|Характеристи|Кварцевый |Атомные стандарты частоты |
|ка |стандарт | |
| |частоты | |
| | |Рубидиевый |Цезиевый |Водородный |
|Масса, кг |1,35 |2,25 |13,5 |33,7 |
| | | | | |
|Потребление,|2,0 |13,0 |25,0 |30,0 |
|Вт | | | | |
|Объём, дм3 |1,13 |1,13 |11,3 |28 |
|Относительна| | | | |
|я |5 x 10-10...1|1 x 10-12 |1 x 10-13 |1 x 10-14 |
|нестабильнос|x 10-10 | | | |
|ть частоты | | | | |
|(за сутки) | | | | |
|Температурны| | | | |
|й |2 x 10-11 |– |– |– |
|коэффициент | | | | |
|частоты | | | | |
|(1/(С) | | | | |
|Факторы | |Ухудшение |Уровень | |
|ограничивающ|Старение |характеристи|шумов в |Запас |
|ие срок |кварца |к лампы |атомно-лучев|водорода |
|службы | | |ой трубке | |
Таблица 1. Основные характеристики некоторых бортовых стандартов частоты
НИСЗ.
Например в каждом из пунктов синхронизируемой сети ШВ формируются
местными преобразователями фазы и частоты высокостабильных генераторов,
обеспечивающих прецизионное хранение начала и масштабов интервалов времени.
Для поддержания высокой точности синхронизации ШВ различных пунктов
необходимы периодическая сверка и взаимное сведение этих шкал. Чем ниже
стабильность хранения и точность сверки ШВ, тем чаще должно осуществляться
их сведение для обеспечения заданной точности синхронизации.
При использовании сигналов нескольких синхронизированных НИСЗ сверка сети
пунктов производится обработкой результатов измерений времен прихода
сигналов на эти пункты. Наиболее характерные алгоритмы обработки измерений
базируются на использовании метода наименьших квадратов или рекуррентного
фильтра Калмана. В зависимости от способа дальнейшего использования
найденного временного рассогласования, определяемого функциональным
назначением данного синхронизируемого пункта, возможны различные варианты
сведения ШВ сети пунктов по сигналам СРНС.
1.3.2. Способы синхронизации удалённых пунктов
Наиболее простой способ синхронизации заключается в независимой работе
пунктов по НИСЗ ССРНС (рис. 2). При этом каждый из синхронизируемых пунктов
(i-й, j -й) независимо сверяет свою ШВ (tЭЧ)с ШВ сети НИСЗ определяет
поправку ((t =t НИСЗ – t ЭЧ) и корректирует свою ШВ на размер этой
поправки. Как видно из рис.1, после проведения сеансов сверки в i-м и j -м
пунктах ШВ каждого из пунктов оказываются привязанными к шкале времени t
НИСЗ. Типичным примером подобного способа синхронизации сети пунктов
является использование для этого аппаратуры потребителей ССРНС.
[pic]
Рисунок 2Структурная схема синхронизации ШВ сети спутников по сигналам
ССРНС.
[pic]
Рисунок 3 Структурная схема сверки ШВ первичного и вторичного ЭЧ
Нередко возникает необходимость привязать ШВ некоторого i-го пункта не к
ШВ НИСЗ, а к ШВ некоторого другого j-го пункта. В качестве примера можно
привести сверку вторичного эталона частоты (ВЭЧ) и первичного эталона
частоты (ПЭЧ). В этом случае сведение ШВ с помощью НИСЗ может быть
осуществлено в соответствии со структурной схемой, изображенной на рис. 2.
Каждый из пунктов определяет рассогласование своей ШВ относительно ШВ
системы НИСЗ. Затем j-й пункт, где расположен ПЭЧ, передает информацию о
рассогласовании
((t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на i-й пункт, где расположен ВЭЧ. На этом последнем
пункте в аппаратуре обработки сравниваются размеры рассогласования (t НИСЗ
– t ПЭЧ ) и
(t НИСЗ – t ВЭЧ ) и расхождение ШВ ПЭЧ и ВЭЧ определяется как их разность.
