СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ДВУХ И БОЛЕЕ ТЕРРИТОРИАЛЬНО УДАЛЕННЫХ НАЗЕМНЫХ ХРАНИТЕЛЕЙ ВРЕМЕНИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G04G7/00 

Область техники

Изобретение относится к космической области техники и может применяться в спутниковых навигационных системах типа ГЛОНАСС, GPS и др. для синхронизации как минимум двух территориально удаленных наземных хранителей времени спутниковой навигационной системы, например центральных синхронизаторов навигационной системы или стандартов частоты и времени.

Уровень техники

Из уровня техники известны способы синхронизации шкалы времени двух наземных хранителей времени и системы для их реализации двухпутевым методом, заключающиеся в том, что с первого наземного хранителя времени запросный сигнал передается на навигационный космический аппарат, а второй наземный хранитель времени этот сигнал принимает с навигационного космического аппарата. Затем второй наземный хранитель времени излучает синхронизированный сигнал обратно на первый наземный хранитель времени через навигационный космический аппарат (см., например, [Л1], [Л2], [Л3], [Л4] и [Л5]).

В известных технических решениях дальность измеряется между центральными наземными хранителями времени, а ее разность соответствует расхождению шкал времени.

Известные способы и системы для их реализации не обладают достаточной точностью синхронизации из-за погрешности обоих излучателей и приемников сигнала и смещения навигационного космического аппарата, через который происходят взаимные измерения между первым и вторым наземными хранителями времени (запросный метод). Точность синхронизации известных технических решений недостаточна для обеспечения эфемеридно-временного обеспечения навигационной спутниковой системы.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и точности синхронизации шкал времени территориально удаленных наземных хранителей времени.

Технический результат достигается тем, что способ синхронизации шкал времени двух и более территориально удаленных наземных хранителей времени заключается в том, что:

- синхронно измеряют навигационными приемниками спутниковой навигационной системы, которыми снабжают наземные хранители времени, псевдодальность до космического аппарата;

- определяют реальную дальность навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до космического аппарата;

- вычитают из измеренной псевдодальности значение реальной дальности каждого навигационного приемника до космического аппарата;

- сравнивают значение отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой;

- в случае получения разности шкал времени между как минимум двумя наземными хранителями времени включают ее в навигационный сигнал космического аппарата спутниковой навигационной системы для поправок шкалы времени к системной шкале времени.

В предпочтительном варианте псевдодальность измеряют по навигационному сигналу одного и того же космического аппарата на один и тот же момент времени с учетом поправок на распространение сигнала в ионосфере и тропосфере. Измеренная псевдодальность представляет собой суммарное значение времени распространения сигнала от космического аппарата до навигационного приемника, то есть реальная дальность и разность фаз хранителя времени космического аппарата и наземного хранителя времени. Вычитание из измеренной псевдодальности реальной дальности определяет расхождение фаз хранителей времени на космическом аппарате и наземном хранителе времени. Реальная дальность определяется путем выделения из принятых навигационных сигналов космических аппаратов эфемеридной информации, экстраполяции этой информации на момент синхронных измерений псевдодальности. Синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется непрерывно и круглосуточно с использованием космических аппаратов, находящихся в совместной зоне видимости. Синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется путем обработки измерений по нескольким навигационным космическим аппаратам. Синхронизация шкал времени всех наземных хранителей времени осуществляется последовательно.

Система синхронизации шкал времени двух и более территориально удаленных наземных хранителей времени включает:

- n≥2 территориально удаленных наземных хранителей времени, каждый из которых снабжен навигационными приемниками спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности;

- n средств выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности;

- n средств определения реальной дальности навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до космического аппарата;

- n средств вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности каждого навигационного приемника до космического аппарата;

- n средств сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой; и

- n блоков исходных данных координат навигационного приемника Xo, Yo, Zo, вводимых в n средства определения реальной дальности,

при этом первый выход навигационного приемника спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности соединен со вторым входом средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности навигационного приемника до космического аппарата, второй выход навигационного приемника спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности соединен с входом средства выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности и со вторым входом средства определения реальной дальности навигационного приемника наземного хранителя времени до космического аппарата, выход средства выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности соединен с первым входом средства определения реальной дальности навигационного приемника наземного хранителя времени до космического аппарата, выход средства определения реальной дальности навигационного приемника наземного хранителя времени до космического аппарата соединен с первым входом средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности навигационного приемника до космического аппарата, выход средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности навигационного приемника до космического аппарата соединен со входом средства сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой.

