Содержание
Что такое GPS? Обеспечение идеальной привязки по времени
ЧТО ТАКОЕ GPS?
СИСТЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ
|
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИДЕАЛЬНОЙ ПРИВЯЗКИ ПО ВРЕМЕНИМы знаем, что свет движется со скоростью около 300000 км/с. Если спутник и приемник имеют расхождение шкал времени (выходят из синхронизации) даже на 0,01 с, измерение расстояния будет произведено с ошибкой в 3000 километров! Как установить, что и приемник, и спутник начинают генерировать коды точно в один и тот же момент времени? По крайней мере, одна часть проблемы синхронизации часов спутника и приемника решается легко: на спутниках устанавливаются «атомные» часы. Атомные часы получили свое название из-за того, что в качестве «метронома» в них используются колебания атомов специально подобранного вещества. Это наиболее стабильное и точное устройство отсчета времени, которое когда-либо создавал человек. И можно биться об заклад, что когда они показывают 12 часов дня, так это действительно 12 часов дня! Такие часы вполне приемлемы для спутников. Но что говорить о простых смертных? Если нужно было бы иметь атомные часы в сто тысяч долларов в каждом приемнике GPS, то только яхты мультимиллиардеров имели бы такое оборудование! Тригонометрия — путь к решению К счастью, существует способ обойтись часами умеренной точности. Секрет в том, чтобы произвести измерение дальности до еще одного спутника. Дополнительное измерение поможет исключить ошибку часов приемника. Можно показать, что если три точных измерения времени распространения сигналов спутников определяют положение точки в трехмерном пространстве, то четыре неточных позволят исключить относительное смещение шкалы времени приемника, вызвавшее эту неточность. Это может звучать как техническое шаманство, но идея действительно проста. И настолько фундаментальна для GPS, что на нее стоит потратить немного времени. Объяснение будет значительно проще для понимания, если использовать поясняющие рисунки-схемы. А эти схемы значительно легче построить, если ограничиться двумерным пространством, т.е. решать задачу местоопределения на плоскости. Конечно, GPS — трехмерная система, но принцип, который мы обсуждаем, работает точно также и в двух измерениях. Мы всего лишь временно исключаем одно измерение. Каким образом дополнительное измерение исключает уход часов Вот как это происходит. Обычно «дальность» до спутника измеряется в километрах. Но поскольку она вычисляется на основе измерения времени, проще измерять ее в единицах времени, т.е. в секундах. При этом будет проще и оценить, как ошибки часов скажутся на определении местоположения. Давайте представим, что мы находимся в четырех секундах от спутника А и в шести секундах от спутника В. Этих двух измерений было бы достаточно для привязки нашего местоположения на плоскости к какой-либо одной точке. Назовем ее «Х». Итак, «Х» — это точка, в которой мы фактически находимся, т.е. наше местоположение в том случае, если бы часы приемника были бы совершенны. Внешне это выглядело бы абсолютно правильным результатом, поскольку мы не имели бы возможности установить, что часы приемника немного отстают. Вычисления, производимые им, не сказали бы об этом ничего. Мы заметили бы, что что-то неладно только тогда, когда начали бы натыкаться на скалы. Вот где поможет тригонометрия. Давайте добавим еще одно измерение к нашим построениям. В двумерном варианте это означает использование третьего спутника. Предположим (если у нас совершенные часы), спутник С находится в восьми секундах от нашего истинного положения. Ситуация выглядела бы как показано на рисунке слева, на котором изображено истинное местоположение. Все три окружности при этом пересекаются в точке Х, так как они соответствуют истинным дальностям до трех спутников. Теперь давайте добавим одну секунду отставания и посмотрим, что происходит. Штрихованные окружности на рисунке соответствуют не истинным дальностям, а так называемым «псевдодальностям», т.