При необходимости ШВ ВЭЧ корректируется. Для передачи информации о
рассогласовании ((t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на пункт, где расположен ВЭЧ,
допустимо использовать любую связную радиолинию, которая может быть
узкополосной, поскольку данная информация медленно изменяется и легко
преобразуется в цифровую форму. Если информация о ШВ ПЭЧ необходима
широкому кругу потребителей, то она может быть передана им через НИСЗ.
1.4. МЕТОДЫ СВЕРКИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССРНС ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ БХВ
ИСЗ С НХВ.
Сверка времени в СРНС проводится для выявления ухода шкалы времени
относительно эталонной шкалы НХВ. По размеру ухода можно судить о
функционировании хранителя времени (ХВ) и о необходимости коррекции шкалы.
В общем случае, ведя прием радионавигационного сигнала на пункте сверки,
определяют значение времени в бортовой шкале на момент излучения сигнала
НИСЗ. К моменту приема сигнала значение времени в бортовой шкале t( ШВ
изменится и будет определяться выражением
t( ШВ= tИЗМ + (tр + (tрэ + (tпр,
(1.2)
где:
(tр - время распространения сигнала на трассе НИСЗ -Земля;
(tрэ - «отставание» бортового времени, вызванное релятивистскими эффектами,
(tпр - прочие аппаратурные и методические погрешности.
Время распространения сигнала (tр определяется расстоянием между НИСЗ и
пунктом сверки и скоростью распространения радиоволн. При этом необходимо
учитывать, что в фазу радионавигационного сигнала, являющуюся носителем
информации о бортовом времени, вносятся дополнительные фазовые сдвиги за
счет рефракционных явлений в ионосфере и тропосфере.
Существенный вклад в погрешность определения времени распространения
могут вносить задержки сигнала в наземной и бортовой аппаратуре
радиоканала. Поэтому наземная аппаратура периодически калибруется и
задержка учитывается при сверке шкал.
Релятивистские эффекты порождают различное течение времени на НИСЗ и на
наземном пункте. Это вызвано, с одной стороны, относительным движением
систем отсчета и, с другой, изменением течения времени под влиянием
гравитационного потенциала. Знание с высокой точностью параметров взаимного
движения НИСЗ и наземного пункта на моменты сверки позволяют рассчитать
величину (tpэ с точностью до единиц наносекунд.
В зависимости от процедуры определения времени распространения сигнала от
НИСЗ до наземного пункта различают пассивный и активный методы сверки
времени.
При пассивном методе сверки времени на наземном пункте принимают
радионавигационный сигнал и фиксируют значение времени бортовой шкалы. На
основе данных траекторных измерений вычисляют дальность до НИСЗ и
определяют время распространения сигнала. При этом учитывают параметры,
характеризующие состояние ионосферы и тропосферы на трассе НИСЗ - Земля.
Для проведения высокоточной сверки необходимо рассчитывать дальность до
НИСЗ с погрешностью до 1 м, что требует использования измерительных систем
высокой точности. С другой стороны, для учета рефракционных погрешностей
необходимо иметь надежную модель распространения радиоволн.
После проведения серии измерений, используя известные методы
статистической обработки информации, определяют значения расхождения
бортовой и наземной шкал времени. Метод сверки временных шкал, подобный
описанному, используется в СРНС «Глонасс» и «Навстар».
При активном методе сверки для определения времени распространения
привлекаются измерительные каналы Земля - НИСЗ и НИСЗ - Земля. Время между
посылкой запросного и приемом ретранслированного навигационным
искусственным спутником Земли сигнала составляет удвоенное значение времени
распространения (tp.
Рефракционные и прочие погрешности учитываются расчетным путем так же,
как и при пассивном методе, с помощью поправок.
Выбор метода сверки временных шкал зависит от требуемой точности сверки,
знания модели распространения радиоволн с целью расчета рефракционных
поправок, точности расчета положения НИСЗ на моменты сверки и т. д.
Ясно, что активный метод более прост в методическом обеспечении и прочих
равных условиях позволяет реализовать более высокие точности, но требует
дополнительной аппаратуры как на наземном пункте, так и на борту НИСЗ.
Значение бортового времени, полученное одним из описанных методов,
сравнивается с временем НХВ, в результате чего и определяется расхождение
шкал и его знак. Поправка к бортовой шкале времени, формируемая в виде кода
коррекции, поступает в пункт управления для передачи на НИСЗ. Полезной
оказывается также оценка относительного ухода частоты БХВ.