В предпочтительном варианте средство измерения псевдодальности производит измерения по навигационному сигналу одного и того же навигационного космического аппарата на один и тот же момент времени. Навигационный приемник спутниковой навигационной системы со средством измерения псевдодальности дополнительно включает средство определения поправок на распространение сигнала в ионосфере и тропосфере. Измеренная псевдодальность представляет собой суммарное значение времени распространения сигнала от навигационного космического аппарата до навигационного приемника, то есть реальная дальность и разность фаз хранителя времени навигационного космического аппарата и наземного хранителя времени.

Средство вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности каждого навигационного приемника до навигационного космического аппарата определяет расхождение фаз хранителей времени на навигационном космическом аппарате и наземном хранителе времени. Реальная дальность навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до навигационного космического аппарата определяется путем выделения из принятых навигационных сигналов навигационных космических аппаратов эфемеридной информации, экстраполяции этой информации на момент синхронных измерений псевдодальности. Средство сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени навигационного космического аппарата между собой работает непрерывно и круглосуточно с использованием навигационных космических аппаратов, находящихся в совместной зоне видимости. Синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется путем обработки измерений по нескольким навигационным космическим аппаратам. Синхронизация шкал времени всех наземных хранителей времени осуществляется последовательно.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом, где показано следующее.

На фиг.1 представлена структурная схема заявленной системы синхронизации шкал времени двух и более территориально удаленных наземных хранителей времени для реализации заявленного способа, где:

1_l…1_n - средства выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности;

2₁…2_n - средства определения реальной дальности навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до космического аппарата (КА);

3₁…3_n - средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности каждого навигационного приемника до космического аппарата (КА);

4₁…4_n - средства сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата (КА) между собой;

5₁…5_n - навигационные приемники спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности;

6₁…6_n - наземные хранители времени;

7₁…7_n - блоки исходных данных координат навигационного приемника Xo, Yo, Zo.

Осуществление изобретения

Наземные хранители времени (6₁…6_n) представляют собой группу высокостабильных стандартов частоты и времени, формирующих групповую шкалу времени, являющуюся опорной шкалой беззапросного измерителя дальности (навигационного приемника) в интересах эфемеридно-временного обеспечения навигационной системы. С наземных хранителей времени (6₁…6_n) на навигационные приемники (5₁…5_n) поступает метка сигнала частотой 1 Гц с оцифровкой и синусоидальным сигналом 5 МГц для обеспечения работы навигационного приемника. Задачей синхронизации шкал времени как минимум двух территориально удаленных наземных хранителей времени (6₁…6_n) является определение различия в фазе сигнала частотой 1 Гц для последующей возможности одновременного использования нескольких наземных хранителей времени (6₁…6_n) в эфемеридно-временном обеспечении навигационной спутниковой системы. Навигационные приемники (5₁…5_n) принимают сигнал с навигационного космического аппарата, в котором кроме оцифрованной метки времени содержится цифровая информация, включающая эфемериды (местоположение навигационного космического аппарата на орбите на 19 и 49 минуту каждого часа). Навигационные приемники (5₁…5_n) принимают навигационный сигнал на двух частотах для компенсации задержки распространения радиосигнала в ионосфере. В состав навигационных приемников входит метеокомплекс, измеряющий атмосферные температуру, давление, влажность для вычисления поправки на распространение радиосигнала в тропосфере. Навигационные приемники с измерителями псевдодальности (5₁…5_n) определяют псевдодальность (время распространения сигнала от навигационного космического аппарата до навигационного приемника). Поскольку измерение псевдодальности проводится с использованием шкалы времени наземного хранителя времени, то измеренное значение псевдодальности соответствует суммарному значению времени распространения от навигационного космического аппарата до навигационного приемника и расхождения шкалы космического аппарата относительно шкалы наземного хранителя времени. Исключение из этого значения - величину реальной дальности дает расхождение шкал времени хранителя времени навигационного космического аппарата и наземного хранителя времени. Средства (1₁…1_n) выделяют из принятого навигационного сигнала эфемеридную информацию и экстраполируют ее на момент синхронных измерений псевдодальности. При необходимости определения местоположения навигационного космического аппарата на любой момент времени проводится экстраполяция местоположения на предыдущую 19 или 49 минуту к текущему значению времени. Для исключения значения времени распространения навигационного сигнала средства (2₁…2_n) определения реальной дальности навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до навигационного космического аппарата выполняют вычитание из значения координат местоположения навигационного космического аппарата на момент измерений координат навигационного приемника, к которому подключен наземный хранитель времени. На вход средств (3₁…3_n) вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности каждого навигационного приемника до навигационного космического аппарата поступает значение псевдодальности и время распространения радиосигнала - дальность до навигационного космического аппарата. С выхода средств (3₁…3_n) поступают значения различия шкал времени навигационного космического аппарата и наземного хранителя времени. Средства (4₁…4_n) сравнивают значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени навигационного космического аппарата между собой.

