Сравнительное исследование периодических характеристик спутниковых часов разных ГНСС

Атомные часы, установленные в космосе, обеспечивают временную привязку для глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), и их стабильность напрямую влияет на точность навигации, позиционирования и синхронизации времени. Помимо трендовых составляющих, смещения спутниковых часов демонстрируют отчётливые периодические вариации, неадекватное моделирование которых может ухудшить точность прогнозирования и производительность синхронизации времени. Учёные из Китайского антарктического центра геодезии и картографии (г. Ухань) провели всесторонний анализ периодичности часов ГНСС, используя точные спутниковые данные о часах за пятилетний период.

После извлечения и количественной оценки основных периодических компонентов создаётся модель периодической коррекции и проводится сравнительная оценка стабильности частоты. Результаты показывают, что бортовые часы навигационной спутниковой системы BeiDou-3 (BDS-3), глобальной системы позиционирования (GPS) Block IIF/III и навигационной спутниковой системы Galileo (Galileo) демонстрируют более высокую стабильность, чем часы BeiDou-2 (BDS-2) и ГЛОНАСС.

В целом, количество аномалий на спутниках BDS-2 значительно выше, чем на других системах за пятилетний период. Кроме того, отклонение Адамара большинства спутниковых часов ГНСС демонстрирует аномальные колебания в районе 10 000 с, вызванные периодическими вариациями. Анализ периодических характеристик показывает, что три доминирующие периодические компоненты соответствуют 1, 1/2 и 1/3 кратным соответствующим орбитальным периодам спутников ГНСС. Амплитуда этих периодических составляющих обычно достигает пиковых значений в периоды затмений спутников ГНСС. После периодической коррекции стабильность частоты спутниковых часов повышается на 13,43–49,01%. Кроме того, периодическая коррекция значительно повышает точность прогнозирования времени для BDS-2, BDS-3 и GPS Block IIR/IIR-M.

Точность позиционирования и синхронизации ГНСС напрямую связана с точностью и достоверностью измерения расстояний, которые, в свою очередь, зависят от точности параметров эфемерид и синхронизации спутниковых часов. Поскольку навигационные сообщения ГНСС обновляются с интервалами от 10 минут до 2 часов в зависимости от конкретной спутниковой системы, параметры спутниковых часов, содержащиеся в этих сообщениях, по своей природе являются предсказательными. Следовательно, стабильность частоты бортовых атомных часов имеет решающее значение для обеспечения точности таких прогнозов.

В связи с быстрым развитием спутниковой навигации и технологий атомных часов, периодические ошибки, возникающие из-за изменений окружающей среды и других факторов, становятся всё более заметными в смещениях спутниковых часов, существенно влияя на результаты оценки производительности бортовых атомных часов. Значительные исследовательские усилия выявили существование периодических компонентов в смещениях спутниковых часов и исследовали их физическое происхождение.

Точное моделирование спутниковых часов имеет решающее значение для повышения общей эффективности продуктов, определяющих смещение часов. Высокоточное моделирование и прогнозирование смещения спутниковых часов не только повышает точность и надёжность параметров часов в навигационных сообщениях, но и обеспечивает стабильную временную привязку для автономной навигации спутников.

Систематическое исследование периодических характеристик спутниковых часов ГНСС закладывает основу для повышения точности прогнозирования времени, оптимизации алгоритмов космической шкалы времени и совершенствования механизмов обновления бортовых атомных часовых систем. В связи с этим в настоящем исследовании проводится долгосрочный многоспутниковый анализ периодических характеристик спутниковых часов ГЛОНАСС,GPS, BDS и Galileo. «Дальнейшее изложение статьи организовано следующим образом: сначала мы обобщаем рабочее состояние спутниковых часов ГНСС на орбите и представляем экспериментальные источники данных и методы обработки. Затем для оценки стабильности частоты различных спутниковых часов используется отклонение Адамара. Далее, спектральный анализ используется для извлечения и количественной оценки значимых периодических членов и для изучения закономерностей изменения амплитуд периодических членов. Затем мы оцениваем стабильность частоты спутниковых часов после коррекции периодических членов и анализируем улучшения точности прогнозирования времени и точности позиционирования (PPP). Наконец, мы делаем несколько выводов, чтобы подвести итог нашей работы».

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал

По материалам открытых источников