Jak satelity GPS odświeżają swoje zegary

W jaki sposób satelity GPS utrzymują dokładne zegary na pokładzie? Zakładam, że muszą uzyskać aktualizację ze stacji bazowej. Ale jak się upewnić, że po aktualizacji wszystkie satelity są zsynchronizowane, tzn. Nie ma przesunięcia fazowego.

Masz swoją stację bazową na ziemi i załóż, że wszystkie satelity, które chcesz zaktualizować, są w zasięgu wzroku. Wysyłasz polecenie aktualizacji. Ale każdy satelita ma inną odległość od stacji bazowej. Wystąpi również opóźnienie od otrzymania polecenia do zaktualizowania wewnętrznego zegara. Niektóre satelity mogą mieć nowszy sprzęt, co jest szybsze.

Jeśli osobno aktualizujesz satelity, musisz upewnić się, że czasy wysyłanych poleceń są bardzo dokładne. To wydaje się trudne. Czy istnieje lepsza metoda stosowana w praktyce?

Chyba interesuje mnie powiedzenie, że masz zegar w lokalizacji A. Jak zsynchronizować go z zegarem w lokalizacji B, która jest daleko od A? Masz komunikat opóźnienia czasu lotu, opóźnienia przetwarzania w B itp.

clock gps synchronization

— użytkownik110971
źródło

Używają zegarów atomowych. Dryf wynika raczej z relatywizmu, satelita podróżuje z dużą prędkością, więc następuje przesunięcie czasowe. Nawiasem mówiąc, stacja bazowa zna dokładnie pozycję satelity, więc odległość jest znana.

— Marko Buršič

Innym rozwiązaniem byłoby zapytanie satelity: jaki jest twój zegar? Następnie obliczasz błąd i wysyłasz: Wykonaj zmianę +/- xxxx ns.

— Marko Buršič

Niektóre istotne podobne pytania na temat Space.SE, na przykład to , a także niektóre na gis.SE, na przykład ten .

— Roger Rowland,

„Wydaje się, że trudno to naprawić.” rzeczywiście bardzo trudno jest to naprawić, a używany sprzęt nie jest tani, ale musisz to zrobić tylko w kilku miejscach. To po prostu część kosztów takiego systemu.

— PlasmaHH

@RogerRowland och, przepraszam. Nie chciałem wychodzić tak niegrzecznie. Wskazując tylko, dlaczego zadałem to konkretne pytanie.

— user110971,

Odpowiedzi:

Błędy zegara nie są korygowane, są kompensowane w dwóch krokach.

1. Określenie błędu

Do kontroli GPS segmentu odbiorniki zastosowania referencyjne w znanych miejscach, aby określić rzeczywiste elementy orbitalne i błąd zegara pojazdów kosmicznych. Punktem odniesienia dla pozycji jest ramka odniesienia WGS84 , dla czasu zaś jest to międzynarodowy czas atomowy . Uwzględniane są nawet najmniejsze efekty, takie jak dryf kontynentalny i relatywistyczne rozszerzenie czasu .

2. Kompensacja błędów

Wbudowany zegar (w rzeczywistości SV Z-Count, patrz IS-GPS-200 3.3.4) nie jest dostrajany , przechylany ani resetowany w celu kompensacji błędu. Powołując się na IS-GPS, 20.3.4.2:

Każde SV działa w swoim własnym czasie SV

Zamiast tego przesunięcie między UTC a zegarem tego statku kosmicznego („Czas GPS”) jest nadawane w komunikacie nawigacyjnym (patrz IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Obejmuje to nie tylko bieżące przesunięcie, ale także różne prognozy („przedziały dopasowania”, 20.3.4.4). Zwykle istotna jest tylko bardzo precyzyjna prognoza krótkoterminowa, pozostałe byłyby stosowane, jeśli segment kontrolny jest nieoperacyjny i nie jest możliwe łącze zwrotne.

Podobnie błąd pozycji (odchylenie od orbity nominalnej) pozostaje nieskorygowany (zużyłoby to cenne paliwo), ale jest nadawany do odbiorników poprzez przesyłanie danych efemeryd (elementów orbitalnych) do statku kosmicznego.

Czas lotu nie stanowi problemu dla łącza wysyłającego, ponieważ nowe dane przedziału dopasowania zostały już określone w poprzednim kroku.

Rzeczywista kompensacja jest następnie wykonywana w odbiorniku (segment użytkownika). Stosuje poprawki w odniesieniu do obserwowanej fazy sygnału / kodu o różnym SV.

