Détails du service de chronométrage par satellite Beidou (système de chronométrage par serveur de temps réseau ntp)

Détails du service de chronométrage du satellite Beidou (système de chronométrage du serveur de temps réseau ntp)

17 mai 2022
17:34 heures

La plupart des services fournis par le système Beidou sont très faciles à comprendre. Certains d'entre vous se demandent peut-être ce qu'est la synchronisation.
Le chronométrage est simplement la transmission du temps standard.
En fait, le besoin de mesurer le temps existe depuis longtemps. On peut voir des bâtiments comme des tours d'horloge dans de nombreuses villes du pays.
Une tour d'horloge est l'outil qui transmet l'heure pour une ville. Tout le monde connaît l'heure lorsqu'il entend la cloche et peut se déplacer en conséquence.
Nous savons que le temps standard international actuel est appelé Temps Universel Coordonné (UTC), qui est basé sur la longueur de la seconde en temps atomique combinée à l'instant en Temps Universel. Lorsque la différence entre les deux s'accumule d'année en année et atteint 0,9 seconde, l'erreur est compensée par plus ou moins une seconde intercalaire, tout en conservant une échelle de temps régulière.
Le service de chronométrage du système Beidou consiste à diffuser l'heure chinoise standard du Centre national de chronométrage de l'Académie chinoise des sciences aux applications de diverses industries par le biais de services satellitaires afin de garantir la synchronisation et la précision de l'heure.

Vitrine détaillée

Comment localiser par satellite

Les satellites envoient des signaux vers l'extérieur à intervalles réguliers et nos récepteurs de signaux localisent la position en recevant les signaux des satellites.

Supposons qu'il y ait maintenant deux satellites, chacun ayant sa propre horloge. Supposons que chaque satellite envoie un signal toutes les secondes. Dans le même temps, le récepteur conserve sa propre horloge, de sorte qu'il peut calculer la distance qui le sépare des deux satellites en déterminant l'heure d'arrivée du signal.

Il est à noter que nous avons supposé que le récepteur possède sa propre horloge précise. Nous répondrons à cette question en détail plus loin dans cette discussion.

Ci-dessus, nous avons dessiné un schéma en deux dimensions. Dans un environnement tridimensionnel, le nombre correspondant de satellites doit être augmenté d'une unité.

OK, voici la question : est-il possible de déterminer notre position en connaissant la distance de deux satellites par rapport à nous ?

La réponse est non, car nous ne savons pas où se trouvent les satellites.

Ephémérides et positions des satellites

Comment localiser un satellite ?

Dès 1617, le grand dieu Johannes Kepler a pu localiser l'orbite d'un satellite à l'aide de sept éléments d'un modèle idéalisé.

Bien entendu, ce modèle idéalisé est soumis à certaines contraintes : l'orbite adhère au plan 2D et est toujours elliptique. On peut alors décrire précisément cette orbite fixe à l'aide des éléments suivants :

La moyenne du grand axe et du petit axe de l'ellipse (en fait : la surface de l'ellipse, A)
Le rapport entre le grand et le petit axe d'une ellipse (e).
Trois paramètres décrivent l'orientation du plan orbital : l'inclinaison (i0), l'angle d'inclinaison (i0) et l'angle d'inclinaison (i0).
la longitude du nœud ascendant (Ω0).
Point proche de l'arc (ω)
A quelle distance de l'ellipse se trouve le satellite à T = 0 (angle moyen de périhélie M0) ?
Moment T = 0 (t0e)
Bien que le modèle de Kepler soit assez parfait, il n'est pas suffisant car la Terre elle-même n'est pas une sphère parfaite et le champ gravitationnel n'est pas complètement uniforme. Si ce modèle était utilisé directement, les positions des satellites pourraient être inexactes de plusieurs kilomètres.

Pour résoudre ce problème, les dieux qui ont conçu le GPS en 1970 ont ajouté six paramètres supplémentaires au modèle képlérien.

