Ты здесь!

Системное время GPS: что, как, почему?

В центре управления системой стоит высокоточный генератор шкалы времени на основе водородного стандарта. Его нестабильность очень мала, примерно 10 в -14 степени. Начало шкалы времени привязано к 00:00:00 6 января 1980 года. Иными словами системное время GPS есть Всемирное координированное время UTC, отнесённое к началу 6 января 1980г. Поправки системного времени GPS к Всемирному координированному времени UTC регистрируются с высокой точностью и передаются в виде постоянной величины в навигационном сообщении. Точность поправок при передаче поддерживается на уровне 90 наносекунд (1 сигма). На данный момент сдвиг шкалы системного времени GPS относительно шкалы UTC составляет 14 секунд. Системная шкала времени должна быть непрерывной и не корректируемой, поэтому она и отличается от шкалы UTC. Ведь шкала UTC периодически корректируется на целое число секунд. В системе GPS время отсчитывается по модулю одной недели. Это означает, что есть два счётчика, один из которых считает время в секундах (или в мили секундах) внутри недели, а второй считает количество недель, прошедших с 6 января 1980 года, и увеличивается если первый достиг максимального значения равного 604800 секунд. Записывается время так: 1443:142567 – 1443 неделя, 142567 секунда внутри недели. Это время можно с лёгкостью перевести в обычный формат. Я потом расскажу как это сделать. Так как у американцев неделя начинается с воскресения, то переход на новую неделю происходит в ночь с субботы на воскресение. Переход на новую неделю на жаргоне разработчиков называется week rollover – дословно «переворот недели». Читается: вик роловер. Кстати такое построение шкалы времени позволяет избавится от проблемы, связанной с високосным годом. Как известно, в нём на 1 день больше.

Что Вы узнали:

1. Начало шкалы времени GPS привязано к 6 января 1980 года. Это обуславливает сдвиг шкалы GPS относительно шкалы UTC на целое число секунд.
2. Сдвиг шкалы времени GPS передаётся в навигационном сообщении.
3. Время измеряется в неделях и секундах внутри недели.
4. Week rollover происходит с субботы на воскресение.

Читая свой РСС наткнулся на кучу интересного, ибо редко последнее время туда заходил. Выяснил, что на половину подхожу под это описание на блоге димка. Прочитал интереснейшую статью про ранжирование на мауле. Узнал как писать рекламные заголовки, хотя никогда не думал, что эта тема мне может быть интересна. Оказалось что может. Вчера до 4х утра просидел, читая как сделать лучше индексацию сайта в яндексе и гугле.

Да, различия есть, и, возможно, я их все даже не знаю, но основные могу описать. Самое главное отличие GPS от ГЛОНАСС – это то, что GPS уже лет 25 работает, а ГЛОНАСС пытается работать, но не получается. О причинах можно долго рассуждать, но вкратце – «А кому у нас это надо?», ведь есть GPS.

Какие ещё отличия?

1. Основное отличие – это сигнал и его структура. Как я уже писал, В системе GPS используется кодовое разделение каналов. В системе ГЛОНАСС – частотное разделение каналов (подробнее). Структура сигнала так же различна. Скоро будет подробный пост про структурой сигнала, там я все опишу.
2. Для описания движения спутников по орбите используются принципиально разные математические модели. У GPS – это модель в оскулирующих элементах. Эта модель подразумевает, что траектория движения спутника разбивается на участки, на которых движения описывается кеплеровской моделью, параметры которой меняются во времени. В системе ГЛОНАСС используется дифференциальная модель движения. Это означает, что для определения координат спутника на заданный момент времени требуется решить систему дифференциальных уравнений. Для решения этой системы нужны, так называемые, начальные значения – это такое чисто математическое понятие. В случае ГЛОНАСС эти приближения передаются со спутника в составе навигационной информации, поэтому приёмнику они доступны. Задача решения дифференциальных уравнений состоит в численном интегрировании, которое, по сути своей, является трудоёмкой задачей. Думаю тут всё.
3. В системе GPS 6 орбитальных плоскостей, и предполагалось по 4 спутника на каждой. Итого – 24 спутника, но они не обеспечивали должного покрытия всего земного шара, да и если какой-нибудь аппарат выходит из строя, то заменить его нечем. Поэтому группировку нарастили до 32 спутников. В этом случае некоторые орбиты имеют до 6 спутников. В системе ГЛОНАСС к расчёту ОГ подошли более серьёзно. В ГЛОНАСС 3 плоскости по 8 спутников (8 теоретически). Это обеспечивает полное покрытие земли и хорошую геометрию. Наши как всегда – рассчитали более хорошую орбиту, но вот доделать всё в целом не смогли. (информация в этом пункте может быть не точной)

