ПРИЕМНИК-КОМПАРАТОР СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
RECEIVER-COMPARATOR FOR SATELLITE RADIO NAVIGATION SYSTEM SIGNALS

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для определения относительной отстройки частоты опорных генераторов и стандартов частоты и времени, а также для синхронизации частоты местного (встроенного или внешнего) опорного генератора и местной шкалы времени (ШВ) с образцовым сигналом, формируемым по принимаемым сигналам спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС/GSP и синхронизированным с назначенной системной шкалой времени.
Изобретение может быть использовано в метрологических комплексах для сличения и поверки частоты и шкал времени местных генераторов с образцовыми по сигналам СРНС, а также в синхронизируемых по сигналам СРНС стандартах частоты и времени.
Известны устройства для приема и обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС/GSP: датчик «НАВИОР-С» СН-3834 КБ «НАВИС» [1], модуль приемоизмерительный синхронизирующий К-161 РИРВ [2], СВЧ-приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем по патенту РФ №2097919, кл. 6 Н04В 1/06 [3], приемник-синхронизатор по свидетельству РФ на полезную модель №18812, кл.7 H03D 13/00, H04Q 9/04, 2001 [4], приемник-компаратор сигналов спутниковых радионавигационных систем по патенту РФ №2236753 [5], которые принимают сигналы СРНС и кроме решения навигационной задачи демодулируют, декодируют и обрабатывают временную информацию, формируют от местного генератора, синхронизируемого по сигналам СРНС, выходной сигнал опорной частоты, определяют относительную погрешность частоты местного генератора, формируют местную ШВ, синхронизированную с международной шкалой координированного времени (ШВ UTC).
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения выбран приемник-компаратор сигналов СРНС по патенту РФ на изобретение №2236753 [5], который принимает сигналы СРНС ГЛОНАСС/GSP с помощью приемного устройства типа К-161, обрабатывает и выводит для визуальной индикации временную информацию, в режиме «СТАНДАРТ» формирует от встроенного местного синхронизируемого по сигналам СРНС генератора выходной сигнал опорной частоты, в режиме «ПРИЕМНИК-КОМПАРАТОР» определяет относительную погрешность частоты местного внутреннего или внешнего генератора, с помощью приемного устройства формирует местную ШВ, синхронизированную с ШВ UTC.
К недостаткам вышеуказанных аналогов и прототипа следует отнести их недостаточную точность определения кратковременной нестабильности частоты (за 0,1; 1; 10; 100; 1000 с) высокостабильных генераторов (рубидиевых, цезиевых, водородных стандартов частоты) и при формировании с их помощью ШВ, синхронизированных с ШВ UTC.
-12
-7
-12
-13
-10
-15
у
изм.
изм
Так, типовое значение средней квадратической погрешности формирования ШВ относительно ШВ UTC для большинства модулей синхронизации по сигналам СРНС (в том числе и в прототипе) составляет (20-100) нс, что определяет величину собственной вносимой средней квадратической относительной погрешности измерения относительной отстройки частоты местного генератора порядка 1·10 за время измерения 1 сутки и средней квадратической погрешности измерения характеристик кратковременной нестабильности частоты опорного генератора (ОГ) (средней относительной вариации частоты ξ, среднего относительного изменения частоты ν, средней квадратической относительной случайной вариации частоты σ, среднего квадратического относительного двухвыборочного отклонения частоты (СКДО) σ [6]) порядка δL≈10 с/Т, где L - измеряемая величина, Т. - интервал времени измерения в с (0,1; 1; 10; 100; 1000) [7]. Тогда, как например, величина погрешности частоты высокостабильного цезиевого стандарта частоты составляет менее 1·10, водородного стандарта частоты составляет (1÷2)·10 и менее, а указанные характеристики кратковременной нестабильности частоты составляют от 1·10 до 1·10.
