ТОЧНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ТРАЕКТОРНЫХ СРЕДСТВ СЛЕЖЕНИЯ ИСЗ НКУ ГЛОНАСС
О.С. Чирибулько
 
Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Сегмент управления комплексом.
Развитие системы ГЛОНАСС предусматривает поэтапное наращивание качества предоставляемых навигационных услуг и в перспективе выход на уровень GPS. Главные критерии качества навигационных услуг их доступность и точность определения координат потребителя. Задача геодезического обеспечения поэтапного развёртывания системы ГЛОНАСС возложена на Военно-топографическое управление Генерального штаба Вооруженных сил РФ (ВТУ ГШ РФ). Один из важных этапов развития системы усовершенствование комплекса станций слежения за ИСЗ.
 
Рассмотрим сегмент управления Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) ГЛОНАСС. НКУ предназначен для контроля правильности функционирования, управления и информационного обеспечения сети спутников ГЛОНАСС и состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); контрольные станции (КС); система контроля фаз (СКФ); квантово-оптические станции (КОС); аппаратуры контроля навигационного поля (АКНП).
 
Указанные элементы размещены на территории России вблизи следующих географических пунктов (городов) [1]:
- Санкт-Петербург (КСС9);
- Краснознаменск, Московская область (ЦУС);
- Щелково, Московская область (КС, СКФ, ЦС, АКП) (№14);
- Воркута (КСС18);
- Енисейск (КСС4);
- Улан-Удэ (КСС13);
- Якутск (КСС17);
- Комсомольск-на Амуре (КОС, КСС20, АКП);
- Петропавловск-Камчатский (КСС6).
 
Определение и прогноз параметров движения НКА осуществляет Баллистический центр (БЦ) системы на основе результатов траекторных измерений дальности и радиальной скорости НКА, поступающих от сети наземных радиотехнических «запросных» командно-измерительных станций (КИС). Ближайшая перспектива модернизации НКУ заключается в повышении точностных характеристик командных систем, создании сети беззапросных измерительных систем, улучшения инфраструктуры НКУ [2].
 
Приведем актуальные проблемы модернизации НКУ ГЛОНАСС [1]:
- модернизация технических средств и наземной инфраструктуры НКУ для обеспечения управления орбитальной группировкой из 24 - 27 КА ГЛОНАСС;
- модернизация измерительных средств НКУ;
- создание элементов навигационно-временногоспецкомплекса;
- проведение работ по повышению боевой устойчивости НКУ и системы в целом.
 
Для функционирования СРНС ГЛОНАСС используются штатные измерительные средства НКУ. Эти измерительные средства позволяют решать задачи управления навигационной системой. В настоящее время парк штатных измерительных средств НКУ ГЛОНАСС достаточно широк: радиотехнические дальномерные системы (штатные средства, БИВС, БИС СУИК78), «Тамань-База М» и квантово-оптические системы (обеспечивающие средства, «Сажень-Т», «Сажень-С», «Майданак»). Для осуществления функций контроля и управления при помощи этих измерительных систем необходимо выполнить их геодезическую привязку к соответствующей системе координат.
 
Другой, не менее важной причиной уточнения координат траекторных станций слежения и их привязки к геоцентрической системе координат является контроль некоторых технических характеристик аппаратуры. Есть возможность выполнять сравнительную оценку качества функционирования технических средств- устанавливать деформации и определять скорости изменения положения со временем ввиду движения земной коры [3].
 
Несмотря на то, что пространственные геоцентрические координаты антенн слежения определялись на начальном этапе эксплуатации, их точность не отвечает современному уровню. По разным оценкам, она составляет от 2 дм до 1 м [2]. Эти первоначальные определения выполнены методами классической геодезии, не отвечающими современным требованиям и существенно уступающими по точности широко применяемым в настоящее время методам спутниковой геодезии.
 
Геоцентрическая система координат. Координаты траекторных станций слежения ИСЗ определены, в первую очередь, в национальной геоцентрической системе координат ПЗ-90, а также в Международной земной системе координат ITRF. Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 г. №568 геоцентрической системе координат, входящей в систему Параметров Земли 1990 г., придан статус государственной при решении навигационных задач и задач геодезического обеспечения орбитальных расчетов. Однако уже к этому времени в связи с активным развитием и широким использованием навигационной и геодезической аппаратуры ГЛОНАСС (ГЛОНАСС/GPS) стала очевидной необходимость модернизации всей системы геодезических параметров и выхода на существенно более высокие точности.
 
