Способ оценки эксплуатационных характеристик услуги абсолютной навигации системы ГЛОНАСС Российский патент 2020 года по МПК G01S19/08 

Изобретение относится к глобальным навигационным спутниковым системам (ГНСС), а именно к системе ГЛОНАСС.

Изобретение может быть использовано провайдером услуг ГНСС для задачи сертификации услуги абсолютной навигации и провайдерами услуг потребительских систем на основе ГНСС (систем второго уровня) для предварительной сертификации услуг потребительских систем и соответствует требованиям международных организаций к характеристикам и методикам расчета характеристик для ГНСС (Международная организация гражданской авиации - International Civil Aviation Administration - ICAO, Международный комитет по ГНСС при ООН - International Committee on GNSS - UN ICG).

Из уровня техники известен ряд стандартов эксплуатационных характеристик, определяющих значения эксплуатационных характеристик услуги абсолютной навигации, зарубежных систем (американской GPS - GPS Standard Positioning Service (SPS) Performance Standard, европейской Galileo -Galileo Open Service Definition Document и китайской BDS - BDS Open Service Performance Standard).

Однако в данных стандартах наличествуют лишь определения характеристик и их значения и в общем случае отсутствуют формализованные методики расчета (либо присутствуют разнородные, не позволяющие проводить реальный сравнительный анализ и оценки).

Недостатками стандартов при их использовании для задачи оценки эксплуатационных характеристик таким образом служит отсутствие возможности проведения достоверных оценок, отсутствие реальных возможностей проведения сравнительного анализа эксплуатационных характеристик различных ГНСС или характеристик одной системы ГНСС из-за отсутствия или разнородности применяемых методик.

В целом, это приводит к значительному снижению достоверности результатов оценки, что как следствие приводит к невозможности их использования для задачи сертификации.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности результатов оценки характеристик услуги абсолютной навигации.

Технический результат достигается тем, что способ оценки характеристик услуги абсолютной навигации заключается в том, что используют значения эфемерид, апостериорных и штатных данных по шкале времени, полученных от глобальной сети станций сбора измерений, после обработки навигационного радиосигнала глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) - исходных данных, хранящихся в аппаратно-программном комплексе оценки характеристик услуги абсолютной навигации (АПКОХУАН, см. Фиг. 26), используемых для расчета точности CSA SIS URE, точности CSA SIS URRE, точности CSA SIS URAE, точности CSA SIS UTCOE, вероятности основного отказа обслуживания (Probability of CSA Major Service Failure), непрерывности CSA SIS (CSA SIS Continuity), доступности орбитальной точки CSA SIS (CSA SIS Per-slot Availability), доступности орбитальной группировки (ОГ) CSA SIS (CSA SIS Constellation Availability), доступности навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability), как средняя по поверхности и минимальная по поверхности, точности местоопределения CSA (CSA Positioning error), доступности CSA (CSA Service Availability), точности передачи времени CSA (CSA Time transfer accuracy);

при этом исходные данные из СХД АПКОХУАН направляют в блок расчета точности передачи времени АПКОХУАН (Фиг. 26, п. 6), в котором производят оценку точности CSA SIS UTCOE (точность передачи поправок разницы системной шкалы времени и используемой национальной шкалы), точности передачи системной шкалы времени, и на их основе оценивают точность передачи времени CSA Time transfer accuracy (погрешность передачи национальной шкалы времени), передают в СХД,

исходные данные из СХД АПКОХУАН направляют в блок оценки точности CSA SIS URE; URRE; URRAE АПКОХУАН (Фиг. 26, п. 4), в котором производят оценку точности CSA SIS URE, рассчитывают глобальную среднюю точность CSA SIS URE по каждому НКА и средней по ОГ и точность CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА, и передают в СХД,

с использованием блока оценки точности CSA SIS URE; URRE; URRAE АПКОХУАН (Фиг. 26, п. 4) и на основании расчета глобальной средней точности CSA SIS URE по каждому НКА и средней по ОГ рассчитывают точность CSA SIS URRE и точность CSA SIS URAE и направляют в СХД,

исходные данные из СХД АПКОХУАН направляют в блок оценки доступности АПКОХУАН (Фиг. 26, п. 5), в котором производят расчет доступности орбитальной точки CSA SIS (CSA SIS Per-slot Availability) и доступности ОГ CSA SIS (CSA SIS Constellation Availability), на основании которых в блоке оценки доступности АПКОХУАН на основании расчетов CSA SIS Per-slot Availability и CSA SIS Constellation Availability определяют доступность необходимого количества пригодных для функционирования системы НКА, на ее основе которых рассчитывают доступность навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability), как средняя по поверхности и минимальная по поверхности, и непрерывность CSA SIS (CSA SIS Continuity), и передают в СХД,

расчеты точности CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА из СХД АПКОХУАН направляют в блок оценки вероятности основного отказа АПКОХУАН (Фиг. 26, п. 3), в котором производят расчет вероятность основного отказа обслуживания (Probability of CSA Major Service Failure), и передают в СХД,

точность местоопределения CSA (CSA Positioning error - как глобальную среднюю и максимальную по поверхности, в виде составляющих - горизонтальной и вертикальной - VPA и HPA) и доступность CSA (CSA Service Availability - как среднюю и максимальную по поверхности, также в виде составляющих - горизонтальной и вертикальной - Vertical Service Availability и Horizontal Service Availability) рассчитывают на основании данных точности глобальной средней точности CSA SIS URE, точности CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА и доступности навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability), как средней по поверхности и минимальной по поверхности, полученных из СХД АПКОХУАН и переданных в блок расчета точности местоопределения и доступности CSA АПКОХУАН (Фиг. 26, п. 7),

полученные результаты расчетов эксплуатационных характеристик сравнивают со значениями, заданными в Стандартах эксплуатационных характеристиках (Performance Standards).

На основе полученных оценок глобальной средней точности CSA SIS URE рассчитывают глобальную среднюю надежность системы, как вероятность непревышения CSA SIS URE заданных пределов.

На основании расчета точности CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА рассчитывают глобальную среднюю надежность, как вероятность непревышения CSA SIS URE в наихудшей точке заданных пределов.

Точность местоопределения CSA (CSA Positioning error) включает в себя следующие составляющие: точность вертикального местоопределения глобальная средняя; точность вертикального местоопределения максимальная по поверхности; точность горизонтального местоопределения глобальная средняя; точность горизонтального местоопределения максимальная по поверхности.

Доступность CSA (CSA Service Availability) включает в себя следующие составляющие: доступности сервиса местоопределения вертикальная средняя; доступности сервиса местоопределения вертикальная минимальная по поверхности; доступности сервиса местоопределения горизонтальная средняя; доступности сервиса местоопределения горизонтальная минимальная по поверхности.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:

Фиг. 1 - Общая схема методики получения сертификата на систему ГЛОНАСС;

Фиг. 2 - Общая структура системы сертификации ГЛОНАСС на текущем этапе исследований;

Фиг. 3 - Основные характеристики, используемые в СТЭХОС ГЛОНАСС;

Фиг. 4 - Варианты определения погрешности псевдодальности;

Фиг. 5 - Результаты оценки 95%-ной глобальной средней погрешности псевдодальности за счет космического сегмента (95% Global Average SIS URE) по каждому НКА на 30-суточном интервале;

Фиг. 6 - Результаты оценки 95%-ной глобальной средней погрешности псевдодальности за счет космического сегмента (95% Global Average SIS URE) по всем ОГ на суточном интервале;

Фиг. 7 - Результаты оценки глобальной средней надежности по каждому НКА на годовом интервале с посуточным осреднением;

Фиг. 8 - Результаты оценки надежности в наихудшей точке по каждому НКА на годовом интервале с посуточным осреднением;

Фиг. 9 - Результаты оценки 95%-ной глобальной средней скорости изменения погрешности псевдодальности за счет космического сегмента (95% Global Average SIS URRE) по каждому НКА на 23-суточном интервале;

