СИСТЕМА КОРРЕКЦИИ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ГРУППЫ УДАЛЕННЫХ ЧАСОВ
SYSTEM FOR CORRECTING TIME SCALES OF REMOTE CLOCK GROUP

Изобретение относится к средствам временной синхронизации и может быть использовано при решении задач коррекции шкал времени группы удаленных часов относительно шкалы времени центральных часов.
Конкретно, изобретение относится к построению системы коррекции шкал времени группы удаленных часов относительно шкалы времени центральных часов, в которой центральные и удаленные часы представляют собой радиотехнические устройства, содержащие в своем составе средства формирования шкал времени, а также средства их коррекции, причем средства формирования шкалы времени включают в себя высокостабильный опорный генератор и подключенный к его выходу делитель частоты с формирователем сигналов меток времени - сигналов, образующих шкалу времени, а коррекция шкал времени группы удаленных часов заключается в приведении формируемых удаленными часами шкал времени в определенное соответствие со шкалой времени центральных часов.
Известны системы коррекции шкал времени группы удаленных часов, в которых сигналы шкалы времени центральных часов, образующие опорную шкалу времени, передаются по каналам связи на удаленные часы, где сравниваются с формируемыми местными шкалами времени и определяются величины их рассогласования, которые далее используются для коррекции местных шкал времени. Примеры построения таких систем представлены, в частности, в авторских свидетельствах и патентах: [1] - US 3756012 (A), G04C 13/02, опубл. 04.09.1973 (Fig. 8); [2] - SU 591800 (A1), G04C 13/02, опубл. 05.02.1978; [3] - SU 1160361 (A), G04C 13/02, опубл. 07.06.1985. Основным недостатком таких систем является зависимость результатов коррекции от недетерминированных задержек, возникающих в каналах связи при передаче по ним сигналов от центральных часов к удаленным. Это приводит к необходимости постоянного измерения текущих задержек и их учета при коррекции удаленных часов, например, как это предлагается осуществлять в работе [4] - Донченко С.С., Колмогоров О.В., Прохоров Д.В. Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени // Измерительная техника, 2015, №1, с. 14-17. Однако такое решение существенно усложняет практическую реализацию систем коррекции шкал времени группы удаленных часов.
Принципиально другой подход к решению проблемы коррекции шкал времени группы удаленных часов, исключающий необходимость в непосредственной передаче к удаленным часам сигналов шкалы времени центральных часов и связанную с этим необходимость в вычислении задержек в каналах связи, заключается в использовании внешней опорной шкалы времени, по отношению к которой определяются рассогласования шкал времени всех часов, входящих в систему. Полученные данные об этих рассогласованиях позволяют далее путем соответствующих расчетов найти искомые рассогласования уже между шкалой времени центральных часов и шкалами времени удаленных часов и осуществить, при необходимости, коррекцию шкал времени удаленных часов.
Указанный подход реализован, в частности, в принятой в качестве прототипа системе коррекции шкал времени группы удаленных часов, рассмотренной в книге [5] -Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Под ред. Шебшаевича B.C. // М., Радио и связь, 1993, с. 255-257, рис. 17.2.
Система коррекции шкал времени группы удаленных часов, принятая в качестве прототипа, содержит центральные часы и группу удаленных часов, связанных с центральными часами каналами передачи данных. Каждые из указанных часов содержат блок формирования собственной шкалы времени, блок приема внешней опорной шкалы времени, в качестве которой используется шкала времени сети навигационных космических аппаратов (НКА), и связанный с ними блок сличения шкал времени, служащий для определения величины рассогласований между собственной шкалой времени и внешней опорной шкалой. Также система-прототип содержит средства вычисления поправок к шкалам времени удаленных часов. Эти средства, реализованные в виде соответствующих блоков, размещены на удаленных часах, причем один вход каждого из этих блоков связан с выходом своего блока сличения шкал времени, а другой через канал передачи данных связан с выходом блока сличения шкал времени, входящего в состав центральных часов. С помощью этих средств путем сравнение величин рассогласования, получаемых на удаленных часах, с величиной рассогласования, получаемой на центральных часах, определяются индивидуальные поправки к шкалам времени удаленных часов.
Работа системы коррекции шкал времени группы удаленных часов, принятой в качестве прототипа, осуществляется следующим образом.
