СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CLOCK TIMING AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к технике связи и радиолокации и может быть использовано для сличения шкал времени, разнесенных на большие расстояния.
Известны способы и устройства синхронизации часов (авт. свид. СССР №№ 970300, 1244632, 1278800; патенты РФ №№ 2001423, 2003157, 2040035, 2177167, 2301437, 2310221, 2383914; патент США № 7327699 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ синхронизации часов и устройство для его реализации» (патент РФ №2.383.914, G04C 11/02, 2008), которые и выбраны в качестве прототипов.
Указанные способ и устройство обеспечивают сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основаны на использовании дуплексного метода радиосвязи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор и корреляционной обработки шумоподобных сигналов.
Основное достоинство дуплексного метода радиосвязи состоит в том, что в нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров бортового ретранслятора типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов.
Для измерения временных интервалов используется корреляционная обработка шумоподобных сигналов, которые имеют ряд достоинств, одним из которых является хорошее свойство корреляционной функции R(τ) указанных сигналов: она имеет относительно высокий уровень центрального лепестка и низкий уровень боковых лепестков.
Следует отметить, что ИСЗ-ретранслятор, размещенный на геостационарной орбите, под действием различных дестабилизирующих факторов совершает определенные движения относительно предполагаемого устойчивого положения. Поэтому корреляционную обработку шумоподобных сигналов целесообразно проводить с использованием корреляционной экстремальной системы.
В указанной системе вычисляется корреляционная функция R(τ) между зондирующим и ретранслированным шумоподобными сигналами и отслеживается перемещение ее экстремума вдоль оси абсцисс. Процесс слежения осуществляется с помощью беспоисковой системы экстремального регулирования.
Однако в области максимума корреляционная функция R(r) имеет очень малую крутизну и изменяется незначительно при изменениях τ (фиг.4). Гораздо более благоприятной для поиска максимума является форма производной от корреляционной функции . В точке τ=0 производная имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положения относительно точки τ=0.
Таким образом, отыскание максимума корреляционной функции (максимальный принцип - экстремальная задача) заменяется минимальным принципом измерения - стабилизацией нулевого значения регулируемой величины.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения относительного временного сдвига между зондирующим и ретранслированным шумоподобными сигналами путем автоматической стабилизации нулевого значения регулируемой величины производной корреляционной функции указанных сигналов.
1
1
1
1
2
3
1
3
1
2
i
Поставленная задача решается тем, что способ синхронизации часов, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на одновременном приеме разнесенными наземными пунктами шумоподобных СВЧ-сигналов с борта искусственного спутника Земли, когерентном их преобразовании к видеочастоте, цифровой регистрации принятых сигналов и определении временной задержки прихода одного и того же сигнала в пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, при этом в начальный момент времени t по часам первого пункта с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на этом же пункте, сформированный сигнал преобразуют на частоту f, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении на искусственный спутник Земли - ретранслятор, в тот же момент времени t по часам второго пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на втором пункте, принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте f, переизлучают его на первый и второй пункты на частоте f с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту f, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора, в тот же момент времени t по часам первого пункта с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте f и переизлучают его на первый и второй пункты на частоте f с сохранением фазовых соотношений, зарегистрированный зондирующий сигнал пропускают через блок регулируемой задержки, отличается от ближайшего аналога тем, что зарегистрированный ретранслированный сигнал дифференцируют по времени, перемножают его с пропущенным через блок регулируемой задержки зондирующим сигналом, выделяют знакопеременный сигнал с большой крутизной в области максимума корреляционной функции, формируя тем самым производную корреляционной функции , где τ - текущая временная задержка, усиливают его, используют для автоматического управления блоком регулируемой задержки, поддерживают производную корреляционной функции  на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ (i=1, 2, 3, 4) между двумя парами зарегистрированных зондирующих и ретранслируемых дифференцированных по времени сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.
Поставленная задача решается тем, что устройство синхронизации часов, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные эталон времени и частоты, первый гетеродин, первый смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым выходом генератора псевдошумового сигнала, первый усилитель промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого через второй гетеродин соединен с первым выходом эталона времени и частоты, второй усилитель промежуточной частоты, второй клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона времени и частоты, второй блок памяти и коррелятор, при этом ко второму выходу генератора псевдошумового сигнала последовательно подключены первый клиппер, второй вход которого соединен со вторым выходом эталона времени и частоты, и первый блок памяти, выход которого подключен ко второму входу коррелятора, который выполнен в виде последовательно подключенных к выходу первого блока памяти блока регулируемой задержки, ко второму выходу которого подключен микропроцессор, перемножителя и фильтра нижних частот, отличается от ближайшего аналога тем, что коррелятор снабжен усилителем и дифференциатором, причем выход второго блока памяти через дифференциатор подключен ко второму входу перемножителя, выход фильтра нижних частот через усилитель подключен ко второму входу блока регулируемой задержки.
