Comment les satellites GPS rafraîchissent-ils leurs horloges?

Comment les satellites GPS maintiennent-ils la précision de leurs horloges à bord? Je suppose qu'ils doivent obtenir une mise à jour à partir d'une station de base. Mais comment vous assurer qu'après la mise à jour, tous les satellites sont synchronisés, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de décalage de phase.

Vous avez votre station de base sur terre et supposez que tous les satellites que vous souhaitez mettre à jour sont en visibilité directe. Vous envoyez une commande de mise à jour. Mais chaque satellite est à une distance différente de la station de base. Il y aura également un délai entre la réception de la commande et la mise à jour de l'horloge interne. Certains satellites peuvent avoir du matériel plus récent, ce qui est plus rapide.

Si vous mettez à jour les satellites séparément, vous devez vous assurer que le minutage des commandes que vous envoyez est très précis. Cela semble être une chose difficile à obtenir. Existe-t-il une meilleure méthode utilisée dans la pratique?

Je suppose que ce qui m'intéresse, c'est de dire que vous avez une horloge à l'emplacement A. Comment la synchronisez-vous avec une horloge à l'emplacement B, qui est loin de A? Vous avez le message délai de vol, délai de traitement en B, etc.

clock gps synchronization

— utilisateur110971
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Ils utilisent des horloges atomiques. La dérive est plutôt due au relativisme, le satellite se déplaçant à grande vitesse, il y a donc un décalage dans le temps. À propos, la station de base connaît exactement la position du satellite, donc la distance est connue.

— Marko Buršič

Une autre solution serait d'interroger le satellite: quelle est votre horloge? Ensuite, vous calculez l’erreur et envoyez: Faites un décalage +/- xxxx ns.

— Marko Buršič

Certaines questions similaires sur Space.SE, par exemple celle-ci , mais aussi sur gis.SE, par exemple celle-ci .

— Roger Rowland

"Cela semble être une chose difficile à obtenir." En effet, il est très difficile de bien faire les choses, et le matériel utilisé n’est pas bon marché, mais vous n’avez qu’à le faire à quelques endroits. Cela fait simplement partie du coût de fonctionnement d'un tel système.

— PlasmaHH

@RogerRowland oh, désolé. Je ne voulais pas sortir impoli. Juste en soulignant pourquoi j'ai posé cette question spécifique.

— user110971

Réponses:

Les erreurs d'horloge ne sont pas corrigées, elles sont compensées en deux étapes.

1. Détermination d'erreur

Le segment de commande GPS utilise des récepteurs de référence situés à des emplacements bien connus pour déterminer les éléments orbitaux réels et l'erreur d'horloge des véhicules spatiaux. La référence pour la position est le cadre de référence WGS84 , pour le temps, il s'agit du temps atomique international . Même les plus petits effets comme la dérive des continents et la dilatation temporelle relativiste sont pris en compte.

2. Compensation d'erreur

L'horloge intégrée (en fait, le compte SV Z, voir IS-GPS-200 3.3.4) n'est pas syntonisée , orientée ou réinitialisée pour compenser l'erreur. Citant IS-GPS, 20.3.4.2:

Chaque SV fonctionne sur son propre temps SV

Au lieu de cela, le décalage entre UTC et l'horloge de cet engin spatial ("GPS-Time") est diffusé dans le message de navigation (voir IS-GPS 20.3.3.3.1.8). Cela n'inclut pas seulement le décalage actuel, mais également des prévisions différentes ("intervalles d'ajustement", 20.3.4.4). Normalement, seule la prévision à court terme très précise est pertinente, les autres seraient utilisées si le segment de contrôle est inutilisable et qu'aucune liaison montante n'est possible.

De même, l'erreur de position (écart par rapport à l'orbite nominale) n'est pas corrigée (cela épuiserait le carburant précieux), mais elle est transmise aux récepteurs en téléchargeant des données éphémérides (éléments orbitaux) sur le vaisseau spatial.

Le temps de vol n'est pas un problème pour la liaison montante, car les nouvelles données d'intervalle d'ajustement ont déjà été déterminées à l'étape précédente.

La compensation réelle est ensuite effectuée dans le récepteur (segment utilisateur). Il applique des corrections lors de la mise en relation de la phase signal / code observée de différentes SV.

