Как спутники GPS обновляют свои часы

Как спутники GPS обеспечивают точность своих бортовых часов? Я предполагаю, что им нужно получать обновления с базовой станции. Но как сделать так, чтобы после обновления все спутники синхронизировались, т.е. не было фазового сдвига?

У вас есть базовая станция на Земле, и вы предполагаете, что все спутники, которые вы хотите обновить, находятся в пределах прямой видимости. Вы отправляете команду обновления. Но каждый спутник находится на разном расстоянии от базовой станции. Также будет задержка от получения команды до обновления внутренних часов. Некоторые спутники могут иметь более новое оборудование, которое работает быстрее.

Если вы обновляете спутники отдельно, вам нужно будет убедиться, что ваши тайминги команд, которые вы отправляете, очень точны. Кажется, что это сложно сделать правильно. Есть ли лучший метод, который используется на практике?

Думаю, что меня интересует, скажем, у вас есть часы в точке А. Как вы синхронизируете их с часами в точке Б, которая находится далеко от А? У вас есть задержка времени отправки сообщения, задержка обработки в B и т. д.

Возможно, это лучше подходит для Physics SE.
@Polynomial, это похоже на инженерную проблему. По крайней мере, для меня это так. Физика этого довольно ясна, например, время полета и т. д. Сложность заключается в обновлении счетчиков, передаче сообщений в нужное время и т. д.
Они используют атомные часы. Дрейф скорее из-за релятивизма, спутник движется с большой скоростью, так что есть сдвиг во времени. Кстати, базовая станция точно знает положение спутника, поэтому известна и дистанция.
Другим решением может быть запрос спутника: какие у вас часы? Затем вы вычисляете ошибку и отправляете: Make shift +/- xxxx ns.
@MarkoBuršič Меня не интересует общая теория относительности как таковая. Предположим, что спутники неподвижны и находятся в одном и том же гравитационном поле, если хотите. Несмотря на то, что они используют атомные часы, они будут дрейфовать с течением времени. Вам нужно будет синхронизировать их с атомными часами на Земле, которые, как мы определили, имеют «истинное» время, не так ли?
Некоторые актуальные похожие вопросы на Space.SE, например, этот , также некоторые на gis.SE, например, этот .
@ user110971 Это довольно тривиально. Зная положение базовой станции, вы можете вычислить погрешность времени для каждого спутника, а затем обновить относительное смещение для каждого из них. Но я не знаю, как это реализовано на самом деле, это просто мое мнение, как бы я это сделал.
@RogerRowland Я видел этот ответ. Хотя это не отвечает на мой вопрос. Во-первых, речь идет о синхронизации приемника с часами спутников GPS. Это кажется намного проще, если учесть, что у вас есть много синхронизированных спутников для работы, а не одна базовая станция. Во-вторых, я ищу более количественный ответ, то есть тот, который позволит мне реализовать такую ​​систему.
«Кажется, что это сложно сделать правильно». на самом деле это очень трудно сделать правильно, и используемое оборудование недешево, но вам нужно сделать это только в нескольких местах. Это просто часть стоимости эксплуатации такой системы.
@ user110971 Ну, я никогда не предполагал, что это ответ на ваш вопрос, просто пытался помочь, указав вам на другие сайты SE, на которых может быть больше информации. Если вы не хотите/не нуждаетесь в такой помощи, я займусь своими делами... и оставлю вас наедине с вашими.
@RogerRowland, о, извини. Не хотел показаться грубым. Просто указал, почему я задал этот конкретный вопрос.
@PlasmaHH да, но как ты на самом деле это делаешь? Существуют ли какие-либо стандарты, регулирующие это?
@user110971 user110971 Нет проблем, я слишком стар и устал, чтобы обижаться, сейчас я по уши в делах и действительно не должен открывать вкладки SE, так что я немного быстр ;-)
@ user110971: Я не думаю, что имеет смысл разрабатывать стандарт для вещей, которые делаются в нескольких местах в мире. Также они наверняка будут постоянно совершенствовать свои методы. Что касается большего, чем принцип работы (помните, GPS имеет военное происхождение), вам может повезти больше, если вы поищите описания системы Галилео.
@PlasmaHH Но, конечно же, проблема такого типа встречается чаще. Если у вас есть часы в точке A и вы хотите синхронизировать их с часами в точке B, вы столкнетесь с той же проблемой. Это должно быть более распространенным, чем вы предполагаете.
@Polynomial Я бы предположил, что ОП хочет получить ответ с точки зрения EE, а не с точки зрения физика.
@MarkoBuršič Вы имеете в виду относительность, а не релятивизм. Относительность — это физическая теория Эйнштейна; релятивизм — это вера в то, что знание и мораль существуют только в контексте определенной культуры и что абсолютной морали не существует.
@ user110971 Я думаю, что вы ищете синхронизацию Эйнштейна-Пуанкаре, но спутники GPS на самом деле не используют ее и не синхронизируются напрямую друг с другом.
@MarkoBuršič Спутники GPS на самом деле не движутся так быстро (4 км / с, не так ли?), дрейф времени происходит из-за гравитации Земли, деформирующей пространство-время, а не из-за релятивистских эффектов скорости.
@PedroWerneck Эта синхронизация будет работать только для часов в одной инерциальной системе координат, которой не являются спутники Земли и GPS.
Суть в том, что синхронизировать их невозможно. «Секунда» имеет разный размер в зависимости от местной гравитации, и вы не можете получить совпадающую фазу с разными частотами.
Они протягивают вниз гигантскую руку и сбрасывают их одну за другой. Истинный!
@DmitryGrigoryev Я знаю об этом, но, похоже, это то, что ищет ОП.
@DmitryGrigoryev это не обязательно правда. Во-первых, вы можете синхронизировать их несколько раз, прежде чем они разойдутся. Во-вторых, вы можете учитывать замедление времени в программном обеспечении. Если вы знаете, что вы ошибаетесь на 1 счет на каждый 1 миллиард, например, вы можете исправить счет.