Создана модернизированная система ПЗ-90 - ПЗ-90.02, введённая распоряжением Правительства Российской Федерации от 20.06.07 г. №797р. ПЗ-90.02 - система взаимосогласованных геодезических параметров, включающих в себя фундаментальные геодезические постоянные, параметры общеземного эллипсоида, параметры гравитационного поля Земли, общеземную систему координат и параметры её связи с другими системами координат по состоянию на 01.01.02 г. В системе координат ПЗ-90.02 изменены долготная ориентировка и линейный масштаб. Они приближены к значениям, принятым в системе координат ITRF, поддерживаемой IERS.
 
Точность установления общеземной системы координат ПЗ-90.02 по отношению к центру масс Земли характеризуется среднеквадратической погрешностью на уровне 0,3 - 0,5 м, а взаимное положение пунктов КГС на территории России определяется с погрешностью 2-3 см на расстояниях 4000 км. В ходе модернизации КГС система координат ПЗ-90.02 была распространена на пункты сети Международной геодинамической службы IGS, расположенные на территории России; уточнены также значения элементов трансформирования систем координат.
 
Существующие методы привязки траекторных средств слежения ИСЗ НКУ ГЛОНАСС. Разработки в области привязки антенной техники с применением традиционных и новых геодезических методов долгое время освещались крайне мало. Однако в последнее десятилетие всё чаще в литературе можно найти исследования, посвященные определению координат антенн измерительных дальномерных систем в системе координатICRF. Впервые работы по геодезической привязке антенной техники в России проводились ЦНИИГАиК(1996 г.). Примерно в то же время в Австралии была осуществлена привязка технических средств пяти обсерваторий. Именно по результатам этих работ на основе проведённых исследований осуществлялась дальнейшая разработка методик геодезической привязки технических средств траекторных станций слежения в России и за рубежом.
 
Анализ возможных методов геодезической привязки космических измерительных систем показал, что в настоящее время существуют три различных подхода к решению этой задачи. Первый из них базируется на использовании орбитального метода космической геодезии, второй использует метод спутниковых относительных определений, а третий - традиционную геодезическую технологию, основанную на использовании наземных угломерно-дальномерныхприборов.
 
В первом подходе, используя собственные измерения штатных средств НКУГЛОНАСС и решая координатную задачу, последовательно уточняются координатыточки относимости измерительных систем. Однако этот способ имеет недостатки. Во-первых, для таких определений необходимознать точные эфемериды спутников системы ГЛОНАСС в той системе, в которой необходимо выполнить привязку. Во-вторых, точность такой привязки непосредственнозависит от точности выполняемых измерений.
 
Наиболее точным и технологичным является
второй подход, основанный на использовании метода относительных спутниковых координатных определений. Длявыполнения привязки относительным методом необходимо иметь два спутниковых геодезических приемника(двух или одночастотных), один из которых устанавливаетсяна исходной точке(марка центра наземногопункта наблюдения), а второй как можноближе к фазовому центру (ФЦ) таким образом, чтобы между определяемым ФЦ и приемником была прямая видимость для измерения направления и расстояния до ФЦ.
 
Применение специальных устройств позволяет избежать дополнительных измерений, которые в какой-то степени ухудшаютточность привязки. Однако в случае применения второго способа возникает проблема размещения и закрепления спутниковой навигационной аппаратуры на фазовыхцентрах антенн. Кроме того, в процессе выполнения работ данным методом при изменении ориентации антенны измерительнойсистемы возникает эффект экранирования, что снижает точность координатных определений.
 
Третий подход свободен от недостатковпервого и второго способов и позволяет решить задачу геодезической привязки с точностью, соответствующей точности этимизмерительным средствам [1].
 
В связи с большим разнообразием средств антенной техники на НКУГЛОНАСС геодезическое обеспечение наних различно и определяется характеромэксплуатации. Геодезическая привязка измерительного средства заключается в определении координат точки относимости конкретного измерительного средства.
 
Для измерительных систем, используемых в космической геодезии в качестве точки относимости наблюдений (в зарубежной научно-технической литературеее называют инвариантной точкой, IVP - invariantpoint), используется точка пересечения осей(горизонтальной и вертикальной) опорно-поворотного устройства. Длякаждой измерительной системы положениеинвариантной точки различно, и ее определение выполняется по косвенным наблюдениям, так как в общих случаях она недоступна для выполнения на ней измерений. Следовательно, для геодезической привязкиконкретной измерительной системы приходится разрабатывать свой метод привязки сучетом ее конструктивных особенностей.
 
Работы по геодезической привязке измерительных средств НКУ ГЛОНАСС проводились несколькими научно-исследовательскими институтами (29 НИИ, 4 ЦНИИ, ЦНИИГАиК) по разным методикам в системе координат ПЗ-90.02 и ITRF. Рассмотрим применённые методики геодезических работ.
 
