Навигационные комплексы Гланасс и Новстар

НИСЗ и передается в составе СИ. Аналогичный способ можно использовать и в

НХВ системы «Навстар», где временная задача будет решаться аппаратурой

«Глонасс» по сигналам её НИСЗ. Более высокую точность сведения ШВ систем

можно обеспечить при синхронизации НХВ в дифференциальном режиме.

1.3. МЕТОДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ

1.3.1. Краткая характеристика хранителей времени

Наиболее высоким уровнем эффективности использования различных РИС

представляется создание единого радионавигационного поля, когда излучения

всех источников навигационных сигналов синхронизированы. При этом

информация, выделяемая при обработке сигналов любой из излучающих

радиостанций, способна в соответствующей степени повысить точность и

надежность навигационно-временных определений.

Задачу синхронизации ШВ сети стационарных и подвижных пунктов можно

решить различными методами. Однако в последнее время в связи с созданием

глобальных сетевых спутниковых РИС «Глонасс» и «Навстар» вновь привлечено

внимание к способу синхронизации с использованием НИСЗ , что связано с

ожидаемой высокой точностью при глобальной зоне обслуживания.

Для обоснования использования СРНС для этих целей приведем общую

характеристику хранителей временных шкал в этих системах.

Спутниковые РИС характеризуются высокими требованиями к формированию

системной шкалы времени и ее поддержанию (хранению) в течение всего срока

существования системы. Необходимость в высокой стабильности временной шкалы

возрастает по мере повышения требований к точности навигационных

определений, в особенности при использовании пассивного дальномерного

метода.

Системная шкала времени задается наземным хранителем времени (НХВ).

Носителями системного времени на борту НИСЗ являются бортовые хранители

времени (БХВ). При этом в системе непосредственно используются бортовые

шкалы НИСЗ, поскольку именно их состояние определяет точность измерений

РНП, а шкала наземного хранителя выступает как эталонная. Приведение в

соответствие шкал БХВ НИСЗ со шкалой НХВ, т. е. синхронизация временных

шкал, осуществляется путем проведения операций сверки и коррекции времени с

использованием радиоканалов НИСЗ - Земля и Земля - НИСЗ.

Времязадающим элементом в ССРНС является НХВ, который создает шкалу

времени (и необходимую сетку синхрочастот) путем деления частоты

высокостабильного опорного генератора.

В качестве опорного генератора используются цезиевые или водородные атомные

стандарты. Одной из основных характеристик стандартов частоты является

относительная нестабильность частоты на некотором определенном интервале

времени

(f/f0=(f1 -f0)/f0 ,

(1.1)

где: f1 и fо - соответственно действительное и номинальное значения

частоты.

Для современных атомных стандартов суточная относительная нестабильность

частоты (1...5)x10-14 и выше. Конечно, для поддержания столь высокой

стабильности необходимо создание сложного аппаратурного комплекса,

обеспечивающего функционирование сердцевины НХВ - атомного стандарта - в

условиях постоянной температуры, минимального влияния внешних и внутренних

электромагнитных полей, исключения вибраций и т. д.

В БХВ, как и в НХВ, временная шкала формируется высокостабильным опорным

генератором. В БХВ используются кварцевые или атомные стандарты частоты.

Космические кварцевые стандарты имеют относительную нестабильность

(1...5)x10-10, а атомные до 1 x 10-11...1 x 10-12. Возможности дальнейшего

улучшения стабильности кварцевых генераторов практически исчерпаны, а

значения нестабильности частот атомных стандартов могут быть доведены до 1

x 10-13 и единиц 10-14.

Предположим, что бортовые шкалы времени НИСЗ приведены в строгое

соответствие со шкалой НХВ. Далее, с течением времени начнется неизбежное

расхождение этих шкал и прежде всего за счет ухода частоты БХВ, поскольку

именно они эксплуатируются в наиболее сложных условиях. Наряду с этим при

создании космических БХВ сталкиваются с рядом ограничений (весовых,

габаритных и энергетических), что не позволяет реализовать инженерно-

технические решения, направленные на повышение стабильности.

Стабильность частоты опорного генератора БХВ зависит от многих факторов.