Situations exceptionnelles

Parfois, les vieux vaisseaux spatiaux se comportent de manière inattendue, par exemple leurs horloges commencent à dériver de manière imprévisible. AGI a un site Web avec les données de performance des horloges embarquées. Vous pouvez voir que USA-151 horloge de l’ (envoi du PRN28) est un peu fragile et nécessite des compensations fréquentes.

Si une horloge se déchaîne ou si une manœuvre sous tension rend la SV inutilisable pour la navigation, la SV envoie un "indicateur inutilisable" dans son message de navigation et est ignorée par les destinataires des utilisateurs finaux.

— Andreas
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@ user110971 Les horloges satellites ne sont pas ajustées. Au lieu de cela, leur décalage (en heure atomique) est surveillé, prédit et diffusé dans le message de navigation. Les récepteurs compensent le décalage, non seulement pour le leur, mais également pour le décalage des vaisseaux spatiaux. Cela semble drôle, mais présente l’avantage que la phase des signaux GPS ne présente pas de secousses ni de pannes. (supprimé mon commentaire précédent qui n'était pas utile)

— Andreas

Les satellites GPS @JanDvorak n'envoient pas d'horodatage complet. Au lieu de cela, une partie de l'horodatage est déterminée par la phase du signal lui-même: les messages commencent toujours par incréments de 30 secondes. Donc, pour corriger la synchronisation, le satellite devrait raccourcir ou allonger un message, ce qui causerait une perte de synchronisation des récepteurs et la nécessité de réacquérir le signal.

— Jpa

@jpa +1, c'est en quelque sorte vrai. Mais: la bande passante de la boucle de suivi est souvent choisie à 18Hz pour les dispositifs COTS de style ancien, un compromis entre la dynamique du récepteur et la stabilité de la boucle. Vous auriez besoin d'une correction importante pour provoquer une perte de verrouillage dans le récepteur. Les erreurs d'horloge n'ont généralement qu'un équivalent DOP de plusieurs compteurs, le mouvement du récepteur et les scintillations atmosphériques sont absolument dominants.

— Andreas

@ JanDvorak Une considération majeure est qu'une "correction" devrait être traitée à un niveau très bas de la pile (potentiellement même au niveau du matériel analogique), où les effets secondaires d'une correction pourraient être compliqués. Si au lieu de cela ils envoient une horloge non corrigée avec des données de correction, les effets secondaires de cette correction peuvent être traités à un niveau supérieur (tel qu'un logiciel). Les soustractions sont très faciles pour les processeurs modernes! Cela indique également très clairement d'où vient le changement. Un récepteur qui reçoit une correction soudaine peut se méfier de son propre matériel et présumer que c'est une erreur!

— Cort Ammon

Vous devez également vous rappeler que cette méthode a été choisie il y a longtemps et qu'elle permettait aux satellites d'être beaucoup plus simples, agissant un peu comme des magnétophones reproduisant un signal.

— David Schwartz

disons que vous avez une horloge à l'emplacement A. Comment la synchronisez-vous avec une horloge à l'emplacement B, qui est loin de A?

Vous pouvez faire ce que NTP fait. Grosso modo,

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

Notez que ce n’est pas ce que le GPS fait parce que cela n’a aucun sens: la seconde satellite est plus courte que la seconde de la Terre en raison de la gravité, il est donc impossible de synchroniser les horloges.

— Dmitry Grigoryev
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Vous obtenez un point pour obtenir le point de relativité, contrairement au gâchis dans les commentaires de la question.

— Cessez de nuire à Monica

Est-ce que delta est le temps aller-retour ou le temps aller simple? Dans un cas, comment le client le mesure-t-il?

— Tejas Kale

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

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

La constellation de satellites GPS est surveillée en permanence par plusieurs stations au sol fixes réparties dans le monde entier. Ces stations au sol surveillent tous les satellites et envoient des facteurs de correction si une dérive est détectée.

Le segment de contrôle GPS comprend un réseau mondial d’installations au sol qui suivent les satellites GPS, surveillent leurs transmissions, effectuent des analyses et envoient des commandes et des données à la constellation.

Le segment de contrôle opérationnel actuel comprend un poste de contrôle principal, un autre poste de contrôle principal, 11 antennes de commande et de contrôle et 15 sites de surveillance.

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

— Richard Crowley
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