Приведенная выше работа программно-аппаратных средств на основе процессоров проводится на каждом наземном хранителе времени и, следовательно, для каждого наземного хранителя времени известно расхождение его шкалы относительно шкалы хранителя времени одного и того же навигационного космического аппарата на один и тот же момент времени. Отсюда легко определяется разность шкал времени двух наземных хранителей времени или любой пары наземных хранителей времени. Определение разности шкал проводится на каждом наземном хранителе времени и используется во временном обеспечении навигационного космического аппарата.

Процедура синхронизации шкал наземных хранителей времени может проводиться непрерывно круглые сутки, поскольку всегда есть навигационные космические аппараты навигационной системы, находящиеся в зоне видимости навигационных приемников, сопряженных с наземными хранителями времени.

С целью повышения надежности и точности синхронизации шкал наземных хранителей времени процедура может проводиться с использованием сигнала нескольких навигационных космических аппаратов навигационной системы.

Спутниковые навигационные системы обеспечивают свое назначение путем передачи навигационного сигнала синхронизированного с системным временем.

Источником системного времени является назначаемый наземный хранитель времени (применительно к системе ГЛОНАСС - это наземный хранитель времени, которым является центральный синхронизатор, размещенный в западной части страны). Шкала времени навигационных космических аппаратов синхронизируется со шкалой времени центрального синхронизатора и поправка на их расхождение включается в навигационный сигнал.

Однако даже для орбит, на которых функционируют навигационные космические аппараты, зона видимости навигационного космического аппарата с места размещения наземного хранителя времени ограничена. Поэтому в интересах увеличения временного интервала синхронизации шкалы времени навигационного космического аппарата с системной шкалой времени размещают еще и наземный хранитель времени (центральный синхронизатор) на востоке страны.

Очевидно, что для одновременного применения обоих наземных хранителей времени в интересах обеспечения синхронизации шкал времени навигационного космического аппарата необходима высокоточная привязка наземных хранителей времени между собой.

Заявленный способ включает: синхронные измерения псевдодальности навигационными приемниками с наземными хранителями времени по навигационному сигналу одного и того же навигационного космического аппарата на один и тот же момент времени, исключения из измеренной псевдодальности рассчитанной реальной дальности до навигационного космического аппарата, определяемой по разности координат навигационного космического аппарата на момент измерений и местоположений как минимум двух наземных хранителей времени. Различие в полученных значениях есть не что иное как разность шкал времени между как минимум двумя наземными хранителями времени, которая включается в навигационный сигнал навигационного космического аппарата для поправок шкалы времени к системной шкале времени.