Технической задачей, решение которой достигается предлагаемым устройством, является повышение точности измерения характеристик кратковременной нестабильности частоты местного поверяемого или синхронизируемого по сигналам СРНС генератора (снижение собственной вносимой средней квадратической погрешности при измерении характеристик кратковременной нестабильности частоты), что при одинаковых требованиях по точности сличения частоты местного генератора с эталонной по сигналам СРНС позволяет уменьшить время измерения, а также расширение функциональных возможностей за счет возможности достаточно точного измерения относительной отстройки частоты ОГ и характеристик нестабильности частоты за короткое время измерения - 0,1; 1; 10; 100; 1000 с.
Сущность технического решения заключается в том, что в приемник-компаратор сигналов СРНС, содержащий приемное устройство сигналов СРНС, вход которого является антенным входом устройства, первый выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения приемного устройства, выход которого соединен с третьим входом синхронизатора, синхронизатор, первый выход которого соединен с входом подстройки частоты опорного генератора, второй выход которого соединен с устройством управления и индикации, выход которого соединен с табло жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) (не показан), второй вход которого соединен с клавиатурой (не показана), коммутатор 1, первый вход которого является входом внешнего опорного сигнала приемника-компаратора, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, третий выход синхронизатора является выходом основной ШВ приемника-компаратора; последовательно соединенные формирователь 1 Гц (делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД)), первый вход которого является входом внешнего исследуемого синусоидального сигнала устройства, коммутатор 2, второй вход которого является входом внешней ШВ устройства (приемника-компаратора сигналов СРНС), и ключ 1, выход которого соединен со вторым входом (сброс в «0» счетчика импульсов) синхронизатора; схема синхронизации ФШВ, первый вход которой соединен со вторым выходом синхронизатора, второй вход которой соединен с четвертым выходом синхронизатора, а выход соединен со вторым входом ключа 1; устройство вычисления скользящего среднего, первый вход которого (вход установки числа усреднений N) соединен с вторым выходом синхронизатора, второй вход соединен с четвертым выходом синхронизатора, третий вход стробирования соединен с выходом коммутатора 2, а выход соединен с четвертым входом синхронизатора, второй выход которого соединен также с вторыми входами устройства сопряжения приемного устройства и формирователя 1 Гц (ДПКД) и с третьими входами коммутатора 1 и коммутатора 2, четвертый вход которого соединен со вторым выходом 1 Гц ШВ СРНС приемного устройства сигналов СРНС, дополнительно введены последовательно соединенные блок синтезаторов опорных частот, вход которого соединен с.выходом коммутатора 1, а третий выход со вторым входом первого смесителя-формирователя, первый смеситель-формирователь, первый делитель на 5, второй вход установки в состояние 000 которого соединен со вторым входом установки в состояние 010 второго делителя на 5 и с пятым выходом сигнала начальной предварительной установки синхронизатора, ключ 2, второй вход которого соединен со вторым входом ключа 3 и с шестым выходом сигнала разрешения синхронизатора, и схема ИЛИ, выход которой соединен с первым входом синхронизатора, второй вход которой соединен с выходом ключа 3, а третий вход которой соединен с выходом коммутатора 2; последовательно соединенные второй смеситель-формирователь, первый вход которого соединен с первым выходом блока синтезаторов опорных частот, второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя 1 Гц (ДПКД), второй делитель на 5 и ключ 3; при этом второй выход блока синтезаторов опорных частот соединен с пятым входом синхронизатора.
На чертеже представлена структурная электрическая схема приемника-компаратора сигналов СРНС.