С помощью блоков формирования шкал времени на центральных и удаленных часах формируются собственные шкалы времени. Эти шкалы с течением времени начинают расходиться, что требует их периодической коррекции. В рассматриваемом случае эта коррекция заключается в приведении шкал времени удаленных часов в определенное соответствие со шкалой времени центральных часов.
Осуществляется коррекция шкал времени удаленных часов следующим образом. С помощью соответствующих блоков приема внешней опорной шкалы времени на центральных и удаленных часах получают сигналы шкалы времени сети НКА. Эта шкала времени периодически синхронизируется относительно общей системной шкалы времени UTC (международной шкалы координированного времени), что позволяет использовать ее в качестве внешней опорной шкалы времени.
цч
цч
нка
цч
нка
цч
С помощью своего блока сличения шкал времени на центральных часах определяется величина Δt рассогласования шкалы времени центральных часов (t) и шкалы времени сети НКА (t), т.е. Δt=t-t.
i
i
нка
i
нка
i
i
цч
С помощью своих блоков сличения шкал времени на каждых i-ых удаленных часах определяются величины Δt рассогласования своей шкалы времени (t) и шкалы времени сети НКА (t), т.е. Δt=t-t. Данные о величине рассогласования Δt поступают на соответствующий вход своего блока вычисления поправок к шкалам времени удаленных часов, на другой вход которого по каналу передачи данных поступают данные о величине рассогласования Δt, формируемые на центральных часах.
i
цч
цч
i
i
цч
В блоке вычисления поправок к шкалам времени удаленных часов каждых i-ых удаленных часов осуществляется сравнение величин рассогласования, получаемых на i-ых удаленных часах (Δt), с величиной рассогласования, получаемой на центральных часах (Δt). Результат сравнения, определяемый как разность Δt-Δt, дает искомую величину расхождения шкалы времени i-ых удаленных часов относительно шкалы времени центральных часов, т.е. t-t, которая определяет величину индивидуальной поправки для шкалы времени соответствующих удаленных часов.
Эта поправка, при необходимости, используется в процессе коррекции шкалы времени соответствующих удаленных часов, осуществляемой с помощью средств коррекции, входящих в блок формирования собственной шкалы времени данных удаленных часов.
Особенностью рассмотренной коррекции шкал времени удаленных часов относительно шкалы времени центральных часов, реализуемой в прототипе, является то, что максимальная точность коррекции достигается при условии идентичности воспроизведения внешней опорной шкалы времени на центральных часах и на удаленных часах. В рассматриваемом случае, когда в качестве внешней опорной шкалы времени используется шкала времени сети НКА, эта внешняя опорная шкала может воспроизводиться по-разному на центральных и удаленных часах, что обусловлено спецификой ее получения на основе принимаемых из эфира сигналов НКА. Дело в том, что эта шкала формируется в результате обработки сигналов нескольких (как правило, четырех) НКА, выбор которых в силу разных причин может быть различен (зависит от зоны видимости, мощности сигнала, геометрического фактора и других объективных параметров). В результате на удаленных друг от друга часах в общем случае могут приниматься сигналы от различающихся по составу групп НКА, бортовые шкалы времени которых могут отличаться из-за дрейфа частоты бортовых синхронизаторов и разновременности процедур их синхронизации, осуществляемой наземными пунктами слежения.
В силу указанных факторов величины расхождений между шкалами времени НКА, воспроизводимыми на удаленных друг от друга часах, могут составлять до 50 нс за сутки. Эта величина напрямую входит в ошибку коррекции шкал времени удаленных часов, увеличивая ее, что для ряда применений может быть недопустимым.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание системы коррекции шкал времени группы удаленных часов, в которой снижено влияние фактора дрейфа бортовых шкал времени НКА на точность осуществляемой коррекции. Результат достигается за счет предложенного использования групповой поправки, рассчитываемой в условиях совпадения шкал времени НКА на центральных и удаленных часах.