Фиг. 10 - Результаты оценки 95%-ного глобального среднего ускорения изменения погрешности псевдодальности за счет космического сегмента (95% Global Average SIS URAE) по каждому НКА на 23-суточном интервале;

Фиг. 11 - Результаты оценки 95%-ной погрешности передачи смещения UTC(SU)-ШВС (95% Global Average UTCOE) в среднем по ОГ на суточном интервале;

Фиг. 12 - Результаты оценки вероятности основного отказа за счет единичных независимых сбоев;

Фиг. 13 - Результаты оценки непрерывности сигнала в пространстве в течение часа, усредненная по ОГ на годовом интервале, при отсутствии предварительного оповещения;

Фиг. 14 - Результаты оценки доступности орбитальной точки, усредненная по ОГ на годовом интервале;

Фиг. 15 - Результаты оценки доступности ОГ на годовом интервале;

Фиг. 16 - Результаты оценки глобальной и наихудшей локальной доступности навигационного поля на суточном интервале;

Фиг. 17 - Результаты оценки средней (СКП) и максимальной по поверхности суточной горизонтальной погрешности местоопределения при PDOP≤6;

Фиг. 18 - Результаты оценки средней (СКП) и максимальной по поверхности суточной вертикальной погрешности местоопределения при PDOP≤6;

Фиг. 19 - Результаты оценки глобальной средней доступности сервиса горизонтального местоопределения при пороговом уровне 12 м;

Фиг. 20 - Результаты оценки доступности в наихудшей точке сервиса горизонтального местоопределения при пороговом уровне 12 м;

Фиг. 21 - Результаты оценки глобальной средней доступности сервиса вертикального местоопределения при пороговом уровне 25 м;

Фиг. 22 - Результаты оценки доступности в наихудшей точке сервиса вертикального местоопределения при пороговом уровне 25 м;

Фиг. 23 - Результаты оценки средней по поверхности суточной погрешности передачи времени ШВС;

Фиг. 24 - Результаты оценки средней по поверхности суточной погрешности передачи времени UTC(SU);

Фиг. 25 - Систематические погрешности измерений по приемникам JAVAD, м.

Фиг. 26 - Блок-схема аппаратно-программного комплекса оценки характеристик услуги абсолютной навигации (АПКОХУАН), где:

1 - система связи и передачи данных (ССПД);

2 - система хранения данных (СХД);

3 - блок оценки вероятности основного отказа;

4 - блок оценки точности CSA SIS URE; URRE; URRAE;

5 - блок оценки доступности;

6 - блок расчета точности передачи времени;

7 - блок расчета точности местоопределения и доступности CSA.

Сертификация ГЛОНАСС (для отражения всех особенностей) может быть представлена как двухуровневый процесс:

- сертификация аппаратно-программных, технических средств (систем), входящих в состав системы ГЛОНАСС;

- сертификация услуг, предоставляемых системой ГЛОНАСС.

Аппаратно-программные, технические средства (системы), подлежащие сертификации определяются на основе схемы деления ГЛОНАСС как составные части (СЧ) системы ГЛОНАСС.

К аппаратно-программным, техническим средствам (системам), входящим в состав системы ГЛОНАСС, подлежащим сертификации, относятся:

- космический ракетный комплекс (КРК), то есть средства выведения;

- наземный сегмент космического комплекса (НС КК), то есть наземный комплекс управления;

- подсистема навигационных космических аппаратов (НКА);

- комплекс средств фундаментального и метрологического обеспечения (КСФО) системы ГЛОНАСС;

- комплекс аппаратуры спутниковой навигации (КАСН), используемой для государственных нужд (государственного назначения);

- функциональные дополнения (ФД) системы ГЛОНАСС, в том числе глобальные ФД (глобальная система высокоточного определения навигационной и эфемеридно-временной информации - СВО ЭВИ), широкозонные ФД (системы дифференциальных коррекций и мониторинга - СДКМ-КФД) и локальные ФД (Ground-based Augmentation System - GBAS).

К услугам, предоставляемым системой ГЛОНАСС, подлежащим сертификации, относятся:

- услуга абсолютной навигации, т.е. услуга предоставления радионавигационного поля (РНП) системы ГЛОНАСС, формируемого радиосигналами навигационных спутников и определяемая основными эксплуатационными характеристиками (характеристиками Signal-in-Space - сигнала в пространстве);

- услуга дифференциальной навигации, т.е. услуга предоставления дифференциальных поправок системы широкозонного функционального дополнения (СДКМ-КФД) к сигналам ГЛОНАСС;

- услуга абсолютной высокоточной навигации, т.е. услуга предоставления поправок системы высокоточной навигации (СВО ЭВИ) к сигналам ГЛОНАСС;

- услуга относительной навигации, т.е. услуга предоставления поправок к сигналам ГЛОНАСС относительно базовой станции (станций).

Методику получения итогового сертификата на систему ГЛОНАСС можно представить в виде, приведенном на фиг. 1.

В общем случае для получения итогового общего сертификата на систему ГЛОНАСС, который будет выдаваться непосредственно органом по сертификации (ОС) системы ГЛОНАСС, необходимо собрать:

- набор сертификатов, актов и протоколов испытаний, технических заданий (ТЗ), тактико-технических заданий (ТТЗ), тактико-технических требований (ТТТ), актов о вводе в эксплуатацию и других документов на аппаратно-программные и технические средства (системы);

- набор актов и протоколов испытаний на услуги ГЛОНАСС и результаты экспертизы (заключения).

В набор доказательной документации для сертификации аппаратно-программных и технических средств (систем) (учитывая два этапа создания системы) входят сертификаты, акты и протоколы испытаний, ТЗ, ТТЗ, ТТТ, акты о вводе в эксплуатацию и другие документы на:

- средства наземного сегмента космического комплекса (НС КК);

- НКА (для НКА «Глонасс-М», «Глонасс-К1» и перспективного «Глонасс-К2»);

- космический ракетный комплекс (КРК), то есть средства выведения;

- технические средства и услуги комплекса функциональных дополнений (КФД);

- комплекс аппаратуры спутниковой навигации (КАСН) государственного назначения (ГН);

- комплекс средств фундаментального обеспечения (КСФО);

- комплектующие изделия межотраслевого применения (КИМП), электронная компонентная база (ЭКБ).

В набор доказательной документации для сертификации услуг ГЛОНАСС входят:

- результаты экспертизы (заключения);

- акты и протоколы испытаний услуги абсолютной навигации (эксплуатационных характеристик ГЛОНАСС);

- акты и протоколы испытаний услуги дифференциальной навигации (СДКМ-КФД);

- акты и протоколы испытаний услуги абсолютной высокоточной навигации (СВО ЭВИ);

- акты и протоколы испытаний услуги относительной навигации.

Общая структура системы сертификации ГЛОНАСС приведена на фиг. 2.

Основными структурными элементами системы сертификации системы ГЛОНАСС являются:

- координационно-информационный центр сертификации системы ГЛОНАСС (КИЦ СС ГЛОНАСС), координирующий работы по организации сертификации системы ГЛОНАСС и обеспечивающий информационное взаимодействие СЧ СС системы ГЛОНАСС;

- ОС системы ГЛОНАСС (ОС СС ГЛОНАСС), оформляющий итоговый сертификат на систему ГЛОНАСС;

- Совет системы сертификации ГЛОНАСС (СОВ СС ГЛОНАСС), предназначенный для непосредственного методического и организационного руководства, а также управления СС системы ГЛОНАСС, который является коллегиальным совещательным органом;

- комплексы средств взаимодействия с существующими (и создаваемыми) средствами и системами сертификации или подтверждения соответствия характеристик (КСВ СС/СПСХ) СЧ ГЛОНАСС и услуг системы ГЛОНАСС;

- соответствующим образом аккредитованные ОС и ИЛ по проведению испытаний и сертификации СЧ системы ГЛОНАСС и услуг, предоставляемых системой ГЛОНАСС.

