تفاصيل خدمة توقيت الأقمار الصناعية Beidou (نظام توقيت خادم توقيت شبكة ntp)
تفاصيل خدمة توقيت الأقمار الصناعية Beidou (نظام توقيت خادم توقيت شبكة ntp)
من السهل جداً فهم معظم هذه الخدمات التي يقدمها نظام بيدو. قد يتساءل البعض منكم عن ماهية التوقيت.
التوقيت هو ببساطة نقل الوقت القياسي.
في الواقع، كانت الحاجة إلى ضبط الوقت موجودة منذ فترة طويلة. يمكننا أن نرى مباني مثل أبراج الساعات في العديد من المدن في البلاد.
برج الساعة هو الأداة التي تنقل الوقت للمدينة. يعرف الجميع الوقت عندما يسمعون الجرس ويمكنهم الذهاب والقيام بالأشياء وفقاً لذلك.
نحن نعلم أن التوقيت القياسي الدولي الحالي يسمى التوقيت العالمي المنسق (UTC)، والذي يعتمد على طول الثانية في التوقيت الذري مع اللحظة في التوقيت العالمي. عندما يتراكم الفرق بين الاثنين عامًا بعد عام ويصل إلى 0.9 ثانية، يتم تعويض الخطأ بزيادة أو نقصان ثانية كبيسة واحدة، مع الحفاظ على مقياس زمني متساوٍ.
تتمثل خدمة التوقيت في نظام "بيدو" في نشر التوقيت القياسي الصيني من المركز الوطني للتوقيت التابع للأكاديمية الصينية للعلوم إلى التطبيقات في مختلف الصناعات من خلال خدمات الأقمار الصناعية لضمان مزامنة الوقت ودقته.
عرض تفصيلي
كيفية تحديد الموقع بالأقمار الصناعية
ترسل الأقمار الصناعية إشارات إلى الخارج على فترات منتظمة وتقوم أجهزة استقبال الإشارات لدينا بتحديد الموقع من خلال استقبال الإشارات من الأقمار الصناعية.
افترض أن هناك الآن قمرين صناعيين، كل منهما يحتفظ بساعة خاصة به. لنفترض أن كل قمر صناعي يرسل إشارة كل ثانية. في نفس الوقت يحتفظ جهاز الاستقبال بساعة خاصة به، بحيث يمكن لجهاز الاستقبال حساب المسافة بينه وبين القمرين الصناعيين عن طريق تحديد وقت وصول الإشارة.
لاحظ أننا نفترض أعلاه أن جهاز الاستقبال لديه ساعة دقيقة خاصة به. سنجيب عن هذا السؤال بالتفصيل لاحقًا في هذه المناقشة.
رسمنا أعلاه مخططاً ثنائي الأبعاد. إذا كان في بيئة ثلاثية الأبعاد، يجب زيادة عدد الأقمار الصناعية المقابلة بمقدار واحد.
حسنًا، إليكم السؤال، هل من الممكن تحديد موقعنا بدقة مع معرفة المسافة بين قمرين صناعيين منا؟
الإجابة هي لا، لأننا لا نعرف مكان وجود الأقمار الصناعية.
01
التقويم الفلكي ومواقع الأقمار الصناعية
كيف يمكنني تحديد موقع القمر الصناعي؟
في وقت مبكر يعود إلى عام 1617، تمكن الإله العظيم يوهانس كبلر من تحديد موقع مدار القمر الصناعي باستخدام سبعة عناصر في نموذج مثالي.
وبالطبع هذا النموذج المثالي له بعض القيود: يلتزم المدار بالمستوى ثنائي الأبعاد ويكون دائمًا بيضاوي الشكل. يمكنك بعد ذلك وصف هذا المدار الثابت بدقة باستخدام العناصر التالية:
متوسط المحورين الطويل والقصير للقطع الناقص (في الواقع: مساحة القطع الناقص، A)
النسبة بين المحورين الطويل والقصير للقطع الناقص (هـ).
ثلاث بارامترات تصف اتجاه المستوى المداري: الميل (i0)، و
خط طول العقدة الصاعدة (Ω0).
نقطة القوس القريب (ω)
ما مدى بعد القمر الصناعي على طول القطع الناقص عند T = 0 (متوسط زاوية الحضيض M0)
العزم T = 0 (t0e)
على الرغم من أن نموذج كبلر مثالي بما فيه الكفاية، إلا أنه ليس كافيًا لأن الأرض نفسها ليست كرة مثالية ومجال الجاذبية ليس منتظمًا تمامًا. إذا استُخدم هذا النموذج مباشرة، فقد تكون مواقع الأقمار الصناعية غير دقيقة بالكيلومترات.
ولحل هذه المشكلة، أضاف الآلهة الذين صمموا النظام العالمي لتحديد المواقع في عام 1970 ستة بارامترات أخرى إلى النموذج الكيبلري.
يوضح الشكل أدناه بارامترات تحديد المواقع التي يستخدمها نظام تحديد المواقع العالمي GPS ونظام غاليليو الأوروبي للأقمار الصناعية:
لن أخوض في تفاصيل ما يعنيه ذلك، لذا يمكن للمهتمين استكشاف ذلك بأنفسهم.
