Details zum Beidou-Satelliten-Zeitmessdienst (ntp-Netzwerkzeitserver-Zeitmesssystem)

Einzelheiten des Beidou-Satellitenzeitdienstes (ntp-Netzzeitserver-Zeitsystem)

Mai 17, 2022
17:34 Uhr

Die meisten dieser Dienste, die das Beidou-System bietet, sind sehr einfach zu verstehen. Einige von Ihnen fragen sich vielleicht, was Zeitmessung ist.
Die Zeitmessung ist einfach die Übertragung der Standardzeit.
Die Notwendigkeit der Zeitmessung besteht schon seit langem. In vielen Städten des Landes können wir Gebäude wie Uhrentürme sehen.
Eine Turmuhr ist das Instrument, das die Zeit für eine Stadt übermittelt. Jeder weiß, wie spät es ist, wenn er die Glocke hört, und kann dementsprechend etwas unternehmen.
Wir wissen, dass die derzeitige internationale Standardzeit Universal Time Coordinated (UTC) genannt wird, die auf der Länge der Sekunde in der Atomzeit in Kombination mit dem Moment in der Universalzeit basiert. Wenn die Differenz zwischen beiden Jahr für Jahr zunimmt und 0,9 Sekunden erreicht, wird der Fehler durch plus oder minus eine Schaltsekunde ausgeglichen, wobei eine gleichmäßige Zeitskala erhalten bleibt.
Der Zeitgebungsdienst des Beidou-Systems soll die chinesische Standardzeit vom Nationalen Zeitgebungszentrum der Chinesischen Akademie der Wissenschaften über Satellitendienste an Anwendungen in verschiedenen Branchen weitergeben, um die Zeitsynchronisation und -genauigkeit zu gewährleisten.

Ausführliches Schaufenster

Ortung per Satellit

Die Satelliten senden in regelmäßigen Abständen Signale nach außen, und unsere Signalempfänger lokalisieren die Position, indem sie die Signale der Satelliten empfangen.

Nehmen wir an, es gibt zwei Satelliten, die jeweils eine eigene Uhr haben. Angenommen, jeder Satellit sendet jede Sekunde ein Signal. Gleichzeitig unterhält der Empfänger eine eigene Uhr, so dass der Empfänger die Entfernung zwischen sich und den beiden Satelliten berechnen kann, indem er die Ankunftszeit des Signals bestimmt.

Wir gehen davon aus, dass der Empfänger über eine eigene genaue Uhr verfügt. Wir werden diese Frage später in dieser Diskussion ausführlich beantworten.

Oben haben wir ein zweidimensionales Schema gezeichnet. In einer dreidimensionalen Umgebung muss die entsprechende Anzahl von Satelliten um eins erhöht werden.

OK, hier ist die Frage, ist es möglich, unsere Position zu bestimmen, wenn man die Entfernung zweier Satelliten von uns kennt?

Die Antwort lautet nein, denn wir wissen nicht, wo sich die Satelliten befinden.

Ephemeriden und Satellitenpositionen

Wie kann ich den Standort eines Satelliten genau bestimmen?

Bereits 1617 konnte der große Gott Johannes Kepler in einem idealisierten Modell eine Satellitenbahn aus sieben Elementen bestimmen.

Dieses idealisierte Modell unterliegt natürlich einigen Beschränkungen: Die Umlaufbahn bleibt in der 2D-Ebene und ist immer elliptisch. Diese feste Bahn kann man dann mit den folgenden Elementen genau beschreiben:

Der Durchschnitt der langen und der kurzen Achse der Ellipse (in Wirklichkeit: die Fläche der Ellipse, A)
Das Verhältnis zwischen der langen und der kurzen Achse einer Ellipse (e).
Drei Parameter, die die Ausrichtung der Bahnebene beschreiben: die Neigung (i0), die
der Längengrad des aufsteigenden Knotens (Ω0).
Bogennaher Punkt (ω)
Wie weit befindet sich der Satellit bei T = 0 auf der Ellipse (mittlerer Perihelwinkel M0)
Moment T = 0 (t0e)
Obwohl das Keplersche Modell perfekt ist, reicht es nicht aus, weil die Erde selbst keine perfekte Kugel ist und das Gravitationsfeld nicht völlig gleichmäßig ist. Würde man dieses Modell direkt anwenden, könnten die Satellitenpositionen um Kilometer ungenau sein.

Um dieses Problem zu lösen, fügten die Götter, die 1970 das GPS entwarfen, dem Keplerschen Modell sechs weitere Parameter hinzu.

