Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования (4-е издание, 2010) (1142025), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Они работают в более неблагоприятных условиях, чем СЭВЧ, поэтому в процессе работы неизбежно возникает расхождение между БШВ и СШВ. Шкала времени потребителя формируется, как правило, кварцевым стандартом частоты, устанавливаемым в каждом приемнике. Современные требо- Глава 2 вания к относительной нестабильности частоты 10 9...10 " в зависимости от назначения и класса приемника. Между шкалами времени СШВ, БШВ, ШВП существуют расхождения, которые изменяются во времени. Поэтому важное место в СРНС отводится проблеме временной синхронизации шкал времени. Однако прежде чем переходить к идеологии и процедурам синхронизации шкал времени, рассмотрим вопрос нестабильности частоты и времени в ОГ и ее описание. 2.5.
Нестабильность частоты и времени в опорных генераторах Соотношение (2.1) описывает идеальный ОГ, который формирует строго гармонический сигнал. На выходе реального ОГ формируется сигнал, который в общем случае может быть записан в виде [2.81 а,„(~) = ЕУо яп((2л А ~+ гро ) + ФЯ+ (а(~)) (2.2) а~, (~) = ~/о з1п (2л~ о~+ (о(~)) = ( ~о з1п (Ф(г)) . (2.3) При отсутствии отклонений фазы д(г) имеем, как отмечалось в п.2.3, идеальную ШВ. При наличии таких отклонений и принятом определении приращения времени получаем реальную шкалу времени потребителя: 32 где ф(г) — достаточно медленный систематический уход фазы сигнала, обусловленный влиянием внешних факторов (температура, влажность, давление, магнитное поле, ускорение и др.) и старением элементной базы; (р(~) случайные флуктуации фазы сигнала, вызываемые различными шумами (тепловым, дробовым или фликкер-шумом), источниками которых служат электронные компоненты.
Здесь и далее будем полагать, что амплитуда Уо формируемого колебания постоянна, т.е. не учитываем амплитудные флуктуации сигнала. Систематические уходы фазы ф(г) могут быть достаточно точно измерены, спрогнозированы на некоторый промежуток времени и использованы для синхронизации шкал времени (об этом более подробно — в п. 2.5).
Здесь же остановимся на случайных изменениях фазы у(г). Обозначим для удобства номинальную частоту ОГ как 1о = ~„' „и запишем (2.2) без учета систематического ухода фазы, полагая для простоты (в = О, Время. Шкапы времени где ~'(~)= 2л) о (2.4) Из (2.3) запишем выражение для мгновенной частоты ОГ: 1 ЫФ(~) 1 а~у(~) )'ог (~) "о + 2л ат 2л й (2.5) Введем мгновенное относительное отклонение (относительная нестабильность) частоты ОГ б) (~), которое определим как (2.6) Дифференцируя (2.4) по времени и принимая во внимание (2.6), получаем (2.7) Таким образом, нестабильность времени г'(~) определяется относительной нестабильностью частоты ОГ. Нестабильность частоты ОГ можно описывать в частотной и временной областях.
Описание нестабильности частоты ОГ в частотной области Так как р(~) и й;,(г) являются случайными функциями, то для описания их статистических характеристик принято использовать корреляционные функции и спектральные плотности мощности [2.7, 2.81. Более просто и корректно данный аппарат используется для стационарных процессов, поэтому будем полагать, что на рассматриваемых ограниченных интервалах времени исследуемые случайные процессы являются стационарными. Пусть р „(г) =М~Л) (к)Л) (~ — г)] — корреляционная функция случайного процесса Ли(г).
Тогда двухсторонняя спектральная плотность мощности данного процесса определяется как преобразование Фурье от корреляционной функции 5,„) Г) = ~р.,(г)е-'" дт. 33 2-1026 Положим Л) (г) = а)р/(2л'сй). Тогда для спектральной плотности мощности относительного отклонения частоты био, (~) с учетом (2.6) запишем Глава 2 (2.8) 5~,(~) = (2~~) 5 (~')= 1~5 (~), (2л') (2.9) где 5, (г') — спектральная плотность мощности фазы (д(г) .