е. дальностям, измеренным по неточным часам приемника. Термин «псевдодальность» используется специалистами в области GPS для обозначения дальностей, измеренных с ошибками. Заметьте, что если окружности, соответствующие псевдодальностям до спутников А и В пересекаются в точке ХХ, то соответствующая окружность от спутника С располагается на некотором расстоянии от нее. Таким образом, не существует точки, которая может быть одновременно в 5, 7 и 9 сек соответственно от точек А, В и С. Это физически невозможно. Компьютеры приемников GPS запрограммированы таким образом, что когда в них поступают измерения, не дающие пересечения в одной точке, они определяют, что часы приемника сбились и идут с некоторым опережением или отставанием по отношению к системному времени. Компьютер приемника начинает вычитание (или прибавление) некоторого (одного и того же для всех измерений) интервала времени, к измеренным псевдодальностям. В действительности, компьютер приемника не бесцельно ищет ответ. Он решает четыре уравнения с четырьмя неизвестными и быстро находит результат. Идея прежняя: добавлением еще одного измерения исключается любая, находящаяся в разумных пределах, ошибка часов приемника. Для точного трехмерного местоопределения требуются четыре спутника Это означает, что при одновременном определении трех координат — долготы, широты и высоты точки над принятым в расчетах земным эллипсоидом для того, чтобы исключить погрешность временной привязки часов приемника к единому системному времени, необходимо выполнить четыре измерения. И не следует забывать это число, так как оно означает , что невозможно получить истинное и точное местоположение до тех пор, пока над горизонтом в пределах прямой видимости не окажутся по крайней мере четыре спутника. Необходимость выполнения четырех измерений определяет устройство приемника. Необходимость выполнения не менее, чем 4-х измерений самым существенным образом сказывается на проектировании GPS-приемников. Подробнее об этом будет сказано в отдельной главе. Но одно очень важное обстоятельство упомянем сейчас. Оно состоит в том, что для непрерывного местоопределения в реальном масштабе времени, необходим приемник, снабженный, по крайней мере, четырьмя каналами измерений. То есть такой, у которого с каждым из четырех спутников постоянно работает отдельный канал. В настоящее время многие применения не требуют такой согласованной одновременности в измерениях. В этих случаях может оказаться пригодным более экономичный и дешевый одноканальный приемник. Одноканальному приемнику, прежде, чем он сможет вычислить результат, понадобиться выполнить четыре отдельных измерения последовательно по сигналам четырех различных спутников. Вся операция может занять от 2 до 30 сек, что для многих применений вполне приемлемо. К сожалению, этот тип приемника не решает столь же успешно задачу измерения скорости движения основания, на котором он установлен. Сама же возможность решения такой задачи является уникальной особенностью GPS. Кроме того, любое движение приемника во время цикла четырех последовательных измерений может повлиять на их точность. Еще один недостаток одноканальных приемников проявляется в моменты времени, в которые спутники передают свои информационные сообщения. Прием и расшифровка каждой из таких посылок занимает 30 секунд, и процесс местоопределения прерывается каждый раз, когда обрабатываются сигналы очередного спутника. Известным компромиссом является двухканальный приемник, один канал которого производит обработку временных измерений, в то время как другой устанавливает радиоконтакт с очередным спутником для проведения измерений. После того, как первый канал закончит частичный цикл обработки данных, он сможет мгновенно подключиться к следующему спутнику без потери времени на его «захват» или «прослушивание». Все это значительно ускоряет работу приемников с последовательно переключаемыми каналами. При этом достигается непрерывное обновление координат местоположения, выдаваемых системой. Дополнительным преимуществом является то, что двухканальное устройство можно запрограммировать для слежения за более, чем четырьмя спутниками. И, если за одним из рабочих спутников будет потерян контроль, мгновенно вместо него будет использован другой без какого-либо перерыва в процессе вычисления координат. ТАКИМ ОБРАЗОМ:
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
|
Они исключительно точные и очень дорогие. Они стоят около 100000 долларов, и на каждом спутнике их установлено по 4 штуки, чтобы гарантировать, что хотя бы одни то уж обязательно работают.
(Теперь понятно, почему ранее говорилось, что трех измерений достаточно только теоретически).