Для кварцевых стандартов, например, это - геометрические размеры кварцевой

линзы, конструкция держателя кристалла, совершенство электронной схемы,

стабильность поддержания теплового режима, параметры окружающего магнитного

и электрического полей и т. д. Обычно принимаются меры конструктивного,

схемного и технологического характера к тому, чтобы устранить или

существенно ослабить влияние дестабилизирующих факторов. Так, в БХВ

применяют систему термостатирования, обеспечивающую поддержание рабочей

температуры с точностью до сотых долей градуса. Для защиты от воздействия

внутренних и внешних электромагнитных полон используется система экранов,

ослабляющих их до единиц и долей эрстеда.

При правильном учете особенностей функционирования БХВ в составе

аппаратуры НИСЗ можно добиться некоторого ослабления воздействия

дестабилизирующих факторов. Для прецизионной аппаратуры, к которой можно

отнести и БХВ, требуется создание более благоприятных условий, например

поддержание теплового режима в окрестности установки в пределах tp± 10(С,

где tp - оптимальная температура для работы БХВ. Соответственно налагается

ограничение и на градиент температурного поля в месте установки БХВ при

изменении внешнего и внутреннего тепловых потоков, действующих на НИСЗ.

Подбором взаимного расположения блоков аппаратуры, а при необходимости и

установкой дополнительных экранов ослабляется воздействие наводимых в

корпусе НИСЗ электромагнитных полей. При высокой насыщенности

радиоэлектронной аппаратурой обеспечение указанных условий

работоспособности БХВ на борту НИСЗ является нелегкой задачей.

Необходимо отметить, что на уход бортовой шкалы времени немалое влияние

оказывают и индивидуальные особенности того или иного образца БХВ. Это –

точность установки номинала частоты опорного генератора, точность

воспроизводимости частоты от включения к включению, шумовые характеристики

электронной схемы БХВ и др.

Основные характеристики некоторых типов спутниковых бортовых стандартов

частоты приведены в табл. 1.

Таким образом важной стороной использования СРНС может является передача

сигналов единого времени. Без особых трудностей шкала системы может быть

синхронизирована со шкалой системы единого времени (СЕВ). Расхождения шкал,

выявляемые в процессе синхронизации, фиксируются как поправка к системному

времени. Эта поправка в виде, соответствующего кода вносится в состав кадра

навигационного сигнала. Потребители в процессе навигационного сеанса

определяют системное время, а учитывая указанную поправку, и время в шкале

СЕВ.

Как видно из изложенного ССРНС 2-го поколения могут эффективно решать

задачи временной синхронизации удаленных пунктов. Выполняться это может

различными способами.

|Характеристи|Кварцевый |Атомные стандарты частоты |

|ка |стандарт | |

| |частоты | |

| | |Рубидиевый |Цезиевый |Водородный |

|Масса, кг |1,35 |2,25 |13,5 |33,7 |

| | | | | |

|Потребление,|2,0 |13,0 |25,0 |30,0 |

|Вт | | | | |

|Объём, дм3 |1,13 |1,13 |11,3 |28 |

|Относительна| | | | |

|я |5 x 10-10...1|1 x 10-12 |1 x 10-13 |1 x 10-14 |

|нестабильнос|x 10-10 | | | |

|ть частоты | | | | |

|(за сутки) | | | | |

|Температурны| | | | |

|й |2 x 10-11 |– |– |– |

|коэффициент | | | | |

|частоты | | | | |

|(1/(С) | | | | |

|Факторы | |Ухудшение |Уровень | |

|ограничивающ|Старение |характеристи|шумов в |Запас |

|ие срок |кварца |к лампы |атомно-лучев|водорода |

|службы | | |ой трубке | |

Таблица 1. Основные характеристики некоторых бортовых стандартов частоты

НИСЗ.

Например в каждом из пунктов синхронизируемой сети ШВ формируются

местными преобразователями фазы и частоты высокостабильных генераторов,

обеспечивающих прецизионное хранение начала и масштабов интервалов времени.

Для поддержания высокой точности синхронизации ШВ различных пунктов

необходимы периодическая сверка и взаимное сведение этих шкал. Чем ниже

стабильность хранения и точность сверки ШВ, тем чаще должно осуществляться

их сведение для обеспечения заданной точности синхронизации.