Думаю, что это основные отличия и уверен, что есть ещё. Желающих покритиковать или что-то добавить милости просим.

На рисунке изображена функциональная схема приёмника.

Давайте разберём её подробно. Приёмник принимает сигнал со всех «видимых» спутников. Сигнал попадает в антенну приёмника, из неё в радио часть (1), где претерпевает первичную обработку, например, фильтрацию, усиление. Однако этим функции радио-части не ограничены, но подробное описание я опущу. С радио-части (1) аналоговый сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (2). В этом блоке из аналогового сигнала получается цифровой, который уже можно обрабатывать цифровыми методами. С АЦП сигнал поступает на, так называемую, «микросхему специального назначения»(3) – ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Читается как «айсик». Она предназначена для поиска, захвата и слежения за сигналами, поступающими со спутников, а именно за задержкой сигнала и за его частотой (или фазой несущей). ASIC тесно общается с процессором, потому что структура почти любого приёмника построена так, что для поддержания слежения на должном уровне нужно постоянно «помогать ASIC`у» (очень грубо сказал). Если точнее, то ASIC передаёт цифровые отчеты с выходов петель слежения за сигналами в процессор. В нем происходит их обработка:

1. Расчёт управляющего сигнала для петель слежения и закладка этой информации обратно в ASIC;
2. Битовая синхронизация;
3. Выделение навигационной информации;
4. Получение измерений (каких, пока не важно.
5. Ещё что-то, что я упустил.

Кстати, часть этих задач можно реализовать непосредственно в самом ASIC`е, а потом передавать в процессор только готовую информацию. Но такого я не встречал пока. Для работы процессору нужна память (5), где хранятся данные и код прошивки. Так же в процессоре происходит решение навигационной задачи, формирование данных для выдачи пользователю и всё остальное. Для управления приёмником в общем случае используются устройство ввода и устройство вывода. Например, если приёмник консьюмерный (это которые в магазинах продают долларов по 400 или около этого), то устроством ввода будет touch-screen, а устройством вывода – экран. Если это просто плата, то ввод и вывод будет осуществляться через COM порт с использованием какой-нибудь программы терминала.

Дальнейшее описание будет тесно опираться на эту схему и базовые понятия, такие как ASIC, процессор. Думаю, что из этого поста Вы узнали:

1. Радио-часть нужна для первичной обработки ссигнала.
2. ASIC нужен для поиска, захвата и слежения за сигналами со спутников.
3. Процессор обеспечивает ASIC управляющими сигналами для поддержания слежения, решает навигационную задачу и др.
4. Устройства ввода/вывода нужны для общения с внешним миром.

P.S. Статья достаточно краткая, что может вызвать у Вас дополнительные вопросы. И это хорошо. Комментируйте и я обязательно на них отвечу.

Думаю стоит поговорить о космическом сегменте GPS. Спутники в системе GPS движутся в шести орбитальных плоскостях, сдвинутых друг относительно друга по прямому восхождению восходящего узла на 60 гр. Наклонение плоскостей орбит к плоскости экватора 55 гр. Орбиты близкие к круговым. Средняя высота орбит 20189 км. В каждой орбитальной плоскости располагается 4 спутника. Период обращения спутников 11 часов 57 минут 59.2 сек (половина звёздных суток). В системе используется кодовое разделение каналов (CDMA). Это означает, что все спутники вещают на одной и тоже частоте, точнее на одних и тех же частотах: L1 = 1575.42 МГц и L2 = 1224.60 МГц. В случае кодового разделения каждому спутнику присваивается свой уникальный код. К этому коду предъявляется ряд жестких требований (обсудим позже). На земле приёмник может различать сигналы от разных спутников только благодаря этому коду, уникальному для каждого спутника. Эти коды получили название кодов Голда (Gold code). У кого мозг чешется узнать больше, Вам сюда, а у кого нет, то продолжаем.

