УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Полезная модель относится к средствам частотно-временной синхронизации, осуществляемой с использованием сигналов радионавигационных систем.
С развитием систем радионавигации, в том числе глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) - ГЛОНАСС, GPS, Galileo, появилась возможность использовать сигналы этих систем для синхронизации опорных генераторов и шкал времени различных потребителей, см., например, работу [1] - Ю.А. Соловьев / Спутниковая навигация и ее приложения // М., Эко-Трендз, 2003, с. 222-229. Обусловлено это тем, что по условиям своего формирования сигналы радионавигационных систем синхронизированы относительно общей системной шкалы времени UTC (международной шкалы координированного времени), формируемой с помощью высокоточных стандартов частоты, например, водородных, и по своей сути являются эталонными сигналами частоты и времени. Это позволяет на приемной стороне формировать на основе принятых сигналов свои сигналы частоты и времени, используемые для синхронизации опорных генераторов и шкал времени различных потребителей, см., например, работу [2] - B.C. Яценков / Основы спутниковой навигации // М, Горячая линия - Телеком, 2005, с. 49-51, 90-91.
Примером приемника сигналов ГНСС, в котором осуществляется формирование сигналов частоты и времени на основе принимаемых сигналов ГЛОНАСС и GPS, может служить приемник, представленный в патенте [3] - RU 2146378 (C1), G01S 5/14, 10.03.2000. Получаемые на выходе этого приемника сигналы частоты и времени далее могут использоваться для синхронизации шкал времени потребителей, как это показано, например, в работе [4] - B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. / Сетевые спутниковые радионавигационные системы // Под ред. B.C. Шебшаевича, 2-е изд. // М., Радио и связь, 1993, с. 255-257, рис. 17.1.
Однако использование только приемника ГНСС для получения синхронизирующих сигналов в ряде случаев оказывается ненадежным ввиду слабой энергетики принимаемых сигналов, к тому же существенно зависящей от условий приема (наличия мертвых зон, затенений, экранирующих эффектов, наличия естественных и искусственных помех и пр.).
Для повышения надежности частотно-временной синхронизации, осуществляемой с использованием сигналов радионавигационных систем, применяют комплексирование приемника ГНСС и приемника локальной наземной импульсно-фазовой радионавигационной системы (ИФРНС) типа Чайка, Loran и аналогичной им.
Примером устройства частотно-временной синхронизации, использующего комбинацию приемника ГНСС и приемника ИФРНС, является промышленно изготавливаемое устройство «eLoran timing receiver LORADD-UTC» (Нидерланды), являющееся источником высокоточных сигналов частоты и времени. Это устройство, описание которого представлено на интернет-ресурсе [5] - http://www.reelektronika.nl, принято в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит приемник сигналов ИФРНС, приемник сигналов ГНСС, подстраиваемый опорный генератор, выход которого образует выход сигнала частоты, и блок формирования сигналов синхронизации, выход которого образует выход сигнала времени. Блок формирования сигналов синхронизации связан каналами обмена данными с приемниками сигналов ИФРНС и ГНСС. Опорный вход приемника сигналов ИФРНС и опорный вход блока формирования сигналов синхронизации связаны с выходом подстраиваемого опорного генератора. Управляющий вход подстраиваемого опорного генератора связан с управляющим выходом приемника сигналов ИФРНС.
Приемник сигналов ИФРНС представляет собой приемник сигналов eLoran, оснащенный средствами сравнения опорной частоты, формируемой подстраиваемым опорным генератором, с несущей частотой принимаемых радиоимпульсных сигналов eLoran и формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора.
Приемник сигналов ГНСС представляет собой приемник сигналов GPS, оснащенный средствами формирования сигналов частоты и времени, синхронизированных с системной шкалой времени UTC.
Опорный генератор представляет собой подстраиваемый кварцевый генератор с номинальной частотой выходного сигнала 10 МГц.
