Устройство частотно-временной синхронизации
Полезная модель относится к средствам частотно-временной синхронизации, осуществляемой с использованием сигналов радионавигационных систем. Устройство частотно-временной синхронизации содержит приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), приемник сигналов импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС), подстраиваемый опорный генератор, выход которого образует выход сигнала частоты, и блок формирования сигналов синхронизации, выход которого образует выход сигнала времени. Приемник сигналов ИФРНС выполнен с обеспечением возможности формирования сигналов частоты и времени, соответствующих частоте и времени следования радиоимпульсных сигналов ИФРНС. Приемники сигналов ГНСС и ИФРНС связаны каналами обмена данными с блоком формирования сигналов синхронизации, а их опорные входы связаны с выходом подстраиваемого опорного генератора, управляющий вход которого связан с управляющим выходом блока формирования сигналов синхронизации. 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 приемниками сигналов ГНСС и ИФРНС. 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. Технический результат - создание устройства частотно-временной синхронизации с расширенными эксплуатационными возможностями. 1 ил.
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.
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 1·10-11).
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.
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 1·10-11 .
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.
Устройство частотно-временной синхронизации, содержащее приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), приемник сигналов импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС), подстраиваемый опорный генератор, выход которого образует выход сигнала частоты, и блок формирования сигналов синхронизации, выход которого образует выход сигнала времени, причем 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, отличающееся тем, что 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.
РИСУНКИ