Данная структура отражает:

- общий замысел деления задачи сертификации на сертификацию аппаратно-программных и технических средств (СЧ системы ГЛОНАСС) и систем и сертификацию предоставляемых услуг;

- общую идеологию о типах сертификационных процедур (проведение полной сертификации (с созданием и аккредитацией ОС, ИЛ, проведением сертификационных испытаний, оформлением сертификатов на СЧ и услуги системы ГЛОНАСС) и организации взаимодействия с существующими (и создаваемыми) средствами и системами сертификации или подтверждения соответствия характеристик СЧ ГЛОНАСС и услуг системы ГЛОНАСС (в рамках ФСС КТ и других систем)).

ИЛ ЭХ должна проводить сбор исходных данных измерительных данных ГЛОНАСС с глобальной сети станций сбора измерений, их обработку, расчет на их основе и оценку эксплуатационных характеристик (для сигнала в пространстве (англ. Signal-in-space - SIS) канала стандартной точности системы ГЛОНАСС) услуги абсолютной навигации, для чего на ней предполагается размещение АПКОХУАН (смотреть Фиг. 26).

Для сертификации услуги абсолютной навигации ИЛ ЭХ должна проводить испытания с целью оценки соответствия характеристик услуги требованиям Стандарта эксплуатационных характеристик услуг открытого доступа системы ГЛОНАСС (СТЭХОС ГЛОНАСС), включающий 23 характеристики, представленные на фиг. 3.

Для расчета данных характеристик ИЛ ЭХ должны обеспечивать сбор и обработку измерительных данных ГЛОНАСС с глобальной сети станций сбора измерений (с кратностью покрытия земного шара не менее 2х).

Далее будут рассмотрены методы расчета эксплуатационных характеристик, исчерпывающе описывающих услугу абсолютной навигации.

1. Методики расчета характеристики точность CSA SIS

Значения характеристики точность CSA SIS системы ГЛОНАСС являются одной из основных составляющих ЭПД.

Существует четыре основные составляющие эксплуатационной характеристики точности СВП:

- точность определения дальности (погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - CSA SIS URE);

- первая производная по времени от точности определения дальности (скорость изменения погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - CSA SIS URRE);

- вторая производная по времени от точности определения дальности (ускорение изменения погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - CSA SIS URAE);

- точность передачи смещения UTC(SU)-ШВС (CSA SIS UTCOE).

Значения для каждой из четырех основных составляющих точности СВП определяются в терминах «глобального среднего». В этом случае «глобальное среднее» означает мгновенное среднеквадратическое значение, вычисленное на конкретный момент времени по части поверхности Земли, ограниченной зоной действия одного НКА. Затем по совокупности мгновенных «глобальных средних» значений рассчитывается статистическая характеристика на заданном временном интервале. Большая часть значений эксплуатационных характеристик КСТ ГЛОНАСС в этом разделе выражены в виде значений, соответствующих 95%-му уровню распределения глобальной средней SIS URE на интервале от 1 до 30 суток. 95%-ный уровень глобального среднего может рассчитываться отдельно по каждому НКА или по всей ОГ.

При оценке пороговых значений SIS URE с заданным уровнем надежности помимо глобальной средней используется оценка SIS URE в наихудшей точке, рассчитываемая как максимальная погрешность SIS URE, определенная на конкретный момент времени на заданном пространстве.

Значения точности СВП КСТ, определенные в данном разделе, применимы только для пригодных НКА.

1.1. Методика расчета характеристики точность определения дальности (погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - точность CSA SIS URE)

1.1.1. Методика расчета характеристики точность определения дальности (погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - точность CSA SIS URE) на основе перебора потребителей в зоне действия НКА

1) Получаем исходные данные для проведения расчетов. Исходными данными, необходимыми для проведения расчетов на АРМ потребителя являются апостериорные и штатные эфемериды, апостериорные и штатные данные по шкале времени, получаемые в результате сбора измерительных данных ГЛОНАСС с глобальной сети станций сбора измерений и их постобработки аппаратно-программными и техническими средствами ИАЦ КВНО (доступны на официальном портале glonass-center.ru по запросу)

2) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждого пригодного НКА определяется разность апостериорных и штатных эфемерид (по радиусу, по бинормали, по нормали), и часов:

ΔR(SV_h,t), ΔB(SV_h,t), ΔN(SV_h,t), ΔT(SV_h,t),

где SV_h - НКА, пригодный по признакам в навигационном сообщении.

3) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА в каждой точке зоны действия ОГ (с постоянным шагом по долготе (1 градус) и переменным шагом по широте для обеспечения равенства площадей) определяются мгновенные погрешности псевдодальности URE(ϕ,λ,SV_h,t), для чего разность апостериорных и штатных эфемерид и часов проектируется на направление из точки на НКА.

4) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА определяется средняя (СКП) по его зоне действия мгновенная погрешность псевдодальности:

где N_SitesCov - широта, долгота, количество точек в зоне действия НКА.

5) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА определяется максимальная в его зоне действия мгновенная ошибка псевдодальности (Worst Case Single Point Average URE):

6) Для каждого пригодного НКА определяется значение, соответствующее 95%-ному уровню распределения URE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени (95% Global Average URE) на эргодическом интервале (30 суток): URE_{95%ergod_GlobalAverage}(SV_h).

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года. Скользящий интервал - интервал, величина которого больше шага смещения этого интервала при оценке характеристик.

7) Полученные значения характеристики выводятся в графическом и табличном виде на АРМ потребителя.

1.1.2. Методика расчета характеристики точность определения дальности (погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - точность CSA SIS URE) на основе погрешностей ЭВИ

1) Получаем исходные данные для проведения расчетов. Исходными данными, необходимыми для проведения расчетов на АРМ потребителя являются апостериорные и штатные эфемериды, апостериорные и штатные данные по шкале времени, получаемые в результате сбора измерительных данных ГЛОНАСС с глобальной сети станций сбора измерений и их постобработки аппаратно-программными и техническими средствами ИАЦ КВНО (доступны на официальном портале glonass-center.ru по запросу)

2) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждого пригодного НКА определяется разность апостериорных и штатных эфемерид (по радиусу, по бинормали, по нормали), и часов:

ΔR(SV_h,t), ΔB(SV_h,t), ΔN(SV_h,t), ΔT(SV_h,t),

где SV_h - НКА, пригодный по признакам в навигационном сообщении.

3) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА определяется средняя (СКП) по его зоне действия мгновенная погрешность псевдодальности (Global Average URE):

4) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА определяется максимальная в его зоне действия мгновенная ошибка псевдодальности (Worst Case Single Point Average URE):

mask=5°.

5) Для каждого пригодного НКА определяется значение, соответствующее 95%-ному уровню распределения URE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени (95% Global Average URE for any healthy SIS) на эргодическом интервале (30 суток):

URE_{95%ergod_GlobalAverage}(SV_h).

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года.

6) Определяется значение, соответствующее 95%-ному уровню распределения URE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени и всей ОГ (95% Global Average URE over all healthy SIS) на суточном интервале: URE_{95%day_GlobalAverage_costellation}.

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года.

7) Полученные значения характеристики выводятся в графическом и табличном виде на АРМ потребителя.

1.1.3. Методика расчета характеристики пороговой точности определения дальности (погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - точность CSA SIS URE)

1) Получаем исходные данные для проведения расчетов. Исходными данными, необходимыми для проведения расчетов на АРМ потребителя являются апостериорные и штатные эфемериды, апостериорные и штатные данные по шкале времени, получаемые в результате сбора измерительных данных ГЛОНАСС с глобальной сети станций сбора измерений и их постобработки аппаратно-программными и техническими средствами ИАЦ КВНО (доступны на официальном портале glonass-center.ru по запросу)

2) Для каждого пригодного НКА на годовом интервале с постоянным шагом (≤ 30 мин) определяется среднее (СКП) значение URE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени на суточном интервале:

3) Определяется значение, соответствующее 99,37%-ному уровню распределения суточных URE_{RMS_day_GlobalAverage}(SV_h) (99,37% Global Average URE) на годовом интервале: URE_{99.37%year_GlobalAverage}(SV_h).