Приемник-компаратор сигналов СРНС содержит приемное устройство сигналов СРНС (1), вход которого является антенным входом устройства, первый выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения приемного устройства (3), выход которого соединен с третьим входом синхронизатора (2), синхронизатор (2), первый выход которого соединен с входом подстройки частоты опорного генератора (4), второй выход которого соединен с устройством управления и индикации (5), выход которого соединен с табло ЖКИ (не показан), второй вход которого соединен с клавиатурой (не показана), коммутатор 1 (10), первый вход которого является входом внешнего опорного сигнала приемника-компаратора, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора (4), третий выход синхронизатора является выходом основной ШВ приемника-компаратора; последовательно соединенные формирователь 1 Гц (ДПКД) (12), первый вход которого является входом внешнего исследуемого синусоидального сигнала устройства, коммутатор 2 (13), второй вход которого является входом внешней ШВ устройства (приемника-компаратора сигналов СРНС), и ключ 1 (14), выход которого соединен со вторым входом (сброс в «0» счетчика импульсов (8)) синхронизатора (2), схема синхронизации ФШВ (15), первый вход которой соединен со вторым выходом синхронизатора (2), второй вход которой соединен с четвертым выходом синхронизатора (2), а выход соединен со вторым входом ключа 1 (14); устройство вычисления скользящего среднего (16), первый вход которого (вход установки числа усреднений N) соединен с вторым выходом синхронизатора (2), второй вход соединен с четвертым выходом синхронизатора (2), третий вход стробирования соединен с выходом коммутатора 2 (13), а выход соединен с четвертым входом синхронизатора (2), второй выход которого соединен также с вторыми входами устройства сопряжения приемного устройства (3) и формирователя 1 Гц (ДПКД) (12) и с третьими входами коммутатора 1 (10) и коммутатора 2 (13), четвертый вход которого соединен с вторым выходом 1 Гц ШВ СРНС приемного устройства сигналов СРНС (1); последовательно соединенные блок синтезаторов опорных частот (11), вход которого соединен с выходом коммутатора 1 (10), а третий выход со вторым входом первого смесителя-формирователя (17), первый смеситель-формирователь (17), первый делитель на 5 (19), второй вход установки в состояние 000 которого соединен со вторым входом установки в состояние 010 второго делителя на 5 (20) и с пятым выходом сигнала начальной предварительной установки синхронизатора (2), ключ 2 (21), второй вход которого соединен со вторым входом ключа 3 (22) и с шестым выходом сигнала разрешения синхронизатора (2), и схема ИЛИ (23), выход которой соединен с первым входом синхронизатора (2), второй вход которой соединен с выходом ключа 3 (22), а третий вход которой соединен с выходом коммутатора 2 (13); последовательно соединенные второй смеситель-формирователь (18), первый вход которого соединен с первым выходом блока синтезаторов опорных частот (11), второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя 1 Гц (ДПКД) (12), второй делитель на 5 (20) и ключ 3 (22); при этом второй выход блока синтезаторов опорных частот (11) соединен с пятым входом синхронизатора (2).
изм.
Работа приемника-компаратора сигналов СРНС в режиме «СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ» с подстройкой частоты внутреннего или внешнего опорного генератора и в режиме «ПРИЕМНИК-КОМПАРАТОР» с измерением отстройки частоты и характеристик нестабильности частоты внутреннего или внешнего исследуемого опорного генератора за большое время измерения T=1 сутки, 10 суток и более) осуществляется аналогично прототипу с собственной вносимой средней квадратической относительной погрешностью:
СРНC
где σ - среднее квадратическое случайное отклонение (СКО) ШВ СРНС с приемного устройства сигналов СРНС ((1), фиг.1);
N - число секунд при вычислении скользящего среднего [5];
изм.
Т - интервал времени измерения.
изм.
При N=1, Т=86400 с (1 сутки) для прототипа [7]:
где L - определяемая величина характеристики нестабильности частоты.
1
При этом высокая опорная частота (100 МГц), которая формировалась в прототипе схемой АПЧ опорной частоты, формируется блоком синтезаторов опорных частот (11), а ключ 2 (21) и ключ 3 (22) закрыты запрещающим потенциалом сигнала разрешения с шестого выхода синхронизатора 2, поступающего с формирователя управляющих сигналов вычислений и параметров алгоритмов работы (7).
-12
В режиме работы «СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ» через определенное время, требуемое для подстройки по сигналам СРНС частоты внутреннего опорного рубидиевого генератора с гарантируемой относительной погрешностью, например, 2·10 для ЧК7-54 через 8 ч после включения, появляется возможность проводить измерения характеристик кратковременной нестабильности частоты исследуемых генераторов по отношению к точной, подстроенной к Госэталону по сигналам СРНС, частоте внутреннего опорного генератора прибора. Указанные функции осуществляются с помощью блоков (11), (17)-(23), (2), (5).
