Способ синхронизации часов и устройство для его реализации



Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
Способ синхронизации часов и устройство для его реализации

 


Владельцы патента RU 2619094:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной астрономии Российской академии наук (RU)

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе единого времени и частоты. Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения и по интермодуляционным каналам. Устройство для синхронизации часов, реализующее предлагаемый способ, содержит стандарт 1 частоты и времени, гетеродины 2.1, 2.2, генератор 3 псевдослучайного сигнала, переключатель 4, смесители 5, 13, 19, 28 и 30, усилитель первой промежуточной частоты, а также усилители 7 и 12 мощности, дуплексер 8, приемопередающую антенну 9, клиперы 10 и 15, буферные запоминающие устройства 11 и 16, усилители 14 и 20 второй промежуточной частоты, измеритель 17 задержек и их производных, фазовращатели 18 и 21 на 90°, сумматоры 22, 41, 44 и 48, перемножители 23 и 34, узкополосные фильтры 24 и 39, амплитудный детектор 25, ключ 26, блок 27 эталонных частот, усилитель 29 третьей промежуточной частоты, фильтры 31 и 35 низких частот, измеритель 32 доплеровских частот, коррелятор 33, экстремальный регулятор 36, блок 37 регулируемой задержки, индикатор 38 дальности, фазоинверторы 40, 43 и 46. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе времени и частоты.

Известны способы и устройства синхронизации часов (авт. свид. СССР №№591.799, 614.416, 970.300, 1180.835, 1.244.631, 1.278.800; патенты РФ №№2.000.143, 2.003.157, 2.040.035, 2.146.833, 2.177.167, 2.392.574, 2.386.159, 2.439.643, 2.535.653; патент Германии №3.278.943; патент ЕР №0.564.289 и др.).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым является «Способ синхронизации часов и устройство для его реализации» (патент РФ №2.535.653, G04C 11/00, 2013), 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.

Известные способ и устройство обеспечивают подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Однако кроме указанных существуют и другие дополнительные (канал прямого прохождения и интермодуляционные каналы) каналы приема.

Если частота помехи ωп равна или близка к второй промежуточной частоте ωпр2ппр2), то образуется канал прямого прохождения.

Если два или более мощных сигналов на частотах ωI и ωII появляются в полосе частот Δωп1, расположенной "слева" от полосы пропускания Δωп приемника, то при их взаимодействии на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника в качестве интермодуляционных помех (фиг. 5).

Если два или более мощных сигналов на частотах ωIII и ωIV появляются в полосе частот Δωп2, расположенной "справа" от полосы пропускания Δωп приемника, то при их взаимодействии на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника в качестве интермодуляционных помех (фиг. 6).

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения и интермодуляционным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения и по интермодуляционным каналам.

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 t1 по часам первого пункта с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на этом же пункте, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении на искусственный спутник Земли-ретранслятор, в тот же момент времени t1 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 ω1, переизлучают его на первой и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t3 по часам второго пункта аналогично формируют и ретранслируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора, в тот же момент времени t3 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 ω1 и переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, принимаемый сигнал на частоте ω2 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 ωг2 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 ωЭ1, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты

ωпр3пр2ДЭ1,

преобразуют его по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты

ωЭ2пр2Э10,

где Ω0 - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ΩД,

выделяют напряжение низкой частоты

ωНД0,

измеряют низкую частоту ωН и в зависимости от того ωН0 или ωН0, 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=τЗ, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), поддерживают ее и определяют дальность от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле

,

где с - скорость распространения радиоволн, отличается от ближайшего аналога тем, что если ложный сигнал (помеха) поступает по каналу прямого прохождения на частоте ωп, равной второй промежуточной частоте ωпр2ппр2), то его выделяют узкополосным фильтром, частота настройки ωН которого выбирается равной второй промежуточной частоте ωпр2Нпр2), инвертируют по фазе на 180° и суммируют с исходным сигналом, компенсируя его фазокомпенсационным методом, если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δωп1, расположенную "слева" от полосы пропускания Δωп приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника в качестве интермодуляционных помех, то выделяют указанные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ωн2 и полосу про пускания Δωп1 которого выбирают следующим образом:

,

где ωI и ωII - граничные частоты;

инвертируют их по фазе на 180° и суммируют с исходными сигналами, компенсируют их фазокомпенсационным методом, если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δωп2, расположенную "справа" от полосы пропускания Δωп приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника в качестве интермодуляционных помех, то выделяют узкополосные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ωн2 и полосу пропускания Δωп2 которого выбирают следующим образом:

, Δωп2IVIII,

где ωIV и -ωIII - граничные частоты,

инвертируют их по фазе на 180° и суммируют с исходными сигналами, компенсируя их фазокомпенсационным методом.

