Подробная информация о спутниковом хронометраже Beidou (система синхронизации времени сервера сетевого времени ntp)

Детали службы спутникового хронометража Beidou (система хронометража сервера сетевого времени ntp)

Май 17, 2022
5:34 пп

Большинство из этих услуг, предоставляемых системой Beidou, очень просты для понимания. Некоторые из вас могут задаться вопросом, что такое хронометраж.
Хронометраж - это просто передача стандартного времени.
На самом деле потребность в хронометраже существует уже давно. Во многих городах страны можно увидеть здания, похожие на часовые башни.
Часовая башня - это инструмент, передающий время в городе. Все знают, который час, когда слышат колокол, и могут идти и делать соответствующие дела.
Мы знаем, что современное международное стандартное время называется универсальным координированным временем (UTC), которое основано на длительности секунды в атомном времени в сочетании с моментом во всемирном времени. Когда разница между ними накапливается из года в год и достигает 0,9 секунды, ошибка компенсируется плюс-минус одной високосной секундой, сохраняя при этом равномерную шкалу времени.
Служба хронометража системы Beidou предназначена для распространения китайского стандартного времени из Национального центра хронометража Китайской академии наук в приложениях в различных отраслях промышленности через спутниковые службы для обеспечения синхронизации и точности времени.

Подробная витрина

Как определить местоположение по спутнику

Спутники посылают сигналы наружу через регулярные промежутки времени, а наши приемники сигналов определяют местоположение, принимая сигналы от спутников.

Предположим, что теперь есть два спутника, каждый из которых имеет собственные часы. Предположим, что каждый спутник посылает сигнал каждую секунду. В то же время у приемника есть свои часы, поэтому он может рассчитать расстояние между собой и двумя спутниками, определив время прихода сигнала.

Обратите внимание, что выше мы предположили, что приемник имеет собственные точные часы. Мы подробно ответим на этот вопрос позже.

Выше мы нарисовали двухмерную схему. Если речь идет о трехмерной среде, то соответствующее количество спутников нужно увеличить на один.

Хорошо, вот в чем вопрос: можно ли определить наше местоположение, зная расстояние до двух спутников?

Ответ - нет, потому что мы не знаем, где находятся спутники.

Эфемерида и положение спутников

Как определить местоположение спутника?

Еще в 1617 году великий бог Иоганн Кеплер смог определить орбиту спутника, используя семь элементов в идеализированной модели.

Конечно, эта идеализированная модель имеет некоторые ограничения: орбита придерживается двумерной плоскости и всегда является эллиптической. Затем вы можете точно описать эту фиксированную орбиту с помощью следующих элементов:

Среднее значение длинной и короткой осей эллипса (фактически: площадь эллипса, A)
Отношение длинной и короткой осей эллипса (e).
Три параметра, описывающие ориентацию орбитальной плоскости: наклонение (i0),
долгота восходящего узла (Ω0).
Околоарочная точка (ω)
На каком расстоянии от эллипса находится спутник в точке T = 0 (средний угол перигелия M0)
Момент T = 0 (t0e)
Хотя модель Кеплера достаточно совершенна, ее недостаточно, поскольку Земля сама по себе не является идеальной сферой, а гравитационное поле не является полностью однородным. Если бы эта модель использовалась напрямую, то положение спутников могло бы быть неточным на километры.

Чтобы решить эту проблему, боги, разработавшие GPS в 1970 году, добавили к кеплерианской модели еще шесть параметров.

На рисунке ниже показаны параметры позиционирования, используемые GPS и европейской спутниковой системой Galileo:

Я не буду вдаваться в подробности того, что это значит, так что интересующиеся могут исследовать это самостоятельно.

Спутниковая система BeiDou также повторяет параметры спутникового позиционирования, заложенные в конструкцию GPS.

В качестве примера возьмем спутник Beidou с номером C06@0 и посмотрим, какую сигнальную информацию он предоставляет внешнему миру:

Если мы сложим текущие положения спутников и предсказуемые положения спутников после этого, мы получим эфемериду.

Выше приведена схема эфемерид на 24 июня 2020 года для спутника BeiDou.

Неизвестные часы

Имея положение спутника и расстояние до него, мы можем вычислить наше местоположение. Но здесь есть необходимое условие: часы спутника должны быть точными, и часы приемника тоже должны быть точными.

Здесь есть две проблемы: точность часов спутника и точность часов приемника.

Сначала рассмотрим вопрос о точности часов приемника.

Если сигнал движется со скоростью света, то расстояние ошибки в одну наносекунду составляет 30 сантиметров.

Поддержание наносекундной точности часов практически невозможно для обычного приемного оборудования, так как же обычное приемное оборудование может точно определять местоположение?

Ответ - добавить еще один спутник.

Приемное оборудование принимает три сигнала одновременно, и эти сигналы должны быть собраны в точке, где находится фактическое положение приемника, тогда приемник может скорректировать местные часы так, чтобы несколько спутниковых сигналов были собраны в одной точке, таким образом, реализуя коррекцию местных часов и точное позиционирование. Две птицы одним выстрелом.

Если речь идет о трех измерениях, то вам нужно как минимум четыре спутника.

Точные часы

Мы решили проблему получателя, а как нам решить проблему отправителя?

Каждый спутник также нуждается в точных часах для передачи сигналов.

Мы знаем, что самое точное время в мире производится в лабораторных условиях, но спутники находятся в среде, где невозможно достичь такой точности в лаборатории.

Мы можем следить за часами в воздухе с земли, сравнивать их с точным временем в лабораторных условиях и отправлять калибровочное сообщение на спутник.

Существует три основных варианта исправления:

Отклонение часов af0 наносекунд
Скорость смещения тактового генератора af1 нс/сек
Ускорение смещения тактового генератора af2 нс/сек/сек

Как правило, спутник не корректирует свои часы после получения корректирующей информации, а отправляет корректирующий элемент вместе с исходными часами на приемник, который обрабатывает его самостоятельно.

Коррекция ионосферных ошибок

Казалось бы, все проблемы решены, но есть еще одна. Это ионосфера.

Передача сигнала в ионосфере нарушается, что приводит к задержке.

Как решить эту проблему задержки сигнала?

Это связано с тем, что задержка, создаваемая ионосферой, пропорциональна частоте сигнала. Поэтому мы можем использовать сигналы нескольких частот и таким образом вывести общую задержку и устранить ее за счет разницы во времени прихода сигналов разных частотных диапазонов.

Это позволяет устранить более 99,9% ошибок, вносимых атмосферой, без необходимости проводить дополнительное моделирование.

Как мы уже говорили, представляя систему BeiDou, в ней используются сигналы трех частотных диапазонов - B1, B2 и B3, и использование сигналов трех частотных диапазонов позволяет лучше устранить ошибку ионосферы.

GPS, как говорят, имеет 2 диапазона.