Эффективность замены аналоговых систем преобразования
сигналов на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» системой Р1002М
с цифровой обработкой сигналов
Л. В. Федотов, Е. В. Носов, А. С Бердников, С А. Гренков, Д. А.
Маршалов, А. В. Крохалев, Н. Е. Кольцов 218
Результаты модернизации приемных каналов З-АУ-диапазонов длин
волн на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО»
Н. Е. Кольцов, В. В. Мардышкин, Д. А. Маршалов, А. А. Евстигнеев 224
Программный приемник сигналов спутниковых навигационных
систем на базе СБИС К1879ХК1Я
В. С Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С Герасименко, В. А. Добриков,
В. Ф. Иванов, А. Б. Симонов, К В. Сахно, Е. А. Ткачев 230
Комплекс программ приема-передачи данных
В. Г Стэмпковский 236
Глобальное уравнивание РСДБ-наблюдений
С.Л.Курдубов,В.С.Губанов 244
Уточнение параметров модели океанической приливной нагрузки по
данным измерений ГЛОНАСС/GPS
A. А. Клюйков, С 77. Кузин, С К Татевян 247
Приливные деформации Земли по данным РСДБ-наблюдений
B. С Губанов, С Л. Курдубов 255
Влияние нагрузочных эффектов в ГНСС-наблюдениях на результаты
геодинамических исследований
B. Л. Горшков, С С Смирнов, К В. Щербакова 260
Исследование движения геоцентра по данным измерений систем
DORIS и GPS
C. 77. Кузин, С К Татевян, С Г Валеев, В. А. Фасхутдинова 265
437
Использование доплеровской системы DORIS для решения
геодезических задач в Российской Федерации
Е. В. Новиков, Т. Л. Сидорова-Бирюкова, Д. И. Плешаков, А. Н. Зуева,
В.П.Рогозин, О. С. Чирибулько 272
Анализ больших рядов наблюдений
В. Г. Стэмпковский 281
Навигационно-картографическое обеспечение железнодорожного
транспорта в интересах комплексной безопасности
В. Н. Филатов 289
Вариант модернизации представления эфемеридной информации
в навигационном кадре ГЛОНАСС
С.А.Каплев 297
Стендовые доклады 303
Комплекс экспериментов по приему отраженных от земной
поверхности сигналов спутниковых радионавигационных систем
ГЛОНАСС/GPS
В. А. Авдеев, В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко,
В. А. Добриков, А. А. Иванов, В. Ф. Иванов, А. С. Кошкаров, И. В. Сах-
но, А. Б. Симонов, Е. А. Ткачев, К. К. Успенский, А. В. Шалдаев,
A. В. Шулъженко 303
Прием навигационных сигналов с кодовым разделением глобальной
навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в частотном
диапазоне ЬЪ
B. А. Авдеев, В. С. Бахолдин, Д. А. Гаврилов, И. С. Герасименко, В. А.
Добриков, В. Ф. Иванов, А. В. Козлов А. С. Кошкаров, И. В. Сахно, А. Б.
Симонов, Е. А. Ткачев, К. К. Успенский, А. В. Шалдаев 307
Информационно-лабораторный комплекс для подготовки
специалистов по эксплуатации систем единого времени
Р. А. Белокопытов, В. К. Ковнацкий 311
Радиометр водяного пара обсерватории «Светлое»
Н. Ю. Белоусов, В. Ю.Быков, Г. Н.Ильин 315
Предварительные результаты обработки данных радиометра водяного
пара обсерватории «Светлое»
В. Ю. Быков, Г. Н. Ильин, В. Г. Стэмпковский 320
Нестабильность частоты полупроводникового лазера с кольцом
автоматической подстройки частоты
Г. В. Герасимов, В. А. Карелин, О. П. Харчев, Р. А. Бекентаев 325
438
Вычисление и анализ показаний часов спутников и приемников по
результатам обработки сети станций
Е. П. Гладкевич, В. А. Емельянов, Г И. Модестова, И. Г Тарлюк. 328
Об электронных версиях морских навигационных эфемерид
Н. И. Глебова, М. В. Лукашова, И. Н. Нецветаев, Г. А. Нецветаева,
М. Л. Свешников 331
Нестабильность пассивного стандарта частоты, обусловленная флук-
туациями света оптической накачки и оптического детектирования
М. Н. Гончаренко, О. 77. Харчев, Р. А. Бекентаев, Г В. Герасимов 335
12-метровая РСДБ-станция АОЭ Казанского университета: основные
цели и задачи, технические характеристики, дорожная карта проекта
А.В.Гусев,О.А.Титов 339