По результатам сверки можно установить закономерность ухода шкалы времени
БХВ и прогнозировать его на определенные интервалы времени. Параметры
модели ухода БХВ (например, в виде коэффициентов аппроксимирующего
полинома) включаются в состав информационного кадра навигационного сигнала
и используются потребителем для повышения точности местоопределения.
При недостаточной инструментальной точности коррекции бортовой шкалы
может рассчитываться значение дополнительной поправки к бортовой шкале,
которая также вносится в кадр навигационного сигнала.
1.5. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НА ПРИМЕРЕ НИСЗ.
1.5.1. Необходимость коррекции
Необходимость в коррекции бортовых шкал времени НИСЗ возникает в
нескольких случаях, при первоначальном включении БХВ после вывода НИСЗ на
орбиту, при уходе шкалы БХВ относительно шкалы НХВ, превышающем допустимое
значение, при переключении резервных блоков БХВ.
Коррекция может выражаться в совмещении временных интервалов бортовой и
наземной шкал или в приведении в соответствие их оцифровки. В первом случае
операция носит название фазирования БШВ, во втором - коррекции кода БШВ.
При фазировании управляющие команды воздействуют на блок делителей БХВ, а
при коррекции кода - на блок кодирования (оцифровки) меток времени.
1.5.2. Коррекция методом фазирования
Управление бортовой шкалой времени при фазировании осуществляется двумя
способами: установкой в нулевое состояние блока делителей и сдвигом шкалы
бортового времени на значение, необходимое для совмещения с наземной
шкалой.
При установке БШВ в исходное состояние с наземного пункта управления
подается команда, привязанная к «нулевой» меткевремени НХВ. При этом подача
команды производится с упреждением на время распространения радиоволн от
наземного пункта до НИСЗ. Шкала времени БХВ устанавливается в нулевое
состояние независимо от того, какое значение времени было до фазирования.
Обычно бортовая шкала переводится в нулевое состояние после вывода НИСЗ на
орбиту, включения резервных блоков БХВ или грубых сбоев в отсчете бортового
времени.
Точность такого способа фазирования определяется аппаратурными
погрешностями, точностью расчета времени распространения радиоволн и
флуктуационными задержками приемопередающего тракта Земля - НИСЗ.
При фазировании сдвигом шкалы бортового времени команда изменяет
коэффициент деления в блоке делителей БХВ. Время воздействия команды
зависит от величины необходимой коррекции, которая закладывается в код этой
команды, и таким образом к бортовому времени прибавляется или из него
вычитается некоторое значение, определенное по результатам сверки. Этот
способ фазирования более точен, так как не зависит от параметров радиолинии
и наземной аппаратуры.
Сочетание обоих способов фазирования позволяет оперативно и рационально
управлять бортовой шкалой времени НИСЗ и добиваться точности совмещения
временных интервалов со шкалой НХВ до десятков наносекунд.
1.5.3. Коррекция кода БШВ
Коррекция кода БШВ производится, когда имеет место расхождение в
оцифровке временных интервалов бортовой и наземной шкал времени. Обычно
расхождение в оцифровке может быть при начальном включении БХВ, сбоях
счетчиков бортового времени и сдвиге шкалы на целое число единиц времени.
Команда на коррекцию кода БШВ формируется на наземном пункте и содержит
информацию об оцифровке соответствующих временных интервалов наземного
хранителя. После приема на борту НИСЗ команда поступает на вход кодирующего
устройства БХВ и в соответствии с заложенным кодом производится коррекция
состояния счётчиков бортового времени.
1.6. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ СВЕРКИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ ПО ВЫБОРКЕ ОДНОВРЕМЕННЫХ
ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.
Основными источниками погрешностей сверки ШВ по сигналам ССРНС являются:
1. погрешности знания векторов состояния НИСЗ, которые обусловлены погрешностями эфемеридного и частотно-временного обеспечения НИСЗ,
2. погрешности измерения времени прихода радионавигационных сигналов, которые складываются из погрешностей калибровки,
3. шумовых и динамических погрешностей измерителя РНП, погрешностей из-за условия распространения радиоволн и прочих составляющих,
4. погрешности знания векторов состояния синхронизируемых пунктов, которые в рассматриваемом случае определяются погрешностями задания координат пунктов.
