CC BY
78
УДК 621.396.2
И.Е. Макаров, А.С. Толстиков ФГУП СНИИМ, Новосибирск
МЕТОДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЁННЫХ ЧАСОВ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРИМЕНЕНИИ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Существует ряд задач научно-технического плана, требующих высокоточной согласованности моментов шкал пространственно-разнесённых хранителей времени (часов). Сюда могут быть отнесены задачи космической и наземной навигации, баллистики, геодезии и геофизики, связи, эфемеридной астрономии и геодинамики. Наиболее высокие точности синхронизации в настоящее время востребованы в спутниковых навигационных технологиях при определении расхождений шкал времени бортовых часов и для целей эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) спутниковых навигационных систем (СНС), при организации траекторных измерений по навигационным спутникам с сети беззапросных измерительных станций.
Задача синхронизации пространственно-разнесённых часов в настоящей работе заключается в определении расхождений шкал времени, приведённых на определённый момент (или интервал) времени, и к оцениванию характеристик нестабильности генераторов синхронизируемых часов. Для этих целей используются те или иные сигналы, содержащие информацию о точном времени, передаваемую различными радиотехническими средствами.
Достаточно полный сравнительный анализ методов синхронизации, отличающихся величиной зоны обслуживания (или дальностью действия), а также величинами погрешности синхронизации, приведён в [1]. К рассмотренным в [1] методам следует добавить метод “TWO-WAY” [2], который является развитием принципов, реализованных в системах метеорной синхронизации и связи [3], где применяется ретрансляция и встречный обмен частотно-временной информацией между пунктами синхронизации по УКВ каналам с отражением сигналов от метеорных следов. Если погрешности синхронизации шкал времени “метеорными” методами, требующими применения специальной аппаратуры и зависящих от числа метеорных следов в течении сеанса синхронизации, удаётся уменьшить до 10-30 нс.(СКО), то погрешности метода “TWO-WAY” не превышают 100 пс. При этом метод “TWO-WAY” также требует применения специальной аппаратуры и, что не менее важно, аренды дорогостоящего канала обмена информацией через геостационарные спутники.
Из множества отмеченных методов синхронизации далее будем рассматривать те, которые опираются на использование навигационных сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС (Россия), GPS (США) и, в дальнейшем, - GALILEO (европейское сообщество) [6], позволяют применять для целей синхронизации традиционную аппаратуру
потребителя СНС и требуют лишь специализированных алгоритмических и программных приложений. Эти методы положены в основу беззапросных технологий траекторных измерений, выполняемых по орбитальным группировкам навигационных спутников для целей эфемеридно-временного обеспечения СНС ГЛОНАСС.
Обсуждаемые в настоящей работе методы синхронизации относятся к группе дальномерных методов [1], использующих кодовые измерения псевдодальности стандартной точности C1 в частотном диапазоне L1 и кодовые измерения повышенной точности D1 и D2 в частотных диапазонах L1 и L2.
Фазовые [4] и интерферометрические [1] методы, обладающие потенциально более высокой точностью в сравнении с дальномерными методами, в настоящее время не находят широкого применения из-за трудностей, связанных с необходимостью разрешения неоднозначности фазовых измерений.
Основное соотношение, связывающее измерение дальности D(t) с отклонением момента шкалы времени часов измерительной станции Ти (t ) относительно шкалы центрального синхронизатора системы имеет вид,
D(t) = r + c[7'l.(t)-7'n(t)\ + /)п +Drp +Дщ +DPEJI+V(t) (1)
где г = 4(Хб - Хи f + (ГБ - Ги )2 + (ZE - ги )2 ;
Щ =[хБ,уБ,гБ], Щ =[хи,уи,ги] - векторы координат навигационного спутника и измерительной станции, определённые в гринвичской системе координат;
DИ,DTP,Dm, DPEn - поправки на задержку радиосигнала в ионосферном,
тропосферном слоях, поправки на смещение фазового центра навигационного спутника и релятивистская поправка, выраженные в единицах длины;
с - скорость света;
V (t ) - шумы приёмной аппаратуры.
В компактном представлении уравнение измерений (1) имеет вид
EKf) = cTH(f) + P(f) + V(f). (2)
Для решения задачи синхронизации введём в рассмотрение математическую модель нестабильности часов [7]. Уход шкалы времени синхронизируемых часов T(t) от шкалы центрального синхронизатора системы связан с отклонением частоты генератора этих часов от номинального значения f(t) дифференциальным уравнением
T(t) = f(t), T(t0) = T0, t G[t0,tKJ. (3)
В отклонении частоты f(t), согласно [7] выделим две составляющие:
f(t) = s(t) + w(t) . (4)
Долговременную составляющую нестабильности
п
s(0 = I, (5)
Ii=1
представляющую собой линейную комбинацию ортонормированных на интервале [t0,tK] базисных функций (pt(t)и неизвестных коэффициентов аг, и кратковременную составляющую нестабильности w(t), которую можно трактовать как выходной сигнал формирующего фактора, описывающегося дифференциальным уравнением
w(t) = B(t)-w(t) + <!;(t), w(t) = w0, (6)
на входе которого действует порождающий гауссовский случайный процесс ^(teN(0,<т2)с ограниченной дисперсией а] типа “белый шум”.