0
X
0
X
Частота опорного сигнала 10 МГц внутреннего или внешнего генератора делится до 1 МГц в блоке синтезаторов опорных частот (11) и с его третьего выхода поступает на второй вход первого смесителя-формирователя (17), а также в этом же блоке умножается до 100 МГц и со второго выхода поступает на пятый вход синхронизатора (2) на счетчик импульсов с параллельным опросом (8). В блоке синтезаторов опорных частот (11) формируется сигнал частоты 0,999500025 МГц, который поступает на первые входы первого (17) и второго (18) смесителей-формирователей. На вторые входы смесителей поступают соответственно опорный с частотой f=1 МГц и исследуемый с частотой f=1 МГц сигналы. Смесители осуществляют преобразование сигналов к низкой частоте F и F (500 Гц) с умножением временных флуктуаций сигналов.
0
0
x
x
1
Умножение временных флуктуаций при измерении отклонения или нестабильности частоты основано на использовании двухканального гетеродинного преобразования частоты. Сигналы разностной частоты F=f/k и F=f/k с первого и второго смесителей после фильтрации и формирования поступают на первый и второй делители частоты на 5 соответственно, которые делят частоту сигналов до 100 Гц и обеспечивают постоянный временной сдвиг между импульсами 100 Гц обоих каналов, равный 4 мс, что обеспечивается предварительной установкой делителей на 5 в состояние 000 по образцовому каналу и в состояние 010 по исследуемому каналу соответственно сигналами начальной предварительной установки, поступающими с формирователя управляющих сигналов вычислений и параметров алгоритмов работы (7) в блоке синхронизатора (2) в начале измерения при выборе соответствующего режима. Такой постоянный сдвиг между импульсами каналов необходим, чтобы процессор (7) успевал считывать с регистра памяти (9) и обрабатывать данные об интервале между импульсами 100 Гц обоих каналов, этот интервал является разностью между считываемыми с регистра памяти (9) данными о моменте прихода импульса 100 Гц опорного канала и данными о моменте прихода импульса 100 Гц исследуемого канала.
-8
-3
-12
В результате такого преобразования частоты сигналов их разность фаз не изменяется, а временной сдвиг (временные флуктуации) на низкой частоте увеличивается в k раз, что в k раз увеличивает разрешающую способность измерения с такой же опорной частотой (100 МГц), от которой работает основной ФШВ (6), что и в прототипе. Таким образом, разрешающая способность прототипа, равная 10 с (при 100 МГц), в предлагаемом приборе будет улучшена в k раз, что равно 2·10, и составит 5·10 с. Эта величина может быть дополнительно снижена в  раз применением усреднения к измеряемым интервалам времени между импульсами 100 Гц опорного и исследуемого каналов.
1
Ключ 2 (21) и ключ 3 (22) пропускают импульсы с частотой следования 100 Гц соответственно опорного и исследуемого каналов в интервале времени между импульсами ШВ 1 Гц с выхода коммутатора 2 (13) при наличии сигнала «РАЗРЕШЕНИЕ» положительной полярности, поступающего с шестого выхода синхронизатора (2) (с формирователя управляющих сигналов вычислений и параметров алгоритмов работы (7)) с началом работы приемника-компаратора в выбранном режиме. Через схему ИЛИ (23) импульсы с частотой следования 100 Гц опорного и исследуемого каналов поочередно с установленным между ними интервалом в 4 мс поступают на вход «ОПРОС» регистра памяти (9) в синхронизаторе (2). При использовании усреднения группа импульсов 100 Гц опорного канала и следующих за ними поочередно импульсов 100 Гц исследуемого канала выбирается (с помощью сигнала «РАЗРЕШЕНИЕ») во временном промежутке (или промежутках) между импульсами ШВ 1 Гц.
Флуктуации частоты, вносимые блоком синтезаторов опорных частот (11), коррелируются и, следовательно, исключаются из результатов измерения.
При исследовании сигналов с частотами 5 и 10 МГц исследуемые сигналы 1 МГц получаются делением частоты соответственно на 5 и на 10, осуществляемым в формирователе 1 Гц (ДПКД) (12).
изм.
i
изм.
