УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ

Полезная модель относится к средствам временной синхронизации и может быть использована в устройствах, осуществляющих синхронизацию территориально разнесенных вторичных часов относительно первичных часов.
Обобщенная структурная схема устройства синхронизации удаленных вторичных часов относительно первичных часов (авт. св.: [1] - SU 591800, G04C 13/02, опубл. 05.02.1978; [2] - SU 1160361, G04C 13/02, опубл. 07.06.1985).
Особенностью устройств для синхронизации часов, представленных в [1]-[2], является отсутствие возможности их собственной временной синхронизации относительно внешних эталонных сигналов, например, сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), которые по условиям своей организации передают шкалу координированного времени Российской Федерации UTC (SU).
Указанное отсутствие возможности собственной синхронизации относительно внешних эталонных сигналов в устройствах, представленных в [1]-[2], повышает требования к стандарту частоты первичных часов, вынуждая использовать для его реализации дорогостоящие высокостабильные квантовые стандарты частоты (водородные, рубидиевые, цезиевые) со сложными системами термостабилизации.
Примером устройства для синхронизации часов, оснащенного средствами для осуществления временной синхронизации относительно внешних эталонных сигналов, и обеспечения высокой точности синхронизации удаленных часов с первичными часами за счет передачи информации о шкале удаленных часов на первичные часы, является устройство (патент на полезную модель [3] - RU 166018, G04C 13/00, опубл. 10.11.2016). Это устройство принято в качестве прототипа.
Устройство для синхронизации часов, принятое в качестве прототипа (Фиг. 6), содержит первичные часы 1, приемник 2 сигналов ГНСС, приемник 3 эталонных сигналов частоты и времени наземных станций и связанный с ними центральный процессор 4. Устройство также содержит подключенные к центральному процессору 4 формирователи 6, 7 принимаемых от вторичных часов сообщений и передаваемых на вторичные часы сообщений. Помимо этого устройство содержит оптический сетевой порт 5, обеспечивающий прием-передачу через волоконно-оптические линии связи между первичными 1 и удаленными часами (удаленные часы на структурной схеме не показаны и не относятся к патенту), вход оптического сетевого порта 5 подключен к выходу формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений, а выход  соединен со входом формирователя 7 принимаемых от вторичных часов сообщений, выход первичных часов подключен к входам центрального процессора и  формирователя передаваемых на удаленные часы сообщений.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Первичные часы 1 с помощью опорного генератора и делителей частоты формируют шкалу времени первичных часов. Сигналы шкалы времени первичных часов 1 поступают на центральный процессор 4.
Приемник 2 сигналов ГНСС и приемник 3 эталонных сигналов частоты и времени наземных станций осуществляют прием и последующую обработку сигналов, несущих информацию о шкале координированного времени Российской Федерации UTC (SU), являющейся эталонной. Полученные сигналы эталонной шкалы времени, соответствующие шкале времени UTC (SU), поступают на центральный процессор 4.
С помощью центрального процессора 4 производится сравнение шкалы времени первичных часов 1 и эталонной шкалы времени, соответствующей шкале времени UTC (SU), и формирование сигнала поправки. Эта поправка вводится в шкалу времени первичных часов 1, совмещая её со шкалой времени UTC (SU). При этом наивысшая точность, а также глобальность и непрерывность обеспечиваются в том случае, когда для формирования сигнала поправки используются сигналы ГЛОНАСС.
Информация о времени в откорректированной таким образом шкале времени первичных часов 1 передается на центральный процессор 4 и на вход формирователя 6 передаваемых на удаленные часы сообщений, который осуществляет формирование выходных сигналов в форме, удобной для передачи потребителю (вторичным часам) по волоконно-оптическим линиям связи через оптический сетевой порт 5. На стороне потребителя эти сигналы используются для синхронизации шкалы времени вторичных часов относительно шкалы времени первичных часов и формирования сообщения для центральных часов, в которое входят сигналы шкалы времени вторичных часов и результат измерения разности шкал времени вторичных часов с принятыми сигналами времени от первичных часов.
Достоинством устройства-прототипа является возможность использования в  первичных часах относительно простых опорных генераторов, например квантовых или кварцевых с упрощенной схемой термостабилизации.