4) Для каждого пригодного НКА на годовом интервале с постоянным шагом (≤ 30 мин) определяется среднее (СКП) значение URE_WorstCase(SV_h,t), по времени на суточном интервале:

5) Определяется значение, соответствующее 99,14%-ному уровню распределения суточных URE_{RMS_day_WorstCase}(SV_h) (99,14% Worst Case Single Point Average URE) на годовом интервале: URE_{99.14%_year_WorstCase}(SV_h).

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» годовом интервале в течение нескольких лет.

6) Полученные значения характеристики выводятся в графическом и табличном виде на АРМ потребителя.

1.1.4. Методика расчета характеристики надежность точности определения дальности (погрешность псевдодальности за счет космического сегмента - точность CSA SIS URE) (консервативный подход)

1) Получаем исходные данные для проведения расчетов. Исходными данными, необходимыми для проведения расчетов на АРМ потребителя являются апостериорные и штатные эфемериды, апостериорные и штатные данные по шкале времени, получаемые в результате сбора измерительных данных ГЛОНАСС с глобальной сети станций сбора измерений и их постобработки аппаратно-программными и техническими средствами ИАЦ КВНО (доступны на официальном портале glonass-center.ru по запросу)

2) Для каждого пригодного НКА на каждый момент времени t с постоянным шагом (≤ 10 мин) определяются мгновенные значения URE_{GlobalAverage}(SV_h,t) и URE_WorstCase(SV_h,t). Для каждого пригодного НКА на суточном интервале определяется суточная надежность, как вероятность непревышения мгновенными значениями URE_{GlobalAverage} (SV_h,t) и URE_WorstCase(SV_h,t) 18-метрового порога:

3) Из полученных значений суточной надежности для каждого пригодного НКА определяются средние на годовом интервале значения надежности (Global Average Reliability и Worst Case Single Point Reliability):

где N_tday - количество суточных интервалов.

4) Полученные значения характеристики выводятся в графическом и табличном виде на АРМ потребителя

Комментарии по формулам расчета Global Average и Worst Case Single Point Average SIS URE

Погрешность определения псевдодальности от НКА до потребителя за счет космического сегмента SIS URE включает ошибки частотно-временных поправок (ЧВП) и ошибки эфемерид.

При оценке Global Average SIS URE используется эмпирическая формула [Kamran Ghassemi and Steven С.Fisher: Performance projections of GPS IIF]:

где:

ΔR, ΔN, ΔB - погрешности эфемерид НКА, соответственно, по радиусу, вдоль орбиты и боковом направлении;

ΔТ - погрешность ЧВП НКА;

с - скорость света в вакууме;

α - угол между радиус-вектором КА и вектором дальности от КА до потребителя.

При оценках обычно используется конкретное значение величины Sin² α, равное 0.0225, что соответствует углу α ~ 9°. Расчеты, проведенные для оценки среднего значения величины α, для ГЛОНАСС и GPS при углах места 5 и 15 градусов, показывают, что α лежит в интервале от 10 до 12 градусов. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Для оценки Worst Case Single Point Average SIS URE используется методика, предложенная Стэнфордским университетом для оценки отказов навигационных спутниковых систем (Liang, 2012). Уточненная формула для расчета Worst Case Single Point Average SIS URE имеет вид:

mask = 5°.

Фиг. 4 иллюстрирует различные варианты определения погрешности псевдодальности.

1.2. Методика расчета точности CSA SIS URRE

1.2.1. Методика расчета точности CSA SIS URRE на основе перебора потребителей в зоне действия НКА

1) На каждый момент времени с постоянным шагом (3 с) для каждого пригодного НКА в каждой точке его зоны действия определяются мгновенные скорости изменения URE:

2) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА определяется средняя (СКП) по его зоне действия мгновенная скорость изменения URE:

где N_SitesCov - широта, долгота, количество точек в зоне действия НКА.

3) Для каждого пригодного НКА определяется значение, соответствующее 95%-му уровню распределения URRE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени (95% Global Average URRE) на эргодическом интервале (1 сутки): URRE_{95%ergod_GlobalAverage}(SV_h).

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года.

1.2.2. Методика расчета точности CSA SIS URRE на основе выводов из короткопериодической нестабильности БСУ

1) На эргодическом интервале оценки (1 сутки) определяется значение вариации Аллана БСУ при минимально возможном интервале осреднения (k секунд) для каждого пригодного НКА в ОГ: σ_{БСУ_k_day}(SV_h).

2) Значение, соответствующее 95%-му уровню распределения URRE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени (95% Global Average URRE) на эргодическом интервале (1 сутки) может быть оценено, как вклад нестабильности БСУ на 3-секундном интервале в погрешность псевдодальности, отнесенный ко времени:

Примечания:

1) Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года;

2) При суточной нестабильности БСУ=1⋅10^-13 значение 95% global average URRE составляет 0,01 м/с.

1.3. Методика расчета точности CSA SIS URAE

1.3.1. Методика расчета точности CSA SIS URAE на основе перебора потребителей в зоне действия НКА

1) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА в каждой точке его зоны действия НКА определяются мгновенные скорости изменения URRE (ускорения изменения URE):

2) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА определяется средняя (СКП) по его зоне действия мгновенная скорость изменения URE:

где N_SitesCov - широта, долгота, количество точек в зоне действия НКА.

3) Для каждого пригодного НКА определяется значение, соответствующее 95%-ному уровню распределения URAE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени (95% Global Average URAE) на эргодическом интервале (1 сутки): URAE_{95%ergod_GlobalAverage}(SV_h).

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года.

1.3.2. Методика расчета точности CSA SIS URAE на основе выводов из короткопериодической нестабильности бортового синхронизирующего устройства

1) На эргодическом интервале оценки (1 сутки) определяется значение вариации Аллана бортовое синхронизирующее устройство (БСУ) при минимально возможном интервале осреднения (k секунд) для каждого пригодного НКА в ОГ: σ_{БСУ_k_day}(SV_h).

2) Значение, соответствующее 95%-му уровню распределения URAE_{GlobalAverage}(SV_h,t) по времени (95% Global Average URAE) на эргодическом интервале (1 сутки) может быть оценено, как вклад нестабильности БСУ на 3-секундном интервале в погрешность псевдодальности, отнесенный ко времени:

Примечания:

1) Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года;

2) При суточной нестабильности БСУ=1⋅10^-13 значение 95% global average URAE составляет 0,0033 м/с.

1.4. Методика расчета точности CSA SIS UTCOE

1) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждого пригодного НКА определяется погрешность поправки ШВС-UTC (SU), передаваемой в составе навигационного сообщения (UTCOE), как разница между передаваемой поправкой и значением ШВС-UTC (SU), полученным эталонными средствами: UTCOE(SV_h,t).

2) Для каждого пригодного НКА определяется значение, соответствующее 95%-му уровню распределения UTCOE(SV_h,t) по времени (95% Global Average UTCOE) на эргодическом интервале (30 суток): UTCOE_{95%ergod_GlobalAverage}(SV_h).

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» эргодическом интервале в течение года.

2. Методика расчета вероятности основного отказа обслуживания (Probability of CSA Major Service Failure)

1) Для каждого НКА на каждый момент времени t с постоянным шагом (S ≤ 10 мин) определяется его пригодность (Н_flag) по наличию отслеживаемого сигнала и признакам в навигационном сообщении:

Н_flag=0 (пригоден), если сигнал отслеживается, и C_n=1

Параметры B_n (l_n) и C_n описаны в ИКД ГЛОНАСС.

2) Для каждого пригодного НКА на каждый момент времени t определяются мгновенные значения URE_WorstCase(SV_h,t).

3) Для каждого пригодного НКА на каждый момент времени t определяется значение логической функции наличия на момент t основного отказа обслуживания

4) Для каждого пригодного НКА на момент времени t определяется значение логической функции наличия на момент t основного отказа обслуживания за счет единичных независимы отказов:

5) Для каждого пригодного НКА на момент времени t определяется значение логической функции наличия на момент t основного отказа обслуживания за счет системных отказов (одновременного отказа двух и более НКА):

6) Определяется среднее на годовом интервале значение вероятности отказа основного обслуживания за счет единичных независимых отказов (Probability of single major service failure) как отношение суммарной продолжительности единичных отказов за год к интервалу оценки и количеству НКА:

N_t - количество моментов оценки на годовом интервале;

N_SV - номинальное количество НКА в ОГ (для ГЛОНАСС - 24).