Методика29 НИИ МО РФ. Геодезическая привязка измерительных средств НКУ ГЛОНАСС на ОКИК 4, 9, 14, 15, 20 осуществлялась силами и средствами29 Научно-исследовательского института Министерства обороны РоссийскойФедерации(29 НИИ МО РФ). Полевые геодезические работы по привязке ряда измерительных средств НКУ выполнены сиспользованием фазовых двухчастотныхприёмников и электронного тахеометра. Вкачестве исходных пунктов приняты пункты КГС. Обработка измерений выполнялась по программному обеспечению, созданному в 29 НИИ МО РФ.
 
В процессе работ применялось комбинированное использование прецизионныхтрадиционных геодезических измерительных средств и спутниковой навигационнойаппаратуры. В основе метода лежит определение параметров окружностей, описываемых марками, в трёхмерном пространстве.
 
Для определения семи параметровокружностей(координаты центра окружности три параметра, координаты вектора, нормального к плоскости круга, три параметра, радиус окружности) используются пространственные координаты визирныхцелей(ВЦ), закрепленных на измерительной системе и наблюдаемых в процессе последовательных вращений измерительной системы.
 
ВЦ, расположенные на измерительных системах, вращающихся вокруг одной из независимых осей, описывают окружность в пространстве. При практической реализации метода делают следующие предположения:
- в процессе вращения ВЦ описывает в пространстве дугу;
- в процессе вращения никакой деформации траектории движения ВЦ не возникает;
- ошибки колебания не проявляются;
- определяемая ось может вращаться независимо от другой оси.
 
Пространственные координаты ВЦ, на основе которых решается задача определения ориентации осей измерительной системы, получают по измерениям расстояний, а также горизонтальных и вертикальных углов до ВЦ с точек базиса.
 
Наблюдения на каждую из визирных целей выполняются с точки стояния прибора в перпендикулярном ракурсе с постоянным интервалом вращения измерительной системы в вертикальной плоскости и блокировкой поворота системы по горизонту (при определении пространственной ориентации горизонтальной оси), а затем - в горизонтальной плоскости с блокировкой вращения в вертикальной плоскости(при определении пространственной ориентации вертикальной оси). Анализ результатов показал, что точность привязки средств НКУ находится на следующем уровне: 1 см по всем составляющим для навигационных измерительных средств; 1-2 см для квантово-оптических систем; 1 - 6 см для запросных радиодальномерных систем.
 
Методика, разработанная 4 ЦНИИ. Методика, разработанная специалистами 4 ЦНИИ, предназначена для определения исходных геодезических данных, используемых в штатном эфемеридно-временном обеспечении модернизированной системы ГЛОНАСС для расчета текущего положения точек привязки антенных систем измерительных средств НКУ. Методика основана на использовании траекторных измерений средств НКУ с привлечением эталонных орбит НКА ГЛОНАСС (орбитальный метод привязки).
 
К определяемым в соответствии с настоящей методикой исходным геодезическим данным относятся:
1) среднее положение точки привязки (средние координаты) исследуемого технического средства (ИТС) в заданную эпоху без учета постоянной части лунносолнечных приливов в теле Земли;
2) скорость изменения координат ИТС, обусловленная движением тектонических плит.
 
Измерения текущих навигационных параметров проводятся по всем штатно функционирующим спутникам ГЛОНАСС, находящимся в орбитальной группировке на интервале проведения измерений. Интервал измерений для определения исходных геодезических данных полного состава должен быть не менее 1 года. Допускается использование меньшего интервала (но не менее 1 мес) для определения только координат ИТС. На всем интервале наблюдений измерительного средства должно обеспечиваться наличие:
- эталона (апостериорных орбит по всем спутникам созвездия) с заданной точностью;
- метеоданных (температура, давление, влажность) в месте проведения измерений;
- конструктивных данных для рассматриваемого ИТС, обеспечивающих пересчет измерений к точке привязки.
Пределы погрешностей определения координат ИТС, определяемых по настоящей методике, в зависимости от типа измерительного средства составляют: КИС до 1 м; КОС 1 - 4 см; БИВС, БИС 1 - 5 см; ЗИС 50 см.
 
Методика ЦНИИГАиК.
Методика, разработанная в ЦНИИГАиК и применяемая для определения эксцентриситета фазовых центров антенн спутниковых GPS/ГЛОНАСС приемников, заключается в следующем. На внешнюю поверхность следящей параболической антенны ГЛОНАСС устанавливается антенна спутникового двухчастотного GPS/ГЛОНАСС приемника таким образом, чтобы в процессе измерений ее положение на поверхности следящей антенны не изменялось, но могло изменяться в соответствии с изменением ориентировки оси зеркала исследуемой антенны.
 
