CC BY
99
УДК 535:681.7
СИНХРОНИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЕННЫХ ЧАСОВ НА ОСНОВЕ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Александр Сергеевич Толстиков
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, начальник ГСВЧ ФГУП «СНИИМ», доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства СГГА, тел. (383)210-11-85, email: [email protected]
Анжелика Равильевна Безродных
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирантка кафедры метрологии и технологии оптического производства, e-mail: [email protected]
В работе анализируются погрешности синхронизации пространственно-разнесенных часов на основе применения спутниковых навигационных технологий и обсуждаются возможностей повышение точности синхронизации на основе принципов, используемых в методологии РРР.
Ключевые слова: спутниковые навигационные технологии, координатно-временные определения, псевдодальномерные фазовые измерения, пространственно-разнесенные часы, методология РРР.
SYNCHRONIZATION SPATIALLY SEPARATED CLOCK BASED ON PSEVDODALNOMERNYH PHASE MEASUREMENTS
Aleksandr S. Tolstikov
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova, Ph. D., Prof. of Department metrology and optical engineering technologies SSGA, e-mail: [email protected]
Angelika R. Bezrodnikh
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, graduate department of metrology and optical engineering technologies, e-mail: [email protected]
This paper analyzes the synchronization error spatially separated clock based on the use of satellite navigation technologies and the possibilities of increasing the accuracy of synchronization based on the principles used in the methodology of PPP.
Key words: satellite navigation technology, coordinate temporary definitions, psevdodalnomernye phase measurements, spatially separated clocks, PPP methodology.
Введение
Одной из задач прямого назначения ГНСС является предоставление потребителю информации о моменте эталонном времени. При этом навигационные технологии опираются на применение частотно-временных измерений.
Исходными данными для координатно-временных определений на основе спутниковых навигационных технологий являются результаты измерений дальностей от навигационных спутников до потребителя. Эти
измерения сводятся к измерению интервалов времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от передающей антенны навигационного спутника до приемной антенны аппаратуры потребителя. При этом необходимо, чтобы эти интервалы времени измерялись с требуемой точностью, и, что особенно важно, эти интервалы должны отсчитывались от согласованных моментов времени.
Последнее условие делает актуальной задачу синхронизации шкал времени часов, участвующих в измерениях.
В настоящее время в спутниковых навигационных технологиях находит применение методология РРР (Precise Point Positioning) [1]. Повышение точности позиционирования согласно этой методологии достигается за счет привлечения апостериорной, более точной по сравнения с бортовой, эфемеридно-временной информации, использования в качестве исходных данных результатов фазовых псевдодальномерных измерений и улучшения качества исходных данных за счет предварительной обработки результатов псевдодальномерных измерений.
Целью настоящей работы является анализ точности синхронизации пространственно-разнесенных часов на основе применения спутниковых навигационных технологий и исследования возможностей повышение точности синхронизации на основе принципов, используемых в методологии РРР.
1 Постановка задачи синхронизации
Согласно [2], синхронизация пространственно-разнесенных часов сводится к последовательности действий, в результате которых моменты шкал времени указанных часов оказываются согласованными.
Эти действия предполагают: определение расхождения шкал времени синхронизируемых часов теми или иными методами, а также расчет и применение поправок, компенсирующих это расхождение.
Существующие методы сравнения шкал времени часов могут быть объединены в три группы [3,4]:
1. Методы прямой передачи потребителю момента шкал времени часов. Точность синхронизации этими методами зависит от характеристик канала связи и от уровней влияющих факторов.
2. Дифференциальные методы, более точные по сравнению с методами первой группы, предполагают прием в пунктах синхронизации сигналов от "третьих" часов и обмен информацией о результатах приема между этими пунктами. Результаты синхронизации в этом случае зависят от неодинаковости условий прохождения синхронизируемого сигнала по радиотрассам.
