Wie aktualisieren GPS-Satelliten ihre Uhren?

Wie halten GPS-Satelliten ihre Borduhren genau? Ich gehe davon aus, dass sie ein Update von einer Basisstation benötigen. Aber wie stellen Sie sicher, dass nach dem Update alle Satelliten synchronisiert sind, dh es gibt keine Phasenverschiebung.

Sie haben Ihre Basisstation auf der Erde und gehen davon aus, dass alle Satelliten, die Sie aktualisieren möchten, in Sichtweite sind. Sie senden einen Update-Befehl. Jeder Satellit hat jedoch eine andere Entfernung von der Basisstation. Es wird auch eine Verzögerung vom Empfang des Befehls bis zur Aktualisierung der internen Uhr geben. Einige Satelliten verfügen möglicherweise über neuere Hardware, die schneller ist.

Wenn Sie die Satelliten separat aktualisieren, müssen Sie sicherstellen, dass Ihre Timings der von Ihnen gesendeten Befehle sehr genau sind. Dies scheint eine schwierige Sache zu sein. Gibt es eine bessere Methode, die in der Praxis angewendet wird?

Ich denke, was mich interessiert, ist zu sagen, dass Sie eine Uhr an Position A haben. Wie synchronisieren Sie sie mit einer Uhr an Position B, die weit von A entfernt ist? Sie haben die Meldung Flugzeitverzögerung, Bearbeitungsverzögerung in B usw.

clock gps synchronization

— user110971
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Sie benutzen Atomuhren. Die Drift ist eher auf Relativismus zurückzuführen, der Satellit bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit, es kommt also zu einer Zeitverschiebung. Übrigens kennt die Basisstation die Position des Satelliten genau, so dass die Entfernung bekannt ist.

— Marko Buršič

Eine andere Lösung wäre die Abfrage des Satelliten: Was ist Ihre Uhr? Dann berechnen Sie den Fehler und senden: Machen Sie eine Verschiebung +/- xxxx ns.

— Marko Buršič

Einige relevante ähnliche Fragen zu Space.SE, zum Beispiel diese , auch einige zu gis.SE, zum Beispiel diese .

— Roger Rowland

"Das scheint eine schwierige Sache zu sein." In der Tat ist es sehr schwierig, das Richtige zu finden, und die verwendete Ausrüstung ist nicht billig, aber man muss sie nur an wenigen Stellen machen. Es ist einfach ein Teil der Betriebskosten eines solchen Systems.

— PlasmaHH

@ RogerRowland oh, sorry. Wollte nicht so unhöflich rauskommen. Ich weise nur darauf hin, warum ich diese spezielle Frage gestellt habe.

— user110971

Antworten:

Taktfehler werden nicht korrigiert, sondern in zwei Schritten ausgeglichen .

1. Fehlerbestimmung

Das GPS-Steuersegment verwendet Referenzempfänger an bekannten Orten, um die tatsächlichen Umlaufbahnelemente und den Zeitfehler von Raumfahrzeugen zu bestimmen. Die Referenz für die Position ist der WGS84-Referenzrahmen , für die Zeit ist es die internationale Atomzeit . Selbst kleinste Effekte wie Kontinentalverschiebung und relativistische Zeitdilatation werden berücksichtigt.

2. Fehlerkompensation

Die Borduhr (in der Tat der SV Z-Count, siehe IS-GPS-200 3.3.4) wird nicht eingestellt , gedreht oder zurückgesetzt, um den Fehler zu kompensieren. Unter Berufung auf IS-GPS, 20.3.4.2:

Jeder SV arbeitet mit seiner eigenen SV-Zeit

Stattdessen wird der Versatz zwischen UTC und der Uhr dieses Raumfahrzeugs ("GPS-Time") in der Navigationsnachricht gesendet (siehe IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Dies beinhaltet nicht nur den aktuellen Versatz, sondern auch verschiedene Vorhersagen ("Anpassungsintervalle", 20.3.4.4). Normalerweise ist nur die hochpräzise Kurzzeitvorhersage relevant, die anderen werden verwendet, wenn das Kontrollsegment nicht funktionsfähig ist und keine Aufwärtsverbindung möglich ist.

Ebenso bleibt der Positionsfehler (Abweichung von der nominalen Umlaufbahn) unkorrigiert (dies würde wertvollen Treibstoff verbrauchen), wird jedoch an die Empfänger gesendet, indem Ephemeridendaten (Umlaufbahnelemente) in das Raumfahrzeug hochgeladen werden.

Die Flugzeit ist für den Uplink kein Problem, da die neuen Anpassungsintervalldaten bereits im vorherigen Schritt ermittelt wurden.

Die eigentliche Kompensation erfolgt dann im Empfänger (Benutzersegment). Es werden Korrekturen angewendet, wenn die beobachtete Signal- / Codephase einer anderen SV in Beziehung gesetzt wird.

Ausnahmesituationen

Manchmal verhalten sich alte Raumschiffe auf unerwartete Weise, zum Beispiel beginnen ihre Uhren unvorhersehbar zu treiben. AGI hat eine Website mit Leistungsdaten von Borduhren. Sie sehen, dass die Uhr der USA-151 (PRN28 senden) etwas wackelig ist und häufige Kompensationen benötigt.

