2.4. Измерение времени прохождения сигнала

Время г прохождения сигнала от спутника до приёмника

должно быть измерено с погрешностями меньше, чем 1х10"

1 0

секунды. Достичь такую точность можно на основе шкалы

атомного времени и специального временного обеспечения спут­

никовой системы.

Одн а секунда атомного времени в метрологии равна

9192631770 периодам колебаний, соответствующих перехо­

ду между двумя сверхтонкими уровнями атома цезия 133.

В системах ГЛОНАС С и GPS применяется всемирное коор­

динированное атомное время UT C (Universal Time Coordinated),

которое измеряется атомными часами, но скоорди­

нировано с реальным астрономическим временем. Ш кал а

атомного времени поддерживается атомными часами и явля­

ется равномерной. Однако реальное астрономическое вре­

мя, отслеживаемое международной службой вращения Зем­

ли, не столь равномерно, как атомное, и за несколько лет их

отличие достигает одной секунды. Тогда равномерно теку­

щее атомное время согласуют с астрономическим, изменив

показания атомных часов ровно на 1 секунду.

Полученное время и называют координированным, кроме

того, UTC является всемирным (гринвичским) временем.

Временное обеспечение спутниковой системы включает:

— формирование шкалы времени системы ГЛОНАСС ,

GPS;

— формирование бортовой шкалы времени на каждом

спутнике;

— определение частотно-временных поправок к шкале

каждого НС , их передача на борт дл я включения в радиона­

вигационное сообщение.

Стабильность шкалы времени ГЛОНАС С обеспечивает

Центральный синхронизатор на основе сверхточного водо­

родного атомного стандарта частоты и радиотехнических

измерительных станций. Относительная среднеквадратиче-

ская погрешность среднесуточных значений частоты не пре­

вышает 3x10

- 1 4

.

Ш кал а времени GPS определяется цезиевыми стандарта­

ми Главной станции управления и контроля. В этой системе

установлено время GPST, которое ведет отсчет от 0 часов

6.01.1980 года.

Бортовая шкала времени формируется на каждом спут­

нике системы атомным стандартом частоты. Чаще всего при­

меняется цезиевый генератор частоты, установленный на

спутнике. О н задаёт стандарт частоты^ , с которым когерен­

тно связаны несущие частоты L1 и L2 радионавигационного

сообщения. Так, в GPS на спутниках генерируются колеба­

ния с частотой ^ = 10,23 МГц. Сигналы Н С образованы

несущими частотами:

LI = /о х 154 = 1575,42МЛ< ; Х г = 19 см ,

L2 = Л х 120 = 1227,60 МГц ; Х 2 = 24 см .

Стабильность бортовой шкалы времени может оказаться

недостаточной дл я точных определений координат. Поэто­

му её уточняют поправками, которые определяют на назем­

ных станциях слежения и передают на борт каждого Н С по

каналам станции связи. Полученные частотно-временные

поправки существенно повышают точность измерения вре­

мени прохождения сигнала от спутника и достаточно точно

синхронизируют шкалы времени всех Н С системы. Опре­

деляют поправки к бортовой шкале времени относительно

шкал ы времени ГЛОНАС С и шкал ы времени GPST, их

закладывают на борт Н С несколько ра з в сутки. Эти по­

правки содержатся в радионавигационном сообщении, иду­

щем от Н С к потребителю.

Время прохождения сигнала от спутника до приёмника

потребителя измеряется двумя способами, называемыми ко­

довым и фазовым:

— по запаздыванию, которое определяется сопоставле­

нием принятых псевдослучайных кодов и их копий, генери­

руемых в приёмнике;

— по разности фаз на несущих частотах принятого и опор­

ного сигналов.

В системе GPS передатчики Н С излучают два непрерыв­

ных сигнала на частотах Ы и L2. Используется фазовая

манипуляция этих несущих частот, позволяющая формиро­

вать модуляцией дв а специальных дальномерных кода

(Р-код и С/А-код ) на каждой частоте.

