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

Предлагаемый способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (PCДБ), а также в службе единого времени и частоты.
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 №№2.000.143, 2.003.157, 2.040.035, 2.177.167, 2.292.574, 2.386.159, 2.439.643; B.C. Губанов, A.M. Финкельштейн, П.А. Фридман. Введение в радиоастрометрию. - М.: 1983 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемому является «Способ синхронизации часов» (патент РФ № 2.292.574, G04C 11/02, 2005) и устройство для его реализации, которые и выбраны в качестве прототипов.
Известные способ и устройство обеспечивают сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основаны 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, техники измерения временных интервалов, расстояния от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения относительно наземных пунктов, которые определяются доплеровским смещением несущей частоты используемых сигналов.
Технической задачей изобретения является повышение точности синхронизации удаленных шкал времени путем измерения расстояния от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения относительно наземного пункта.
1
1
1
1
2
3
1
3
1
2
2
Г2
Э1
Поставленная задача решается тем, что способ синхронизации часов, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на одновременном приеме разнесенными 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 ω, 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 искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнал на частоте ω, переизлучают его на первой и второй пункты 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 такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω и переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω с сохранением фазовых соотношений, принимаемый сигнал на частоте ω преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на -90°, суммируют с исходным напряжением второй промежуточной частоты, перемножают 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 полученное суммарное напряжение преобразуют по частоте с использованием напряжения первой эталонной частоты ω, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты
пр3
пр2
Д
Э1
ω=ω+Ω-ω,
преобразуют его по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты
Э2
пр2
Э1
0
ω=ω-ω-Ω,
0
Д
где Ω - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения Ω, выделяют напряжение низкой частоты
Н
Д
0
ω=Ω+Ω,
Н
Н
0
Н
0
З
измеряют низкую частоту ω и в зависимости от того ω>Ω или ω<Ω,определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора, одновременно полученное суммарное напряжение перемножают с шумоподобным СВЧ-сигналом, пропущенным через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ до получения равенства τ=τ, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), поддерживают ее и определяют дальность от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><msub><mi>τ</mi><mi>З</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где с - скорость распространения радиоволн.
Поставленная задача решается тем, что устройство для синхронизации часов, содержащее геостационарный ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные стандарт частоты и времени, первый гетеродин, первый смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым выходом генератора псевдослучайного сигнала, усилитель первой 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 стандарта частоты и времени, первый усилитель второй промежуточной частоты, сумматор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, второй клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и измеритель задержек и их производных, выход которого является выходом наземного пункта, последовательно подключенные к третьему выходу стандарта частоты и времени генератор псевдослучайного сигнала, первый клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство, выход которого соединен с вторым входом измерителя задержек и их производных, последовательно подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на 90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено блоком эталонных частот, четвертым и пятым смесителями, усилителем третьей промежуточной частоты, вторым перемножителем, двумя фильтрами нижних частот, экстремальным регулятором, блоком регулируемой задержки, индикатором дальности и измерителем доплеровской частоты, причем к выходу ключа последовательно подключены четвертый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, усилитель третьей промежуточной частоты, пятый смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом блока эталонных частот, первый фильтр нижних частот, первый фильтр нижних частот и измеритель доплеровской частоты, к выходу ключа последовательно подключены второй перемножитель второй фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и блок регулируемой задержки, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайного сигнала, первый выход - соединен с вторым входом второго перемножителя, а второй выход подключен к индикатору дальности.
Геометрическая схема расположения пунктов A, B и 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, наземных пунктов A и B соответственно.
Структурная схема аппаратуры одного из наземных пунктов (A), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг.3.
Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг.4.
Устройство для синхронизации часов содержит последовательно включенные стандарт 1 частоты и времени, первый гетеродин 2.1, первый смеситель 5, второй вход которого через переключатель 4 соединен с первым выходом генератора псевдослучайного сигнала, 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 с первым выходом стандарта 1 частоты и времени, первый усилитель 14 второй промежуточной частоты, сумматор 22, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, узкополосный фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26, второй вход которого соединен с выходом сумматора 22, второй клиппер 15, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта 1 частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство 16 и измеритель 17 задержек и их производных, выход которого является выходом аппаратуры наземного пункта. К третьему выходу стандарта 1 частоты и времени последовательно подключены генератор 3 псевдослучайного сигнала, первый клиппер 10, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта 1 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 первый фазовращатель 18 на 90°, третий смеситель 19, второй вход которого соединен со выходом второго усилителя 12 мощности, второй усилитель 20 второй промежуточной частоты и второй фазовращатель 21 на -90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 22. К выходу ключа 26 последовательно подключены четвертый смеситель 28, второй вход которого соединен с первым выходом блока 27 эталонных частот, усилитель 29 третьей промежуточной частоты, пятый смеситель 30, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 27 эталонных частот, первый фильтр 31 нижних частот и измеритель 32 доплеровской частоты. К выходу ключа 26 последовательно подключены второй перемножитель 34, второй фильтр 35 нижних частот, экстремальный регулятор 36 и блок 37 регулируемой задержки, второй вход которого соединен с выходом генератора 3 псевдослучайного сигнала, первый выход соединен с вторым входом второго перемножителя 34, второй выход - подключен к индикатору 38 дальности.
