УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ И СИНХРОНИЗАЦИИ ШКАЛ ВРЕМЕНИ
DEVICE FOR TIME SCALES COMPARING AND SYNCHRONIZING

Известны способ и устройство синхронизации шкал времени между спутниками системы ГЛОНАСС с помощью межспутниковой лазерной навигационно-связной системы (В.В. Сумерин, А.А. Чубыкин, В.Д. Шаргородский. Межспутниковая лазерная навигационно-связная система, Вестник ГЛОНАСС, вып. 3 (7), 2012), между наземными пунктами с помощью встречной передачи меток времени в виде оптических импульсов по оптоволокну (М. Rost, D. Piester, W. Yang, Т. Feldmann, Т. Wübbena and A. Bauch. Time transfer through optical fibers over a distance of 73 km with an uncertainty below 100 ps. Submitted to Metrologia, August 2012); между наземными пунктами с помощью передачи оптических импульсов по оптоволокну с применением оптоволоконного шлейфа (М.А. Садовников, А.А. Федотов, В.Д. Шаргородский. Высокоточная односторонняя лазерная дальнометрия: состояние и перспективы применения в ГЛОНАСС, Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 23, 2012).
Также известен способ и устройство сравнения и синхронизации шкал времени удаленных наземных пунктов между наземными пунктами методом встречной передачи меток времени по оптоволокну (М. Rost, D. Piester, W. Yang, Т. Feldmann, Т. Wübbena and A. Bauch. Time transfer through optical fibers over a distance of 73 km with an uncertainty below 100 ps. Submitted to Metrologia, August 2012).
Устройство содержит на каждом пункте генераторы сигналов ведущей и ведомой шкал времени; модемы, преобразующие метки шкал времени в кодированный сигнал, передающие и приемные оптоволоконные модули, циркуляторы для передачи излученного оптического импульса в оптоволоконную линию и исключения попадания этого импульса в приемник данного пункта. Модемы каждого пункта обмениваются между собой кодированным информационным сигналом, в котором на определенной позиции отмечены метки времени. На основании обмена метками времени вычисляется задержка в оптоволоконной линии и вносится поправка в шкалу времени второго пункта относительно первого.
К достоинствам данного устройства-аналога относится то, что сравнение шкал времени производится с помощью одного оптического волокна, что исключает требование строгого равенства длин волокон, как в способах с применением нескольких волокон. К недостаткам данного устройства-аналога относится то, что производится кодирование метки времени в электрических цепях прибора, затем производится преобразование закодированных электрических импульсов в оптические, что повышает погрешность определения положения излучаемого оптического импульса в шкале времени соответствующего пункта.
Устройство синхронизации шкал времени между спутниками системы ГЛОНАСС с помощью межспутниковой лазерной навигационно-связной системы содержит на каждом спутнике стандарт времени и частоты, формирующий шкалу времени спутника; лазерный передатчик, излучающий оптические импульсы; передающий телескоп; таймер событий, фиксирующий время излучения импульсов со спутника и времени приема импульсов со второго спутника; приемник лазерных импульсов; дополнительный канал информации для передачи данных о времени прихода импульсов в шкале времени каждого из спутника на другой спутник.
Основное достоинство межспутниковой лазерной навигационно-связной системы состоит в том, что в нем исключается необходимость использования данных о длине трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от технических параметров передатчиков и приемников, аппаратуры измерения временных интервалов.
При использовании в наземных условиях основным недостатком этого устройства является то, что средой передачи оптических импульсов служит атмосфера. Изменение прозрачности атмосферы приводит к значительным перепадам уровня мощности принимаемых сигналов, что снижает точность привязки времени приема импульсов к шкалам времени. При определенном уровне затухания мощности сигналов в атмосфере работа устройства становится невозможной. При этом длительность таких периодов неработоспособности в условиях РФ может составлять многие сутки.
Локальные флуктуации плотности воздуха при любых погодных условиях также приводят к изменению уровня мощности принимаемых сигналов, для борьбы с этим приходится применять дорогостоящие приемные и передающие телескопы с максимально большими апертурами.
Также известен способ и устройство сравнения и синхронизации шкал времени между наземными пунктами с помощью системы одно- и двухсторонних сравнений шкал времени (С.С. Донченко, О.В. Колмогоров, Д.В. Прохоров. Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени. Измерительная техника, №1, 2015, Патент РФ №2547662 Способ сличения шкал времени и устройство для его осуществления).