К недостаткам прототипа следует отнести ограниченные функциональные возможности применения устройства, заключающиеся в невозможности его использования для вторичных часов, с которыми невозможно установление связи по волоконно-оптическим линиям связи, например, для ордера кораблей в походе, или для других синхронизируемых объектов, расположенных на подвижных носителях.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является создание устройства для синхронизации часов, характеризующегося возможностью формирования выходных сигналов с учетом сообщений, принимаемых с синхронизируемых вторичных часов, что позволяет решить проблему обеспечения точности синхронизации шкалы времени вторичных часов по отношению к шкале времени первичных часов для объектов, исключающих возможность создания линий  волоконно-оптических связей между часами.
Сущность полезной модели и ее осуществимость поясняются изображениями, представленными на фиг. 1 - 8, где
на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства;
на фиг. 2 - в качестве наглядного примера работы заявляемого устройства рассматривается группа кораблей, следующая в составе ордера;
на фиг. 3 - структура сообщений в режиме КОНТАКТ;
на фиг. 4 - структура сообщений в режиме СИНХРОНИЗАЦИЯ;
на фиг. 5 - процесс определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов и шкалой времени вторичных часов;
на фиг. 6 - структурная схема устройства-прототипа.
Заявляемое устройство для синхронизации часов (Фиг. 1) содержит первичные часы 1, приемник 2 сигналов ГНСС, приемник 3 эталонных сигналов частоты и времени наземных станций, а также связанный с ними каналами обмена данными центральный процессор 4.
Также в состав устройства входит формирователь режимов 5, последовательно соединенные формирователь 6 передаваемых на вторичные часы сообщений, УКВ-передатчик 7, антенно-фидерное устройство (АФУ) 8, УКВ-приемник 9, формирователь 10 принимаемых от вторичных часов сообщений.
При этом выход первичных часов соединен с первым входом центрального процессора, а также с первым входом формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений и с первым входом формирователя 10 принимаемых от вторичных часов сообщений, выход последнего соединен со вторым входом центрального процессора, первый выход которого соединен со вторым входом формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений.
Вход формирователя режимов 5 соединен со вторым выходом центрального процессора 4, а его выход соединен с соответствующими третьими входами центрального процессора 4 и формирователей 6, 10 передаваемых на вторичные часы и принимаемых от вторичных часов сообщений.
Первичные часы 1 представляют собой электронное устройство, содержащее опорный генератор, выполненный, например, на основе рубидиевого стандарта частоты, связанный с ним формирователь шкалы времени, выполненный на основе делителей частоты, и связанное с формирователем шкалы времени устройство управления, осуществляющее коррекцию формируемой шкалы времени (на структурной схеме не показаны).
Приемник 2 сигналов ГНСС представляет собой, например, приемовычислительный модуль обработки сигналов ГЛОНАСС, выделяющий информацию о шкале времени UTC(SU). Приемник 2 сигналов ГНСС связан каналом обмена данными с центральным процессором 4.
Приемник 3 эталонных сигналов частоты и времени наземных станций представляет собой, например, блок приемо-вычислительных модулей сигналов импульсно-фазовых радионавигационных систем ДВ-диапазона («РНС-Е», «РНС-В») и сигналов времени станций связи СДВ-диапазона («РАБ-99», «РЙХ-63»). Приемник 3 эталонных сигналов частоты и времени наземных станций связан каналом обмена данными с центральным процессором 4.
Центральный процессор 4 может быть выполнен на базе микросхем «ПЛИСС» с соответствующим программным обеспечением.
Формирователь 5 режимов может быть выполнен на базе контроллера, с возможностью подключения внешних управляющих (коммутационных) устройств, и служит для переключения режимов работы центрального процессора 4.
Формирователь 6 передаваемых на вторичные часы сообщений может быть выполнен на базе контроллера, преобразующего передаваемые коды времени, режимы работы и номер удаленных часов в ордере в формат сигналов УКВ-передатчика 7.
Антенно-фидерное устройство 8 обеспечивает излучение и прием сообщений, и в простейшем случае может быть выполнено в виде штыревой антенны.
УКВ-передатчик 7 и УКВ-приемник 9 могут быть выполнены на основе выпускаемых УКВ модемов (приемопередатчиков) Свифт НТЦ Юрион диапазона волн 300 МГц до 6 ГГц, принимая во внимание, что для данного диапазона производились многочисленные исследования изменения энергетических параметров на реальных трассах распространения сигналов, в том числе в приводном слое атмосферы [4, 5], а также учитывая возможность работы в пределах прямой видимости на море.