Из сопоставления (2.8) и (2.9) получаем (2.10) В технических характеристиках ОГ, как правило, приводятся экспериментально снятые характеристики спектральной плотности мощности фазовых шумов 5„(~). Тогда, используя (2.10), можно рассчитать спектральную плотность мощности относительной нестабильности частоты. При теоретических исследованиях спектральную плотность мощности 5., (~) часто 12.1, 2.8, 2.9] аппроксимируют полиномом от ~, содержащим пять членов: 2 5„(У) = ~~" Ь.У, (2.11) а= — 2 где значения констант Ь, а = — 2,2 зависят от типа ОГ, а точнее — от вида спектральной плотности 5~„, (~) . Представление спектральной плотности мощности в виде (2.11) соответствует модели относительного отклонения частоты оь (~) в виде взвешенной суммы различных типов независимых шумов, которые вносят соответствую- щий вклад в итоговую нестабильность. В табл.
2.1 приведены данные типы шу- мов и соответствующие им значения параметра а . Таблица 2.1. Типы шумов, вносящих вклад в нестабильность ОГ 34 В то же время, используя известное соотношение между спектральной плотностью мощности процесса и его производной и учитывая (2.6), имеем Время. Шкалы времени Напомним, что под белым шумом понимают случайный процесс с постоянной (равномерной) спектральной плотностью мощности на всех частотах; фликкер-шум имеет спектральную плотность мощности, меняющуюся в зависимости от частоты как 1/~ в области низких частот ~ > ~,„; винеровский процесс определятся как интеграл от белого шума, а, следовательно, его спектральная плотность мощности пропорциональна 1/~ Заметим, что моделью (2.11) можно пользоваться лишь в ограниченной области частот ~';„< ~ < г' ш так, чтобы дисперсия относительного отклонения частоты ОГ была конечной и соответствующей реальным измерениям.
Описание нестабильности частоты ОГ во временной области Вариация Алана используется для описания статистических свойств относительной нестабильности частоты во временной области. Прежде всего отметим, что мгновенная частота ОГ ~,„(г), определяемая соотношением (2.5), не может быть реально измерена, так как любой измеритель измеряет некоторое усредненное значение. Поэтому рассмотрим среднее значение мгновенной частоты на некотором интервале [г)„Г), + г]: (2.12) С учетом (2.12) и (2.6) запишем выражение для среднего значения относительной нестабильности частоты, определенной для того же временного интервала, (2.13) Подставляя правую часть выражения (2.6) в (2.13), получаем (2.14) Числитель в (2.14) представляет собой набег (приращение) фазы на интервале времени ~Г)„Г~ + гГ) . Параметр Б) ), является случайной величиной, поэтому можно говорить о его среднем значении и дисперсии.
Полагая процесс Ж), эргодическим, введем выборочное среднее значение и выборочную дисперсию (несмещенную): 35 Время. Шкалы времени Данное выражение позволяет анализировать влияние различных типов шумов (см. табл. 2.1) на вариацию Алана и ее изменение при изменении усреднения г. 2.6. Синхронизация шкал времени в СРНС Синхронизация системной шкалы времени и 11ТС(Я5).
Показания системной шкалы времени ГЛОНАСС привязывается к шкале Госэталона Всемирного координированного времени РФ 11ТС(Я1), причем между этими шкалами времени существует постоянный сдвиг на целое число часов, обусловленный особенностями функционирования ПКУ: гглонАсс — — гцгс<вц1+03 ч 00 мин. Показания системной шкалы времени корректируется одновременно с коррекциями на целое число секунд показаний шкал 1.1ТС, планово проводимыми Службой Всемирного времени [1.2~. Эти коррекции осуществляются в 00ч00мин00 с в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 декабря на 1января по мере необходимости. Текущая привязка СШВ к 1.1ТС(ЯЗ) осуществляется с погрешностью, не превышающей 1 мкс.