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, и второй усилитель мощности, последовательно включенные второй смеситель, второй вход которого через второй гетеродин соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель второй промежуточной частоты, первый сумматор, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом первого 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 со 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 усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, 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 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, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено вторым узкополосным фильтром, тремя инверторами, вторым, третьим и четвертым сумматорами и двумя полосовыми фильтрами, причем к выходу второго усилителя мощности последовательно подключены второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, второй полосовой фильтр, третий инвертор и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход подключен к вторым входам первого перемножителя, второго и третьего смесителей.

Геометрическая схема расположения пунктов А, В и ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг. 1, где введены следующие обозначения: О - 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, А, В - шкалы времени ИСЗ-ретранслятора, наземных пунктов А и В соответственно. Структурная схема аппаратуры одного из наземных пунктов (А), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг. 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг. 4, 5 и 6.

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 узкополосный фильтр 39, первый фазоинвертор 40, второй сумматор 41, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, первый полосовой фильтр 42, второй фазоинвертор 43, третий сумматор 44, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 41, второй полосовой фильтр 45, третий фазоинвертор 46 и четвертый сумматор 47, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 44, 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, первый сумматор 22, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 42, узкополосный фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26, второй вход которого соединен с выходом первого 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 со вторым выходом стандарта 1 частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство 11, выход которого соединен со 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 с выходом четвертого сумматора 47, 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 часто, экстремальный регулятор 36 и блок 37 регулируемой задержки образуют коррелятор 33.

Синхронизацию часов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом. В момент времени t1A по часам первого пункта А с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α1) (фиг. 2):

uc(t)=Uс cos[ωct+ϕk(t)+ϕс], 0≤t≤Тс,

где Uс, ωс, ϕс, Тс - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

ϕk(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с кодовой последовательностью M(t), причем ϕk(t)=const при kτЭ<t<(k+1)τЭ и может изменяться скачком при t=kτЭ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, … N-1);

τЭ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс с=NτЭ),

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.

Сформированный сигнал uc(t) поступает на первый вход первого смесителя 5, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 2.1

uГ1(t)=UГ1 cos(ωГ1t+ϕГ1).

На выходе смесителя 5 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 6 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

uпр1(t)=Uпр1 cos[ωпр1k(t)+ϕпр1], 0≤t≤Tc,

где ;

К1 - коэффициент передачи смесителя;

ωпр1сГ1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

ϕпр1сГ1,

которое после усиления в усилителе 7 мощности через дуплексер 8 и приемопередающую антенну 9 излучается в направлении ИСЗ-ретранслятора на частоте ω1пр1.

В тот же момент времени t1A=t1B по часам второго пункта В с помощью такой же кодовой последовательности M(t) формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β1). Регистрируют его на втором пункте В (сигнал β1, который, однако, не отправляют на ретрансляцию). Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора на частоте ω1 (сигнал α1), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений на интервале tc.

Ретранслированный сигнал (сигнал α2) на частоте ω2

u2(t)=U2 cos[(ω2±ΩД)(t-τP)+ϕk(t-τЗ)+ϕ2], 0≤t≤Tc,

где ±ΩД - доплеровское смещение частоты;

- 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 и сумматоры 41, 44, 47, у которых работает только одно плечо, 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:

uГ2(t)=UГ2 cos(ωГ2t+ϕГ2),

uГ3(t)=UГ2 cos(ωГ2t+ϕГ2+90°).

Причем частоты ωГ1 и ωГ2 первого 2.1 и второго 2.2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты (фиг. 4)

ωГ2Г1пр2.

На выходе смесителей 13 и 19 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителями 14 и 20 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:

uпр2(t)=Uпр2 cos[(ωпр2±ΩД)(t-τЗ)+ϕk(t-τЗ)+ϕпр2],

uпр3(t)=Uпр2 cos[(ωпр2±ΩД)(t-τЗ)+ϕk(t-τЗ)+ϕпр2+90°], 0≤t≤Тс,

где ;

К1 - коэффициент передачи смесителя;

ωпр2Г22 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕпр2Г22.

