Научная статья на тему 'О некоторых проблемах синхронизации точного времени сигналами ГЛОНАСС'

О некоторых проблемах синхронизации точного времени сигналами ГЛОНАСС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
2737
340
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИНХРОНИЗАЦИЯ ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ / ПОГРЕШНОСТЬ СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ / ГЛОНАСС / НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ / СЕТЬ СВЯЗИ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Филимонов С. Н.

Аннотация: Синхронизация единого точного времени на сетях связи сигналами ГЛОНАСС имеет как преимущества так и недостатки относительно наземных средств передачи сигналов точного времени. Основным преимуществом является низкая стоимость создания структуры системы единого точного времени. Основным недостатком является наличие дополнительных специфических погрешностей синхронизации. В отличие от синхронизации тактовой частоты, синхронизация точного времени на сетях связи не достаточно исследована. Отсутствует необходимая информация о степени влияния погрешностей различного вида на конечный результат синхронизации времени, а также инженерные формулы расчёта погрешностей. Не разработаны нормативные документы, содержащие обязательные требования к процессу синхронизации времени и к значениям погрешностей синхронизации. В статье рассматриваются метрологические аспекты использования сигналов ГЛОНАСС для синхронизации шкалы времени системы единого точного времени, которую необходимо создать на сети связи общего пользования. Обсуждаются основные причины погрешностей синхронизации точного времени, их источники и отражение в нормативных документах и рекомендациях. Приводятся результаты оценки значений некоторых погрешностей, имеющих место при синхронизации точного времени на сетях связи сигналами ГЛОНАСС.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Филимонов С. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «О некоторых проблемах синхронизации точного времени сигналами ГЛОНАСС»

О некоторых проблемах синхронизации точного времени сигналами ГЛОНАСС

Ключевые слова: синхронизация точного времени, погрешность синхронизации времени, ГЛОНАСС, нормативный документ, сеть связи.

Синхронизация единого точного времени на сетях связи сигналами ГЛОНАСС имеет как преимущества так и недостатки относительно наземных средств передачи сигналов точного времени. Основным преимуществом является низкая стоимость создания структуры системы единого точного времени. Основным недостатком является наличие дополнительных специфических погрешностей синхронизации. В отличие от синхронизации тактовой частоты, синхронизация точного времени на сетях связи не достаточно исследована. Отсутствует необходимая информация о степени влияния погрешностей различного вида на конечный результат синхронизации времени, а также инженерные формулы расчета погрешностей. Не разработаны нормативные документы, содержащие обязательные требования к процессу синхронизации времени и к значениям погрешностей синхронизации. Рассматриваются метрологические аспекты использования сигналов ГЛОНАСС для синхронизации шкалы времени системы единого точного времени, которую необходимо создать на сети связи общего пользования. Обсуждаются основные причины погрешностей синхронизации точного времени, их источники и отражение в нормативных документах и рекомендациях. Приводятся результаты оценки значений некоторых погрешностей, имеющих место при синхронизации точного времени на сетях связи сигналами ГЛОНАСС.

Филимонов С. Н.,

директор по науке ФГУП ЦНИИС, д.т.н., filimonov@zniis.ru

Проблема создания системы единого точного времени (СЕТВ) на сети связи общего пользования (ССОП) уже достаточно давно обсуждается специалистами отрасли связи. Рассматриваются варианты ее структуры и их особенности, возможный состав технических средств [1, 2]. Обсуждается, в том числе, возможность использования сигналов ГЛОНАСС для синхронизации часов СЕТВ, а также проблема метрологического обеспечения СЕТВ, от которого зависит точность значения времени, поставляемого СЕТВ потребителям.

Приказом Минкомсвязи от 25.12.2009 № 184 измерение расхождения шкал времени в сетях операторов связи относительно шкалы координированного времени РФ иТС(51_1) (хранимой первичным государственным эталоном времени и частоты) отнесено к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений в части компетенции Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации и, соответственно, должно контролироваться надзорными органами. Однако, до настоящего времени нет утверждённых нормативными правовыми актами обязательных требований к величине расхождения шкал времени, без чего реализация контроля не возможна. Отсутствие обязательных требований может объясняться, в том числе, отсутствием исследований зависимостей расхождения шкал времени от влияющих факторов, а также конкретных численных значений.

Сигналы ГЛОНАСС являются одним из наиболее доступных способов распространения информации о точном времени от государственного эталона времени и частоты до потребителей. Глобальный характер покрытия поверхности Земли сигналами ГЛОНАСС, при условии полного состава группировки навигационных космических аппаратов (НКА), гарантирует доступность сигналов единого точного времени на всей территории Российской Федерации. Этот способ распространения точного времени удобен, легко реализуем технически и, в соответствии с Федеральным законом «Об исчислении времени» [3], обеспечен правовой поддержкой.