Предположим, часы приемника не так совершенны, как атомные. Их ход соответствует кварцевым часам, но они не вполне сверены с единым временем системы. Скажем, они немного отстают, например так, что, когда они показывают 12 часов дня, то в действительности это 12 часов 00 минут 01 секунда. Посмотрим, как это скажется на вычислении нашего местоположения.
Но теперь подумаем, что если бы мы использовали приемник с часами, отстающими на секунду. Он определил бы, что расстояние до спутника А составляет пять секунд, а до спутника В — семь секунд. В результате появятся две новые окружности, пресекающиеся в другой точке «ХХ».
Он продолжает корректировать время во всех измерениях до тех пор, пока не найдет решение, которое «проводит» все окружности через одну точку. В нашем примере он попросту обнаружит, что это достигается вычитанием секунды из всех трех измерений. Отсюда будет сделан вывод, что часы приемника отстают на одну секунду.
Тем временем второй канал, часто называемый «административным», обращается к следующему спутнику и проводит процедуры отстройки и вхождения в синхронизм с его сигналами. Если оказывается, что второй канал больше не нужен для «административных» дел, он, как и первый, может быть использован для выполнения и обработки временных измерений.
NASA запустило прототип атомных часов для навигации в глубоком космосе / Хабр
Deep Space Atomic Clock. Фото: General Atomics Electromagnetic Systems
23 августа 2019 года в рамках годичного эксперимента состоялся экспериментальный запуск часов Deep Space Atomic Clock. Если демонстрация окажется успешной, аналогичные атомные часы будут использоваться для навигации автономных космических аппаратов.
Атомные часы — важный шаг к тому, чтобы позволить космическим аппаратам безопасно перемещаться в глубоком космосе, а не полагаться на трудоёмкий процесс получения данных навигации с Земли. Процесс становится особенно трудным, когда задержка обмена пакетами с Землёй возрастает до десятков минут или часов из-за физических ограничений скорости света.
Разработанные в Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, часы являются первым достаточно стабильным хронометром для расчёта траектории космического корабля в глубоком космосе и при этом достаточно маленьким, чтобы поместиться на борт. Эти часы должны быть гораздо стабильнее, чем спутниковые атомные часы, потому что им придётся работать дальше от Земли в течение более длительных периодов.
Атомные часы, GPS-приёмник и ультра-стабильный генератор импульсов входят в комплектацию Deep Space Atomic Clock
Как и атомные часы на спутниках GPS, часы Deep Space Atomic Clock используются для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.
Для исследования космоса атомные часы должны быть чрезвычайно точными: ошибка в одну секунду означает разницу в 300 тысяч километров.
Ртутно-ионные атомные часы Deep Space Atomic Clock примерно в 50 раз более стабильны, чем спутниковые часы GPS. Как показали контролируемые испытания на Земле, погрешность составляет 1 секунду в 10 миллионов лет. Теперь начинается следующий этап испытаний — уже в космосе.
В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник. Может пройти больше часа, пока сигнал дойдёт до космического корабля и вернётся на Землю. По полученным данным вычисляются координаты и составляются инструкции, которые затем отправляются из наземной сети Deep Space Network обратно на космический корабль. Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию, а не ждать, пока эту информацию пришлют с Земли. Это позволит путешествовать дальше и, в конечном счёте, безопасно транспортировать людей на другие планеты.
«Цель космического эксперимента — поместить Deep Space Atomic Clock в контекст работающего космического корабля, в окружение, которое влияет на стабильность и точность часов — и посмотреть, будут ли они работать с расчётной точностью, то есть на порядке стабильнее, чем существующие космические часы», — говорит Тодд Эли (Todd Ely), ведущий исследователь проекта атомных часов в JPL.
Речь идёт о том, чтобы проверить работу часов в условиях резких перепадов температур, гравитационных сил и других неблагоприятных факторов.
CAD-модель линейной ртутно-ионной ловушки диаметров в пару сантиметров — «сердца» Deep Space Atomic Clock
В ближайшие месяцы команда проверит, что часы удерживают точность измерения времени в пределах 1 наносекунды за 10 дней.
Часы Deep Space Atomic Clock размещены на космическом аппарате производства компании General Atomics Electromagnetic Systems. Запуск состоялся 25 июня 2019 года в рамках миссии Space Test Program-2 (STP-2).
Отличительная особенность конструкции часов — то, что для их работы не требуется никаких расходных материалов, что необходимо для длительных миссий в открытом космосе. В часах используются ионы ртути, пойманные в ловушку электрического поля и защищённые от внешних магнитных полей и прочих воздействий.
Специалисты NASA утверждают, что у часов масса применений в космической технике и других областях. В перспективе такие часы позволят спутникам GPS стать независимыми от сигналов точного времени с наземных станций.
Работа по созданию портативных атомных часов улучшенной точности ведётся и российскими специалистами. Например, они планируют установить на новые спутники «Глонасс-К2» водородные атомные часы. Запуск первого спутника «Глонасс-К2» планируется на 2020 год.
Местоположение и скорость космического корабля в любой данный момент времени определяют в общей сложности шесть цифр — три для местоположения и три для скорости. Они, в свою очередь, выводятся из более простых данных: серии прямых измерений расстояния и скорости, каждое из которых производится в определённый момент времени.
Расстояние от наземной сети Deep Space Network до ускоряющегося зонда рассчитывается по времени, за которое радиосигнал проходит расстояние между наземными станциями и зондом туда и обратно. Скорость вычисляется по доплеровскому смещению радиосигнала. Доплеровское смещение — это «вытягивание» длины волны, когда она возвращается с удаляющегося космического корабля: чем больше смещение, тем быстрее космический аппарат удаляется от Земли (эффект действует и для звуковых волн, говорят, его можно определить по высоте звука сирены от удаляющегося автомобиля на разной скорости).
Антенны Deep Space Network должны быть невероятно чувствительны. Зонды «Викинг», запущенные в 1975 году, отправляли на Землю сигнал с 16-ваттного радиопередатчика. Уловить такой сигнал — словно заметить с Земли зажжённую спичку на поверхности Марса, пишет Hodinkee.
Итак, если положение и скорость космического корабля в космосе известны для конкретного момента времени, то можно вычислить уникальную траекторию.
Для каждой комбинации значений положения и скорости диапазон и доплеровское смещение изменяются со временем уникальным образом, характерным для результирующей траектории.
Джилл Зойберт (Jill Seubert), ведущий исследователь эксперимента Deep Space Atomic Clock и эксперт в области межпланетной навигации, описывает некоторые из основных шагов в отслеживании космического корабля, который перемещается между планетами со скоростью в десятки тысяч километров в час: «Главное в том, что у нас есть модели его движения. У нас есть модели орбитальной механики [для планет и космических аппаратов]. Основная цель в день запуска — убедиться, что вы можете отслеживать космический корабль — находится ли он на траектории, достаточно близкой к эталонной? Первый вопрос заключается в том, как ракета-носитель вывела вас на орбиту. Есть некоторые неточности с выводом ракеты-носителя, поэтому вы проверяете направление после запуска. Космический аппарат должен войти в стабильное положение [ориентация], чтобы быть термически стабильным и получать необходимое питание: если солнечные батареи неправильно направлены, вы не получите необходимую мощность.
Как только вы это установили, то можно отслеживать космический корабль, и тогда мы начинаем думать о маневрировании».
Межпланетная навигация опирается на данные слежения, чтобы определить, как быстро движется космический аппарат и как далеко он находится от Земли. Земля и большинство планет вращаются в одной базовой плоскости — это так называемая плоскость эклиптики. Как правило, траектории лежат в плоскости эклиптики, а более конкретно, для целей навигации, в плоскости треугольника, определяемого Солнцем, Землёй и положением космического аппарата. Станции слежения на Земле должны быть в состоянии оценить как движение космического аппарата вдоль этой плоскости, так и любое отклонение выше или ниже. Последнее особенно сложно измерить, поскольку оно должно быть получено из данных о дальности, а на расстоянии 100 миллионов километров смещение на 1000 километров выше или ниже плоскости траектории космического аппарата приводит к увеличению дальности всего на пять метров. Однако благодаря тщательному анализу изменений в измерениях скорости, вызванных вращением Земли, можно также получить эту составляющую положения космического аппарата.
