Исследования алгоритмов синхронизации пространственно-разнесённых часов по навигационным сигналам методами имитационного моделирования

УДК 621.396.2

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

ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЁННЫХ ЧАСОВ ПО НАВИГАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

I.E. Makarov, A.S. Tolstikov

Siberian Scientific-Research Institute of Metrology

4 Dimitrova UI., Novosibirsk, 630004, Russian Federation

RESEARCHES OF ALGORITHMS OF SYNCHRONIZATION OF SPATIALLY CARRIED HOURS ON NAVIGATING SIGNALS METHODS OF IMITATING MODELLING

In work the analysis of algorithms of synchronization spatially carried hours on channels of navigating satellites is resulted, with the purpose of definition of optimum characteristics of algorithms of synchronization. The estimation of accuracy of synchronization of hours with use of methods of imitating modelling is carried out.

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. Особенно 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 спутниковой навигационной системы (СНС) 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 настоящей работе описываются методы синхронизации пространственно-разнесенных высокостабильных часов и соответствующие этим методам алгоритмы, ориентированные на применение их для синхронизации часов сети БИС СНС ГЛОНАСС. При этом информация о расхождение шкал времени часов БИС формируется на основе обработки принятых в БИС навигационных сигналов ГЛОНАСС.

Существующие подходы и синхронизации пространственно -разнесенных часов в основном сводятся к оцениванию теми или иными методами отклонений моментов шкал времени синхронизируемых часов от шкалы опорных часов. Далее, по измеренным отклонениям рассчитываются характеристики долговременной нестабильности часов. При этом погрешности такого оценивания (достаточно больше по уровню) являются наследственными по отношению к погрешностям оценивания расхождений моментов шкал времени.

В работе [1] был произведён анализ методов синхронизации, позволяющих одновременно оценивать расхождения моментов шкал времени опорных и синхронизуемых часов, а также характеристики долговременной и кратковременной нестабильностей генератора синхронизируемых часов. На основе уравнений для погрешностей синхронизации также были проведены исследования возможности достижения наивысшей точности синхронизации пространственно-разнесенных часов.

Алгоритмы синхронизации

Для синхронизации пространственно - разнесенных часов БИС в пунктах A и B 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 pk (t) в (1).

Рассматриваемые методы и алгоритмы синхронизации опираются на

использование уравнений измерений

8

D

k=1

связывающих измеренные псевдодальности D(t) , геометрические дальности p(uc,u7) от навигационного спутника (НС) с текущими координатами и°с = xc,yc,zc до приемной антенны БИС с координатами u° = Xj ,у; ,Zj . В уравнение измерений (1) в качестве неизвестного

параметра входит уход часов БИС от шкалы времени центрального синхронизатора системы ГЛОНАСС

^Tj

а также ряд факторов pk ( t ), влияющих на точность синхронизации.

При неизвестных координатах пункта БИСВ решается полная задача координатно-временных определений и одновременно оценивается шесть параметров \Т = xl ,у! ,zl ,а0,аг,а2 . Где а0,аг,а2 - коэффициенты

долговременной нестабильности часов БИС. Для решения этой задачи требуется привлечение радиовидимой орбитальной группировки НС с достаточным геометрическим фактором и требуется накопление результатов измерений на интервале времени [t0, tk ]. При текущем оценивании А2} (О В

составе вектора х = х1 ,у1 ,г1, Д7} (0 задача решается одномоментно без

накопления измерений.

Если известны координаты пунктов БИС В ^ , у;, ^ с достаточной точностью, появляется возможность расчета текущих геометрических дальностей р(ис,и7) и использования результатов этих расчетов в форме компенсирующих поправок в уравнении (1). При этом для оценивания х = а11.а1.а2 используется алгоритмы с накоплением измерительной

информации. Для текущего оценивания х = Ат1 (0 накопления не требуется.

Отметим, что в последних случаях особых требований к конфигурации радиовидимого созвездия НС не предъявляется и количество привлекаемых спутников может быть уменьшено до одного.

При решение задачи синхронизации часов пункта БИСВ в описанных выше условиях, точность оценивания параметров нестабильности синхронизируемых часов ограничена влиянием факторов р^ (/) в уравнении (1). Применение поправок, компенсирующих действие каждого из факторов, приводит к громоздким алгоритмам и в сумме не дает существенных положительных эффектов в плане достижения высокой точности оценивания.

Наиболее эффективный путь повышения точности синхронизации часов в пунктах А и В основан на привлечении измерительной информации из пункта А в виде дифференциальных поправок. Рассчитанные в пункте А текущие значения поправок

8

АБЛ

к=1

передаются по каналам связи в пункт В, где эти поправки используются для формирования разностей

8

аоав

к = 1

Использование разностей ДД^СО из (4) для расчета уходов шкал времени

=

или, для расчета отклонений характеристик нестабильности часов в пункта В от опорных значений, обеспечивает более высокую точность оценивания по сравнению с ранее рассмотренным случаем применения уравнения (1). Это связано с уменьшением влияния неизмеримых факторов ркв ^) в правой части уравнения (4).

Важным условием применения поправок а/),(/) являются:

- Одинаковость радионаблюдаемых созвездий НС в пунктах А и В,

- Однотипность применяемой аппаратуры псевдодальномерных измерений;

- Квазисинхронность проведения измерений в пунктах А и В.

Экспериментальные исследования

Точностные характеристики алгоритмов исследовались методом имитационного моделирования с помощью программного имитатора ModBis 24 [4], разработанного в СНИИМ. На рис. 1 отображены условия проведения эксперимента по синхронизации часов в г. Новосибирске (пункт А) и г. Иркутске (пункт В) на основе одновременного приема в этих пунктах навигационных сигналов одного спутника ГЛОНАСС. Для обработки использовались измерения псевдодальностей в окрестности прохождения спутником траверсной плоскости между пунктами. На рис. 2 показаны изменения шкал времени часов в пунктах А и В за время сеанса синхронизации. На рис. 3 показана восстановленная разность моментов шкал времени в пунктах А и В в условиях действия ионосферных и тропосферных факторов.

Рис. 1. Отображение эксперимента по синхронизации часов в Новосибирске и в Иркутске с помощью навигационных сигналов

Рис. 3. Расхождение шкал времени часов в Новосибирске и в Иркутске, оцененное по результатам имитационного моделирования сеанса

синхронизации

Заключение

1. В рамках работы рассмотрена 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 [/0, ^ ].

2. 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.

3. Методами имитационного моделирования алгоритмов синхронизации ДАС6 получены погрешности оценивания расхождения моментов шкал в пункте А (Новосибирск) и в пункте В (Красноярск) менее 0.6 - 0.8 нс за один проход навигационного спутника при использовании кодовых измерений, и (0.8 -1.0)*10-15 погрешность оценивания расхождения частот генераторов часов при использовании фазовых измерений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Новиков, И.А. Использование спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR для синхронизации шкал времени / И.А. Новиков, В.С. Рабкин, С.В. Филатченков, А.А. Шебанов, В.С. Шебшаевич // Зарубежная радиоэлектроника. - 1985. -№ 11. - C. 3-35.

2. Владимиров В.М., Гречкосеев А.К., Толстиков А.С. Имитатор измерительной информации для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС / В.М. Владимиров, А.К. Гречкосеев, А.С. Толстиков // Измерительная техника. - 2004. - № 8. - С. 12-14.

© И.Е. Макаров, А.С. Толстиков, 2008