Ответы (3)

Ошибки часов не исправляются, они компенсируются в два этапа.

1. Определение ошибки

Сегмент управления GPS использует эталонные приемники в хорошо известных местах для определения фактических элементов орбиты и погрешности часов космических аппаратов. Эталоном для положения является система отсчета WGS84 , для времени это международное атомное время . Учитываются даже самые незначительные эффекты, такие как дрейф континентов и релятивистское замедление времени .

2. Компенсация ошибок

Бортовые часы (собственно Z-Count КА, см. IS-GPS-200 3.3.4) не настраиваются , не поворачиваются и не сбрасываются для компенсации ошибки. Ссылаясь на IS-GPS, 20.3.4.2:

Каждый КА работает по своему времени КА

Вместо этого смещение между UTC и часами этого космического корабля ("GPS-время") передается в навигационном сообщении (см. IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Сюда входит не только текущее смещение, но и различные прогнозы («интервалы соответствия», 20.3.4.4). Обычно релевантен только высокоточный краткосрочный прогноз, остальные будут использоваться, если контрольный сегмент не работает и восходящая линия связи невозможна.

Точно так же ошибка положения (отклонение от номинальной орбиты) остается неисправленной (это приведет к истощению драгоценного топлива), но передается на приемники путем загрузки эфемеридных данных (элементов орбиты) на космический корабль.

Время полета не является проблемой для восходящей линии связи, так как новые данные интервала подгонки уже были определены на предыдущем шаге.

Фактическая компенсация затем выполняется в приемнике (пользовательском сегменте). Он применяет поправки при сопоставлении наблюдаемой фазы сигнала/кода различных спутников.

Исключительные ситуации

Иногда старые космические корабли ведут себя неожиданным образом, например, их часы начинают непредсказуемо дрейфовать. У AGI есть веб- сайт с данными о производительности бортовых часов. Вы можете видеть, что часы USA-151 (посылающие PRN28) немного шатаются и требуют частых компенсаций.

Если часы выходят из строя или маневр с электроприводом делает SV непригодным для навигации, SV отправляет «неработоспособный флаг» в своем навигационном сообщении и игнорируется приемниками конечных пользователей.