При анализе точности сверки ШВ по сигналам ССРНС необходимо учитывать
корреляцию погрешностей определения поправок к ШВ различных пунктов,
вызванную воздействием одних и тех же возмущающих факторов. Для этого
необходимо знать коэффициенты корреляции различных составляющих погрешности
для каждого из пунктов и коэффициенты взаимной корреляции для различных
пунктов. Точно знать эти коэффициенты практически невозможно, поэтому при
оценке точности приходится задаваться теми или иными гипотезами
относительно их значений. Целесообразно рассмотреть крайние случаи, когда
коэффициенты корреляции погрешностей знания векторов состояния НИСЗ и
погрешностей измерителя (кроме погрешностей калибровки) радионавигационных
параметров равны либо нулю (независимые погрешности), либо единице
(систематические погрешности). При этом учитывается, что коэффициент
корреляции погрешностей калибровки для каждого измерителя равен единице, а
коэффициент взаимной корреляции для различных измерителей нулю.
Поправка к ШВ j-го пункта, координаты которого неизвестны, определяется
по результатам измерений задержек [pic] принимаемых сигналов НИСЗ
относительно ШВ этого пункта решением линеаризованной системы уравнении
невязок квазидальностей [pic]и (с - скорость света) :
[pic] (1.3)
где: Сji - матрица наблюдений,
( gj - вектор оцениваемых параметров (прямоугольные геоцентрические координаты пункта ипоправка к ШВ),
( gi - вектор погрешностей состояния НИСЗ (погрешности временного и эфемеридного обеспечения в орбитальной системе координат),
Аj - оператор преобразования из орбитальной в геоцентрическую систему координат,
(j - погрешность калибровки приемоизмерительного тракта,
( ji - погрешности измерителя РНП.
Включение координат j-го пункта в вектор оцениваемых параметров позволяет
в общем случае решить навигационно-временную задачу, т.е. определить
координаты и поправки к ШВ пункта.
Смещение шкалы g-го пункта, работающего по тому же созвездию НИСЗ, что и
j-й пункт, определяется аналогично. Сдвиг шкалы j-го пункта относительно
шкалы g-го пункта ((tjg) вычисляется по формуле:
[pic] (1.4)
При оценке точности взаимной синхронизации двух пунктов j и g будем счи- тать, что по измерениям [pic] и [pic], методом наименьших квадратов определяется суммарный вектор [pic], причём погрешности измерений РНП распределены по гауссовскому закону. Если весовая матрица есть [pic][pic], где [pic]-дисперсия погрешностей измерителя, I - единичная матрица размером
[2n x 2n], то можно показать, что корреляционная матрица погрешностей суммарного вектора примет вид
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic] (1.5)
где
[pic]
[pic] - корреляционные матрицы погрешностей априорного знания векторов состояния пунктов и НИСЗ; r - коэффициент корреляции погрешностей измерителя; rS - коэффициент корреляции погрешностей априорного знания векторов состояния НИСЗ;
[pic] - дисперсия погрешностей калибровки измерителя РНП.
Если представить выражение в виде
[pic] (1.6)
где N = (0001000 – 1), то среднеквадратическую погрешность определения сдвига шкалы времени j-го пункта относительно шкалы g-го пункта можно вычислить по формуле
[pic] (1.7)
Для анализа точностных характеристик целесообразно выразить через соответствующие геометрические факторы:
[pic] (1.8)
где:
[pic] – геометрические факторы, характеризующие влияние погрешностей измерителей, калибровки и априорного знания векторов состояния НИСЗ на точность определения сдвига ШВ j-го пункта относительно ШВ g-го пункта;
( k:(l:(m:(( t – отношение составляющих погрешностей эфемеридного
(направленные по радиус-вектору k, вдоль орбиты I, по бинормали m, как показано на рис. 4) и временного обеспечения НИСЗ.
Можно показать, что если ШВ сверяются по разным созвездиям и погрешности
измерений на j-м пункте не коррелированы с погрешностями измерений g-го
пункта (независимая сверка), то [pic] равна сумме дисперсий определения
поправок на каждом из пунктов. Если же измерение на пунктах производится
одновременно и по одному и тому же созвездию, то часть погрешностей взаимно
компенсируется подобно тому, как это имеет место при работе по РНС в
дифференциальном режиме .