3. Дуплексные методы [5], наиболее точные, используют прямую передачу с помощью специальной аппаратуры синхронизируемого сигнала от одного пункта синхронизации к другому и переизлучение этого сигнала в обратном направлении. Точность синхронизации в этом случае не зависит от характеристик канала связи.
Спутниковые навигационные технологии позволяют реализовать методы синхронизации первой и второй группы без привлечения специальной аппаратуры. Информация о шкалах времени синхронизируемых часов в этом случае извлекается непосредственно из результатов беззапросных псевдодальномерных измерений.
Уравнения беззапросных кодовых и фазовых измерений имеют вид:
N
D(t) = p(us, ur ) + ATr (t) ■ с + ^ p (t), (1)
i=1
N
p (t) = p(us,uR) + ATsr(t)■ c + K ■l + Xq(t), (2)
i=1
где D(t) и p (t) - измеренные на момент прихода навигационного сигнала на
приемную антенну кодовые и фазовые псевдодальности, выраженные в
/2 2 2 единицах длины; , ur ) = у/(хs ~ xr ) + (Уs ~ Уr ) + (zs ~ zr ) -
геометрическая дальность от передающей антенны спутника до приемной
антенны потребителя; uT =(, у5, % ) - вектор координат спутника в
геоцентрической Гринвичской системе координат; uT =( х^, у^, z^ ) - вектор координат антенного модуля пункта синхронизации;
ATSR (t) = ATS (t) + ATR (t) - суммарное расхождение бортовой ATS (t) и наземной AT^ (t) шкал относительно эталонного времени; l - длина волны несущей с литерной частотой, на которой передаётся навигационный сигнал; K - целое неопределённое число длин волн, укладывающихся в измеренном расстоянии; с - скорость распространения навигационного сигнала в вакууме; p (t), qi (t) - факторы, влияющие на точность кодовых и фазовых псевдодальномерных измерений, к которым относятся выраженные в единицах длины задержки навигационного сигнала в ионосферном и тропосферном слоях, поправки за релятивистские эффекты, смещения фазовых центров антенных модулей, аномальные значения, связанные с многолучевостью распространения навигационного сигнала, неучтенные задержки в радиотрактах передающей и приемной аппаратуры, погрешности измерений и другие факторы.
Необходимо отметить, что уровень шумов в фазовых измерениях существенно ниже, чет в кодовых измерениях. Это делает фазовые измерения более привлекательными для задач синхронизации.
2 Применение фазовых псевдодальномерных измерений Проблема состоит в наличии в составе фазовых измерений составляющей K ■ l, связанной с неопределенностью числа фазовых циклов в
P (t) •
Определение K-Л непосредственно из разности D(t)-p(t) не даст желаемых результатов, поскольку в кодовые D(t) и фазовые р (t) измерения составляющие связанные с ионосферной задержкой p\(t) = fion(t) -c
qi(t) = -Tion (t) - c входят с противоположными знаками. По этой причине для оценивания K-Л в кодовых D(t) и фазовых р (t) измерениях применяется предварительная компенсация ионосферной задержки на основе привлечения измерений на комбинационной частоте [6]. Полученные таким образом свободные от ионосферной задержки фазовые измерения
N-1
Ap(t) = p(t) - р(us, uR) - K - Л = TSR (t) - c + ^ q (t) (3)
i=1
после компенсации с помощью поправок геометрической дальности
л а
р(us,Ur) и фазовой неоднозначности 1С -Л с учетом равенства ATSR (t) = ATS (t) + A TR (t) непосредственно могут использоваться для оценивания прямым методом момента шкалы времени синхронизируемых часов ATr (t).
Согласно (3), погрешности оценивания ухода шкалы времени синхронизируемых часов будут зависеть от уровней нескомпенсированных влияющих факторов, погрешностей оценивания геометрической дальности öp(us,Ur) =р(us,ur)- p(us,ur) , погрешностей оценивания фазовой
а
неоднозначности SK = K - K, погрешностей представления уходов бортовой шкалы времени с помощью частотно-временных поправок STs (t) = ATs (t) -ATs (t).