При использовании сигналов нескольких синхронизированных НИСЗ сверка сети

пунктов производится обработкой результатов измерений времен прихода

сигналов на эти пункты. Наиболее характерные алгоритмы обработки измерений

базируются на использовании метода наименьших квадратов или рекуррентного

фильтра Калмана. В зависимости от способа дальнейшего использования

найденного временного рассогласования, определяемого функциональным

назначением данного синхронизируемого пункта, возможны различные варианты

сведения ШВ сети пунктов по сигналам СРНС.

1.3.2. Способы синхронизации удалённых пунктов

Наиболее простой способ синхронизации заключается в независимой работе

пунктов по НИСЗ ССРНС (рис. 2). При этом каждый из синхронизируемых пунктов

(i-й, j -й) независимо сверяет свою ШВ (tЭЧ)с ШВ сети НИСЗ определяет

поправку ((t =t НИСЗ – t ЭЧ) и корректирует свою ШВ на размер этой

поправки. Как видно из рис.1, после проведения сеансов сверки в i-м и j -м

пунктах ШВ каждого из пунктов оказываются привязанными к шкале времени t

НИСЗ. Типичным примером подобного способа синхронизации сети пунктов

является использование для этого аппаратуры потребителей ССРНС.

[pic]

Рисунок 2Структурная схема синхронизации ШВ сети спутников по сигналам

ССРНС.

[pic]

Рисунок 3 Структурная схема сверки ШВ первичного и вторичного ЭЧ

Нередко возникает необходимость привязать ШВ некоторого i-го пункта не к

ШВ НИСЗ, а к ШВ некоторого другого j-го пункта. В качестве примера можно

привести сверку вторичного эталона частоты (ВЭЧ) и первичного эталона

частоты (ПЭЧ). В этом случае сведение ШВ с помощью НИСЗ может быть

осуществлено в соответствии со структурной схемой, изображенной на рис. 2.

Каждый из пунктов определяет рассогласование своей ШВ относительно ШВ

системы НИСЗ. Затем j-й пункт, где расположен ПЭЧ, передает информацию о

рассогласовании

((t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на i-й пункт, где расположен ВЭЧ. На этом последнем

пункте в аппаратуре обработки сравниваются размеры рассогласования (t НИСЗ

– t ПЭЧ ) и

(t НИСЗ – t ВЭЧ ) и расхождение ШВ ПЭЧ и ВЭЧ определяется как их разность.

При необходимости ШВ ВЭЧ корректируется. Для передачи информации о

рассогласовании ((t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на пункт, где расположен ВЭЧ,

допустимо использовать любую связную радиолинию, которая может быть

узкополосной, поскольку данная информация медленно изменяется и легко

преобразуется в цифровую форму. Если информация о ШВ ПЭЧ необходима

широкому кругу потребителей, то она может быть передана им через НИСЗ.

1.4. МЕТОДЫ СВЕРКИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССРНС ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ БХВ

ИСЗ С НХВ.

Сверка времени в СРНС проводится для выявления ухода шкалы времени

относительно эталонной шкалы НХВ. По размеру ухода можно судить о

функционировании хранителя времени (ХВ) и о необходимости коррекции шкалы.

В общем случае, ведя прием радионавигационного сигнала на пункте сверки,

определяют значение времени в бортовой шкале на момент излучения сигнала

НИСЗ. К моменту приема сигнала значение времени в бортовой шкале t( ШВ

изменится и будет определяться выражением

t( ШВ= tИЗМ + (tр + (tрэ + (tпр,

(1.2)

где:

(tр - время распространения сигнала на трассе НИСЗ -Земля;

(tрэ - «отставание» бортового времени, вызванное релятивистскими

эффектами,

(tпр - прочие аппаратурные и методические погрешности.

Время распространения сигнала (tр определяется расстоянием между НИСЗ и

пунктом сверки и скоростью распространения радиоволн. При этом необходимо

учитывать, что в фазу радионавигационного сигнала, являющуюся носителем

информации о бортовом времени, вносятся дополнительные фазовые сдвиги за

счет рефракционных явлений в ионосфере и тропосфере.