Второй перемножитель 34, второй фильтр 35 нижних частот, экстремальный регулятор 36 и блок 37 регулируемой задержки образуют коррелятор 33.
Синхронизацию часов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mi>A</mi></msubsup></mrow>
1
В момент времени
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 (K=1, 2, … N-1);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=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(ωt+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><mtext>U</mtext><mrow><mtext>пр1</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></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><mo>;</mo></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
Д
P
k
з
2
c
u(t)=Ucos[(ω±Ω)(t-τ)+φ(t-τ)+φ], 0≤t≤T,
д
где ±′Ω - доплеровское смещение частоты;
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow>
- время запаздывания ретранслированного сигнала относительно запросного;
R - расстояние от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора;
с - скорость распространения радиоволн, принимается приемопередающей антенной 9 и через дуплексер 8 и усилитель 12 мощности поступает на первые входы второго 13 и третьего 19 смесителя и первого перемножителя 23. На вторые входы смесителей 13 и 19 подаются напряжения второго гетеродина 2.2:
Г2
Г2
Г2
Г2
u(t)=Ucos(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 значение второй промежуточной частоты (фиг.4)
Г2
Г1
пр2
ω-ω=ω.
На выходе смесителей 13 и 19 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителями 14 и 20 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:
пр2
пр2
пр2
Д
з
k
з
пр2
u(t)=Ucos[(ω±Ω)(t-τ)+φ(t-τ)+φ],
пр3
пр2
пр2
Д
з
k
з
пр2
c
u(t)=Ucos[(ω±Ω)(t-τ)+φ(t-τ)+φ+90°], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mrow><mtext>пр2</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></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><mo>;</mo></mrow>
где
1
K - коэффициент передачи смесителя
пр2
Г2
2
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр2
Г2
2
φ=φ-φ.
пр3
Напряжение u(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение
пр4
пр2
пр2
Д
з
k
з
пр2
u(t)=Ucos[(ωt±Ω)(t-τ)+φ(t-τ)+φ+90°-90°]=
пр2
пр2
Д
k
з
пр2
=Ucos[(ωt±Ω)+φ(t-τ)+φ].
пр2
пр4
Напряжения u(t) и u(t) с выхода усилителя 14 второй промежуточной частоты и фазовращателя 21 на -90° поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется суммарное напряжение
Σ
Σ
пр2
Д
k
з
пр2
c
u(t)=Ucos[(ω±Ω)+φ(t-τ)+φ], 0≤t≤I,
Σ
пр2
где U=2U,
которое поступает на второй вход первого перемножителя 23. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
1
1
U2
Г2
c
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></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><mo>;</mo></mrow>
где
2
K - коэффициент передачи перемножителя,
H
Г2
H
Г2
которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ω которого выбирается равной частоте ω 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
Σ
При этом напряжение u(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает одновременно на первый вход второго клиппера 15, четвертого смесителя 28 и второго перемножителя 34. Во втором клиппере 15 указанное суммарное напряжение u(t) клиппируется, а затем записывается во второе запоминающее устройство 16. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.
Д
Д
2
R
R
-4
Для определения скорости и направления перемещения ИСЗ-ретранслятора относительно наземного пункта необходимо измерять доплеровский сдвиг частоты ±′Ω. Для этого используется многократное преобразование частоты принимаемого сигнала. Оно необходимо потому, что относительное значение доплеровского сдвига ′Ω/ω, равное отношению скоростей V/c, где V - радиальная составляющая скорости ИСЗ-ретранслятора, с - скорость распространения радиоволн, не превышает 10. В этих условиях выделение доплеровского сдвига при однократном преобразовании частоты принимаемого сигнала требует использования контуров с очень высокой, практически недостижимой добротностью.
Σ
Э1
Суммарное напряжение u(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает на первый вход четвертого смесителя 28, на второй вход которого подается напряжение первой эталонной частоты ω с первого выхода блока 27 эталонных частот. На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29 выделяется напряжение третьей промежуточной частоты
пр3
пр2
Д
Э1
ω=ω+Ω-ω,
которое поступает на первый вход пятого смесителя 30. На второй вход последнего подается напряжение второй эталонной частоты
Э2
пр2
Э1
0
ω=ω-ω-Ω,
0
0
где ′Ω - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ′Ω. Номинальная частота подставки выбирается из условия
<mrow><msub><mi>Ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>></mo><mo>></mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Ω</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>V</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mrow><mi>R</mi><mi>max</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>.</mo></mrow>
На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Фильтром 31 нижних частот выделяется напряжение низкой частоты
H
Д
0
ω=Ω+Ω,
Д
которое поступает на вход измерителя 32 доплеровской частоты, где и производится измерение доплеровского смещения ′Ω.
H
0
H
0
При этом в зависимости от того, ω>′Ω или ω<′Ω, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора.