Направление на космический аппарат с Земли может быть установлено с помощью модели прогнозирования его траектории, построенной по данным, полученным из радиопередач. Модель генерирует ожидаемый набор цифр, он сравнивается с фактическими данными. Разница между прогнозируемыми данными о местоположении и скорости и фактическим набором данных называется остаточной.
Всегда есть некоторая разница между тем, что предсказывает модель, и реальными измерениями; поэтому всегда есть некоторый остаток. Однако, если он мал, и распределение остатков является случайным (неслучайное распределение может указывать на некоторую силу, действующую на космический корабль, и которую модель не учитывает), то модель точна — и космический корабль идёт по курсу. И самое главное, мы знаем, где космический корабль будет находиться в любой момент времени в будущем. Мы также можем отправить команду на проведение манёвра.
Скорость и положение космического аппарата по его траектории сегодня вычисляется с невероятной точностью.
По словам Зойберта, расстояние вычисляется с точностью 1-2 метра, а погрешность скорости по допплеровскому смещению — 0,01 мм в секунду, даже на расстоянии миллионы или миллиарды километров. Однако у системы есть существенный недостаток: космический аппарат зависит от сети Deep Space Network для навигации и, кроме того, зависит от двусторонней передачи данных.
К орбите Юпитера сигнал идёт 45 минут, и столько же обратно. За это время космический аппарат может переместиться на огромное расстояние. Например, межпланетная станция «Кассини-Гюйгенс» на пути к Сатурну достигла максимальной скорости более 100 000 километров в час относительно Солнца.
Устойчивое гексагональное облачное образование на северном полюсе Сатурна, сфотографированное аппаратом «Кассини-Гюйгенс». Изображение: NASA/JPL
Зойберт говорит, что на спутниках GPS установлены цезиевые и рубидиевые часы, которые приходится корректировать дважды в день. Поскольку спутники рядом, это не имеет большого значения, но в глубоком космосе другая ситуация.
Сигнал до Марса идёт 20 минут, до Юпитера 45 минут, так что нужны часы с долгосрочной стабильностью.
«Deep Space Atomic Clock — не просто эволюционное изменение производительности, это новый технологический рывок, — говорит Эрик Бёрт (Eric Burt), ведущий разработчик устройства. — Технология [атомные часы с ионной ловушкой] была впервые изобретена сорок или пятьдесят лет назад, но до сих пор её не использовали в космосе. С теоретической точки зрения атомной физики, ключевой вопрос в том, насколько сильно можно охладить ион. Мы выбрали конкретный ион, который очень слабо чувствителен к возмущениям окружающей среды».
Цезиевые атомные часы NIST-F2 в лаборатории физики Национального института стандартов и технологий. Источник: NASA
Атомные часы работают, измеряя частоту энергии, испускаемой атомом, когда он переходит из одного конкретного энергетического состояния в более низкое. Для любого энергетического состояния атома при таком переходе излучается фотон с очень точной частотой.
Например, в цезиевых часах конкретный переход высвобождает фотон с частотой конкретно 9 192 631 770 Гц.
Атомы удерживаются в вакуумных камерах, но некоторые могут взаимодействовать со стенками камеры, что вызывает помехи. Для борьбы с этим в Deep Space Atomic Clock используются ионы ртути. Это атомы с электрическим зарядом, поэтому их можно удержать электромагнитным полем, устранив потенциальный источник нестабильности. Благодаря этому и другим достижениям в своей конструкции в DSAC стабильность частоты до 50 раз лучше, чем у атомных часов на спутниках GPS.
Удержание ионов в электромагнитном поле позволяет значительно уменьшить размеры, по сравнению с конструкцией вакуумной камеры. Атомные часы на Земле обычно размером с холодильник, а Deep Space Atomic Clock значительно меньше: примерно как крупный тостер.
