2.1.2 Подсистема контроля и управления ГЛОНАСС

Подсистема контроля и управления (НКУ) ГЛОНАСС включает в себя ряд взаимосвязанных элементов, важнейшими из которых являются:

- центр управления системой (ЦУС);

- центральный синхронизатор (ЦС); I

- контрольные станции (КС).

НКУ решает следующие основные задачи.

1. Проводит траекторные измерения для контроля, уточнения и прогнозирования параметров орбит (эфемерид) НКА.

2. Выполняет временные измерения для определения и прогноза отклонений БІІІВ, формируемых синхронизаторами всех НКА, относительно общесистемной шкалы времени (СШВ), формируемой ЦС.

3. Формирует массив служебной информации, содержащий прогноз эфемерид, поправки к бортовой шкале времени НКА, альманах и другие данные.

4. Обеспечивает передачу («закладку») этих данных в бортовой компьютер НКА для включения в навигационное сообщение, передаваемое потребителю, а также для коррекции БШВ (их синхронизации с СШВ).

5. Ведет радиотелеметрический контроль, диагностику и прогноз состояния бортовой аппаратуры НКА.

6. Выполняет мониторинг качества радионавигационных сигналов излучаемых НКА, с целью выявления возможных неисправностей и отклонений в работе бортовой аппаратуры; контролирует сдвиг фазы дальномерного сигнала НКА относительно фазы сигнала ЦС.

7. Осуществляет планирование, программное и командное управление полетом НКА и функционированием бортовых систем.

8. Планирует работу всех элементов НКУ, обработку и обмен данными между его элементами.

Далее рассмотрим основные функции, выполняемые составными частями НКУ.

Центр управления системой (ЦУС), соединенный каналами связи различных типов со всеми элементами НКУ, осуществляет планирование и координацию всех используемых в его работе средств. В том числе, НКУ на основе полученных данных прогноза эфемерид и частотно-временных поправок с помощью баллистического центра проводит расчет пространственно-временных характеристик группировки НКА. При этом используются данные системы единого времени, системы определения параметров вращения Земли, систем мониторинга гелио- и геофизической обстановки. Необходимо отметить, что требования к точности контроля параметров орбиты и синхронизации шкалы времени, которые должен обеспечить НКУ ГНСС, существенно выше, чем в любой другой области космонавтики, поскольку погрешности в этих параметрах непосредственно определяют итоговые погрешности координат. Погрешности определения и прогноза параметров орбиты не должны превышать 10 - 15 м, поэтому при расчетах необходимо учитывать такие факторы, как световое давление на НКА, влияние релятивистские; эффектов на гравитационное поле Земли, неравномерность вращения Земли и ее полюсов, а также наличие реактивных сил, связанных с азоотделением материалов покрытия НКА (в большинстве других приложений считается, что влияние этих факторов имеет второй порядок малости). По результатам многолетних наблюдений при наименее благоприятных условиях средняя квадратическая погрешность эфемеридных данных составляет по высоте 5 м. (СКО), вдоль орбиты 20 м (СКО), по нормали к плоскости орбиты 10 м (СКО). При благоприятных условиях погрешности по высоте и вдоль орбиты приблизительно в 2 раза меньше.

Центральный синхронизатор использует цезиевые бортовые независимые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 1*10-13, водородные наземные стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 1*10-14, а также наземные средства сличения шкал с погрешностью 3-5 нс. Эти требования обусловлены тем, что для ГНСС, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам необходима синхронизация бортовой шкалы времени и шкалы времени центрального синхронизатора с точностью до единиц наносекунд, поскольку рассинхронизации в 10нс соответствует! погрешность местоопределения порядка 10 - 15 м. Шкала времени центрального синхронизатора (СШВ) «привязана» к национальной шкале времени России UTC (SU) [5, 12].

Контрольные станции (КС) осуществляют траекторные и временные измерения, необходимые для формирования эфемеридной информации и оценки расхождений БШВ относительно СШВ, а также ведут прием телеметрической информации и передачу («закладку») информации на борт НКА. Отличие сети КС ГЛОНАСС от GPS состоит в том, что ее структура полностью обеспечивает функционирование системы с национальной территории. КС распределены по всей территории России (Рисунок 5), кроме того, на основе соответствующих договоренностей, могут использоваться КС, расположенные на территории СНГ Размещение сети КС обеспечивает проведение в течение суток по каждому спутнику 10-12 сеансов измерений; объем данных, получаемых в одном сеансе, составляет примерно 1 Кбайт. В стандартном режиме закладка на НКА высокоточных эфемерид и временных поправок производится 1 раз в сутки, хотя имеющаяся сеть КС позволяет делать это 2 раза в сутки. Сеть КС обладает достаточной избыточностью, поэтому выход из строя одной станции не приводит к ухудшению параметров системы. В наихудшем случае работоспособность системы ГНСС ГЛОНАСС может обеспечить ЦУС совместно с всего одной КС, однако при это интенсивность работы КС будет близка к предельно допустимой. При планировании работ на сутки определяются основные и резервные станции, при этом аппаратура всех станций имеет тройное резервирование (рабочий комплект, резервный комплект, комплект для регламентных и профилактических работ).

Рисунок 5 Расположение контрольных станций на территории России

Для периодической юстировки радиотехнических КС используются квантово-оптические станции (КОС) и лазерные дальномеры; для этого на НКА размещаются специальные оптические отражатели. Всего используется около 20 таких комплексов трех видов: лазерная дальномерная система «Гео-ИК», КОС «Эталон» и КОС «Майданак» (Узбекистан).

Еще одной составной частью контрольных станций ГЛОНАСС является аппаратура контроля поля (АКП) - высокоточная аппаратура потребителя, располагаемая в точках с эталонными координатами и оснащенная высокоточным эталоном времени. Аппаратура обеспечивает контроль точности решения навигационной задачи и качества информации, содержащихся в навигационных сообщениях НКА.

Режим контроля точности предусматривает решение навигационной задачи по каждому оптимальному созвездию спутников и сравнение результатов с эталонными координатами. В случае, если точность решения задачи не соответствует расчетной, могут приниматься следующие меры:

- передача на борт НКА команды о включении в кадр навигационной информации (НИ) признака непригодности сигнала НКА для проведения НВО;

- поиск причины аномальной работы с использованием телеметрической информации;

- пересчет и перезакладка на борт уточненной навигационной информации (прогноза эфемерид, часов и др.).

Режим контроля навигационного сообщения предусматривает сравнение измеренных значений псевдодальностей и псевдоскоростей со значениями, рассчитанными на основании прогнозов, содержащихся в НС по всем НКА, находящимся в зоне радиовидимости АКП. Одновременно контролируется отсутствие в НС сигнала запроса, формируемого бортовым компьютером в случае нештатной ситуации, выявленной в режиме самотестирования. Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС подтверждает, что перечисленных мер достаточно для поддержания расчетных характеристик навигационного поля.