Σ
c
З
З
Суммарное напряжение u(t) также поступает на первый вход второго перемножителя 34, на второй вход которого с выхода генератора 3 псевдослучайного сигнала подается шумоподобный СВЧ-сигнал u(t) через блок 37 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 34 напряжение пропускается через фильтр 35 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальный регулятор 36, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 35 нижних частот, воздействует управляющий вход блока 37 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τ(τ=τ), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ). Индикатор дальности 38, связанный со шкалой блока 37 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><msub><mi>τ</mi><mi>З</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где с - скорость распространения радиоволн.
З
Следовательно, задача измерения расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора сводится к автоматическому измерению временной задержки τ ретранслированного сигнала относительно запросного.
3
4
2
На втором шаге (при передаче сигнала из пункта B) 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>В</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 частоте ω, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>В</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mi>A</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mi>A</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mi>B</mi></msubsup></mrow>
3
1
3
2
4
4
В тот же момент времени
по часам первого пункта A с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α). Регистрируют его на первом пункте A. Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω (сигнал α), переизлучают его на пункты A и B на частоте ω с сохранением фазовых соотношений, принимают ретранслированный сигнал на обоих пунктах, преобразуют его на видеочастоту, регистрируют в моменты времени
и
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><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>B</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></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>,</mo></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><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>B</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></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>,</mo></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><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>A</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></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</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><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>B</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>B</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>S</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</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><mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где
j
j
a, b(j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами A и B соответственно (фиг.1);
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>Δ</mi><mtext>В</mtext><mtext>И</mtext></msubsup></mrow>
- задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;
<mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>Δ</mi><mtext>В</mtext><mtext>П</mtext></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><mtext> </mtext><msubsup><mi>t</mi><mtext>1</mtext><mtext>A</mtext></msubsup></mrow>
- искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.
j
j
j
j
<mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>b</mi><mo>˙</mo></mover>
Полагая a и b линейными функциями с производными a=
, b=
, получаем:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>γ</mi><mo>+</mo><mi>δ</mi><mo>+</mo><mi>ε</mi><mo>+</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
где
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>f</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>b</mi><mo>+</mo><mi>Θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>+</mo><mi>Θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>˙</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>A</mi><mi>П</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>П</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mi>И</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mi>И</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>А</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>A</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>Δ</mi><mi>В</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</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><mo>,</mo></mrow>
А,В′
А,В′′
1
2
Δ, Δ - задержки сигнала в атмосфере на частотах ω и ωсоответственно;
ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);
ω - угловая скорость вращения Земли;
c - скорость света;
D - площадь четырехугольника OA′S′B′, образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов A, B 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><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mo>+</mo><mi>b</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>˙</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></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><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><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></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>˙</mo></mover><mn>4</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo></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 B 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).
Если ложный сигнал (помеха)
З
З
З
З
З
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
З
принимается по зеркальному каналу на частоте ω, то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр5
пр5
пр2
пр5
u(t)=Ucos(ωt+φ),
пр6
пр5
пр2
пр5
З
u(t)=Ucos(ωt+φ-90°), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mrow><mtext>пр5</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></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><mo>;</mo></mrow>
где
1
K - коэффициент передачи усилителя,
пр2
З
Г2
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр5
З
Г2
φ=φ-φ.
пр6
Напряжение u(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется следующее напряжение
пр7
пр5
пр2
пр5
пр5
пр2
пр5
p
u(t)=Ucos(ωt+φ-90°-90°)=-Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр5
пр7
Напряжения u(t) и u(t), поступающие 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 ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω
K1
K1
K1
К1
К1
u(t)=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
К1
u(t)=Ucos(ωt+φ+90°), 0≤t≤Т,
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mrow><mtext>пр8</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></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><mo>;</mo></mrow>
где
пр2
Г2
К1
ω=2ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр8
Г2
К1
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
пр8
пр2
пр8
К1
u(t)=Ucos(ωt+φ+90°-90°)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр8
пр10
Напряжения u(t) и u(t) поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется следующее суммарное напряжение
Σ1
Σ1
пр2
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
К1
u(t)=Ucos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>K</mi><mn>1</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.
Способ синхронизации часов позволяет:
- достичь предельной точности измерений (около ±0,1 нс) с помощью PCДБ техники и техники ретрансляции, которая уже широко используется на практике;
- формировать необходимые для проведения измерения 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.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.
Причем подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и второму комбинационному каналу, обеспечивается фазокомпенсационным методом, который реализуется гетеродином 2.2, смесителями 13 и 19, усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты, фазовращателями 18 и 21 на +90° и -90° и сумматором 22.
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по первому комбинационному каналу, обеспечивается методом узкополосной фильтрации, который реализуется перемножителем 23, узкополосым фильтром 24, амплитудным детектором 25 и ключом 26.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности синхронизации удаленных шкал времени. Это достигается измерением расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения на геостационарной орбите относительно наземного пункта.
При этом измерение радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора осуществляется с использованием многократного преобразования частоты принимаемого сигнала, отличается сравнительной простотой и не имеет ограничений на количество наземных пунктов, осуществляющих измерение радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора.
Измерение расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора осуществляется автоматически с использованием замечательного свойства корреляционной функции R(τ) шумоподобных СВЧ-сигналов, которая имеет значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков.