ГЛАВА 10. КАДР НАВИГАЦИОННОГО СИГНАЛА

10.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ФОРМИРОВАНИЕ ЭФЕМЕРИДНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Существуют разнообразные методы и средства измерения параметров движения НИСЗ [47]. Наиболее распространены дальномерные и доплеровские методы измерений, при использовании которых приходится прибегать к многократным одновременным или разновременным наблюдениям из нескольких пунктов земной поверхности. При этом точность определения орбиты зависит не только от точности одиночных измерений, но и от взаимного положения наземных пунктов, выбранной системы параметров орбиты, выбора мерных интервалов траектории и т. д.

Орбиты НИСЗ определяются командно-измерительным комплексом (КИК), взаимодействие средств которого с сетью НИСЗ было показано на рис. 1.4, 1.7. Станции слежения, оснащенные радиотехническими активными и пассивными измерительными устройствами, производят измерения, результаты которых передаются в КВЦ для обработки данных. Рассчитанная эфемеридная информация передается затем на борт НИСЗ.

Возможны различные способы выбора измерительных средств, организации и обработки измерений. Приведем один из них, описанный в [111]. Станции наблюдения оснащены приемниками того же типа, что и у П. Псевдодальности и интеграл от псевдодоплеровской частоты (дельта-псевдодальность) измеряются каждые 6 с. Эти данные привязываются ко времени и записываются в массив исходных данных, а затем обрабатываются на интервалах в 15 мин. Исходные данные подвергаются предварительной обработке с целью коррекции, отбраковки и сжатия информации. После внесения коррекций на систематические аппаратурные погрешности, смещения фазового центра антенны, ионосферные и тропосферные возмущения, общие релятивистские эффекты из измеренных значений функций вычитаются их расчетные значения, вычисленные на основе априорной эфемеридной информации, для исключения динамики орбиты.

Эти разности аппроксимируются полиномом на интервале в 15 мин. Полиномиальные коэффициенты используются для получения сглаженного значения в любой момент времени внутри этого интервала. Со сглаженными значениями суммируются значения возмущений орбиты. В результате подобной первичной обработки образуется сглаженный массив данных за время одного сеанса измерений.

Следующим этапом предварительной обработки является формирование из этого массива сжатой обобщающей информации. Последняя представляется в виде расширенного вектора состояния НИСЗ с соответствующей ему корреляционной матрицей на момент траверзного положения НИСЗ. Цель этого решения — исключить погрешность определения начальных эфемерид и систематические погрешности измерительных средств. В процессе итерационной работы этой программы производится отбраковка аномальных измерений и определяется среднеквадратическая погрешность измерений, необходимая для получения корреляционной матрицы оценки вектора состояния НИСЗ. В конечном итоге оставшиеся после отбраковки хорошие наблюдения используются для составления нормальных уравнений для определения параметров вектора состояния НИСЗ и параметров смещений по одному сеансу измерений.

Дальнейшая обработка результатов измерений сводится к вычислительной процедуре взвешенных наименьших квадратов (см. § 3.2), в которой полученные раннее векторы состояний

НИСЗ рассматриваются как результаты модифицированных многопараметрических измерений, взятые с весами в соответствии с отвечающими им корреляционными матрицами. Предварительно устраняются смещения и определяется начальное приближение к траектории движения. Процедура строится в виде итерационных линейных уточнений. Частные производные, используемые при составлении нормального уравнения, фактически представляют матрицу перехода вектора состояния спутника и применяются для линейного их пересчета к одному моменту времени, на который уточняют параметры движения.

Использование линешкщ процедуры оценивания важно для эффективной работы всей программы, поскольку программа избегает, где это возможно, дорогостоящей операции повторного интегрирования траекторий спутников.

Завершающая программа, моделирующая траекторию движения, вычисляет координаты положения и скорости НИСЗ на моменты измерений, необходимые для получения расчетных значений измеряемых параметров. Одновременно вычисляются и частные производные, необходимые для формирования матриц перехода состояний и нормальных уравнений. Первые получают численным интегрированием уравнений движения с заданными начальными условиями, а вторые — интегрированием уравнений в вариациях. Узлы интегрирования используются для интерполяции на моменты измерений.

Эфемеридную информацию, передаваемую с НИСЗ, можно представлять в различной форме в зависимости от выбранного алгоритма прогнозирования движения НИСЗ на борту П. Для этого можно использовать прямоугольные координаты и скорости в гринвичской системе координат, либо кеплеровские элементы орбиты, либо то и другое вместе. Для упрощения алгоритма прогнозирования в состав эфемеридной информации может включаться некоторое избыточное ее количество (сверх минимально необходимого объема): значения производных в дополнительные моменты времени, либо дополнительные поправки к оскулирующим элементам. Выбор формы представления эфемеридной информации будет обсуждаться в § 10.2. Рассмотрим результаты выбора для системы «Навстар» состава оперативной эфемеридной информации, передаваемой в кадре навигационного сигнала.

На момент времени представления эфемерид сообщаются 6 кеплеровских элементов орбиты: средняя аномалия эксцентриситет корень квадратный из большой полуоси орбиты долгота восходящего узла наклонение орбиты аргумент перигея Кроме того, передаются коэффициенты вековых уходов: возмущенное значение среднего движения и скорости ухода восходящего узла орбиты и ее наклонения Наконец, передаются амплитуды синусной и косинусной гармоник удвоенной невозмущенной частоты обращения, которыми аппроксимируются

три составляющие возмущения относительно невозмущенной орбиты: вдоль орбиты по геоцентрическому радиусу по боковому уклонению

Приведенных значений параметров эфемеридной информации оказывается достаточно, чтобы выполнить краткосрочный прогноз с погрешностью в несколько единиц метров в интервале серединой которого служит момент на который рассчитаны эфемериды.

Альманах — эфемеридная информация для расчета поисковых эфемерид ввиду пониженных требований к точности прогноза — включает шесть кеплеровских элементов, перечисленных выше на некоторую эпоху и как наибольшее из возмущений, подлежащих учету.