А.В. Сальцберг1, К.Г. Шупен2

1,2 АО «Российский институт радионавигации и времени» (Санкт-Петербург, Россия)

Постановка проблемы. Одним из основных факторов, определяющих достижимую точность глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), является погрешность прогнозирования частотно-временных поправок (ЧВП) к бортовой шкале времени (БШВ) навигационного космического аппарата (НКА). Интегральной оценкой качества предоставляемых ГНСС услуг является эквивалентная погрешность дальности (ЭПД) потребителя за счет космического сегмента, учитывающая суммарный вклад погрешностей эфемерид навигационного космического аппарата (НКА) и частотно-временных поправок (ЧВП) к бортовой шкале времени (БШВ) НКА в бюджет ошибок навигационно-временных определений пользователя. Следовательно, для повышения точности навигационно-временных определений потребителя необходимо уменьшать погрешность прогнозирования ЧВП к БШВ НКА. Наиболее перспективным направлением повышения точности прогнозирования является детальный учет характеристик стохастических процессов, лежащих в основе формирования шкалы времени по сигналам высокостабильных квантовых стандартов частоты (КСЧ).

Цель. Проанализировать возможность применения результатов наземных испытаний и эксплуатации конкретного КСЧ для уточнения математической модели ухода БШВ НКА и подстройки алгоритма ее прогнозирования, а также для изучения влияния условий эксплуатации на характеристики бортовых КСЧ и, следовательно, повышения точности координатно-временного и навигационного обеспечения ГНСС в целом.

Результаты. Рассмотрена возможность создания цифровых двойников КСЧ как один из подходов к повышению точности целевых характеристик ГНСС. Предложена схема научно-экспериментального комплекса наземной отработки и мониторинга состояния бортовых КСЧ, обеспечивающего сбор статистической и аналитической информации на этапах создания, наземных испытаний и функционирования бортовых КСЧ в составе НКА. Представлена модель, включающая влияние внешних факторов и условий эксплуатации бортовых КСЧ на поведение формируемой по их сигналам шкалы времени.

Практическая значимость. Имитационные модели, полученные на основе предложенного подхода, могут использоваться как источники исходных данных для оптимизации алгоритмов прогнозирования ухода БШВ НКА и уточнения математических моделей, учитывающих индивидуальные особенности конкретного квантового стандарта частоты.

Сальцберг А.В., Шупен К.Г. Оптимизация математических моделей ухода бортовой шкалы времени навигационных космических аппаратов // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 3. С. 98−108. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202303-10

1. Интерфейсный контрольный документ. Система высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП). Редакция 3.0. М. 2011. 93 c.
2. Богданов П.П., Дружин В.Е., Нечаева О.Е., Тюляков А.Е., Феоктистов А.Ю., Шупен К.Г. Основные направления повышения точности частотно-временного обеспечения ГНСС ГЛОНАСС // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. № 6. С. 38-41.
3. Сакулин Е.А. Перспективы развития эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС // i-methods. 2014. Т. 6. № 2. С. 12-14.
4. Сальцберг А.В., Шупен К.Г. Пути улучшения среднесрочного прогноза частотно-временных поправок к бортовым шкалам времени ГНСС // Сб. статей «Радионавигационные технологии». Вып. 9 / Под ред. А.И. Перова. М.: Радиотехника. 2020. С. 83-91.
5. Xie X., Geng T., Zhao Q., Lv Y., Cai H., Liu J. Orbit and clock analysis of BDS-3 satellites using inter-satellite link observations // Journal of Geodesy. 2020. V. 94(7). 18 p.
6. Петров А.В. Имитация как основа технологии цифровых двойников // Вестник ИрГТУ. 2018. Т. 22. № 10. С. 56-66.
7. Grieves M. Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication // White paper. 2014. V. 1. P. 1-7.
8. Созинов П.А., Андреев Г.И., Мушков А.Ю. и др. Цифровые двойники. Монография / Под ред. П.А. Созинова. М.: Радиотехника. 2022. 311 с.
9. Lynch T.J., Riley W.J., Vaccaro J.R. The Testing of Rubidium Frequency Standards // Proceedings of the 43rd Annual Symposium on Frequency Control. 1989. Р. 257-262.
10. Сальцберг А.В. Особенности обработки частотно-временной информации из различных центров координатно-временного и навигационного обеспечения // Труды СЗРЦ Концерна ВКО «Алмаз – Антей» «Радионавигация и время». 2021. № 8(16). С. 117-127.
11. Сальцберг А.В., Шупен К.Г., Феоктистов А.Ю. Оценка состояния бортовых стандартов частоты глобальных навигационных спутниковых систем в процессе эксплуатации // Радиотехника. 2022 Т. 86, № 11, С. 152-161. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j00338486-202211-22.
12. Информационно-аналитический центр координатно-временного и навигационного обеспечения (ИАЦ КВНО) ФГУП ЦНИИмаш. Прикладной потребительский центр. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.glonass-iac.ru/ (дата обращения: 27.08.2022).
13. Система высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП). Филиал «Прецизионного навигационно-баллистического обеспечения» АО «НПК «СПП» [Электронный ресурс]. – URL: http://www.glonass-svoevp.ru/ (дата обращения: 25.08.2022).
14. Сальцберг А.В., Тимошенкова Е.В., Шупен К.Г. Влияние космической среды на ход бортовых часов // Труды Института прикладной астрономии РАН. 2020. Вып. 52. С. 51-56.
15. Riley W.J. Handbook of Frequency Stability Analysis // NIST Special Publication 1065. Washington: U.S. Government Printing office. 2018. 136 p.
16. Стандарт эксплуатационных характеристик открытого сервиса (СТЭХОС). Редакция 2.2 (6.2019). Королев. 2019. 59 с.
17. Аllan D.W. Time and Frequency (Time-Domain) Characterization, Estimation, and Prediction of Precision Clocks and Oscillators // IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1987. V. UFFC–34. № 6. P. 647-654.
18. Tryon P.V., Jones R.K. Estimation of Parameters in Models for Cesium Beam Atomic Clocks // Journal of Research of the National Bureau of Standards. 1983. V. 88. № 1. P. 17-24.
19. Лозов Р.К., Ермак С.В., Семенов В.В., Ермак О.В. Моделирование влияния геомагнитного поля на точность атомных часов бортовой аппаратуры систем спутниковой навигации // Радиотехника. 2019. Т.83. № 12. С. 32-37. DOI: 10.18127/j00338486-201912(20)-05.
20. Ермак С.В., Семенов В.В., Ермак О.В. Исследование возможности подавления влияния изменений внешнего магнитного поля на относительные частотные флуктуации двух рубидиевых атомных часов // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 12. С. 129-138. DOI: 10.18127/j00338486-202112-11.
21. Davis J., Greenhall C.A., Stacey P.W. A Kalman filter clock algorithm for use in the presence of flicker frequency modulation noise // Metrologia. 2005. V. 42(1). P. 1-10.
22. Kouba J. Relativistic Time Transformations in GPS // GPS Solutions. 2002. V. 5. № 4. P. 1-9.
23. Нечаева О.Е., Шупен К.Г. Учет влияния релятивистских и гравитационных эффектов при формировании и синхронизации времени в системе ГЛОНАСС // Радиофизика. Прикладные вопросы радиофизики: Учеб. пособие. Ч. 2 / Под общ. ред. А.Г. Сайбеля. СПб: Балтийская печать. 2019. С. 183-190.