Малый размер и низкое энергопотребление DSAC означают, что впервые появилась техническая возможность поставить атомные часы большой стабильности на борту космического аппарата.
Прототип часов, который сейчас тестируется на околоземной орбите, потребляет всего 40 ватт (Джилл Зойберт говорит, что для следующей модели энергопотребление снизят до 30 ватт или меньше). Они могут надёжно работать в течение многих лет, не требуя коррекции с земли. Это открывает целый ряд новых возможностей с точки зрения навигации в глубоком космосе.
«Если у вас космический аппарат с Deep Space Atomic Clock на борту, — говорит Зойберт, — он может сам собирать свои данные для навигации, поэтому нет необходимости отправлять их на Землю. Deep Space Network может передавать данные только одному космическому аппарату за раз, но слушает несколько космических аппаратов. Вы можете взять антенну, направить её на Марс — и любой космический аппарат на Марсе будет принимать эти радиосигналы. Марс становится всё более и более переполненным, верьте или нет — мы все хотим отслеживать данные во время критических событий миссии, но если вы просто транслируете сигнал на Марс [и вам не нужно слушать ответный сигнал конкретного аппарата], то их количество не имеет значения — мы просто транслируем сигнал на Марс».
Ещё одно интересное применение — создание систем позиционирования вроде GPS на поверхности Марса и других планет и спутников.
В целом, эксперимент с Deep Space Atomic Clock подготовит почву для создания инструментов, необходимых для более широкого исследования Солнечной системы беспилотными, а затем и пилотируемыми кораблями, считает NASA.
GPS.gov: Приложения для измерения времени
Помимо долготы, широты и высоты, Глобальная система позиционирования (GPS) обеспечивает важнейшее четвертое измерение — время. Каждый спутник GPS содержит несколько атомных часов, которые вносят очень точные данные о времени в сигналы GPS. Приемники GPS декодируют эти сигналы, эффективно синхронизируя каждый приемник с атомными часами. Это позволяет пользователям определять время с точностью до 100 миллиардных долей секунды без затрат на владение и эксплуатацию атомных часов.
Точное время имеет решающее значение для различных видов экономической деятельности по всему миру.
Коммуникационные системы, электрические сети и финансовые сети — все они полагаются на точную синхронизацию для синхронизации и эффективности работы. Бесплатная доступность времени GPS позволила сэкономить средства для компаний, которые зависят от точного времени, и привела к значительному прогрессу в возможностях.
Например, беспроводные телефонные сети и сети передачи данных используют время GPS для идеальной синхронизации всех своих базовых станций. Это позволяет мобильным телефонам более эффективно использовать ограниченный радиочастотный спектр. Точно так же службы цифрового радиовещания используют время GPS, чтобы гарантировать, что биты от всех радиостанций поступают на приемники синхронно. Это позволяет слушателям переключаться между станциями с минимальной задержкой.
Компании по всему миру используют GPS для временных меток деловых транзакций, обеспечивая последовательный и точный способ ведения записей и обеспечения их прослеживаемости. Крупные финансовые учреждения используют GPS для получения точного времени для установки внутренних часов, используемых для создания временных меток финансовых транзакций.
Крупные и малые предприятия обращаются к автоматизированным системам, которые могут отслеживать, обновлять и управлять несколькими транзакциями, совершаемыми глобальной сетью клиентов, и для этого требуется точная информация о времени, доступная через GPS.
Федеральное авиационное управление США (FAA) использует GPS для синхронизации отчетов об опасной погоде со своих 45 терминальных доплеровских метеорологических радаров, расположенных по всей территории Соединенных Штатов.
Инструментарий — еще одно приложение, требующее точной синхронизации. Распределенные сети инструментов, которые должны работать вместе для точного измерения общих событий, требуют источников синхронизации, которые могут гарантировать точность в нескольких точках. Синхронизация на основе GPS работает исключительно хорошо для любого приложения, в котором требуется точное время для устройств, рассредоточенных по обширным географическим областям. Например, интеграция времени GPS в сети сейсмического мониторинга позволяет исследователям быстро определять местонахождение эпицентров землетрясений и других сейсмических событий.