Синхронизация бортовых шкал времени НС осуществляется в ПКУ в результате сверки показаний с показаниями СШВ и коррекцииазаний (непосредственной и алгоритмической) [1.4, 1.5]. Сверка шкал времени в СРНС позволяет определить значение ухода БШВ относительно СШВ. В зависимости от процедуры нахождения величины псевдодальности до 1-го НС различают пассивные (СРНС ОРИ) и активные (СРНС ГЛОНАСС) методы сверки шкал времени. Активный (запросный) метод более прост и позволяет получать более точные результаты, но требует установки дополнительной аппаратуры.
В процессе сверки по принятым в ПКУ навигационным сигналам от каждого НС по данным навигационного сообщения определяется значение времени в БШВ на момент излучения сигнала спутником ~~щв . При приеме сигнала в ПКУ определяется расчетное время приема в БШВ в соответствии с формулой ~Бшв ~Бшв + ~.~~рас + ~~р.э + ~~ат + ~~ап > где Л㠄— время распространения сигнала от ~-го НС до ПКУ; Ля~,— уход БШВ из-за релятивистских эффектов, рассчитываемый с точностью до единиц наносекунд (см. п.
7.4); Лг„— сдвиг определяемой БШВ из-за рефракции радиоволн в атмосфере (см. п. 7.3); Л~,„— прочие аппаратурные бор- Глава 2 товой аппаратуры и приемника потребителя) и методологические погрешности (см. п.7.6). Для этого в ПКУ осуществляются высокоточные определения составляющих Л~ „Л~~,, Л~„, Л~„, с использованием дополнительных инст- рументальных средств. Уход БШВ относительно СШВ определяется при сравнении расчетного времени ~~ьщв с известным системным временем ~сщв приема того же сигнала.
Коррекция БШВ производится при ее уходе относительно СШВ, превышающем допустимые значения. Коррекция выражается в совмещении временных интервалов в БШВ и СШВ (процедура фазирования БШВ) и (или) в уточнении их оцифровки (процедуры коррекции кода БШВ на целое число единиц времени). Фазирование обеспечивает точность совмещения шкал времени до десятков наносекунд. Длительные наблюдения за расхождением БШВ и СШВ позволяют установить его закономерность и прогнозировать на требуемый момент времени с соответствующей точностью.
В СРНС ГЛОНАСС/ОРИ, управляемых с ограниченных территорий, необходимость прогнозирования БШВ и ее ухода обусловлена тем, что непосредственная коррекция БШВ (воздействие системы управления на БШВ) может производиться только эпизодически, когда НС находится в зоне видимости СТИ. Прогнозирование систематической составляющей ухода обеспечивает возможность осуществления алгоритмической коррекции БШВ, при которой задается модель ухода БШВ, а корректировке подлежат ее параметры, т.е. частотно-временные поправки, которые закладываются в память ЭВМ спутника с помощью специальных станций ПКУ и в дальнейшем передаются потребителям совместно с эфемеридной информацией. Более подробно алгоритмический метод коррекции БШВ описан в п.
7.7. Синхронизация шкалы времени потребителя. Нахождение потребителем бортового времени НС и соответственно системного времени СРНС осуществляется с использованием навигационной информации, передаваемой в излучаемом НС радиосигнале. При этом может быть реализовано несколько способов синхронизации шкалы времени потребителя, отличающихся точностью [1.61: расчет поправки к шкале времени потребителя на основе псевдо- дальномерных измерений; использование меток времени, передаваемых в навигационном сигнале; применение дальномерных кодов, передаваемых в навигационном сигнале НС. Первый способ основывается (в первом приближении) на том, что информация, полученная потребителем в сигналах НС, используется как для расчета текущего ухода БШВ относительно СШВ, так и для привязки ШВП к СШВ при нахождении поправки к ШВП (временной координаты потребителя ~').
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