Характеристиками долговременной нестабильности в этом случае будут коэффициенты аг (при разложении (5) в виде степенного полинома для / = 2,
a - среднее на интервале [t0, tK ] значение частоты; a2 - дрейф частоты).
Кратковременную нестабильность характеризуют текущие значения w(t) или коэффициент формирующего фильтра B(t) и величина дисперсии а].
Дифференциальные уравнения (4), (6), дополненные формальными
уравнениями
dt{t) = 0, at{t0) = ai0, / = 1,...,и, (7)
образуют полную математическую модель нестабильности синхронизируемых часов
R(t) = AR(t) + w(t), P{t0) = Щ[Т0,аю], (8)
совместно с уравнением измерений (2) составляющих основу для построения алгоритмов синхронизации.
Интегрируя (8) с учётом (4) и (5), получим уравнение:
T(0^FT(t)K+&<it), (9)
где
t t
FT (t) = [1, = 1 ,...,n\,dw(t) = Jiv(j)dz .
¿0 ¿0
Задача оценивания характеристик нестабильности Tit), a,., i = X...,n.
(характеристики кратковременной нестабильности не рассматриваются исключительно из соображений упрощения изложения) сводится к оцениванию вектора начальных условий R0 на основе решения системы алгебраических уравнений MRq =q + Aq , (10)
где
М = ^cF(t)-FT (t)dt, q = ji7(t)D(t)dt;
Aq = j> (t)[P(t) + V(t) + Sw{t)]dt,
*0
полученной непосредственно из (2) с учётом (9).
Заключение. В работе показана общая схема оценивания характеристик нестабильности удалённых от центрального синхронизатора СНС часов по результатам измерений наклонных дальностей от навигационного спутника
до измерительной станции. Задача сводится к оцениванию вектора начальных условий обобщённой модели нестабильности синхронизируемых часов и последующему восстановлению долговременной и кратковременной составляющих нестабильности.
Точность оценивания начальных условий определяется свойством матрицы М в системе (10) и уровнем неизмеримых компонент в векторе правой части системы Ад.
Методы синхронизации, построенные на основе изложенного подхода, отличаются способом компенсации компонент P(t) на уровне предварительной подготовки уравнений измерений (1). Так, известный метод “in common view” предполагает расчёт геометрических дальностей с учётом известных координат станции и компенсацию составляющей r(t) в (1), полную компенсацию уходов бортовых шкал (t) и частичную компенсацию
ионосферной и тропосферной погрешностей за счёт введения дифференциальной поправки.
Важным обстоятельством, следующим из вида уравнения измерений (1), является симметричность задачи оценивания уходов наземных часов и уходов бортовых часов (t) от шкалы времени центрального синхронизатора. Это
позволяет применить изложенную методику для решения задачи оценивания характеристик нестабильности бортовых часов по данным траекторных измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Новиков И.А., Рабкин В.С., Филатченков С.В., Шебанов А.А., Шебшаевич В.С. Использование спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR для синхронизации шкал времени // Зарубежная радиоэлектроника. - 1985. - № 11, C. 3 - 15.
2. Koudelka O., Ressler H.. Two-Way Satellite Time Transfer for the Synchronization of reference Clocks for Satellite Navigation Systems. Proceeding of GNSS 2003. - European Navigation Conference. 22-25 April 2003. Graz, Austria. - P. 1 - 7.
3. Сидоров В.В., Мерзакреев Р.Р., Эпиктетов Л.А., Логашин А.В., Базлов А.Е. Аппаратура метеорной синхронизации и связи // Труды 5-го российского симпозиума “Метрология времени и пространства”, 11-13 сентября 1994. - ИМВП ГП “ВНИИФТРИ”, - Менделеево. - С. 405 - 410.
4. Tu K. Y., Pen H. M., Liao C. S., Chan F. R.. Clock Synchronization using GPS/GLONASS carrier Phase Proceedings of 32nd Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Virginia, 2000. - P. 171-180.
5. de Jong G. and Kroon E.. Analysis of one Year of Zero-Baseline GPS Common-View Time Transfer and Direct measurement using two co-located Clocks Proceedings of 34th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. - P. 29 - 38
6. Moudrak A., Furthner J., Konovaltsev A., Denks H., Hammesfahr J. Time Dissemination and Synchronization for Galileo Users. Proceedings of ION NTM 2004, 26-28 January 2004, San Diego, CA. - P. 323 - 332
7. Тиссен В.М., Толстиков А.С. Математические модели нестабильности КСЧ. // Материалы 7-ой Международной конференции “ Актуальные проблемы электронного приборостроения”. АПЭП - 2004. Том 3. 2004. - Новосибирск, НГТУ. - С. 263 - 269.
© И.Е. Макаров, А.С. Толстиков, 2006
