Новые результаты исследования алгоритмов синхронизации пространственно-разнесённых часов по навигационным сигналам

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

от шкалы времени центрального синхронизатора

12

D

¿=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 = ¿

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

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 = [ ]\|/

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

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