Die nachstehende Abbildung zeigt die von GPS und dem europäischen Satellitensystem Galileo verwendeten Ortungsparameter:

Ich werde nicht im Detail darauf eingehen, was das bedeutet, so dass Interessierte es selbst herausfinden können.

Das BeiDou-Satellitensystem folgt ebenfalls den Parametern für die Satellitenortung des GPS-Konzepts.

Nehmen wir den Beidou-Satelliten mit der Nummer C06@0 als Beispiel und betrachten wir die Signalinformationen, die er der Außenwelt liefert:

Wenn wir die aktuellen Satellitenpositionen und die voraussichtlichen Satellitenpositionen danach zusammenzählen, erhalten wir eine Ephemeride.

Oben sehen Sie die Ephemeridenkarte für den 24. Juni 2020 für den BeiDou-Satelliten.

Die Unbekannte Uhr

Mit der Position des Satelliten und der Entfernung zum Satelliten können wir unsere Position berechnen. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Uhr des Satelliten genau geht und die Uhr des Empfängers ebenfalls genau geht.

Dabei geht es um zwei Dinge: die Genauigkeit der Satellitenuhr und die Genauigkeit der Uhr des Empfängers.

Betrachten wir zunächst das Problem der Genauigkeit der Empfängeruhr.

Wenn sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, beträgt der Fehlerabstand von einer Nanosekunde 30 Zentimeter.

Die Aufrechterhaltung einer nanosekundengenauen Uhr ist für gewöhnliche Empfangsgeräte praktisch unmöglich, wie können also gewöhnliche Empfangsgeräte auch genau orten?

Die Antwort ist, einen weiteren Satelliten hinzuzufügen.

Das Empfangsgerät empfängt drei Signale gleichzeitig, und die gleichzeitigen Signale müssen an dem Punkt gesammelt werden, an dem sich die tatsächliche Position des Empfängers befindet, dann kann der Empfänger die lokale Uhr so korrigieren, dass mehrere Satellitensignale an einem Punkt gesammelt werden, wodurch die Korrektur der lokalen Uhr und die genaue Position der Positionierung realisiert werden. Zwei Fliegen mit einer Klappe.

Bei einer dreidimensionalen Darstellung braucht man mindestens vier Satelliten.

Genaue Uhren

Wir haben das Problem des Empfängers gelöst, wie lösen wir nun das Problem des Senders?

Außerdem benötigt jeder Satellit eine genaue Uhr, um Signale zu senden.

Wir wissen, dass die genaueste Zeit der Welt in einer Laborumgebung erzeugt wird, aber Satelliten befinden sich in Umgebungen, in denen es nicht möglich ist, diese Art von Genauigkeit in einem Labor zu erreichen.

Wir können die Uhren in der Luft vom Boden aus überwachen, sie mit der genauen Zeit in der Laborumgebung vergleichen und eine Kalibrierungsnachricht an den Satelliten senden.

Es gibt drei Hauptkorrekturen:

Taktabweichung af0 Nanosekunden
Taktverschiebungsrate af1 ns/sec
Taktverschiebung Beschleunigung af2 ns/sec/sec

In der Regel stellt der Satellit nach dem Empfang der Korrekturinformationen nicht seine eigene Uhr ein, sondern sendet die Korrekturdaten zusammen mit der ursprünglichen Uhr an den Empfänger, der sie dann selbst verarbeitet.

Ionosphärische Fehlerkorrektur

Nun, alle Probleme scheinen gelöst zu sein, aber es gibt noch ein Problem. Es ist die Ionosphäre.

Die Signalübertragung in der Ionosphäre wird beeinträchtigt, was zu einer Verzögerung führt.

Wie lässt sich dieses Problem der Signalverzögerung lösen?

Der Grund dafür ist, dass die von der Ionosphäre verursachte Verzögerung proportional zur Frequenz des Signals ist. Wir können also Signale mit mehreren Frequenzen verwenden und so die erzeugte Gesamtverzögerung ableiten und sie durch den Unterschied der Ankunftszeiten zwischen den verschiedenen Frequenzbändern eliminieren.

Dadurch werden mehr als 99,9 % der durch die Atmosphäre verursachten Fehler eliminiert, ohne dass eine weitere Modellierung erforderlich ist.

Wie bereits bei der Einführung des BeiDou-Systems erwähnt, verwendet das BeiDou-System drei Frequenzbandsignale, B1, B2 und B3, und die Verwendung von drei Frequenzbandsignalen kann den Fehler der Ionosphäre besser eliminieren.

Das GPS soll 2 Bänder umfassen.