Для описания движения спутников используется модель в оскулирующих элементах. В этой модели движение каждой точки траектории аппроксимируется кеплеровской моделью, параметры которой меняются во времени. Спутники в составе навигационной информации сообщают параметры своей модели движения потребителю. Параметрами являются коэффициенты степенных и тригонометрических полиномов, которые описывают изменение кенлеровских элементов орбиты данного спутника. Зная эти параметры, приёмник может рассчитать координаты на спутника на заданный момент времени.

Старался изложить все как можно проще. Готов ответить на вопросы по теме. Но, так или иначе, мозг взорван! Добро пожаловать в наш клуб.

P.S. Оскулирующий элемент – это элемент, который скулит.

Начало этой беседы читай тут.

• Когда говорят, что на спутнике есть часы, то понимать это следует в переносном смысле.
• Когда говорят, что у приёмника есть часы, то это надо понимать в переносном смысле.
• Когда говорят, что у системы есть часы, то это надо понимать в переносном смысле.

А что там у них действительно есть? У них есть генераторы частоты. Эти самые генераторы частоты задают временнУю шкалу. Что это такое? Это что-ли как у градусника? Ну почти. Для наших с вами бесед лучше, чтобы Вы представляли себе генератор частоты (в смысле времени), как некое устройство на выходе которого периодически случаются какие-то события, причём одни и те же. Например, это ящик, из которого каждую тысячную долю секунды падает 1 песчинка. Таким образом, этот ящик представляет из себя генератор частоты (часы) с разрешающей способностью (если можно так сказать) 1 миллисекунда (1 мс) или 1 кГц (кило Герц) и задаёт миллисекундную шкалу времени. В его основе лежит периодически повторяющийся процесс падения песчинок. Как Вы видите это все не противоречит тому, что я писал в первой части.

Так вот, в центре управления системой стоит генератор на основе водородного стандарта. Нестабильность его очень маленькая и в системе он условно считается эталоном и задаёт шкалу времени системы. На спутниках стоят генераторы частоты на основе цезиевого и рубидиевого стандартов, причём их нестабильность выше чем у системных. Эти генераторы задают шкалы времени спутников. Нестабильность их такова, что если её не учитывать, то она сильно влияет на качество позиции. По этой причине в центре управления системой постоянно сверяют шкалы времени спутников со шкалой системы и при необходимости производят корректировку этих шкал. Уход шкалы спутника аппроксимируется полиномом первой или второй степени. Коэффициенты этого полинома входят в состав навигационный информации, передаваемой спутником на землю (читать тут). В приёмнике, к стати, тоже стоит генератор частоты, который задаёт шкалу времени приёмника. Но нестабильность его очень большая, потому что обычно используют дешёвые кварцевые генераторы.Но как Вы скоро узнаете – это не проблема. Нестабильность приводит к тому, что шкала времени (спутника, приёмника) начинает отставать или спешить по отношению к эталону, скажем к шкале системы. Чем выше нестабильность, тем больше будет уход и наоборот.

В итоге, Вы узнали:

1. что часы в системе, на спутнике и в приёмнике называются генератором частоты;
2. что генератор частоты задаёт шкалу времени;
3. что у любого генератора частоты есть нестабильность, которая приводит к смещению шкалы времени.

А почему о времени? Причём тут время, блог о спутниковой навигации. – спросите Вы. Да, Вы, правы, но, есть одно НО (или не одно). Время вот причём: приёмник измеряет задержку прохождения сигнала от спутника до антенны приёмника. Вот и ответ: раз задержка, значит – время.

