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 системы синхронизации удаленных вторичных часов относительно первичных часов, представлена, в частности, в патенте [1] - US 3756012, G04C 13/02, опубл. 04.09.1973 (Fig. 8). В этой системе устройство, осуществляющее синхронизацию удаленных вторичных часов, содержит, см. [1, Fig. 1], первичные часы, средства формирования синхронизирующих сигналов и средства для их передачи по радиоканалу удаленному потребителю, при этом первичные часы содержат высокоточный стандарт частоты и выполненный на основе делителей частоты формирователь шкалы времени первичных часов.
Аналогичные по выполнению устройства, предназначенные для синхронизации удаленных вторичных часов, представлены также в авторских свидетельствах: [2] - SU 591800, G04C 13/02, опубл. 05.02.1978; [3] - SU 1160361, G04C 13/02, опубл. 07.06.1985.
Особенностью устройств для синхронизации часов, представленных в [1]-[3], является отсутствие возможности их собственной временной синхронизации относительно внешних эталонных сигналов, например, сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), которые по условиям своего формирования синхронизированы относительно общей системной шкалы времени UTC (международной шкалы координированного времени) или шкалы координированного времени Российской Федерации UTC (SU).
Указанное отсутствие возможности собственной синхронизации относительно внешних эталонных сигналов в устройствах, представленных в [1]-[3], 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 собственной временной синхронизации относительно внешних эталонных сигналов, является устройство, входящее в состав станции синхронизации времени, представленной в патенте на полезную модель [4] - RU 105752 (U1), G04C 13/00, опубл. 20.06.2011. Это устройство принято в качестве прототипа.
Устройство для синхронизации часов, принятое в качестве прототипа, содержит первичные часы, приемник сигналов ГНСС, приемник эталонных сигналов частоты и времени наземных станций и связанный с ними центральный процессор. Устройство также содержит подключенный к центральному процессору модуль управления вторичными часами, предназначенный для формирования сигналов временной синхронизации в форме, удобной для передачи потребителю по каналу радиосвязи.
Первичные часы представляют собой электронное устройство, содержащее опорный генератор и формирователь шкалы времени, выполненный на основе делителей частоты.
Приемник сигналов ГНСС представляет собой, например, приемник сигналов ГЛОНАСС.
Приемник эталонных сигналов частоты и времени наземных станций представляет собой, например, приемник сигналов радиостанций государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли РФ.
Модуль управления вторичными часами представляет собой контроллер с выходом повышенной мощности, обеспечивающий формирование и передачу по радиоканалу сигналов синхронизации для удаленных вторичных часов, например электромеханических.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Первичные часы с помощью опорного генератора и делителей частоты формируют шкалу времени первичных часов. Сигналы шкалы времени первичных часов поступают на центральный процессор.
Приемник сигналов ГНСС и приемник эталонных сигналов частоты и времени наземных станций осуществляют прием из эфира и последующую обработку сигналов, несущих информацию о шкале координированного времени Российской Федерации UTC (SU). Полученные сигналы эталонной шкалы времени, соответствующие шкале времени UTC (SU), поступают на центральный процессор.
С помощью центрального процессора производится сравнение шкалы времени первичных часов и эталонной шкалы времени, соответствующей шкале времени UTC (SU), и формирование сигнала поправки. Эта поправка вводится в шкалу времени первичных часов, осуществляя ее коррекцию в соответствии 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 передается центральным процессором на вход модуля управления вторичными часами, который осуществляет формирование выходных сигналов в форме, удобной для передачи потребителю по каналу связи, например по радиоканалу.
На стороне потребителя эти сигналы используются для синхронизации шкалы времени вторичных часов относительно шкалы времени первичных часов.
Достоинством устройства-прототипа является возможность использования в его первичных часах относительно простых опорных генераторов, например кварцевых или квантовых с упрощенной схемой термостабилизации.