Индикатор приемника-компаратора в указанном режиме с периодом Т индицирует либо усредненный по N значениям интервал времени Δt, приведенный к входным сигналам и пропорциональный разности их фаз, либо приращение этого интервала за время Т, пропорциональное относительному отклонению частоты исследуемого сигнала от номинального значения, либо вычисленное значение определяемой характеристики нестабильности частоты.
i
изм.
ПК
изм.
-12
-12
-12
По значениям Δt могут быть вычислены относительное отклонение частоты, усредненное на интервале Т,  и относительная вариация частоты ; величины  и  позволяют определить различные оценки кратковременной нестабильности частоты. При этом полученная разрешающая способность ~5·10 предлагаемого приемника-компаратора по отношению к точно подстроенному (с относительной погрешностью 2·10) опорному внутреннему или внешнему сигналу ОГ будет определять его погрешность при измерении относительной отстройки частоты и характеристик кратковременной нестабильности частоты исследуемого сигнала (без учета вносимой погрешности блоками, осуществляющими преобразование частоты, которая меньше 1-10). Таким образом, указанная относительная погрешность δL предлагаемого приемника-компаратора, например, для N=1, Т=1 с составит
4
сравнивая с (3), получим . To есть погрешность предлагаемого приемника-компаратора приблизительно в 2·10 раз меньше, чем у прототипа.
Практическая реализация блоков предлагаемого приемника-компаратора может быть выполнена на выпускаемых серийно микросхемах или программным образом.
Блоки 1-10, 12-16 могут быть выполнены аналогично прототипу.
Блок 11 (блок синтезаторов опорных частот) может быть выполнен программным образом на высокочастотных программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) типа «SPARTAN 3» ф. «XILINX».
Блоки 17 и 18 (смесители-формирователи) могут быть выполнены на микросхемах-смесителях АD835AR с RC-фильтрами и компараторах-формирователях импульсного сигнала из синусоидального AD8611AR.
Блоки 19 и 20 (делители на 5 с предварительной установкой) могут быть выполнены программным образом на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) ф. «XILINX».
Блоки 21 и 22 (ключи) могут быть выполнены на логических элементах «И-НЕ» микросхемы 1533ЛАЗ, выводы 1, 2 и 4, 5 - входы, выводы 3 и 6 соответственно - выходы, вывод 14 - + 5 В, вывод 7 - корпус.
Блок 23 (схема «ИЛИ») может быть выполнен на двух последовательно соединенных логических элементах «ИЛИ» микросхемы 1533ЛЛ1, выводы 1, 2 - первые два входа блока 23, вывод 3 - выход первого логического элемента «ИЛИ» соединен с выводом 4 второго логического элемента «ИЛИ», вывод 5 которого является третьим входом блока 23, а вывод 6 микросхемы является выходом блока 23; вывод 14 - +5 В, вывод 7 - корпус.
4
Предлагаемый приемник-компаратор СРНС обладает большей точностью измерения характеристик кратковременной нестабильности частоты (меньшей в ~2·10 раз собственной вносимой средней квадратической относительной погрешностью измерения относительной отстройки частоты поверяемых генераторов) за счет работы блоков, обеспечивающих преобразование частоты опорного и исследуемого сигналов с умножением временных флуктуаций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Рекламный проспект одноплатного навигационного датчика «НАВИОР-С», КБ «НАВИС», 2001.
2. Навигационно-временной приемник К-161 спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. Рекламный проспект, ФГУП «РИРВ», 2000.
3. СВЧ-приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем. Патент РФ №2097919, кл. 6 Н04В 1/06.
4. Приемник-синхронизатор. Свидетельство РФ на полезную модель №18812, кл.7 H03D 13/00, H04Q 9/04, 2001.
5. Приемник-компаратор сигналов спутниковых радионавигационных систем. Патент РФ №2236753; МПК: 7 Н04В 7/00, G04C 11/02, H03D 13/00, H04Q 9/04 (прототип).
6. ГОСТ 8.567-99. Измерения времени и частоты. Термины и определения.
7. Приемник-компаратор ЧК7-54. Руководство по эксплуатации. ЯНТИ. 411146034 РЭ.