CC BY
18
УДК 621.396.2 И.Е. Макаров
ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЁННЫХ ЧАСОВ ПО НАВИГАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ
I.E. Makarov
Siberian Scientific-Research Institute of Metrologie (SSRIM) 4 Dimitrova St., Novosibirsk, 630004, Russian Federation
NEW RESULTS OF THE STUDY ALGORITHM TO SYNCHRONIZING SPACE-REMOVED CLOCKS ON NAVIGATIONAL SIGNAL
In persisting work further to earlier conducted studies is given development to theories to synchronizing space-removed keepers and is shown possibility of the estimation parameter to instability synchronized clocks.
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, позиционирования, 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.
В связи с переходом наземного комплекса управления (НКУ) ГЛОНАСС на беззапросные технологии формирования ЭВО, создается сеть беззапросных измерительных станций (БИС), оснащенных прецизионными измерителями псевдодальностей и высокостабильными часами. Требования к синхронности хода часов пространственно разнесенных БИС особенно высокие.
В дальнейшем изложении речь будет идти именно о синхронизации БИС, обеспечивающих траекторные измерения по орбитальным группировкам космических аппаратов (КА) GPS и КА ГЛОНАСС для целей формирования ЭВО СНС ГЛОНАСС. Информация о расхождении частотно-временных параметров часов получается непосредственно из навигационных сигналов СНС.
Традиционно при синхронизации пространственно-разнесенных часов оцениваются только расхождения шкал времени этих часов. В настоящей работе предложены методы синхронизации, позволяющие одновременно оценивать расхождения моментов шкал времени опорных и синхронизуемых
часов, а также характеристики долговременной и кратковременной нестабильностей частоты генератора синхронизируемых часов. На основе уравнений для погрешностей синхронизации также исследуются возможности достижения наивысшей точности синхронизации пространственно-разнесенных часов.
Рассматриваемые методы и алгоритмы синхронизации опираются на использование уравнений траекторных измерений вида (1), связывающих измеренные псевдодальности /.)(/) и уходы часов БИС AT],(t) = 7'n(t)-7ЦГ(1)
от шкалы времени центрального синхронизатора (ЦС) системы Тцс (t )
12
D(t) = p(uc, ия ) + с • АТП (0 + X Р (0 ( 1 )
¿=i
Здесь р(\\г,\\п) - геометрическая дальность от навигационного спутника с координатами ис до БИС с координатами ия;
р1(7),* = 1,...,12 - факторы, влияющие на точность траекторных измерений, которые принимаются во внимание при оценивании погрешностей синхронизации.
Для описания ухода часов АТП(г) от номинального момента шкалы времени принята математическая модель нестабильности часов в виде дифференциального уравнения
АТП{ 0 = ¿(0 + 40, АЗД0) = АТП^ е , (2)
связывающего уход часов БИС А'ГП{1) с характеристиками долговременной s(t) и кратковременной w(t) нестабильностей частоты
генератора часов [1].
Сравнительный анализ различных математических моделей нестабильностей во временной и в частотной областях приведен в работе [2]
Проведенные обсуждения влияния факторов на точность
синхронизации часов БИС позволяют определить условия, при которых погрешность одномоментной синхронизации часов в пунктах А и В с помощью алгоритма ДАС3 будет наименьшей. Эта ситуация возможна в момент прохождения НС через траверсную плоскость между пунктами А и В. Наиболее желаемая в этом плане ситуация, когда указанная траверсная плоскость лежит в плоскости орбиты НС. А этом случае имеется возможность удлинять сеансы синхронизации и применять усреднение результатов приема навигационных сигналов по времени с целью снижения уровней случайных погрешностей в составе общей погрешности синхронизации.
Это положение иллюстрируется результатами модельных исследований алгоритма синхронизации ДАС3 с помощью программного имитатора ModBis24.
На рис. 1 показана проекция траектории НС № 7, проходящая между пунктами синхронизации А в г Новосибирск и В в г Иркутск. Для синхронизации часов в пунктах А и В выбран отрезок траектории НС, когда спутник находится в положении близком к зенитному относительно этих пунктов.
На рис. 2 показан характер изменения отклонения момента шкалы времени часов в пункте В относительно шкалы эталона в пункте А.