Технической проблемой, которая остается нерешенной в устройстве-прототипе, является обеспечение возможности достижения приемлемой точности синхронизации шкалы времени вторичных часов по отношению к шкале времени первичных часов в условиях все возрастающих требований, предъявляемых к точности синхронизации. Проблема обусловлена тем, что формирование выходных сигналов в устройстве-прототипе происходит только на основе шкалы времени первичных часов без учета состояния синхронизируемых вторичных часов, в нем не предусмотрены средства для приема соответствующих сообщений. Отсутствие возможности приема сообщений от синхронизируемых вторичных часов не позволяет получать данные о текущем отклонении шкалы времени вторичных часов от шкалы времени первичных часов, а также о временных задержках на трассе передачи сигналов, и использовать эти данные при формировании выходных сигналов для обеспечения точной синхронизации вторичных часов.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая 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.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для синхронизации часов содержит первичные часы, приемник сигналов ГНСС, приемник эталонных сигналов частоты и времени наземных станций, а также связанный с ними каналами обмена данными центральный процессор. В отличие от прототипа, устройство дополнительно содержит оптический сетевой порт, формирователь передаваемых на вторичные часы сообщений, соединенный своим выходом с входом оптического сетевого порта, и формирователь принимаемых от вторичных часов сообщений, соединенный своим входом с выходом оптического сетевого порта, при этом выход первичных часов соединен с первым входом формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений и первым входом центрального процессора, второй вход которого соединен с выходом формирователя принимаемых от вторичных часов сообщений, а выход соединен со вторым входом формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений.
Сущность полезной модели и ее реализуемость поясняются структурной схемой устройства для синхронизации часов.
Заявляемое устройство для синхронизации часов 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. Устройство также содержит оптический сетевой порт 5, формирователь 6 передаваемых на вторичные часы сообщений, соединенный своим выходом с входом оптического сетевого порта 5, и формирователь 7 принимаемых от вторичных часов сообщений, соединенный своим входом с выходом оптического сетевого порта 5. При этом выход первичных часов 1 соединен с первым входом формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений и первым входом центрального процессора 4, второй вход центрального процессора 4 соединен с выходом формирователя 7 принимаемых от вторичных часов сообщений, а выход соединен со вторым входом формирователя 6 передаваемых на вторичные часы 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). Устройство управления связано каналом обмена данными с центральным процессором 4. Выход формирователя шкалы времени образует выход первичных часов 1, связанный с первым входом центрального процессора 4 и первым входом формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений.
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 приемовычислительных 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.
Оптический сетевой порт 5 может быть выполнен в виде совокупности приемной и предающей оптронных пар, обеспечивающих прием/передачу сообщений через волоконно-оптическую линию связи, связывающую заявляемое устройство с синхронизируемым объектом - вторичными часами (на структурной схеме не показаны).
Формирователь 6 передаваемых на вторичные часы сообщений может быть выполнен на базе контроллера, преобразующего передаваемые коды времени и сообщения в формат сигналов оптического сетевого порта 5.
Формирователь 7 принимаемых от вторичных часов сообщений может быть выполнен на базе контроллера, преобразующего сигналы, поступающие с оптического сетевого порта 5, в формат сообщений, воспринимаемых центральным процессором 4.
Заявляемое устройство для синхронизации часов работает следующим образом.
Первичные часы 1 формируют шкалу времени первичных часов. Метки шкалы времени первичных часов 1 и их коды, соответствующие времени передачи, с выхода первичных часов 1 поступают на первый вход центрального процессора 4 и первый вход формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений.
На второй вход центрального процессора 4 с выхода формирователя 7 принимаемых от вторичных часов сообщений поступают данные от синхронизируемых вторичных 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 условий приема сигналов) производится выделение меток шкалы времени UTC (SU), содержащихся в принимаемых приемниками 2 и 3 сигналах. Метки шкалы времени UTC (SU) поступают на центральный процессор 4.
В центральном процессоре 4 осуществляется процедура определения величины расхождения между шкалой времени UTC (SU) и шкалой времени 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 совмещение со шкалой времени UTC (SU).