Wenn eine Uhr verrutscht oder ein angetriebenes Manöver den SV für die Navigation unbrauchbar macht, sendet der SV in seiner Navigationsnachricht ein "Inoperable Flag" und wird von den Empfängern der Endbenutzer ignoriert.

— Andreas
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@ user110971 Die Satellitenuhren sind nicht eingestellt. Stattdessen wird ihr Versatz (zur Atomzeit) überwacht, vorhergesagt und in der Navigationsnachricht gesendet. Empfänger kompensieren den Versatz nicht nur für sich selbst, sondern auch für den Versatz der Raumfahrzeuge. Klingt lustig, hat aber den Vorteil, dass die GPS-Signalphase keine Ruckel oder Ausfälle aufweist. (löschte meinen vorherigen Kommentar, der nicht hilfreich war)

— Andreas

@ JanDvorak GPS-Satelliten senden keinen vollständigen Zeitstempel. Stattdessen wird ein Teil des Zeitstempels durch die Phase des Signals selbst bestimmt: Nachrichten beginnen immer in Schritten von 30 Sekunden. Um das Timing zu korrigieren, müsste der Satellit eine Nachricht verkürzen oder verlängern, was dazu führen würde, dass die Empfänger die Synchronisation verlieren und das Signal erneut abrufen müssen.

— JPA

@jpa +1, das ist irgendwie wahr. Aber: Die Bandbreite der Tracking-Schleife wird für COTS-Geräte alten Stils oft als 18 Hz gewählt, ein Kompromiss zwischen Empfängerdynamik und Schleifenstabilität. Sie müssten eine große Korrektur vornehmen, um den Verlust der Sperre im Empfänger zu verursachen. Taktfehler haben in der Regel nur ein DOP-Äquivalent von mehreren Metern, Empfängerbewegung und atmosphärische Szintillation sind absolut dominant.

— Andreas

@JanDvorak Eine wichtige Überlegung ist, dass eine "Korrektur" auf einer sehr niedrigen Ebene des Stacks (möglicherweise sogar auf der Ebene der analogen Hardware) durchgeführt werden muss, wo die Nebenwirkungen einer Korrektur kompliziert sein könnten. Wenn sie stattdessen eine unkorrigierte Uhr plus Korrekturdaten senden, können die Nebenwirkungen dieser Korrektur auf einer höheren Ebene (wie z. B. Software) behandelt werden. Subtraktionen sind für moderne Prozessoren sehr einfach! Es macht auch sehr deutlich, woher die Änderung kam. Ein Empfänger, der eine plötzliche Korrektur erhält, misstraut möglicherweise seiner eigenen Hardware und geht davon aus, dass es sich um einen Fehler handelt!

— Cort Ammon

Sie müssen auch bedenken, dass diese Methode vor langer Zeit gewählt wurde und es den Satelliten ermöglichte, viel einfacher zu sein und sich so zu verhalten, als würden Tonbandgeräte ein Signal wiedergeben.

— David Schwartz

Angenommen, Sie haben eine Uhr an Position A. Wie synchronisieren Sie sie mit einer Uhr an Position B, die weit von A entfernt ist?

Sie können das tun, was NTP tut. Grob gesagt,

Sende eine Anfrage für die aktuelle Zeit zum Zeitpunkt $t_0$
Der Server empfängt Ihre Anfrage um und sendet Ihnen um eine Antwort $t_1$ $t_2$
$T$ $t_3$
$T+\delta$

Beachten Sie, dass GPS dies nicht tut, da es keinen Punkt gibt: Die Satellitensekunde ist aufgrund der Schwerkraft kürzer als die Erdsekunde, sodass es unmöglich ist , die Uhren synchron zu halten.

— Dmitry Grigoryev
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Sie bekommen einen Punkt, um den Punkt der Relativität zu bekommen, im Gegensatz zu dem Durcheinander in den Kommentaren der Frage.

— Hören Sie auf, Monica

Ist Delta die Hin- und Rückfahrt oder die einfache Fahrt? Wenn ja, wie misst der Kunde das?

— Tejas Kale

δ = (t_{3} - t_{0} + t_{1} - t_{2}) / 2

$\delta=(t_3-t_0+t_1-t_2)/2$

Die Konstellation der GPS-Satelliten wird ständig von mehreren festen Bodenstationen überwacht, die rund um den Globus positioniert sind. Diese Bodenstationen überwachen alle Satelliten und senden Korrekturfaktoren, wenn eine Abweichung festgestellt wird.

Das GPS-Steuerungssegment besteht aus einem globalen Netzwerk von Bodeneinrichtungen, die die GPS-Satelliten verfolgen, deren Übertragungen überwachen, Analysen durchführen und Befehle und Daten an die Konstellation senden.

Das aktuelle Betriebssteuersegment umfasst eine Hauptsteuerstation, eine alternative Hauptsteuerstation, 11 Befehls- und Steuerantennen und 15 Überwachungsstellen.

Ref: http://www.gps.gov/systems/gps/control/

— Richard Crowley
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