СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CLOCK SYNCHRONISATION METHOD AND DEVICE THEREFOR

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе единого времени и частот.
Известны способы и устройства синхронизации часов (авт. свид. СССР №№591.799, 614.416, 970.300, 1.180.835, 1.244.632, 1.278.800; патенты РФ №№2.001423, 2.003.157, 2.040.035, 2.146.833, 2.177.167, 2.292.574; патент Германии №3.278.943; патент ЕР №0.564.220; Губанов B.C., Финкельштейн A.M., Фридман П.А. Введение в радиоастрометрию. - М., 1983, и другие).
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ синхронизации часов (патент РФ №2.292.574, G04C 11/02, 2005), который и выбран в качестве прототипа.
Указанный способ обеспечивает сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основан на использовании дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор.
Основное достоинство дуплексного метода связи 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.
Известный способ обеспечивает также подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.
пр
Следует отметить, что преобразование частоты ложного сигнала (помехи), принимаемого по зеркальному каналу, происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу приема. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость способа.
Однако полное подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу, возможно только при идентификации приемных каналов. Реальные усилители второй промежуточной частоты и другие элементы, входящие в состав приемных каналов, имеют отличающиеся характеристики. Поэтому полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу, не происходит, и тем самым снижается помехоустойчивость и точность синхронизации удаленных шкал времени.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени путем полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу за счет идентификации приемных каналов.
1
1
1
1
2
3
1
3
1
2
2
Г2
К
пр2
1
К
пр2
Поставленная задача решается тем, что способ синхронизации часов, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на одновременном приеме разнесенными наземными пунктами шумовых 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 ω, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в в направлении на искусственный спутник Земли-ретранслятор, в тот же момент времени t по часам второго пункта с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на втором пункте, принимают бортовой аппаратурой искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнала на частоте ω, переизлучают его на первый и второй пункты приема на частоте ω с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t по часам второго пункта аналогично формируют и ретранслируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω, 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 ω и передают его на первый и второй пункты на частоте ω с сохранением фазовых соотношений, принимаемый сигнал на частоте ω преобразуют по частоте в двух приемных каналах с использованием в первом приемном канале напряжения второго гетеродина, а во втором приемном канале напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе +90°, выделяют в первом и втором принимаемых каналах напряжения второй промежуточной частоты, сдвигают по фазе на -90° напряжение второй промежуточной частоты второго приемного канала, суммируют его с напряжением второй промежуточной частоты первого приемного канала, переизлучают полученное суммарное напряжение с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки принимаемого сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что для устранения неидентичности приемных каналов вводят комплексную (амплитудно-фазовую) систему идентификации, в которой используют гармонический калиброванный сигнал, частота ω которого отличается от второй промежуточной частоты ω на незначительную величину Δω=ω-ω, пропускают гармонический колебательный сигнал через первый и второй приемные каналы, выделяют на их выходах гармонические калиброванные сигналы, детектируют их и подают на два входа блока вычитания, на выходе которого формируется низкочастотное напряжение положительной или отрицательной полярности, воздействуют им на управляющие входы усилителей второй промежуточной частоты первого и второго приемных каналов, изменяя их коэффициенты передачи таким образом, чтобы выходное напряжение блока вычитания стремилось к нулю, реализуя амплитудную идентичность приемных каналов, одновременно гармонические калибровочные  сигналы, выделенные в первом и втором приемных каналах, перемножают между собой, выделяют низкочастотное напряжение положительной или отрицательной полярности, воздействуют им на управляющие входы регулируемых фазовращателей, установленных в первом и втором приемных каналах, изменяя фазовые сдвиги калибровочных сигналов так, чтобы выходное низкочастотное напряжение стремилось к нулю, реализуя фазовую идентичность приемных каналов.
