Як супутники GPS оновлюють годинник

Як GPS-супутники точно тримають годинник на борту? Я припускаю, що їм потрібно отримати оновлення від базової станції. Але як переконатися, що після оновлення всі супутники синхронізуються, тобто не відбувається жодного зсуву фази.

У вас є базова станція на землі, і припускайте, що всі супутники, які ви хочете оновити, знаходяться в полі зору. Ви надсилаєте команду оновлення. Але кожен супутник знаходиться на різній відстані від базової станції. Також буде затримка від прийому команди, до оновлення внутрішнього годинника. Деякі супутники можуть мати новіше обладнання, що швидше.

Якщо ви оновлюєте супутники окремо, вам слід переконатися, що ваші таймінги команд, які ви надсилаєте, дуже точні. Це здається важкою справою правильно. Чи є кращий метод, який використовується на практиці?

Я думаю, що мені цікаво, це те, що у вас є годинник у місці розташування А. Як ви синхронізуєте його з годинником у місці B, яке знаходиться далеко від A? У вас є затримка повідомлення на час польоту, затримка обробки в B і т.д.

clock gps synchronization

— user110971
джерело

Вони використовують атомні годинники. Дрейф швидше пов'язаний з релятивізмом, супутник їде з великою швидкістю, тому відбувається зсув часу. До речі, базова станція точно знає положення супутника, тому відстань відома.

— Марко Буршич

Іншим рішенням буде запит супутника: який у вас годинник? Потім ви обчислюєте помилку і надсилаєте: Зробіть зсув +/- xxxx нс.

— Марко Буршич

Деякі відповідні запитання щодо Space.SE, наприклад, цей , а також деякі з gis.SE, наприклад, цей .

— Роджер Роуленд

"Це здається важкою справою правильно". насправді це дуже складно отримати правильно, а обладнання, що використовується, - недешеве, але робити це потрібно лише в кількох місцях. Це просто частина вартості роботи такої системи.

— ПлазмаHH

@RogerRowland о, вибачте. Не означав виходити як грубий. Тільки вказуючи, чому я задав саме це запитання.

— user110971

Відповіді:

Помилки годин не виправляються, вони компенсуються в два етапи.

1. Визначення помилок

В управлінні GPS сегмент використовує опорні приймачі в добре відомих місцях , щоб визначити фактичні елементи орбіти і помилку синхронізації космічних апаратів. Посилання на позицію є WGS84 відліком , за час це міжнародне атомне час . Навіть найменші ефекти, як континентальний дрейф та релятивістська дилатація часу , враховуються.

2. Компенсація помилок

Годинник борту (насправді, SV Z-Count, див. IS-GPS-200 3.3.4) не настроюється , не змінюється або скидається для компенсації помилки. Посилаючись на IS-GPS, 20.3.4.2:

Кожен СВ працює на свій власний час СВ

Натомість зміщення між UTC та годинником цього космічного корабля ("GPS-час") транслюється у навігаційному повідомленні (див. IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Це включає не лише поточне зміщення, а й різні прогнози («інтервали підходу», 20.3.4.4). Як правило, актуальним є лише високоточний короткостроковий прогноз, інші використовуватимуться, якщо контрольний сегмент не працює, і немає можливої висхідної лінії зв'язку.

Аналогічно, помилка положення (відхилення від номінальної орбіти) залишається непоправленою (це виснажує дорогоцінне паливо), але передається приймачам, завантажуючи ефемерні дані (орбітальні елементи) на космічний апарат.

Час польоту не є проблемою для висхідної лінії зв'язку, оскільки нові дані інтервалу підходу вже були визначені на попередньому кроці.

Фактична компенсація проводиться у приймачі (сегменті користувача). Він застосовує виправлення, коли пов'язується зі спостережуваною фазою сигнал / код різних СВ.

Виняткові ситуації

Іноді старі космічні апарати поводяться несподівано, наприклад, їх годинник починає непередбачувано дрейфувати. AGI має веб-сайт з даними про ефективність роботи бортових годин. Ви бачите, що годинник США-151 (відправлення PRN28) трохи хиткий і потребує частих компенсацій.