7) Определяется среднее на всем интервале доступных измерений значение вероятности отказа основного обслуживания за счет системных отказов (Probability of multiple major service failure) как отношение суммарной продолжительности системных отказов на всем интервале доступных измерений к интервалу оценки:

N_t - количество моментов оценки на всем интервале доступных измерений.

3. Методика расчета непрерывности CSA SIS (CSA SIS Continuity)

1) Для каждого НКА на каждый момент времени t с постоянным шагом (≤ 10 мин) определяется его пригодность (Н_flag) по наличию отслеживаемого сигнала и признакам в навигационном сообщении:

Н_flag=0 (пригоден), если сигнал отслеживается, и C_n=1.

Параметры B_n (l_n) и C_n описаны в ИКД ГЛОНАСС.

2) На момент времени t определяется наличие оповещения за 48 ч запланированном перерыве в работе НКА (NAGU_flag) по сообщениям NAGU:

NAGU_flag=1 (было своевременное оповещение).

3) Для каждого пригодного НКА на каждый момент времени t определяется значение логической функции непригодности НКА без предварительного оповещения:

4) Для каждого НКА на момент времени t_hour с постоянным шагом (≤ 1 ч) определяется значение логической функции потери непрерывности на часовом интервале (потеря пригодности НКА в течение часа при пригодности НКА в начале часа и отсутствия оповещения за 48 ч до потери пригодности):

5) Определяется среднее на годовом интервале значение непрерывности по всей ОГ (SIS Continuity) как отношение количества часовых интервалов без потери непрерывности к общему количеству часовых интервалов и количеству НКА:

где N_hours - количество часовых интервалов;

N_SV - номинальное количество НКА в ОГ (для ГЛОНАСС - 24).

4. Методики расчета доступности CSA SIS

4.1. Методика расчета доступности орбитальной точки CSA SIS (CSA SIS Per-slot Availability)

1) Для каждого НКА на каждый момент времени t с постоянным шагом (≤ 10 мин) определяется его пригодность (H_flag) по наличию отслеживаемого сигнала и признакам в навигационном сообщении:

H_flag=0 (пригоден), если сигнал отслеживается, и C_n=1.

Параметры B_n (1_n) и C_n описаны в ИКД ГЛОНАСС.

2) Определяется среднее на годовом интервале значение доступности орбитальной точки по всей ОГ (SIS Per-Slot Availability):

где N_t - количество моментов оценки;

N_SV - номинальное количество НКА в ОГ (для ГЛОНАСС - 24).

4.2. Методика расчета доступности ОГ CSA SIS (CSA SIS Constellation Availability)

1) Для каждого НКА на каждый момент времени t с постоянным шагом (≤ 10 мин) определяется его пригодность (H_flag) по наличию отслеживаемого сигнала и признакам в навигационном сообщении:

H_flag=0 (пригоден), если сигнал отслеживается, и C_n=1.

Параметры B_n (l_n) и C_n описаны в ИКД ГЛОНАСС.

2) На каждый момент времени t определяется число пригодных НКА в ОГ (N_{SV_H}):

3) На каждый момент времени t определяется значение логической функции отсутствия в ОГ 21 пригодного НКА:

4) Определяется среднее на годовом интервале значение доступности ОГ (Constellation Availability) как отношение количества моментов оценки с не менее чем 21 пригодным НКА в ОГ к общему количеству моментов оценки:

где N_t - количество моментов оценки.

5. Методики расчета характеристик местоопределения и определения времени CSA

5.1. Методика расчета доступности навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability)

1) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждой точки зоны действия ОГ (с постоянным шагом по долготе (1 градус) и переменным шагом по широте для обеспечения равенства площадей) определяется значение PDOP(t,ϕ,λ) по всем пригодным к использованию НКА на углах места больше 5 градусов.

2) Рассчитывается локальная доступность для каждой точки на суточном интервале как отношение числа моментов времени, где PDOP(t,ϕ,λ) не превышает 6, к общему числу моментов времени (N_t):

3) Из полученных для каждой точки значений суточной локальной доступности рассчитывается глобальная доступность (Global PDOP Availability):

4) Из полученных для каждой точки значений суточной локальной доступности выбирается наихудшее (наименьшее) значение (Worst Site PDOP Availability) суточной локальной доступности:

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить на годовом интервале последовательные значения глобальной суточной доступности с шагом 30 мин, т.е. каждым суткам номинально соответствует 48 значений, каждое из которых получено на предшествующем суточном интервале.

5.2. Методика расчета точности местоопределения CSA (CSA Positioning error)

1) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждого пригодного НКА определяется разность апостериорных и штатных эфемерид (по радиусу, по бинормали, по нормали) и часов:

ΔR(SV_h,t), ΔB(SV_h,t), ΔN(SV_h,t), ΔT(SV_h,t),

где SV_h - НКА, пригодный по признакам в навигационном сообщении.

2) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА на углах места больше 5 градусов в каждой точке зоны действия ОГ (с постоянным шагом по долготе (1 градус) и переменным шагом по широте для обеспечения равенства площадей) при условии PDOP<6 определяются мгновенные погрешности псевдодальности (URE(ϕ,λ,SV_h,t)), для чего разность апостериорных и штатных эфемерид, и часов проектируется на направление из точки на НКА. Т.е. для каждой точки на поверхности Земли определяются реальные наблюдаемые ошибки космического сегмента каждого НКА.

3) В результате решения параметрической навигационной задачи для каждой точки в каждый момент времени определяется вертикальная (VPE(ϕ,λ,t) - Vertical Position Error) и горизонтальная (HPE(ϕ,λ,t) - Horizontal Position Error) погрешности местоопределения.

4) Для каждой точки определяется значение, соответствующее 95%-ному уровню распределения HPE(ϕ,λ,t) по времени на суточном интервале:

HPE_95%day(ϕ,λ).

5) Для каждой точки определяется значение, соответствующее 95%-му уровню распределения VPE(ϕ,λ,t) по времени на суточном интервале: VPE_95%day(ϕ,λ).

6) Определяется среднее (СКП) по всем точкам поверхности значение 95%-ной суточной НРЕ (Global Average 95% Horizontal Position Error):

где N_sites - количество точек на поверхности.

7) Определяется среднее (СКП) по всем точкам поверхности значение 95%-ной суточной VPE (Global Average 95% Vertical Position Error):

где N_sites - количество точек на поверхности.

8) Определяется максимальное среди точек поверхности значение 95%-ной суточной НРЕ (Worst Site 95% Horizontal Position Error):

9) Определяется максимальное среди точек поверхности значение 95%-ной суточной VPE (Worst Site 95% Vertical Position Error):

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» суточном интервале в течение года.

5.3. Методика расчета доступности CSA (CSA Service Availability)

1) На каждый момент времени t_day с постоянным шагом (≤ 1 суток) определяется URE_{95%day_GlobalAverage_costellation} (см п. - 2.1.2).

2) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждой точки зоны действия ОГ (с постоянным шагом по долготе (1 градус) и переменным шагом по широте для обеспечения равенства площадей) определяются значения HDOP(t,ϕ,λ) и VDOP(t,ϕ,λ) по всем пригодным к использованию НКА на углах места больше 5.

3) Рассчитывается локальная доступность горизонтального местоопределения для каждой точки на суточном интервале как отношение числа моментов времени, где спрогнозированная путем перемножения URE_{95%day_GlobalAverage_costellation} и HDOP(t,ϕ,λ) погрешность местоопределения в горизонтальной плоскости не превышает 12 м, к общему числу моментов времени на суточном интервале [t_day-24 ч, t_day]:

где N_t - количество моментов оценки на суточном интервале.