Повышение точности синхронизации шкал времени достигается за счет исключения ошибки, вносимой дрейфом навигационного космического аппарата и как минимум двух наземных хранителей времени между двумя измерениями в аналогах.

Способ может быть использован для синхронизации шкал времени наземных хранителей времени, сопряженных с приемником навигационного сигнала с навигационного космического аппарата, имеющих совместную зону видимости хотя бы одного навигационного космического аппарата.

Принцип работы заявленного изобретения заключается в следующем.

Каждый наземный хранитель времени предназначен для хранения времени системы, к которому привязывается хранитель времени на навигационном космическом аппарате.

Привязка фазы хранителя времени навигационного космического аппарата осуществляется путем измерения фазы принятого навигационного сигнала, синхронизированного хранителем времени навигационного космического аппарата, по отношению к фазе наземного навигационного приемника, синхронизированного сигналом наземного хранителя времени.

Навигационный приемник измеряет псевдодальность, представляющую собой суммарное значение времени распространения сигнала от навигационного космического аппарата до навигационного приемника, то есть реальной дальности и разности фаз хранителя времени навигационного космического аппарата и наземного хранителя времени.

Исключение из этого суммарного значения расчетной реальной дальности определяет расхождение фаз хранителей времени на навигационном космическом аппарате и наземном хранителе времени.

Наличие такого расхождения, определенного как минимум для двух территориально удаленных наземных хранителей времени, позволяет определить расхождение шкал наземных хранителей времени путем вычитания одного значения из другого.

Источники информации

1. Европейский патент на изобретение EP 1183573, Способ и устройство синхронизации удаленных часов и центральных часов через спутник, опубл. 06.03.2002 - [Л1].

2. Международная публикация заявки на изобретение WO 0060420, Способ и устройство синхронизации удаленных часов и центральных часов через двухсторонний спутниковый канал, опубл. 30.03.2000 - [Л2].

3. Международная публикация заявки на изобретение WO 0062133, Способ и устройство синхронизации часов через спутниковую линию связи, опубл. 19.10.2000 - [Л3].

4. Международная публикация заявки на изобретение WO 9915940, (STEINBEISTRANSFERZENTRUMRAUM [DE]; HUBERFELIX [DE]; MESSERSCHMIDERNST [DE]; SCHAEFER WOLFGANG [DE]), опубл. 1999-04-01. METHOD AND DEVICE FOR EMITTING A TIME SIGNAL - [Л4].

5. Заявка Кореи на изобретение KR 20120062641, (SKYPERFECTJSAT CORP [JP]), опубл. 2012-06-14. SATELLITE TIME DISTRIBUTION SYSTEM - [Л5].

Изобретение относится к космической области техники и может применяться в спутниковых навигационных системах типа ГЛОНАСС, GPS и др. для синхронизации как минимум двух территориально удаленных наземных хранителей времени спутниковой навигационной системы, например центральных синхронизаторов навигационной системы или стандартов частоты и времени. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и точности синхронизации шкал времени территориально удаленных наземных хранителей времени. Система синхронизации шкал времени двух и более территориально удаленных наземных хранителей времени включает:

- n≥2 территориально удаленных наземных хранителей времени, каждый из которых снабжен навигационными приемниками спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности;

- n средств выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности;

- n средств определения реальной дальности навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до космического аппарата;

- n средств вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности каждого навигационного приемника до космического аппарата;

- n средств сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой; и

- n блоков исходных данных координат навигационного приемника Xo, Yo, Zo, вводимых в n средства определения реальной дальности. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ синхронизации шкал времени двух и более территориально удаленных наземных хранителей времени, заключающийся в том, что:
- синхронно измеряют навигационными приемниками спутниковой навигационной системы, которыми снабжают наземные хранители времени, псевдодальность до космического аппарата;
- определяют реальную дальность навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до космического аппарата;
- вычитают из измеренной псевдодальности значение реальной дальности каждого навигационного приемника до космического аппарата;
- сравнивают значение отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой;
- в случае получения разности шкал времени между как минимум двумя наземными хранителями времени включают ее в навигационный сигнал космического аппарата спутниковой навигационной системы для поправок шкалы времени к системной шкале времени.