Поставленная задача решается тем, что устройство синхронизации часов, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, искусственный спутник Земли и два разнесенных наземных пункта, каждый из которых содержит последовательно включенные стандарт частоты и времени, генератор псевдошумового сигнала, переключатель, первый смеситель, второй вход которого через первый гетеродин соединен со вторым выходом стандарта частоты и времени, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности и второй смеситель, второй вход которого через второй гетеродин соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, последовательно подключенные к второму выходу генератора псевдошумового сигнала, первый клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, первое буферное запоминающее устройство и измеритель задержек и их производных, выход которого является выходом устройства, последовательно включенные первый усилитель второй промежуточной частоты, сумматор, второй вход которого через фазовращатель на -90° соединен с выходом второго усилителя второй промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, второй клипер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, и второе буферное запоминающее устройство, выход которого соединен с вторым входом измерителя задержек и их производных, последовательно подключенных к выходу второго гетеродина фазовращателя на +90° и третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено калибратором, двумя регулируемыми фазовращателями, двумя усилителями, двумя фильтрами нижних частот, блоком вычитания, вторым и третьим узкополосными фильтрами, вторым и третьим амплитудными детекторами, причем к выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены второй узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, блок вычитания, второй вход которого через последовательно включенные третий узкополосный фильтр и третий амплитудный детектор соединен с выходом второго усилителя второй промежуточной частоты, первый фильтр нижних частот и первый инверсный усилитель, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго усилителей второй промежуточной частоты соответственно, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, второй фильтр нижних частот и второй инверсный усилитель, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго регулируемых фазовращателей соответственно, каждый из которых включен между выходом смесителя и входом усилителя второй промежуточной частоты соответствующего приемного канала, вторые входы первого и второго регулируемых фазовращателей соединены с выходом калибратора.
Геометрическая схема расположения наземных пунктов А, В, ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг.1, где введены следующие обозначения: O - центр масс Земли; d - база интерферометра; r - радиус-вектор ИСЗ-ретранслятора. Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения: S,A,B-шкалы времени ИСЗ-ретранслятора и наземных пунктов А и В соответственно. Структурная схема аппаратуры одного из наземных пунктов (А), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг.3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг.4.
Каждый наземный пункт содержит последовательно включенные стандарт 1 частоты и времени, генератор 3 псевдошумового сигнала, переключатель 4, первый смеситель 5, второй вход которого через первый гетеродин 2.1 соединен со вторым выходом стандарта 1 частоты и времени, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый усилитель 7 мощности, дуплексер 8, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 9, второй усилитель 12 мощности, второй смеситель 13, второй вход которого через второй гетеродин 2.2 соединен со вторым выходом стандарта 1 частоты и времени, первый регулируемый фазовращатель 28, второй вход которого соединен с выходом калибратора 27, первый усилитель 14 второй промежуточной частоты, сумматор 22, второй вход которого через фазовращатель 21 на -90° соединен с выходом второго усилителя 20 второй промежуточной частоты, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, первый узкополосный фильтр 24, первый амплитудный детектор 25, ключ 26, второй вход которого соединен с выходом сумматора 22, второй клиппер 15, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство 16 и измеритель 17 задержек и их производных, выход которого является выходом устройства. К второму выходу генератора 3 псевдошумового сигнала последовательно подключены первый клиппер 10, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство 11, выход которого соединен с вторым входом измерителя 17 задержек и их производных. К выходу второго гетеродина 2.2 последовательно подключены фазовращатель 18 на +90°, третий смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, второй регулируемый фазовращатель 29, второй вход которого соединен с выходом калибратора 27, второй усилитель 20 второй промежуточной частоты, третий узкополосный фильтр 31, третий амплитудный детектор 33, блок 34 вычитания, второй вход которого через последовательно включенные второй узкополосный фильтр 30 и второй амплитудный детектор 32 соединен с выходом первого усилителя 14 второй промежуточной частоты, первый фильтр 35 нижних частот и первый инверсный усилитель 36, два выхода которого соединены с управляющими входами первого 14 и второго 20 усилителей второй промежуточной частоты соответственно. К выходу второго узкополосного фильтра 30 последовательно подключены второй перемножитель 37, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 31, второй фильтр 38 нижних частот и второй инверсный усилитель 39, два выхода которого соединены с управляющими входами первого 28 и второго 29 регулируемых фазовращателей соответственно.
Синхронизацию часов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.
1
1
A
В момент времени t  по часам первого пункта А с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α) (фиг.2):
c
c
c
k
c
c
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
c
c
c
c
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
k
k
Э
Э
Э
φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с кодовой последовательностью M(t), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …N-1);
Э
с
с
Э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=Nτ),
в генераторе 3 с помощью стандарта 1 частоты и времени.