Также в центральном процессоре 4 осуществляется процедура определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени синхронизируемых вторичных часов, а также величины временной задержки на трассе передачи сигналов.
Данные, характеризующие смещение шкалы времени вторичных часов относительно первичных часов, а также величину задержки в канале связи, с выхода центрального процессора 4 поступают на второй вход формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений, на первый вход которого поступают метки шкалы времени первичных часов 1 и их коды, соответствующие времени передачи.
Формирователь 6 передаваемых на вторичные часы сообщений на основе полученных входных данных и сигналов формирует выходные сигналы, которые через оптический сетевой порт 5 поступают в волоконно-оптическую линию связи для передачи на синхронизируемые вторичные часы.
На стороне синхронизируемых вторичных часов эти сигналы используются для синхронизации шкалы времени вторичных часов относительно шкалы времени первичных часов (вопросы выполнения и функционирования вторичных часов не относятся к предмету заявляемой полезной модели и в рамках настоящей заявки не рассматриваются). Кроме этого вторичные часы формируют сообщения обратной связи, которые по волоконно-оптической линии связи поступают на оптический сетевой порт 5 и далее на вход формирователя 7 принимаемых от вторичных часов сообщений. С выхода формирователя 7 данные от вторичных часов поступают на второй вход центрального процессора 4 для последующего определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени вторичных часов, а также временной задержки на трассе передачи сигналов.
Суть процесса определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени вторичных часов, а также временной задержки на трассе передачи сигналов можно пояснить следующим примером.
1
2
2
Метка шкалы времени первичных часов 1 и ее код, соответствующий времени t ее передачи, поступают на первый вход центрального процессора 4, где осуществляется ее фиксация. Эта же метка и ее код поступают с выхода устройства через волоконно-оптическую линию связи на вторичные часы, где фиксируется время t ее приема в шкале времени вторичных часов. Значение времени t представляет собой сумму следующих составляющих:
2
1
см
тр
t=t+Δt+Δt,
1
где: t - время передачи метки времени в шкале времени первичных часов 1;
см
Δt - величина расхождения (смещения) между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени вторичных часов;
тр
Δt - величина временной задержки на трассе распространения сигналов по волоконно-оптической линии связи.
2
3
3
2
Далее зафиксированное значение t, а также метка времени вторичных часов и ее код в момент времени вторичных часов t, где t>t, поступают через волоконно-оптическую линию связи в обратном направлении на оптический сетевой порт 5 и далее на формирователь 7 принимаемых от вторичных часов сообщений, который преобразует сообщения в формат сигналов центрального процессора 4.
2
3
4
Процессором 4 запоминаются значения t и t, а также фиксируется время t приема метки времени вторичных часов в шкале времени первичных часов 1, которое представляет собой сумму следующих составляющих:
4
3
см
тр
t=t-Δt+Δt.
2
3
4
1
см
тр
На основании принятых сообщений о значениях t и t, с учетом зафиксированного значения t и ранее зафиксированного значения t в процессоре 4 рассчитываются искомые значения Δt и Δt по формулам:
см
2
1
4
3
Δt=[(t-t)-(t-t)]/2;
тр
2
1
4
3
Δt=[(t-t)+(t-t)]/2.
Полученные таким образом данные, характеризующие смещение шкалы времени вторичных часов относительно первичных часов 1, а также величину задержки в канале связи, поступают, как указывалось выше, на второй вход формирователя 6 передаваемых на вторичные часы сообщений.
В формирователе 6 эти данные, например, преобразуются в служебное 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.
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.
Источники информации
1. US 3756012, G04C 13/02, опубл. 04.09.1973.
2. SU 591800, G04C 13/02, опубл. 05.02.1978.
3. SU 1160361, G04C 13/02, опубл. 07.06.1985.
4. RU 105752 (U1), G04C 13/00, опубл. 20.06.2011.