Якщо годинник стає непридатним або потужний маневр робить СВ непридатним для навігації, СВ надсилає "непрацездатний прапор" у своєму навігаційному повідомленні і ігнорується приймачами кінцевих користувачів.

— Андреас
джерело

@ user110971 Годинники супутників не відрегульовані. Натомість їх зміщення (до атомного часу) відстежується, прогнозується та транслюється у навігаційному повідомленні. Приймачі компенсують зсув не тільки за власний, але і за зміщення космічних кораблів. Звучить смішно, але має перевагу те, що фаза сигналів GPS не має ривків і перебоїв. (видалено мій попередній коментар, який не був корисним)

— Андреас

@JanDvorak Супутники GPS насправді не надсилають повну мітку часу. Натомість частина часової позначки визначається фазою самого сигналу: повідомлення завжди починаються з кроком 30 секунд. Таким чином, щоб виправити таймінг, супутник повинен був би скоротити або подовжити повідомлення, що призведе до того, що приймачі втратять синхронізацію та потребують повторного отримання сигналу.

— jpa

@jpa +1, це якось так. Але: пропускна здатність циклу відстеження часто обирається як 18 Гц для пристроїв COTS старого стилю, компроміс між динамікою приймача та стабільністю циклу. Вам знадобиться величезна корекція, щоб призвести до втрати блокування ОС у приймачі. Помилки тактової частоти мають лише DOP-еквівалент кілька метрів, рух приймача та атмосферна сцинтиляція абсолютно домінуючі.

— Андреас

@JanDvorak Одним з головних міркувань є те, що з "виправленням" доведеться розбиратися на дуже низькому рівні стека (можливо, навіть на аналоговому апаратному рівні), де побічні ефекти виправлення можуть бути складними. Якщо натомість вони надсилають некоректований годинник плюс дані про виправлення, побічні ефекти цього виправлення можуть бути вирішені на більш високому рівні (наприклад, програмне забезпечення). Для сучасних процесорів віднімання дуже просто! Це також дає зрозуміти, звідки відбулася зміна. Одержувач, який отримує раптове виправлення, може викликати недовіру до власного обладнання та припустити, що це була помилка!

— Корт Аммон

Ви також повинні пам’ятати, що цей метод був обраний дуже давно, і він дозволив супутникам бути набагато простішими, діючи так, як магнітофони, що відтворюють сигнал.

— Девід Шварц

скажімо, у вас є годинник у розташуванні А. Як ви синхронізуєте його з годинником у місці B, яке знаходиться далеко від A?

Ви можете робити те, що робить NTP . Грубо кажучи,

$t_0$
$t_1$ $t_2$
$T$ $t_3$
$T+\delta$

Зауважте, що це не те, що робить GPS, бо немає сенсу: супутникова секунда коротша, ніж Земля через гравітацію, тому неможливо тримати годинник синхронізовано.

— Дмитро Григор’єв
джерело

Ви отримуєте крапку для отримання точки відносності, на відміну від безладу в коментарях запитання.

— Зупиніть шкодити Моніці

Це час дельта в обидва кінці або час в одну сторону? Якщо один із способів, як це міряє клієнт?

— Техас Кале

δ = (t_{3} - t_{0} + t_{1} - t_{2}) / 2

$\delta=(t_3-t_0+t_1-t_2)/2$

Сузір’я супутників GPS постійно контролюється декількома нерухомими наземними станціями, розташованими по всьому світу. Ці наземні станції відстежують усі супутники та надсилають поправочні коефіцієнти, якщо виявлено якийсь дрейф.

Сегмент управління GPS складається з глобальної мережі наземних споруд, які відстежують GPS-супутники, стежать за їх передачею, виконують аналізи та надсилають команди та дані в сузір’я.

Поточний сегмент оперативного управління включає в себе головну станцію управління, альтернативну головну станцію управління, 11 антен управління і 15 місць моніторингу.

Посилання: http://www.gps.gov/systems/gps/control/

— Річард Кроулі
джерело