Научная статья на тему 'Сравнительный анализ методов синхронизации пространственно-разнесенных часов по навигационным сигналам'

Сравнительный анализ методов синхронизации пространственно-разнесенных часов по навигационным сигналам Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
211
83
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Макаров И. Е., Толстиков А. С.

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

Текст научной работы на тему «Сравнительный анализ методов синхронизации пространственно-разнесенных часов по навигационным сигналам»

УДК 621.396.2

И.Е. Макаров, А.С. Толстиков ФГУП «СНИИМ», Новосибирск

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЕННЫХ ЧАСОВ ПО НАВИГАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ

Существует большое количество задач научно-технического плана, требующих высокой согласованности моментов шкал пространственно-разнесенных хранителей времени (часов). Сюда могут быть отнесены задачи диспетчеризации, связи, геодезии и геофизики, космической и наземной навигации, баллистики и эфемеридной астрономии. Главным образом это задачи, решаемые на основе применения сети пространственно-разнесенных измерительных станций, синхронно фиксирующих развивающиеся во времени процессы. Высокие требования к синхронности работы таких станций возникают в случаях линейно-угловых измерений, приводящих к измерениям длительности интервалов времени. Для обеспечения качества таких измерений требуется, чтобы измеренные интервалы времени отсчитывались от согласованных моментов шкал времени часов, применяемых в составе указанных измерительных станций.

В связи с переходом 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 КА GPS и КА ГЛОНАСС для целей формирования ЭВО СНС ГЛОНАСС. Информация о расхождении частотно-временных параметров часов получается непосредственно из навигационных сигналов СНС.

Согласно [1], синхронизация шкал времени часов предполагает выполнение совокупности действий, после которых шкалы времени указанных часов становятся синхронными. Эти действия включают в себя:

- Оценивание расхождения моментов шкал времени, а так же оценивание характеристик нестабильности генератора часов;

- Расчет компенсирующих поправок;

- Применение аналитических или физически поправок к показаниям часов.

Традиционно [2] 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 измерений, связывающих измеренные псевдодальности ), геометрические дальности от НС до приемной антенны БИС р(ис,ип) и уходы часов БИС АУЯ(/) = Ти(1) - Тцг(1) от

момента шкалы времени центрального синхронизатора (ЦС) системы Тцс (?)

8

Щ) = р{ъс,ъп) + С • АЗД) + Хл(0 • (!)

ы\

Здесь рк(?),к = - факторы, влияющие на точность синхронизации,

представляют собой соответственно:

/?,(/) = с • АУ('.(У) - уходы бортовых часов НС А7'(,(1) относительно шкалы времени ЦС,

р2 (/) = А1)п (/), /?3 (/) = Ы)п> (/) - задержки навигационного сигнала в ионосферном и тропосферном слоях, выраженные в единицах длины;

А (*), Р (*) - погрешности, вызванные смещением фазовых центров передающей антенны от центра масс НС и смещением фазового центра приемной антенны аппаратуры потребителя;

р6 = N х Л - неоднозначность фазовых измерений, N - неопределенно количество фазовых циклов, укладывающихся на длину радиотрассы, X -длина волны несущей;

Р (?) - погрешности приведения вектора координат потребителя ип, определенных в связанной с вращающейся Землей гринвичской системе координат ГСК, в инерциальную систему координат ИСК 2000, а также погрешности вычисления вектора текущих координат НС ис по эфемеридам, рн(/) = у(7) - представляют собой погрешности измерений, имеющие случайную природу. В р (?) дополнительно входят случайные компоненты, характеризующие кратковременную нестабильность синхронизируемых часов.

Для описания уходов часов БИС используется дифференциальное уравнение [3]

А Тп (0 = + -и<0, А Тп (У0) = А Тт, У е [У0, У* ], (2)

связывающее уход часов БИС ДУ^Д/) с характеристиками

долговременной s(t) и кратковременной w(t) нестабильностей частоты

генератора часов. Долговременная составляющая представляется на интервале времени [ ^, ц ] линейной комбинацией

ь

•КО = 2^/(0-Я/ (3)

/=1

базисных функций щО) и неизвестных коэффициентов а,. Кратковременная составляющая нестабильности частоты трактуется как

выходной сигнал формирующего фильтра, на входе которого действует порождающий случайный процесс типа «белый шум» с ограниченной дисперсией. В дальнейшем изложении речь будет идти главным образом об идентификации параметров долговременной нестабильности а^1 = \,2,Ь = 2.