Разве это не описывает, как приемник получает точную синхронизацию времени? Первоначально я спрашивал о том, как сами спутники остаются синхронизированными с международным атомным временем. Я имею в виду, что каждый спутник должен быть синхронизирован с другим спутником, когда сообщения GPS передаются на приемники.
@user110971 user110971 Часы спутников не настроены. Вместо этого их смещение (к атомному времени) отслеживается, прогнозируется и транслируется в навигационном сообщении. Приемники компенсируют смещение не только свое, но и смещение КА. Звучит забавно, но имеет то преимущество, что фаза сигналов GPS не имеет рывков и обрывов. (удален мой предыдущий комментарий, который не был полезен)
хорошо, я вижу, как это работает. Известно ли, как спутники отслеживают дрейф между их бортовыми часами и временем UTC? Получают ли они откуда-то эталонные часы UTC?
"Каждый КА работает по своему времени КА. Вместо этого в навигационном сообщении транслируется смещение между UTC и часами этого космического корабля ("GPS-время")" - почему?
@JanDvorak: смещение меняется медленно, и его не нужно отправлять с высокой частотой. Это важно, потому что эффективная скорость передачи данных GPS очень низкая.
@MSalters Я имею в виду, почему спутник не отправляет свои данные часов с исправлением вместо того, чтобы отправлять нескорректированные данные + данные коррекции?
GPS-спутники @JanDvorak на самом деле не отправляют полную временную метку. Вместо этого часть метки времени определяется фазой самого сигнала: сообщения всегда начинаются с 30-секундного приращения. Таким образом, чтобы исправить синхронизацию, спутнику пришлось бы укоротить или удлинить сообщение, что привело бы к потере синхронизации приемниками и необходимости повторного захвата сигнала.
@user110971 user110971 Бортовые системы могут сами применять смещения и получать UTC из своих собственных часов. Но идея о том, что UTC каким-то образом передается им, как и компьютерам с протоколом NTP, неверна. И UTC им не нужен. Почему они должны генерировать сигнал с фазой, фиксированной по UTC. Это бесполезно для них и было бы бесполезно для любого приемника.
@JanDvorak Любая коррекция потребует поворота сигнала или даже жесткой пошаговой коррекции. Это отрицательно повлияет на решение о местоположении любого приемника --- опять же, если не будет компенсировано. Разрешить получателям применять последнюю известную компенсацию (она может быть устаревшей при обновлении альманаха) лучше, потому что получатель знает, когда он переходит на новые данные, и может принять это во внимание.
@jpa +1, это как-то так. Но: полоса пропускания контура слежения часто выбирается равной 18 Гц для COTS-устройств старого образца, что является компромиссом между динамикой приемника и стабильностью контура. Вам потребуется огромная коррекция, чтобы вызвать потерю блокировки os в приемнике. Погрешности часов обычно имеют DOP-эквивалент всего в несколько метров, движение приемника и атмосферное мерцание абсолютно преобладают.
@JanDvorak Одно из основных соображений заключается в том, что «исправление» должно выполняться на очень низком уровне стека (возможно, даже на уровне аналогового оборудования), где побочные эффекты исправления могут быть сложными. Если вместо этого они отправят нескорректированные часы плюс данные коррекции, побочные эффекты этой коррекции можно будет устранить на более высоком уровне (например, на программном обеспечении). Вычитание очень просто для современных процессоров! Это также очень ясно дает понять, откуда произошли изменения. Получатель, получивший внезапную коррекцию, может не доверять собственному оборудованию и предположить, что это была ошибка!
Вы также должны помнить, что этот метод был выбран давным-давно, и он позволил сделать спутники намного проще, действуя во многом как магнитофоны, воспроизводящие сигнал.
Если вы намеренно заставляете часы идти медленнее или быстрее, чтобы скорректировать время, вы поворачиваете часы. Если часы отстают на (обычно постоянную) величину, часы смещены . Поскольку в заявлении говорится, что не предпринимается никаких корректирующих мер для возврата часов SV к правильному значению, «не [...] поворачивается» является правильным выражением, а результатом процесса является то, что необработанное значение часы действительно перекошены, но ошибка известна и исправлена ​​в приемнике.

скажем, у вас есть часы в месте А. Как вы синхронизируете их с часами в месте Б, которое далеко от А?

Вы можете делать то, что делает NTP . Грубо говоря,

  • отправить запрос на текущее время в данный момент т 0
  • сервер получает ваш запрос в т 1 и отправляет вам ответ на т 2
  • получить ответ Т в данный момент т 3
  • установить время на Т + дельта :

введите описание изображения здесь

Обратите внимание, что это не то, что делает GPS, потому что в этом нет смысла: спутниковая секунда короче земной из-за гравитации, поэтому синхронизировать часы невозможно .

Вы получаете балл за понимание точки относительности, в отличие от беспорядка в комментариях к вопросу.
Дельта - это время туда и обратно или время в один конец? Если да, то как клиент это измеряет?
@TejasKale дельта знак равно ( т 3 − т 0 + т 1 − т 2 ) / 2 . По сути, время в пути, деленное на два, с поправкой.

Созвездие спутников GPS постоянно контролируется несколькими стационарными наземными станциями, расположенными по всему миру. Эти наземные станции контролируют все спутники и отправляют поправочные коэффициенты, если обнаруживается какой-либо дрейф.

Сегмент управления GPS состоит из глобальной сети наземных объектов, которые отслеживают спутники GPS, контролируют их передачи, выполняют анализ и отправляют команды и данные группировке.

Текущий сегмент оперативного управления включает в себя главную станцию ​​управления, альтернативную главную станцию ​​управления, 11 антенн управления и контроля и 15 пунктов наблюдения.

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

Как спутники GPS обновляют свои часы
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v