Сущность изобретения заключается в следующем. Система коррекции шкал времени группы удаленных часов содержит центральные часы и группу удаленных часов, связанных с центральными часами каналами передачи данных, а также средства вычисления поправок к шкалам времени удаленных часов. При этом каждые из указанных часов содержат блок формирования собственной шкалы времени, блок приема шкалы времени НКА и связанный с ними блок сличения шкал времени. В отличие от прототипа, средства вычисления поправок к шкалам времени удаленных часов выполнены в виде вычислительного блока, размещенного на центральных часах. При этом в состав центральных часов также входят входной и выходной коммутаторы и блок отбора данных о величинах рассогласований шкал времени. Первый и второй входы блока отбора данных о величинах рассогласований шкал времени связаны, соответственно, с выходом блока сличения шкал времени, входящего в состав центральных часов, и выходом входного коммутатора, а выход связан с входом вычислительного блока. Выход вычислительного блока связан с входом выходного коммутатора, выходы которого связаны посредством соответствующих каналов передачи данных с корректирующими входами блоков формирования собственной шкалы времени соответствующих удаленных часов. Входы входного коммутатора связаны посредством соответствующих каналов передачи данных с выходами блоков сличения шкал времени соответствующих удаленных часов.
Сущность изобретения и его осуществимость поясняются обобщенной структурной схемой системы коррекции шкал времени группы удаленных часов.
1,
2
N
Заявляемая система коррекции шкал времени группы удаленных часов содержит центральные часы 1 и группу из N удаленных часов 2 (2 2, …2), где N>1. Центральные часы 1 и удаленные часы 2 связаны соответствующими каналами передачи данных.
Каждые из удаленных часов 2 содержат блок 3 формирования собственной шкалы времени, блок 4 приема шкалы времени НКА и связанный с ними блок 5 сличения шкал времени.
Центральные часы 1 содержат блок 6 формирования собственной шкалы времени, блок 7 приема шкалы времени НКА и связанный с ними блок 8 сличения шкал времени. В состав центральных часов 1 также входят: блок 9 отбора данных о величинах рассогласований шкал времени, вычислительный блок 10, входной 11 и выходной 12 коммутаторы. Первый и второй входы блока 9 отбора данных о величинах рассогласований шкал времени связаны, соответственно, с выходом блока 8 сличения шкал времени и выходом входного коммутатора 11, а выход связан с входом вычислительного блока 10. Выход вычислительного блока 10 связан с входом выходного коммутатора 12, выходы которого связаны посредством соответствующих каналов передачи данных с корректирующими входами блоков 3 формирования собственной шкалы времени соответствующих удаленных часов 2. Входы входного коммутатора 11 связаны посредством соответствующих каналов передачи данных с выходами блоков 5 сличения шкал времени соответствующих удаленных часов 2.
Все указанные функциональные блоки и элементы заявляемой системы являются типовыми блоками и элементами, используемыми в существующих системах формирования, распределения и синхронизации сигналов точного времени.
В частности, в качестве блоков 4 и 7 приема шкалы времени НКА могут использоваться приемники сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС или GPS, обеспечивающие возможность получения наряду со шкалой времени НКА и навигационными данными также идентификационных номеров используемых НКА и другой служебной информации.
Блоки 3 и 6 формирования собственной шкалы времени могут быть реализованы традиционным образом на основе высокостабильных, например квантовых (рубидиевых, цезиевых) стандартов частоты и времени, а также соответствующих делителей частоты и формирователей меток времени, оснащенных соответствующими средствами коррекции их временного положения. При этом средства коррекции блоков 3 удаленных часов 2 оснащаются также средствами приема корректирующих сигналов, поступающих от центральных часов 1 по каналам передачи данных.
Блоки 5 и 8 сличения шкал времени могут быть реализованы на основе типовых устройств измерения временных интервалов и преобразования их в цифровой код.
Вычислительный блок 10, выполняющий функцию средства вычисления поправок к шкалам времени удаленных часов, может быть реализован на специализированной большой интегральной схеме или специализированном контроллере. Также на специализированном контроллере может выполняться блок 9 отбора данных о величинах рассогласований шкал времени.
Коммутаторы 11 и 12 могут быть реализованы с использованием стандартных, выпускаемых промышленностью, управляемых коммутаторах сообщений, например, управляемых коммутаторах SD-4008 SD-4205-F, дополненных соответствующими при-емо-передающими устройствами и средствами необходимого форматирования передаваемых и принимаемых данных. При этом вид приемо-передающих средств и вид форматирования определяются видом используемых каналов передачи данных (радиоканал, проводная или оптоволоконная линия) и особенностями их последующей обработки.