По возможности на незначительном удалении от антенны (не более200 м) устанавливается вторая антенна спутникового двухчастотного приемника, положение которой не должно изменяться во время наблюдений. Точка установки второй антенны принимается за базовую, по отношению к которой определяются пространственные координаты точки привязки следящей антенны. Увеличение расстояния между антеннами GPS/ГЛОНАСС приемников - фактор снижения точности координатных определений, что требует увеличения продолжительности сеанса измерений, лимитированного технологическими перерывами в работе следящей антенны системы ГЛОНАСС.
 
Выполняются сеансы одновременных GPS-наблюдений на подвижной и неподвижной точках. Рассмотренная методика позволила определить взаимное пространственное положение точек привязки следящих антенн измерительных станций ГЛОНАСС с использованием современной высокоточной спутниковой аппаратуры по отношению к неподвижным базовым пунктам.
 
Для выполнения привязки антенн к пунктам мировой геодезической сети, удаленным от точек привязки на значительные (сотни километров) расстояния, создавались временные базовые пункты, наблюдения на которых выполнялись непрерывно в течение всего времени работы на данной станции слежения(на менее 3 - 4 сут). Такая продолжительность наблюдений обеспечивает точность определения взаимного положения базового пункта по отношению к пункту ITRF порядка 1 см. Для базовых пунктов осуществлялось долговременное закрепление на местности или крыше зданий, использовались также постоянные центры геодезических пунктов, расположенных вблизи антенн.
 
Приращения координат точек привязки антенны по отношению к базовому пункту определялись сеансами наблюдений от 15 до20 мин, что было обусловлено относительно малой продолжительность технологических перерывов в работе следящей антенны ГЛОНАСС.
 
Привязка следящих антенн к пунктам и реперам государственных и нивелирных сетей, а также сети ITRF осуществлялась путем определения приращений координат по отношению к базовой станции, работающей непрерывно в течение нескольких суток. На пунктах и реперах геодезической и нивелирной сетей выполнялось по два сеанса спутниковых наблюдений с изменением установки штатива по высоте не менее чем на5 см. Продолжительность сеансов зависела от длины векторов базовых линий и, как правило, составляла1 - 3 ч.
 
Предварительная оценка полученных результатов показала, что точность определения плановых компонент взаимного положения центра осей антенны ГЛОНАСС и базового пункта составляет3-10 мм, точность определения соответствующих высотных компонент существенно ниже и достигает45 мм. Это обстоятельство можно объяснить известным фактом более низкой точности определения высотных компонент средствамиGPS, a также значительным экранированием зеркалом ГЛОНАСС антенны сигналов от спутников при ее невертикальных положениях, необходимых для фиксации положения вертикальной оси вращения антенны. Алгоритм математической обработки представлен не был.
 
Выводы.
Исследования показали, что разработанные методики геодезических работ по привязке траекторных станций слежения ИСЗ обеспечивают необходимую точность, однако могут быть усовершенствованы в процессе экспериментальных работ.
 
Необходимо повышать точность согласования координат станций, полученных с помощью разных методик(разными средствами обработки), и выявлять причины расхождения.
 
Работы по привязке станций НКУ к национальной геоцентрической сети ПЗ-90 необходимо проводить с периодичностью один раз в год для выявления динамики положения станций и установления возможных технических неисправностей антенн.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
1. Отчёт по научно-исследовательской работе «Исследование проблем топогеодезического и геоинформационного обеспечения стратегических сил сдерживания, АСУ и высокоточного оружия. Анализ современных методов и алгоритмов решения задач космической геодезии в целях совершенствования технологии обработки геодезических измерений». Этап №2 НИР«Астероид-ВТУ». - Министерство обороны Российской Федерации, 29 НИИ МО РФ.
2. Научно-технический отчёт по теме НИР «Определение координат станций слежения Глобальной Навигационной Системы ГЛОНАСС в Мировой геодезической системе координат для создания возможностей совместного использования навигационных систем ГЛОНАСС/GPS в интересах гражданских потребителей». - М.: ЦНИИГАиК, 2000.
3. Геодезическое обеспечение антенных комплексов / Ф.Л. Мещанский, Г.А. Терехова, И.М. Гров и др. - М.: Недра, 1991.
 
Источник: Сборник статей по итогам международной научно-технической конференции, посвященной 230-летию основания МИИГАиК. - Выпуск2. В 2-х частях. - Ч. II. - М.: Изд-во МИИГАиК, 2009 (Приложение к журналу "Изв. Вузов" «Геодезия и аэрофотосъемка», №6)