Блок формирования сигналов синхронизации представляет собой цифровое устройство, формирующее собственную шкалу времени на основе обработки сигналов, поступающих с приемника сигналов ИФРНС, приемника сигналов ГНСС и подстраиваемого опорного генератора.
Устройство-прототип работает следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого опорного генератора поступает на опорные входы приемника сигналов ИФРНС и блока формирования сигналов синхронизации в качестве сигнала опорной частоты.
В приемнике сигналов ИФРНС осуществляется прием и обработка принимаемых из эфира радиоимпульсных сигналов eLoran, измерение погрешности частоты и фазы сигнала опорной частоты относительно несущей частоты сигналов eLoran, и формирование на этой основе сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора.
Сформированный сигнал управления для подстраиваемого опорного генератора с управляющего выхода приемника сигналов ИФРНС поступает на управляющий вход подстраиваемого опорного генератора, а результаты измерения погрешности частоты и фазы сигнала опорной частоты с выхода приемника сигналов ИФРНС передаются по каналу обмена данными в блок формирования сигналов синхронизации.
В подстраиваемом опорном генераторе под действием сигнала управления осуществляется коррекция формируемого им сигнала с целью минимизации погрешности частоты.
В приемнике сигналов ГНСС осуществляется прием и обработка принимаемых из эфира сигналов GPS, формируются сигналы частоты и времени, синхронизированные со шкалой UTC, которые с выхода приемника сигналов ГНСС передаются по каналу обмена данными в блок формирования сигналов синхронизации.
В блоке формирования сигналов синхронизации производится обработка сигналов, поступающих от подстраиваемого опорного генератора, приемника сигналов ГНСС и приемника сигналов ИФРНС, и формирование выходного сигнала времени, синхронизированного со шкалой UTC. При этом приемник сигналов ИФРНС является основным элементом при формировании выходного сигнала времени, а приемник сигналов ГНСС служит вспомогательным элементом и его роль заключается в коррекции формируемого сигнала времени.
-11
Характерной особенностью устройства-прототипа является то, что измерение погрешности частоты и фазы выходного сигнала подстраиваемого опорного генератора производится относительно несущей частоты радиоимпульсных сигналов eLoran. Это не позволяет работать с другими ИФРНС, например Чайка, где частота несущих колебаний определяется параметрами передатчика, а не стандартом частоты. Кроме этого, в силу вспомогательной роли приемника сигналов ГНСС по отношению к приемнику сигналов ИФРНС зона работы устройства ограничивается зоной уверенного приема сигналов ИФРНС, вне которой невозможно обеспечение требуемой погрешности формируемого выходного сигнала частоты (желаемый уровень 1·10).
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства частотно-временной синхронизации с расширенными эксплуатационными возможностями (с расширенной территориальной зоной работы, а также способного работать не только с сигналами eLoran, но и с сигналами других ИФРНС, например Чайка).
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем. Устройство частотно-временной синхронизации содержит приемник сигналов ГНСС, приемник сигналов ИФРНС, подстраиваемый опорный генератор, выход которого образует выход сигнала частоты, и блок формирования сигналов синхронизации, выход которого образует выход сигнала времени. Приемник сигналов ГНСС и приемник сигналов ИФРНС связаны каналами обмена данными с блоком формирования сигналов синхронизации, а опорный вход приемника сигналов ИФРНС связан с выходом подстраиваемого опорного генератора. В отличие от прототипа выход опорного генератора также связан с опорным входом приемника сигналов ГНСС, а управляющий вход подстраиваемого опорного генератора связан с управляющим выходом блока формирования сигналов синхронизации, при этом блок формирования сигналов синхронизации содержит блок выбора режима работы, блок формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и блок формирования сигнала времени, связанные каналами обмена данными с приемником сигналов ГНСС и приемником сигналов ИФРНС, причем управляющий вход блока формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и управляющий вход блока формирования сигнала времени связаны с выходом блока выбора режима работы, а их выходы образуют, соответственно, управляющий выход и выход сигнала времени блока формирования сигналов синхронизации, при этом приемник сигналов ИФРНС выполнен с обеспечением возможности формирования сигналов частоты и времени, соответствующих частоте и времени следования сигналов ИФРНС.
