¿Cómo los satélites GPS actualizan sus relojes?

¿Cómo mantienen los satélites GPS la precisión de sus relojes a bordo? Supongo que necesitan actualizarse desde una estación base. Pero, ¿cómo se asegura de que después de la actualización todos los satélites estén sincronizados, es decir, que no haya ningún cambio de fase?

Tiene su estación base en la tierra y asume que todos los satélites que desea actualizar están a la vista. Envía un comando de actualización. Pero, cada satélite está a una distancia diferente de la estación base. También habrá una demora desde la recepción del comando hasta la actualización del reloj interno. Algunos satélites pueden tener hardware más nuevo, que es más rápido.

Si actualiza los satélites por separado, deberá asegurarse de que sus temporizaciones de los comandos que envía sean muy precisos. Esto parece una cosa difícil de hacer bien. ¿Existe un método mejor que se utiliza en la práctica?

Supongo que lo que me interesa es decir que tiene un reloj en la ubicación A. ¿Cómo lo sincroniza con un reloj en la ubicación B, que está muy lejos de A? Tiene el mensaje de retraso de tiempo de vuelo, retraso de procesamiento en B, etc.

clock gps synchronization

— usuario110971
fuente

Usan relojes atómicos. La deriva se debe más bien al relativismo, el satélite viaja a alta velocidad, por lo que hay un cambio de tiempo. Por cierto, la estación base conoce exactamente la posición del satélite, por lo que se conoce la distancia.

— Marko Buršič

Otra solución sería consultar el satélite: ¿cuál es su reloj? Luego calcula el error y envía: Realice un cambio +/- xxxx ns.

— Marko Buršič

Algunas preguntas similares relevantes sobre Space.SE, por ejemplo, esta , también algunas sobre gis.SE, por ejemplo, esta .

— Roger Rowland el

"Esto parece algo difícil de resolver". de hecho, es muy difícil hacerlo bien, y el equipo utilizado no es barato, pero solo tiene que hacerlo en algunos lugares. Es simplemente parte del costo de ejecutar dicho sistema.

— PlasmaHH

@RogerRowland oh, lo siento. No quise decir que fuera grosero. Solo señalo por qué hice esta pregunta específica.

— user110971

Respuestas:

Los errores de reloj no se corrigen, se compensan en dos pasos.

1. Determinación de error

El segmento de control GPS utiliza receptores de referencia en ubicaciones bien conocidas para determinar los elementos orbitales reales y el error de reloj de los vehículos espaciales. La referencia para la posición es el marco de referencia WGS84 , por tiempo es el tiempo atómico internacional . Incluso los efectos más pequeños como la deriva continental y la dilatación del tiempo relativista se tienen en cuenta.

2. Compensación de errores

El reloj a bordo (de hecho, el SV Z-Count, ver IS-GPS-200 3.3.4) no está sintonizado , girado o reiniciado para compensar el error. Citando IS-GPS, 20.3.4.2:

Cada SV opera en su propio tiempo SV

En cambio, el desplazamiento entre UTC y el reloj de esta nave espacial ("GPS-Time") se transmite en el mensaje de navegación (ver IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Esto no solo incluye el desplazamiento actual, sino también diferentes pronósticos ("intervalos de ajuste", 20.3.4.4). Normalmente, solo el pronóstico altamente preciso a corto plazo es relevante, los otros se usarían si el segmento de control no funciona y no es posible un enlace ascendente.

Del mismo modo, el error de posición (desviación de la órbita nominal) no se corrige (esto agotaría el combustible precioso), pero se transmite a los receptores cargando datos de efemérides (elementos orbitales) a la nave espacial.

El tiempo de vuelo no es un problema para el enlace ascendente, ya que los nuevos datos del intervalo de ajuste ya se han determinado en el paso anterior.

La compensación real se realiza en el receptor (segmento de usuario). Aplica correcciones cuando se relaciona la fase de señal / código observada de diferentes SV.