2. Способ по п.1, в котором реальная дальность определяется путем выделения из принятых навигационных сигналов космических аппаратов эфемеридной информации, экстраполяции этой информации на момент синхронных измерений псевдодальности.

3. Способ по п.1, в котором псевдодальность измеряют по навигационному сигналу одного и того же космического аппарата на один и тот же момент времени с учетом поправок на распространение сигнала в ионосфере и тропосфере.

4. Способ по п.1, в котором вычитание из измеренной псевдодальности реальной дальности определяет расхождение фаз хранителей времени на космическом аппарате и наземном хранителе времени.

5. Способ по п.3, в котором измеренная псевдодальность представляет собой суммарное значение времени распространения сигнала от космического аппарата до навигационного приемника, то есть реальная дальность и разность фаз хранителя времени космического аппарата и наземного хранителя времени.

6. Способ по любому из пп.1-5, в котором синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется непрерывно и круглосуточно с использованием космических аппаратов, находящихся в совместной зоне видимости.

7. Способ по п.6, в котором синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется путем обработки измерений по нескольким навигационным космическим аппаратам.

8. Способ по п.7, в котором синхронизация шкал времени всех наземных хранителей времени осуществляется последовательно.

9. Система синхронизации шкал времени двух и более территориально удаленных наземных хранителей времени включает:
- n≥2 территориально удаленных наземных хранителей времени, каждый из которых снабжен навигационными приемниками спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности;
- n средств выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности;
- n средств определения реальной дальности навигационного приемника каждого наземного хранителя времени до космического аппарата;
- n средств вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности каждого навигационного приемника до космического аппарата;
- n средств сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой; и
- n блоков исходных данных координат навигационного приемника Xo, Yo, Zo, вводимых в n средства определения реальной дальности,
при этом первый выход навигационного приемника спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности соединен со вторым входом средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности навигационного приемника до космического аппарата, второй выход навигационного приемника спутниковой навигационной системы с измерителем псевдодальности соединен с входом средства выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности и со вторым входом средства определения реальной дальности навигационного приемника наземного хранителя времени до космического аппарата, выход средства выделения из принятого навигационного сигнала эфемеридной информации и экстраполяции ее на момент синхронных измерений псевдодальности соединен с первым входом средства определения реальной дальности навигационного приемника наземного хранителя времени до космического аппарата, выход средства определения реальной дальности навигационного приемника наземного хранителя времени до космического аппарата соединен с первым входом средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности навигационного приемника до космического аппарата, выход средства вычитания из измеренной псевдодальности значения реальной дальности навигационного приемника до космического аппарата соединен со входом средства сравнения значения отклонения шкалы времени навигационного приемника каждого наземного хранителя времени от шкалы времени космического аппарата между собой.

10. Система по п.9, в которой реальная дальность определяется путем выделения из принятых навигационных сигналов космических аппаратов эфемеридной информации, экстраполяции этой информации на момент синхронных измерений псевдодальности.

11. Система по п.9, в которой псевдодальность измеряют по навигационному сигналу одного и того же навигационного аппарата на один и тот же момент времени с учетом поправок на распространение сигнала в ионосфере и тропосфере.

12. Система по п.9, в которой вычитание из измеренной псевдодальности реальной дальности определяет расхождение фаз хранителей времени на космическом аппарате и наземном хранителе времени.

13. Система по п.11, в которой измеренная псевдодальность представляет собой суммарное значение времени распространения сигнала от космического аппарата до навигационного приемника, то есть реальная дальность и разность фаз хранителя времени комического аппарата и наземного хранителя времени.

14. Система по любому из пп.9-13, в которой синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется непрерывно и круглосуточно с использованием космических аппаратов, находящихся в совместной зоне видимости.

15. Способ по п.14, в котором синхронизация шкал времени наземных хранителей времени осуществляется путем обработки измерений по нескольким космическим аппаратам.

16. Способ по п.15, в котором синхронизация шкал времени всех наземных хранителей времени осуществляется последовательно.