Релятивистская синхронизация часов навигационных космических аппаратов с использованием межспутниковых измерений

Журнал «Измерительная техника», №8, 72 стр.
Август 2021

Релятивистская синхронизация часов навигационных космических аппаратов с использованием межспутниковых измерений

DOI: https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-8-56-66
Авторы: Николай Николаевич Василюк, Александр Петрович Червонкин
Ключевые слова: межспутниковые измерения, межспутниковая лазерная связь, синхронизация часов, сверка шкал времени, релятивистские эффекты, гравитационное замедление времени
Заказать номер журнала в печатном виде или приобрести статью или весь номер в электронном виде.


Аннотация

Задача синхронизации бортовых часов навигационных космических аппаратов рассмотрена с релятивистской точки зрения с использованием концепции «координатной одновременности». Эта концепция позволяет однозначно интерпретировать результаты синхронизации в рамках общей теории относительности. Алгоритм обработки межспутниковых измерений сформулирован в терминах приборной реализации собственного времени космического аппарата и координатного времени системы отсчёта. Указаны правила преобразования между координатной и собственной шкалами времени. Получено аналитическое выражение для периодической релятивистской поправки к оценённому значению относительного ухода часов, записанное в координатном времени наземного наблюдателя. Значение поправки превышает допустимую погрешность синхронизации и должно учитываться при обработке межспутниковых измерений. Вычислена погрешность определения релятивистской поправки, ограничивающая сверху период перезакладки эфемеридных данных на борт космических аппаратов.

Список литературы

1. Бакитько Р. В., Болденков Е. Н., Булавский Н. Т. и др. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования: монография / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.

2. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2. Редакция 5.1. М.: РНИИ КП, 2008. 74 с.

3. Мальцев Г. Н., Сакулин А. Н. Резервы повышения точности навигационных определений потребителей при введении в системе ГЛОНАСС режима межспутниковых измерений // Труды военно-космической академии им А. Ф. Можайского. 2011. № 630. С. 73–77.

4. Щекутьев А. Ф. Оперативная синхронизация бортовых шкал времени аппаратов ГЛОНАСС по межспутниковым измерениям вдоль замкнутой цепочки взаимодействий // Космонавтика и ракетостроение. 2014. № 1. C. 134–145.

5. Бартенев В. А., Гречкосеев А. К., Марарескул Т. А. Использование межспутниковых измерений для определения орбит и уходов бортовых часов в КНС ГЛОНАСС // Труды ИПА РАН. 2007. № 17. С. 120–127.

6. Сакулин А. Н., Мальцев Г. Н. Сравнительный анализ вариантов использования в системе ГЛОНАСС радиотехнической и лазерной аппаратуры межспутниковых измерений // I-Methods. 2014. T. 6. № 3. С. 10–13.

7. Сумерин В. В., Чубыкин А. А., Шаргородский В. Д. Межспутниковая навигационно-связная система // Вестник ГЛОНАСС. 2012. № 3 (7). С. 36–38.

8. Садовников М. А., Сумерин В. В. Беззапросные квантово-оптические системы контроля и передачи шкал времени ГЛОНАСС // Вестник ГЛОНАСС. 2012. № 3 (7). С. 39–42.

9. Шаргородский В. Д., Сумерин В. В., Дмитриев С. В., Григорьев В. Н. Бортовые космические лазерные информационно-измерительные системы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. № 8. С. 4–10.

10. Шаргородский В. Д., Косенко В. Е., Садовников М. А., Чубыкин А. А., Мокляк В. И. Роль лазерных средств в обеспечении точности системы ГЛОНАСС // Космические аппараты и технологии. 2013. № 3–4 (6). С. 17–27.

11. Игнатович Е. И., Щекутьев А. Ф. Исследование возможностей модернизации эфемеридно-временного обеспечения КНС ГЛОНАСС с использованием межспутниковых измерений // Сборник трудов XIII Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 29–31 мая 2006. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2006. С. 202–210.

12. Игнатович Е. И., Щекутьев А. Ф. Методы и алгоритмы уточнения частотно-временных параметров и синхронизации бортовых шкал навигационных КА перспективной ГЛОНАСС с использованием межспутниковых измерений // Сборник трудов XIV Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 28– 30 мая 2007. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2007. С. 322–331.

13. Игнатович Е. И., Щекутьев А. Ф. Результаты имитационных испытаний некоторых вариантов бортовых алгоритмов обработки межспутниковых измерений космических аппаратов ГЛОНАСС // Сборник трудов XV Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 26–28 мая 2008. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 331–337.

14. Лукин А. Б., Чубыкин А. А., Сумерин В. В., Шаргородский В. Д. и др. Модельные оценки информационных свойств межспутниковых измерений лазерной навигационно-связной системы МЛНСС для космического эксперимента на КА ГЛОНАСС // Сборник трудов XVI Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 25–27 мая 2009. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2009. С. 259–264.