4) Из полученных для каждой точки значений локальной доступности рассчитывается средняя по поверхности доступность горизонтального местоопределения (Horizontal Service Availability, average location):

где N_sites - количество точек на поверхности.

5) Из полученных для каждой точки значений локальной доступности выбирается наихудшее (наименьшее) среди точек поверхности значение локальной доступности горизонтального местоопределения (Horizontal Service Availability, worst-case location):

6) Рассчитывается локальная доступность вертикального местоопределения для каждой точки на суточном интервале как отношение числа моментов времени, где спрогнозированная путем перемножения URE_{95%day_GlobalAverage_costellation} и VDOP(t,ϕ,λ) погрешность местоопределения в вертикальной плоскости не превышает 25 м, к общему числу моментов времени на суточном интервале [t_day-24 ч, t_day].

7) Из полученных для каждой точки значений локальной доступности рассчитывается средняя по поверхности доступность вертикального местоопределения (Vertical Service Availability, average location):

где N_sites- количество точек на поверхности.

8) Из полученных для каждой точки значений локальной доступности выбирается наихудшее (наименьшее) среди точек поверхности значение локальной доступности вертикального местоопределения (Vertical Service Availability, worst-case location):

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» годовом интервале в течение нескольких лет.

5.4. Методика расчета точности передачи времени CSA (CSA Time transfer accuracy)

1) На каждый момент времени с постоянным шагом (≤ 10 мин) для каждого пригодного НКА определяется разность апостериорных и штатных эфемерид (по радиусу, по бинормали, по нормали), и часов:

ΔR(SV_h,t), ΔB(SV_h,t), ΔN(SV_h,t), ΔT(SV_h,t),

где SV_h - НКА, пригодный по признакам в навигационном сообщении.

2) На каждый момент времени для каждого пригодного НКА на углах места больше 5 градусов в каждой точке зоны действия ОГ (с постоянным шагом по долготе (1 градус) и переменным шагом по широте для обеспечения равенства площадей) при условии PDOP <6 определяются мгновенные погрешности псевдодальности (URE(ϕ,λ,SV_h,t)), для чего разность апостериорных и штатных эфемерид, и часов проектируется на направление из точки на НКА. Т.е. для каждой точки на поверхности Земли определяются реальные наблюдаемые ошибки космического сегмента каждого НКА.

3) В результате решения четырехпараметрической навигационной задачи для каждой точки в каждый момент времени определяется погрешность определения времени относительно системной шкалы времени ГЛОНАСС (UTE(ϕ,λ,t) - User Time Error).

4) Для каждой точки определяется значение, соответствующее 95%-ному уровню распределения HPE(ϕ,λ,t) по времени на суточном интервале: UTE_95%day(ϕ,λ).

5) Определяется среднее (СКП) по всем точкам поверхности значение 95%-ной суточной UTE:

где N_sites - количество точек на поверхности.

6) Для каждого пригодного НКА в каждый момент времени определяются 95%-ные суточные погрешности поправки ШВС-UTC (SU), передаваемой в составе навигационного сообщения (UTCOE_95%day(SV_h)).

Определяется среднее (СКП) по всем пригодным НКА значение 95%-ной суточной UTCOE:

7) Определяется среднее (СКП) по всем точкам поверхности значение 95%-ной суточной погрешности передачи времени (Global Average 95% Time Transfer Error):

Примечание: Для подтверждения характеристик целесообразно представить значения, полученные на «скользящем» суточном интервале в течение года.

Примеры использования предлагаемого изобретения приведены ниже. Примеры подтверждают исчерпывающее описание всех особенностей функционирования системы выбранным набором характеристик, возможность их расчета предложенными методиками и на основании доступных исходных данных с помощью аппаратно-программного комплекса и как следствие подтверждают возможность использования предлагаемого способа для задачи оценки характеристик услуги абсолютной навигации.

1. Оценка точности CSA SIS

1.1. Оценка точности CSA SIS URE

На фиг. 5 приведены оценки 95% Global Average SIS URE по каждому НКА на эргодическом интервале длительностью 30 суток. Шаг выборки внутри интервала - 10 мин. Шаг представления данных - сутки.

На фиг. 6 представлена оценка осредненных по ОГ характеристик SIS URE. В качестве статистической функции использован как 95%-ный порог. Шаг выборки внутри интервала - 10 мин. Шаг представления данных - 30 мин.

1.1.1. Оценка надежности CSA SIS URE

На фиг. 7 и 8 приведены оценки глобальной средней надежности (Global Average Reliability) и надежности в наихудшей точке (Worst Case Single Point Average Reliability). Характеристики рассчитывались на годовом интервале. Шаг выборки внутри интервала и шаг представления данных - 10 мин.

1.2. Оценка точности CSA SIS URRE

1.2.1. Оценка точности CSA SIS URRE на основе перебора потребителей в зоне покрытия НКА

Методика не применялась, так как нет распределенной сети эталонных приемников, исключающих все составляющие дополнительных погрешностей (включая систематики приемников и тропосферную задержку) на должном уровне.

1.2.2. Оценка точности CSA SIS URRE на основе грубого расчета точности CSA SIS URRE на основе приближенных выводов из короткопериодической нестабильности БСУ

На фиг. 9 приведена оценка 95%-го порога глобальной средней скорости изменения погрешности псевдодальности за счет космического сегмента (95% Global Average SIS URRE) по каждому НКА на 23-суточном интервале. Шаг выборки внутри интервала - 3 с, шаг представления данных - 1 сутки.

1.3. Оценка точности CSA SIS URAE

1.3.1. Оценка точности CSA SIS URAE на основе перебора потребителей в зоне покрытия НКА

Методика не применялась, так как нет распределенной сети эталонной НАП, исключающей все составляющие дополнительных погрешностей (включая систематики НАП и тропосферную задержку) на должном уровне.

1.3.2. Оценка точности CSA SIS URAE на основе приближенных выводов из короткопериодической нестабильности БСУ

На фиг. 10 приведена оценка 95%-го порога глобального среднего ускорения изменения погрешности псевдодальности за счет космического сегмента (95% Global Average SIS URAE) по каждому НКА на 23-суточном интервале. Шаг выборки внутри интервала - 3 с, шаг представления данных - 1 сутки.

Анализ фиг. 9 и 10 показывает, что значения SIS URRE и URAE, рассчитанные приблизительно из короткопериодической нестабильности БСУ, укладываются в заданные рамки, вычисленные исходя из суточной нестабильности БСУ 1⋅10^-13. Еще раз отметим, что предложенная методика позволяет определить значения характеристик в соответствии с достаточно грубым приближением, однако отсутствие технической возможности проводить глобально измерения с частотой 1 с и достаточной достоверностью при обработке большого массива измерений разнотипной НАП на настоящий момент не позволяет использовать более точную методику.

1.4. Оценка точности CSA SIS UTCOE

На фиг. 11 приведена оценка 95%-го порога погрешности передачи смещения UTC(SU)-ШВС (95% Global Average UTCOE) в навигационном сообщении ГЛОНАСС. Характеристика рассчитывалась на суточном интервале и приведена на наиболее показательном интервале с 01.08.2014 по 08.09.2014.

На текущий момент была оценена характеристика, несколько отличающаяся от указанной в методике и представляющая собой разность суточного математического ожидания смещения, определенного средствами физического сличения наземных эталонов, и как осредненного по ОГ суточного математического ожидания смещения, считанного из навигационного сообщения. Использования для первого приближения указанной характеристики обусловлено относительно низким для заданных порогов значением СКО, составляющим 1-2 нс.

Существенное снижение погрешности, проиллюстрированное на фигуре 11 связано с проведением организационно-технических работ по повышению точности передачи смещения (параметр τ_с) в навигационном сообщении. При дальнейшей оценке текущих характеристик КСТ потребуется осуществлять контроль UTCOE для каждого НКА в отдельности.

