Como os satélites GPS atualizam seus relógios

Como os satélites GPS mantêm seus relógios de bordo precisos? Eu suponho que eles precisam obter atualização de uma estação base. Mas como você garante que, após a atualização, todos os satélites sejam sincronizados, ou seja, não haja mudança de fase.

Você tem sua estação base na Terra e assume que todos os satélites que deseja atualizar estão na linha de visão. Você envia um comando de atualização. Porém, cada satélite está a uma distância diferente da estação base. Também haverá um atraso entre o recebimento do comando e a atualização do relógio interno. Alguns satélites podem ter hardware mais novo, o que é mais rápido.

Se você atualizar os satélites separadamente, precisará garantir que o tempo dos comandos enviados seja muito preciso. Parece uma coisa difícil de acertar. Existe um método melhor que é usado na prática?

Acho que o que me interessa é dizer que você tem um relógio no local A. Como você o sincroniza com um relógio no local B, que fica longe de A? Você tem a mensagem de atraso no voo, atraso no processamento em B etc.

clock gps synchronization user110971
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Eles usam relógios atômicos. A deriva é devida ao relativismo, o satélite está viajando em alta velocidade, portanto há uma mudança de horário. A propósito, a estação base sabe exatamente a posição do satélite, então a distância é conhecida.

Marko Buršič 28/11

Outra solução seria consultar o satélite: qual é o seu relógio? Então você calcula o erro e envia: Faça um turno +/- xxxx ns.

Marko Buršič 28/11

Algumas questões similares relevantes sobre o Space.SE, por exemplo, esta , também algumas sobre gis.SE, por exemplo, esta .

Roger Rowland

"Parece uma coisa difícil de acertar." na verdade, é uma coisa muito difícil de acertar, e o equipamento usado não é barato, mas você só precisa fazer isso em alguns lugares. É simplesmente parte do custo de executar esse sistema.

PlasmaHH

@RogerRowland oh, desculpe. Não queria parecer rude. Apenas apontando por que fiz essa pergunta específica.

user110971

Respostas:

Os erros do relógio não são corrigidos, são compensados em duas etapas.

1. Determinação de erro

O segmento de controle GPS utiliza receptores de referência em locais conhecidos para determinar os elementos orbitais reais e o erro de relógio dos veículos espaciais. A referência para a posição é o quadro de referência WGS84 , por tempo é o tempo atômico internacional . Até os menores efeitos, como deriva continental e dilatação relativística do tempo, são levados em consideração.

2. Compensação de erro

O relógio de bordo (de fato, o SV Z-Count, consulte IS-GPS-200 3.3.4) não é ajustado , girado ou redefinido para compensar o erro. Citando o IS-GPS, 20.3.4.2:

Cada SV opera em seu próprio tempo SV

Em vez disso, o deslocamento entre o UTC e o relógio desta espaçonave ("GPS-Time") é transmitido na mensagem de navegação (consulte IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Isso não inclui apenas o deslocamento atual, mas também previsões diferentes ("intervalos de ajuste", 20.3.4.4). Normalmente, apenas a previsão de curto prazo altamente precisa é relevante, as outras seriam usadas se o segmento de controle estiver inoperante e nenhuma ligação ascendente for possível.

Da mesma forma, o erro de posição (desvio da órbita nominal) é deixado sem correção (isso esgotaria o combustível precioso), mas é transmitido aos receptores ao carregar dados de efemérides (elementos orbitais) na espaçonave.

A hora do voo não é problema para o uplink, pois os novos dados do intervalo de ajuste já foram determinados na etapa anterior.

A compensação real é feita no receptor (segmento de usuário). Aplica correções ao relacionar a fase sinal / código observada de diferentes SV.

Situações excepcionais

Às vezes, as naves espaciais antigas se comportam de maneiras inesperadas, por exemplo, seus relógios começam a flutuar imprevisivelmente. A AGI possui um site com dados de desempenho de relógios a bordo. Você pode ver que o relógio do USA-151 (enviando PRN28) está um pouco instável e precisa de compensações frequentes.