При использовании ГЛОНАСС для синхронизации шкалы времени ССОП единое точное время должно распространяется от государственного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) через подсистему хранения и передачи эталонных сигналов точного времени ГЛОНАСС к наземным приёмникам сигналов

ГЛОНАСС, входящим в структуру СЕТВ, и далее к средствам синхронизации и распространения точного времени на ССОП до конечных потребителей. В настоящее время в подсистему хранения и передачи эталонных сигналов точного времени ГЛОНАСС входят:

- центральный синхронизатор, содержащий наземные стандарты времени и частоты (НСВЧ), синхронизируемые от эталона времени и частоты (ЭВЧ);

-бортовые стандарты времени и частоты (БСВЧ), один или два раза в сутки синхронизируемые от наземного центрального синхронизатора (ЦС), входящего в состав подсистемы контроля и управления ГЛОНАСС.

Сигналы, соответствующие шкале времени БСВЧ, передаются к поверхности Земли, где должны приниматься, воспроизводиться и распространяться средствами СЕТВ.

Точность времени, распространяемого СЕТВ, должна периодически контролироваться независимой службой, оснащенной отдельным контрольным стандартом времени и частоты (КСВЧ). Этот стандарт для обеспечения объективности контроля должен синхронизироваться от ГЭВЧ по независимым от ГЛОНАСС и СЕТВ каналам.

Известно [4], что в сетях сотовой связи требуется точная частотная настройка с относительными погрешностями 0,5 х 10"* для технологии TDMA и 0,5 х 10'7 для технологий GSM и CDMA. Требования же к точности синхронизации времени чаще всего определяют сами производители средств связи.

Согласно рекомендациям ITU-R [5], технические средства глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАС должны обеспечивать погрешность шкалы времени не более + 500 не. Опорной шкалой времени для системы ГЛОНАСС является национальная координированная шкала времени РФ - UTC(SU). Поправки к шкале системного времени ГЛОНАСС относительно UTC(SU) вычисляются в подсистеме контроля и управления наземного комплекса управления и один или два раза в сутки передаются на борт каждого НКА эксплуатируемой группировки. Кроме того, в состав наземного комплекса управления входят средства коррекции шкал времени НКА относительно эталонной шкалы ЦС по передаваемым из наземного центра управления поправкам. Оперативная информация, транслируемая от НКА наземным приёмникам, содержит значение времени по шкале НКА и погрешность (расхождение) шкалы времени НКА (БСВЧ) относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС (НСВЧ).

Значения метрологических характеристик подсистемы хранения, воспроизведения и передачи сигналов времени ГЛОНАСС позволяют использовать их для синхронизации

шкалы времени СЕТВ. Однако при передаче сигналов точного времени от ГЛОНАСС к СЕТВ проявляются дополнительные источники погрешностей: время распространения радиосигнала от НКА к приемнику, задержки в аппаратуре передатчика и приемника, фазовые сдвиги за счет рефракционных явлений в ионосфере и тропосфере, «отставание» (замедление) бортового времени навигационного космического аппарата, вызванное релятивистскими эффектами.

Задержки распространения в бортовой аппаратуре измеряются при подготовке НКА к запуску и затем учитываются при синхронизации БСВЧ от ЦП. Групповая задержка радиосигнала в бортовой аппаратуре включает детерминированную и недетерминированную составляющие. Детерминированная составляющая учитывается в виде поправки при синхронизации системного времени ГЛОНАСС. Максимальное значение недетерминированной составляющей групповой задержки радиосигнала в бортовой аппаратуре НКА не должно превышать ±2 не [6]. Задержки в аппаратуре приёмников СЕТВ должны измеряться при вводе их в эксплуатацию, контролироваться в процессе эксплуатации и учитываться при синхронизации шкалы времени СЕТВ по сигналам от ГЛОНАСС.

Вклад релятивистских эффектов в расхождение значений времени, отсчитываемого часами НКА ГЛОНАСС и времени, отсчитываемого наземными часами СЕТВ, расположенными неподвижно относительно поверхности Земли можно оценить, используя формулы, приведённые в рекомендации ITU-R TF.20I8 [7]. Формулы приведены для расчётов в геоцентрической инерциальной системе отсчёта, обозначаемой ECI (Earth-Centered Inertial) [7], в которой Земля имеет только вращательное движение вокруг собственной оси. В дальнейшем в тексте вместо термина «Земля» будем использовать термин «геоид», под которым понимается небесное тело с определёнными физическими и геометрическими параметрами.