Напряжение uпр3(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение

uпр4(t)=Uпр2 cos[(ωпр2t±ΩД)(t-τЗ)+ϕk(t-τЗ)+ϕпр2+90°-90°]=

=Uпр2 cos[(ωпр2t±ΩД)+ϕk(t-τЗ)+ϕпр2].

Напряжения uпр2(t) и uпр4(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

uΣ(t)=UΣ cos[(ωпр2±ΩД)+ϕk(t-τЗ)+ϕпр2], 0≤t≤Iс,

где UΣ=2Uпр2,

которое поступает на второй вход первого перемножителя 23. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u1(t)=U1 cos(ωU2t+ϕГ2), 0≤t≤Tc,

где ;

К2 - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ωн которого выбирается равной частоте ωГ2 второго гетеродина 2.2 ωнГ2), детектируется амплитудным детектором 25 и поступает на управляющий вход ключа 26, открывая его. В исходном состоянии ключ 26 всегда закрыт.

При этом напряжение uΣ(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 uΣ(t) клиппируется, а затем записывается во второе запоминающее устройство 16. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.

Для определения скорости и направления перемещения ИСЗ-ретранслятора относительно наземного пункта необходимо измерять доплеровский сдвиг частоты ±ΩД. Для этого используется многократное преобразование частоты принимаемого сигнала. Оно необходимо потому, что относительное значение доплеровского сдвига ΩД2, равное отношению скоростей VR/c, где VR - радиальная составляющая скорости ИСЗ-ретранслятора, с - скорость распространения радиоволн, не превышает 10-4. В этих условиях выделение доплеровского сдвига при однократном преобразовании частоты принимаемого сигнала требует использования контуров с очень высокой, практически недостижимой добротностью.

Суммарное напряжение uΣ(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 ωЭ1 с первого выхода блока 27 эталонных частот. На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29 выделяется напряжение третьей промежуточной частоты

ωпр3пр2ДЭ1,

которое поступает на первый вход пятого смесителя 30. На второй вход последнего подается напряжение второй эталонной частоты

ωЭ2пр2Э10,

где ΩД - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ΩД. Номинальная частота подставки выбирается из условия

.

На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Фильтром 31 нижних частот выделяется напряжение низкой частоты

ωнД0,

которое поступает на вход измерителя 32 доплеровской частоты, где и производится измерение доплеровского смещения ΩД.

При этом в зависимости от того, ωНД или ωНД, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора.

Суммарное напряжение uΣ(t) так же поступает на первый вход второго перемножителя 34, на второй вход которого с выхода генератора 3 псевдослучайного сигнала подается шумоподобный СВЧ-сигнал uc(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 на управляющий вход блока 37 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τЗ (τ=τЗ), 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

,

где с - скорость распространения радиоволн.

Следовательно, задача измерения расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора сводится к автоматическому измерению временной задержки τЗ ретранслированного сигнала относительно запросного.

На втором шаге (при передаче сигнала из пункта В) переключатель 4 должен быть разомкнут и сигнал α3 из генератора 3 через клиппер 10 поступает в то же запоминающее устройство 11. Ретранслированный сигнал α4 записывается, как и α2, в запоминающее устройство 16.

В произвольный момент времени t3В=t2В+Θ по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β3). Сформированный сигнал преобразуют на частоте ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора.

В тот же момент времени t3B=t3A по часам первого пункта А с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α3). Регистрируют его на первом пункте А. Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω1 (сигнал α3), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, принимают ретранслированный сигнал на обоих пунктах, преобразуют его на видеочастоту, регистрируют в моменты времени t4A и t4B соответственно (сигнал α4, β4).

Корреляционной обработкой двух пар зарегистрированных сигналов в измерителе 17 определяют на каждом пункте следующие временные задержки:

τ11⊗β2=t2B-t1В1+b1+(ΔВИВП+ΔS)+Δt,

τ23⊗α4=t4A-t3A=a3+b2+(ΔВИАП+ΔS)-Δt,

τ31⊗α2=t2A-t1A=a1+a2+(ΔАИАП+ΔS),

τ43⊗β4=t4B-t3B=b2+b3+(ΔВИВП+ΔS)

и соответствующие им частоты интерференции Fi (i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:

,

где ,

aj, bj (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами А и В соответственно (фиг. 1);

ΔАИ, ΔВИ - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;

ΔАП, ΔВП - задержки сигналов в приемно-регистрирующей аппаратуре;

ΔS - задержка сигналов в бортовом ИСЗ-ретрансляторе;

Δt=t1B-t1A - искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.