В житейской практике текущее время часто отождествляют (одно и тоже) с показанием некоторых часов, например наручных. Назовём эти наручные часы «часами Н». Часы Н обычно показывают суточное время. Важно различать понятия истинного времени и показаний часов Н. Ведь часы могут как спешить, так и отставать от истинного времени. За истинное время принято время UTC – Всемирное Координатное Время. UTC — это наследие времени по Гринвичу (GMT), и иногда также ошибочно именуемое GMT. Новое имя было введено, чтобы избавиться от названия определённого места на Земле в международном стандарте. UTC базируется на атомном отсчёте времени, а не на времени в Гринвиче. Следует обратить внимание что время по UTC не переводится зимой и летом. Поэтому для тех мест, где есть перевод на летнее время, смещение относительно UTC меняется.(взято из wiki)

В качестве меры времени, обычно берётся некий периодический (повторяющийся) процесс, например вращения Земли вокруг Солнца (1 год) или вращение Земли вокруг своей оси (1 сутки). Таким образом, в основу любых часов положен периодически повторяющийся процесс. Чем лучше повторяемость каждого периода этого процесса, тем точнее часы можно построить на его основе. Есть ещё важный, на мой взгляд, момент: назовём его масштабом времени. Что если вещь, которую Вы пытаетесь измерить гораздо короче, чем разрешение Вашего инструмента? В этом случае надо взять инструмент с другой (более мелкой) шкалой. Например, возраст маленьких детей мерят в месяцах, а когда подрастает, то в годах и месяцах, и лишь когда они становятся совсем взрослые, то просто говорят, что ему, скажем, 9 лет. Так же и со временем: если нужно измерять очень короткие интервалы, то нужен периодически повторяющийся процесс с очень маленьким периодом, по крайней мере, с периодом меньше чем то, что Вы измеряете.

В классической физике, время — непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, неквантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому тавтологически равна константе. (взято из wiki)

Среди множества известных природных процессов, на каждой стадии своего развития, человечество выбирает некоторый процесс, который используется как эталон времени. В настоящее время, в соответствии с международными соглашениями, в качестве эталонного используется цезиевый атомно-лучевой стандарт. Дальше Ваш мозг вскипит, если не готовы, то пропустите жирное предложение. Одна секунда – это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Так описывается цезиевый стандарт частоты. Именно этот стандарт используется в часах, котрые устанавливаются на спутники. Но стандарт не запрещает использовать более точные часы. В центре управления системой (GPS или ГЛОНАСС) стоят часы, основанные на водородном стандарте. Они ещё точнее цезиевых, примерно на пару порядков.

В итоге, Вы узнали:

1. что время и показания часов не есть одно и тоже;
2. что в основе измерения времени положен периодический процесс;
3. что у времени есть масштаб.

P.S. Ждите продолжения, это не всё!

Меня все больше и больше радует, что народ из блоговара считает, что сайт интересный, ну или, по крайней мере, хочется так думать. Надеюсь, что положение не изменится. Самую хорошую невоенную статью с упоминанием обо мне я читал с удовольствием, так как беглым взглядом так и не нашёл, где ссылка стоит. Зачёт! Есть, конечно, и другие упоминания, но они скучны. Этот парень просто ведёт описание боевых действий. Побольше хороших статей.

Что только они нам на Землю не передают! Ужас что творится.

Для определения позиции на земле необходимы какие-то знания о спутниках, которые приёмник хочет использовать при расчёте позиции. Например нужны их координаты, нужна информация о том, на сколько сигнал задержался в ионосфере, нужны сведения о точности «часов», установленных на спутнике и др.

Каждый спутник сообщает приёмнику о себе следующие данные:

1. Свои эфемериды – это числа, по которым можно посчитать координаты спутника в приёмнике на заданный момент времени. (Убейте меня за эти слова)
2. Некие числа, которые говорят о точности «часов» спутника. По ним можно оценить на сколько «часы» спутника отстают или спешат по отношению к часам системы (GPS или ГЛОНАСС).
3. Параметра модели ионосферной задержки. Используя эти числа, можно посчитать ионосферную задержку для сигнала.
4. Альманах на себя и другие спутники. Альманах – это числа, по которым можно грубо прикинуть, где находится спутник. Наличие альманаха помогает более быстро ловить спутники, когда они выходят из-за горизонта и сужает диапазон их поиска.
5. Временные метки, с помощью которых формируется временная шкала спутника в приёмнике.Это очень важно!