Для формализации рассматриваемой задачи синхронизации часов считаем, что имеется два пространственно разнесенных пункта А и В. В пункте А находится ЦС системы или часы БИСА с известными параметрами нестабильности , определенными в системе ЦС или Государственного эталона времени и частоты. В пункте В находится БИСВ с часами, параметры нестабильности которых требуется оценить по навигационным сигналам. Полагаем, что зонах радио-видимости пунктов А и В одновременно находятся п навигационных спутников, что позволяет одновременно в пунктах А и В проводить по п измерений псевдодальностей ВіА(ґ), БіВ(ґ).

Для синхронизации пространственно - разнесенных часов БИС в пунктах А и В в зависимости от условий, в которых эта задача решается, применяются алгоритмы, отличающиеся:

- Составом вектора состояния часов БИС;

- Составом и конфигурацией привлекаемого созвездия НС;

- Способом компенсации влияющих факторов р (ґ) в (1).

Алгоритм АС1 применяется в случае, когда координаты пункта БИСВ

неизвестны; и работа происходит по п радиовидимым НС. Алгоритм АС1, на основе решения системы п алгебраических уравнений вида (1) обобщенным методом наименьших квадратов (ОМНК), обеспечивает решение штатной задачи прямого назначения СНС - одномоментного определения координат потребителя в пункте В ипв и оценивания расхождения момента шкалы времени потребителя АТпв^) от шкалы ЦС СНС. При этом в качестве меры, воспроизводящей момент шкалы времени ЦС, используются групповые часы радиовидимого созвездия п НС. Усредненный по ансамблю этих часов момент шкалы времениГЕ(/) воспроизводит момент 1цС(0с погрешностью

дг2(о = Ш-адо.

По нашим оценкам СКО этой погрешности к концу интервала времени между закладками на борт ЧВП может составлять 7-10 нс.

Алгоритм АС2 применяется в случае, когда координаты пункта БИСВ ипв известны и для синхронизации используется п радиовидимых НС. Алгоритм АС2 обеспечивает одномоментное оценивание^ (7).

Дополнительная погрешность синхронизации определяется уровнями усредненных по ансамблю из п НС влияющих факторов р (ґ).

Алгоритм АС3 применяется при известных координатах пункта БИСВ

и ПВ .

Синхронизация производится по одному выбранному определенным образом НС.

При этом обеспечивается одномоментное воспроизведение момента шкалы времени бортовых часов выбранного НС.

Алгоритм АС4 позволяет получить оценки неизвестных координат пункта БИСв иШ1, оценки расхождений моментов шкал времени а() = AT(t0) и оценки параметров нестабильности а^а2 .Отличие режима работы алгоритма АС4 от режима АС1 связано с тем, что для оценивания аа2 требуется накопление измерений псевдодальностей на интервале времени [t0, tk ]. Этот интервал может включать одно или несколько прохождений НС в зоне радиовидимости БИСВ.

Алгоритм АС5 применяется в тех случаях, когда координаты пункта БИСВ известны и наблюдается n радиовидимых НС на интервале времени [ t0, tk ]. Алгоритм АС5 обеспечивает расчет оценок параметров нестабильности часов а0, а, а. Для этого используются результаты псевдодальномерных измерений, накопленные на интервале времени [t0, tk ], по n радиовидимым НС.

Алгоритм АС6 является частным случаем алгоритма АС5 при известных координатах пункта БИСВ и наблюдении одного, выбранного определенным образом НС. Алгоритм АС6 обеспечивает расчет оценок параметров нестабильности часов а0,аг, а2.

Получение оценок а0,а1,а2 с помощью алгоритмов АС4, АС5, АС6 сводится к решению системы алгебраических уравнений на основе ОМНК. Матрица такой системы, в силу ортогональности функций (pt{t)в (3) на интервале [t0, tk ], близка к диагональной.