Существенный вклад в погрешность определения времени распространения

могут вносить задержки сигнала в наземной и бортовой аппаратуре

радиоканала. Поэтому наземная аппаратура периодически калибруется и

задержка учитывается при сверке шкал.

Релятивистские эффекты порождают различное течение времени на НИСЗ и на

наземном пункте. Это вызвано, с одной стороны, относительным движением

систем отсчета и, с другой, изменением течения времени под влиянием

гравитационного потенциала. Знание с высокой точностью параметров взаимного

движения НИСЗ и наземного пункта на моменты сверки позволяют рассчитать

величину (tpэ с точностью до единиц наносекунд.

В зависимости от процедуры определения времени распространения сигнала от

НИСЗ до наземного пункта различают пассивный и активный методы сверки

времени.

При пассивном методе сверки времени на наземном пункте принимают

радионавигационный сигнал и фиксируют значение времени бортовой шкалы. На

основе данных траекторных измерений вычисляют дальность до НИСЗ и

определяют время распространения сигнала. При этом учитывают параметры,

характеризующие состояние ионосферы и тропосферы на трассе НИСЗ - Земля.

Для проведения высокоточной сверки необходимо рассчитывать дальность до

НИСЗ с погрешностью до 1 м, что требует использования измерительных систем

высокой точности. С другой стороны, для учета рефракционных погрешностей

необходимо иметь надежную модель распространения радиоволн.

После проведения серии измерений, используя известные методы

статистической обработки информации, определяют значения расхождения

бортовой и наземной шкал времени. Метод сверки временных шкал, подобный

описанному, используется в СРНС «Глонасс» и «Навстар».

При активном методе сверки для определения времени распространения

привлекаются измерительные каналы Земля - НИСЗ и НИСЗ - Земля. Время между

посылкой запросного и приемом ретранслированного навигационным

искусственным спутником Земли сигнала составляет удвоенное значение времени

распространения (tp.

Рефракционные и прочие погрешности учитываются расчетным путем так же,

как и при пассивном методе, с помощью поправок.

Выбор метода сверки временных шкал зависит от требуемой точности сверки,

знания модели распространения радиоволн с целью расчета рефракционных

поправок, точности расчета положения НИСЗ на моменты сверки и т. д.

Ясно, что активный метод более прост в методическом обеспечении и прочих

равных условиях позволяет реализовать более высокие точности, но требует

дополнительной аппаратуры как на наземном пункте, так и на борту НИСЗ.

Значение бортового времени, полученное одним из описанных методов,

сравнивается с временем НХВ, в результате чего и определяется расхождение

шкал и его знак. Поправка к бортовой шкале времени, формируемая в виде кода

коррекции, поступает в пункт управления для передачи на НИСЗ. Полезной

оказывается также оценка относительного ухода частоты БХВ.

По результатам сверки можно установить закономерность ухода шкалы времени

БХВ и прогнозировать его на определенные интервалы времени. Параметры

модели ухода БХВ (например, в виде коэффициентов аппроксимирующего

полинома) включаются в состав информационного кадра навигационного сигнала

и используются потребителем для повышения точности местоопределения.

При недостаточной инструментальной точности коррекции бортовой шкалы

может рассчитываться значение дополнительной поправки к бортовой шкале,

которая также вносится в кадр навигационного сигнала.

1.5. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НА ПРИМЕРЕ НИСЗ.

1.5.1. Необходимость коррекции

Необходимость в коррекции бортовых шкал времени НИСЗ возникает в

нескольких случаях, при первоначальном включении БХВ после вывода НИСЗ на

орбиту, при уходе шкалы БХВ относительно шкалы НХВ, превышающем допустимое

значение, при переключении резервных блоков БХВ.

Коррекция может выражаться в совмещении временных интервалов бортовой и

наземной шкал или в приведении в соответствие их оцифровки. В первом случае

операция носит название фазирования БШВ, во втором - коррекции кода БШВ.

При фазировании управляющие команды воздействуют на блок делителей БХВ, а

при коррекции кода - на блок кодирования (оцифровки) меток времени.

1.5.2. Коррекция методом фазирования

Управление бортовой шкалой времени при фазировании осуществляется двумя

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9