Реферат: Навигационные комплексы Гланасс и Новстар
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.
1.3.2. Способы синхронизации удалённых пунктов
Наиболее простой способ синхронизации заключается в независимой работе пунктов по НИСЗ ССРНС (рис. 2). При этом каждый из синхронизируемых пунктов (i -й, j -й) независимо сверяет свою ШВ(t ЭЧ ) с ШВ сети НИСЗ определяет поправку (D t =t НИСЗ – t ЭЧ ) и корректирует свою ШВ на размер этой поправки. Как видно из рис.1, после проведения сеансов сверки в i -м и j -м пунктах ШВ каждого из пунктов оказываются привязанными к шкале времени t НИСЗ . Типичным примером подобного способа синхронизации сети пунктов является использование для этого аппаратуры потребителей ССРНС.
Рисунок 2Структурная схема синхронизации ШВ сети спутников по сигналам ССРНС. |
Рисунок 3 Структурная схема сверки ШВ первичного и вторичного ЭЧ |
Нередко возникает необходимость привязать ШВ некоторого i -го пункта не к ШВ НИСЗ, а к ШВ некоторого другого j -го пункта.В качестве примера можно привести сверку вторичного эталоначастоты (ВЭЧ) и первичного эталона частоты (ПЭЧ). В этомслучае сведение ШВ с помощью НИСЗ может быть осуществленов соответствии со структурной схемой, изображенной на рис. 2.Каждый из пунктов определяет рассогласование своей ШВ относительно ШВ системы НИСЗ. Затем j -й пункт, где расположенПЭЧ, передает информацию о рассогласовании
(D t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на i -й пункт, где расположен ВЭЧ. На этом последнем пункте ваппаратуре обработки сравниваются размеры рассогласования(t НИСЗ – t ПЭЧ )и
(t НИСЗ – t ВЭЧ )и расхождение ШВ ПЭЧ и ВЭЧ определяется как их разность. При необходимости ШВ ВЭЧ корректируется. Для передачи информации о рассогласовании(D t j =t НИСЗ – t ПЭЧ )на пункт, где расположен ВЭЧ, допустимо использовать любую связную радиолинию, которая может быть узкополосной, поскольку данная информация медленно изменяется и легко преобразуется в цифровую форму. Если информация о ШВ ПЭЧ необходима широкому кругу потребителей, то она может быть передана им через НИСЗ.
1.4. МЕТОДЫ СВЕРКИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССРНС ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ БХВ ИСЗ С НХВ.
Сверка времени в СРНС проводится для выявления ухода шкалы времени относительно эталонной шкалы НХВ. По размеру ухода можно судить о функционировании хранителя времени (ХВ) и о необходимости коррекции шкалы.
В общем случае, ведя прием радионавигационного сигнала на пункте сверки, определяют значение времени в бортовой шкале на момент излучения сигнала НИСЗ. К моменту приема сигнала значение времени в бортовой шкале t d ШВ изменится и будет определяться выражением
t d ШВ = tИЗМ + D tр + D tрэ + D tпр , (1.2)
где:
D tр - время распространения сигнала на трассе НИСЗ -Земля;
D tрэ - «отставание» бортового времени, вызванное релятивистскими эффектами,
D tпр - прочие аппаратурные и методические погрешности.
Время распространения сигнала D tр определяется расстоянием между НИСЗ и пунктом сверки и скоростью распространения радиоволн. При этом необходимо учитывать, что в фазу радионавигационного сигнала, являющуюся носителем информации о бортовом времени, вносятся дополнительные фазовые сдвиги за счет рефракционных явлений в ионосфере и тропосфере.
Существенный вклад в погрешность определения времени распространения могут вносить задержки сигнала в наземной и бортовой аппаратуре радиоканала. Поэтому наземная аппаратура периодически калибруется и задержка учитывается при сверке шкал.
Релятивистские эффекты порождают различное течение времени на НИСЗ и на наземном пункте. Это вызвано, с одной стороны, относительным движением систем отсчета и, с другой, изменением течения времени под влиянием гравитационного потенциала. Знание с высокой точностью параметров взаимного движения НИСЗ и наземного пункта на моменты сверки позволяют рассчитать величину D tp э с точностью до единиц наносекунд.
В зависимости от процедуры определения времени распространения сигнала от НИСЗ до наземного пункта различают пассивный и активный методы сверки времени.
При пассивном методе сверки времени на наземном пункте принимают радионавигационный сигнал и фиксируют значение времени бортовой шкалы. На основе данных траекторных измерений вычисляют дальность до НИСЗ и определяют время распространения сигнала. При этом учитывают параметры, характеризующие состояние ионосферы и тропосферы на трассе НИСЗ - Земля. Для проведения высокоточной сверки необходимо рассчитывать дальность до НИСЗ с погрешностью до 1 м, что требует использования измерительных систем высокой точности. С другой стороны, для учета рефракционных погрешностей необходимо иметь надежную модель распространения радиоволн.