15. Чубыкин А. А., Сумерин В. В., Шаргородский В. Д., Золкин И. А., Игнатович Е. И., Щекутьев А. Ф. Новые результаты в области обработки и применения межспутниковых измерений // Сборник трудов XIX Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 28–30 мая 2012. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2012. С. 306–314.

16. Мильковский А. Г., Середин С. В., Карутин С. Н., Игнатович Е. И., Золкин И. А., Щекутьев А. Ф. Направления развития методов и средств высокоточной синхронизации шкал времени НКА ГЛОНАСС с использованием межспутниковых навигационно-связных технологий // Сборник трудов XXII Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 25–27 мая 2015. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2015. С. 429–438.

17. Марарескул Т. А., Гречкосеев А. К., Василенко А. В. Эксперимент по синхронизации бортовых шкал времени навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС по взаимным межспутниковым измерниям // Радиотехника. 2013. № 6. С. 18–21.

18. Чубыкин А. А., Рой Ю. А., Корнишев О. М., Падун П. П. Использование бортовых лазерных измерительно-связных средств для повышения точности и оперативности эфемеридно-временного обеспечения спутников системы ГЛОНАСС // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. № 7. Т. 12. С. 25–30.

19. Дмитриев С. В. Относительность одновременности событий в лазерных измерениях с искусственными спутниками Земли // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. № 8. С. 38–43.

20. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособие. В 10 т. Т. II. Теория поля. 7-е изд., испр. М.: Наука, 1988. 512 с.

21. Klioner S. A. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 1992, vol. 53, no. 1, pp. 81–109. https://doi.org/10.1007/BF00049363

22. Relativistic Geodesy: Foundations and Applications, ed. D. Puetzfeld, C. Lämmerzahl, Springer, 2019, 479 p.

23. Борисова Л. Б., Бронников К. А., Мельников В. Н. Учёт гравитационно-релятивистских эффектов при введении единой шкалы времени на Земле и в околоземном пространстве // Измерительная техника. 1988. № 5. С. 31–33.

24. Handbook. Satellite time and frequency transfer and dissemination, ITU Radiocommunication Bureau, Geneva, 2010, 199 p.

25. Брумберг В. А. Релятивистские эффекты при радиолокационных, оптических и радиоинтерферометрических измерениях // Астрономический журнал. 1981. Т. 58. № 1. С. 181−193.

Relativistic synchronization of onboard clocks of navigation space vehicles with the aid of intersatellite measurements

DOI: https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-8-56-66
Аuthors: Nikolay N. Vasilyuk, Alexander P. Chervonkin
Keywords: intersatellite measurements, intersatellite laser communications, remote clock synchronization, timescales comparison, relativistic effects, gravitational time dilation

Annotation

The problem of the synchronization of onboard clocks of navigation satellites has considered from a relativistic point of view using the concept of “coordinate simultaneity”. This concept allows an unambiguous interpretation of the synchronization results within the framework of general relativity. The algorithm of intersatellite measurements processing has formulated in terms of a proper time of a space vehicle and the coordinate time of a reference frame. Rules of transformation between coordinate and proper time scales have indicated. An analytical expression has obtained for the periodic relativistic correction to the estimated value of the relative clock drift. This correction has expressed in terms of the coordinate time of a ground observer. The value of this correction exceeds the acceptable synchronization error and should be taken into account for the inter-satellite measurements processing. The error of the relativistic correction determination has calculated. This error provides an upper limit for the period of uploading of ephemeris data on the board of the space vehicle.



Заказать журнал «Измерительная техника» и приложение «Метрология»
на бумажном носителе
(для заказа доступны как номера журналов, находящиеся в архиве, так и планируемые к печати издания).

Журнал «Измерительная техника»

Приложение «Метрология»

Наши контакты

Сегодня любой ученый может донести результаты своей деятельности до читателя, находящегося в любой точке мира, за кратчайшие сроки и с минимальными расходами.

  • Адрес: 119361 Москва, ул. Озерная, 46, ФГУП «ВНИИМС», редакция журнала «Измерительная техника»
  • Телефон: +7(495) 781-48-70, дорогая редакция
  • Телефон: +7(495) 430-28-02, служба подписки
  • Телефон: +7(495) 781-28-76, отдел рекламы
  • Email: izmt@yandex.ru
  • Website: www.izmt.ru

Как к нам проехать:
м. Юго-западная, выход из последнего вагона из центра и направо. Далее автобусами 720, 718 или 752 до остановки «14 автобусный парк». Сразу за остановкой будет высокое 22-х этажное здание. Это и есть ул. Озерная д.46