Расхождение интервала времени At’, отсчитанного часами, расположенными на НКА, и интервала времени Ат (от момента А до момента В), отсчитанного часами СЕТВ, расположенными на уровне моря на поверхности геоида, определяется выражениями [7]:

A,= £|l+I-(f/-ff;)+-Lv2l/r, (О

где U - гравитационный потенциал в точке нахождения НКА, определяемый выражением [7]:

U

6)).

(2)

что часы СЕТВ находятся на уровне моря. Отклонение от уровня моря внесёт в результат нашей оценки погрешность порядка 0,005% на каждый километр отклонения, чем вполне можно пренебречь.

Гравитационный потенциал часов НКА изменяется из-за изменения высоты НКА относительно геоида при движении НКА по орбите. При этом минимальное удаление НКА от геоида составляег 18840 км, а максимальное 19440 км [6]. Таким образом, относительное изменение расстояния НКА от начала координат ЕС1, которое совпадает с центром масс геоида, составляет примерно 2,4 %. Для упрощения расчётов можно пренебречь этим изменением, считая, что приемлемое значение погрешности оценки расхождения часов будет составлять порядка 5 %. Таким образом, считая разницу ({/ — И7») не зависящей от времени и используя для расчёта максимальное не зависящее от времени значение V, получим простое выражение для расчета искомой граничной сверху оценки:

/

Д/'= Дг +

(U-W0) г2 |А д

----^~- + —т |Аг = Дг + г,

с" 2с'

(3)

где Ат - интервал времени, соответствующий интервалу интегрирования (от момента А до момента В), е - расхождение интервала времени Ат, отсчитанного по часам СЕТВ, относительно интервала времени Аіотсчитанного по часам НКА.

Из выражения (3) легко определить относительное значение расхождения:

Г,

Єє = — = Ат

(,U~W0)

v

V

2с2

(4)

В выражении (2) обозначено: С - гравитационная постоянная, М - масса геоида, г - расстояние от центра масс геоида до точки расположения НКА, - вторая зональная гармоника разложения гравитационного потенциала в ряд по сферическим функциям, - средний экваториальный радиус геоида, со - широта геоида, Ир - гравитационный потенциал на поверхности геоида (на уровне моря), с - скорость света в вакууме, V = гпах | »’НКЛ - V, | - максимальное значение модуля разности вектора скорости часов, расположенных на НКА и вектора скорости часов, расположенных на поверхности геоида, измеренных в геоцентрической инерциальной системе отсчета, Уцка ~ вектор скорости НКА, У|г - вектор скорости часов СЕТВ, движущихся вместе с поверхностью геоида.

Выражение (1) представлено в виде интеграла в предположении, что разница гравитационных потенциалов и относительной скорости перемещения рассматриваемых часов могут зависеть от времени. Для рассматриваемой ситуации часы, находящиеся в СЕТВ являются стационарными относительно геоида и потому их гравитационный потенциал не зависит от времени. Для простоты оценки будем считать,

Векторы скоростей рассматриваемых часов циклически изменяют своё направление при вращении геоида вокруг оси и при движении НКА по орбите. Модуль V разности векторов скоростей принимает максимальное значение, когда орбиты движения часов НКА и СЕТВ находятся в одной плоскости, проходящей через центр геоида, и направлены противоположно друг другу. Оно равно сумме модуля скорости часов НКА и модуля скорости часов СЕТВ в неподвижной инерциальной системе отсчёта (ЕС1).

Модуль скорости часов НКА можно определить, зная значение драконического периода НКА [6] и среднее расстояние НКА до центра геоида (начала координат ЕС1). Модуль скорости часов СЕТВ зависит от широты ш расположения часов на поверхности геоида и определяется выражением:

, . 2лЛ, соъсо

УЕ(<р) =-----*------.

Е 86400с

Исходные данные для расчёта граничной сверху оценки расхождения часов, расположенных на НКА ГЛОНАСС и на поверхности геоида на широте Москвы приведены в таблице.

Подставив в выражение (4) значения параметров из таблицы получим искомое значение граничной сверху оценки относительного расхождения показаний часов НКА и часов СЕТВ. Общее значение относительного расхождения показаний часов НКА и часов СЕТВ, расположенных на широте Москвы, составляет: минус (0,43 ± 0,02)-10 4, т.е. часы НКА опаздывают относительно наземных часов примерно на 0,43 наносекунды за каждую секунду.

При желании легко можно оценить влияние широты расположения часов СЕТВ на полученный результат. При размещении часов СЕТВ на экваторе геоида полученное значение оценки расхождения увеличится примерно на 1,6 %.