Se um relógio disparar ou uma manobra acionada tornar o SV inutilizável para navegação, o SV envia uma "bandeira inoperável" em sua mensagem de navegação e é ignorado pelos receptores dos usuários finais.

Andreas
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@ user110971 Os relógios dos satélites não são ajustados. Em vez disso, seu deslocamento (para o tempo atômico) é monitorado, previsto e transmitido na mensagem de navegação. Os receptores compensam o deslocamento, não apenas pelos seus, mas também pelo deslocamento das naves espaciais. Parece engraçado, mas tem a vantagem, que a fase de sinais do GPS não tem solavancos ou interrupções. (excluiu meu comentário anterior, o que não foi útil)

Andreas

Os satélites GPS @JanDvorak na verdade não enviam um carimbo de data / hora completo. Em vez disso, parte do registro de data e hora é determinada pela fase do próprio sinal: as mensagens sempre começam em incrementos de 30 segundos. Portanto, para corrigir o tempo, o satélite teria que encurtar ou prolongar uma mensagem, o que faria com que os receptores perdessem a sincronização e precisassem recuperar o sinal.

jpa

@ jpa +1, isso é verdade. Mas: a largura de banda do loop de rastreamento geralmente é escolhida como 18Hz para dispositivos COTS de estilo antigo, um compromisso entre a dinâmica do receptor e a estabilidade do loop. Você precisaria de uma correção enorme para causar perda de bloqueio no receptor. Os erros de relógio normalmente têm apenas DOP equivalente a vários metros, o movimento do receptor e a cintilação atmosférica são absolutamente dominantes.

Andreas

@JanDvorak Uma consideração importante é que uma "correção" teria que ser tratada em um nível muito baixo da pilha (potencialmente até no nível de hardware analógico), onde os efeitos colaterais de uma correção poderiam ser complicados. Se, em vez disso, eles enviarem um relógio não corrigido mais dados de correção, os efeitos colaterais dessa correção poderão ser tratados em um nível mais alto (como o software). Subtrações são muito fáceis para processadores modernos! Também deixa muito claro de onde veio a mudança. Um receptor que recebe uma correção repentina pode desconfiar de seu próprio hardware e assumir que foi um erro!

precisa

Você também deve se lembrar que esse método foi escolhido há muito tempo e permitiu que os satélites fossem muito mais simples, agindo como gravadores reproduzindo um sinal.

David Schwartz

digamos que você tenha um relógio no local A. Como você o sincroniza com um relógio no local B, distante de A?

Você pode fazer o que o NTP faz. A grosso modo,

envie uma solicitação para a hora atual no momento $t_0$
o servidor recebe sua solicitação em e envia uma resposta em $t_1$ $t_2$
receber a resposta no momento $T$ $t_3$
defina seu tempo para : $T+\delta$

Observe que não é isso que o GPS faz porque não há sentido: o segundo de satélite é menor que o segundo da Terra devido à gravidade, por isso é impossível manter os relógios sincronizados.

Dmitry Grigoryev
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Você ganha um ponto por obter o ponto da relatividade, diferente da bagunça nos comentários da pergunta.

parar de prejudicar Monica

O delta é o horário de ida e volta ou o horário de ida? De uma maneira, como o cliente mede isso?

Tejas Kale

@TejasKale . Basicamente, o tempo de ida e volta é dividido por dois, com correção.

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

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

Dmitry Grigoryev

A constelação de satélites GPS é monitorada constantemente por várias estações terrestres fixas posicionadas ao redor do globo. Essas estações terrestres monitoram todos os satélites e enviam fatores de correção se algum desvio for detectado.

O segmento de controle GPS consiste em uma rede global de instalações terrestres que rastreiam os satélites GPS, monitoram suas transmissões, realizam análises e enviam comandos e dados para a constelação.

O segmento de controle operacional atual inclui uma estação de controle mestre, uma estação de controle mestre alternativa, 11 antenas de comando e controle e 15 locais de monitoramento.

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

Richard Crowley
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