Геометрическая схема расположения наземных пунктов А, В и геостационарного ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг.1, где введены следующие обозначения: О - центр масс Земли; d - база интерферометра; r - радиус-вектор геостационарного ИСЗ-ретранслятора.
Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения: S, А, В - шкалы времени геостационарного ИСЗ-ретранслятора S и наземных пунктов А и В соответственно. Структурная схема наземного пункта А(В) изображена на фиг.3. Вид корреляционной функции R(τ) и ее производной  показана на фиг.4.
Синхронизация часов по предлагаемому способу осуществляется следующим образом:
1
- в момент времени  по часам первого пункта А с помощью кодовой последовательности формируют шумовой СВЧ-сигнал (сигнал α);
- регистрируют его на этом же пункте;
1
- сформированный сигнал преобразуют на частоту f;
- усиливают его по мощности;
- излучают усиленный сигнал в направлении на геостационарный ИСЗ-ретранслятор;
1
- в тот же момент времени  по часам второго пункта В с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумовой СВЧ-сигнал (сигнал β);
1
- регистрируют его на втором пункте В (сигнал β, который, однако, не отправляют на ретрансляцию);
1
1
- принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте f (сигнал α);
2
c
- переизлучают его в пункты А и В на частоте f с сохранением фазовых соотношений на интервале t когерентности сигнала при его ретрансляции;
- принимают ретранслированный сигнал в обоих пунктах;
- преобразуют его на видеочастоту;
2
2
- регистрируют его в момент времени  и  соответственно (сигналы α, β);
3
- в произвольный момент времени  по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумовой СВЧ-сигнал (сигнал β);
1
- сформированный сигнал преобразуют на частоту f;
- усиливают его по мощности;
- излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора;
3
- в тот же момент времени  по часам первого пункта А с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумовой СВЧ-сигнал (сигнал α);
3
- регистрируют его на первом пункте А (сигнал α, который, однако, не ретранслируют);
1
3
- принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте f (сигнал α);
2
- переизлучают его на пункты А и В на частоте f с сохранением фазовых соотношений;
- принимают ретранслированный сигнал на обоих пунктах;
- преобразуют его на видеочастоту;
4
4
- регистрируют в моменты времени  и  соответственно (сигналы α, β).
Корреляционной обработкой двух пар зарегистрированных сигналов в измерителе 17 определяют на каждом пункте следующие временные задержки:
,
,
,
,
i
и соответствующие им частоты интерференции F (i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:
,
где ,
j
j
a, b (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами А и В (фиг.1);
а
в
и
и
Δ , Δ  - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;
А
В
п
п
Δ , Δ  - задержки сигналов в приеморегистрирующей аппаратуре;
ΔS - задержки сигналов в бортовом ИСЗ-ретрансляторе;
- искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.
j
j
Полагая a и b линейными функциями с производными , , получаем:
где
1
2
ΔА', ΔВ', ΔА'', ΔВ'' - задержки сигнала в атмосфере на частотах f и fсоответственно;
ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);
с - скорость распространения радиоволн;
D - площадь четырехугольника OA'S'B, образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциям пунктов А, В и ИСЗ-ретранслятора S.
Поправки γ на подвижность ИСЗ-ретранслятора во время единичного измерения проще всего свести к нулю соответствующим выбором свободного параметра θ:
,
который следует в начале измерений рассчитывать по приближенным эфемеридным данным, а затем уточнить по результатам текущих измерений.
Что касается поправки δ на аппаратурные задержки, то ее можно найти путем калибровки по методу «нулевой базы».
Атмосферная поправка ε также учитывается.
Структурная схема аппаратуры одного из пунктов (А), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг.3, где введены следующие обозначения: 1 - стандарт частоты и времени, 2 - блок гетеродинов - первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, 3 - генератор псевдошумового сигнала, 4 - переключатель, 5, 13 - смесители, 6, 14 - усилители промежуточной частоты, 7, 12 - усилители мощности, 8 - дуплексер, 9 - приемопередающая антенна, 10, 15 - клипперы, 11, 16 - буферные запоминающие устройства (блоки памяти), 17 - измеритель задержек и их производных.
Измеритель 17 задержек содержит блок 18 регулируемой задержки, перемножитель 19, фильтр 20 нижних частот, усилитель 21, микропроцессор 22 и дифференциатор 23.
Принцип работы аппаратуры заключается в следующем.
1
1
На первом шаге единичных измерений псевдошумовой сигнал α(фиг.2), созданный генератором 3, с помощью стандарта 1 частоты и времени, смесителя 5, гетеродина 2.1 и усилителя 6 промежуточной частоты преобразуется на частоту f, усиливается в усилителе 7 мощности и через дуплексер 8 поступает в приемопередающую антенну 9 и излучается ею в направлении ИСЗ-ретранслятора. Вместе с тем, этот же сигнал клиппируется в клиппере 10 тактовой частотой того же стандарта 1 частоты и времени и записывается в буферное запоминающее устройство 11.