Полагая aj и bj линейными функциями с производными , , получаем:

,

где

,

,

,

,

ΔА,В', ΔА,В” - задержки сигнала в атмосфере на частотах ω1 и ω2 соответственно;

ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);

ω - угловая скорость вращения Земли;

с - скорость света;

D - площадь четырехугольника OA'S'В', образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов А, В и ИСЗ-ретранслятора S.

Поправки γ на подвижность ИСЗ-ретранслятора во время единичного измерения проще всего свести к нулю соответствующим выбором свободного параметра Θ:

,

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 В 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.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует приему полезных сигналов по основному каналу на частоте ω2 (фиг. 4).

Если ложный сигнал (помеха)

uЗ(t)=UЗ cos(ωЗt+ϕЗ), 0≤t≤TЗ

принимается по зеркальному каналу на частоте ωЗ, то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

uпр5(t)=Uпр5 cos(ωпр2t+ϕпр5),

uпр6(t)=Uпр5 cos(ωпр2t+ϕпр5-90°), 0≤t≤ТЗ,

где ;

К1 - коэффициент передачи усилителя;

ωпр2ЗГ2 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕпр53Г2.

Напряжение uпр6(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется следующее напряжение:

uпр7(t)=Uпр5 cos(ωпр2t+ϕпр5-90°-90°)=-Uпр5 cos(ωпр2t+ϕпр5), 0≤t≤ТР.

Напряжения uпр5(t) и uпр7(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ωЗ, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ωк2.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте ωк1

uK1(t)=UK1 cos(ωK1t+ϕK1), 0≤t≤ТK1,

то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

uпр8(t)=Uпр2 cos(ωпр2t+ϕпр8),

uпр9(t)=Uпр8 cos(ωпр2t+ϕпр8+90°), 0≤t≤TK1,

где ;

ωпр2=2ωГ2К1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕпр8Г2К1.

Напряжение uпр9(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение:

uпр10(t)=Uпр8 cos(ωпр2t+ϕпр8+90°-90°)=Uпр8 cos(ωпр2t+ϕпр8), 0≤t≤ТК1.

Напряжения uпр8(t) и uпр10(t) поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется следующее суммарное напряжение:

uΣ1(t)=UΣ1 cos(ωпр2t+ϕпр8), 0≤t≤ТК1,

где UΣ1=2Uпр8.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 23, на выходе которого образуется следующее гармоническое напряжение:

u2(t)=U2 cos(2ωГ2t+ϕГ2), 0≤t≤TK1,

где .

Это напряжение не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 24. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ωК1, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) поступает по каналу прямого прохождения

uп(t)=Uп cos(ωпt+ϕп), 0≤t≤Tп,

где ωппр2,

то он поступает на первый вход второго сумматора 41, выделяется узкополосным фильтром 39, частота настройки ωн1 которого равна второй промежуточной частоте ωпр2, (ωн1пр2,), инвертируется по фазе на 180° фазоинверторе 40

uп1(t)=Uп cos(ωпt+ϕg), 0≤t≤Tп

и поступает на второй вход сумматора 41, выход которого он компенсирует.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на частоте ωппр2, подавляется фильтром-пробкой, состоящим из узкополосного фильтра 39, фазоинвертора 40, сумматора 41, и реализующим фазокомпенсационный метод.

Если два или более мощных сигнала на частотах ωI и ωII попадают в полосу частот Δωп, расположенную "слева" от полосы пропускания Δωп приемника, то их взаимодействие на нелинейных элементах обеспечивают образование интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника в качестве интермодуляционных помех. Указанные интермодуляционные помехи поступают на первый вход сумматора 44, выделяются полосовым фильтром 42, частота настройки ωн2 и полоса пропускания Δωп1 которого выбираются следующим образом:

,

где ωI и ωII - граничные частоты,

образующие полосу частот Δωп1, попадание в которую двух или более мощных сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех.

Указанные помехи инвертируются по фазе на 180° в фазоинверторе 43 и поступают на второй вход сумматора 44, где они компенсируются.

Следовательно, ложные сигналы (помехи) принимаются в полосе частот Δωп1, расположенной "слева" от полосы пропускания Δωп приемника, и приводящие к образованию интермодуляционных помех, подавляются фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 42, фазоинвертором 43, сумматором 44 и реализующим фазокомпенсационный метод.