Диапазоны изменения геометрических факторов при относительной сверке ШВ
двух пунктов, разнесенных примерно на 2600 км, по данным ССРНС «Навстар»
представлены в табл. 2.
[pic]
Рисунок 4 Геометрия сверки ШВ по одному НИСЗ
Таблица 2. Диапазоны изменения геометрических факторов
|Геометрические |Априорная информация |
|факторы |при известных координатах|при неизвестных |
| |пунктов |координатах пунктов |
|Г(0 |0,5...0,7 |1,5...3,7 |
|Г(1 |0 |0 |
|Г( |(2 |(2 |
|Г0 |0,13...0,20 |0,5...1,3 |
|Г1 |0,11...0,33 |0,4...1,3 |
Анализ приведенных в таблице результатов показывает, что значения
геометрических факторов Г(0, Г0, Г1 при сверке ШВ пунктов с известными
координатами в 3...5 раз меньше, чем при сверке ШВ пунктов с неизвестными
координатами. Коэффициент корреляции погрешностей знания векторов состояния
НИСЗ практически не сказывается на точности относительной сверки ШВ
пунктов. Выигрыш в точности зависит от соотношения систематических и
независимых составляющих погрешности временных определений.
Отличительной особенностью сверки ШВ пунктов с известными координатами
является возможность работы лишь по одному НИСЗ. Выражение для [pic] при
этом существенно упрощается.
Если ось ОХ геоцентрической системы координат развернуть так, чтобы она
проходила через НИСЗ, а ось ОУ совпадала с плоскостью орбит, то при n = 1
примет вид
[pic] (1.9)
где cos (, cos (, cos ( - направляющие косинусы координатных углов с пункта
на НИСЗ.
Вклад отдельных составляющих погрешностей эфемерид в погрешность сверки
ШВ пунктов зависит от взаимного расположения НИСЗ и синхронизируемых
пунктов. Если НИСЗ равноудален от пунктов (симметричное расположение
пунктов), то погрешность эфемеридного обеспечения по высоте не влияет на
точность сверки. Аналогично при симметричном расположении пунктов
относительно плоскости орбиты компенсируется составляющая погрешности
эфемерид вдоль орбиты, а при симметричном расположении пунктов по одну
сторону от орбиты компенсируется бинормальная составляющая погрешностей
эфемерид. Таким образом, за счет правильного (симметричного) выбора НИСЗ
при относительном способе сверки ШВ можно компенсировать две составляющие
эфемеридной погрешности, включая высотную.
1.7. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ СВЕРКИ ШВ ПУНКТА С ИЗВЕСТНЫМИ КООРДИНАТАМИ ПО
ДАННЫМ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ И РАДИАЛЬНЫХ ПСЕВДОСКОРОСТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Сверка ШВ по данным ССРНС сводится к оценке расхождений ШВ и частот
хранителей времени пункта и НИСЗ по результатам псевдодальномерных и
псевдодальномерно-псевдодоплеровских (радиальных псевдоскоростных)
измерений. Временную задачу можно решать по выборке либо фиксированного,
либо нарастающего объема измерений. Рассмотрим влияние лишь случайных
погрешностей измерителя РНП на точность временных определений,
характеризующих потенциальную точность сверки ШВ пункта с известными
координатами.
Характер случайных погрешностей измерения РНП зависит от построения
аппаратуры, и в частности от числа каналов измерителя. Если число каналов
равно числу НИСЗ, используемых для решения временной задачи, и в каждом
канале ведется непрерывное слежение за сигналами одного НИСЗ, то
погрешности двух результатов соседних измерении значении доплеровскои
частоты коррелированы с коэффициентом корреляции, равным -0,5. Однако если
измерение РНП для компенсации влияния ионосферы производится на двух
частотах путем периодического переключения каналов с несущей частоты f1 на
частоту f2, то даже в многоканальной аппаратуре погрешности доплеровских
измерений становятся некоррелированными.
Для решения временной задачи по нескольким НИСЗ можно использовать и
одноканальную аппаратуру; при этом радионавигационные сигналы различных КА
обрабатываются последовательно во времени и погрешности доплеровских
измерений оказываются также некоррелированными.