P.S. Война меня сильно затянула и измотала. Хотя, должен признать, я наткнулся на некоторое количество интересных блогов. Нашел там интересный блог про фотографию. Понравилась эта фотка (Люблю Питер). Ещё больше люблю сам снимать. К стати, я по роду деятельности программист, и ради интереса посетил вот этот сайтик. К своему удивлению ничего не нашёл про C и C++, а жалко. Было бы интересно почитать мысли блогосферы по этому поводу. Но всё равно должен сказать, что игра интересная, так как даже Апач в неё режется.

Структура системы GPS во многом сходна со структурой ГЛОНАСС. Нашёл на американском сайте описание структуры и перевёл с добавлением того, что знаю сам.

1. Космический сегмент – орбитальная группировка из таких вот спутников.
2. Контрольный сегмент. Состоит из станций слежения по всему миру. Центр управления системой (ЦУС, Master Control facility) находится на аэровоздушной базе Schriever (формально это Falcon AFB) в Колорадо (Colorado). Станции измеряют дальномерные сигналы со всех спутников. Эти сигналы являются частью модели орбитального движения спутника. На основе модели получаются точные орбитальные параметры движения спутника и уход его шкалы времени относительно шкалы системы. Все эти параметры потом загружаются на спутник по радио каналу в ЦУС.
3. Сегмент пользователей (или потребителей).

Собственно все! В связи с тем, что система тоже военная, то информации мало. Если у когото есть более подробные источники, то милости просим!

Читал опять «Взгляд». Стать я про антитеррористическую систему слежения за транспортом, если что. Ввести хотят, но никто ничего не знает и всё, типа, секретно. Вот пишут:

«Как поясняют специалисты, если ГИБДД применяет систему «Поток» автономно и мобильно, то для целей, поставленных НАК, придется объединять сканирующие компьютеры в единую централизованную сеть. Для этого придется более активно, чем в случае с ГИБДД, задействовать различные каналы связи: спутниковый, оптический, Интернет, GPS – в зависимости от того, какой из них наиболее доступен в данный момент в той или иной местности. «

Когда вдруг GPS (система глобального позиционирования, если что) стала каналом связи??? Опять говорят лиж бы сказать. В системе, конечно, есть спутники, но не для связи.

Вычитал в газете «Взгляд» статью, что систему ГЛОНАСС хотят опробовать в Калуге. Что собственно меня смутило?

Да ВСЕ!!!

Первое: цитируют первого замглавы ФГУП «Российского НИИ космического приборостроения» Вячеслава Безбородова. Это солидный институт, и в своё время я там бывал не раз. Но как язык поворачивает говорить, то что он говорит?

«программа по мониторингу из космоса работы всех важнейших составляющих жизнеобеспечения города, в том числе транспортной инфраструктуры, землепользования, и мониторинга потенциально опасных предприятий» – Как они собираются со спутника, который просто излучает навигационный сигнал и телеметрию, что-то мониторить? ГЛОНАССовский спутник и знать ничего не знает о Калуге. Ещё раз пишу, что связь со спутником – дело очень дорогое, особенно с ГЛОНАССовским и делать это могут у нас только военные. Если уж и мониторить что-то, то используя спутники на околоземных орбитах. Эти системы очень дороги и у нас их, на сколько мне известно, их очень мало.

Дальше: «Если раньше, до введения системы, водитель мог слить какое-то количество бензина или использовать транспортное средство не по целевому назначению, то теперь сделать это невозможно, так как движение транспортного средства отслеживается со спутника», – подчеркнул представитель транспортной службы. То, что выделено – это полны, мягко говоря, бред. Про бензин: если только у авто не стоит датчик, что из бака бензин сливают, то никак об этом не узнать (если есть датчик, то по GSM каналу можно передать информацию об этом). Про не целевое использование: да узнать можно, но ещё раз говорю, что НЕ ЧЕРЕЗ спутник (НКА). В автомобиле стоит навигационный приёмник, он, используя принимаемый со спутника сигнал, определят свои координаты и передаёт их (скорее всего по GSM каналу) в ценр обработки. Вот таким образом можно узнать об не целевом использовании. Ну и где тут движение, отслеживаемое со спутника?!

P.S. ГЛОНАСС то ещё не скоро будет. А вот приёмники, скорее всего, буду по GPS позицию считать. Интересно, они хоть российские будут?