Потенциальная помехоустойчивость перспективных сигналов
глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС
В. А. Добриков, А. С Кошкаров 343
Оценка влияния флуктуации на нестабильность стандарта частоты на
He-Ne лазере
Е. Т. Жуков, О. П. Харчев 346
Применение метода точного позиционирования для высокоточных
сличений стандартов времени и частоты
Д. В. Иванов 350
Полетный контроль частоты бортового синхронизирующего
устройства навигационного космического аппарата
В. А. Карелин, Е. Т. Жуков 355
Оперативные вычисления ПВЗ по данным РСДБ с помощью
программы VieVS
М. Б. Кауфман, С. Л. Пасынок 361
Основы системы ЭРА и ее сателлита системы «Дельта»
В. Д. Михеева, В. И. Скрипниченко 364
Использование методов прямого поиска в задаче определения
параметров орбиты космического аппарата при использовании бортовой
навигационной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС/GPS
Т. О. Мысливцев, А. А. Семенов, А. Ю. Афанасьев 368
Передача оцифровки шкалы времени сигналами, основанными на
недвоичной структуре
Ю. В. Петелин, А. А. Макаров, А. А. Казанцев 372
439
Исследование методов измерения и прогнозирования дисперсий
ошибок многолучевого распространения в системе инструментальной
спутниковой посадки
О. И. Саута, А. О. С аута, С С Чистякова, Ю. С Юрченко, А. И.
Соколов, А. А. Шарыпов 377
Оценка точности прогнозирования положения разгонного блока на
основе навигационных определений с использованием спутниковой
радионавигационной системы ГЛОНАСС
A. К Скрипников, С А. Богачёв 381
Разработка макета оптического стандарта частоты на холодных
атомах стронция-87
С. Н. Слюсарев, А. Н. Костин, В. Н. Барышев, К Л. Хабарова,
С Н. Стрелкин, В. Г. Пальчиков 386
Реализация метода TWSTFT в Главном метрологическом центре
Государственной службы времени, частоты и определения параметров
вращения Земли
Ю. Ф. Смирнов, И. Б. Норец, А. В. Наумов 389
Алгоритмическое обеспечение оптимальной маршрутизации
B. Г. Стэмпковский 393
Диспетчеризация процессов обработки данных
В. Г. Стэмпковский 396
Реализация аппаратных вычислений кросскорреляционных функций
в корреляторе АРК
И. Ф. Суркис, В. Ф. Зимовский, В. О. Кен 400
Сличение результатов обработки корреляторов АРК и Mark IV
И. Ф. Суркис, А. Е. Мельников, В. А. Шантырь 404
Учет членов второго порядка в разложении ионосферной рефракции
при обработке GPS-наблюдений
В. СШарков 407
Применение дистанционных методов зондирования атмосферы в
задачах координатно-временных измерений навигационных систем
Г. Г. Щукин, Д. М. Караваев 411
Определения параметров связи между различными системами
координат с применением спутниковой геодезической аппаратуры
А. И.Яковлев 415
440
Метрологическая аттестация аппаратуры потребителей космических
навигационных систем GPS-ГЛОНАСС
A. И. Яковлев, А. А. Бойцов, А. В. Прокофьев 418
Применение технологии виртуальных машин в режиме е-РСДБ на ра-
диоинтерферометрическом комплексе «Квазар-КВО»
B. А. Яковлев, И. А. Безруков, А. И. Сальников 424
441
Научное издание
Труды Института прикладной астрономии РАН
Выпуск 23
Издано по решению Ученого совета
Федерального государственного бюджетного учреждения науки
Институт прикладной астрономии Российской академии наук
Редактор С. Н. Кокарева
Компьютерная верстка И. В. Прокофьева
Печатается с оригинал-макета, подготовленного в ИПА РАН
Подписано к печати 23.07.2012. Формат 70 х 100/16
Печать офсетная. Тираж 250 экз. Тип. зак. № 320
Усл. печ. л. 27.5. Уч.-изд. л. 28.7
Контрольное редактирование А. Б. Иванова (изд-во «Наука»)
Санкт-Петербургская издательская фирма «Наука» РАН
199034, Санкт-Петербург, Менделеевская линия, 1
Отпечатано в ЗАО «Полиграфическое предприятие № 3»
191014, Санкт-Петербург, Литейный проспект, д. 55
ISBN 978-5-02-038182-7
9II785020H381827