Сущность полезной модели и ее реализуемость поясняются представленной структурной схемой устройства частотно-временной синхронизации.
Заявляемое устройство частотно-временной синхронизации содержит приемник 1 сигналов ГНСС, приемник 2 сигналов ИФРНС, подстраиваемый опорный генератор 3, выход которого образует выход сигнала частоты, и блок 4 формирования сигналов синхронизации, выход которого образует выход сигнала времени. При этом приемник 2 сигналов ИФРНС выполнен с обеспечением возможности формирования сигналов частоты и времени, соответствующих частоте и времени следования радиоимпульсных сигналов ИФРНС. Приемник 1 сигналов ГНСС и приемник 2 сигналов ИФРНС связаны каналами обмена данными с блоком 4 формирования сигналов синхронизации. Опорные входы приемников 1 и 2 связаны с выходом подстраиваемого опорного генератора 3. Управляющий вход подстраиваемого опорного генератора 3 связан с управляющим выходом блока 4 формирования сигналов синхронизации.
Блок 4 формирования сигналов синхронизации содержит блок 5 выбора режима работы, блок 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и блок 7 формирования сигнала времени, связанные каналами обмена данными с приемником 1 сигналов ГНСС и приемником 2 сигналов ИФРНС. Управляющий вход блока 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и управляющий вход блока 7 формирования сигнала времени связаны с выходом блока 5 выбора режима работы. Выход блока 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и выход блока 7 формирования сигнала времени образуют, соответственно, управляющий выход и выход сигнала времени блока 4 формирования сигналов синхронизации.
Приемник 1 сигналов ГНСС представляет собой, например, комбинированный приемник сигналов ГЛОНАСС/GPS/Galileo, обеспечивающий формирование сигналов частоты и времени, синхронизированных с системной шкалой времени UTC, а также формирование данных о своем местоположении и смещении шкалы времени и частоты используемого опорного генератора относительно эталонных сигналов частоты и времени.
Приемник 2 сигналов ИФРНС представляет собой, например, приемник сигналов ИФРНС Чайка, оснащенный средствами формирования сигналов частоты и времени, соответствующих частоте и времени следования принимаемых радиоимпульсных сигналов ИФРНС, а также средствами определения навигационных данных.
Подстраиваемый опорный генератор 3 представляет собой, например, подстраиваемый кварцевый генератор с номинальной частотой выходного сигнала 10 МГц.
Блок 5 выбора режима работы представляет собой цифровое устройство, осуществляющее анализ выходных сигналов приемников 1 и 2 и формирование сигнала выбора режима для блоков 6 и 7 в зависимости от возможностей приема сигналов ГНСС или ИФРНС.
Блок 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора представляет собой цифровое устройство, осуществляющее формирование сигнала коррекции для подстраиваемого опорного генератора 3 на основе получаемых от приемника 1 сигналов ГНСС (или от приемника 2 сигналов ИФРНС) данных о смещении частоты генератора 3 относительно эталонных сигналов частоты и времени.
Блок 7 формирования сигнала времени представляет собой цифровое устройство, осуществляющее формирование сигнала времени на основе получаемых от приемника 1 сигналов ГНСС (или от приемника 2 сигналов ИФРНС) сигналов частоты и времени, синхронизированных с системной шкалой времени UTC.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Выходной сигнал подстраиваемого опорного генератора 3 поступает на опорный вход приемника 1 сигналов ГНСС и опорный вход приемника 2 сигналов ИФРНС, обеспечивая их синхронную работу.