2
2
Ретранслированный сигнал α на частоте f принимается той же антенной 9 и после усиления в усилителе 12 мощности и преобразования к видеочастоте в смесителе 13 и усилителе 14 промежуточной частоты с помощью стандарта 1 частоты и времени и гетеродина 2.2, клиппируется в клиппере 15 тактовой частотой стандарта 1 частоты и времени и записывается в буферное запоминающее устройство 16.
3
4
2
1
2
3
4
2
3
На втором шаге (при передаче сигнала из пункта В) переключатель 4 должен быть разомкнут и сигнал α из генератора 3 через клиппер 10 поступает в то же запоминающее устройство 11. Ретранслированный сигнал α записывается, как и сигнал α, в запоминающее устройство 16. Затем в перерыве между актами измерений пары сигналов α, α и α, α подвергаются корреляционной обработке в измерителе 17 и вычисляются задержки τ, τ и их производные , .
Зарегистрированный зондирующий сигнал с выхода блока 11 памяти поступает через блок 18 регулируемой задержки на первый вход перемножителя 19, на второй вход которого подается зарегистрированный ретранслированный сигнал с выхода блока 16 памяти через дифференциатор 23. Полученное на выходе перемножителя 19 напряжение пропускается через фильтр 20 нижних частот и после усиления в усилителе 21 поступает на второй вход блока 18 регулируемой задержки. Нетрудно убедиться в том, что сигнал на выходе такой схемы будет соответствовать производной от корреляционной функции .
Действительно, корреляционная функция R(τ) непрерывна при любых значениях τ, следовательно, она соответствует дифференцируемому случайному процессу [Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. М.: Наука, 1968].
Пусть f(t) - любая дифференцируемая случайная функция, а
y
1
2
1
f
2
y
Тогда Rf(t, t)=M{[f(t)-m][y(t)-m]},
f
y
где m и m - математические ожидания соответственно функций f(t) и y(t). Перейдя к центрированным величинам, можно записать:
1
1
f
2
2
y
где f°(t) = f(t) - m, y°(t) = y(t) - m - центрованные значения функций f(t) и y(t).
1
Учитывая, что математическое ожидание производной от случайной функции равно производной от ее математического ожидания [Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - M.: Наука, 1964], и рассматривая t как постоянную величину, получим
Для стационарной случайной функции
,
2
1
где τ=t-t.
Таким образом, продифференцировав один из входных сигналов, получим на выходе коррелятора знакопеременный сигнал с большой крутизной в области максимума корреляционной функции, который может быть использован для автоматического управления блоком регулируемой задержки, как это показано на фиг.3 и 4. Преимуществом такой схемы является относительная простота получения нужного сигнала рассогласования. Предлагаемая схема отличается от обычной схемы корреляционного измерителя временных задержек наличием усилителя 21 и дифференциатора 23, реализация которых не вызывает технических трудностей.
i
Измерения значений τ (i=1, 2, 3, 4) поступают в микропроцессор 22, где определяются их производные.
В пункте В аппаратура работает аналогично, только порядок шагов там обратный. Для вычисления разности показаний часов Δt по указанной формуле теперь достаточно обменяться между пунктами А и В полученными цифровыми данными, что можно делать по обычным телефонным или телеграфным каналам связи.
Описанные операции позволяют:
- достичь предельной точности измерений (около ±0,1 нс) с помощью РСДБ техники и техники ретрансляции, которая уже широко используется на практике;
- формировать необходимые для проведения измерений СВЧ-сигналы на наземных пунктах, что дает возможность постепенно наращивать точность измерений за счет оптимизации структуры сигнала и усовершенствования наземной техники регистрации без вмешательства в бортовую аппаратуру ИСЗ;
- повысить оперативность измерений, т.е. довести интервал времени от начала измерений до получения результатов вплоть до нескольких десятков секунд (практически до времени корреляционной обработки сигналов);
- избежать установки на борту ИСЗ высокостабильных хранителей времени и измерителей временных интервалов, ограничить бортовую аппаратуру только системой фазостабильной ретрансляции СВЧ-сигналов.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности измерения относительного временного сдвига между зондирующим и ретранслированным шумоподобными сигналами. Это достигается путем автоматической стабилизации нулевого значения регулируемой величины производной корреляционной функции указанных сигналов.
Метод измерения временных интервалов по минимуму производной корреляционной функции (прохождению через нуль), наряду с высокой точностью и чувствительностью, обладает еще одним весьма существенным преимуществом нулевого метода, а именно амплитуда входных сигналов и ее флюктуации не оказывают влияния на результат измерений. Достоинством нулевого метода является также относительная простота получения нужного сигнала рассогласования, производная в точке τ=0 имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положения относительно точки τ=0. Предлагаемая корреляционная система обеспечивает методическую погрешность измерений, равную долям процента.