Situaciones excepcionales

A veces, las viejas naves espaciales se comportan de manera inesperada, por ejemplo, sus relojes comienzan a ir a la deriva de manera impredecible. AGI tiene un sitio web con datos de rendimiento de relojes a bordo. Puede ver que el reloj USA-151 (que envía PRN28) es un poco inestable y necesita compensaciones frecuentes.

Si un reloj se vuelve loco o una maniobra motorizada deja inutilizable el SV para la navegación, el SV envía una "bandera inoperable" en su mensaje de navegación y los receptores de los usuarios finales lo ignoran.

— Andreas
fuente

@ user110971 Los relojes de los satélites no están ajustados. En cambio, su desplazamiento (al tiempo atómico) se controla, predice y transmite en el mensaje de navegación. Los receptores compensan el desplazamiento, no solo por el suyo, sino también por el desplazamiento de las naves espaciales. Suena divertido, pero tiene la ventaja de que la fase de señales GPS no tiene sacudidas ni interrupciones. (borré mi comentario anterior que no fue útil)

— Andreas

Los satélites GPS @JanDvorak en realidad no envían una marca de tiempo completa. En cambio, parte de la marca de tiempo está determinada por la fase de la señal misma: los mensajes siempre comienzan en incrementos de 30 segundos. Entonces, para corregir el tiempo, el satélite tendría que acortar o alargar un mensaje, lo que causaría que los receptores pierdan la sincronización y necesiten volver a adquirir la señal.

— jpa

@jpa +1, esto es de alguna manera cierto. Pero: el ancho de banda del bucle de seguimiento a menudo se elige como 18Hz para dispositivos COTS de estilo antiguo, un compromiso entre la dinámica del receptor y la estabilidad del bucle. Necesitaría una gran corrección para causar pérdida de bloqueo en el receptor. Los errores de reloj generalmente solo tienen el equivalente DOP de varios metros, el movimiento del receptor y el centelleo atmosférico son absolutamente dominantes.

— Andreas

@ JanDvorak Una consideración importante es que una "corrección" debería tratarse en un nivel muy bajo de la pila (potencialmente incluso en el nivel de hardware analógico), donde los efectos secundarios de una corrección podrían ser complicados. Si, en cambio, envían un reloj no corregido más datos de corrección, los efectos secundarios de esa corrección pueden tratarse a un nivel superior (como el software). ¡Las restas son muy fáciles para los procesadores modernos! También deja muy claro de dónde vino el cambio. ¡Un receptor que recibe una corrección repentina puede desconfiar de su propio hardware y asumir que fue un error!

— Cort Ammon

También debe recordar que este método fue elegido hace mucho tiempo y permitió que los satélites fueran mucho más simples, actuando de manera similar a las grabadoras que reproducen una señal.

— David Schwartz

digamos que tiene un reloj en la ubicación A. ¿Cómo lo sincroniza con un reloj en la ubicación B, que está muy lejos de A?

Puedes hacer lo que hace NTP . Mas o menos,

$t_0$
$t_1$ $t_2$
$T$ $t_3$
$T+\delta$

Tenga en cuenta que esto no es lo que hace el GPS porque no tiene sentido: el segundo satélite es más corto que el segundo de la Tierra debido a la gravedad, por lo que es imposible mantener los relojes sincronizados.

— Dmitry Grigoryev
fuente

Obtiene un punto para obtener el punto de la relatividad, a diferencia del desorden en los comentarios de la pregunta.

— Deja de dañar a Mónica el

¿Es delta el tiempo de ida y vuelta o el tiempo de ida? Si es de una manera, ¿cómo mide eso el cliente?

— Tejas Kale

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

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

La constelación de satélites GPS es monitoreada constantemente por varias estaciones terrestres fijas ubicadas en todo el mundo. Estas estaciones terrestres monitorean todos los satélites y envían factores de corrección si se detecta alguna deriva.

El segmento de control GPS consiste en una red global de instalaciones terrestres que rastrean los satélites GPS, monitorean sus transmisiones, realizan análisis y envían comandos y datos a la constelación.

El segmento de control operativo actual incluye una estación de control maestro, una estación de control maestro alternativa, 11 antenas de comando y control y 15 sitios de monitoreo.

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

— Richard Crowley
fuente