Указанный сигнал поступает на вход клиппера 10, а затем регистрируется в буферном запоминающем устройстве 11. Регистрация синхронизуется стандартом 1 частоты и времени.
c
Сформированный сигнал u(t) поступает на первый вход первого смесителя 5, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 2.1
Г1
Г1
Г1
Г1
U(t)=Ucos(ω+φ).
На выходе смесителя 5 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 6 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
пр1
пр1
пр1
k
пр1
c
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
1
K - коэффициент передачи смесителя;
пр1
c
Г1
ω=ω+ω - первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
c
Г1
φ=φ+φ,
1
пр1
которое после усиления в усилителе 7 мощности через дуплексер 8 и приемопередающую антенну 9 излучается в направлении ИСЗ-ретранслятора на частоте ω=ω.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>A</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>B</mi></msubsup></mrow>
1
1
1
1
2
c
В тот же момент времени
по часам второго пункта В с помощью такой же кодовой последовательности M(t) формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β). Регистрируют его на втором пункте В (сигнал β, который однако не отправляют на ретрансляцию). Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора на частоте ω (сигнал α), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω с сохранением фазовых соотношений на интервале t.
2
2
Ретранслированный сигнал (сигнал α) на частоте ω
2
2
2
k
2
c
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
принимается приемопередающей антенной 9 и через дуплексер 8 и усилитель 12 мощности поступает на первые входы второго 13 и третьего 19 смесителей и перемножителя 23. На вторые входы смесителей 13 и 19 подаются напряжения второго гетеродина 2.2:
Г2
Г2
Г2
Г2
u(t)=U(ωt+φ),
Г3
Г2
Г2
Г2
u(t)=Ucos(ωt+φ+90°).
Г1
Г2
Причем частоты ω и ω первого 2.1 и второго 2.2 гетеродинов разнесены на вторую промежуточную частоту
Г2
Г1
пр2
ω-ω=ω
На выходах смесителей 13 и 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 14 и 20 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:
пр2
пр2
пр2
K1
пр2
u(t)=Ucos[ω(t)-φ(t)+φ],
пр3
пр2
пр2
K1
пр2
c
u(t)=Ucos[ω(t)-φ(t)+φ+90°], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
пр2
Г2
2
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр2
Г2
2
φ=φ-φ.
пр3
Напряжение u(t) с входа усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение
пр4
пр2
пр2
k
пр2
пр2
пр2
k
пр2
u(t)=Ucos[ωt-φ(t)+φ+90°-90°]=Ucos[ωt-φ(t)+ω], 0≤t≤
пр2
пр4
Напряжения u(t) и u(t) с выхода усилителя 14 и фазовращателя 21 на -90° поступают на два входа первого сумматора 22, на выходе которого образуется первое суммарное напряжение
Σ1
Σ1
пр2
k1
пр2
c
u(t)=Ucos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
Σ1
пр2
где U=2U,
которое поступает на второй вход перемножителя 23. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
1
1
Г2
Г2
c
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
2
К - коэффициент передачи перемножителя,
н
н
Г2
которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ω которого выбирается равной частоте второго гетеродина 2.2 ω=ω), детектируется амплитудным детектором 25 и поступает на управляющий вход ключа 26, открывая его. В исходном состоянии ключ 26 всегда закрыт.
Σ
Напряжение u(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает на вход клиппера 15, где оно клиппируется и записывается в буферное запоминающее устройство 16. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.
3
4
2
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 α, в запоминающее устройство 16.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Θ</mi></mrow>
3
1
В произвольный момент времени
по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β). Сформированный сигнал преобразуют на частоту ω, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>A</mi></msubsup></mrow>
3
1
3
2
4
4
4
4
A
B
В тот же момент времени
по часам первого пункта А с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α). Регистрируют его на первом пункте А. Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω (сигнал α), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω с сохранением фазовых соотношений, принимают ретранслированный сигнал на обоих пунктах, преобразуют его на видеочастоту, регистрируют в моменты времени t  и t  соответственно (сигнал α, β).