ويتبع نظام الأقمار الصناعية BeiDou أيضاً معلمات تحديد المواقع الساتلية لتصميم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
إذا أخذنا القمر الصناعي بيدو الذي يحمل الرقم C06@0 كمثال، فلنلقِ نظرة على معلومات الإشارة التي يوفرها للعالم الخارجي:
إذا قمنا بجمع مواقع الأقمار الصناعية الحالية ومواقع الأقمار الصناعية المتوقعة بعد ذلك، فإننا ننتج التقويم الفلكي.
أعلاه هو مخطط التقويم الفلكي ليوم 24 يونيو 2020 للقمر الصناعي BeiDou.
02
الساعة المجهولة
باستخدام موقع القمر الصناعي والمسافة من القمر الصناعي، يمكننا حساب موقعنا. لكن هناك شرط أساسي هنا، وهو أن تكون ساعة القمر الصناعي دقيقة وساعة جهاز الاستقبال دقيقة أيضًا.
هناك مسألتان معنيتان هنا، دقة ساعة القمر الصناعي ودقة ساعة المستقبل.
لنلقِ نظرة على مسألة دقة ساعة المستقبل أولاً.
إذا كانت الإشارة تنتقل بسرعة الضوء، فإن مسافة الخطأ التي تبلغ نانوثانية واحدة تساوي 30 سنتيمتراً.
إن الحفاظ على ساعة دقيقة بدقة النانو ثانية أمر مستحيل أساسًا بالنسبة لمعدات الاستقبال العادية، فكيف يمكن لمعدات الاستقبال العادية أن تكون قادرة أيضًا على تحديد الموقع بدقة؟
الجواب هو إضافة قمر صناعي آخر.
يستقبل جهاز الاستقبال ثلاث إشارات في نفس الوقت، ويجب أن يتم تجميع الإشارات في نفس الوقت في النقطة التي يكون فيها الموقع الفعلي لجهاز الاستقبال، ثم يمكن لجهاز الاستقبال تصحيح الساعة المحلية بحيث يتم تجميع إشارات الأقمار الصناعية المتعددة في نقطة واحدة، وبالتالي تحقيق تصحيح الساعة المحلية والموقع الدقيق لتحديد الموقع. عصفوران بحجر واحد.
إذا كان في ثلاثة أبعاد، فأنت بحاجة إلى أربعة أقمار صناعية على الأقل.
03
ساعات دقيقة
لقد حللنا مشكلة المتلقي، فكيف نحل مشكلة المرسل؟
يحتاج كل قمر صناعي أيضاً إلى ساعة دقيقة لإرسال الإشارات.
نحن نعلم أن الوقت الأكثر دقة في العالم يتم إنتاجه في بيئة مختبرية، لكن الأقمار الصناعية موجودة في بيئات لا يمكن فيها تحقيق هذا النوع من الدقة في المختبر.
يمكننا مراقبة الساعات في الهواء من الأرض، ومقارنتها بالوقت المحدد في بيئة المختبر، وإرسال رسالة معايرة إلى القمر الصناعي.
هناك ثلاثة تصحيحات رئيسية:
- انحراف الساعة أف0 نانو ثانية
- معدل إزاحة الساعة af1 ns/ثانية
- تسارع إزاحة الساعة AF2 نانوثانية/ثانية/ثانية
بشكل عام، لا يقوم القمر الصناعي عموماً بضبط ساعته الخاصة بعد تلقي معلومات التصحيح، ولكنه يرسل عنصر التصحيح مع الساعة الأصلية إلى جهاز الاستقبال الذي سيتعامل معه بنفسه.
تصحيح أخطاء الغلاف الأيوني
حسنا، يبدو أن جميع المشاكل قد حلت، ولكن هناك مشكلة أخرى. إنها الأيونوسفير.
يتأثر إرسال الإشارة في الغلاف الأيوني مما يؤدي إلى تأخير.
كيف يمكن حل مشكلة تأخير الإشارة هذه؟
وذلك لأن التأخير الناتج عن الغلاف الأيوني يتناسب مع تردد الإشارة. ومن ثم يمكننا استخدام إشارات ذات ترددات متعددة وبالتالي يمكننا استخدام إشارات ذات ترددات متعددة وبالتالي اشتقاق التأخير الكلي الناتج وإزالته بالفرق في أزمنة الوصول بين نطاقات التردد المختلفة.
ويؤدي ذلك إلى التخلص من أكثر من 99.9% من الأخطاء التي أدخلها الغلاف الجوي دون الحاجة إلى إجراء المزيد من النمذجة.
كما ذكرنا أعلاه عندما قدمنا نظام BeiDou، يستخدم نظام BeiDou ثلاث إشارات لنطاق التردد، B1 و B2 و B3، ويمكن أن يؤدي استخدام إشارات نطاق التردد الثلاثة إلى التخلص من خطأ الغلاف الأيوني بشكل أفضل.
يُقال إن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عبارة عن نطاقين.