La figure ci-dessous présente les paramètres de positionnement utilisés par le GPS et le système satellitaire européen Galileo :

Je n'entrerai pas dans les détails de ce que cela signifie, afin que les personnes intéressées puissent l'explorer par elles-mêmes.

Le système satellitaire BeiDou suit également les paramètres de positionnement du GPS.

Prenons l'exemple du satellite Beidou portant le numéro C06@0 et examinons les informations qu'il fournit au monde extérieur :

Si nous additionnons les positions actuelles des satellites et les positions prévisibles des satellites par la suite, nous obtenons un éphéméride.

Ci-dessus, la carte des éphémérides du 24 juin 2020 pour le satellite BeiDou.

L'horloge inconnue

Avec la position du satellite et la distance par rapport au satellite, nous pouvons calculer notre position. Mais il y a une condition préalable : l'horloge du satellite doit être précise et l'horloge du récepteur doit l'être également.

Deux questions se posent ici : la précision de l'horloge du satellite et la précision de l'horloge du récepteur.

Examinons d'abord la question de la précision de l'horloge du récepteur.

Si le signal se déplace à la vitesse de la lumière, la distance d'erreur d'une nanoseconde est de 30 centimètres.

Le maintien d'une horloge précise à la nanoseconde est fondamentalement impossible pour un équipement de réception ordinaire, alors comment un équipement de réception ordinaire peut-il également être capable de localiser avec précision ?

La réponse est d'ajouter un autre satellite.

L'équipement de réception reçoit trois signaux en même temps, et les signaux en même temps doivent être recueillis au point où se trouve la position réelle du récepteur, puis le récepteur peut corriger l'horloge locale de manière à ce que plusieurs signaux satellites soient recueillis en un seul point, réalisant ainsi la correction de l'horloge locale et la position précise du positionnement. D'une pierre deux coups.

Si c'est en trois dimensions, il faut au moins quatre satellites.

Horloges précises

Nous avons résolu le problème du récepteur, comment résoudre celui de l'expéditeur ?

Chaque satellite a également besoin d'une horloge précise pour envoyer des signaux.

Nous savons que l'heure la plus précise au monde est produite en laboratoire, mais les satellites se trouvent dans des environnements où il n'est pas possible d'obtenir une telle précision en laboratoire.

Nous pouvons surveiller les horloges dans l'air depuis le sol, les comparer à l'heure exacte dans l'environnement du laboratoire et envoyer un message d'étalonnage au satellite.

Il existe trois corrections principales :

Déviation de l'horloge af0 nanosecondes
Taux de décalage de l'horloge af1 ns/sec
Accélération du décalage de l'horloge af2 ns/sec/sec

En général, le satellite n'ajuste pas sa propre horloge après avoir reçu l'information de correction, mais envoie l'élément de correction avec l'horloge d'origine au récepteur, qui le traitera lui-même.

Correction des erreurs ionosphériques

Tous les problèmes semblent résolus, mais il en reste un. Il s'agit de l'ionosphère.

La transmission du signal dans l'ionosphère est affectée, ce qui entraîne un retard.

Comment résoudre ce problème de retard du signal ?

En effet, le retard produit par l'ionosphère est proportionnel à la fréquence du signal. On peut donc utiliser des signaux de fréquences multiples et ainsi déduire le retard total généré et l'éliminer par la différence des temps d'arrivée entre les différentes bandes de fréquences.

Cela permet d'éliminer plus de 99,9 % des erreurs introduites par l'atmosphère sans qu'il soit nécessaire de procéder à une modélisation plus poussée.

Comme nous l'avons mentionné ci-dessus lorsque nous avons présenté le système BeiDou, celui-ci utilise trois signaux de bande de fréquence, B1, B2 et B3, et l'utilisation de trois signaux de bande de fréquence permet de mieux éliminer l'erreur de l'ionosphère.

Le GPS est dit à 2 bandes.