Формирование координированной шкалы времени в реальном масштабе времени

А. В. Васильев

ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России, г. Мытищи, Россия

Разработан метод формирования координированной шкалы времени на основе группового хранителя частоты и приемника глобальных навигационных спутниковых систем с погрешностью ±1 нс относительно национальной шкалы времени UTC(SU) без применения аналитических поправок.

Обеспечение сложных технических систем частотно-временной информацией (ЧВИ) на сегодняшний день представляет собой сложную иерархическую структуру, составленную из многих технических систем, взаимодействующих на различных уровнях для достижения единой цели. Решение большого числа технических задач связано с необходимостью сопоставления во времени событий, происходящих в пространственно разнесённых точках, иначе говоря, синхронизации часов в этих точках. Требования, предъявляемые потребителями к точности ЧВИ, определяются решаемыми задачами и лежат в пределах от нескольких секунд до единиц наносекунд.

Основными сферами, в которых применяются частотно-временные измерения, являются: навигация, связь, телекоммуникация и радиолокация.

Развитие технических систем сопровождается непрерывно возрастающими требованиями к точности и оперативности частотно-временного обеспечения.

Одними из самых распространённых требований к ЧВИ являются требования к шкале времени (ШВ) [1]. На сегодняшний день существует 3 основных способа формирования координированной ШВ.

С использованием приемника ГНСС.

Особенности:

погрешность синхронизации с национальной шкалой времени UTC(SU) составляет от сотен наносекунд до единиц миллисекунд;
невозможность функционирования при отсутствии или зашумлении навигационного поля.
Через глобальную сеть Интернет от NTP-серверов, расположенных на Государственном первичном эталоне единиц времени, частоты и национальной ШВ.

Особенности:

погрешность синхронизации с национальной шкалой времени UTC(SU) составляет десятки миллисекунд;
требуется доступ к сети Интернет, отсутствующий на режимных объектах и в некоторых регионах страны.
На основе групповых хранителей частоты и времени с использованием аналитических поправок, рассчитываемых с применением приемника ГНСС.

Особенности:

аналитический расчет ШВ, основанный на прогнозе и постобработке, приводящий к невозможности передачи ШВ потребителям, требующим получение ШВ в реальном масштабе времени;
погрешность синхронизации с национальной шкалой времени UTC(SU) зависит от методики расчета поправки, для примера, большинство вторичных эталонов аттестованы со значением данной характеристики в десятки наносекунд.

Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, однако не один из них не способен удовлетворить требования потребителей, нуждающихся в обеспечивании ЧВИ (ШВ) с высокой точностью (единицы наносекунд) в реальном масштабе времени.

Для решения данной проблемы был разработан метод, реализованный в виде специального программного обеспечения и рабочего места. Метод основан на периодической коррекции частоты сигнала вспомогательного генератора [2], для его максимального приближения к частоте Государственного первичного эталона времени, частоты и национальной шкалы времени. Задающим сигналом для вспомогательного генератора служит высокочастотный синусоидальный сигнал частотой 5 МГц от опорного стандарта частоты и времени, выбранного по наилучшим характеристикам стабильности. Вспомогательный генератор обладает возможностью коррекции частоты с шагом ±1•10^-19.

Коррекция частоты вспомогательного генератора осуществляется на основании системы поправок, рассчитываемых по двум источникам исходных данных:

Определение частотных характеристик как опорного стандарта (СЧВ1) частоты и времени, так и каждого из группового хранителя частоты (СЧВ2 – СЧВN). Под частотными характеристиками подразумеваются относительные разности, дрейф и нестабильности частот, рассчитываемые с помощью кросскорреляционной обработки [3, 4]. Алгоритм включает в себя автоматический расчет динамических весовых коэффициентов для каждого стандарта частоты и времени, каждый из которых будет вносить разный вклад в формирование частотных поправок.
Определение разностей ШВ опорного стандарта частоты и времени относительно национальной шкалы времени UTC(SU) посредством дифференциальных измерений с применением приемника ГНСС. Полученные данные обрабатываются рекурсивным фильтром Калмана [5], после чего рассчитываются поправки по частоте.

К достоинствам данного метода можно отнести:

удовлетворение требований потребителей, нуждающихся в обеспечивании ЧВИ (ШВ) в реальном масштабе времени;
поддержание отклонения ШВ относительно национальной шкалы времени UTC(SU) в пределах ±1 нс;
отсутствие зависимости от постоянного наличия сигналов ГНСС, что особенно актуально в условиях постановки преднамеренных помех;
отсутствие скачков ШВ, корректирующих ее положение, благодаря управлению положением ШВ с помощью изменения частоты.

Литература

1) ГОСТ 8.567-2014. Межгосударственный стандарт. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения времени и частоты. Термины и определения. 2014.

2) Auxiliary Output Generator AOG-110. Manual. Microchip Technology, Inc. 18 С.

3) Чернышев И. Н., Беляев А. А., Мишагин К. Г. Погрешность измерения нестабильности частоты методом трех генераторов // Измерительная техника. 2012. № 7. С. 37–41.

4) Компаратор фазовый многоканальный VCH-315. Руководство по эксплуатации ЯКУР.411146.018РЭ. ЗАО «Время-Ч», 2020. 45 С.

5) Лемешко О. В. Фильтр Калмана. Теоретические основы и практическое применение // Журнал «Вестник магистратуры». 2014. Том 1. № 6 (33). С. 2–4.