Расхождение за счет разницы гравитационных потенциалов часов почти не зависит от времени и может считаться систематической составляющей погрешности, которая может быть определена и исключена из общей погрешности передачи точного времени. Расхождение за счет ненулевых значений разницы векторов скоростей движения часов не

только циклически изменяется во времени, но зависит также от угла между плоскостями, в которых лежат вектора скорости и центр геоцентрической инерциальной системе отсчета. Вычисление и исключение этой составляющей погрешности возможно, но трудоемко. Она может составлять до 25% от общего значения расхождения часов.

Параметр Обозна- чение Значение Примечание

Дракон и чес кий период КА ГЛОНАСС тд 40544 с [6]

Высота КА ГЛОНАСС над поверхностью геоида h от 18840 до 19440 км [6]

Средний экваториальный радиус геоида Я| 6371000 м

Максимальное значение модуля разности векторов скорости часов, расположенных на НКА и скорости часов, расположенных на поверхности геоида, измеренных в геоцентрической инерциальной системе отсчета V 4100 м с1

Гравитационная постоянная G 6,67385-10 " ч -2 -1 м3*с -кг

Масса геоида М 5,9736-10і4 кг

Скорость света с 299792458 м/с

Вторая зональная гармоника разложения гравитационного потенциала в ряд по сферическим функциям Ji 1,0826-10"* [6]

Гравитационная потенциал на поверхности геоида Wo 6,2636856-10' 2 -2 м~-с * [7]

Согласно документу [8], погрешность передачи времени иТС(8и) на интервале 24 часа системой ГЛОНАСС должна быть не более ±700 не, т.е. относительное расхождение часов НКА и наземных часов должно быть не более 0,7-10'6 на интервале 24 часа. Поскольку поправки к шкале системного

времени ГЛОНАСС относительно UTC(SU) вычисляются в ПКУ ГЛОНАСС и один или два раза в сутки передаются на борт каждого НКА [6], то, то в середине интервала коррекции (через 6 часов) расхождение из-за релятивистских эффектов составит примерно {(6 х 60 х 60) с х 0,43 х 10 4 } = 9,3 мкс, а к концу интервала коррекции, соответственно, примерно 18,6 мкс. Расхождение часов НКА может накапливается с темпом примерно 1 мкс за 39 минут.

Следовательно, для обеспечения привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале UTC(SU) с погрешностью не более ±700 не, коррекция часов НКА должна выполняться с интервалом не более 27 минут.

Литература

1. Современные проблемы частотно-временного обеспечения сетей электросвязи/Сборннк трудов международных научнотехнических конференций. - М .: ФГУП ЦНИИС, 2010.

2. Рыжков А.В.. Насонов А./О.. Новожилов Е.О., Колтунов М.Н.. Шварц М.Л. Концептуальные предложения по построению системы распределения сигналов единого точного времени в сети связи общего пользования Российской Федерации. Труды 11-й международной научно-практической конференции «Эволюция транспортных сетей, сети будущего, проблемы синхронизации и распределения времени», Украина, г. Ивано-Франковск, 23-25 мая 2012 г., С. 15-20.

3. Об исчислении времени. Федеральный закон Российской Федерации от 3 июня 2011 года № 107-ФЗ.

4. Радионавигационный план РФ. Утверждён приказом Мнн-промторга России от 02.09.2008 г. № 118.

5. Recommendation ITU-R TF.1011-1 Systems, techniques and services for time and frequency transfer.

6. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Навигационный радиосигнал в диапазонах LI, L2 с открытым доступом и частотным разделением (редакция 5.1). - М.: РНИИ КП, 2008.

7. Recommendation ITU-R TF.2018 Relativistic time transfer in the vicinity of the Earth and in the solar system.

8. ГОСТ P 52867-5-2009 Глобальная навигационная спутниковая система. Параметры радионавигационного поля. Технические требования и методы испытаний.

Some problems of precise time synchronization of GLONASS signals

Filimonov S.N.

Abstract

A precise time synchronization on networks of communication of the ГЛОНАСС signals has both advantages and disadvantages relative to ground-based transmitting signals of precise time. The main advantage is the low cost of creating a unified structure of precise time. The main drawback is the presence of additional specific synchronization errors. Unlike the clock frequency synchronization, synchronization of precise time on communication networks is not sufficiently researched. Not enough accurate information on the extent of influence of various types of errors on the final result of time synchronization and engineering formulas of calculation errors. Not developed regulatory documents that contain mandatory requirements for time synchronization and synchronization error values. In this report there are examined the metrological aspects in application of ГЛОНАСС signals for precision time scale synchronization to be created for general-purpose communication network. The report discusses the main causes of precise time synchronization errors, their sources and reflection in regulations and recommendations. The results of evaluating the values of some errors that occur during synchronization of precise time on PSTN of ГЛОНАСС signals are given.

Keywords: accurate time synchronization, time synchronization error, ГЛОНАСС, normative document, communication network.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.