Навигационные комплексы Гланасс и Новстар (стр. 3 из 17)
Рисунок 1 Схемы формирования шкал системного времени ССРНС "Глонасс" и "Навстар"
Принятая идеология синхронизации ШВ БХВ в системах «Глонасс» и «Навстар» позволяет достаточно просто обеспечить взаимную синхронизацию ШВ НИСЗ этих систем. Простейший вариант решения этой задачи заключается в следующем. К НХВ системы «Глонасс» подключается навигационно-временная аппаратура системы «Навстар» (или универсальная аппаратура), по сигналам НИСЗ системы «Навстар» решается временная задача и определяется расхождение системных ШВ. Расхождение в виде соответствующих коэффициентов закладывается на борт 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 интервалевремени
Df/f0=(f1 -f0)/f0, (1.1)
где:f1и fо- соответственно действительное и номинальное значения частоты.
Для современных атомных стандартов суточная относительная нестабильность частоты(1...5)x10-14 и выше. Конечно, для поддержания стольвысокой стабильности необходимо создание сложного аппаратурного комплекса, обеспечивающего функционирование сердцевиныНХВ - 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 дальнейшегоулучшения стабильности кварцевых генераторов практическиисчерпаны, а значения нестабильности частот атомных стандартовмогут 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 вокрестности установки в пределахtp±10°С, гдеtp- оптимальная температура для работы БХВ. Соответственно налагается ограничение и на градиент температурного поляв месте установки БХВ при изменении внешнего и внутреннеготепловых потоков, действующих на НИСЗ.
Подбором взаимного расположения блоков аппаратуры, а принеобходимости и установкой дополнительных экранов ослабляетсявоздействие наводимых в корпусе НИСЗ электромагнитных полей.При высокой насыщенности радиоэлектронной аппаратурой обеспечение указанных условий работоспособности БХВ на бортуНИСЗ является нелегкой задачей.
Необходимо отметить, что на уход бортовой шкалы временинемалое влияние оказывают и индивидуальные особенности тогоили иного образца БХВ. Это – точность установки номиналачастоты 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.
| Характеристика | Кварцевый стандарт частоты | Атомные стандарты частоты | ||
| Рубидиевый | Цезиевый | Водородный | ||
| Масса, кг | 1,35 | 2,25 | 13,5 | 33,7 |
| Потребление, Вт | 2,0 | 13,0 | 25,0 | 30,0 |
| Объём, дм3 | 1,13 | 1,13 | 11,3 | 28 |
| Относительная нестабильность частоты (за сутки) | 5 x 10-10...1 x 10-10 | 1 x 10-12 | 1 x 10-13 | 1 x 10-14 |
| Температурный коэффициент частоты (1/°С) | 2 x 10-11 | – | – | – |
| Факторы ограничивающие срок службы | Старение кварца | Ухудшение характеристик лампы | Уровень шумов в атомно-лучевой трубке | Запас водорода |
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.