Корреляционной обработкой двух пар зарегистрированных сигналов в измерителе 17 определяют на каждом пункте следующие временные задержки:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub><mo>⊗</mo><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>S</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
,
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>3</mn></msub><mo>⊗</mo><msub><mi>α</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mi>A</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>A</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>S</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
,
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo>⊗</mo><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mi>A</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>A</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>S</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>β</mi><mn>3</mn></msub><mo>⊗</mo><msub><mi>β</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>S</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
i
и соответствующие им частоты интерференции F (i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>τ</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>¯</mo></mover></mfrac></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
где
,
j
j
a, b (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами А и В соответственно (фиг.1);
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>И</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>И</mi></msubsup></mrow>
,
- задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>П</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>П</mi></msubsup></mrow>
,
- задержки сигналов в приемно-регистрирующей аппаратуре;
ΔS - задержка сигналов в бортовом ИСЗ-ретрансляторе;
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>B</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>A</mi></msubsup></mrow>
- искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.
j
j
<mrow><msub><mi>a</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
<mrow><msub><mi>b</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
Полагая a и b линейными функциями с производными
,
, получаем:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>γ</mi><mo>+</mo><mi>δ</mi><mo>+</mo><mi>ε</mi><mo>+</mo><mi>ν</mi></mrow>
,
где
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>b</mi><mo>+</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>b</mi><mo>+</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
,
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>А</mi></msub><msup><mrow /><mi>П</mi></msup><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>В</mi></msub><msup><mrow /><mi>П</mi></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>А</mi></msub><msup><mrow /><mi>И</mi></msup><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>В</mi></msub><msup><mrow /><mi>И</mi></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>А</mi></msub><mo>"</mo><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>A</mi></msub><mo>'</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>B</mi></msub><mo>"</mo><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>B</mi></msub><mo>'</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>ω</mi><mfrac><mi>D</mi><mrow><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mrow><mi>А</mi><mo>,</mo><mi>B</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mrow><mi>А</mi><mo>,</mo><mi>B</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
1
2
,
- задержки сигнала в атмосфере на частотах ω и ωсоответственно;
ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);
ω - угловая скорость вращения Земли;
с - скорость света;
D - площадь четырехугольника OA'S'B', образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями 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:
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>a</mi><mo>+</mo><mi>b</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>b</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>≈</mo><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˙</mo></mover><mn>3</mn></msub><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˙</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˙</mo></mover><mn>4</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
,
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.
На пункте В аппаратура работает аналогично, только порядок шагов там обратный. Для вычисления разности показаний часов Δt теперь достаточно обменяться между пунктами полученными цифровыми данными, что можно делать по обычным телефонным или телеграфным каналам связи.
2
Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует приему полезных сигналов по основному каналу на частоте ω (фиг.4).
З
Если шумоподобный сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте ω
З
З
З
K2
З
З
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
ПР5
ПР5
ПР2
К2
пр5
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ],
ПР6
ПР5
ПР2
К2
ПР5
З,
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ-90°], 0≤t≤T
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi><mn>5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>U</mi><mi>З</mi></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
ПР2
З
Г2
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
ПP5
З
Г2
φ=φ-φ.
ПР6
Напряжение u(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:
пр7
пр5
пр2
пр5
пр5
пр2
пр5
З
u(t)=Ucos(ωt+φ-90-90°)=-Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр5
пр7
Напряжение u(t) и u(t) поступают на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются.
З
Следовательно, ложный сигнал (помеха) принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω, подавляется.
к2
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω.
к1
Если ложеный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω
k1
k1
k1
k1
k1
u=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие
напряжения:
пр8
пр2
пр2
пр8
u(t)=Ucos(ωt+φ),
пр9
пр8
пр2
пр8
k1
u(t)=Ucos(ωt+φ+90°), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>9</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>k</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
пр2
Г2
k1
ω=2ω-ω- вторая промежуточная (разностная) частота;
пр8
Г2
k1
φ=φ-φ.
пр9
Напряжение u(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение
пр10
пр8
пр2
пр8
пр2
пр8
k1
9
u(t)=Ucos(ωt+90°-90)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр8
пр1
Напряжения u(t) и u(t) поступают на вход сумматора 22, на выходе которого образуется следующее напряжение:
Σ
Σ1
пр1
пр8
k1
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T
Σ1
пр8
где U=2U.