Энергетические компании и коммунальные предприятия имеют фундаментальные требования ко времени и частоте для обеспечения эффективной передачи и распределения электроэнергии. Неоднократные отключения электроэнергии продемонстрировали энергетическим компаниям необходимость улучшения синхронизации времени во всей энергосистеме. Анализ этих отключений электроэнергии побудил многие компании разместить устройства синхронизации времени на основе GPS на электростанциях и подстанциях. Анализируя точное время электрической аномалии при ее распространении по сети, инженеры могут отследить точное место разрыва линии электропередач.
Некоторым пользователям, например, национальным лабораториям, требуется время с более высоким уровнем точности, чем обеспечивает GPS. Эти пользователи обычно используют спутники GPS не для прямого измерения времени, а для передачи данных о времени с высокой точностью на большие расстояния. При одновременном приеме одного и того же сигнала GPS в двух местах и сравнении результатов время атомных часов в одном месте может быть передано в другое.
Национальные лаборатории по всему миру используют этот метод «общего представления» для сравнения своих шкал времени и установления всемирного координированного времени (UTC). Они используют ту же технику для распространения своих шкал времени среди своих народов.
Каждый день появляются новые приложения технологии синхронизации GPS. Голливудские студии внедряют GPS в свои кинопланшеты, что позволяет беспрецедентно контролировать аудио- и видеоданные, а также выполнять многокамерную последовательность. Окончательные области применения GPS, такие как время, которое он измеряет, безграничны.
По мере модернизации GPS пользователей ждут новые преимущества. Добавление второго и третьего гражданских сигналов GPS повысит точность и надежность времени GPS, которое останется бесплатным и доступным для всего мира.
Спутниковые часы | GEOG 862: GPS и GNSS для геопространственных специалистов
Печать
Смещение спутниковых часов, dt
Цезиевый стандарт частоты (часы)
Источник: Национальный музей авиации и космонавтики, Смитсоновский институт.
Одна из самых больших ошибок может быть связана со смещением спутниковых часов. Оно может быть довольно большим, особенно если приемник не использует коррекцию часов вещания для приведения сигнала времени, полученного от бортовых часов спутника, в соответствие со временем GPS. Поскольку время является критическим компонентом в функционировании GPS, важно внимательно изучить принципы, лежащие в основе этого искажения.
Встроенные спутниковые часы не зависят друг от друга. В то время как само время GPS предназначено для хранения в пределах одной микросекунды, 1 мкс или одной миллионной секунды от UTC, за исключением високосных секунд, спутниковые часы могут дрейфовать до миллисекунды, 1 мс или одной тысячной доли секунды. секунда, от времени GPS. Им разрешено дрейфовать в пределах этого допуска, потому что сегмент управления не хочет постоянно настраивать часы, так как это приведет к их более быстрому ухудшению. Хотя спутники GPS были надежными, я думаю, будет справедливо сказать, что часы являются одним из их наиболее хрупких компонентов.
Вместо этого у нас есть коррекция часов трансляции в навигационном сообщении. Это поправка, которую управляющий сегмент предоставляет приемнику для приведения спутниковых часов в соответствие со временем GPS.
Релятивистские эффекты на спутниковых часах
Специальная и общая теории относительности Альберта Эйнштейна применимы к используемым здесь часам. При скорости 3,874 километра в секунду часы на спутниках GPS движутся с огромной скоростью, из-за чего кажется, что часы на спутниках идут медленнее, чем часы на Земле, примерно на 7 микросекунд в день. Однако этому кажущемуся замедлению часов на орбите противодействует более слабая гравитация вокруг них. Из-за слабости гравитации часы на спутниках кажутся более быстрыми, чем часы на Земле, примерно на 45 микросекунд в день. Таким образом, часы на спутниках GPS в космосе идут примерно на 38 микросекунд в день быстрее, чем часы в приемниках GPS на Земле. Таким образом, чтобы гарантировать, что часы на спутниках действительно выдают правильную основную частоту 10,23 МГц в космосе, их частоты установлены на 10,229.