Синхронизация бортовой шкалы времени космического аппарата с системным временем ГЛОНАСС при помощи аппаратуры радионавигации

Для многих космических аппаратов (КА) в настоящее время актуальна проблема наличия высокостабильной бортовой шкалы времени (БШВ). Традиционно для обеспечения высокой стабильности БШВ используются бортовые синхронизирующие устройства, построенные на базе цезиевых или водородных атомных стандартов частоты [2, 3], которые имеют суточную нестабильность частоты порядка 10-13…10-14. Для поддержания столь высокой стабильности создаются сложные бортовые аппаратные комплексы, обеспечивающие функционирование атомного стандарта в условиях постоянной температуры, минимального влияния внешних и внутренних электромагнитных полей, исключения вибраций, что приводит к увеличению массогабаритных параметров КА и его стоимости. При этом для обеспечения синхронизации БШВ с наземными опорными шкалами требуется проводить периодические сеансы сверки и коррекции с использованием специального контура синхронизации на борту и специальных наземных средств. Для обеспечения погрешности

* © Ковалёв Р Б., 2017

синхронизации шкал на уровне единиц или сотен наносекунд требуется проводить от одного до нескольких сеансов сверки с наземной опорной шкалой времени в сутки.

Система ГЛОНАСС является источником точного времени, и ее применение для синхронизации бортовых шкал времени и получения сигналов высокостабильной частоты позволит отказаться от использования сложных и дорогих бортовых атомных стандартов частоты.

Использование синхронизации БШВ по сигналам системы ГЛОНАСС позволяет разгрузить и упростить наземный контур управления и обеспечить возможность реализации длительного автономного функционирования КА на геостационарной орбите (ГСО) и высокоэллиптической орбите (ВЭО) в условиях, когда КА долгое время могут находиться вне зоны видимости наземных комплексов и когда не представляется возможным обеспечить синхронизацию БШВ традиционным способом.

В настоящей статье рассматриваются результаты исследования способа синхронизации частоты и времени по измерениям навигационных

Синхронизация бортовой шкалы времени космического аппарата с системным временем ГЛОНАСС сигналов системы ГЛОНАСС и GPS при использовании относительно недорогих и малогабаритных прецизионных термостатированных кварцевых опорных генераторов с возможностью подстройки частоты.

ШВ в аппаратуре радионавигации формируется из гармонического сигнала 10 МГц от кварцевого генератора, суточная нестабильность частоты которого составляет 5^10-10, а кратковременная секундная нестабильность на уровне 2∙10–12 [4, 5]. Без коррекции этот тип генератора обеспечивает относительное отклонение действительного значения частоты на уровне 10–7…10–8 и без дополнительных систем сверки и синхронизации не пригоден для использования в качестве источника высокостабильной БШВ. Для обеспечения высокой стабильности был разработан метод подстройки частоты опорного генератора аппаратуры радионавигации (АРН) и синхронизации ШВ АРН с системной шкалой времени ГЛОНАСС на основе измерений навигационных параметров (псевдодальности и псевдоскорости) по сигналам навигационных космических аппаратов (НКА) ГЛОНАСС/GPS при помощи АРН.

В разработанном алгоритме учитываются исходные данные, которые можно получить при помощи АРН, а именно:

• -    измеренные значения псевдодальности PD и доплеровского смещения частоты (ДСЧ) FD ;

• -    векторы кинематических параметров (ВКП) КА и НКА;

• -    цифровая информация, извлеченная из эфемерид и альманахов НКА и содержащая поправки ШВ НКА к ШВ систем ГЛОНАСС, GPS.

Путем ряда математических операций из исходных данных получаются выражения для отклонения времени ШВ АРН от системной шкалы времени ГЛОНАСС и относительного отклонения частоты опорного генератора по измерениям от i -го НКА [1]:

^dt И = ^тнка И + ,

^y[z'] = Yhka Н-^Й-(1 + Унка И) —> где дальность r и скорость V рассчитываются по векторам кинематических параметров; литерная частота FLIT, временная тНКА и частотная Yhka поправки извлекаются из альманахов НКА.

Так как имеет место наличие погрешностей в исходных данных, рассчитанные по вышеописанным формулам величины подвергаются отбраковке для исключения аномальных измерений, усредняются по всем НКА и оцениваются путем линейной фильтрации Калмана. Полученные оценки отклонения времени dt и относительного отклонения частоты d Y используются для формирования управляющего воздействия, которое, изменяя частоту опорного генератора, сводит отклонение ШВ АРН от системной шкалы времени ГЛОНАСС к минимально возможному. Обобщенная схема контура управления частотой и временем представлена на рис. 1.

Для подтверждения реализуемости алгоритма синхронизации ШВ АРН с системной шкалой времени ГЛОНАСС/GPS, определения ошибки синхронизации по времени и нестабильности частоты генератора было проведено компьютерное моделирование для варианта опорного генератора с кратко-

Рис. 1. Обобщенная схема контура управления частотой и временем: НС – навигационный сигнал; МЦОС – модуль цифровой обработки сигнала;

ПО – программное обеспечение

ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko____________

Ж ГРАДА временной нестабильностью частоты 2^10-12 за 1 секунду и долговременной – 5∙10–10 за сутки.

В результате моделирования среднеквадратичного отклонения (СКО) времени составило 50 нс, нестабильность частоты за час (сутки, год) не больше 5^10^-11 при условии постоянного наличия измерений аппаратурой радионавигации. При условиях разрывного навигационного поля (наличие перерывов в измерениях длительностью до 2 часов с интервалом повторения не менее 6 часов), характерных для КА, находящихся на ГСО и ВЭО, достижимое СКО времени составляет око- 74