Если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δωп2, расположенной "справа" от полосы пропускания Δωп приемника, то их взаимодействие на нелинейных элементах обеспечивает образование интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп в качестве интермодуляционных помех. Указанные интермодуляционные помехи поступают на первый вход сумматора 47, выделяются полосовым фильтром 45, частота настройки ωн3 и полоса пропускания Δωп2 которого выбираются следующим образом:

,

где ωIII и ωIV - граничные частоты,

образующие полосу частот Δωп2, попадание в которую двух или более мощных сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех.

Указанные помехи инвертируются по фазе на 180° в фазоинверторе 46 и поступают на второй вход сумматора 47, где они компенсируются.

Следовательно, ложные сигналы (помехи), принимаемые в полосе частот Δωп2, расположенной "справа" от полосы пропускания Δωп приемника и приводящие к образованию интермодуляционных помех, подавляются фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 45, фазоинвертора 46, сумматора 47 и реализующим фазокомпенсационный метод.

Способ синхронизации часов позволяет:

- достичь предельной точности измерений (около ±0,1 нс) с помощью РСДБ 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, узкополосным фильтром 24, амплитудным детектором 25 и ключом 26.

Предлагаемые способ и устройство 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.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по каналам прямого прохождения и по интермодуляционным каналам. Причем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по указанным каналам, обеспечивается фильтрами-пробками, реализующими фазокомпенсационный метод.

1. Способ синхронизации часов, основанный на одновременном приеме разнесенными наземными 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 t1 по часам первого пункта с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на этом же пункте, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, изучают усиленный сигнал в направлении на искусственный спутник Земли-ретранслятор, в тот же момент времени t1 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 ω1, переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t3 по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же искусственного спутника Земли-ретранслятора, в тот же момент времени t3 по часам первого пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают бортовой аппаратурой искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнал на частоте ω1 и переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, принимаемый сигнал на частоте ω2 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 ωГ2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки принимаемого сигнала, отличающийся тем, что полученное суммарное напряжение преобразуют по частоте с использованием напряжения первой эталонной частоты ωЭ1, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты

,

преобразуют его по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты

,

где Ω0 - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ΩД,

выделяют напряжение низкой частоты ωНД0, измеряют низкую частоту ωН и в зависимости от того ωН0 или ωН0, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора, одновременно полученное суммарное напряжение перемножают с шумоподобным СВЧ-сигналом, пропущенным через блок регулированной задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ до получения равенства τ=τЭ, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), поддерживают ее и определяют дальность от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле

,

где с - скорость распространения радиоволн,

отличающийся тем, что если сигнал (помеха) поступает по каналу прямого прохождения на частоте ωп, равной второй промежуточной частоте ωпр2ппр2), то его выделяют узкополосным фильтром, частоту настройки ωн которого выбирают равной второй промежуточной частоты (ωнпр2), инвертируют по фазе на 180° и суммируют с исходным сигналом, компенсируя его фазокомпенсационным методом, если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δωпр1, расположенную "слева" от полосы пропускания Δωп приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника, в качестве интермодуляционных помех, то выделяют указанные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ωн2 и полосу пропускания Δωпр которого выбирают следующим образом:

, ,

где ωI и ωII - граничные частоты,

инвертируют их по фазе на 180° и суммируют с исходными сигналами, компенсируя их фазокомпенсационным методом, если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δωп2, расположенную "справа" от полосы пропускания Δωп приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δωп приемника в качестве интермодуляционных помех, то выделяют указанные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ωн3 и полосу пропускания Δωп2 которого выбирают следующим образом:

, ,

где ωIII и ωIV - граничные частоты,

инвертируют их по фазе на 180° и суммируют с исходными сигналами, компенсируют их фазокомпенсационным методом.