Устройство содержит на одном из пунктов импульсный генератор, передающий модуль, блок разветвителей-объединителей, фотоприемный модуль, таймер событий, компьютер, промежуточный генератор; на втором пункте полупрозрачное зеркало, фотоприемный модуль, таймер событий, компьютер.
К достоинствам данного устройства относится то, что сравнение шкал времени производится с помощью одного оптического волокна, и то, что с помощью блока разветвителей-объединителей производится привязка оптических, а не электрических импульсов к соответствующей шкале времени, что исключает влияние погрешностей в канале шкала времени - оптический импульс. Недостатком данного устройства является то, что используется частично отраженный со второго объекта импульс, имеющий меньшую амплитуду по сравнению с излученным импульсом, т.е. уменьшение амплитуды импульса из-за отражения и потерь в линии значительно снижает допустимое расстояние между пунктами.
Достигаемым техническим результатом при использовании заявленного устройства является повышение допустимого расстояния между объектами за счет применения передающих модулей на каждом объекте, повышение точности сравнения или синхронизации за счет применения сигналов в оптическом диапазоне и прямой привязки оптических импульсов к шкалам времени, увеличение надежности и оперативности за счет применения оптоволоконной линии связи, а также возможность сравнения или синхронизации шкал времени с использованием только одного оптического волокна произвольной длины, в т.ч. «темного» волокна, арендуемого у операторов общедоступных сетей связи.
Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов и компьютер. Генератор оптических импульсов первого объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей, который состоит из оптоволоконного разветвителя, соединенного с оптоволоконным объединителем и разветвителем, при этом оптоволоконный объединитель соединен с входом приемника оптических импульсов и разветвителем, который также соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта. Второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов и компьютер, связанный с промежуточным генератором. Генератор оптических импульсов второго объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей второго объекта, который состоит из оптоволоконного разветвителя, соединенного с оптоволоконным объединителем и разветвителем, при этом оптоволоконный объединитель соединен с входом приемника оптических импульсов и разветвителем, который соединен также с оптоволоконной линией связи, связывающей объекты. Компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах (например, сеть Ethernet, беспроводная сеть или др.).
Особенностью и преимуществом указанного устройства является то, что при определении расхождения шкал времени время задержки в оптоволоконной линии связи алгоритмически исключается; а также то, что с помощью блока разветвителей-объединителей производится привязка оптических, а не электрических импульсов к соответствующим шкалам времени, что исключает влияние погрешностей в канале шкала времени - оптический импульс; а также то, что на каждом объекте исходящие и приходящие импульсы принимаются одним и тем же фотоприемным устройством, что алгоритмически исключает неисключенную систематическую погрешность канала фотоприемник - таймер событий.
Изобретения поясняются чертежами.
На фиг. 1 представлена схема устройства для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов с автоматическим сравнением и синхронизацией шкал времени;
1
2
на фиг. 2 представлена временная диаграмма работы устройства, где 1 и 2 шкалы времени первого и второго объектов соответственно, t и t секундные метки шкал времени первого и второго объектов соответственно.
На фиг. 1 показана схема устройства для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, которое содержит на первом объекте таймер событий 1, присоединенные к нему генератор 2 формирования шкалы времени этого объекта, приемник 3 оптических импульсов, компьютер 4. Генератор 5 оптических импульсов на первом объекте подключен к входу блока разветвителей-объединителей 6. Блок разветвителей-объединителей 6 состоит из оптоволоконного разветвителя 7, соединенного с оптоволоконным объединителем 8 и разветвителем 9, при этом оптоволоконный объединитель 8 соединен с входом приемника 3 оптических импульсов и разветвителем 9, который соединен также с оптоволоконной линией связи 10, которая соединяет два удаленных объекта. Компьютер 4 подключен к системе передачи информации о временных интервалах 11 (например, сеть Ethernet, беспроводная сеть или др.), соединенной с компьютерами 4 и 12 первого и второго объектов для вычисления расхождения шкал времени объектов.
Второй объект содержит таймер событий 13, присоединенные к нему промежуточный генератор 14, приемник оптических импульсов 15, компьютер 12. Генератор оптических импульсов 16 на втором объекте подключен к входу блока разветвителей-объединителей 17. Блок разветвителей-объединителей 17 состоит из оптоволоконного разветвителя 18, соединенного с оптоволоконным объединителем 19 и разветвителем 20, при этом оптоволоконный объединитель 19 соединен с входом приемника оптических импульсов 15 и разветвителем 20, который соединен также с оптоволоконной линией связи 10, которая соединяет два удаленных объекта. Компьютер 12 подключен к системе передачи информации о временных интервалах 11 и промежуточному генератору 14, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта 21.
Устройство в соответствии с фиг. 1 работает следующим образом.
1
1
1
На первом объекте оптический импульс с генератора оптических импульсов 5 поступает на вход блока разветвителей-объединителей 6, проходит через разветвитель 7, некоторая часть мощности оптического импульса через объединитель 8 поступает в приемник 3 оптических импульсов первого объекта, основная часть мощности импульса через разветвитель 9 поступает в оптоволоконную линию связи 10. Электрический сигнал с приемника 3 оптических импульсов поступает в таймер событий 1, который фиксирует момент излучения оптического импульса t в шкале времени первого объекта, сформированной генератором 2 сигнала 1 PPS, секундные метки которого поступают в таймер событий 1. Информация о моменте излучения оптического импульса t поступает в компьютер 4, который по системе передачи информации 11, например сети Ethernet, беспроводной сети связи или другой, направляет данные о значении t в компьютер 12 второго объекта.
1
1
Оптический импульс, пришедший по оптоволоконной линии связи на второй объект через разветвитель 20 и объединитель 19 блока разветвителей-объединителей 17, поступает в приемник оптических импульсов 15 второго объекта, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий в таймер событий 13. Также в таймер событий 13 поступает сигнал 1 PPS с промежуточного генератора 14, что позволяет определить время τ прихода оптического импульса в шкале времени второго объекта, формируемой генератором 21 и промежуточным генератором 14. Информация о моменте прихода оптического импульса τ направляется в компьютер 12 второго объекта.
2
2
На втором объекте оптический импульс с генератора оптических импульсов 16 поступает на вход блока разветвителей-объединителей 17, проходит через разветвитель 18, некоторая часть мощности оптического импульса через объединитель 19 поступает в приемник оптических импульсов 15 второго объекта, основная часть мощности импульса через разветвитель 20 поступает в оптоволоконную линию связи 10. Электрический сигнал с приемника оптических импульсов 15 поступает в таймер событий 13, который фиксирует момент излучения оптического импульса t в шкале времени второго объекта, сформированной генератором 21 и промежуточным генератором сигнала 1 PPS 14, секундные метки которого поступают в таймер событий 13. Информация о моменте излучения оптического импульса t c таймера событий 13 поступают в компьютер 12 второго объекта.
2
2
Оптический импульс, пришедший по оптоволоконной линии связи со второго на первый объект через разветвитель 9 и объединитель 8 блока разветвителей-объединителей 6, поступает в приемник оптических импульсов 3 первого объекта, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий в таймер событий 1, который определяет время τ прихода оптического импульса в шкале времени первого объекта. Информация о моменте прихода оптического импульса τ поступает в компьютер 4 и по системе передачи информации 11 направляется в компьютер 12 второго объекта.
За время цикла сравнения шкал времени с учетом различной частоты генерации импульсов или их длительности на каждом из объектов с помощью программного обеспечения определяется с какого объекта, своего или противоположного, поступил данный импульс.
1
2
1
2
На основании данных о значениях t, t, τ, τ определяют расхождение шкал времени удаленных объектов Δt по формуле:
1
где t - измеренное время излучения оптического импульса с первого объекта в шкале времени первого объекта,
2
t - измеренное время излучения оптического импульса со второго объекта в шкале времени второго объекта,
1
τ - измеренное время прихода оптического импульса с первого объекта на второй объект в шкале времени второго объекта,
2
τ - измеренное время прихода оптического импульса со второго объекта на первый объект в шкале времени первого объекта.
Компьютер 12 вырабатывает управляющий сигнал, по которому промежуточный генератор 14 синхронизирует шкалу времени второго объекта со шкалой времени первого.
Усреднение данных за время цикла сравнения по каждой паре импульсов обеспечивает повышение точности сравнения и синхронизации.
1
2
Временная диаграмма работы устройства показана на фиг. 2, где 1 и 2 - шкала времени первого и второго объектов соответственно, t и t - секундные метки 1 PPS шкал времени первого и второго объектов соответственно.