Уровни погрешностей оценивания параметра ATnB(t) алгоритмами АС1, АС2, АС3 и параметров а0, а, а алгоритмами АС4, АС5, АС6 определяются главным образом уровнями влияющих факторов р (t) в исходном уравнении (1).

Наиболее эффективный путь повышения точности синхронизации часов в пунктах A и B основан на привлечении измерительной информации из пункта А в виде дифференциальных поправок к измерениям псевдодальностей ADAl(t), полученным в пункте А с известными координатами и известными отклонениями моментов шкалы времени А7'и1(/)от шкалы времени ЦС. Рассчитанные в пункте А поправки А/.) ,. (/) должны быть переданы по каналам связи в пункт B .

Важным условием применения таких поправок являются:

- Одинаковость радионаблюдаемых созвездий НС в пунктах А я В ;

- Однотипность применяемой аппаратуры псевдодальномерных измерений;

- Квазисинхронность проведения измерений в пунктах А иВ.

Применение дифференциальных поправок к алгоритмам АС1, АС2, АС3

приводит к соответствующим одномоментным дифференциальным

алгоритмам синхронизации ДАС1, ДАС2, ДАС3. Для алгоритмов АС4, АС5, АС6 , работающих с накоплением измерительной информации, применение дифференциальных поправок позволяет получить дифференциальные алгоритмы синхронизации ДАС4, ДАС5, ДАС6.

Введение дифференциальных поправок обеспечивает компенсацию влияющих факторов р (t) в (1). При этом уровни погрешностей компенсации в дифференциальных режимах будут меньше, чем в режимах абсолютных координатно-временных определении. Что важно, непосредственному оцениванию подлежат разности текущих уходов часов в пунктах А и В

ATm(t) - ATm(t) = TB(t) - TA(t).

Конкретное сравнение Spk{t) и pk(t) показывает, что для факторов /?,(/) и p4(t)B дифференциальном режиме Spl(t) = 0 и Sp4(t) = 0. Уровни погрешностей компенсации dp2(t) и Sp3(t) будут определяться различиями ионосферной и тропосферной обстановок на радиотрассах. Погрешности Sp7(t) связанные с неточными эфемеридами НС также существенно уменьшатся, а для малых рас-стояний между пунктами А и В менее 100 км можно считать Sp7 (t) = 0. Для погрешностей Sp5(t), связанных со смещением фазовых центров приемных антенн и для шумовых компонент Spz(t) следует ожидать увеличения характеристик разброса (СКО). Также увеличится неопределенность в неизвестной разности количества фазовых циклов 8р6 (t) = (Na - NB ) ■ Я.

В заключении отметим следующее.

1. В работе показана возможность оценивания не только координат потребителя и уходов шкалы времени применяемых часов, но и характеристик нестабильности часов потребителя. При этом требуется накопление результатов измерений на интервале времени [t0, ^ ].

2. Установлено, что конфигурация наблюдаемого созвездия НС не влияет на качество оценивания характеристик нестабильности генератора часов а, а,

а2 .

Однако, при выборе НС для решения задачи синхронизации предпочтение следует отдавать спутникам с зенитным прохождением. В этом случае влияние ионосферных и тропосферных составляющих факторов рк (t) будет минимальным.

3. Показано, что использование фазовых измерений псевдодальности обеспечит эффективное оценивание параметров нестабильности частоты генератора часов БИС. Расхождение моментов шкал времени в этом случае оценить невозможно из-за наличия фазовой неоднозначности в результатах измерений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 8.567-99. ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и определения. Введ. 01.01.2001. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 11 с.

2. Использование спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR для синхронизации шкал времени / И.А. Новиков и др. // Зарубежная радиоэлектроника. -1985. - № 11. - С. 3-35.

3. Тиссен В.М. Математические модели нестабильности КСЧ / В.М. Тиссен, А.С. Толстиков // Материалы 7-й Междунар. конф. “Актуальные проблемы электронного приборостроения”. АПЭП. - 2004. - Т. 3. - Новосибирск, НГТУ. - С. 263-269.

© И.Е. Макаров, А.С. Толстиков, 2007

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.