2. 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, и второй усилитель мощности, последовательно включенные второй смеситель второй вход которого через второй гетеродин соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель второй промежуточной частоты, первый сумматор, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй клиппер, второй вход которого соединен со вторым выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и измеритель задержек и их производных, выход которого является выходом наземного пункта, последовательно подключенных к третьему выходу стандарта частоты и времени генератора 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, последовательное подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на 90°, третий смеситель, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на -90°, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, причем к выходу канала последовательно подключены четвертый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, усилитель третьей промежуточной частоты, пятый смеситель второй вход которого соединен со вторым выходом блока эталонных 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 со вторым входом второго перемножителя, а второй выход подключен к индикатору дальности, отличающееся тем, что оно снабжено вторым узкополосным фильтром, тремя фазоинверторами, вторым, третьим и четвертым сумматорами и двумя полосовыми фильтрами, причем к выходу второго усилителя мощности последовательно подключены второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, второй полосовой фильтр, третий фазоинвертор и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход подключен к вторым входам первого перемножителя, второго и третьего смесителей.



 

Похожие патенты:

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике связи и радиолокации и могут быть использованы для сличения шкал времени, разнесенных на большие расстояния.Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени путем обеспечения симметричности частот fГ2 и fГ3 второго и третьего гетеродинов относительно частоты f2 основного канала приемаfU2-f2=f2-fΓ3=fпр2.

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе единого времени и частоты.

Изобретение относится к устройствам сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов с применением оптоволоконной линии связи, соединяющей объекты. Каждый объект содержит таймеры событий с присоединенными к ним на первом объекте генератором формирования шкалы времени и промежуточным генератором на втором объекте, приемниками оптических импульсов и компьютерами.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах единого времени, радионавигационных системах наземного базирования, в пространственно распределенных системах контроля и управления при решении задач, связанных с синхронизацией частот и шкал времени удаленных пунктов, например пунктов системы контроля за ГЛОНАСС.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе единого времени и частот. Устройство, реализующее предлагаемый способ синхронизации часов, содержит стандарт 1 частоты и времени, первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, генератор 3 псевдослучайного сигнала, переключатель 4, первый 5 и второй 13 смесители, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый 7 и второй 12 усилители мощности, дуплексер 8, приемопередающую антенну 9, первый 10, второй 15, третий 32, четвертый 33 и пятый 34 клипперы, первое 11, второе 16, третье 35, четвертое 36 и пятое 37 буферные запоминающие устройства, усилитель 14 второй промежуточной частоты, первый 17, второй 38, третий 39 и четвертый 40 измерители задержек и их производных, усилитель 18 первой суммарной частоты, усилитель 19 второй суммарной частоты, первый 20, второй 21, третий 28 и четвертый 29 амплитудные детекторы, первый 22, второй 23, третий 30 и четвертый 31 ключи.

Изобретение относится к технике связи и радиотехники и может быть использовано для сличения шкал времени, разнесенных на большие расстояния. Устройство синхронизации часов, реализующее предлагаемый способ, содержит стандарт 1 частоты и времени, блок 2 гетеродинов, первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, генератор 3 псевдошумового сигнала, переключатель 4, первый 5, второй 13 и третий 24 смесители, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый 7 и второй 12 усилители мощности, дуплексер 8, приемо-передающая антенна 9, первый 14 и второй 25 усилители второй промежуточной частоты, первый 10 и второй 15 клипперы, первое 11 и второе 16 буферное запоминающие устройства, измеритель 17 задержки и их производных, блок 18 регулируемой задержки, перемножитель 19, фильтр 20 нижних частот, экстремальный регулятор 21, микропроцессор 22, третий генератор 23, второй коррелятор 26, пороговый блок 27 и ключ 28.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (PCДБ), а также в службе единого времени и частоты. Устройство для синхронизации часов, реализующее предлагаемый способ, содержит ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит стандарт 1 частоты и времени, первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, генератор 3 псевдослучайного сигнала, переключатель 4, смесители 5, 13, 19, 28 и 30, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый 7 и второй 12 усилители мощности, дуплексер 8, приемопередающую антенну 9, первый 10 и второй 15 клипперы, первое 11 и второе 16 буферные запоминающие устройства, измеритель 17 задержек и их производных, первый 18 и второй 21 фазовращатели на 90°(-90°), первый 14 и второй 20 усилители второй промежуточной частоты, сумматор 22, первый 23 и второй 34 перемножители, узкополосный фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26, блок 27 эталонных частот, усилитель 29 третьей промежуточной частоты, первый 31 и второй 35 фильтры нижних частот, измеритель 32 доплеровской частоты, коррелятор 33, экстремальный регулятор 36, блок 37 регулируемой задержки и индикатор 38 дальности.

Изобретение относится к средствам передачи сигналов единого времени по телекоммуникационным сетям. .

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве электронных кварцевых часов. .
Наверх