2. Оценка вероятности основного отказа обслуживания (Probability of CSA Major Service Failure)

На фиг. 12 приведена оценка вероятности основного отказа обслуживания ГЛОНАСС, усредненная по ОГ на годовом интервале. Шаг выборки внутри интервала и шаг представления данных - 10 мин. На рисунке изображена вероятность основного отказа за счет единичных независимых сбоев. Каждое значение рассчитано на предыдущем годовом интервале.

3. Результаты оценки непрерывности SIS ОС ГЛОНАСС

На фиг. 13 приведена оценка непрерывности сигнала, усредненная по ОГ на годовом интервале. Шаг выборки внутри интервала и шаг представления данных - 10 мин.

На текущий момент оповещение потребителей о перерывах в работе ГЛОНАСС осуществляется только посредством опубликования средствами ЦУС информационных сообщений потребителям ГЛОНАСС (NAGU - Notice Advisory to GLONASS Users) на сайтах ИАЦ КВНО и СВОЭВП. В тоже время в соответствии с рекомендациями ИКАО в Российской Федерации создан центр мониторинга за ОГ GPS и ГЛОНАСС. Федеральным государственным унитарным предприятием «Госкорпорация по ОрВД» - российским провайдером аэронавигационного обслуживания введен в эксплуатацию Центр мониторинга GNSS. Центр мониторинга отдельно по GPS и совместно по GPS и GLONASS обеспечивает следующие функции:

- прогноз доступности функции RAIM для различных этапов полета, включая полеты по трассам и в районе аэродрома вплоть до неточного захода на посадку;

- мониторинг точности GNSS в реальном времени;

- формирование извещения об изменениях в правилах проведения и обеспечения полетов и аэронавигационной информации (NOTAM, NOtice То AirMen - извещение авиационных потребителей) о недоступности ГНСС и его передачу в Центр аэронавигационной информации Российской Федерации для последующей публикации;

- прием, регистрация и хранение информации о состоянии ГНСС и функциональных дополнений (GBAS, SBAS);

- оценка в целом состояния поля ГНСС в воздушном пространстве Российской Федерации.

4. Оценка доступности CSA SIS

4.1. Оценка доступности орбитальной точки CSA SIS (CSA SIS Per-slot Availability)

На фиг. 14 приведена оценка доступности орбитальной точки, содержащей пригодный НКА, усредненная по ОГ на годовом интервале. Шаг выборки внутри интервала и шаг представления данных - 10 мин.

4.2. Оценка доступности ОГ CSA SIS (CSA SIS Constellation Availability)

На фиг. 15 приведена оценка доступности ОГ из 21 пригодного НКА на годовом интервале. Шаг выборки внутри интервала и шаг представления данных - 10 мин.

5. Оценка характеристик местоопределения и определения времени CSA

5.1. Оценка доступности навигационного поля CSA (PDOP Availability)

На фиг. 16 приведены оценки доступности навигационного поля (глобальной и в наихудшей точке).

5.2. Оценка точности местоопределения CSA (CSA Positioning error)

Формирование данных, необходимых для оценки погрешности местоопределения по вертикали и в горизонтальной плоскости при PDOP≤6 осуществляется, начиная с 6 июня 2014. Результаты оценки приведены на фиг. 17 и 18.

5.3. Оценка доступности CSA (CSA Service Availability)

На фиг. 19-22 приведены оценки доступности (глобальной и в наихудшей точке) сервисов местоопределения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Пороговые значения 95%-ных суточных погрешностей местоопределения по горизонтали и вертикали составляют соответственно 12 и 25 м.

5.4. Оценка точности передачи времени CSA (CSA Time transfer accuracy)

На фиг. 23 представлена оценка составляющей средней по поверхности суточной погрешности передачи времени UTC(SU) за счет погрешности псевдодальности, то есть погрешность определения времени потребителя в ШВС.

На фиг. 24 представлена итоговая оценка средней по поверхности суточной погрешности передачи времени UTC(SU), учитывающей погрешность псевдодальности и погрешность передачи в навигационном сообщении смещения UTC(SU)-ШВС.

О переменном шаге при расчете доступности PDOP и погрешностей местоопределения.

Расчет характеристик доступности навигационного поля, доступности сервиса, точности местоопределения и передачи времени UTC(SU) предполагает осреднение значений соответствующих характеристик по определенному сегменту поверхности (или глобально). Расчет может осуществляться с постоянным шагом по долготе и широте, но в таком случае при осреднении должна учитываться площадь поверхности, ограниченная узлами сетки, как показано ниже на примере доступности навигационного поля:

где:

ϕ_i,λ_j - широта, долгота точки;

Δϕ - шаг по широте;

Δ_local - локальная доступность в точке;

S_i,j - элементарная площадь.

Более простым методом является расчет характеристик с постоянным шагом по времени и долготе и переменным шагом по широте, обеспечивающим равенство площадей, соответствующих точкам на поверхности Земли, что дает возможность непосредственного осреднения полученных значений:

Особенности процедуры оценки эксплуатационных характеристик ГЛОНАСС по данным сети станций IGS.

Оценка эксплуатационных характеристик может осуществляться по измерениям глобальной сети беззапросных измерительных станций, например, сети IGS. При этом необходимо учитывать ряд принципиальных особенностей, связанных с выбором шкалы привязки ЧВП и разнородностью типов НАП, используемой на измерительных станциях.

Согласно требованиям IGS, апостериорная ЭВИ привязывается к измерениям НАП Р1-Р2, выполняющей непосредственные измерения. Однако, наиболее существенно, что такой подход практически неприемлем к измерениям ГЛОНАСС из-за наличия существенных систематических погрешностей не только у различных типов НАП, но и у отдельных образцов одного типа НАП. Принципиально, что координатор центров анализа IGS не уточняет поправки часов НКА при расчете финальных решений. Это обусловлено существенными систематическими погрешностями кодовых измерений за счет частотного разделения сигналов (см фиг. 25).

Эти систематические погрешности вызваны, в первую очередь, нелинейными характеристиками высокочастотных фильтров и в отдельных случаях достигают десятков наносекунд. Отсутствие фильтров с неизменной характеристикой в зависимости от частоты не позволяет выполнить абсолютную калибровку НАП. Поэтому обычно систематические погрешности уточняются для каждой НАП относительно некоторой абстрактной, усредненной по сети НАП.

Как правило, однотипная НАП имеет сходные задержки в каналах ГЛОНАСС. При этом уровень взаимного согласования зависит от производителя и типа НАП, т.е. от элементной базы и программного обеспечения. В большинстве случаев остаточные погрешности согласования измерений внутри однотипной НАП составляют не более 1 не, что также является значимой величиной с учетом того, что шумовая погрешность апостериорных поправок часов НКА GPS и ГЛОНАСС составляет десятки пикосекунд. Анализ данных различных типов и образцов одного типа НАП позволяет сделать вывод, что незначительные систематические погрешности наблюдаются и в каналах GPS на уровне до 0.5 не даже у НАП, выполняющей непосредственные измерения Р1 и Р2.

В отличие от IGS, где используется статический способ калибровки НАП в предположении идентичности всей НАП, выполняющей непосредственные измерения Р1 и Р2, в Стандарте рекомендуется использовать динамический метод калибровки измерений на интервале около 2 недель. Такой подход можно использовать как для измерений GPS, так и для измерений ГЛОНАСС. Важно, что за счет использования достаточно большого двухнедельного интервала времени уточнения систематики распределенной сети измерительных станций эти данные не оказывают влияния ни на оценку стабильности БСУ, ни на оценку изменения разности системных шкал ГЛОНАСС-GPS.

В связи с вышесказанным, непосредственное использование апостериорных и бортовых (штатных) поправок часов ГЛОНАСС в отличие от GPS дает некоторую усредненную оценку ЧВП, т.е. то, что видит средний потребитель, имеющий несколько разнотипных приемников. Однако непосредственное использование апостериорных и бортовых (штатных) поправок часов ГЛОНАСС не дает ответа на вопрос о погрешностях ЧВО ГЛОНАСС, а следовательно, не может быть использовано для оценки технических характеристик системы.