Работа заявляемой системы по коррекции шкал времени группы удаленных часов относительно центральных часов происходит следующим образом.
На центральных 1 и удаленных 2 часах с помощью блоков 6 и 3 формирования собственных шкал времени формируются шкалы времени, которые с течением времени начинают расходиться, что в рамках решаемой задачи требует их периодической коррекции, заключающейся в приведении шкал времени удаленных часов в определенное соответствие со шкалой времени центральных часов.
Коррекция шкал времени удаленных часов 2 осуществляется периодически, в определенные сеансы. Периодичность сеансов определяется характеристиками стабильности стандартов частоты и времени, используемых в блоках формирования собственных шкал времени.
С помощью блоков 7 и 4 приема шкалы времени НКА на центральных 1 и удаленных 2 часах на основе принимаемых сигналов НКА осуществляется воспроизведение шкалы времени НКА с указанием момента воспроизведения и идентификационных номеров используемых НКА. При этом, как и в прототипе, воспроизведение шкалы времени НКА на разных часах в общем случае происходит по-разному, в зависимости от конкретных наборов используемых НКА.
цч
цч
нка
цч
нка
цч
цч
На центральных часах 1 с помощью блока 8 сличения шкал времени определяется величина Δt рассогласования шкалы времени центральных часов (t) и шкалы времени НКА (t), т.е. Δt=t-t Данные о величине Δt передаются на первый вход блока 9 отбора данных о величинах рассогласований шкал времени вместе с данными об идентификационных номерах используемых НКА и моменте воспроизведения шкалы времени НКА на центральных часах 1.
i
i
i
i
нка
i
i
i
На каждых i-ых удаленных часах 2 с помощью блока 5 сличения шкал времени определяется величина Δt рассогласования шкалы времени удаленных часов 2 и шкалы времени сети НКА, т.е. Δt=t-t. Данные о величине Δt вместе с данными об идентификационных номерах используемых НКА и моменте воспроизведения шкалы времени НКА на удаленных часах 2 передаются по каналу передачи данных на соответствующий вход входного коммутатора 11.
Входной коммутатор 11 поочередно переключает входные каналы, осуществляя передачу указанного набора данных от каждых из N удаленных часов 2 на второй вход блока 9 отбора данных о величинах рассогласований шкал времени.
i
цч
*
В блоке 9 отбора данных о величинах рассогласований шкал времени осуществляется анализ поступивших данных от всех удаленных часов 2 и выбор значения Δt, которое по условиям своего получения (совпадению идентификационных номеров НКА и близости моментов воспроизведения шкал времени НКА) наиболее соответствует условиям получения значения Δt на центральных часах 1.
i
цч
0
0
цч
i
*
*
Данные о выбранном значении Δt вместе с данными о значении Δt поступают на вход вычислительного блока 10, где осуществляется вычисление групповой поправки ΔТ к шкалам времени удаленных часов 2, определяемой как ΔТ=Δt-Δt.
0
Данные о вычисленной поправке ΔТ поступают через выходной коммутатор 12 и соответствующие каналы передачи данных на корректирующие входы блоков 3 формирования собственной шкалы времени N удаленных часов 2, приводя шкалу времени удаленных часов 2 в соответствие со шкалой времени центральных часов 1.
При такой процедуре коррекции влияние фактора дрейфа бортовых шкал времени НКА на точность осуществляемой коррекции минимизируется. При этом точность коррекции тем выше, чем стабильнее шкалы времени, формируемые на удаленных часах 2, что обеспечивается соответствующим выбором стандартов частоты и времени, входящих в состав блоков 3 удаленных часов 2.
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании системы коррекции шкал времени группы удаленных часов, характеризующейся снижением влияния фактора дрейфа бортовых шкал времени НКА на точность осуществляемой коррекции.
Источники информации
1. US 3756012 (A), G04C 13/02, опубл. 04.09.1973 (Fig. 8).
2. SU 591800 (A1), G04C 13/02, опубл. 05.02.1978.
3. SU 1160361 (A), G04C 13/02, опубл. 07.06.1985.
4. Донченко С.С., Колмогоров О.В., Прохоров Д.В. Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени // Измерительная техника, 2015, №1, с. 14-17.
5. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Под ред. Шебшаевича B.C. // М., Радио и связь, 1993, с. 255-257, рис. 17.2.