Более высокими характеристиками точности, по сравнению с прямыми методами синхронизации обладают дифференциальные методы. В соответствии с методологией «common view», в пунктах синхронизации А и В прямыми методами оцениваются суммарные расхождения шкал времени AT$r (t) = ATS (t) + ATr (t) и AT| (t) = ATS (t) + ATr (t) на основе квазисинхронного приема сигналов одного, выбранного определенным образом, спутника. После обмена результатами оценивания между пунктами синхронизации А и В из разностей AT^ (t) - AT^, (t) непосредственно
— AD Л d
определяется оценка расхождения шкал времени ATRAB (t) = ATRA (t) - ATRB (t).
В настоящее время метод «common view» трансформировался в метод синхронизации, включающий в обработку данные по всей радиовидимой в каждом пункте в течение суток орбитальной группировке спутников. В обмен информацией между пунктами синхронизации представлялись результаты усреднения по всему ансамблю орбитальной группировки. Этот подход был предложен в 1993 году международной группой CGGTTS по выработке стандарта - Common GPS GLONASS Time Transfer Standard.
Программная реализация метода выполнена P. Defraigne для GPS наблюдений. Позднее программа P. Defraigne была адаптирована сотрудниками «ВНИИФТРИ» М.Б.Кауфманом и С.Л.Пасынком для обработки результатов наблюдений ГЛОНАСС (версия CV-GG).
Погрешности синхронизации часов дифференциальными методами по сравнению с прямыми методами оказываются существенно меньше. Это обеспечивается частичной компенсацией всех влияющих факторов qf (t) и qf (t) в уравнениях оценивания (3). Полной компенсации не происходит по причине существования в этих факторах случайных составляющих.
В частности, при расчете прогнозов положения бортовых шкал времени ДТ8 (t) с применением частотно-временных поправок используются упрощенные математические модели нестабильности часов [6]. Эти модели используют информацию об отклонении момента бортовой шкалы времени от системной ДТ (t0) и относительном отклонении частоты бортового
генератора s(t0 ) на момент прогнозирования t 0 . Такие прогнозы частично компенсируют систематическую погрешность.
Заключение
В ходе проведенного анализа погрешностей синхронизации шкал времени пространственно-разнесенных часов на основе применения спутниковых навигационных технологий и использования псевдодальномерных фазовых измерений, используемых в методологии РРР, был сделан вывод, что при данных методах измерения не учитывается влияние случайной составляющей погрешности при компенсации уходов бортовых шкал времени навигационных спутников с помощью частотно-временных поправок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Presice point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large network / J. F. Zumberge, M. B. Heflin, D. C. Jefferson, M. M. Watkins and F. H. Webb // J. of Geoph. Research, Vol. 102, No B3. - 1997. - P. 5005-5017. - Англ.
2. ГОСТ 8.567-99. Измерение времени и частоты. Термины и определения. Введ. 01.01.2001. 2001. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 11с.
3. Толстиков А. С. Алгоритмы синхронизации пространственно-разнесенных часов по сигналам спутниковых навигационных систем. // «Метрология», приложение к журналу «Измерительная техника». - 2009. - №9. - С.25-35.
4. 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», № 11,1987. - с 3-15.
5. Koudelka O., Ressler H. Two-way Satellite Time Transfer for the Sinchronization of referece Clocks for Satellite Navigation Systems. // Proceeding of GNSS 2003. - European Navigation Conference / 22-25 April 2003. Graz, Austria.- P. 1-7.
6. Рютман Ж. Характеристики нестабильности фазы и частоты сигналов высоко стабильных генераторов: // ТИИЭР. - 1978. - Т. 66. - № 9. - С. 70.
© А. С. Толстиков, А. Р. Безродных, 2014