Очевидно, что средства НКУ, используемые для расчета штатных ЧВП, также имеют систематические погрешности измерений. В отсутствии доступа независимой системы мониторинга к физической шкале НКУ ГЛОНАСС для привязки апостериорных поправок часов ГЛОНАСС к штатным данным используются остаточные взаимные погрешности штатных ЧВП и апостериорных поправок. Обработка этих данных производится на интервале 24 суток, т.е. 3 циклов повторения трассы НКА ГЛОНАСС. В идеале, такая привязка должна быть сделана 1 раз на длительном интервале времени. Однако анализ наблюдаемых разностей штатных и апостериорных поправок часов на длительном интервале показывает, что систематики средств НКУ изменяются не меньше, чем у большинства постоянно действующей НАП. Это может быть вызвано заменами или перенастройками оборудования, либо программного обеспечения, температурной зависимостью и пр. Поэтому рекомендуется регулярное согласование систематических погрешностей штатных и апостериорных данных на достаточно длительном интервале, кратном периоду повторяемости трассы. Уменьшение интервала согласования приводит к повышенному «шуму» систематик за счет ошибок прогноза ЧВП, увеличение интервала нежелательно из-за необходимости реагирования на флуктуации систематик частотно-временного обеспечения (ЧВО).

Особой спецификой является недостоверность признаков пригодности НКА ГЛОНАСС, формируемых отдельными типами НАП. Известно, что часть НАП ошибочно формирует навигационные форматы RINEX, например, приемники Leica в режиме ALL-IN-VIEW выдают все НКА как пригодные, некоторые типы НАП ГЛОНАСС формируют время начала кадра со сдвигом на 3 ч и др. Из-за большого числа разнородной НАП, к тому же использующих различные конверторы «сырых» данных, в некоторых случаях корректное формирование признаков пригодности затруднительно, что приводит к погрешностям оценки.

Существенно изменить ситуацию возможно путем создания собственной глобальной сети распределенных станций, на каждой из которых будет установлено по несколько образцов однотипной НАП.

Альтернативным, более доступным для независимых служб мониторинга, вариантом на период отсутствия собственной сети может быть продвижение в IGS идеи формирования, наряду с RINEX-файлами, файлов, содержащих полный объем цифровой информации навигационных сообщений. Примером формата требуемой информации может служить формат GRIL, использующийся в НАП производства Javad и Topcon. Наличие на текущий момент существенного количества такой НАП в составе сети IGS может способствовать созданию в рамках сети IGS подсети из НАП, предоставляющей наиболее полную информацию.

Повышение достоверности результатов оценки характеристик услуги абсолютной навигации позволяет проводить сертификационные процедуры для услуги абсолютной навигации и проводить процедуры предварительной сертификации услуг потребительских систем на основе ГНСС (систем второго уровня).

Перечень сокращение

Изобретение относится к глобальным навигационным спутниковым системам (ГНСС), а именно к системе ГЛОНАСС. Изобретение может быть использовано провайдером услуг ГНСС для задачи сертификации услуги абсолютной навигации и провайдерами услуг потребительских систем на основе ГНСС (систем второго уровня) для предварительной сертификации услуг потребительских систем и соответствует требованиям международных организаций к характеристикам и методикам расчета характеристик для ГНСС (Международная организация гражданской авиации - International Civil Aviation Administration - ICAO, Международный комитет по ГНСС при ООН - International Committee on GNSS - UN ICG). Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности результатов оценки характеристик услуги абсолютной навигации. 4 з.п. ф-лы, 26 ил., 1 табл.

1. Способ оценки характеристик услуги абсолютной навигации, заключающийся в использовании значений эфемерид, апостериорных и штатных данных по шкале времени, полученных от глобальной сети станций сбора измерений, после обработки навигационного радиосигнала глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) - исходных данных, хранящихся в аппаратно-программном комплексе оценки характеристик услуги абсолютной навигации (АПКОХУАН), используемых для расчета точности CSA SIS URE, точности CSA SIS URRE, точности CSA SIS URAE, точности CSA SIS UTCOE, вероятности основного отказа обслуживания (Probability of CSA Major Service Failure), непрерывности CSA SIS (CSA SIS Continuity), доступности орбитальной точки CSA SIS (CSA SIS Per-slot Availability), доступности орбитальной группировки (ОГ) CSA SIS (CSA SIS Constellation Availability), доступности навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability) как средней по поверхности и минимальной по поверхности, точности местоопределения CSA (CSA Positioning error), доступности CSA (CSA Service Availability), точности передачи времени CSA (CSA Time transfer accuracy), при этом исходные данные из системы хранения данных (СХД) АПКОХУАН направляют в блок расчета точности передачи времени АПКОХУАН, в котором производят оценку точности CSA SIS UTCOE (точность передачи поправок разницы системной шкалы времени и используемой национальной шкалы), точности передачи системной шкалы времени, и на их основе оценивают точность передачи времени CSA Time transfer accuracy (погрешность передачи национальной шкалы времени), передают в СХД, исходные данные из СХД АПКОХУАН направляют в блок оценки точности CSA SIS URE; URRE; URRAE АПКОХУАН, в котором производят оценку точности CSA SIS URE, рассчитывают глобальную среднюю точность CSA SIS URE по каждому НКА и средней по ОГ и точность CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА, и передают в СХД, с использованием блока оценки точности CSA SIS URE; URRE; URRAE АПКОХУАН и на основании расчета глобальной средней точности CSA SIS URE по каждому НКА и средней по ОГ рассчитывают точность CSA SIS URRE и точность CSA SIS URAE и направляют в СХД, исходные данные из СХД АПКОХУАН направляют в блок оценки доступности АПКОХУАН, в котором производят расчет доступности орбитальной точки CSA SIS (CSA SIS Per-slot Availability) и доступности ОГ CSA SIS (CSA SIS Constellation Availability), на основании которых в блоке оценки доступности АПКОХУАН на основании расчетов CSA SIS Per-slot Availability и CSA SIS Constellation Availability определяют доступность необходимого количества пригодных для функционирования системы НКА, на основе которых рассчитывают доступность навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability) как среднюю по поверхности и минимальную по поверхности и непрерывность CSA SIS (CSA SIS Continuity), и передают в СХД, расчеты точности CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА из СХД АПКОХУАН направляют в блок оценки вероятности основного отказа АПКОХУАН, в котором производят расчет вероятности основного отказа обслуживания (Probability of CSA Major Service Failure), и передают в СХД, точность местоопределения CSA (CSA Positioning error) и доступность CSA (CSA Service Availability) рассчитывают на основании данных точности глобальной средней точности CSA SIS URE, точности CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА и доступности навигационного поля CSA (CSA PDOP Availability) как средней по поверхности и минимальной по поверхности, полученных из СХД АПКОХУАН и переданных в блок расчета точности местоопределения, и доступности CSA АПКОХУАН, полученные результаты расчетов эксплуатационных характеристик сравнивают со значениями, заданными в Стандартах эксплуатационных характеристиках (Performance Standards).

2. Способ по п. 1, в котором значение глобальной средней точности CSA SIS URE используют для расчета глобальной средней надежности системы как вероятности непревышения CSA SIS URE заданных пределов.

3. Способ по п. 1, в котором на основании расчета точности CSA SIS URE в наихудшей точке конуса видимости НКА рассчитывают глобальную среднюю надежность как вероятность непревышения CSA SIS URE в наихудшей точке заданных пределов.

4. Способ по п. 1, в котором точность местоопределения CSA (CSA Positioning error) включает в себя следующие составляющие: точность вертикального местоопределения глобальная средняя; точность вертикального местоопределения максимальная по поверхности; точность горизонтального местоопределения глобальная средняя; точность горизонтального местоопределения максимальная по поверхности.

5. Способ по п. 1, в котором доступность CSA (CSA Service Availability) включает в себя следующие составляющие: доступность сервиса местоопределения вертикальная средняя; доступность сервиса местоопределения вертикальная минимальная по поверхности; доступность сервиса местоопределения горизонтальная средняя; доступность сервиса местоопределения горизонтальная минимальная по поверхности.