Яценков В.С. Основы спутниковой радионавигации (2003), страница 11

После того, как в 60-х годах прошлого столетия были созданы атомные стандарты частоты (времени), появилась возможность перейти к неастрономическому базису мерки времени. В 1967 г., на ХШ Генеральной конференции по мерам и весам была принята искусственная единица меры времени, не зависящая от вращения Земли — атомная секунда. Атомная секунда равна интервалу времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии внешних воздействий (цезиевый стандарт частоты). В настоящее время атомная секунда принята за единицу времени в системе СИ вместо применявшейся ранее эфемеридной секунды. Шкала международного атомного времени ТА! включает в себя осредненные показания нескольких различных атомных эталонов частоты (времени).

Общие принципы функционирования спутниковых НС 2.3. Системы отсчета времени, применяемые в СНС В перечень систем отсчета времени, используемых в СНС входят как системы, на которых базируется работа активной стороны СНС (сегмент управления и НКА), так и системы, применяемые пассивной стороной - потребителем.

Во многих случаях потребителю более интересны параметры времени применительно к местным условиям, поэтому далее мы рассмотрим как всемирные, так и местные системы отсчета времени. Всемирное время ОТ (ОлЬегва! Т(гпе). Это время иначе называется гринвичским средним солнечным и содержит год, месяц, число, час, минуту и секунду.

Система введена в 1928 г. 111 Генеральной ассамблеей Международного астрономического союза. Год, месяц и число отсчитываются по Григорианскому календарю, остальные величины — по местному среднему времени ~цг на Гринвичском меридиане. Время ~~т измеряется по часовому углу среднего Солнца относительно Гринвичского меридиана плюс 12 ч. Так как существует движение полюсов Земли, то происходит изменение положения меридианов, и, в зависимости от того, какие поправки внесены, различают следующие разновидности всемирного времени: ° (ЛΠ— всемирное время, получаемое в результате текущих астрономических измерений относительно неуточненного Гринвичского меридиана; ° УТ1 — всемирное время среднего Гринвичского меридиана с учетом движения полюсов.

Это время является основой для измерения времени в повседневной жизни; ° (Л2 — то же, что и ОТ1, но с сезонными поправками; ° 0Т1  — отличается от УТ2 поправками на приливы. Зная долготу места наблюдателя ~., можно легко вычислить местное среднее время из равенства 0Т= 1 — (, где г — местное среднее время; откуда г= ОТ+ ~. Восточная долгота ( при этом положительна, а западная отрицательна. Аналогично, гринвичское звездное время Я',. = Я вЂ” ~., где Я вЂ” местное звездное время; соответственно Я= Я +1..

Всемирное координированное время 0ТС. Это время после введения атомного стандарта частоты (времени) наиболее часто используется в повседневной жизни и измеряется по атомным часам. Именно сигналы 0ТС передаются по радиовещательным сетям, в составе телевизионного сигнала и выдаются серверами точного времени в Интернет. Показания атомных часов периодически, с периодом от 0,5 до 2,5 с, корректируются на 1 с так, чтобы раз- Глава 2 ность ОТ-ОТС не превышала 0,9 с. Поскольку в системах спутниковой навигации также применяется атомный стандарт частоты, синхронизируемый со стандартом ОТС, при секундной коррекции ОТС в системах СНС также производится коррекция и возникает событие "!еар весопсГ (секундный скачок).

Информация об этом событии передается потребителю в соответствии с интерфейсом конкретной системы. По состоянию на 1 января 1990 г разность ТА!-ОТС составляла +25 с. Поясное время ЕТ. В состав этого времени входят год, месяц и число, которые отсчитываются аналогично всемирному времени, а часы, минуты и секунды как местное среднее время центрального (основного) географического меридиана данного часового пояса ~„ по формуле ЕТ= ОТС+ йл, где йл — номер часового пояса. Поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса, центральные меридианы которых различаются на 15 .

Поясное время впервые введео но в ряде стран с1884 г, в России с 1919 г. Поясное время удобно использовать в повседневной жизни, так как не требуется уточнять время при перемещениях вдоль параллели. Местное декретное время. Отличается от поясного времени ЕТ на величину декретной поправки М„„, устанавливаемой законодательно. Это время использовалось в СССР до 1981 г, в настоящее время в России действует система летнего времени. Летнее время. Вычисляется относительно поясного времени, как 1„= ЛТ+ 2 ч.

Как правило, летнее время вводится с 2 ч ночи последнего воскресенья марта до 3 ч ночи последнего воскресенья сентября. Время, действующее после отмены летнего, называется зимним ~,. Оно соответствует существовавшему ранее декретному времени с добавкой М,„= 1 ч, таким образом, 1, = ХТ+ 1 ч. Юлианский период. С точки зрения вычислений использование перечисленных выше систем отсчета не всегда удобно, так как требует использования как минимум четырех чисел: год, месяц, число и часы с долями. Поэтому на практике применяют систему отсчета, именуемую юлианским периодом, в которой счет текущего времени ведется в днях, равных средним солнечным суткам с десятичными долями.