При наличии соответствующих условий приема приемник 1 сигналов ГНСС осуществляет прием и обработку принимаемых из эфира сигналов ГНСС и формирует на своем выходе сигналы частоты и времени, синхронизированные с системной шкалой времени UTC, а также данные о своем местоположении и смещении шкалы времени и частоты опорного генератора относительно эталонных сигналов частоты и времени. Эти информационные сигналы по каналу обмена данными поступают в блок 4 формирования сигналов синхронизации, где поступают на соответствующие входы блока 5 выбора режима работы, блока 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и блока 7 формирования сигнала времени.
Аналогичным образом при наличии соответствующих условий приема приемник 2 сигналов ИФРНС осуществляет прием и обработку принимаемых из эфира сигналов ИФРНС и формирует на своем выходе сигналы частоты и времени, а также данные о местоположении, смещении шкалы времени и частоты опорного генератора относительно эталонной шкалы времени. Эти информационные сигналы по каналу обмена данными поступают в блок 4 формирования сигналов синхронизации на соответствующие входы блока 5 выбора режима работы, блока 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора и блока 7 формирования сигнала времени.
Блок 5 выбора режима работы на основе обработки информационных сигналов, поступающих от приемников 1 и 2, формирует сигнал выбора режима для блоков 6 и 7, а именно, при благоприятных условиях приема сигналов ГНСС устанавливается режим работы блоков 6 и 7 по сигналам ГНСС, а при неблагоприятных условиях приема сигналов ГНСС, но благоприятных условиях приема сигналов ИФРНС, устанавливается режим работы блоков 6 и 7 по сигналам ИФРНС.
Блок 6 формирования сигнала управления для подстраиваемого опорного генератора осуществляет формирование сигнала коррекции для подстраиваемого опорного генератора 3 на основе получаемых от приемника 1 сигналов ГНСС (или от приемника 2 сигналов ИФРНС) данных о смещении частоты подстраиваемого опорного генератора 3 относительно эталонных сигналов частоты и времени. Этот сигнал поступает на управляющий вход подстраиваемого опорного генератора 3, осуществляя коррекцию его частоты. Откорректированный таким образом выходной сигнал генератора 3 образует выходной сигнал частоты заявляемого устройства.
Блок 7 формирования сигнала времени осуществляет формирование сигнала времени на основе получаемых от приемника 1 сигналов ГНСС (или от приемника 2 сигналов ИФРНС) сигналов частоты и времени, синхронизированных с системной шкалой времени. Этот сигнал образует выходной сигнал времени заявляемого устройства.
-11
Таким образом, в случае благоприятных условий для приема сигналов ГНСС работа устройства по подстройке опорного генератора 3 и формированию выходных сигналов частоты и времени осуществляется по сигналам ГНСС, а случае отсутствия сигналов ГНСС работа осуществляется по сигналам ИФРНС, что расширяет территориальную зону эффективной работы устройства, где обеспечивается достижение требуемой погрешности выходного сигнала частоты на желаемом уровне 1·10.
При этом, поскольку оценка погрешности частоты выходного сигнала подстраиваемого опорного генератора 3 по сигналам ИФРНС производится относительно частоты следования радиоимпульсных сигналов ИФРНС, синхронизированных со шкалой времени UTC, то это позволяет использовать любые ИФРНС (Чайка, Loran и др.), где частота несущих колебаний, определяемая параметрами передатчика, не является стабильной.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства частотно-временной синхронизации с расширенными эксплуатационными возможностями (с расширенной территориальной зоной работы, а также способного работать не только с сигналами eLoran, но и с сигналами других ИФРНС, например Чайка).
Источники информации
1. Ю.А. Соловьев / Спутниковая навигация и ее приложения // М., Эко-Трендз, 2003.
2. B.C. Яценков / Основы спутниковой навигации // М., Горячая линия - Телеком, 2005.
3. RU 2146378 (С1), G01S 5/14, опубл. 10.03.2000.
4. B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. / Сетевые спутниковые радионавигационные системы // Под ред. B.C. Шебшаевича, 2-е изд. // М., Радио и связь, 1993.
5. http://www.reelektronika.nl.