Формирователь 10 принимаемых от вторичных часов сообщений может быть выполнен на базе контроллера, преобразующего сигналы, поступающие с выхода УКВ-приемника 9, подключенного входом к антенно-фидерному устройству 8, в формат сообщений, воспринимаемых центральным процессором 4.
В качестве наглядного примера работы заявляемого устройства рассматривается группа кораблей, следующая в составе ордера, где на флагманском корабле, размещены заявляемое устройство с первичными часами 1 носители ШВ UTC (SU), а на других кораблях из состава группы расположены вторичные часы (Фиг. 2).
Первичные часы 1 формируют шкалу времени первичных часов.
С помощью приемника 2 сигналов ГНСС или приемника 3 эталонных сигналов частоты и времени наземных станций (выбор приемника производится по командам, поступающим от центрального процессора 4 по каналам обмена данными в зависимости от оперативной ситуации), производится выделение меток шкалы времени UTC (SU), содержащихся в принимаемых приемниками 2 и 3 сигналах. Метки шкалы времени UTC (SU) поступают по каналу обмена данными на центральный процессор 4.
В центральном процессоре 4 осуществляется процедура определения величины расхождения между шкалами времени UTC (SU) и первичных часов 1, результат которой в виде поправки передается по каналу обмена данными на первичные часы 1, где эта поправка вводится в шкалу времени первичных часов 1, обеспечивая ее синхронизацию со шкалой времени UTC (SU).
С помощью формирователя 5 режимов формируется команда режима  КОНТАКТ, поступающая на третий вход центрального процессора 4, с первого выхода которого на второй вход формирователя 6 поступает сообщение номера флагмана, например, 01, и сигнал режима КОНТАКТ с указанием номера корабля в ордере, с которым устанавливается контакт, которые размещаются в отведенном для них подкадре в сообщении (Фиг. 3). Сформированное сообщение передается с помощью УКВ-передатчика 7 и антенно-фидерного устройства 8 по трассе распространения сигнала на аппаратуру ведомых часов.
На вторичных часах, при получении сообщения от первичных часов 1 (от флагмана), производится передача в эфир сообщения, содержащего свой номер в группе синхронизируемых вторичных часов, сигнал режима КОНТАКТ и сигнал готовности к синхронизации со шкалой первичных часов 1. Для повышения надежности установления взаимосвязи между первичными часами (флагманом) и вторичными часами синхронизируемого корабля из состава ордера, необходимо выполнение передачи сообщений  цикличными сеансами связи.
После установления КОНТАКТА, корабль, выступающий в роли носителя ШВ вторичных часов, добавляет в ответное сообщение (Фиг. 3), содержащее готовность приема ШВ первичных часов, т.е. готовность смены режима КОНТАКТ на режим СИНХРОНИЗАЦИЯ. Принятое сообщение вторичных часов с помощью антенно-фидерного устройства 8, УКВ-приемника 9 и формирователя 10 принимаемых сообщений поступает на второй вход центрального процессора 4, где производится запоминание номера удаленных часов в группе (ордере) и передача его на формирователь 6, затем центральный процессор 4 переводит заявляемое устройство с помощью формирователя режимов 5 в режим СИНХРОНИЗАЦИЯ.
При получении сигнала СИНХРОНИЗАЦИЯ от формирователя режимов 5 с помощью центрального процессора 4 осуществляется процедура определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени синхронизируемых вторичных часов. Для этого метки шкалы времени первичных часов 1 и их коды, соответствующие времени  метки в шкале ведущих часов, с выхода первичных часов 1 поступают на первый вход центрального процессора 4,  первый вход формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений, и первый вход формирователя 10 принимаемых сообщений от вторичных часов. Сформированное сообщение (Фиг. 4) поступает на УКВ-передатчик 7 и далее через антенно-фидерное устройство 8 излучается в эфир и передается на вторичные часы. Кроме этого, от вторичных часов поступают сообщения (Фиг. 4, 5), которые содержат информацию о времени приема  метки первичных часов на вторичных часах, метку времени вторичных часов и её код  и номер синхронизируемого корабля в ордере. После приема антенно-фидерным устройством 8 и УКВ-приёмником 9 сообщения поступают на второй вход формирователя сообщений 10 принимаемых от вторичных часов, где отмечается время прихода  метки шкалы времени вторичных часов, а затем преобразуются в формат, поддерживаемый центральным процессором 4.
Суть процесса определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени вторичных часов 2 можно пояснить нижеследующей диаграммой (Фиг. 5).
Метка времени первичных часов 1 и ее код, соответствующий времени  ее передачи, поступают на вход центрального процессора 4, где осуществляется ее фиксация. Эта же метка и ее код поступают с выхода устройства через УКВ- передатчик 7, затем на антенно-фидерное устройство 8 и далее в эфир на вторичные часы, где фиксируется время  ее приема в шкале времени вторичных часов. Значение времени  представляет собой сумму следующих составляющих
,(1)
где  - время передачи метки времени в шкале времени первичных часов 1;
- величина временной задержки на трассе распространения сигналов;
- величина расхождения (рассогласования) между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени вторичных часов.
Далее зафиксированное значение , а также метка времени вторичных часов и ее код в момент времени вторичных часов , где  > , передаются по трассе распространения сигнала в обратном направлении на антенно-фидерное устройство 8, затем принимается УКВ-приемником 9, и далее поступает на формирователь 10  принимаемых сообщений от вторичных часов. Формирователь 10 принимаемых от вторичных часов сообщений отмечает время  приема метки времени вторичных часов в шкале времени первичных часов 1, и преобразует сообщения в формат сигналов центрального процессора 4. Процессором 4 запоминаются полученные значения  и , где  представляет собой сумму следующих составляющих:
. (2)
На основании принятых от вторичных часов сообщений о значениях  и , с учетом зафиксированных в формирователях сообщений 6, 10 значениях  и  в процессоре 4 рассчитывается искомое значение расхождения шкал времени :
.(3)
Полученное таким образом значение , характеризующее рассогласование шкал  времени вторичных часов относительно первичных часов 1, поступает, как указывалось выше, на второй вход формирователя сообщений 6 передаваемых на вторичные часы, как поправка к шкале ведомых часов
Благодаря встречному распространению сигнала через одну и ту же среду, в одно и то же время появляется возможность компенсации (вычитания) задержек в трассе (среде) распространения. С учетом равенства трассы распространения сигнала в прямом и обратном, расхождение шкал времени первичных часов и вторичных часов будет равно полуразности величин частных измерений на флагмане и синхронизируемом корабле. Оно  передается в составе сообщения на ведомые часы для исполнения. После исполнения ведомые часы передают сообщение на флагман о вводе поправки, синхронизирующей шкалу времени удаленных часов с шкалой первичных часов 1.
В формирователе сообщений 6 эти данные, например, преобразуются в  сообщение, которое одновременно с метками шкалы времени первичных часов 1 передается на синхронизируемые вторичные часы, обеспечивая точность их временной синхронизации относительно шкалы времени первичных часов 1.
После завершения синхронизации и получения сообщения о вводе поправки шкалы первых выполнивших синхронизацию ведомых часов с шкалой первичных часов 1, формирователь режима 5 переключает устройство в режим КОНТАКТ для осуществления вышеописанных операций с другими ведомыми часами, и исключает обработку сигналов от вторичных часов, с которыми синхронизация шкал времени уже проведена.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства для синхронизации часов, характеризующегося возможностью формирования выходных сигналов с учетом сообщений, принимаемых с синхронизируемых вторичных часов, что позволяет решить проблему обеспечения точности синхронизации шкалы времени вторичных часов по отношению к шкале времени первичных часов для объектов, исключающих возможность создания линий  волоконно-оптических связей между часами.
Источники информации
1. SU 591800, G04C 13/02, опубл. 05.02.1978.
2. SU 1160361, G04C 13/02, опубл. 07.06.1985.
3. RU 166018, G04C 13/00, опубл. 10.11.2016.
4. А.Г. Аренберг. Распространение дециметровых и сантиметровых волн. М.: «Советское радио», 1957, 292 с.; Л.М. Лобкова.
5. Распространение радиоволн над морской поверхностью. М.: «Радио и связь», 1991, 250 с.