Все дни периода нумеруются по порядку. Счет юлианских дней д0 ведется от полудня 1 января 4713 г. до н.э. до заданного момента времени. Общая длительность юлианского периода составляет 7980 лет, а юлианское столетие содержит 36525 средних солнечных суток. Любой момент времени в этой системе выражается числом, в котором целая часть — число юлианских дней, прошедших до последнего среднего гринвичского по- 48 Общие принципы функционирования спутниковых НС лудня, а дробная часть — интервал времени в долях средних солнечных сугок Т„прошедший от этого полудня, до заданного момента времени (2]. Пересчет календарной даты в юлианскую дату производится по формулам или справочным таблицам. Для разных периодов времени определяются различные справочные константы, Расчетная формула имеет обобщенный вид (~р = А + дц+ и+ 4л-- 0,5, где А— константа для определенного периода времени; ~~~г — часы, минуты и секунды всемирного времени на заданный момент, пересчитанные в доли 7,; 1, /, и — год, месяц и число по общепринятому календарю; д~ — число, определяемое на начало каждого месяца по справочной таблице.

Для удобства начало отсчета юлианских дней иногда смещают на некоторую величину. Наиболее часто используются следующие начальные моменты: ° Ноль часов всемирного времени 1 января 1900 г, (30 = = 2 415 020,0); ° Полночь 17 ноября 1858 г. (ЛЭ = 2 400 000,5) — начало модифицированного юлианского периода, обозначаемого МЛ); ° Полдень 1 января 2000 г. (д0 = 2 451 545), обозначается как 320-00. 2.4. Шкалы времени СНС и их синхронизация Спутниковая навигационная система представляет собой комплекс орбитальных объектов, контрольных станций и приемников потребителей, имеющих жесткую привязку по пространственно- временным параметрам. Более того, большинство параметров орбитального движения НКА с точки зрения потребителя выражается через функции от времени.

Применение пассивных (беззапросных) дальномерных методов подразумевает взаимную синхронизацию повремени излучения всех НКА. При этом все компоненты СНС должны использовать единую шкалу времени. Очевидно, что реализовать эти требования в полной мере невозможно, так как для этого потребуется оснастить идентичными высокоточными эталонами частоты (времени) все составляющие системы, включая аппаратуру потребителей.

Поэтому на практике применяют три шкалы времени — системную шкалу, бортовую шкалу и шкалу потребителя, перечисленные в порядке снижения доступной точности. Основной шкалой времени СНС является системная, поскольку она оказывает прямое или косвенное влияние на синхронизацию всех подсистем СНС. Для ее формирования используются наибо- 49 Глава 2 лее точные квантовые эталоны времени и частоты, расположенные в наземных командно-измерительных станциях и обеспеченные специальными техническими и алгоритмическими решениями.

Бортовая шкала времени формируется квантовым эталоном ("атомными часами") расположенным на борту НКА. К этому эталону привязываются все навигационные сигналы, излучаемые НКА. Бортовые эталоны работают в гораздо более жестких условиях и технически менее обеспечены, поэтому имеют меньшую стабильность, чем системные эталоны. Между бортовой и системной шкалой неизбежно возникает расхождение, которое измеряется и периодически устраняется наземным сегментом управления.

Для определения величины ухода бортовой шкалы относительно системной наземный комплекс управления производит сверку шкал. В процессе сверки по принятым наземной станцией навигационным сигналам НКА измеряется значение времени по бортовой шкале на момент начала излучения сигнала 1 . В момент начала его приема наземной станцией время по бортовой шкале вычисляется, как (2] ~Бшв = ~иэл + ~~распр + ~~рэ + ~~~ат + ~коапп ° где М „„— время распространения от фазового центра передающей антенны НКА до фазового центра приемной антенны измерительной станции; Ж'„— уход бортовой шкалы времени из-за релятивистских эффектов, определяемый с точностью до единиц наносекунд; ̄— сдвиг бортовой шкалы на величину задержек распространения в атмосфере; И, — аппаратурные и метрологические погрешности.

Уход бортовой шкалы времени относительно системной определяется, как разность между вычисленным значением 1Бшв и эталонным временем системы. Существуют активный (запросный) и пассивный (беззапросный) методы измерения величины дальности до НКА для вычисления параметра 1Р„. Активный метод более прост и позволяет получать более точные результаты, но требует применения дополнительной аппаратуры. В настоящее время система ГЛОНАСС использует активный метод, а 6РЯ вЂ” пассивный. Обычно коррекция бортовой шкалы времени происходит эпизодически, при ее уходе относительно системной шкалы больше допустимого значения.

Существует два вида коррекции. В случае обнаружения смещения временных интервалов шкал (разность фаз кодовых последовательностей) производится фазирование бортовой шкалы, позволяющее совместить шкалы с точностью до десятков наносекунд. Совместно с фазированием либо независимо от 50 Общие принципы функционирования спутниковых НС него может проводится изменение оцифровки (коррекции кода на целое число секунд).

В настоящее время все СНС управляются с ограниченных территорий и коррекцию бортовых шкал времени удается производить лишь эпизодически. Поэтому применяется прогнозирование ухода бортовой шкалы. По результатам длительных наблюдений за уходом бортовой шкалы составляется математическая модель и вычисляется систематическая составляющая ухода. Предсказание систематической составляющей позволяет загрузить в бортовую память каждого НКА соответствующие частотно-временные поправки, которые затем передаются потребителю в составе эфемеридной информации. Наиболее нестабильной и смещенной относительно системной шкалы является шкала времени потребителя, которая формируется кварцевым генератором приемника.