Р-код (protected) обеспечивает метровую точность опре­

деления координат, а при дифференциальных методах из­

мерений — дециметровую, но является защищенным, дос­

туп к нему ограничен. С/А-ко д (clear acquisition) открыт

для пользования, но обеспечивает меньшую точность. Рань­

ше он передавался только на L1, его точность была снижена

до сотен метров преднамеренно (селективный доступ). Р- и

С/А-код ы представляют собой двоичную псевдослучайную

последовательность с тактовой частотой 10,23 МГц и 1,023

МГц соответственно. Сигналы GPS занимают в L-диапазоне

две полосы шириной по 20,46 МГц, в центре которых нахо­

дятся частоты L1 и L2.

Измерение времени прохождения сигнала от спутника до

приёмника потребителя кодовым способом осуществляется

сопоставлением кодов полученного сигнала и их копий, ге­

нерируемых приёмником. Временная задержка г между оди­

наковыми участками кода в радионавигационном сообще­

нии проиллюстрирована на рис. 2.5, где схематично показа­

ны сигналы, имеющие кодовую модуляцию. Сигнал (а ) по­

ступил на приёмник со спутника, сигнал (6) — его копия,

генерируемая приёмником. Смещение кодов на идентичных

по форме сигналах и является временной задержкой г —

временем прохождения сигнала без учета поправок шкалы

времени Н С и приёмника.

Кодовый способ не обеспечивает высокой точности, поэто­

му геодезические приёмники работают в основном по фазе не­

сущей частоты. Однако многие из них используют кодовую

информацию сигнала при обработке фазовых измерений.

б) * *

Г

Рис. 2.5. Сопоставление кодов:

а) код сигнала, полученного от НС;

б) код опорного сигнала приемника

Измерение времени прохождения сигнала по фазе несу­

щих частот Ы и L2 основано на том, что фаза <р электромаг­

нитного колебания со стандартной частотой является функ­

цией времени. Если измерить фазы <р } и ср 2 на несущей часто­

те приёмником, то время прохождения сигнала г определя­

ется из соотношения

-:+NxT 9 (2.11)

_<Рг~<Р\

2л- х /

где <р 2 — фаза сигнала, полученного от спутника; <р } —

фаза его копии, генерируемой приёмником; / - несущая

частота (Ы или Ь2)\ N — число целых периодов колебаний

Г, совершённых за время г.

Формула (2.11) содержит число N целых периодов, ко­

торое неизвестно. Поэтому возникает неоднозначность в оп­

ределении т. Дл я разрешения неоднозначности применяют­

ся специальные приёмы и методики измерений и их матема­

тической обработки, усложняющие технологию работ при

определении координат этим способом. Они будут рассмот­

рены в разделе 2.9 пособия. Использование кодовой инфор­

мации сигнала при обработке фазовых измерений также на­

правлено на разрешение неоднозначности в определении г.

Высокая точность фазовых измерений обусловлена стабиль­

ностью несущих частот, а также погрешностью измерения

фазы, равной примерно Г . Длина волны сигнала (А,) соответ­

ствует периоду 7\ или Aq>= 360°. Тогда в линейной мере по­

грешность = Г составляет 0,53 мм на L1 и 0,67 мм на L2.

Даже при наличии погрешностей от других источников точ­

ность определения координат по фазе несущей остаётся в

пределах нескольких миллиметров.

В рассмотренных способах измерения используется опор­

ный сигнал, генерируемый приёмником. В геодезических оп­

ределениях необходим опорный сигнал со стабильными не­

сущими частотами, идентичными Ы и L2. Поэтому геодези­

ческие приёмники содержат точные генераторы опорных сиг­

налов, чаще всего кварцевые. Относительная погрешность

их частот составляет 1х10"

1 0

. Кварцевым опорным генерато­

ром обеспечивается шкала времени приёмника. Поправки к

этой шкале относительно шкалы системы при измерениях

остаются неизвестными. Как отмечалось, они входят в урав­

нение (2.10) и определяются при их совместном решении

при постобработке.