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 23, на выходе которого образуется следующее гармоническое напряжение:
2
2
Г2
Г2
k1
u(t)=Ucos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>k</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Σ</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
.
к1
Это напряжение не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 24. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω, подавляется.
З
Для полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте ω, используется комплексная (амплитудно-фазовая) система идентификации, состоящая из калибратора 27, регулируемых фазовращателей 28 и 29, узкополосных фильтров 30 и 31, амплитудных детекторов 32 и 34, блока вычитания 35, двух инверсных усилителей 36 и 39, перемножителя 37, фильтров 35 и 38 нижних частот.
Полное подавление ложных сигналов (помех) возможно только при идентичности приемных каналов. Однако реальные усилители 14 и 20 второй промежуточной частоты, входящие в состав приемных каналов, имеют отличающиеся характеристики. Различия увеличиваются за счет других элементов, входящих в состав приемных каналов.
к
пр2
к
пр2
пр2
Комплексная (амплитудно-фазовая) система идентификации использует гармонический калибровочный сигнал, получаемый от отдельного генератора (калибратора) 27, частота ω которого отличается от второй промежуточной частоты ω на некоторую величину Δω (Δω=ω-ω) (фиг.4). При малой величине Δω калибровочный сигнал несет информацию о идентичности приемных каналов. На второй промежуточной частоте ω в силу корреляции близких значений частотных характеристик.
На входы первого 14 и второго 20 усилителей второй промежуточной частоты через регулируемые фазовращатели 28 и 29 соответственно с выхода калибратора 27 поступает гармонический калибровочный сигнал
k
k
k
k
k
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
к
пр2
1
2
к
1
2
к
1
2
частота ω которого отличается от второй промежуточной частоты (ω на незначительную величину Δω (фиг.4). На выходе усилителей 14 и 20 второй промежуточной частоты калибровочные сигналы выделяются узкополосными фильтрами 30, 31 и после детектирования в амплитудных детекторах 32, 33 поступают на входы блока 34 вычитания системы амплитудной идентификации. При неравенстве модулей коэффициентов передачи приемных каналов (K=K) на частоте ω на выходе блока 34 вычитания появляется напряжение (положительное или отрицательное), которое через фильтр 35 нижних частот и инверсный усилитель 36 воздействует на управляющие входы усилителей 14 и 20 второй промежуточной частоты, изменяя их коэффициенты передачи K и K таким образом, что выходное напряжение блока 34 вычитания стремится к нулю. При этом коэффициенты передачи усилителей 14 и 20 второй промежуточной частоты оказываются практически одинаковыми на частоте ω калибровочного сигнала (K=K=K).
С выходов узкополосных фильтров 30 и 31 калибровочные сигналы поступают на систему фазовой идентификации, состоящую из перемножителя 37, фильтра 38 нижних частот, инверсного усилителя 39 и двух регулируемых фазовращателей 28 и 29.
При наличии фазовой неидентичности приемных каналов на выходе фазового детектора, состоящую из перемножителя 37 и фильтра 38 нижних частот, образуется напряжение (положительное или отрицательное), которое через инверсный усилитель 39 воздействует на управляющие входы регулируемых фазовращателей 28 и 29, изменяя фазовые сдвиги калибровочных сигналов так, что выходное напряжение фазового детектора стремится к нулю. Так достигается фазовая идентификация приемных каналов.
пр2
к
пр2
Наличие сильной корреляции между модулями коэффициентов передачи и между их аргументами на частотах ω и ω позволяет утверждать практическое равенство модулей коэффициентов передачи и равенство их аргументов на второй промежуточной частоте ω.
Способ синхронизации часов позволяет:
- достичь предельной точности измерений (около 0,1 не) 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.
З
пр2
к
пр2
пр2
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени. Это достигается путем полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте ω, за счет использования комплексной (амплитудно-фазовой) системы идентификации приемных каналов. Указанная система использует гармонический калибровочный сигнал, получаемый от отдельного генератора (калибратора), частота которого отличается от второй промежуточной частоты ω на некоторую величину Δω (Δω=ω-ω). При малой величине Δω калибровочный сигнал несет информацию о неидентичности приемных каналов на второй промежуточной частоте ω в силу корреляции близких частотных характеристик.