В оценках параметра а0 (г), вычисляемых на интервале прохождения НС
№ 7 через траверсную плоскость на уровне 300-го отсчета на рис. 2 наблюдается оптимум. При этом погрешность оценивания среднего значения а0(г) составляет 2.5 см, что в единицах соответствует погрешности 0.1 нс.
Рис. 1. Проекция траектории НС № 7 при синхронизации часов в пункте А (г.
Новосибирск) и в пункте В (г. Иркутск)
Уход ШВ потребителя от ШВ ЦС
X
О
О X о я о.
к
X
О У
я х
м
0
-0,05 -0,1 -0,15 -0,2 -0,25 -0,3 -0,35
йг-С1-Ска йг-Р1 -Ска йг-Р2-Ска О е1Ь1в
отсчеты
Рис. 2. Оценивание расхождения моментов шкал времени часов в пунктах А и В с помощью алгоритма ДАС3 по данным кодовых измерений имитатора
МоёБ1в24
Схема оценивания вектора параметров нестабильности а [1] для алгоритма ДАС6 описывается уравнением (3), а вектор погрешностей оценивания е = а-а удовлетворяет уравнению (4). Принципиальной особенностью построения алгоритма ДАС6 является необходимость накопления результатов псевдодальномерных измерений Дг(7) на интервале
времени [г0, ^ ].
Й = [ ]\|/(о V (о • /у|/(0[-1] ^ (О]^; (3) У (О • Л ■ е = • [-¿5>,*(0] • Л • (4)
и л, П '=1 к=1
С одной стороны длительность интервала измерений [?0, ] должна быть достаточно большой, чтобы на этом интервале времени проявились дрейфы частоты а2 генератора синхронизируемых часов и был достигнут эффект усреднения шумов измерений. С другой стороны, на концах интервала наблюдений при низких углах места НС ( с^<15° ) проявляется в максимальной степени действие нескомпенсированных влияющих факторов
На основании этих соображений наиболее желательная ситуация с выбором траектории НС и конфигурации расположения пунктов синхронизации БИС заключается в следующем. Для сеанса синхронизации с оцениванием полного вектора состояний часов БИС
ят - <х;/ = 0,...,2 желательно выбирать НС с прохождением его в
траверсной плоскости между пунктами синхронизации А и В. Для целей синхронизации целесообразно применять псевдодальномерные измерения, полученные при углах места 15° < а <165°. Желательно такое расположение пунктов синхронизации, чтобы траверсная плоскость совпадала на интервале времени [г0, гк ] с плоскостью орбиты. При этом для оценивания расхождений моментов шкал времени а0 (г0) следует использовать алгоритм ДАС3 и результаты кодовых измерений, в которых отсутствуют фазовые неоднозначности измерений; а для восстановления составляющих а, а применять алгоритм ДАС6 и результаты фазовых измерений.
С помощью алгоритма ДАС6 исследовалась задача оценивания разности частот генераторов часов в пунктах А (г. Новосибирск) и В (г. Иркутск). Моделирование проводилось в условиях действия всех влияющих факторов рк (г) . Расхождение шкал времени часов в пунктах А и В задавались в единицах длины в виде функции
я0(0 = 2 + ах ■ 0 - г0) + е . (5)
В результате оценивания частоты а с помощью алгоритма ДАС6 по данным фазовых измерений была получена высокая идентичность полученных оценок а исходным данным и практическая независимость этих оценок от уровней кратковременной нестабильности часов и шумов измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Макаров И.Е., Толстиков А.С. Методы синхронизации пространственно разнесенных часов, основанные на применении спутниковых навигационных технологий. // Сборник материалов международного научного конгресса « ГЕО-СИБИРЬ-2006». 24-28 апреля 2006г. Том 4. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 212-216.
2. Макаров И.Е., Толстиков А.С. Сравнительный анализ методов синхронизации пространственно-разнесённых часов по навигационным сигналам. // Сборник материалов международного научного конгресса « ГЕ0-СИБИРЬ-2007».25-27 апреля 2007г. Том 4. Ч. 2. - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 98-102.
© И.Е. Макаров, 2009