Wyjątkowe sytuacje

Czasami stare statki kosmiczne zachowują się w nieoczekiwany sposób, na przykład ich zegary zaczynają dryfować nieprzewidywalnie. AGI ma stronę internetową z danymi o wydajności zegarów pokładowych. Widać, że zegar USA-151 (wysyłanie PRN28) jest nieco niepewny i wymaga częstych kompensacji.

Jeśli zegar zacznie działać dziko lub manewr z napędem powoduje, że SV nie nadaje się do nawigacji, SV wysyła w komunikacie „niesprawną flagę” i jest ignorowany przez odbiorniki użytkowników końcowych.

— Andreas
źródło

@ user110971 Zegary satelitów nie są regulowane. Zamiast tego ich przesunięcie (w stosunku do czasu atomowego) jest monitorowane, przewidywane i nadawane w komunikacie nawigacyjnym. Odbiorniki kompensują przesunięcie, nie tylko własne, ale także przesunięcie statku kosmicznego. Brzmi zabawnie, ale ma tę zaletę, że faza sygnałów GPS nie ma szarpnięć ani awarii. (usunąłem mój poprzedni komentarz, który nie był pomocny)

— Andreas

@JanDvorak Satelity GPS w rzeczywistości nie wysyłają pełnej sygnatury czasowej. Zamiast tego część znacznika czasu jest określana przez fazę samego sygnału: wiadomości zawsze zaczynają się co 30 sekund. Aby skorygować taktowanie, satelita musiałby skrócić lub wydłużyć komunikat, co spowodowałoby utratę synchronizacji odbiorników i konieczność ponownego odebrania sygnału.

— jpa

@jpa +1, to jakoś prawda. Ale: szerokość pasma pętli śledzenia jest często wybierana jako 18 Hz dla starych urządzeń COTS, co stanowi kompromis między dynamiką odbiornika a stabilnością pętli. Potrzebujesz dużej korekty, aby spowodować utratę blokady w odbiorniku. Błędy zegara zwykle mają tylko odpowiednik DOP wynoszący kilka metrów, ruch odbiornika i scyntylacja atmosferyczna są absolutnie dominujące.

— Andreas

@JanDvorak Jedną z głównych kwestii jest to, że „korekta” musiałaby zostać rozwiązana na bardzo niskim poziomie stosu (potencjalnie nawet na analogowym poziomie sprzętu), gdzie skutki uboczne korekty mogą być skomplikowane. Jeśli zamiast tego wyślą nieskorygowany zegar plus dane korekcyjne, skutki uboczne tej korekty można rozwiązać na wyższym poziomie (takim jak oprogramowanie). Odejmowanie jest bardzo łatwe dla nowoczesnych procesorów! Wyjaśnia również bardzo wyraźnie, skąd wzięła się zmiana. Odbiornik otrzymujący nagłą korektę może nie ufać własnemu sprzętowi i założyć, że to pomyłka!

— Cort Ammon

Trzeba też pamiętać, że ta metoda została wybrana dawno temu i pozwoliła satelitom być znacznie prostszym, działając podobnie jak magnetofony odtwarzające sygnał.

— David Schwartz

powiedzmy, że masz zegar w lokalizacji A. Jak zsynchronizować go z zegarem w lokalizacji B, która jest daleko od A?

Możesz robić to, co robi NTP . Z grubsza mówiąc,

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

Pamiętaj, że nie tak robi GPS, ponieważ nie ma sensu: sekunda satelity jest krótsza niż sekunda Ziemi z powodu grawitacji, więc nie można synchronizować zegarów.

— Dmitrij Grigoriew
źródło

Dostajesz punkt do uzyskania punktu względności, w przeciwieństwie do bałaganu w komentarzach do pytania.

— Stop Harming Monica

Czy czas delta jest w obie strony, czy w jedną stronę? Jeśli jeden sposób, w jaki sposób klient to mierzy?

— Tejas Kale

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

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

Konstelacja satelitów GPS jest stale monitorowana przez kilka stałych stacji naziemnych rozmieszczonych na całym świecie. Te stacje naziemne monitorują wszystkie satelity i wysyłają współczynniki korekcyjne, jeśli wykryty zostanie dryf.

Segment sterowania GPS składa się z globalnej sieci urządzeń naziemnych, które śledzą satelity GPS, monitorują ich transmisje, wykonują analizy oraz wysyłają polecenia i dane do konstelacji.

Obecny segment sterowania operacyjnego obejmuje główną stację sterowania, alternatywną główną stację sterowania, 11 anten dowodzenia i kontroli oraz 15 miejsc monitorowania.

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

— Richard Crowley
źródło